Сравнение и применение матриц CCD и CMOS

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС – прибор c зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник).

Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал.

CCD является аналоговым устройством. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала. Далее электрический потенциал усиливается за пределами светочувствительных сенсоров.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Происходит оцифровывание каждого пикселя в отдельности, что дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

Цветовая фильтрация

Датчики изображений регистрируют объем света, упавшего на них (от светлого до темного), но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации: RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый).

Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.
RGB-цветовой фильтр состоит из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров. Фильтр содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», что дает человеческому глазу увидеть больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. обладает более широкой спектральной полосой пропускания. Используются дополнительные цвета – голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется c зеленым цветовым фильтром. При этом, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, что влечет за собой дополнительную обработку и вносит шумы, которые приводят к ухудшению передачи цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения c чересстрочной разверткой, а RGB-фильтры используются в датчиках изображения c прогрессивной разверткой. 

Матрица CCD

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах. С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов, что привело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности.

К преимуществам CCD матриц относятся:

• Низкий уровень шумов
• Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%)
• Высокая эффективность (95%)
• Высокая чувствительность (динамический диапазон)

К недостаткам CCD матриц относятся:

• Сложный принцип считывания сигнала (технология)
• Высокий уровень энергопотребления (до 5 Вт)
• Стоимость изготовления
• Трудоемкий процесс производства
• Меньший показатель максимальной частоты смены кадров в секунду

Матрица CMOS

Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

Преимущества CMOS матриц:

• Высокое быстродействие (до 500 кадров/с)
• Низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению c CCD)
• Стоимость изготовления
• Перспективность технологии

К недостаткам CMOS матриц относятся

• Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%, остальное занимают транзисторы)
• Высокий уровень шума, борьба c которым усложняет и удорожает технологию
• Невысокая чувствительность (динамический диапазон)

Основные отличия CMOS от CCD

CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители, А/Ц-преобразователи и микросхемы дополнительной обработки, а в камере c CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, поэтому внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. При этом, CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают многопотоковое видео и «оконизацию» изображения, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают одним АЦП, в то время кaк в CMOS-сенсорах А/Ц-преобразователем облaдaeт каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Области применения камер с матрицами CCD и CMOS

Предпочтительные сферы применения камер видеонаблюдения с CMOS и CCD матрицами отличаются. Цифровые устройства (CMOS) показывают высокую эффективность при наблюдении за быстродвижущимися объектами, например на городских автомобильных дорогах и автострадах.

При этом, устройства с CMOS матрицами не издают посторонних звуков при работе и имеют более компактные размеры. Это говорит об их преимуществе при устройстве системы видеонаблюдения внутри жилых комнат или помещениях, где требуется соблюдение режима тишины.

Видеокамеры с аналоговой матрицей (CCD) обладают более высокой чувствительностью и предпочтительны для работы в местах скопления людей: на автостоянках, входных зонах. Также CСD камеры показывают лучшие результаты при плохой освещенности и менее чувствительны к температурным колебаниям.

Заключение

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками. Технологии развиваются очень быстро, и ситуация постоянно меняется. Мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума.

Вопрос о том выбрать ли камеру c CCD-сенсором или c CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых к качеству изображения системы видеонаблюдения.

У нас на сайте можно ознакомиться с устройствами на основе CMOS:

Мультиспектральная видеокамера 2020UV-USB3

«2020UV-USB3» - видеокамера на основе КМОП сенсора, обладающая высокой чувствительностью в диапазоне от 200 нм до 1100 нм. Использование интерфейса USB3.0 позволяет обеспечить прямую передачу данных на ПК без промежуточных носителей информации. Синхронизация съемки может осуществляться с помощью внешнего управляющего сигнала (триггерный режим).

Фотоприёмный модуль 2M12U

«2M12U» - это усовершенствованный фотоприёмный модуль на основе мегапиксельного сенсора CMOS (КМОП), отличающийся высокой скоростью передачи данных и поддержкой сложных операций, таких как создание окон, горизонтальное или вертикальное зеркальное отображение и т.д. Данный фотоприёмный модуль способен работать как в видимом, так и в ближних ИК и УФ диапазонах и применяется в приборах ночного видения, а также в камерах видеонаблюдения с расширенным функционалом.

Фотоприёмный модуль P2110

«P2110» - высокочувствительный фотоприёмный модуль на основе сенсора CMOS (КМОП), обладающий низким электропотреблением, компактной конструкцией и высокой расширяемостью. Данный фотоприёмный модуль способен работать как в видимом, так и в ближних ИК и УФ диапазонах и применяется в приборах ночного видения, а также в камерах видеонаблюдения с расширенным функционалом. 

Мультиспектральная видеокамера BSI-UV2

«BSI-UV2» - высокочувствительная охлаждаемая видеокамера на основе КМОП матрицы с обратной засветкой, работающая в диапазоне от 180нм до 1100нм. Данная камера предназначена для применения в сфере различных научных исследований: микроскопия, генная инженерия, микробиология, астрономия и т.п.

Прибор ночного видения TCG-P-007

«TCG-P-007» - портативное наблюдательное устройство на основе КМОП-матрицы высокого разрешения, которое предназначено для круглосуточного использования в условиях низкой освещённости. Прибор имеет компактный ударопрочный корпус, а также оснащён дополнительным источником ИК-подсветки для улучшения качества получаемого изображения в темноте.

В зависимости от поставленных целей и задач наши менеджеры и специалисты инженерного отдела смогут подобрать для вас оптимальное устройство для реализации, а также предоставить информацию по срокам поставки, стоимости и техническим характеристикам продукции. Купить или проконсультироваться можно более подробно, отправив заявку или позвонив по указанному номеру телефона