Тип матрицы ccd: CCD или CMOS? Что лучше?

На что влияет размер матрицы в камере?
От диагонали сенсора напрямую зависит качество изображения. Чем больше размер матрицы, тем крупнее у нее пиксели, следовательно, они улавливают большее количество света и расположены менее густо. Это позволяет уменьшить уровень помех, наводок и паразитных шумов. Кроме того, крупные сенсоры дают большие углы обзора для оптики с одинаковым фокусным расстоянием.

Какой размер матрицы лучше для видеокамеры

Это зависит от конкретных задач, стоящих перед видеонаблюдением. Важно помнить, что при выборе устройства характеристики нужно рассматривать комплексно. Например, хорошее разрешение при маленьком размере сенсора дадут плохое изображение. Кроме того, чем больше матрица, тем она дороже. Поэтому при выборе видеокамеры необходимо рассматривать вариант, в котором будут учитываться оптимальное соотношение трех показателей, удовлетворяющих потребности видеонаблюдения — это цена, разрешение и типоразмер.

Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание? / Хабр

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Да будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.

Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!

Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Итоги

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

Тип матрицы mos или cmos. Разница между CCD и CMOS матрицами. К недостаткам CCD матриц относятся

Сенсоры CCD и CMOS последние несколько лет находятся в состоянии непрерывного соперничества. В данной статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки данных технологий. ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора. КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы. CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т. к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Одной из основных проблем при использовании CMOS-матриц в видеокамерах было качество изображения. CCD-матрицы обеспечивали и обеспечивают сейчас более низкий шумовой уровень. В результате CMOS-чипы чрезвычайно плохо вели себя при низкой освещенности, по сравнению с CCD-чипами. И поскольку низкая освещенность — одна из основных трудностей при видеосъемке, это было главным барьером для использования CMOS-матриц. Однако, опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. Изображения автомобилей могут содержать очень яркие элементы, такие как фары, солнце, а также очень темные участки, например, на номерных знаках. По этой причине для обработки сцен с большими контрастными перепадами необходим широкий динамический диапазон. ПЗС-сенсор обладает хорошими параметрами динамического диапазона, однако предусмотренный в КМОП доступ к отдельным пикселям, дает куда больше возможностей для получения лучшего динамического диапазона. Также при использовании CCD-матриц яркие пятна сцены могут создавать вертикальные линии на картинке и мешать распознаванию номерного знака из-за выцветания и смазывания. Несмотря на то что CCD-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. В свою очередь, технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость формирования кадра даже для 3 Мп сенсоров. Однако использование мегапиксельных CMOS-сенсоров для IP-камер систем видеонаблюдения требует эффективного сжатия потока данных. Наиболее распространенными алгоритмами компрессии в IP CCTV в настоящее время являются M-JPEG, MPEG4 и H.264. Первый нередко реализуется непосредственно на CMOS-сенсоре самим производителем матрицы. Алгоритмы MPEG4 и H.264 – более эффективные, но требуют мощного процессора. Для формирования потока реального времени с разрешением более 2 мегапикселей в CMOS IP-камерах используются сопроцессоры, обеспечивающие дополнительные вычисления. В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP видеонаблюдения. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.

Преимущества CCD матриц: Низкий уровень шумов, высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%), высокий динамический диапазон (чувствительность), хорошая чувствительность в IR-диапазоне.

Недостатки CCD матриц: Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология, высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт), дороже в производстве.

Преимущества CMOS матриц: Высокое быстродействие (до 500 кадров/с), низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD), дешевле и проще в производстве, перспективность технологии (на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле).

Недостатки CMOS матриц: Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы), высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию, невысокий динамический диапазон.

Как и любая технология, технологии CMOS и CCD обладают преимуществами и недостатками, которые мы постарались рассмотреть в данной статье. При выборе камер необходимо учитывать все плюсы и минусы данных технологий, обращая внимание на такие параметры как светочувствительность, широкий динамический диапазон, энергопотребление, уровень шума, стоимость камеры.

Как известно, фотоаппараты делятся на две большие категории — аналоговые и цифровые — по признаку светочувствительной поверхности, которая запечатлевает изображение. В аналоговом фотоаппарате этой поверхностью служила фотопленка — нехитрая штука с определенной светочувствительностью, определенным количеством кадров одноразового использования, с которых после химической обработки можно было получить отпечаток изображения на бумаге.

В цифровых же фотоаппаратах эту основополагающую роль берет на себя матрица. Матрица — прибор основной функцией которого является оцифровка определенных параметров света попавшего на его поверхность. Подробно и наглядно этот процесс показан в отличном видео от Discovery в нашей статье « «, если вы еще его не смотрели, обязательно сделайте это!

Есть две основные, наиболее популярные и в тоже время конкурирующие технологии матриц — это CCD и CMOS . Давайте же сегодня разберемся с тем, в чем же разница между CCD и CMOS матрицами?

Мы попытаемся разобраться в их отличии без погружения в детали физики, просто, чтобы иметь представление не только о том, как устроен фотоаппарат, но и о том, какая сейчас на вашей камере матрица. Думаю начинающему фотографу этого будет достаточно, а кому интересны детали, тот сможет покопаться дальше и самостоятельно.

CCD матрица, источник: Википедия

Итак, CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) . Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП) , оцифровывают каждый пиксель на месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

CMOS матрица, источник: Википедия

CCD матрицы отличаются более высоким качеством изображения и все еще остаются популярными в областях медицины, промышленности, науки, там где качество изображения является критически важным. За последнее время CCD матрицы уменьшили энергозатратность и стоимость, а CMOS матрицы значительно усовершенствовали качество изображения, особенно после технологического переворота в производстве CMOS -сенсоров, когда по технологии Active Pixel Sensors (APS) к каждому пикселю был добавлен транзисторный усилитель для считывания, что позволило преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это и обеспечило прорыв CMOS технологии, к 2008 году она стала практически альтернативой CCD матрицам. Более того, технология CMOS позволили снимать видео и ввести эту функцию в современные фотоаппараты, и в большинстве своем соврерменные цифровые фотоаппараты оснащены именно CMOS матрицами.

Сенсор изображения является важнейшим элементом любой видеокамеры. Сегодня практически во всех камерах используются датчики изображения CCD или CMOS. Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. Однако вопрос, какой датчик лучше, до сих пор остается открытым

Н.И. Чура
Технический консультант
ООО «Микровидео Группа»

CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.

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

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах «день/ночь» с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.

Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.

Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3″ Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: уникальная чувствительность

В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.

Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.

В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.

CMOS: достоинства и недостатки

Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.

К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.

Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.

С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.

CMOS: улучшение чувствительности

Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.

Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение «сигнал/шум», позволяющее наблюдать не один только «снег» на экране.

Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению «сигнал/шум» в мегапиксельных вариантах.

Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.

На фото 1 приведены изображения тестового объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.

Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.

Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов.

На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Можно констатировать, что 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. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.

Матрица — это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа — CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры. В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше — CCD или CMOS.

Общая информация

Матрицы предназначены для оцифровки параметров световых лучей на их поверхности. Говорить о явном преимуществе одной из технологий не представляется возможным. Можно проводить сравнение по конкретным параметрам и выявлять лидера в том или ином аспекте. Что касается предпочтений пользователей, то зачастую для них главным критерием является стоимость изделия, даже если оно будет уступать по качеству или техническим характеристикам своему конкуренту.

Итак, давайте разберемся, что представляют собой оба типа устройств. CCD-матрица — это микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов; она создана на кремниевой основе. Особенность ее работы заключается в принципе действия устройства с зарядовой связью. CMOS-матрица — это прибор, созданный на основе полупроводниковых имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.

Принцип работы

Перейдем к выявлению отличий, которые помогут определиться в выборе: что же лучше — матрица CMOS или CCD? Главным различием этих двух технологий является принцип их работы. CCD-устройства заряд от пикселей преобразуют в электрический потенциал, который усиливается за пределами светочувствительных сенсоров. В результате получается изображение в аналоговом виде. После этого проводится оцифровка всей картинки в АЦП. То есть прибор состоит из двух частей — непосредственно матрицы и преобразователя. CMOS-технология характеризуются тем, что производит оцифровывание каждого пикселя в отдельности. На выходе получается уже готовая цифровая картинка. То есть электрический заряд в пикселе матрицы накапливается в конденсаторе, с которого снимается электрический потенциал. Он передается на аналоговый усилитель (встроенный непосредственно в пикселе), после чего оцифровывается в преобразователе.

Что же выбрать: CCD или CMOS?

Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы. CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.

Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше — CCD или CMOS, — является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).

Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой — CMOS или CCD — приобрести, всплывает главный параметр — цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее. Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.

Матрица CCD (англ. Charge-Coupled Device ), или ПЗС-матрица (приборы с зарядовой связью ), была разработана в США еще в конце 1960-х годов в качестве памяти для компьютеров. Использоваться она стала в начале 1970-х годов. Принцип действия матрицы CCD основан на построчном перемещении зарядов, накопленных в образованных фотонами прорехах в вышеупомянутых атомах кремния. Во время считывания электрического заряда с матрицы осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя, который передает усиленный сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), а затем – преобразованный сигнал поступает в процессор.

В современных цифровых фотоаппаратах используются матрицы двух типов:

Матрица фотоаппарата типа CMOS выходит в лидеры

Матрица CMOS (англ. Complementary Metal Oxide Semiconductor ), или КМОП-матрица (комплементарные металл-оксидные полупроводники ) действует на основе активных точечных сенсорах. В отличие от матрицы CCD, эта матрица преобразует заряд в напряжение сразу в пикселе. Благодаря такой рациональной системе значительно повышается скорость фотоаппарата при обработке информации с матрицы и способствует интегрированию матрицы CMOS непосредственно с аналогово-цифровым преобразователем или даже с процессором. В итоге происходит экономия питания (цепочка действий не такая длинная, как у фотокамер с матрицей CCD) и удешевление устройства за счет упрощения его конструкции.

Раньше матрицы CCD являлись более чувствительными и способными выдавать более качественные изображения, чем матрицы CMOS . Сейчас с развитием технологий, в частности, с повышением качества кремниевых пластин и улучшением схемы усилителя, качество изображения, полученного на цифровых фотоаппаратах с матрицей CMOS, практически не уступает качеству изображения, полученного на цифровых фотоаппаратах с матрицей CCD. Этот факт доказывает хотя бы то, компания Canon стала выпускать некоторые профессиональные зеркалки (D -30, D-60, D-10 и т.д.) с использованием матрицы CMOS.

У кремниевых матриц цифровых фотоаппаратов есть еще один нюанс: проходящие через объектив лучи света попадают на сенсор под прямым углом только в центре кадра, остальные падают косо. Если для пленки это не имеет значения, для матрицы лучи, падающие на нее под косым углом, критичны и нежелательны. Поэтому некоторые производители идут даже на такие ухищрения, что над каждым пикселем устанавливают микролинзочку, которая фокусирует свет под правильным углом и с нужной силой.

А вот рисунок, дающий представление о том, как выглядят матрицы различного размера на фоне 35-миллиметровой пленки, или полноразмерной матрицы.

Эксперт Sony Александр Бахтурин делает обзор матриц. Часть 1

Александр Бахтурин

Преподаватель отдела маркетинга, эксперт компании Sony

В начале 1990-х годов появились новые автомобильные журналы, и я познакомился с автожурналистами, много для них снимал. Случались заказы от представительств и ведущих автосалонов, которые тогда были распространены, едва ли не как газетные киоски. Выигрывал я, в числе прочего, за счет качества цвета, точно подбирая фотоплёнку под задачу. Например, для алого автомобиля — Kodak, всегда более тёплую по картинке; для синего-зелёного — самую простую пленку Fujifilm; а для серо-cеребристых Audi — обязательно Agfa. Потому что статьи специалистов Agfa в германском журнале FotoMagazin и американском Popular Photography читал всегда…

От пленки к цифре

В 1995 году в интервью о перспективах развития цифрового рынка специалист Agfa ответил следующее: «Невозможно сравнивать современные 2-6-мегапиксельные матрицы с построчным переносом с кадром плёнки, который за тысячную долю секунды захватывает изображение в 18 Мпикс. с идеальной цветопередачей». И никакая пыль, как в случае использования сенсора в камере со сменной оптикой, на плёнку не влияет. И каждый следующий кадр является новым. Да, таковы были важнейшие преимущества.

Плёнки лучших компаний-производителей были рассчитаны на различные цветовые задачи: от примитивных по цвету, но ярких, любительских до профессиональных, передающих тончайшие оттенки. Про-эмульсии к концу 1990-х годов состояли из 3-4 чувствительных слоёв, в которых были распределены серебросодержащие молекулярные агрегаты, чувствительные к различной длине световой волны. По прошествии 20 лет мы можем говорить об эмульсионных носителях с 15 слоями!

Плёнка остаётся высоко ценимым инструментом профессиональных фотохудожников, но в любительской и коммерческой скоростной фотографии победила цифра. Главное в нынешнем цифровом фотоаппарате — сенсор. Если плёнку можно выбрать «под задачу» — с определённой зернистостью, цветопередачей и проработкой переходов серого, то сенсор покупается в цифровике раз и на… 3-7 лет. Это плёночная камера живёт долго. Есть 80-летние аппараты, используемые и сегодня с удовольствием. А 50-летние не хочется из рук выпускать…

Сенсор — не поменяешь, к его характеристикам и особенностям придётся «прикипеть». Цифровая камера рассчитана на 5-7 лет. И у любителя, и у профессионала она может трудиться 10 лет, а может рассыпаться через месяц. Как правило, через 2-3 года цифровая камера станет «немодной»; через 3-4 года действительно устареет; а через 5 лет будет не более чем историческим артефактом. Потому как скорость падения цены при вторичной продаже после года пользования весьма высока.

Каковы основные типы современных фотосенсоров?

ПЗС/CCD

ПЗС — система накопления заряда. Фотон света, попадающий в полупроводниковый прибор, поглощается зоной кремниевой подложки р-типа, в которой имеется дефицит электронов. Накопление электронов при воздействии света это и есть фотоэффект. «Накопительные ямы» связаны между собой, и заряд перетекает от одного к другому линейно и далее к считывающему регистровому ПЗС, который служит накопителем сигнала (помните, ПЗС изначально это элемент памяти?). Процессом подачи электро-потенциалов на ячейки сенсора управляет микросхема с тактовым генератором, он же контролирует считывание сигнала с регистров. Этот аналоговый сигнал попадает в усилитель и декодируется в аналогово-цифровом преобразователе. Мы получили чёрно-белое изображение.     

Такой высокочувствительный сенсор нуждается в механическом затворе — считывание производится только после прекращения накопления заряда ячейками-пикселами. Интервал между срабатываниями затвора будет зависеть от скорости считывания. Энергопотребление весьма высоко, при работе выделяется много тепла, паразитно влияющего на сохранение и перенос заряда.

Первые сенсоры были весьма просты, их принцип ещё в 1908 году описал шотландский учёный Арчибальд Свинтон, придумавший электронно-лучевую трубку. В 1969 году Уиллард Бойл и Джордж Смит из компании AT&T Bell Laboratories сформулировали идею технического задания по созданию ПЗС, и уже в 1972 году Texas Instruments запатентовало устройство записи изображений с ПЗС-сенсора на магнитную ленту. Собственно, лаборатории работали над созданием устройства памяти для видеотелефонии, но уже в 1970 году они делали фотосъёмку с помощью линейного ПЗС-сканирования: фотоэлектрический эффект оказался важнее эффекта накопления заряда.

В 1973 компания Fairchild начала выпуск ПЗС-матриц с картинкой 100х100 пикс. В 1975 году Стив Сассон из компании Kodak создал на такой матрице первый цифровой фотоаппарат. Запись изображения шла в течение 23 с, в полтора раза дольше информация сохранялась на 8-мм видеокассете. Масса камеры достигала 3,6 кг. В 1976 году на производстве компании Procter&Gamble работала первая коммерческая камера Fairchild MV-1. И только в 1978 году было впервые запатентовано устройство цифровой фотокамеры.     

О роли компании Sony в развитии ПЗС-технологий

Огромный вклад в развитие рынка цифровых видео- и фотокамер внёс президент корпорации Sony America Кадзуо Ивама/Kazuo Iwama. Его коммерческое чутьё подвигло Sony вложить в производство ПЗС огромные средства и наладить массовое производство видеокамер. После его смерти в 1982 году ПЗС-микросхема была вмонтирована в надгробную плиту.

В 1980 году компания Sony представила первую цветную ПЗС-видеокамеру XC-1. В 1981 г. Sony объявила о начале производства Sony Mavica (Ma-vi-ca — магнитная видеокамера — прим. ред.), записывавшая NTSC-видео с разрешением 570×490 пикс. на 2-дюймовый флоппи-диск Mavipak/Video Floppy VF-50, где помещалось 50 фотографий. В 1982 году Mavica превратилась в прототип, как две капли воды напоминающий современные модели Sony A7, со сменной оптикой и адаптером под объективы Nikon Ai. Идея камеры обогнала развитие цифровой фотографии на 35 лет!.. 

На Олимпийских играх 1984 года в Лос-Анджелесе компания Canon показала устройство Still Video System D413, позже превратившееся в первый цифровой фотоаппарат Canon RC-701 (1986). В 1990 году компания Kodak разработала первый цифровой встраиваемый модуль DCS Digital Film Back с внешним сохранением информации для профессионального Nikon F3HP, получив камеру Kodak DSC-DC3/DM3 в 5 кг весом с разрешением 1,3 Мпикс. сенсором Kodak M3. Калифорнийская Dycam в это же время выпустила первую действительно компактную ч/б цифровую камеру Dycam Model 1, продававшуюся как Logitech FotoMan FM-1. В 1995 году компания Sony выпускает первый массовый аппарат Sony Cyber-shot DSC-F1 (1/3″ CCD; 0,3 Мпикс. ; 640×480) с ЖК-дисплеем и поворотным модулем объектива. Кстати, схема дожила до 2010 года в модели Sony Bloggie MHS-PM5.

В 2009 г. Уиллард Бойл и Джордж Смит получили Нобелевскую премию по физике за создание ПЗС.

Продолжение материала (часть 2) читайте здесь.

Типы сенсоров цифровых фотоаппаратов: CCD и CMOS

Типы сенсоров: CCD и CMOS

CMOS и CCD — две наиболее важные и распространенные технологии на рынке датчиков изображения.

ПЗС (устройство с зарядовой связью) — это датчики, основанные на массиве пассивных фотодиодов, которые накапливают заряд во время экспозиции камеры. Затем заряд передается на общую электронику, которая считывает накопленные заряды различных пикселей и преобразует их в напряжения.

Поскольку ПЗС-матрица представляет собой устройство с пассивными пикселями (то есть без электроники на уровне пикселей), квантовая эффективность очень высока: это преимущество в приложениях с очень плохим освещением. Кроме того, поскольку электроника одинакова для всех пикселей (или, по крайней мере, для пикселей одного и того же столбца), может быть достигнута высокая однородность пикселей. С другой стороны, передача заряда происходит довольно медленно, что приводит к низкой частоте кадров (обычно <20 кадров в секунду), а технология для датчиков CCD нестандартна, что делает их довольно дорогими.

КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник) — это датчики, основанные на массиве активных пикселей: электроника пиксельного уровня (обычно 3 или 4 транзистора) преобразует заряд, накопленный в фотодиоде, в четко определенное напряжение; таким образом, выходной сигнал каждого пикселя должен быть только получен и дискретизирован.

Поскольку вывод пикселей зависит от напряжения (а не от заряда), с помощью CMOS-датчиков можно достичь более высокой частоты кадров благодаря более простой схеме считывания и возможности определить интересующую область (ROI), которую необходимо получить. Недостатком этой схемы считывания является использование более высокого шума из-за транзисторов считывания в каждом пикселе и из-за так называемого фиксированного структурного шума: неоднородности изображения из-за несоответствия между различными схемами пикселей.

Глобальный и рольставни (CMOS).

В литературе говорится о способах захвата и считывания изображения с глобальными затворами и рольставнями.

При схеме считывания рольставни время экспозиции одинаково для всех пикселей сенсоров (см. Рисунок: длина голубых полосок одинакова для всех строк матрицы), , но есть задержка между экспонированием одной строки и следующей.

Другими словами, эта архитектура является «последовательной»: считывание происходит сразу после времени экспонирования строки.

Схема рольставни

Эта схема дает изображение, которое не все снимается одновременно, а скорее немного сдвинуто во времени: это может быть проблемой в быстром приложении, требующем высокой частоты кадров.

Эффект рольставни.

Напротив, время экспозиции датчиков global shutter начинается и заканчивается в одно и то же время (см. Рисунок: в этом случае все красные полосы выровнены).Таким образом, информация, предоставляемая каждым пикселем, относится к тому же временному интервалу, в котором было получено изображение. Здесь только считывание является последовательным, но выборка напряжения относится к одному точному моменту времени для всего массива. Этот тип датчика является обязательным для высокоскоростных приложений.

Схема глобального затвора

Распространенные типы матриц ПЗС: (а) ПЗС-матрица с кадровой передачей, (б) построчная ПЗС-матрица.

Контекст 1

… за исключением того, что секция хранения имеет форму экранированных столбцов, расположенных между столбцами пикселей изображения.По окончании времени экспонирования заряд каждого пикселя передается соседнему с ним пикселю памяти и затем считывается обычным способом. В построчной ПЗС структура зарядов может быть передана в секции хранения быстрее по сравнению с ПЗС с кадровой передачей, благодаря тому факту, что заряд в каждом пикселе передается непосредственно на соответствующий ему запоминающий элемент. Однако тот факт, что в области изображения есть нечувствительные области, делает межстрочные ПЗС-матрицы менее подходящими для научных приложений [7].Одним из преимуществ матриц ПЗС с покадровой передачей и построчным переносом перед базовой ПЗС «полного кадра» является минимальное размытие, возникающее из-за того, что заряды передаются от пикселей изображения намного быстрее при использовании параллельного переноса. Во многих ПЗС-массивах с передачей кадров и построчными кадрами кадр может быть передан в секцию хранения менее чем за микросекунду. Таким образом, для этих типов ПЗС практически отпадает необходимость во внешней заслонке (во избежание смазывания). С устранением внешней опалубки вместо нее можно использовать электронную опалубку для контроля времени экспозиции. Электронное затворение реализуется путем удаления фотогенерируемого заряда в матрице ПЗС в течение периода времени, предшествующего началу экспонирования (обычно достигается обратным синхронизацией зарядов в сток), позволяя заряду накапливаться в течение требуемого времени экспонирования с последующим кадрированием. передача изображения в секцию хранения [6]. В настоящее время в продаже имеется широкий спектр высокоскоростных камер с частотой кадров от 1 кГц до 200 МГц. Обычно термин «высокоскоростная камера» используется для камер, способных снимать последовательности изображений, а также для камер с одиночным снимком.Однокадровая высокоскоростная камера — это камера, способная снимать высокоскоростное изображение (т. Е. Изображение с очень коротким временем экспозиции), которое, кажется, останавливает движение движущегося объекта. Скорость такой камеры просто обратна времени экспозиции. С другой стороны, обсуждаемые здесь высокоскоростные камеры, которые являются наиболее распространенными и практичными, способны захватывать последовательность высокоскоростных изображений с очень коротким межкадровым разделением. Скорость или частота кадров такой камеры относится к инверсии межкадрового времени, хотя, естественно, понятно, что для всех практических целей время экспозиции меньше или максимально равно межкадровому времени.Основное ограничение на максимальную частоту кадров, которая может быть достигнута с помощью датчиков изображения CCD, накладывается на время, необходимое для считывания захваченного изображения (изображений) с датчика изображения. Скорость считывания большинства камер CCD находится в диапазоне от 10 до 40 МГц, наиболее типичным из которых является 10 МГц. Например, скорость считывания 10 МГц означает, что для сенсора с разрешением 1 мегапиксель потребуется около 0,1 с для считывания полного кадра (т. Е. Частота кадров составляет 10 Гц). С увеличением скорости считывания увеличивается и шум считывания, поэтому использование более высоких скоростей считывания не обязательно.Для преодоления этого ограничения максимальной скорости кадрирования, налагаемого временем считывания, можно использовать различные методы. Один из этих методов основан на уменьшении размера считываемого изображения (то есть разрешения в пикселях), чтобы сократить время считывания и, следовательно, увеличить частоту кадров. Группирование, усреднение соседних пикселей и управление окнами с использованием подмножества датчика для захвата и считывания изображения — это два метода, которые используются с ПЗС-матрицами высокого разрешения для уменьшения размера изображения и, следовательно, увеличения частоты кадров. .Другой метод, который можно использовать для достижения гораздо более высоких скоростей кадрирования, аналогичен «оконной обработке» в том смысле, что для каждого изображения используется подмножество матрицы ПЗС. Однако пиксели, представляющие разные изображения, чередуются; каждый набор пикселей, представляющих изображение, экспонируется в определенное время, и вместо того, чтобы считывать каждое отдельное изображение, когда оно становится доступным, изображения сохраняются на ПЗС до тех пор, пока на ПЗС не будет записано несколько изображений и все они не будут считаны. вместе [8, 9].Кроме того, также возможно увеличить частоту кадров, разделив ПЗС-матрицу на несколько областей, которые считываются одновременно через отдельные секции считывания [10]. Высокоскоростные камеры, использующие комбинацию этих методов, могут получать последовательности изображений с частотой кадров порядка от 1 кГц до 100 кГц. Однако эти методы не могут использоваться для увеличения скорости считывания на несколько дополнительных порядков, как это потребовалось бы для достижения действительно высокой скорости захвата изображений с высоким разрешением.Новый тип датчика изображения, известный как датчик изображения с памятью на месте (ISIS), способен записывать 100 последовательных кадров с разрешением 312 × 260 пикселей при частоте кадров 1 МГц [11]. Концепция ISIS CCD аналогична концепции построчной CCD (рисунок 2 (b)), где у нее есть локальная память, вкрапленная в раздел изображения, но вместо одного элемента памяти для каждого пикселя доступны несколько элементов. Во время фазы захвата изображения сигналы изображения передаются в оперативную память без считывания с датчика, а количество доступных кадров в последовательности равно количеству элементов памяти, установленных в каждом пикселе. Элементы памяти в этом типе сенсора занимают 87% общей площади каждого пикселя, что означает, что светочувствительная область каждого пикселя (то есть коэффициент заполнения) составляет всего 13%. Поэтому есть некоторые опасения, что такой датчик может не подходить для приложений, включающих PIV или DIC, поскольку существует высокая вероятность того, что две совершенно разные области поля зрения будут захвачены в любых двух последовательных кадрах. Использование коротких импульсов освещения позволяет работать с ПЗС-матрицами с покадровой передачей или построчно в специальном режиме, известном как «двухкадровый», в котором два изображения могут быть записаны в очень быстрой последовательности [4].В этом режиме работы первое изображение захватывается в момент, когда первый импульс освещения падает на объект, обычно ближе к концу времени экспозиции первого кадра, и сразу после того, как кадр передается в секцию хранения, второй импульс освещения используется для экспонирования объекта во время экспозиции второго кадра. На рисунке 3 показаны временные характеристики экспозиции камеры и импульсов освещения в этом режиме работы. Обратите внимание, что, хотя экспозицией первого кадра можно управлять с помощью описанной ранее техники электронного затвора, экспонирование второго кадра продолжается в течение всего времени, необходимого для считывания первого изображения из секции хранения.Однако, хотя время экспозиции второго кадра очень велико, длительность импульса освещения определяет «эффективное» время экспозиции. Этот подход позволяет получить пару изображений, одно в разделе изображений, а другое в разделе хранения. Таким образом, в двухкадровом режиме работы камера может захватывать два кадра в очень быстрой последовательности, а затем ждать сотни миллисекунд (время считывания двух кадров), прежде чем она сможет захватить еще одну пару изображений. Минимальное межкадровое разделение ограничено временем передачи кадра, которое для самых последних моделей может составлять всего 50 нс.Камеры, оптимизированные для минимизации времени передачи кадров и полностью нацеленные на этот режим работы, называются двухкадровыми камерами, и на рынке имеется множество таких камер. Следует отметить, что подсветка должна быть предоставлена ​​в виде импульса, который заканчивается до начала передачи кадра, чтобы предотвратить размытие. В противном случае смазывание во время передачи кадра будет значительным, поскольку время передачи кадра не мало по сравнению с эффективным временем экспозиции (т.е.е. длительность импульса подсветки) и межкадровое разделение. Также должно быть очевидно, что этот метод записи изображения больше подходит для условий низкой внешней освещенности, поскольку фактическое время экспозиции второго кадра относительно велико. Чтобы реализовать работу с минимальным межкадровым временем, которое позволяют эти камеры, а именно с временем передачи кадра, импульсное освещение должно обеспечиваться источниками, достаточно яркими, чтобы адекватно экспонировать ПЗС-матрицы в пределах временного интервала, составляющего небольшую часть кадра. время передачи, незадолго до и вскоре после передачи первого кадра.Импульсные лазеры все чаще используются в качестве источника освещения, поскольку они способны обеспечить до 1 Дж освещения при длительности импульса всего в несколько наносекунд. Если одна лазерная головка используется для создания последовательности импульсов с очень высокой частотой повторения, энергия на импульс будет очень маленькой и недостаточной для многих приложений визуализации. Поэтому, когда требуется несколько импульсов с очень коротким межимпульсным разделением, обычно используются несколько синхронизированных лазерных головок.Двухкамерные камеры обычно используются в сочетании с двухимпульсными (двухрезонаторными) лазерами на Nd: YAG для PIV в высокоскоростных потоках. Этот тип камеры способен снимать изображения хорошего качества с полным разрешением; однако максимальная частота кадров ограничена временем передачи кадров, а количество доступных кадров ограничено двумя. Для захвата последовательностей из более чем двух изображений с полным разрешением на сверхвысокой скорости обычно используются несколько камер, объединенные в системы с многоканальными камерами.Многоканальные камеры состоят из нескольких ПЗС-матриц или камер, разделяющих одну и ту же ось обзора (с использованием светоделителя (ей), вращающегося зеркала, вращающейся призмы и т. Д.), Которые запускаются в очень быстрой последовательности для захвата последовательности изображений [6]. Благодаря использованию нескольких камер ограничение частоты кадров, налагаемое временем считывания, устраняется, и можно записывать несколько изображений, соответствующих количеству внутренних камер или ПЗС-матриц. Чаще всего …

Контекст 2

… Мы представляем прототип системы камер этого типа, состоящей из четырех двухкамерных камер и четырех импульсных лазеров с двумя резонаторами, которая способна снимать изображения с высоким разрешением при частоте кадров до 200 МГц. Система прототипа построена на основе стереомикроскопа, так что он может получить последовательность из восьми изображений, используемых для 2D DIC, или четырех пар стереоизображений, используемых для 3D DIC [5]. Мы также представляем образцы результатов, показывающих поля скорости и скорости деформации при обработке стали AISI 1045-HR со скоростью резания 3.3 м / с — 1. Устройство формирования изображения состоит из оптики формирования изображения (например, линзы), которая собирает свет, исходящий от цели, и формирует ее изображение на светочувствительном носителе (фотопленке, электронном датчике изображения и т. Д.), Расположенном в плоскости реального изображения. Высокоскоростная визуализация почти так же стара, как и сама визуализация, восходящая к началу 19 века [6]. При очень длительной выдержке (несколько секунд), необходимой для захвата изображений в то время, высокоскоростная съемка дала возможность делать неподвижные изображения движущихся объектов.Значение высокоскоростной визуализации проистекает из того факта, что она предоставляет средства для наблюдения высокоскоростных явлений, которые иначе не могут быть разрешены. Возможности твердотельных электронных датчиков изображения в последнее время быстро развиваются, и они почти полностью заменили использование фотографических пленок. Электронный датчик изображения состоит из матрицы конденсаторных запоминающих элементов, известных как пиксели, сформированной на кремниевой подложке, покрытой оксидом. Этот тип датчика, известный как металлооксидный полупроводниковый (MOS) датчик, основан на фотоэлектрических свойствах кремния для преобразования падающего света в электрический заряд. Когда оптическое изображение проецируется на датчик изображения, фотоны, достигающие каждого пикселя, генерируют электрический заряд, обычно электроны, величина которого пропорциональна локальной интенсивности света в этом пикселе. После того, как датчик подвергался воздействию света в течение определенного периода времени (время интегрирования или экспозиции), в пикселях собирается образец зарядов (т. Е. Снимается кадр). Затем последовательность зарядов считывается на запоминающее устройство, освобождая датчик для захвата другого изображения.Двумя наиболее широко известными типами МОП-сенсоров являются комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП) и устройство с зарядовой связью (ПЗС). И CMOS, и CCD-сенсоры были предложены примерно в одно время, однако из-за более сложной конструкции CMOS-сенсоров технология CCD развивалась намного быстрее, и CCD-сенсоры стали более доминирующими. Основное различие между датчиками CCD и CMOS заключается в способе передачи изображения (т. Е. Структуры зарядов, собранных в пикселях) из датчика после его захвата. В самом базовом типе матриц ПЗС, известных как «полнокадровые» ПЗС [7], после того, как фотогенерируемый образец зарядов собирается в пикселях из-за воздействия падающего излучения, входящий свет блокируется. Под секцией изображения находится еще один ряд аналогичных запоминающих элементов, которые не являются светочувствительными (т. Е. Защищенными от света), известными как секция считывания. Заряды в пикселях передаются по одной строке вниз в секцию считывания, которая, в свою очередь, переносит заряды по строке, после чего электрические заряды преобразуются в напряжение и передаются через выходной усилитель.Как только аналоговый сигнал (соответствующий уровню заряда в каждом пикселе) выходит из датчика, он оцифровывается и передается на запоминающее устройство. Поскольку последовательная передача зарядов через секцию считывания занимает относительно длительный период времени, обычно используется внешний затвор (механический, магнитооптический или электрооптический), чтобы избежать «смазывания» изображения (т. Е. , сбор сборов в период передачи) [7]. После считывания всего кадра можно открыть шторку для съемки следующего кадра.С другой стороны, в датчике CMOS каждый пиксель имеет собственное преобразование заряда в напряжение, а в современных конструкциях датчик также включает усилители, схемы коррекции шума и оцифровки, поэтому датчик выводит цифровой сигнал. Конструкция датчика CMOS позволяет передавать сигналы от пикселей параллельно, и, таким образом, скорость считывания может быть намного выше, чем у датчика CCD. Однако другие функции, интегрированные в пиксели, увеличивают сложность дизайна и уменьшают доступную для захвата света область, известную как «коэффициент заполнения».Кроме того, когда каждый пиксель выполняет свое собственное преобразование, однородность ниже. У каждого из двух типов датчиков есть свои преимущества и недостатки. Для научных исследований изображений наиболее значительными преимуществами ПЗС-матриц по сравнению с КМОП являются более высокая чувствительность и динамический диапазон (причем оба они обусловлены более высоким коэффициентом заполнения) и более низким уровнем шума, тогда как наиболее значительным недостатком является низкое считывание. -выходная скорость. Наиболее часто используемые типы матриц ПЗС схематически показаны на рисунке 2: ПЗС с «кадровой передачей», 2 (а), и «построчные» ПЗС, 2 (b) [6, 7].ПЗС-матрица с кадровой передачей разделена на две идентичные секции, а именно, секцию изображения, которая является светочувствительной, и секцию хранения, которая защищена от света. По истечении времени, отведенного для сбора заряда (то есть времени экспонирования или времени интегрирования), весь массив зарядов в секции изображения быстро переносится (параллельная передача) в секцию хранения в процессе, известном как передача кадра. , после чего секция формирования изображения снова готова к получению еще одного изображения. Затем кадр считывается из секции хранения последовательной передачей через секцию чтения.Межстрочная ПЗС-матрица, рис. 2 (b), работает аналогичным образом, за исключением того, что секция хранения имеет форму экранированных столбцов, расположенных между столбцами пикселей изображения. По окончании времени экспонирования заряд каждого пикселя передается соседнему с ним пикселю памяти и затем считывается обычным способом. В построчной ПЗС структура зарядов может быть передана в секции хранения быстрее по сравнению с ПЗС с кадровой передачей, благодаря тому факту, что заряд в каждом пикселе передается непосредственно на соответствующий ему запоминающий элемент.Однако тот факт, что в области изображения есть нечувствительные области, делает межстрочные ПЗС-матрицы менее подходящими для научных приложений [7]. Одним из преимуществ матриц ПЗС с покадровой передачей и построчным переносом перед базовой ПЗС «полного кадра» является минимальное размытие, возникающее из-за того, что заряды передаются от пикселей изображения намного быстрее при использовании параллельного переноса. Во многих ПЗС-массивах с передачей кадров и построчными кадрами кадр может быть передан в секцию хранения менее чем за микросекунду.Таким образом, для этих типов ПЗС практически отпадает необходимость во внешней заслонке (во избежание смазывания). С устранением внешней опалубки вместо нее можно использовать электронную опалубку для контроля времени экспозиции. Электронное затворение реализуется путем удаления фотогенерируемого заряда в матрице ПЗС в течение периода времени, предшествующего началу экспонирования (обычно достигается обратным синхронизацией зарядов в сток), позволяя заряду накапливаться в течение требуемого времени экспонирования с последующим кадрированием. передача изображения в секцию хранения [6].В настоящее время в продаже имеется широкий спектр высокоскоростных камер с частотой кадров от 1 кГц до 200 МГц. Обычно термин «высокоскоростная камера» используется для камер, способных снимать последовательности изображений, а также для камер с одиночным снимком. Однокадровая высокоскоростная камера — это камера, способная снимать высокоскоростное изображение (т. Е. Изображение с очень коротким временем экспозиции), которое, кажется, останавливает движение движущегося объекта. Скорость такой камеры просто обратна времени экспозиции.С другой стороны, обсуждаемые здесь высокоскоростные камеры, которые являются наиболее распространенными и практичными, способны захватывать последовательность высокоскоростных изображений с очень коротким межкадровым разделением. Скорость или частота кадров такой камеры относится к инверсии межкадрового времени, хотя, естественно, понятно, что для всех практических целей время экспозиции меньше или максимально равно межкадровому времени. Основное ограничение на максимальную частоту кадров, которая может быть достигнута с помощью датчиков изображения CCD, накладывается на время, необходимое для считывания захваченного изображения (изображений) с датчика изображения.Скорость считывания большинства камер CCD находится в диапазоне от 10 до 40 МГц, наиболее типичным из которых является 10 МГц. Например, скорость считывания 10 МГц означает, что для сенсора с разрешением 1 мегапиксель потребуется около 0,1 с для считывания полного кадра (т. Е. Частота кадров составляет 10 Гц). С увеличением скорости считывания увеличивается и шум считывания, поэтому использование более высоких скоростей считывания не обязательно. Для преодоления этого ограничения максимальной скорости кадрирования, налагаемого временем считывания, можно использовать различные методы.Один из этих методов основан на уменьшении размера считываемого изображения (то есть разрешения в пикселях), чтобы сократить время считывания и, следовательно, увеличить частоту кадров. Группирование, усреднение соседних пикселей и управление окнами с использованием подмножества датчика для захвата и считывания изображения — это два метода, которые используются с ПЗС-матрицами высокого разрешения для уменьшения размера изображения и, следовательно, увеличения частоты кадров. . Другой метод, который можно использовать для достижения гораздо более высоких скоростей кадрирования, аналогичен «оконной обработке» в том смысле, что для каждого изображения используется подмножество матрицы ПЗС.Однако пиксели, представляющие разные изображения, чередуются; каждый набор пикселей, представляющих изображение, экспонируется в определенное время, и вместо того, чтобы считывать каждое отдельное изображение, когда оно становится доступным, изображения сохраняются на ПЗС до тех пор, пока на ПЗС не будет записано несколько изображений и все они не будут считаны. вместе [8, 9]. Кроме того, также возможно …

Контекст 3

… (фотопленка, электронный датчик изображения и т. Д.), Расположенный в плоскости реального изображения.Высокоскоростная визуализация почти так же стара, как и сама визуализация, восходящая к началу 19 века [6]. При очень длительной выдержке (несколько секунд), необходимой для захвата изображений в то время, высокоскоростная съемка дала возможность делать неподвижные изображения движущихся объектов. Значение высокоскоростной визуализации проистекает из того факта, что она предоставляет средства для наблюдения высокоскоростных явлений, которые иначе не могут быть разрешены. Возможности твердотельных электронных датчиков изображения в последнее время быстро развиваются, и они почти полностью заменили использование фотографических пленок.Электронный датчик изображения состоит из матрицы конденсаторных запоминающих элементов, известных как пиксели, сформированной на кремниевой подложке, покрытой оксидом. Этот тип датчика, известный как металлооксидный полупроводниковый (MOS) датчик, основан на фотоэлектрических свойствах кремния для преобразования падающего света в электрический заряд. Когда оптическое изображение проецируется на датчик изображения, фотоны, достигающие каждого пикселя, генерируют электрический заряд, обычно электроны, величина которого пропорциональна локальной интенсивности света в этом пикселе.После того, как датчик подвергался воздействию света в течение определенного периода времени (время интегрирования или экспозиции), в пикселях собирается образец зарядов (т. Е. Снимается кадр). Затем последовательность зарядов считывается на запоминающее устройство, освобождая датчик для захвата другого изображения. Двумя наиболее широко известными типами МОП-сенсоров являются комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП) и устройство с зарядовой связью (ПЗС). И CMOS, и CCD-сенсоры были предложены примерно в одно время, однако из-за более сложной конструкции CMOS-сенсоров технология CCD развивалась намного быстрее, и CCD-сенсоры стали более доминирующими.Основное различие между датчиками CCD и CMOS заключается в способе передачи изображения (т. Е. Структуры зарядов, собранных в пикселях) из датчика после его захвата. В самом базовом типе матриц ПЗС, известных как «полнокадровые» ПЗС [7], после того, как фотогенерируемый образец зарядов собирается в пикселях из-за воздействия падающего излучения, входящий свет блокируется. Под разделом изображения находится еще один ряд аналогичных запоминающих элементов, которые не являются светочувствительными (т.е.е., защищенный от света), известный как секция считывания. Заряды в пикселях передаются по одной строке вниз в секцию считывания, которая, в свою очередь, переносит заряды по строке, после чего электрические заряды преобразуются в напряжение и передаются через выходной усилитель. Как только аналоговый сигнал (соответствующий уровню заряда в каждом пикселе) выходит из датчика, он оцифровывается и передается на запоминающее устройство. Поскольку последовательная передача зарядов через секцию считывания занимает относительно длительный период времени, обычно используется внешний затвор (механический, магнитооптический или электрооптический), чтобы избежать « смазывания » изображения (т.е. .е., сбор платежей в период передачи) [7]. После считывания всего кадра можно открыть шторку для съемки следующего кадра. С другой стороны, в датчике CMOS каждый пиксель имеет собственное преобразование заряда в напряжение, а в современных конструкциях датчик также включает усилители, схемы коррекции шума и оцифровки, поэтому датчик выводит цифровой сигнал. Конструкция датчика CMOS позволяет передавать сигналы от пикселей параллельно, и, таким образом, скорость считывания может быть намного выше, чем у датчика CCD.Однако другие функции, интегрированные в пиксели, увеличивают сложность дизайна и уменьшают доступную для захвата света область, известную как «коэффициент заполнения». Кроме того, когда каждый пиксель выполняет свое собственное преобразование, однородность ниже. У каждого из двух типов датчиков есть свои преимущества и недостатки. Для научных исследований изображений наиболее значительными преимуществами ПЗС-матриц по сравнению с КМОП являются более высокая чувствительность и динамический диапазон (причем оба они обусловлены более высоким коэффициентом заполнения) и более низким уровнем шума, тогда как наиболее значительным недостатком является низкое считывание. -выходная скорость.Наиболее часто используемые типы матриц ПЗС схематически показаны на рисунке 2: ПЗС с «кадровой передачей», 2 (а), и «построчные» ПЗС, 2 (b) [6, 7]. ПЗС-матрица с кадровой передачей разделена на две идентичные секции, а именно, секцию изображения, которая является светочувствительной, и секцию хранения, которая защищена от света. По истечении времени, отведенного для сбора заряда (то есть времени экспонирования или времени интегрирования), весь массив зарядов в секции изображения быстро переносится (параллельная передача) в секцию хранения в процессе, известном как передача кадра. , после чего секция формирования изображения снова готова к получению еще одного изображения.Затем кадр считывается из секции хранения последовательной передачей через секцию чтения. Межстрочная ПЗС-матрица, рис. 2 (b), работает аналогичным образом, за исключением того, что секция хранения имеет форму экранированных столбцов, расположенных между столбцами пикселей изображения. По окончании времени экспонирования заряд каждого пикселя передается соседнему с ним пикселю памяти и затем считывается обычным способом. В построчной ПЗС структура зарядов может быть передана в секции хранения быстрее по сравнению с ПЗС с кадровой передачей, благодаря тому факту, что заряд в каждом пикселе передается непосредственно на соответствующий ему запоминающий элемент.Однако тот факт, что в области изображения есть нечувствительные области, делает межстрочные ПЗС-матрицы менее подходящими для научных приложений [7]. Одним из преимуществ матриц ПЗС с покадровой передачей и построчным переносом перед базовой ПЗС «полного кадра» является минимальное размытие, возникающее из-за того, что заряды передаются от пикселей изображения намного быстрее при использовании параллельного переноса. Во многих ПЗС-массивах с передачей кадров и построчными кадрами кадр может быть передан в секцию хранения менее чем за микросекунду.Таким образом, для этих типов ПЗС практически отпадает необходимость во внешней заслонке (во избежание смазывания). С устранением внешней опалубки вместо нее можно использовать электронную опалубку для контроля времени экспозиции. Электронное затворение реализуется путем удаления фотогенерируемого заряда в матрице ПЗС в течение периода времени, предшествующего началу экспонирования (обычно достигается обратным синхронизацией зарядов в сток), позволяя заряду накапливаться в течение требуемого времени экспонирования с последующим кадрированием. передача изображения в секцию хранения [6].В настоящее время в продаже имеется широкий спектр высокоскоростных камер с частотой кадров от 1 кГц до 200 МГц. Обычно термин «высокоскоростная камера» используется для камер, способных снимать последовательности изображений, а также для камер с одиночным снимком. Однокадровая высокоскоростная камера — это камера, способная снимать высокоскоростное изображение (т. Е. Изображение с очень коротким временем экспозиции), которое, кажется, останавливает движение движущегося объекта. Скорость такой камеры просто обратна времени экспозиции.С другой стороны, обсуждаемые здесь высокоскоростные камеры, которые являются наиболее распространенными и практичными, способны захватывать последовательность высокоскоростных изображений с очень коротким межкадровым разделением. Скорость или частота кадров такой камеры относится к инверсии межкадрового времени, хотя, естественно, понятно, что для всех практических целей время экспозиции меньше или максимально равно межкадровому времени. Основное ограничение на максимальную частоту кадров, которая может быть достигнута с помощью датчиков изображения CCD, накладывается на время, необходимое для считывания захваченного изображения (изображений) с датчика изображения.Скорость считывания большинства камер CCD находится в диапазоне от 10 до 40 МГц, наиболее типичным из которых является 10 МГц. Например, скорость считывания 10 МГц означает, что для сенсора с разрешением 1 мегапиксель потребуется около 0,1 с для считывания полного кадра (т. Е. Частота кадров составляет 10 Гц). С увеличением скорости считывания увеличивается и шум считывания, поэтому использование более высоких скоростей считывания не обязательно. Для преодоления этого ограничения максимальной скорости кадрирования, налагаемого временем считывания, можно использовать различные методы.Один из этих методов основан на уменьшении размера считываемого изображения (то есть разрешения в пикселях), чтобы сократить время считывания и, следовательно, увеличить частоту кадров. Группирование, усреднение соседних пикселей и управление окнами с использованием подмножества датчика для захвата и считывания изображения — это два метода, которые используются с ПЗС-матрицами высокого разрешения для уменьшения размера изображения и, следовательно, увеличения частоты кадров. . Другой метод, который можно использовать для достижения гораздо более высоких скоростей кадрирования, аналогичен «оконной обработке» в том смысле, что для каждого изображения используется подмножество матрицы ПЗС.Однако пиксели, представляющие разные изображения, чередуются; каждый набор пикселей, представляющих изображение, экспонируется в определенное время, и вместо того, чтобы считывать каждое отдельное изображение, когда оно становится доступным, изображения сохраняются на ПЗС до тех пор, пока на ПЗС не будет записано несколько изображений и все они не будут считаны. вместе [8, 9]. Кроме того, также возможно увеличить частоту кадров, разделив ПЗС-матрицу на несколько областей, которые считываются одновременно через отдельные секции считывания [10].Высокоскоростные камеры, использующие комбинацию этих методов, могут получать последовательности изображений с частотой кадров порядка от 1 кГц до 100 кГц. Однако эти методы не могут использоваться для увеличения скорости считывания на несколько дополнительных порядков, как это потребовалось бы для достижения действительно высокой скорости захвата изображений с высоким разрешением. Новый тип датчика изображения, известный как датчик изображения с памятью на месте (ISIS), способен записывать 100 последовательных кадров с разрешением 312 × 260 пикселей при частоте кадров 1 МГц [11].Концепция ISIS CCD …

Что такое датчики изображения CCD или CMOS в цифровой камере?

Цифровые фотоаппараты стали чрезвычайно распространенными, поскольку цены снизились. Одним из драйверов падения цен стало внедрение КМОП-датчиков изображения. КМОП-датчики намного дешевле в производстве, чем ПЗС-датчики.

Датчики изображения CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник) начинаются с одной и той же точки — они должны преобразовывать свет в электроны .Если вы читали статью Как работают солнечные элементы, вы понимаете одну технологию, которая используется для преобразования. Один из упрощенных способов представить себе датчик, используемый в цифровой камере (или видеокамере), — это представить себе, что он имеет двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов, каждый из которых преобразует свет от одной небольшой части изображение в электроны. И устройства CCD, и CMOS выполняют эту задачу с использованием различных технологий.

Следующий шаг — прочитать значение (накопленный заряд) каждой ячейки изображения.В устройстве CCD заряд фактически переносится через чип и считывается в одном углу массива. Аналого-цифровой преобразователь превращает значение каждого пикселя в цифровое значение. В большинстве устройств CMOS на каждом пикселе есть несколько транзисторов, которые усиливают и перемещают заряд с помощью более традиционных проводов. Подход CMOS является более гибким, поскольку каждый пиксель может быть прочитан индивидуально.

используют особый производственный процесс, позволяющий передавать заряд через кристалл без искажений.В результате этого процесса получаются датчики очень высокого качества с точки зрения точности воспроизведения и светочувствительности. CMOS-чипы, с другой стороны, используют традиционные производственные процессы для создания чипа — те же процессы, которые используются для создания большинства микропроцессоров. Из-за производственных различий между ПЗС- и КМОП-датчиками наблюдались некоторые заметные различия.

• ПЗС-сенсоры, как упоминалось выше, создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-сенсоры традиционно более восприимчивы к шумам.
• Поскольку каждый пиксель на датчике CMOS имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность кристалла CMOS имеет тенденцию быть ниже. Многие фотоны, попадающие в чип, попадают не в фотодиод, а в транзисторы.
• CMOS традиционно потребляет мало энергии. Внедрение датчика в CMOS дает датчик с низким энергопотреблением.
• ПЗС-матрицы используют процесс, потребляющий много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
• КМОП-микросхемы могут быть изготовлены практически на любой стандартной производственной линии кремния, поэтому они, как правило, чрезвычайно недороги по сравнению с ПЗС-датчиками.
• ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые. Они, как правило, имеют более высокое качество и больше пикселей.

Исходя из этих различий, вы можете видеть, что ПЗС-матрицы, как правило, используются в камерах, которые фокусируются на высококачественных изображениях с большим количеством пикселей и отличной светочувствительностью. КМОП-сенсоры традиционно имеют более низкое качество, меньшее разрешение и меньшую чувствительность. КМОП-датчики только сейчас улучшаются до точки, в которой они достигают почти паритета с устройствами ПЗС в некоторых приложениях.КМОП-камеры обычно дешевле и имеют длительное время автономной работы.

Дополнительную информацию см. По ссылкам на следующей странице.

Устройство с зарядовой связью — обзор

Устройство с зарядовой связью

Устройства с зарядовой связью или ПЗС имеют приложения для хранения данных в компьютерных системах, но их более важное применение — обнаружение оптических изображений. Они широко используются в телевизионных и видеокамерах, в сканерах и сделали возможным внедрение цифровых фотоаппаратов, которые обещают со временем заменить традиционные пленочные фотоаппараты.

ПЗС-матрица состоит из слоя кремния p-типа с тонким слоем n-типа на одной поверхности. Этот слой покрыт изолирующим слоем диоксида кремния, поверх которого нанесен массив металлических ворот. Структура аналогична той, что показана на противоположной странице, за исключением того, что полярности слоев поменяны местами и что верхний металлизированный слой имеет сложный узор, а не является сплошным слоем. Электрический заряд может вводиться в слой n-типа (в приложениях памяти) или генерироваться там, когда свет падает на чип и создает пары электрон-дырка (в видео приложениях).Если к электроду затвора приложен положительный потенциал, заряд может удерживаться под затвором в слое n-типа. Устройство действует как конденсатор, накапливая переменное количество заряда, которое может сохраняться в течение нескольких часов. Количество сохраненного заряда зависит от количества света, падающего на эту область чипа.

Цифровая камера (например, компьютерный монитор) работает, разделяя изображение на множество (возможно, два или три миллиона) элементов изображения , обычно известных как пикселей .

ПЗС-матрица имеет массив строк и столбцов пикселей, каждый из которых состоит из нескольких (обычно трех) электродов. Изображение сцены фокусируется на ПЗС-матрице, и блоки накапливают заряд пропорционально интенсивности света. В цветовой системе есть способы выборки трех цветовых областей, красного, зеленого и синего по отдельности, но мы ограничимся нашим обсуждением оттенками серого.

Массив пикселей может быть представлен схемой на обороте. Каждый блок имеет центральный электрод, который ограничивает заряд области пикселя, когда его потенциал положительный.Заряд может передаваться на соседний блок посредством последовательности изменений потенциала этого центрального электрода и других электродов в блоке. Начисление переводится с потерей всего 0,001%.

Пиксельные единицы измеряют интенсивность света в миллионе или более точек в области изображения, расположенных в строках и столбцах. Пиксели в строках связаны со своими соседями, так что, когда приходит время считывать изображение, заряд в каждом блоке передается его соседу.Электроды соединены таким образом, что заряды смещаются на один шаг по ряду на каждом шаге. На каждом этапе заряды в конечных блоках (слева от каждой строки на рисунке выше) смещаются в ряд блоков, идущих перпендикулярно другим рядам. Последовательность сдвигов в этой строке передает содержимое ячеек в усилитель, где измеряются заряды и генерируется выходной сигнал. Выходной сигнал может быть аналоговым или в цифровых камерах преобразован в цифровой сигнал.Это может быть 24-битный сигнал, охватывающий более 16 миллионов различных тонов всех цветов. После того, как заряды в оконечных устройствах были перенесены в усилитель и измерены, заряды в строках сдвигаются еще на один шаг влево, и процесс повторяется. Выходные данные ПЗС передаются в память камеры, где их можно использовать для создания изображения в видоискателе. Позднее он может быть загружен в память компьютера, который может отображать изображение на экране, отправлять его на цветной принтер или прикреплять к электронному письму и отправлять на другой компьютер.

очень чувствительны к свету, причем наиболее чувствительные типы способны обнаруживать всего 10 фотонов. Что касается фотографической чувствительности, более дешевые ПЗС-матрицы имеют чувствительность в диапазоне от 150ISO до 400ISO, а более дорогие — до 1600ISO.

Что такое детектор CCD?

A CCD или Устройство с зарядовой связью — это высокочувствительный детектор фотонов. Он разделен на большое количество светочувствительных небольших областей, известных как пиксели, которые можно использовать для сборки изображения интересующей области.

CCD — это кремниевый многоканальный матричный детектор УФ, видимого и ближнего инфракрасного света. Они используются для спектроскопии, поскольку чрезвычайно чувствительны к свету. Это делает эти детекторы пригодными для анализа изначально слабого рамановского сигнала. Он также позволяет работать в многоканальном режиме, что означает, что весь спектр может быть обнаружен за один прием.

широко используются не только в цифровых камерах, но и в датчиках. Версии, которые используются для научной спектроскопии, имеют значительно более высокий класс, чтобы обеспечить наилучшую возможную чувствительность, однородность и шумовые характеристики.ПЗС-детекторы

обычно одномерные, называемые линейными, или двумерные, называемые массивами площадей, состоящими из тысяч или миллионов отдельных элементов детектора. Эти элементы известны как пиксели. Каждый элемент взаимодействует со светом и накапливает заряд. Чем ярче свет и / или дольше взаимодействие, тем больше заряда регистрируется. В конце измерения считывающая электроника снимает заряд с элементов, и измеряется каждое отдельное показание заряда.

В типичном рамановском спектрометре комбинационный рассеянный свет рассеивается с помощью дифракционной решетки. Этот рассеянный свет проецируется на длинную ось матрицы ПЗС. Первый элемент будет обнаруживать свет с нижнего края спектра (см ^-1 ). Второй элемент будет обнаруживать свет из следующей спектральной позиции и так далее. Последний элемент будет обнаруживать свет с высокого края спектра ^-1 см.

требуют некоторой степени охлаждения, чтобы сделать их пригодными для полноценной спектроскопии.Обычно это делается с использованием охлаждения Пельтье, которое подходит для температур до -90 ^o ° C, и криогенного охлаждения жидким азотом. В большинстве рамановских систем используются детекторы, охлаждаемые Пельтье, но детекторы, охлаждаемые жидким азотом, по-прежнему имеют преимущества для некоторых специализированных приложений.

Учебный центр Хамамацу: форматы сканирования ПЗС

Концепции технологии цифровой обработки изображений

Форматы сканирования CCD

на устройствах с зарядовой связью (ПЗС) могут получать изображения в одном из трех форматов: точечное сканирование, линейное сканирование и сканирование по площади.У каждого из этих форматов есть свои приложения в цифровой фотографии и сканировании документов и изображений.

В простейшем методе цифрового сканирования используется детектор одной пиксельной ячейки для последовательного сканирования изображения по серии координат X и Y. ПЗС-детекторы этого типа относительно недороги и обеспечивают единообразное измерение от одного места сканирования к другому. Основным недостатком этого типа системы является повторяющееся количество цифровых экспозиций, необходимых для создания всего изображения, и механическая сложность механизма перемещения камеры по оси X-Y.Ошибки регистрации также могут ухудшать изображения, полученные таким образом, хотя для преодоления этого недостатка часто могут использоваться сложные алгоритмы.

Линейный массив одноклеточных ПЗС-детекторов может использоваться для линейного сканирования вдоль одной оси для получения цифрового изображения, что значительно улучшает производительность по сравнению с форматом последовательного сканирования. Сканирование происходит в одном направлении, где каждая строка информации фиксируется, сохраняется и усиливается перед переходом к следующей. Этот тип механизма обычно используется в настольных планшетных сканерах.В системах с цветными фильтрами, размещенными над элементами фотодиода, изображение может быть получено за один проход, что устраняет проблемы регистрации, вызванные трехпроходными системами. Размер сканирующего элемента CCD ограничен рядом факторов, включая размер пластины, сложность изготовления и механические ограничения на шаговый механизм. Во многих случаях несколько линейных ПЗС-элементов расположены последовательно для увеличения общей длины сканирующего детектора.

(рис. 1) обеспечивают более высокую скорость получения изображения по сравнению с детекторами одиночных ячеек, а также способны создавать изображения с высоким разрешением с менее сложной механикой сканирования.Разрешение изображения ограничено расстоянием между пикселями и размером, а время сканирования обычно составляет от секунд до минут, что делает эти устройства в значительной степени непригодными для применения в камерах.

В самой сложной технике цифрового сканирования (сканирование области; см. Рис. 1) используются двухмерные детекторы массива пикселей, которые позволяют захватить все изображение за одну экспозицию. Этот метод исключает перемещение датчика изображения и необходимость в дорогостоящих механических устройствах перевода.Сканеры площади обеспечивают самую быструю частоту кадров получения изображения с высокой степенью точности совмещения пикселей, что делает их идеальными устройствами обнаружения для цифровых фотоаппаратов. К недостаткам относятся ограничение разрешения и более низкое отношение сигнал / шум по сравнению с устройствами, описанными выше. Стоимость устройства обычно выше из-за более низкой отдачи от технологий изготовления полупроводников, используемых для производства таких сложных микросхем.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

ПЗС-сенсоры

Термин «CCD» означает «устройство с зарядовой парой» и представляет собой электронный модуль, способный переносить электронные заряды.

Эта технология была изобретена в 1969 году в Bell Laboratories Уиллардом Бойлом и Джорджем Э.Смита как возможность чистого хранения данных для целей хранения, однако, он так и не получил технического признания. Тем не менее, этот принцип все еще успешно используется до сегодняшнего дня для переноса зарядов, образовавшихся в результате воздействия на полупроводник из-за «внутреннего фотонного эффекта», посредством большого количества небольших ступеней (регистры вертикального и горизонтального сдвига) в центральный аналого-цифровой преобразователь. преобразователь, то есть с использованием некоего «принципа ковшовой цепи». Смещение заряда с помощью электродов принудительно происходит извне за счет приложения электрических потенциалов:

(Уиллард Бойл и Джордж Э.Смит получил Нобелевскую премию по физике в 2009 году за это принципиально важное изобретение через 40 лет после открытия этого эффекта.)

Датчик изображения, который использует этот принцип для сдвига и считывания зарядов светоактивных пикселей, называется «ПЗС-датчиком».

Частота, то есть то, как часто в секунду датчик способен передавать заряд на один пиксель, называется «тактовой частотой пикселя». Частоты, на которых сегодня работают ПЗС-матрицы, составляют примерно от 25 до 50 МГц.

Упрощенный принцип действия светочувствительности

Внутренний фотоэлектрический эффект является основополагающим для функционирования датчика.

Атомы кристалла кремния расположены в дискретных энергетических зонах, энергетически более низкая называется валентной зоной, более высокая — зоной проводимости. В основном состоянии большая часть электронов находится в валентной зоне, однако они могут быть перенесены в зону проводимости посредством возбуждения извне.

Энергия, необходимая для этого, составляет 1,26 эВ или более. В случае ПЗС-сенсора этот перенос может быть вызван светом, но также и более высокой подачей тепла (темновой шум сенсора). (Примечание: 1,26 эВ приблизительно соответствуют энергии инфракрасного излучения с длиной волны 1 мкм. Свет с более длинными волнами может проходить через кремний без поглощения, он практически прозрачен для этих длин волн и нечувствителен.)

Из-за возбуждения одновременно создаются свободные (отрицательные) электроны и положительно заряженные «дырки» в валентной зоне, которые отделяются друг от друга из-за приложенного напряжения.Однако эти заряды не сразу уходят наружу (как в случае с фотодиодом в датчике CMOS), а сохраняются в самой ячейке памяти.

Посредством смещения заряда, описанного выше, заряд переносится через весь датчик за множество небольших шагов к центральному усилителю / аналого-цифровому преобразователю.

Типовая схема ПЗС-датчиков

В целом мы различаем несколько типовых схем расположения ПЗС-сенсоров, которые описаны ниже:

из которых, в основном, так называемый «датчик межстрочного переноса» получил признание в машинном зрении.

Только эта камера может снимать с очень высокой частотой кадров с помощью «функции электронного затвора» и поэтому используется в 90% промышленных CCD-камер для машинного зрения.

ПЗС-матрицы с переносом кадров и ПЗС-матрицы с полнокадровым переносом сегодня в основном используются в научных приложениях с низкой частотой обновления изображения, где главным критерием является чрезвычайно высокая светочувствительность.

Преимущества и недостатки сенсорной технологии CCD

Поскольку преобразование заряда в напряжение выполняется одним центральным усилителем / аналого-цифровым преобразователем для всех пикселей, существует множество преимуществ и недостатков по сравнению с датчиками CMOS:

Преимущества

• Более высокая чувствительность и низкий уровень шума за счет улучшенного использования поверхности (более высокий коэффициент заполнения)
• Меньше дефектных пикселей за счет более простой структуры
• Лучшая однородность изображения благодаря центральному аналого-цифровому преобразователю

Недостатки

• Более медленное считывание, так как только один центральный аналого-цифровой преобразователь оцифровывает
• Нет прямого доступа к пикселям, как в случае с датчиком CMOS, поскольку датчик CCD должен считываться последовательно
• Более сложная компоновка камеры из-за необходимой дополнительной электроники приводит к более крупным и дорогим камерам
• Повышенное энергопотребление всей камеры
• Больше эффектов размытия и размытия при передержке по сравнению с датчиком CMOS

Важно для машинного зрения

• В большинстве промышленных приложений используются камеры с сенсорами CCD.Они обладают низким уровнем шума, чувствительны к свету, обладают высокой однородностью и благодаря своим линейным характеристикам подходят для точных измерений.
• Подавляющее большинство производителей промышленных фотоаппаратов используют ПЗС-сенсоры в своих стандартных продуктах, которые в 90% случаев производит Sony. Новые и усовершенствованные датчики появляются на рынке снова и снова на протяжении многих лет. Если у вас особенно высокие требования к датчику, проверьте, используется ли новый или более старый вариант датчика.
• Благодаря усовершенствованным технологиям производства достигается более высокая чувствительность пикселей, что, в свою очередь, позволяет использовать все меньшие и меньшие размеры пикселей (при сохранении того же качества). Поэтому требования к качеству оптики резко возросли.
ПЗС-сенсоры
• с особенно высокой частотой кадров или особенно высоким разрешением разработаны Kodak (с 2011 года: TrueSense). Здесь также стоит взглянуть на таблицу данных, чтобы увидеть, какой тип (новый / старый вариант) используется.