Что нужно знать о микросхемах CCD Imager и CMOS?

Обновлено 20 мая 2024 - 3 месяца назад

Сегодня почти каждый человек ходит с цифровой камерой на смартфоне. В этих камерах для получения снимков используются чипы CCD (Charge-Coupled Device) или CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Хотя они могут иметь разные разрешения и функции, суть в том, что все они работают одинаково. Цифровые камеры позволяют людям быстро делать снимки или снимать видео, где бы они ни находились, а поскольку большинство из них установлены в мобильных телефонах, этими снимками и видео можно легко поделиться с другими людьми.

ПЗС- и КМОП-чипы привели к серьезным изменениям в нашей культуре, сделав фотографию такой простой и распространенной. Широкий доступ к фотокамерам позволяет не упустить ни одного момента, а поскольку они встроены в мобильные телефоны, то для большинства людей больше нет необходимости покупать большие и дорогие отдельные камеры. Аналогичным образом, достижения в области ПЗС- и КМОП-чипов позволили миниатюризировать бокс-камеру до конструкции из двух частей печатной платы, что позволяет камере безопасности иметь различные компактные конструкции. Эти два типа микросхем находят и другие применения, в том числе в беспроводных видеопередатчиках и астрономических инструментах.

ПЗС и КМОП

Когда только были изобретены цифровые камеры, в них использовались датчики изображения CCD. Эти датчики преобразовывали изображения из аналоговых световых сигналов в серию цифровых пикселей без каких-либо искажений. Процесс производства ПЗС-датчиков был отлажен до такой степени, что изображения получались невероятно детализированными, однако даже в самом лучшем виде процесс производства был очень дорогим.

КМОП-чипы, напротив, используют транзисторы для создания цифровых изображений. Заряд проходит через каждый пиксель, воспринимая его как полное изображение. Это делает КМОП несколько более гибким в использовании. Кроме того, производство КМОП-чипов обходится гораздо дешевле, поскольку они создаются с использованием тех же производственных процессов, которые применяются для создания процессоров, оперативной памяти и других компьютерных деталей. КМОП-чипы - главная причина, по которой цифровые камеры и камеры безопасности стали такими недорогими.

Помимо стоимости и процесса производства, между ними есть несколько различий. Разница в качестве изображения: матрицы CCD создают изображения с гораздо меньшим уровнем шума, что означает их более высокое качество. Кроме того, они более светочувствительны и могут делать хорошие снимки даже при слабом освещении. КМОП-матрицам требуется гораздо больше света, чтобы получить четкие изображения с низким уровнем шума. Например, это наиболее очевидно для камер фиксации номерных знаков, которые по-прежнему используют CCD-сенсоры для дальнего обзора и скоростной съемки, поскольку фиксация номерных знаков происходит при более высокой скорости затвора, что делает кадры темными. КМОП-сенсоры, которые обычно используются в IP-камерах, нуждаются в дальнейшем совершенствовании, чтобы сравняться по производительности с ПЗС-сенсорами, и их применение ограничено приложениями, где автомобили движутся медленно и требуют достаточного освещения.

Однако это не означает, что CMOS-сенсоры полностью неполноценны. Благодаря изменениям в производственном процессе качество сенсоров и получаемых с их помощью изображений улучшается. Совсем недавно были анонсированы IP-камеры безопасности с разрешением 8K и 4K UltraHD, использующие новые технологии производства CMOS-сенсоров. Большинство экспертов в области технологий ожидают, что качество CMOS-сенсоров в конечном итоге превзойдет качество CCD-технологии и сделает ее устаревшей.

Энергопотребление также лучше у датчиков изображения CMOS, что является отличной новостью для мобильных устройств. По мере того как устройства получают более мощные процессоры и камеры, время автономной работы приобретает первостепенное значение, чтобы обеспечить возможность реального использования в течение дня. Время автономной работы CMOS-камеры уже намного больше, чем у CCD-камеры, и это еще одна причина, по которой они широко используются в смартфонах и беспроводных камерах безопасности.

Приложения

Хотя чипы CCD и CMOS используются в цифровых камерах и сотовых телефонах, у них есть и другие применения. Сотовые телефоны, безусловно, являются самым большим объектом внимания производителей CMOS. Огромное количество денег, исследований и разработок было потрачено на создание самого качественного и в то же время самого маленького CMOS-изображения, чтобы чипы занимали очень мало места. Последний результат этих исследований можно увидеть в Google Glass, относительно новом устройстве, созданном компанией Google, которое включает в себя небольшую высококачественную камеру, размещаемую на боковой поверхности очков. Эта камера настолько легкая, что большинство людей ее совсем не чувствуют.

Помимо цифровых камер, в видеокамерах также можно встретить чипы CCD и CMOS. Чипы CMOS особенно популярны из-за их дешевизны и того факта, что изображения, получаемые некоторыми системами камер безопасности, не обязательно должны быть невероятно детализированными. Например, в прошлом записи видеонаблюдения часто были черно-белыми, а разрешение не всегда было невероятно высоким, потому что предприятия хотели хранить годовые записи за один раз. Индустрия безопасности приняла CMOS-сенсоры в первую очередь из-за их низкой стоимости и возможности легко интегрировать эти датчики в камеры наблюдения. Возьмем, к примеру, новейший тип HD-камер наблюдения, называемых HDCVI-камерами, которые используют преимущества недорогих 1/2,8-дюймовых CMOS-сенсоров для создания видео в реальном времени 30 кадров в секунду 1080P или 2K за долю стоимости камер на основе ПЗС.

Микросхемы CMOS могут использоваться и в других областях, например, в продуктах со смешанными сигналами (продуктах, использующих как цифровые, так и аналоговые сигналы) и в передающих затворах. КМОП также используется в радиочастотных интегральных схемах, которые применяются в различных беспроводных устройствах и в устройствах, использующих микроволновые частоты.

Однако у ПЗС-датчиков есть свои применения. Поскольку они настолько чувствительны к свету, ПЗС-датчики используются астрономами во многих спутниках и других космических камерах. Один из самых известных космических телескопов "Хаббл" использует ПЗС-матрицу для получения множества великолепных снимков, которые он делал на протяжении многих лет. ПЗС-чипы также используются в спектрометрах и ряде аналитических приборов, применяемых в астрономии.

Заключение

Хотя ПЗС-камеры по-прежнему доступны и используются многими профессиональными фотографами, нет сомнений в том, что КМОП-камеры являются более популярными из них. Низкая стоимость микросхем CMOS и возможность их производства без специального оборудования делают их идеальными для использования в мобильных телефонах и цифровых камерах, ориентированных на широкую публику. Поскольку качество изображения в камерах с CMOS-сенсорами становится все лучше и лучше, вероятно, пройдет совсем немного времени, прежде чем CMOS полностью вытеснит CCD-сенсоры. Однако из-за их чувствительности к свету CCD-датчики могут продолжать использоваться в некоторых областях, включая астрофотографию.

Поскольку и CCD, и CMOS имеют разные области применения, сложно однозначно решить, что лучше. Все зависит от того, для чего используется устройство. Хотя чипы CMOS дешевле и, вероятно, станут нормой для большинства повседневных устройств с камерами, они могут никогда не заменить чипы CCD в некоторых конкретных областях из-за уникального способа функционирования чипов CCD. CMOS-чипы никогда не смогут использоваться в некоторых устройствах просто потому, что они функционируют совершенно по-другому.

Связаться с нами