Cmos (кмоп) матрицы - что это? Матрицы CMOS и CCD.

В современных видеокамерах активно используют 2 типа матриц: CMOS и CCD. Матрица CMOS (КМОП) построена на базе CMOS-технологии, которая и дала название этому продукту (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Если в камерах среднего ценового сегмента оба варианта применяются примерно в равной пропорции, то в бюджетных видеосистемах чаще встречается именно КМОП.

Принцип работы технологии следующий:

• Подается сигнал сброса;
• Диоды накапливают заряд во время экспозиции;
• Происходит считывание параметров.

Несмотря на многолетнюю историю применения, матрицы данного типа не относятся к устаревшим. Они до сих пор позволяют выполнить задачу организации видеонаблюдения на объекте. Ежегодно выпускаются новые модели камер, оснащенных CMOS.

Основные преимущества

Ключевые причины, по которым стоит сделать выбор в пользу CMOS (КМОП) матрицы :

• Невысокая стоимость по сравнению с ПЗС-аналогами. При увеличении размеров разница в стоимости продолжает расти;
• Низкое энергопотребление. Важный фактор при работе камеры от аккумулятора, устаревшей электросети объекта, значительном количестве подключенных устройств;
• Возможность кадрированного считывания – анализа произвольных пикселей, увеличивающая скорость записи. Не нужно считывать сразу всю информацию, как с ПЗС-камерой. Улучшается качество ручной фокусировки;
• Используются в миниатюрных видеокамерах.

Недостатки

Делая выбор в пользу данного типа элементов, стоит учитывать ограничения CMOS-технологии:

• Повышенный нагрев устройства, рост шумов;
• Низкая светочувствительность матрицы на старых моделях камер. Сейчас ситуация частично исправлена за счет новой линейки оборудования с технологией Exmor с увеличением светочувствительности пикселей;
• Искривленное изображение быстро перемещающихся объектов. Эффект «rolling shutter».

Со временем технология совершенствуется, отставание в указанных областях от CCD-матриц уменьшается.

Область применения CMOS матриц

КМОП-элементы благодаря надежности, низкой стоимости и гибкой настройки получили широкое применение в нескольких сферах нашей жизни. Прежде всего, в фотографии – камеры телефонов и фотоаппаратов оснащены именно этими матрицами, удовлетворяя потребности пользователя. Второе место – видеонаблюдение :

• При охране квартир;
• Наблюдении за аэропортом;
• Контроле строительной площадки;
• В офисе;
• В торговом центре;
• На складе;
• Для других объектов с разными условиями эксплуатации.

Матрицы удастся встретить в дорожной (контроль поведения участников дорожного движения), научной сфере, медицине, промышленности.

Фотоаппарата, особенности, достоинства и недостатки таких матриц.

К достоинствам ПЗС-матриц можно отнести:

• Высокий коэффициент использования площади пиксела (близок к 100%);
• относительно низкий ;
• очень высокая эффективность;
• достаточно большой .

К недостаткам ПЗС-матриц относятся:

• высокая энергоемкость;
• достаточно сложный процесс считывания информации;
• дорогостоящее производство.

В современных цифровых фотоаппаратах применяются не только матрицы на основе ПЗС, но и КМОП-матрицы , доля фотоаппаратов, оснащенных такими матрицами постоянно растет.

КМОП-матрица фотоаппарата.

Еще в конце 60-х годов прошлого века ученые знали свойство КМОП-стуктур воспринимать свет. Однако ПЗС-структуры обеспечивали гораздо более высокую чувствительность к свету и высокое качество изображения. Вот почему матрицы на основе КМОП-технологии не получили столь широкого распространения. В начале 90-х годов характеристики КМОП-матриц и их производство были значительно улучшены, что привело к более широкому внедрению этих матриц. Революционные открытия были сделаны в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL NASA), где были созданы активные пикселы (Active Pixel Sensors – APS). Суть состояла в том, что в каждый был добавлен транзисторный усилитель сигнала, что позволило преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в самом пикселе. Благодаря этому стал возможен произвольный доступ к отдельным пикселам, в принципе аналогичный схемам ОЗУ.

В результате уже к 2008 году матрицы на КМОП-элементах стали альтернативой ПЗС-матрицам.

КМОП-матрица (комплиментарная структура металл-окисел-полупроводник), в английской транскрипции - CMOS (Complementary metal oxide semiconductor), в принципе похожа на ПЗС-матрицу. Также, как и в ПЗС под воздействием света рождаются электроны.

Ячейки КМОП-матриц представляют из себя полевые транзисторы с изолированным затвором и имеют каналы разной проводимости.

В отличие от ПЗС-элемента каждая ячейка КМОП-матрицы имеет дополнительно электронные устройства, называемые обвязкой пиксела, позволяющие преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в ячейке.

На рис.1 показана эквивалентная схема устройства КМОП-элемента.

Рис.1. Эквивалентная электрическая схема КМОП-элемента.

1 - Светодиод. 2 - электронный затвор. 3 - конденсатор, накапливающий заряд с фотодиода. 4 - усилитель сигнала. 5 - шина считывания строки. 6 - шина, по которой происходит передача сигнала процессору. 7 - линия подачи сигнала сброса.

Принцип работы приведенной схемы:

перед съемкой изображения по линии 7 подается сигнал сброса;

при воздействии света на фотодиод в нем пропорционально интенсивности светового потока создается заряд, который заряжает конденсатор;

считывание сигнала с элемента происходит путем разряда конденсатора, возникающий при этом ток передается на усилитель и далее в обрабатывающую схему.

Синхронизация работы матрицы осуществляется через адресные шины столбцов и строк.

Благодаря такой схеме появляется возможность считывать заряд сразу из группы пикселей (а не последовательно ячейка за ячейкой, как в ПЗС-матрице) или даже выборочно из отдельных пикселей. В такой матрице отсутствует необходимость в регистрах сдвига столбцов и строк, что намного убыстряет процесс считывания информации с матрицы, . Значительно уменьшается и энергопотребление матрицы.

Прогресс в развитии технологий, в частности получения кремниевых пластин высокого качества и улучшения схемы усилителя КМОП-элемента, привел к тому, что последний вышел по качеству получаемого изображения практически на тот же уровень, что и ПЗС-элемент.

Преимущества КМОП-матрицы:

Прежде всего значительно снижено энергопотребление, благодаря тому, что в КМОП-матрице цепочка обработки информации не такая длинная, как в ПЗС-матрице, особенно низким энергопотреблением КМОП-матрица отличается в статическом режиме.

Схема ячейки КМОП-матрицы позволяет ее интегрировать непосредственно с аналого-цифровым преобразователем и даже с процессором. Это создает возможность объединения в одном кристалле как аналоговой схемы, так и цифровой и обрабатывающей. Благодаря этому стала возможной дальнейшая миниатюризация цифровых камер,снижение их стоимости из-за отсутствия необходимости в дополнительных процессорных микросхемах.

Возможность произвольного доступа к ячейкам КМОП позволяет считывать отдельные группы пикселей. Эта возможность получила название кадрированного считывания, т. е. считывания только части всего кадра, в отличие от ПЗС-матрицы, где для обработки информации необходимо выгрузить всю матрицу. Благодаря этому для обеспечения быстрого просмотра изображения на встроенном дисплее фотоаппарата с относительно небольшим числом пикселей можно выводить только часть информации. Для просмотра этого будет достаточно, можно контролировать точность фокусировки и т. д.

Кроме того для большей скорости ведения репортажной съемки можно вести ее с меньшим размером кадра и меньшим разрешением.

Еще одним достоинством КМОП-матрицы является возможность добавления к имеющемуся внутри КМОП-элемента усилителю еще усилительные каскады, тем самым значительно увеличить чувствительность матрицы. А возможность регулировки усиления для каждого цвета позволяет улучшить .

Производство КМОП-матриц проще и дешевле, чем ПЗС, его может освоить практически любой завод, занимающийся производством микроэлектроники. Особенно это сказывается при производстве матриц большого размера.

Недостатки КМОП-матрицы:

К недостаткам КМОП-матрицы по сравнению с ПЗС-матрицей следует отнести прежде всего уменьшение светочувствительной части элемента из-за наличия электронной обвязки вокруг пиксела. Именно поэтому вначале КМОП-матрицы имели существенно более низкую чувствительность, чем ПЗС-матрицы. Положение изменилось с разработкой и выпуском на рынок компанией Sony в 2007 году КМОП-матриц, изготовленных по технологии EXMOR, применявшейся ранее для специфических устройств, таких как электронные телескопы. Размер светочувствительной части пиксела удалось увеличить за счет перемещения электронной обвязки в нижний слой элемента, где она не мешала попаданию света. Это привело к увеличению чувствительности каждого пиксела и всей матрицы.

В каждом из элементов КМОП-матрицы имеются еще электронные элементы, которые по свойствам электронных схем обладают своим шумом, и этот шум добавляется к шуму непосредственно светочувствительного элемента. Причем для каждого пиксела уровень этого шума разный.

Величина сигнала,получаемого с каждого пиксела зависит не только от характеристик самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента электронной обвязки пиксела. Отсюда получается, что у каждого КМОП-элемента своя

CMOS-матрица - это прибор, основной функцией которого является оцифровывание определенных параметров световых лучей, попавших на его поверхность. В современной фото- и видеоаппаратуре применяются два стандарта матриц: CMOS и CCD. Данная статья посвящена сравнению этих двух технологий.

Общая информация

Итак, CCD-матрица. Этот тип изначально считался наиболее качественным, но и более энергозатратным и дорогим. таких приборов основан на сборе всей картины в аналоговой версии, с последующей оцифровкой. CMOS-матрица, в отличие от ее конкурента, оцифровывает каждый пиксель в отдельности.

Сравнение двух технологий

CMOS-устройства изначально были менее энергопотебляющими и дешевыми, особенно это сказывалось при производстве приборов больших размеров, однако они уступали CCD по качеству. По сей день CCD-технологии отличаются более высококачественным изображением, их применяют в различных областях науки и промышленности, там, где к качеству картинки предъявляются наиболее высокие требования. Например, в медицине.

В последние годы у этого типа приборов значительно снизилась энергозатратность и стоимость, но и CMOS-матрица существенно продвинулась в своем развитии. К примеру, был усовершенствован и выведен на новый уровень стандарт качества изображения. Более того, был произведен технологический переворот в производстве сенсоров на базе CMOS-технологии, а именно: каждому пикселю изображения был внедрен для считывания транзисторный усилитель. Это позволило производить преобразование заряда в напряжение непосредственно в точке. Благодаря этому CMOS-матрица стала в один ряд с CCD-технологией. И теперь большинство современных аппаратов имеет в своей основе прибор на базе CMOS.

Преимущества CMOS-технологии

Подведя итог вышесказанному, можно суммировать достоинства таких приборов. Это невысокое энергопотребление в статическом режиме, дешевизна изготовления (особенно если учитывать большой Ну а самым главным преимуществом является способность выдавать готовый не требующий дополнительных преобразований.

Использование CMOS-технологий в компьютерной технике

Каждый пользователь современного компьютерного оборудования ежедневно сталкивается с таким устройством, как web-камера. Но мало кто знает, что в ее основе заложен принцип CMOS-технологий.

Web-камеры используют как отдельные функциональные устройства, так и встроенные, например, в ноутбуках. Такие приборы предназначены для работы с сетевыми мультимедийными приложениями. В состав упомянутых изделий входят: объектив, матрица, плата видеозахвата, оптический фильтр, блок сжатия изображения, процессор, флеш-память, web-сервер и сетевой интерфейс. Матрица является основой любой видеокамеры или фотоаппатара. Ведь от разрешения этого устройства будет зависеть качество передаваемого изображения. Обычно этот параметр в веб-камерах лежит в интервале от 0,1 до 2 Мпикс. Однако в большинстве изделий он составляет 0,3 Мпикс. Еще одним показателем, определяющим веб-камеру, выступает формат кадра. Самой популярной является матрица CMOS 1/4. Существуют и другие форматы, но они встречаются реже (например, 1/3, 1/2 или 2/3 дюйма).

КМОП-матрица

В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 - светочувствительный элемент (фотодиод); 2 - затвор; 3 - конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 - усилитель; 5 - шина выбора строки; 6 - вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 - сигнал сброса.

История

В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на технологии КМОП не получили сколько-нибудь заметного развития.

В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счёт большего процента облучаемой площади матрицы.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошёл, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS) - активно-пиксельные датчики . Теоретические исследования были выполнены ещё несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселю транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

В результате к 2008 году КМОП стали практически альтернативой ПЗС.

В году на форуме MWC в Барселоне компания Samsung продемонстрировала КМОП-сенсоры нового типа, которые ориентированы на применение в смартфонах.

Принцип работы

• До съёмки подаётся сигнал сброса
• В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом
• В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе

Преимущества

• Основное преимущество технологии КМОП - низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
• Важным преимуществом матрицы КМОП является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.
• С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout ). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
• В дополнение к усилителю внутри пикселя, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого .
• Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Недостатки

• Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС-матрицей с полнокадровым переносом . Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС. Но в 2007 году компания Sony выпустила на рынок новую линейку видео- и фотокамер с КМОП-матрицами нового поколения с технологией Exmor , которая ранее применялась только для КМОП-матриц в специфических оптических устройствах таких как электронные телескопы . В этих матрицах электронная «обвязка» пикселя, препятствующая попаданию фотонов на светочуствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой матрицы, что позволило увеличить как физический размер пикселя при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пикселя и матрицы в целом. Матрицы КМОП впервые сравнились с ПЗС-матрицами по светочувствительности, но оказались более энергосберегающими и лишёнными главного недостатка ПЗС-технологии - «боязни» точечного света. В 2009 году компания Sony улучшила КМОП-матрицы с технологией EXMOR, применив к ним технологию «Backlight illumination» («освещение с задней стороны»). Идея технологии проста и полностью соответствует названию.
• Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая , и возникает проблема разброса

КМОП-матрица - светочувствительная матрица , выполненная на основе КМОП-технологии .

КМОП-матрица

В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 - светчувствительный элемент (диод); 2 - затвор; 3 - конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 - усилитель; 5 - шина выбора строки; 6 - вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 - сигнал сброса.

1 История 2 Принцип работы 3 Преимущества 4 Недостатки

История

Точная дата рождения КМОП-матрицы неизвестна. В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития.

В начале 90-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года . APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

В результате к 2008 году КМОП стали практически альтернативой ПЗС.

Принцип работы

До съёмки подаётся сигнал сброса

В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом

В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе

Преимущества

Основное преимущество КМОП технологии - низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».

Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой и цифровой части, что послужило основой для создания миниатюрных встраиваемых камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости.

С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout ). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.

В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого

Недостатки

Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом . Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС.

Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая , и возникает проблема разброса светочувствительности и коэффициента контраста пикселей матрицы. В результате чего первые произведённые КМОП-матрицы имели сравнительно низкое разрешение и высокий уровень так называемого «структурного шума» (англ. pattern noise ).

Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума.