CMOS matrix: คุณสมบัติ ฟังก์ชั่น และหลักการทำงานของอุปกรณ์ เมทริกซ์ Cmos (cmop) - มันคืออะไร

เมทริกซ์ CMOS เป็นอุปกรณ์ที่มีหน้าที่หลักในการแปลงพารามิเตอร์บางอย่างของรังสีแสงที่กระทบพื้นผิวเป็นดิจิทัล ในอุปกรณ์ถ่ายภาพและวิดีโอสมัยใหม่ มีการใช้มาตรฐานเมทริกซ์สองแบบ: CMOS และ CCD บทความนี้มีไว้เพื่อเปรียบเทียบเทคโนโลยีทั้งสองนี้

ข้อมูลทั่วไป

ดังนั้นเมทริกซ์ CCD ประเภทนี้ในตอนแรกถือว่ามีคุณภาพสูงสุด แต่ยังใช้พลังงานมากกว่าและมีราคาแพงอีกด้วย อุปกรณ์ดังกล่าวมีพื้นฐานมาจากการรวบรวมภาพทั้งหมดในรูปแบบอะนาล็อกตามด้วยการแปลงเป็นดิจิทัล เมทริกซ์ CMOS ต่างจากคู่แข่งตรงที่แปลงแต่ละพิกเซลเป็นดิจิทัลแยกกัน

การเปรียบเทียบสองเทคโนโลยี

อุปกรณ์ CMOS ในตอนแรกใช้พลังงานน้อยลงและราคาถูกลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผลิตอุปกรณ์ขนาดใหญ่ แต่มีคุณภาพด้อยกว่า CCD จนถึงทุกวันนี้ เทคโนโลยี CCD มีความโดดเด่นด้วยภาพคุณภาพสูง ซึ่งถูกนำมาใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมต่างๆ ซึ่งมีความต้องการคุณภาพของภาพสูงสุด ตัวอย่างเช่นในทางการแพทย์

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์ประเภทนี้ได้ลดการใช้พลังงานและต้นทุนลงอย่างมาก แต่เมทริกซ์ CMOS ก็มีความก้าวหน้าอย่างมากในการพัฒนาเช่นกัน ตัวอย่างเช่น มาตรฐานคุณภาพของภาพได้รับการปรับปรุงและก้าวไปสู่ระดับใหม่ นอกจากนี้ ยังได้มีการปฏิวัติทางเทคโนโลยีในการผลิตเซ็นเซอร์ที่ใช้เทคโนโลยี CMOS กล่าวคือ มีการนำเครื่องขยายสัญญาณทรานซิสเตอร์มาใช้เพื่ออ่านพิกเซลของภาพแต่ละภาพ ทำให้สามารถแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้าได้โดยตรงที่จุดนั้น ด้วยเหตุนี้เมทริกซ์ CMOS จึงทัดเทียมกับเทคโนโลยี CCD และตอนนี้อุปกรณ์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ก็ใช้อุปกรณ์ที่ใช้ CMOS

ประโยชน์ของเทคโนโลยีซีมอส

เพื่อสรุปข้างต้นเราสามารถสรุปข้อดีของอุปกรณ์ดังกล่าวได้ นี่คือการใช้พลังงานต่ำในโหมดคงที่ ต้นทุนการผลิตต่ำ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากคุณคำนึงถึงจำนวนมาก) และข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการผลิตผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่ไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติม

การใช้เทคโนโลยี CMOS ในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์

ผู้ใช้อุปกรณ์คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ทุกคนต้องเผชิญกับอุปกรณ์เช่นกล้องเว็บทุกวัน แต่มีเพียงไม่กี่คนที่รู้ว่ามันขึ้นอยู่กับหลักการของเทคโนโลยี CMOS

กล้องเว็บใช้เป็นทั้งอุปกรณ์ทำงานแยกกันและเป็นอุปกรณ์ในตัวเช่นในแล็ปท็อป อุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการออกแบบให้ทำงานกับแอปพลิเคชันมัลติมีเดียบนเครือข่าย ผลิตภัณฑ์ที่กล่าวถึง ได้แก่ เลนส์ เมทริกซ์ การ์ดจับภาพวิดีโอ ฟิลเตอร์แสง หน่วยบีบอัดภาพ โปรเซสเซอร์ หน่วยความจำแฟลช เว็บเซิร์ฟเวอร์ และอินเทอร์เฟซเครือข่าย เมทริกซ์เป็นพื้นฐานของกล้องวิดีโอหรือกล้องถ่ายภาพ ท้ายที่สุดแล้วคุณภาพของภาพที่ส่งจะขึ้นอยู่กับความละเอียดของอุปกรณ์นี้ โดยทั่วไปแล้ว พารามิเตอร์นี้ในเว็บแคมจะมีความละเอียดตั้งแต่ 0.1 ถึง 2 ล้านพิกเซล อย่างไรก็ตาม ในผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 0.3 ล้านพิกเซล ตัวบ่งชี้อื่นที่กำหนดเว็บแคมคือรูปแบบเฟรม ที่นิยมมากที่สุดคือ CMOS 1/4 เมทริกซ์ มีรูปแบบอื่นๆ แต่พบได้น้อยกว่า (เช่น 1/3, 1/2 หรือ 2/3 นิ้ว)

1. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเซ็นเซอร์รับภาพ

เมื่อถ่ายภาพด้วยเลนส์กล้องวิดีโอ แสงจะผ่านเลนส์และกระทบกับเซนเซอร์ภาพ เซนเซอร์ภาพหรือเซนเซอร์ประกอบด้วยองค์ประกอบหลายอย่างหรือที่เรียกว่าพิกเซล ซึ่งบันทึกปริมาณแสงที่ตกกระทบ พิกเซลจะแปลงปริมาณแสงที่ได้ให้เป็นจำนวนอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกัน ยิ่งแสงตกกระทบพิกเซลมากเท่าใด ก็จะเกิดอิเล็กตรอนมากขึ้นเท่านั้น อิเล็กตรอนจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าแล้วแปลงเป็นตัวเลขตามค่าของ ADC (ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล, ตัวแปลง A/D) สัญญาณที่ประกอบด้วยตัวเลขดังกล่าวจะถูกประมวลผลโดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายในกล้องวิดีโอ

ปัจจุบันมีเทคโนโลยีหลักสองอย่างที่สามารถใช้ในการสร้างเซ็นเซอร์รับภาพในกล้องได้ ได้แก่ CCD (อุปกรณ์เชื่อมต่อการชาร์จ) และ CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) ลักษณะข้อดีและข้อเสียจะกล่าวถึงในบทความนี้ ภาพด้านล่างแสดงเซ็นเซอร์ภาพ CCD (ด้านบน) และ CMOS (ด้านล่าง)

การกรองสี- ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น เซนเซอร์ภาพจะบันทึกปริมาณแสงที่ตกกระทบจากแสงไปมืด แต่ไม่มีข้อมูลสี เนื่องจากเซ็นเซอร์ภาพ CMOS และ CCD เป็น "ตาบอดสี" ตัวกรองจึงถูกวางไว้ด้านหน้าเซ็นเซอร์แต่ละตัวเพื่อกำหนดโทนสีให้กับแต่ละพิกเซลในเซ็นเซอร์ วิธีการบันทึกสีหลักสองวิธีคือ RGB (แดง-แดง-น้ำเงิน) และ CMYG (ฟ้า-ม่วงแดง-เหลือง-เขียว) สีแดง เขียว และน้ำเงินเป็นสีหลัก ซึ่งการผสมสีต่างๆ เหล่านี้สามารถประกอบเป็นสีส่วนใหญ่ที่ดวงตามนุษย์รับรู้ได้

ฟิลเตอร์ของไบเออร์ (หรืออาร์เรย์ของไบเออร์) ประกอบด้วยฟิลเตอร์สีแดง-เขียวและน้ำเงิน-เขียวสลับกันเป็นฟิลเตอร์สี RGB ที่พบบ่อยที่สุด (ดูรูปที่ 2) ตัวกรองของไบเออร์มีจำนวน "เซลล์" สีเขียวเป็นสองเท่าเพราะ ดวงตาของมนุษย์ไวต่อสีเขียวมากกว่าสีแดงหรือสีน้ำเงิน นอกจากนี้ยังหมายความว่าด้วยอัตราส่วนของสีในฟิลเตอร์นี้ ดวงตาของมนุษย์จะมองเห็นรายละเอียดได้มากกว่าการใช้สีสามสีในสัดส่วนที่เท่ากันในฟิลเตอร์

อีกวิธีในการกรอง (หรือบันทึก) สีคือการใช้สีคู่ตรงข้ามคือ สีฟ้า สีม่วงแดง และสีเหลือง โดยปกติฟิลเตอร์สีเสริมจะรวมกับฟิลเตอร์สีเขียวในรูปแบบอาร์เรย์สี CMYG ดังแสดงในรูปที่ 2 (ขวา) ฟิลเตอร์สี CMYG มักจะให้สัญญาณพิกเซลที่สูงกว่าเนื่องจาก... มีแบนด์วิธสเปกตรัมที่กว้างกว่า อย่างไรก็ตาม ต้องแปลงสัญญาณเป็น RGB เพื่อใช้ในภาพสุดท้าย ซึ่งต้องมีการประมวลผลเพิ่มเติมและทำให้เกิดสัญญาณรบกวน ผลที่ตามมาคืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนลดลง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ระบบ CMYG มีแนวโน้มที่จะแสดงสีได้ไม่ดีนัก

โดยทั่วไปฟิลเตอร์สี CMYG จะใช้ในเซ็นเซอร์ภาพสแกนแบบอินเทอร์เลซ ในขณะที่ระบบ RGB ส่วนใหญ่จะใช้ในเซ็นเซอร์ภาพสแกนแบบโปรเกรสซีฟ

2. เทคโนโลยีซีซีดี

ในเซ็นเซอร์ CCD แสง (ประจุ) ที่ตกกระทบบนพิกเซลของเซ็นเซอร์จะถูกส่งจากชิปผ่านโหนดเอาต์พุตเดียว หรือผ่านโหนดเอาต์พุตเพียงไม่กี่โหนด ประจุจะถูกแปลงเป็นระดับแรงดันไฟฟ้า สะสมและส่งออกเป็นสัญญาณอะนาล็อก จากนั้นสัญญาณนี้จะถูกรวมและแปลงเป็นตัวเลขโดยตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลภายนอกเซ็นเซอร์ (ดูรูปที่ 3)

เทคโนโลยี CCD ได้รับการคิดค้นขึ้นเพื่อใช้ในกล้องวิดีโอโดยเฉพาะ และเซ็นเซอร์ CCD มีการใช้งานมาเป็นเวลา 30 ปีแล้ว โดยทั่วไปแล้ว เซ็นเซอร์ CCD มีข้อได้เปรียบเหนือเซ็นเซอร์ CMOS หลายประการ กล่าวคือ ความไวแสงดีกว่าและสัญญาณรบกวนต่ำ อย่างไรก็ตามเมื่อเร็ว ๆ นี้ความแตกต่างแทบจะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจน

ข้อเสียของเซ็นเซอร์ CCD คือเป็นส่วนประกอบแบบอะนาล็อก ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ "ใกล้" เซ็นเซอร์มากกว่า มีราคาแพงกว่าในการผลิต และสามารถใช้พลังงานมากกว่าเซ็นเซอร์ CMOS ถึง 100 เท่า การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นยังส่งผลให้อุณหภูมิในตัวกล้องสูงขึ้น ซึ่งไม่เพียงแต่ส่งผลเสียต่อคุณภาพของภาพและเพิ่มต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย แต่ยังรวมถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย

เซ็นเซอร์ CCD ยังต้องการความเร็วในการส่งข้อมูลที่สูงขึ้น เนื่องจาก... ข้อมูลทั้งหมดส่งผ่านเครื่องขยายสัญญาณเอาท์พุตเพียงหนึ่งหรือสองสามตัว เปรียบเทียบรูปที่ 4 และ 6 แสดงบอร์ดที่มีเซ็นเซอร์ CCD และเซ็นเซอร์ CMOS ตามลำดับ

3.เทคโนโลยีซีมอส

ในช่วงแรกๆ มีการใช้ชิป CMOS ทั่วไปในการแสดงผล แต่คุณภาพของภาพไม่ดีเนื่องจากองค์ประกอบ CMOS มีความไวแสงน้อย เซ็นเซอร์ CMOS สมัยใหม่ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีเฉพาะทางมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้คุณภาพของภาพและความไวแสงเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

ชิป CMOS มีข้อดีหลายประการ เซ็นเซอร์ CMOS ต่างจากเซ็นเซอร์ CCD ตรงที่มีแอมพลิฟายเออร์และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล ซึ่งช่วยลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้อย่างมาก เนื่องจาก มีองค์ประกอบที่จำเป็นทั้งหมดเพื่อให้ได้ภาพอยู่แล้ว แต่ละพิกเซล CMOS มีตัวแปลงอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์ CCD เซ็นเซอร์ CMOS มีฟังก์ชันการทำงานที่ดีกว่าและความสามารถในการบูรณาการที่มากกว่า ประโยชน์อื่นๆ ได้แก่ เวลาในการอ่านข้อมูลเร็วขึ้น การใช้พลังงานน้อยลง การป้องกันเสียงรบกวนที่สูงขึ้น และขนาดระบบที่เล็กลง

อย่างไรก็ตาม การมีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายในชิปอาจเสี่ยงต่อการเกิดสัญญาณรบกวนที่มีโครงสร้างมากขึ้น เช่น เส้นสาย การสอบเทียบการผลิตเซ็นเซอร์ CMOS นั้นซับซ้อนกว่าเซ็นเซอร์ CCD เช่นกัน โชคดีที่เทคโนโลยีสมัยใหม่ช่วยให้สามารถผลิตเซ็นเซอร์ CMOS ที่ปรับเทียบได้เอง

ในเซนเซอร์ CMOS คุณสามารถอ่านภาพจากแต่ละพิกเซลได้ ซึ่งช่วยให้คุณสามารถ "หน้าต่าง" รูปภาพได้ เช่น อ่านการอ่านไม่ใช่เซ็นเซอร์ทั้งหมด แต่เพียงบางส่วนเท่านั้น ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะได้รับอัตราเฟรมที่สูงขึ้นจากส่วนเซ็นเซอร์สำหรับการประมวลผล PTZ ดิจิทัล (การแพน/เอียง/ซูมภาษาอังกฤษ พาโนรามา/เอียง/ซูม) ในภายหลัง นอกจากนี้ ยังทำให้สามารถส่งสตรีมวิดีโอหลายรายการจากเซ็นเซอร์ CMOS ตัวเดียว ซึ่งเป็นการจำลอง “กล้องเสมือน” หลายตัว

4. กล้อง HDTV และล้านพิกเซล

เซ็นเซอร์ล้านพิกเซลและโทรทัศน์ความละเอียดสูงช่วยให้กล้อง IP ดิจิตอลสามารถให้ความละเอียดของภาพที่สูงกว่ากล้องวงจรปิดแบบอะนาล็อก เช่น โดยให้ความสามารถในการแยกแยะรายละเอียดและระบุบุคคลและวัตถุได้มากขึ้น ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการเฝ้าระวังด้วยวิดีโอ กล้อง IP ล้านพิกเซลมีความละเอียดอย่างน้อยสองเท่าของกล้องวงจรปิดแบบอะนาล็อก เซนเซอร์ล้านพิกเซลเป็นส่วนสำคัญในกล้องโทรทัศน์ความละเอียดสูง ล้านพิกเซล และกล้องหลายล้านพิกเซล และสามารถใช้เพื่อให้รายละเอียดภาพที่สูงมากและวิดีโอแบบมัลติสตรีม

เซ็นเซอร์ CMOS ล้านพิกเซลมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นและราคาถูกกว่าเซ็นเซอร์ CCD ล้านพิกเซลมาก แม้ว่าจะมีเซ็นเซอร์ CMOS ที่ค่อนข้างแพงก็ตาม

การผลิตเซ็นเซอร์ CCD ล้านพิกเซลที่รวดเร็วนั้นเป็นเรื่องยาก ซึ่งแน่นอนว่าเป็นข้อเสีย ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะผลิตกล้องหลายล้านพิกเซลโดยใช้เทคโนโลยี CCD

โดยทั่วไปเซ็นเซอร์ส่วนใหญ่ในกล้องเมกะพิกเซลจะมีขนาดภาพใกล้เคียงกับเซ็นเซอร์ VGA โดยมีความละเอียด 640x480 พิกเซล อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์เมกะพิกเซลประกอบด้วยพิกเซลมากกว่าเซ็นเซอร์ VGA ดังนั้นขนาดของแต่ละพิกเซลในเซ็นเซอร์เมกะพิกเซลจึงเล็กกว่าขนาดพิกเซลในเซ็นเซอร์ VGA ผลที่ตามมาคือแต่ละพิกเซลในเซ็นเซอร์เมกะพิกเซลมีความไวต่อแสงน้อยกว่า

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งความก้าวหน้าไม่หยุดนิ่ง เซ็นเซอร์ล้านพิกเซลกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และความไวแสงก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

5. ความแตกต่างหลัก

เซนเซอร์ CMOS ประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์ ตัวแปลง A/D และมักมีชิปประมวลผลเพิ่มเติม ในขณะที่กล้อง CCD การประมวลผลสัญญาณส่วนใหญ่จะกระทำนอกเซนเซอร์ เซ็นเซอร์ CMOS ใช้พลังงานน้อยกว่าเซ็นเซอร์ CCD ซึ่งหมายความว่ากล้องสามารถเก็บไว้ที่อุณหภูมิภายในต่ำกว่าได้ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของเซ็นเซอร์ CCD อาจเพิ่มการรบกวน ในทางกลับกัน เซนเซอร์ CMOS อาจประสบปัญหาสัญญาณรบกวนที่มีโครงสร้าง (แถบคาด ฯลฯ)

เซ็นเซอร์ CMOS รองรับหน้าต่างภาพและวิดีโอหลายสตรีม ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยเซ็นเซอร์ CCD เซ็นเซอร์ CCD มักจะมีตัวแปลง A/D หนึ่งตัว ในขณะที่เซ็นเซอร์ CMOS แต่ละพิกเซลจะมีตัวแปลงหนึ่งตัว การอ่านที่รวดเร็วยิ่งขึ้นในเซ็นเซอร์ CMOS ช่วยให้สามารถใช้ในการผลิตกล้องหลายล้านพิกเซลได้

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีสมัยใหม่กำลังลบความแตกต่างของความไวแสงระหว่างเซ็นเซอร์ CCD และ CMOS

6. บทสรุป

เซ็นเซอร์ CCD และ CMOS มีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน แต่เทคโนโลยีมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วและสถานการณ์เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา คำถามว่าจะเลือกกล้องที่มีเซนเซอร์ CCD หรือเซนเซอร์ CMOS หรือไม่นั้นไม่เกี่ยวข้อง ตัวเลือกนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการของลูกค้าสำหรับคุณภาพของภาพของระบบกล้องวงจรปิดเท่านั้น

กล้องวิดีโอสมัยใหม่ใช้เมทริกซ์ 2 ประเภท ได้แก่ CMOS และ CCD เซ็นเซอร์ซีมอส (CMOS)สร้างขึ้นบนพื้นฐานของเทคโนโลยี CMOS ซึ่งตั้งชื่อให้กับผลิตภัณฑ์นี้ (โครงสร้างโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์เสริม โครงสร้างโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์เสริม) หากในกลุ่มราคากลาง กล้อง ทั้งสองตัวเลือกใช้ในสัดส่วนที่เท่ากันโดยประมาณดังนั้นในระบบวิดีโอราคาประหยัดจะเป็น CMOS ที่พบได้บ่อยกว่า

หลักการทำงานของเทคโนโลยีมีดังนี้:

• จะได้รับสัญญาณรีเซ็ต
• ไดโอดจะสะสมประจุระหว่างการสัมผัส
• กำลังอ่านพารามิเตอร์

ข้อได้เปรียบหลัก

• ต้นทุนต่ำเมื่อเทียบกับอะนาล็อก CCD เมื่อขนาดเพิ่มขึ้น ความแตกต่างของต้นทุนก็จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
• การใช้พลังงานต่ำ. ปัจจัยสำคัญเมื่อกล้องทำงานโดยใช้แบตเตอรี่ เครือข่ายไฟฟ้าที่ล้าสมัยของสถานที่ หรืออุปกรณ์ที่เชื่อมต่อจำนวนมาก
• ความเป็นไปได้ของการอ่านแบบครอบตัด - การวิเคราะห์พิกเซลโดยพลการ เพิ่มความเร็วในการบันทึก ไม่จำเป็นต้องอ่านข้อมูลทั้งหมดพร้อมกันเช่นเดียวกับกล้อง CCD ปรับปรุงคุณภาพการโฟกัสแบบแมนนวล
• ใช้ในกล้องวิดีโอขนาดเล็ก

ข้อบกพร่อง

• เพิ่มความร้อนของอุปกรณ์, เพิ่มเสียงรบกวน;
• ความไวแสงต่ำของเมทริกซ์ในกล้องรุ่นเก่า ขณะนี้สถานการณ์ได้รับการแก้ไขบางส่วนแล้วเนื่องจากกลุ่มผลิตภัณฑ์ใหม่ที่มีเทคโนโลยี Exmor พร้อมความไวของพิกเซลเพิ่มขึ้น
• ภาพโค้งของวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว เอฟเฟกต์ชัตเตอร์กลิ้ง

ขอบเขตของการประยุกต์เมทริกซ์ CMOS

• เมื่อปกป้องอพาร์ทเมนท์
• การเฝ้าระวังสนามบิน
• การควบคุมสถานที่ก่อสร้าง
• ในสำนักงาน
• ในห้างสรรพสินค้า
• มีสินค้า;
• สำหรับวัตถุอื่นๆ ที่มีสภาพการทำงานต่างกัน

เมทริกซ์สามารถพบได้บนถนน (ติดตามพฤติกรรมของผู้ใช้ถนน) วิทยาศาสตร์ การแพทย์ และอุตสาหกรรม

เมทริกซ์เป็นพื้นฐานของอุปกรณ์ภาพถ่ายหรือวิดีโอ จะกำหนดคุณภาพและขนาดของภาพที่ได้ ปัจจุบันมีการใช้หลักการทางเทคโนโลยีที่แตกต่างกันสองประการในการผลิตเมทริกซ์ - CCD และ CMOS คุณมักจะได้ยินคำถาม: “จะเลือกเมทริกซ์ตัวไหน: CCD หรือ CMOS?” แฟน ๆ ของอุปกรณ์ถ่ายภาพและวิดีโอต่างถกเถียงกันอย่างดุเดือดเกี่ยวกับเรื่องนี้ ในบทความนี้เราจะตรวจสอบทั้งสองประเภทนี้และพยายามหาว่าเมทริกซ์ตัวไหนดีกว่า - CCD หรือ CMOS

ข้อมูลทั่วไป

เมทริกซ์ได้รับการออกแบบเพื่อแปลงพารามิเตอร์ของรังสีแสงบนพื้นผิวให้เป็นดิจิทัล เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดถึงข้อได้เปรียบที่ชัดเจนของเทคโนโลยีอย่างใดอย่างหนึ่ง คุณสามารถเปรียบเทียบตามพารามิเตอร์เฉพาะและระบุผู้นำในด้านใดด้านหนึ่งได้ สำหรับการตั้งค่าของผู้ใช้ เกณฑ์หลักสำหรับพวกเขามักจะเป็นต้นทุนของผลิตภัณฑ์ แม้ว่าคุณภาพหรือคุณลักษณะทางเทคนิคจะด้อยกว่าคู่แข่งก็ตาม

เอาล่ะเรามาทำความเข้าใจว่าอุปกรณ์ทั้งสองประเภทคืออะไร เมทริกซ์ CCD เป็นวงจรขนาดเล็กที่ประกอบด้วยโฟโตไดโอดที่ไวต่อแสง มันถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของซิลิคอน ลักษณะเฉพาะของการทำงานอยู่ที่หลักการทำงานของอุปกรณ์ชาร์จคู่ เมทริกซ์ CMOS เป็นอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประตูหุ้มฉนวนพร้อมช่องสัญญาณที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน

หลักการทำงาน

มาดูความแตกต่างที่จะช่วยให้คุณตัดสินใจเลือกกันดีกว่า: อะไรดีกว่ากัน - เมทริกซ์ CMOS หรือ CCD ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเทคโนโลยีทั้งสองนี้คือหลักการทำงาน อุปกรณ์ CCD แปลงประจุจากพิกเซลให้เป็นศักย์ไฟฟ้า ซึ่งจะถูกขยายออกไปภายนอกเซนเซอร์แสง ผลลัพธ์ที่ได้คือภาพอะนาล็อก หลังจากนั้น ภาพทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นดิจิทัลเป็น ADC นั่นคืออุปกรณ์ประกอบด้วยสองส่วน - เมทริกซ์เองและตัวแปลง เทคโนโลยี CMOS มีลักษณะเฉพาะคือสามารถแปลงแต่ละพิกเซลเป็นดิจิทัลแยกกัน ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นภาพดิจิทัลที่เสร็จสิ้นแล้ว นั่นคือประจุไฟฟ้าในพิกเซลของเมทริกซ์จะสะสมอยู่ในตัวเก็บประจุซึ่งจะนำศักย์ไฟฟ้าออกไป มันถูกส่งไปยังแอมพลิฟายเออร์อะนาล็อก (สร้างไว้ในพิกเซลโดยตรง) หลังจากนั้นจะถูกแปลงเป็นดิจิทัลในตัวแปลง

มีอะไรให้เลือก: CCD หรือ CMOS?

พารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งที่กำหนดตัวเลือกระหว่างเทคโนโลยีเหล่านี้คือจำนวนเครื่องขยายสัญญาณเมทริกซ์ อุปกรณ์ CMOS มีอุปกรณ์เหล่านี้จำนวนมากขึ้น (ในแต่ละจุด) ดังนั้นเมื่อสัญญาณผ่าน คุณภาพของภาพจะลดลงเล็กน้อย ดังนั้นเมทริกซ์ CCD จึงถูกใช้เพื่อสร้างภาพที่มีรายละเอียดในระดับสูง เช่น เพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์ การวิจัย และอุตสาหกรรม แต่เทคโนโลยี CMOS ส่วนใหญ่จะใช้ในเครื่องใช้ในครัวเรือน เช่น เว็บแคม สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต แล็ปท็อป ฯลฯ

พารามิเตอร์ถัดไปที่กำหนดว่าประเภทใดดีกว่า - CCD หรือ CMOS - คือความหนาแน่นของโฟโตไดโอด ยิ่งค่าสูงเท่าไร โฟตอนก็จะยิ่งสูญเสียน้อยลงเท่านั้น และภาพก็จะดีกว่าด้วย ในพารามิเตอร์นี้เมทริกซ์ CCD นำหน้าคู่แข่งเนื่องจากมีเลย์เอาต์ที่ไม่มีช่องว่างดังกล่าวในขณะที่ CMOS มีอยู่ (มีทรานซิสเตอร์อยู่ในนั้น)

อย่างไรก็ตามเมื่อผู้ใช้ต้องเผชิญกับทางเลือก: ซื้ออันไหน - CMOS หรือ CCD พารามิเตอร์หลักจะปรากฏขึ้น - ราคาของอุปกรณ์ เทคโนโลยี CCD มีราคาแพงกว่าคู่แข่งมากและใช้พลังงานมากกว่า ดังนั้นจึงไม่แนะนำให้ติดตั้งในตำแหน่งที่ภาพคุณภาพเฉลี่ยเพียงพอ

กล้อง คุณสมบัติ ข้อดีและข้อเสียของเมทริกซ์ดังกล่าว

ถึงข้อดี เมทริกซ์ซีซีดีสามารถนำมาประกอบได้:

• อัตราการใช้พื้นที่พิกเซลสูง (ใกล้ 100%);
• ค่อนข้างต่ำ
• ประสิทธิภาพสูงมาก
• ใหญ่พอ .

ถึงข้อเสีย เมทริกซ์ซีซีดีเกี่ยวข้อง:

• ความเข้มของพลังงานสูง
• กระบวนการอ่านข้อมูลที่ค่อนข้างซับซ้อน
• การผลิตที่มีราคาแพง

กล้องดิจิตอลสมัยใหม่ไม่เพียงแต่ใช้เมทริกซ์แบบ CCD เท่านั้น แต่ยังใช้อีกด้วย เมทริกซ์ซีมอสส่วนแบ่งของกล้องที่ติดตั้งเมทริกซ์ดังกล่าวมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง

เมทริกซ์ CMOS ของกล้อง

ย้อนกลับไปในช่วงปลายทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์รู้ถึงคุณสมบัติของโครงสร้าง CMOS ในการรับรู้แสง อย่างไรก็ตาม โครงสร้าง CCD ให้ความไวต่อแสงและคุณภาพของภาพที่สูงขึ้นมาก นี่คือสาเหตุที่เมทริกซ์ที่ใช้เทคโนโลยี CMOS ยังไม่แพร่หลายมากนัก ในช่วงต้นยุค 90 ลักษณะ เมทริกซ์ซีมอสและการผลิตได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งนำไปสู่การนำเมทริกซ์เหล่านี้ไปใช้ในวงกว้างมากขึ้น การค้นพบเชิงปฏิวัติเกิดขึ้นที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory (JPL) ของ NASA ซึ่งเป็นที่ซึ่งมีการสร้าง Active Pixel Sensors (APS) สิ่งที่สำคัญที่สุดคือมีการเพิ่มเครื่องขยายสัญญาณทรานซิสเตอร์ในแต่ละพิกเซล ซึ่งทำให้สามารถแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้าในพิกเซลได้โดยตรง ด้วยเหตุนี้ การเข้าถึงแต่ละพิกเซลแบบสุ่มจึงเป็นไปได้ โดยหลักการคล้ายกับวงจร RAM

เป็นผลให้ภายในปี 2551 เมทริกซ์ที่ใช้องค์ประกอบ CMOS ได้กลายเป็นทางเลือกแทนเมทริกซ์ CCD

เมทริกซ์ CMOS (โครงสร้างสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์เสริม) ในการถอดความภาษาอังกฤษ - CMOS (สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์เสริม) มีหลักการคล้ายกับเมทริกซ์ CCD เช่นเดียวกับใน CCD อิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้นภายใต้อิทธิพลของแสง

เซลล์เมทริกซ์ CMOS เป็นทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กที่มีประตูหุ้มฉนวนและมีช่องสัญญาณที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน

แต่ละเซลล์ต่างจากองค์ประกอบ CCD เมทริกซ์ซีมอสมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมที่เรียกว่า Pixel Binding ซึ่งช่วยให้ประจุถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าในเซลล์ได้โดยตรง

รูปที่ 1 แสดงแผนภาพวงจรสมมูลขององค์ประกอบ CMOS

รูปที่ 1. วงจรไฟฟ้าที่เท่ากันขององค์ประกอบ CMOS

1 - ไฟแอลอีดี 2 - ชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ 3 - ตัวเก็บประจุที่สะสมประจุจากโฟโตไดโอด 4 - เครื่องขยายสัญญาณ รถบัสอ่าน 5 บรรทัด 6 - บัสที่ส่งสัญญาณไปยังโปรเซสเซอร์ 7 - รีเซ็ตสายสัญญาณ

หลักการทำงานของวงจรข้างต้น:

ก่อนถ่ายภาพสัญญาณรีเซ็ตจะถูกส่งผ่านบรรทัดที่ 7

เมื่อแสงสัมผัสกับโฟโตไดโอดประจุจะถูกสร้างขึ้นตามสัดส่วนของความเข้มของฟลักซ์แสงซึ่งประจุตัวเก็บประจุ

สัญญาณจะถูกอ่านจากองค์ประกอบโดยการคายประจุตัวเก็บประจุ กระแสผลลัพธ์จะถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องขยายเสียง จากนั้นไปยังวงจรประมวลผล

การซิงโครไนซ์การดำเนินการเมทริกซ์จะดำเนินการผ่านแอดเดรสบัสของคอลัมน์และแถว

ด้วยรูปแบบนี้ ทำให้สามารถอ่านประจุได้ทันทีจากกลุ่มพิกเซล (และไม่เรียงลำดับทีละเซลล์ เช่น ในเมทริกซ์ CCD) หรือแม้แต่เลือกจากแต่ละพิกเซล ในเมทริกซ์ดังกล่าว ไม่จำเป็นต้องมีรีจิสเตอร์การเลื่อนคอลัมน์และแถว ซึ่งจะทำให้กระบวนการอ่านข้อมูลจากเมทริกซ์เร็วขึ้นอย่างมาก การใช้พลังงานของเมทริกซ์ก็ลดลงอย่างมากเช่นกัน

ความก้าวหน้าในการพัฒนาเทคโนโลยีโดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนคุณภาพสูงและการปรับปรุงวงจรแอมพลิฟายเออร์ขององค์ประกอบ CMOS ได้นำไปสู่ความจริงที่ว่าคุณภาพของภาพที่ได้นั้นเกือบจะถึงระดับเดียวกับ CCD องค์ประกอบ.

ข้อดีของเมทริกซ์ CMOS:

ประการแรกการใช้พลังงานลดลงอย่างมากเนื่องจากในเมทริกซ์ CMOS ห่วงโซ่การประมวลผลข้อมูลไม่ได้ยาวเท่ากับในเมทริกซ์ CCD เมทริกซ์ CMOS มีการใช้พลังงานต่ำโดยเฉพาะในโหมดคงที่

การออกแบบเซลล์เมทริกซ์ CMOS ช่วยให้สามารถรวมเข้ากับตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลได้โดยตรงและแม้แต่กับโปรเซสเซอร์ สิ่งนี้สร้างความเป็นไปได้ในการรวมวงจรทั้งอนาล็อกและดิจิตอลและวงจรประมวลผลไว้ในชิปตัวเดียว ด้วยเหตุนี้ การย่อขนาดกล้องดิจิตอลให้เล็กลงจึงเป็นไปได้ ซึ่งช่วยลดต้นทุนเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ชิปประมวลผลเพิ่มเติม

ความสามารถในการเข้าถึงเซลล์ CMOS แบบสุ่มช่วยให้สามารถอ่านกลุ่มพิกเซลแต่ละกลุ่มได้ คุณลักษณะนี้เรียกว่าการอ่านแบบครอบตัด กล่าวคือ การอ่านเพียงบางส่วนของทั้งเฟรม ตรงกันข้ามกับเมทริกซ์ CCD ซึ่งจะต้องยกเลิกการโหลดเมทริกซ์ทั้งหมดเพื่อประมวลผลข้อมูล ด้วยเหตุนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าจะสามารถดูภาพได้อย่างรวดเร็ว ข้อมูลบางส่วนจึงสามารถแสดงบนจอแสดงผลในตัวของกล้องที่มีจำนวนพิกเซลค่อนข้างน้อยได้ นี่จะเพียงพอสำหรับการรับชม คุณสามารถควบคุมความแม่นยำในการโฟกัส ฯลฯ

นอกจากนี้ เพื่อการถ่ายภาพรายงานที่รวดเร็วขึ้น คุณสามารถดำเนินการด้วยขนาดเฟรมที่เล็กลงและมีความละเอียดต่ำลงได้

ข้อดีอีกประการของเมทริกซ์ CMOS คือความสามารถในการเพิ่มขั้นตอนการขยายสัญญาณให้กับแอมพลิฟายเออร์ภายในองค์ประกอบ CMOS ซึ่งจะช่วยเพิ่มความไวของเมทริกซ์ได้อย่างมาก และความสามารถในการปรับเกนสำหรับแต่ละสีช่วยให้คุณปรับปรุงได้

การผลิตเมทริกซ์ CMOS นั้นง่ายกว่าและราคาถูกกว่า CCD เกือบทุกโรงงานที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์สามารถเชี่ยวชาญได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสร้างเมทริกซ์ขนาดใหญ่

ข้อเสียของเมทริกซ์ CMOS:

ข้อเสียของเมทริกซ์ CMOS เมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์ CCD ประการแรกคือการลดลงของส่วนที่ไวต่อแสงขององค์ประกอบเนื่องจากการมีอยู่ของการเชื่อมแบบอิเล็กทรอนิกส์รอบพิกเซล นี่คือสาเหตุที่เมทริกซ์ CMOS ในตอนแรกมีความไวต่ำกว่าเมทริกซ์ CCD อย่างมีนัยสำคัญ สถานการณ์เปลี่ยนไปจากการพัฒนาและเปิดตัวโดย Sony ในปี 2550 ของเมทริกซ์ CMOS ที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยี EXMOR ซึ่งก่อนหน้านี้เคยใช้กับอุปกรณ์เฉพาะ เช่น กล้องโทรทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์ ขนาดของส่วนที่ไวต่อแสงของพิกเซลเพิ่มขึ้นโดยการย้ายขอบอิเล็กทรอนิกส์ไปที่ชั้นล่างสุดขององค์ประกอบ ซึ่งไม่รบกวนการเข้ามาของแสง สิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มความไวของแต่ละพิกเซลและเมทริกซ์ทั้งหมด

องค์ประกอบแต่ละส่วนของเมทริกซ์ CMOS ยังมีองค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งมีสัญญาณรบกวนของตัวเองเนื่องจากคุณสมบัติของวงจรอิเล็กทรอนิกส์และเสียงนี้จะถูกเพิ่มเข้าไปในสัญญาณรบกวนขององค์ประกอบแสงเอง ยิ่งไปกว่านั้น สำหรับแต่ละพิกเซล ระดับของสัญญาณรบกวนนี้จะแตกต่างกัน

ขนาดของสัญญาณที่ได้รับจากแต่ละพิกเซลนั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับลักษณะของโฟโตไดโอดเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของแต่ละองค์ประกอบของการเดินสายอิเล็กทรอนิกส์ของพิกเซลด้วย ปรากฎว่าแต่ละองค์ประกอบ CMOS มีของตัวเอง