CCD и CMOS: в чем разница между ПЗС и КПОМ матрицами для камеры?
На сегодняшний день существует две различные, часто рассматриваемые как конкурирующие, технологии по производству датчиков, обеспечивающих получение цифрового изображения. Первая – прибор с обратной зарядной связью (ПЗС), вторая – комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник (КМОП). И те, и другие датчики обладают уникальными достоинствами и слабыми сторонами, которые делают их пригодными для разного рода применений. Несмотря на утверждения производителей, каждый из которых отстаивает преимущество именно своей технологии, невозможно категорически утверждать, что одни датчики лучше, чем другие. Основанием для выбора той или иной линейки датчиков служит область применения и предпочтения конкретного пользователя.
Оба типа датчиков работают по схеме формирования электрического заряда из обычного света с последующей реализацией его в виде электрического сигнала. Датчик ПЗС содержит предельно малое количество узлов выхода (зачастую – всего один), которые преобразуют в напряжение заряд каждого уловленного пикселя, буферизуют его и посылают на выходы микросхемы в качестве аналогового сигнала. Захватом изображения могут заниматься все пиксели, что обеспечивает весьма хорошую однородность выходов (output's uniformity), которая является ключевым фактором качества изображения.
КМОП-датчик содержит индивидуальные преобразователи заряда в напряжение для каждого пикселя, а также зачастую имеет схему для оцифровки, что обеспечивает подачу на выходы микросхемы цифрового сигнала. Однако наличие этих дополнительных функциональных узлов уменьшает использующуюся для уловления падающего света площадь кристалла. Наличие собственного преобразователя для каждого пикселя также понижает однородность выхода КМОП датчиков. Зато для датчиков этого типа требуется значительно меньшее число внешних схем, выполняющих основные операции.
С начала 1970х годов лидирующую позицию на рынке твердотельных датчиков занимали датчики ПЗС. Основной причиной тому служило более высокое качество изображения, которое они предоставляли. Существовавшие в то время в кремниевой промышленности технологии не могли обеспечить большую однородность и малые размеры элементов, требуемые для производства КМОП датчиков. Однако лишь относительно недавно был достигнут уровень полупроводникового производства, позволяющий изготавливать пригодные по качеству и цене для использования в системах, дающих изображение среднего уровня, датчики КМОП.
CMOS день
CCD день
CMOS ночь
CCD ночь
Тем не менее, до сих пор датчики ПЗС обеспечивают более высокое качество изображения (по шумам и квантовой эффективности), равно как и большую гибкость затрат на этапе разработки системы. Именно поэтому они продолжают превалировать в областях, требующих наилучшего качества изображения, таких как наука, медицина и промышленность.
Преимуществами КМОП-датчиков являются большая интеграция (количество функций на одном кристалле), меньшая рассеиваемая мощность (опять же на уровне одного кристалла) и более компактный размер системы. Платой за это является качество изображения и гибкость. Они идеально подходят для компактных изделий, для которых качество изображения менее важно, чем габариты, например, для камер видеонаблюдения, периферийных компьютерных устройств, игрушек, факсов и некоторых автомобильных устройств.
По стоимости кристаллов оба типа датчиков примерно равны. Ранее сторонниками технологии КМОП утверждалось, что эти датчики гораздо дешевле за счёт возможности применения при их изготовлении тех же технологических линий, на которых производятся микросхемы логики и памяти высокой плотности. Но оказалось, что это не совсем верно. Для получения хорошего качества изображения, при производстве датчиков КМОП необходимо использование специальных технологических процессов, характерных для устройств, обрабатывающих смешанные сигналы низкой плотности. Кроме того, производство КМОП-датчиков требует большего количества кремния. Также, несмотря на меньшее количество компонентов и более низкую потребляемую мощность, для компенсации потери качества изображения КМОП-камере может потребоваться применение дополнительных схем для обработки сигнала.
Инвестируемые в разработку и производство КМОП-датчиков финансы позволяют постоянно совершенствовать их, приближая качество изображения к тому, что обеспечивается датчиками ПЗС. Однако, в ближайшем обозримом будущем эти две технологии, скорее всего, будут применяться в дополнении друг к другу.
