CCD- und CMOS-Sensoren für digitale Foto- und Videokameras. Matrizen von Videoüberwachungskameras
Geschichte der CCD
Charge-Coupled Devices (CCDs) wurden 1969 von Willard Boyle und George E. Smith in den Bell Labs erfunden. Anfänglich betrachteten Boyle und Smith diese Erfindung als eine neue Art von Computerspeicherschaltung. Die Schaltung wird mit Licht aufgeladen, und dank Silizium ist das CCD sehr lichtempfindlich. Gleichzeitig wussten Boyle und Smith, dass die CCD die besten Bilder aufnehmen konnte, wenn sie in der Kamera platziert wurden. Je mehr Licht sich hier sammelt, desto klarer und genauer erscheint das Bild. Als Digitalkameras aufkamen, wurden CCD-Sensoren in ihnen platziert, um Licht einzufangen.Arbeitsprinzip von CCD
Heutzutage haben die meisten digitalen Heimkameras einen CCD-Sensor. Wenn Licht in einer Kammer gesammelt und auf Silizium aufgebracht wird, um ein Bild zu erzeugen, wandelt der Sensor das Licht in elektrische Ladung oder Elektronen um, wodurch das Licht in ein digitales Bild umgewandelt werden kann. Die beste Beschreibung dieses Prozesses ist, dass nach dem Öffnen des Kameraverschlusses das CCD-Silizium Licht ausgesetzt wird, dieses Licht in Elektronen umgewandelt wird, die in ein digitales Signal umgewandelt werden, und dieses Signal im Speicher erfasst und auf dem Ausdruck angezeigt wird der Kamerabildschirm.
CCD-Kameraoptionen
Alle CCD-Kameras bieten hohe Qualität bei geringem Rauschen, hoher Lichtempfindlichkeit und hoher Pixelanzahl. Alle Digitalkameras geben rotes, grünes und blaues Licht ab, aber die Bildqualität hängt von der Qualität der Kamera ab, die Sie kaufen. CCD-Kameras enthalten 2:59 CCD-Arrays. Eine CCD-Matrix entschlüsselt alle drei Farbtöne, was es schwieriger macht, jeden Farbton vom nächsten zu trennen. Einzelne CCD-Kameras werden normalerweise für Sicherheitssysteme oder andere Anwendungen verwendet, bei denen genaue Farben erforderlich sind. Dreifach-CCD-Kameras bieten ein Array für jeden Farbton und ermöglichen so mehr Präzision für das Endergebnis.Wissenschaftliche Entwicklungen
Obwohl die meisten Digitalkameras einen CCD-Bildsensor enthalten, sind Hightech-CCD-Kameras in der Biologie und Astrofotografie sehr beliebt und werden in den Hubble-Teleskopen verwendet. Mit CCD-Kameras können Sie die Belichtung lange halten, wenn Sie durch ein Teleskop fotografieren. Die Kamera ersetzt das Okular des Teleskops und wird mit dem Computer verbunden. Frames werden schnell aufgenommen, sie erfassen einen großen Helligkeitsbereich und können zu einem Bild zusammengefügt werden. CCD-Kameras reagieren auf fast 70 Prozent des verfügbaren Lichts, im Vergleich zu 2 Prozent dessen, was herkömmliche Kameras am Nachthimmel erfassen können. Da diese Kameras viel fortschrittlicher sind, liegen ihre Preise zwischen 500 und 10.000 US-Dollar.Das CCD-Prinzip mit der Idee, elektronische Ladungen zu speichern und anschließend auszulesen, wurde erstmals Ende der 60er Jahre von zwei BELL-Ingenieuren im Zuge der Suche nach neuartigen Speichertypen für Computer entwickelt, die den Speicher auf Ferritringen ersetzen konnten (ja, es gab so eine Erinnerung). Diese Idee erwies sich als wenig erfolgversprechend, aber man bemerkte die Fähigkeit von Silizium, auf das sichtbare Strahlungsspektrum zu reagieren, und entwickelte die Idee, dieses Prinzip für die Bildverarbeitung zu nutzen.
Beginnen wir mit der Definition des Begriffs.
Die Abkürzung CCD bedeutet „Charge-Coupled Devices“ – dieser Begriff wurde aus dem englischen „Charge-Coupled Devices“ (CCD) gebildet.
Dieser Gerätetyp findet derzeit ein sehr breites Anwendungsspektrum in einer Vielzahl von optoelektronischen Geräten zur Bildaufnahme. Im Alltag sind das Digitalkameras, Camcorder, diverse Scanner.
Was unterscheidet einen CCD-Empfänger von einer herkömmlichen Halbleiter-Fotodiode, die einen lichtempfindlichen Bereich und zwei elektrische Kontakte zum Abgreifen eines elektrischen Signals hat?
Erstens, gibt es in einem CCD-Empfänger viele solcher lichtempfindlichen Bereiche (oft als Pixel bezeichnet - Elemente, die Licht empfangen und in elektrische Ladungen umwandeln), von mehreren Tausend bis zu mehreren Hunderttausend und sogar mehreren Millionen. Die Größen einzelner Pixel sind gleich und können von Einheiten bis zu mehreren zehn Mikrometern reichen. Pixel können in einer Reihe aneinandergereiht werden – dann wird der Empfänger als CCD-Zeile bezeichnet, oder eine Fläche in geraden Reihen füllen – dann wird der Empfänger als CCD-Matrix bezeichnet.
Lage der lichtempfangenden Elemente (blaue Rechtecke) im CCD-Array und in der CCD-Matrix.
Zweitens In einem CCD-Empfänger, der wie eine herkömmliche Mikroschaltung aussieht, gibt es keine große Anzahl elektrischer Kontakte zum Ausgeben elektrischer Signale, die anscheinend von jedem Lichtempfangselement kommen sollten. An den CCD-Empfänger ist jedoch eine elektronische Schaltung angeschlossen, mit der Sie von jedem lichtempfindlichen Element ein elektrisches Signal proportional zu seiner Beleuchtung extrahieren können.
Die Wirkungsweise eines CCD lässt sich wie folgt beschreiben: Jedes lichtempfindliche Element – ein Pixel – funktioniert wie ein Sparschwein für Elektronen. Elektronen werden in Pixeln durch die Wirkung von Licht erzeugt, das von einer Quelle kommt. Über einen bestimmten Zeitraum füllt sich jedes Pixel allmählich mit Elektronen im Verhältnis zur Lichtmenge, die in es eindringt, wie ein Eimer draußen, wenn es regnet. Am Ende dieser Zeit werden die von jedem Pixel angesammelten elektrischen Ladungen der Reihe nach zum "Ausgang" des Geräts übertragen und gemessen. All dies ist möglich durch eine bestimmte Kristallstruktur, in der sich lichtempfindliche Elemente befinden, und eine elektrische Steuerschaltung.
Die CCD-Matrix funktioniert fast genauso. Nach der Belichtung (Beleuchtung durch das projizierte Bild) legt die elektronische Steuerschaltung des Geräts einen komplexen Satz gepulster Spannungen an, die beginnen, die Spalten mit in Pixeln angesammelten Elektronen zum Rand der Matrix zu verschieben, wo eine ähnliche Mess-CCD Register befindet, dessen Ladungen bereits in senkrechter Richtung verschoben sind und auf das Messelement fallen, wodurch in diesem Signale proportional zu den einzelnen Ladungen erzeugt werden. Somit können wir für jeden nachfolgenden Zeitpunkt den Wert der akkumulierten Ladung erhalten und herausfinden, welchem Pixel auf der Matrix (Reihennummer und Spaltennummer) sie entspricht.
Kurz zur Physik des Prozesses.
Zunächst sei darauf hingewiesen, dass CCDs Produkte der sogenannten funktionalen Elektronik sind und nicht als Ansammlung einzelner Funkelemente – Transistoren, Widerstände und Kondensatoren – dargestellt werden können. Die Arbeit basiert auf dem Prinzip der Ladungsbindung. Das Prinzip der Ladungskopplung nutzt zwei aus der Elektrostatik bekannte Positionen:
- Gleiche Ladungen stoßen sich ab
- Ladungen neigen dazu, sich dort niederzulassen, wo ihre potentielle Energie minimal ist. Jene. grob - "der Fisch sucht, wo er tiefer ist."
Beginnen wir mit einem MOS-Kondensator (MOS ist die Abkürzung für Metall-Oxid-Halbleiter). Dies ist, was vom MOSFET übrig bleibt, wenn Sie Drain und Source entfernen, dh nur eine Elektrode, die durch eine Dielektrikumsschicht vom Silizium getrennt ist. Zur Sicherheit nehmen wir an, dass der Halbleiter vom p-Typ ist, d. h. die Konzentration von Löchern unter Gleichgewichtsbedingungen ist viel (mehrere Größenordnungen) größer als die von Elektronen. In der Elektrophysik ist ein „Loch“ eine Ladung, die invers zur Ladung eines Elektrons ist, d.h. positive Ladung.
Was passiert, wenn an eine solche Elektrode (auch Gate genannt) ein positives Potential angelegt wird? Das vom Gate erzeugte elektrische Feld, das durch das Dielektrikum in das Silizium eindringt, stößt die sich bewegenden Löcher ab; Es erscheint eine verarmte Region - ein bestimmtes Siliziumvolumen, das frei von den Majoritätsträgern ist. Bei den für CCDs typischen Parametern von Halbleitersubstraten beträgt die Tiefe dieses Bereichs etwa 5 µm. Vielmehr werden die hier unter Lichteinwirkung entstandenen Elektronen vom Gate angezogen und sammeln sich an der Oxid-Silizium-Grenzfläche direkt unter dem Gate an, fallen also in einen Potentialtopf (Abb. 1).
Reis. ein
Bildung einer Potentialmulde beim Anlegen einer Spannung an das Gate
Wenn sich Elektronen in der Wanne ansammeln, neutralisieren sie in diesem Fall teilweise das vom Gate im Halbleiter erzeugte elektrische Feld und können es schließlich vollständig kompensieren, so dass das gesamte elektrische Feld nur auf das Dielektrikum fällt und alles kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück - mit der Ausnahme, dass sich an der Grenzfläche eine dünne Elektronenschicht bildet.
Neben dem Gate befinde sich nun ein weiteres Gate, an das ebenfalls ein positives Potential angelegt wird, noch dazu ein größeres als an das erste (Abb. 2). Wenn nur die Gates nahe genug sind, verbinden sich ihre Potentialtöpfe und die Elektronen in einem Potentialtopf bewegen sich zum benachbarten, wenn es "tiefer" ist. 
Reis. 2
Überlappende Potentialtöpfe von zwei eng beabstandeten Gates. Die Ladung fließt zu der Stelle, wo der Potentialtopf tiefer ist.
Nun sollte klar sein, dass es bei einer Kette von Gates möglich ist, durch Anlegen geeigneter Steuerspannungen an sie ein lokalisiertes Ladungspaket entlang einer solchen Struktur zu übertragen. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von CCDs, die selbstscannende Eigenschaft, ist, dass nur drei Taktbusse ausreichen, um eine beliebig lange Gatterkette zu treiben. (Der Begriff Bus ist in der Elektronik ein elektrischer Stromleiter, der gleichartige Elemente verbindet, ein Taktbus sind die Leiter, durch die eine phasenverschobene Spannung übertragen wird.) Tatsächlich sind zur Übertragung von Ladungspaketen drei Elektroden notwendig und ausreichend: eine sendende, eine empfangende und eine isolierende, die Paare, die empfangen und senden, voneinander trennen, und die gleichnamigen Elektroden solcher Tripel können miteinander zu einem einzigen Taktbus verbunden werden, der nur einen externen Ausgang benötigt (Abb. 3).
Reis. 3
Das einfachste dreiphasige CCD-Register.
Die Ladung in jedem Potentialtopf ist unterschiedlich.
Dies ist das einfachste dreiphasige CCD-Schieberegister. Taktdiagramme des Betriebs eines solchen Registers sind in Abb. 4.
Reis. 4
Taktdiagramme zur Steuerung eines Drehstromregisters sind drei um 120 Grad verschobene Mäander.
Wenn sich die Potentiale ändern, bewegen sich Ladungen.
Es ist ersichtlich, dass für seinen normalen Betrieb zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Taktbus ein hohes Potential und mindestens einer ein niedriges Potential (Sperrpotential) haben muss. Wenn das Potential auf einem Bus ansteigt und auf dem anderen (vorhergehend) abfällt, werden alle Ladungspakete gleichzeitig zu benachbarten Gattern übertragen, und für einen vollen Zyklus (ein Zyklus auf jedem Phasenbus) werden Ladungspakete zu einem übertragen (verschoben). Registerelement.
Zur Lokalisierung der Ladungspakete in Querrichtung werden sogenannte Stoppkanäle gebildet – schmale Streifen mit erhöhter Konzentration des Hauptdotierstoffs, die entlang des Transferkanals verlaufen (Abb. 5).
Reis. 5.
Ansicht des Registers von oben.
Der Überführungskanal in seitlicher Richtung wird durch die Stoppkanäle begrenzt.
Tatsache ist, dass die Konzentration des Dotierstoffs bestimmt, bei welcher bestimmten Spannung am Gate sich darunter ein Verarmungsgebiet bildet (dieser Parameter ist nichts anderes als die Schwellenspannung der MOS-Struktur). Aus intuitiven Überlegungen ist klar, dass es umso schwieriger ist, sie tief zu treiben, je größer die Verunreinigungskonzentration, d. h. je mehr Löcher im Halbleiter sind, d. h. je höher die Schwellenspannung oder bei einer Spannung, desto niedriger das Potential im Potentialtopf.
Probleme
Wenn bei der Herstellung digitaler Geräte die Streuung der Parameter über die Platte ein Vielfaches erreichen kann, ohne dass sich die Parameter der resultierenden Geräte merklich auswirken (da mit diskreten Spannungspegeln gearbeitet wird), dann bei einem CCD eine Änderung in sagen wir, die Dotierstoffkonzentration um 10% macht sich bereits im Bild bemerkbar. Die Größe des Kristalls und die Unmöglichkeit der Redundanz, wie beim Speicher LSI, fügen ihre eigenen Probleme hinzu, so dass defekte Bereiche zur Unbrauchbarkeit des gesamten Kristalls führen.
Ergebnis
Unterschiedliche Pixel einer CCD-Matrix haben technologisch unterschiedliche Lichtempfindlichkeit, und dieser Unterschied muss korrigiert werden.
Bei digitalen CMAs wird diese Korrektur als Auto Gain Control (AGC)-System bezeichnet.
Funktionsweise des AGC-Systems
Der Einfachheit halber nehmen wir nichts Bestimmtes. Nehmen wir an, dass am Ausgang des ADC des CCD-Knotens einige Potentialpegel vorhanden sind. Nehmen wir an, 60 ist der durchschnittliche Weißwert.
- Für jedes Pixel der CCD-Zeile wird der Wert gelesen, wenn es mit weißem Referenzlicht beleuchtet wird (und bei ernsthafteren Geräten wird auch der „Schwarzwert“ gelesen).
- Der Wert wird mit einem Referenzwert (z. B. Durchschnitt) verglichen.
- Die Differenz zwischen dem Ausgabewert und dem Referenzpegel wird für jedes Pixel gespeichert.
- Beim Scannen wird diese Differenz künftig pixelweise kompensiert.
Das AGC-System wird jedes Mal initialisiert, wenn das Scannersystem initialisiert wird. Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass der Scannerschlitten beim Einschalten des Geräts nach einiger Zeit beginnt, Vor- und Zurückbewegungen auszuführen (kriechen am S/W-Streifen). Dies ist der Initialisierungsprozess des AGC-Systems. Das System berücksichtigt auch den Zustand der Lampe (Alterung).
Sie haben wahrscheinlich auch bemerkt, dass kleine MFPs, die mit einem Farbscanner ausgestattet sind, die Lampe abwechselnd in drei Farben „einschalten“: rot, blau und grün. Dann wird nur die Hintergrundbeleuchtung des Originals weiß. Dies geschieht, um die Empfindlichkeit der Matrix separat für die RGB-Kanäle besser zu korrigieren.
Halbtontest (SCHATTENTEST) ermöglicht es Ihnen, diesen Vorgang auf Wunsch des Ingenieurs einzuleiten und die Korrekturwerte auf reale Bedingungen zu bringen.
Versuchen wir, all dies auf einer echten "Kampf" -Maschine zu betrachten. Wir nehmen ein bekanntes und beliebtes Gerät als Basis SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).
Es sollte beachtet werden, dass CCD in unserem Fall zu CIS (Contact Image Sensor) wird, aber die Essenz dessen, was passiert, ändert sich grundsätzlich nicht. Nur als Lichtquelle wird eine Reihe von LEDs verwendet.
So:
Das Bildsignal vom CIS hat einen Pegel von ca. 1,2 V und wird dem ADC-Teil (ADCP) des Device Controllers (ADCP) zugeführt. Nach dem SADC wird das analoge CIS-Signal in ein digitales 8-Bit-Signal umgewandelt.
Der Bildprozessor im SADC verwendet zuerst die Tonkorrekturfunktion und dann die Gammakorrekturfunktion. Danach werden die Daten je nach Betriebsart unterschiedlichen Modulen zugeführt. Im Textmodus werden Bilddaten an das LAT-Modul gesendet, im Fotomodus werden Bilddaten an das "Error Diffusion"-Modul gesendet, im PC-Scan-Modus werden Bilddaten über DMA-Zugriff direkt an den PC gesendet.
Legen Sie vor dem Testen mehrere leere Blätter weißes Papier auf das Vorlagenglas. Es versteht sich von selbst, dass die Optik, der S/W-Streifen und die Scanner-Baugruppe im Allgemeinen zuerst von innen „geleckt“ werden müssen.
- Wählen Sie im TECH-MODUS
- Drücken Sie die ENTER-Taste, um das Bild zu scannen.
- Nach dem Scannen wird „CIS SHADING PROFILE“ (CIS-Halbtonprofil) gedruckt. Ein Beispiel für ein solches Blatt ist unten gezeigt. Es muss keine Kopie Ihres Ergebnisses sein, aber nah am Bild.
- Wenn das gedruckte Bild stark von dem in der Abbildung gezeigten Bild abweicht, ist das CIS defekt. Bitte beachten Sie, dass „Ergebnisse: OK“ am Ende des Berichtsblatts steht. Damit hat das System keine ernsthaften Ansprüche an das CIS-Modul. Andernfalls werden Fehlerergebnisse ausgegeben.
Beispiel Profilausdruck:
Viel Erfolg!!
Materialien von Artikeln und Vorträgen von Lehrern der St. Petersburg State University (LSU), der St. Petersburg Electrotechnical University (LETI) und Axl werden als Grundlage genommen. Danke Ihnen.
Material vorbereitet von V. Shelenberg
1. Einführung in Bildsensoren
Wenn ein Bild durch das Objektiv einer Videokamera aufgenommen wird, passiert Licht das Objektiv und fällt auf den Bildsensor. Der Bildsensor oder Matrix besteht aus vielen Elementen, auch Pixel genannt, die die auf sie fallende Lichtmenge registrieren. Die entstehende Lichtmenge wird von den Pixeln in die entsprechende Menge an Elektronen umgewandelt. Je mehr Licht auf ein Pixel trifft, desto mehr Elektronen werden erzeugt. Die Elektronen werden in Spannung umgewandelt und dann entsprechend den Werten des ADC (Analog-to-Digital Converter, A/D-Converter) in Zahlen umgewandelt. Das aus solchen Zahlen zusammengesetzte Signal wird von elektronischen Schaltkreisen in der Videokamera verarbeitet.
Derzeit gibt es zwei Haupttechnologien, die zum Erstellen eines Bildsensors in einer Kamera verwendet werden können, nämlich CCD (Charge-Coupled Device, CCD - Charge-Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS - Complementary Metal Oxide). Halbleiter). Ihre Eigenschaften, Vor- und Nachteile werden in diesem Artikel besprochen. Die folgende Abbildung zeigt CCD- (oben) und CMOS- (unten) Bildsensoren.
Farbfilterung. Wie oben bereits beschrieben, registrieren Bildsensoren die auf sie fallende Lichtmenge von hell bis dunkel, jedoch ohne Farbinformation. Da CMOS- und CCD-Bildsensoren „keine Farben sehen können“, ist jedem Sensor ein Filter vorangestellt, um jedem Pixel im Sensor einen Farbton zuzuweisen. Die beiden wichtigsten Farbregistrierungsmethoden sind RGB (Rot-Grau-Blau, Rot-Grün-Blau) und CMYG (Cyan-Magenta-Gelb-Grün, Cyan-Magenta-Gelb-Grün). Rot, Grün und Blau sind die Primärfarben, deren verschiedene Kombinationen den Großteil der vom menschlichen Auge wahrgenommenen Farben ausmachen können.
Der Bayer-Filter (oder Bayer-Array), bestehend aus abwechselnden Reihen von Rot-Grün- und Blau-Grün-Filtern, ist der gebräuchlichste RGB-Farbfilter (siehe Abb. 2). Der Bayer-Filter enthält doppelt so viele grüne "Zellen", weil Das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf Grün als auf Rot oder Blau. Das bedeutet auch, dass das menschliche Auge bei diesem Farbverhältnis im Filter mehr Details sieht, als wenn die drei Farben im Filter zu gleichen Anteilen verwendet würden.
Eine andere Möglichkeit zum Filtern (oder Registrieren) von Farben besteht darin, die Komplementärfarben Cyan, Magenta und Gelb zu verwenden. Der Komplementärfarbfilter wird üblicherweise mit dem grünen Farbfilter in Form eines CMYG-Farbfilters (CMYG-Farbfeld) kombiniert, wie in Abbildung 2 (rechts) dargestellt. Ein CMYG-Farbfilter bietet in der Regel ein höheres Pixelsignal, weil hat eine größere spektrale Bandbreite. Das Signal muss jedoch zur Verwendung im endgültigen Bild in RGB umgewandelt werden, was eine zusätzliche Verarbeitung erfordert und Rauschen einführt. Die Folge davon ist eine Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses, weshalb CMYG-Systeme Farben tendenziell nicht so gut wiedergeben.
Der CMYG-Farbfilter wird üblicherweise in Interlaced-Bildsensoren verwendet, während RGB-Systeme hauptsächlich in progressiven Bildsensoren verwendet werden.
2. CCD-Technologie
Bei einem CCD-Sensor wird das auf das Sensorpixel einfallende Licht (Ladung) vom Chip durch einen einzigen Ausgangsknoten oder durch nur wenige Ausgangsknoten übertragen. Die Ladungen werden in einen Spannungspegel umgewandelt, akkumuliert und als analoges Signal ausgesendet. Dieses Signal wird dann summiert und von einem A/D-Wandler außerhalb des Sensors in Zahlen umgewandelt (siehe Abbildung 3).
Die CCD-Technologie wurde speziell für die Verwendung in Videokameras erfunden, und CCD-Sensoren werden seit über 30 Jahren verwendet. Herkömmlicherweise haben CCD-Sensoren eine Reihe von Vorteilen gegenüber CMOS-Sensoren, wie beispielsweise eine bessere Lichtempfindlichkeit und geringes Rauschen. In letzter Zeit sind die Unterschiede jedoch kaum noch wahrnehmbar.
Die Nachteile von CCD-Sensoren bestehen darin, dass sie analoge Komponenten sind, mehr Elektronik "in der Nähe" des Sensors benötigen, teurer in der Herstellung sind und bis zu 100-mal mehr Strom verbrauchen können als CMOS-Sensoren. Ein erhöhter Stromverbrauch kann auch die Temperatur in der Kamera selbst erhöhen, was nicht nur die Bildqualität beeinträchtigt und die Kosten des Endprodukts erhöht, sondern auch die Umweltbelastung.
CCD-Sensoren erfordern auch eine schnellere Datenübertragung, weil alle Daten durchlaufen nur einen oder wenige Ausgangsverstärker. Vergleiche die Fig. 4 und 6, die Platinen mit einem CCD-Sensor bzw. einem CMOS-Sensor zeigen.
3. CMOS-Technologie
Früher wurden herkömmliche CMOS-Chips für die Anzeige verwendet, aber die Bildqualität war aufgrund der geringen Lichtempfindlichkeit von CMOS-Elementen schlecht. Moderne CMOS-Sensoren werden mit spezialisierterer Technologie hergestellt, was in den letzten Jahren zu einer rasanten Steigerung der Bildqualität und Lichtempfindlichkeit geführt hat.
CMOS-Chips haben eine Reihe von Vorteilen. Im Gegensatz zu CCD-Sensoren enthalten CMOS-Sensoren Verstärker und Analog-Digital-Wandler, was die Kosten des Endprodukts erheblich senkt. Es enthält bereits alle notwendigen Elemente, um das Bild zu erhalten. Jedes CMOS-Pixel enthält elektronische Konverter. Im Vergleich zu CCD-Sensoren bieten CMOS-Sensoren mehr Funktionalität und größere Integrationsmöglichkeiten. Weitere Vorteile sind schnellere Auslesungen, geringerer Stromverbrauch, hohe Störfestigkeit und eine kleinere Systemgröße.
Das Vorhandensein elektronischer Schaltkreise innerhalb des Chips birgt jedoch das Risiko von stärker strukturiertem Rauschen, wie z. B. Streifenbildung. Auch die Kalibrierung von CMOS-Sensoren während der Produktion ist aufwändiger als bei CCD-Sensoren. Glücklicherweise ermöglicht die moderne Technologie die Herstellung von selbstkalibrierenden CMOS-Sensoren.
Bei CMOS-Sensoren ist es möglich, ein Bild aus einzelnen Pixeln auszulesen, wodurch man das Bild „fenstern“ kann, d.h. Lesen Sie nicht den Messwert des gesamten Sensors, sondern nur seinen spezifischen Bereich. Somit ist es möglich, eine höhere Bildrate vom Sensorteil für die anschließende digitale PTZ-Verarbeitung (Schwenken/Neigen/Zoomen, Schwenken/Neigen/Zoomen) zu erhalten. Darüber hinaus ermöglicht dies die Übertragung mehrerer Videostreams von einem einzigen CMOS-Sensor, wodurch mehrere „virtuelle Kameras“ simuliert werden.
4. HDTV- und Megapixel-Kameras
Megapixel-Sensoren und hochauflösendes Fernsehen ermöglichen digitalen IP-Kameras eine höhere Bildauflösung als analoge CCTV-Kameras, d.h. Sie ermöglichen eine bessere Erkennung von Details und die Identifizierung von Personen und Objekten – ein Schlüsselfaktor bei der Videoüberwachung. Eine Megapixel-IP-Kamera hat mindestens die doppelte Auflösung einer analogen CCTV-Kamera. Megapixel-Sensoren sind der Schlüssel zu HDTV-, Megapixel- und Multi-Megapixel-Kameras. Und kann verwendet werden, um extrem hohe Bilddetails und Multistream-Videos bereitzustellen.
Megapixel-CMOS-Sensoren sind weiter verbreitet und viel billiger als Megapixel-CCD-Sensoren, obwohl es auch recht teure CMOS-Sensoren gibt.
Es ist schwierig, einen schnellen Megapixel-CCD-Sensor herzustellen, was natürlich ein Nachteil ist, und daher ist es schwierig, eine Multi-Megapixel-Kamera unter Verwendung der CCD-Technologie herzustellen.
Die meisten Sensoren in Megapixel-Kameras haben im Allgemeinen eine ähnliche Bildgröße wie VGA-Sensoren mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel. Ein Megapixel-Sensor enthält jedoch mehr Pixel als ein VGA-Sensor, sodass die Größe jedes Pixels in einem Megapixel-Sensor kleiner ist als die Pixelgröße in einem VGA-Sensor. Die Folge davon ist die geringere Lichtempfindlichkeit jedes Pixels bei einem Megapixel-Sensor.
Auf die eine oder andere Weise steht der Fortschritt nicht still. Megapixel-Sensoren entwickeln sich rasant und ihre Lichtempfindlichkeit nimmt stetig zu.
5. Hauptunterschiede
CMOS-Sensoren enthalten Verstärker, A/D-Wandler und häufig zusätzliche Verarbeitungschips, während in einer CCD-Kamera die meisten Signalverarbeitungsfunktionen außerhalb des Sensors ausgeführt werden. CMOS-Sensoren verbrauchen weniger Strom als CCD-Sensoren, was bedeutet, dass die Temperatur im Inneren der Kamera niedriger gehalten werden kann. Eine erhöhte Temperatur von CCD-Sensoren kann Interferenzen verstärken. Andererseits können CMOS-Sensoren unter strukturiertem Rauschen (Schlieren usw.) leiden.
CMOS-Sensoren unterstützen Bildfenster und Multistream-Video, was mit CCD-Sensoren nicht möglich ist. CCD-Sensoren haben normalerweise einen A/D-Wandler, während bei CMOS-Sensoren jeder Pixel einen hat. Schnelleres Lesen in CMOS-Sensoren ermöglicht deren Verwendung bei der Herstellung von Multi-Megapixel-Kameras.
Moderne technologische Fortschritte verwischen den Unterschied in der Lichtempfindlichkeit zwischen CCD- und CMOS-Sensoren.
6. Fazit
CCD- und CMOS-Sensoren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, aber die Technologie entwickelt sich schnell weiter und die Situation ändert sich ständig. Die Frage, ob man sich für eine Kamera mit CCD-Sensor oder CMOS-Sensor entscheidet, erübrigt sich. Diese Wahl hängt nur von den Anforderungen des Kunden an die Bildqualität des Videoüberwachungssystems ab.