Diit.cz - Novinky a informace o hardware, software a internetu

CCD versus CMOS

Dr. Willard S. Boyle
Willard Sterling Boyle, kanadský fyzik, spoluautor CCD snímače a nositel Nobelovy ceny, 7. května zemřel. Ačkoli nejvyššího z řady ocenění dosáhl na sklonku života, často vzpomínal, jak do poslední chvíle neměl o ničem tušení a když se jednoho krásného dne probudil, čekalo na něj velké překvapení - udělená Nobelova cena za fyziku. Boyle také rád vyprávěl o samotném objevu, který spáchal společně s Georgem Elwoodem Smithem za necelou hodinu v laboratoři. Oba pánové tím položili základy digitální fotografie a videa, byť uvedení do praxe na rozdíl od samotného konceptu netrvalo desítky minut, ale let. A tak bychom se při této příležitosti mohli podívat na to, co Willard Boyle s kolegou odstartovali, jak se vynález CCD dál rozvíjel, v čem se liší proti CMOSu a jaká mají obě řešení specifika.

Kapitoly článků

Výrobci CMOS (complementary metal oxide semiconductor) obvykle protežují svůj produkt, výrobci CCD (charge coupled device) snímačů zase ten vlastní. Jejich marketing a PR oddělení vypouštějí prezentace, které mají lidi přesvědčit, proč právě třeba CMOS, který vyrábějí zrovna oni, je o tolik lepší než CCD. Samozřejmě jdou cestou informační asymetrie, kdy uvádějí pouze pozitiva svého a negativa konkurenčního produktu.

CCD Dalsa 33 MP
CCD Dalsa FTF5066 (33 MP)

Ve skutečnosti jsou obě řešení do jisté míry odlišná a vhodná pro jiné účely. Zároveň ale obě mohou dosáhnout srovnatelně kvalitních výstupů. V čem je tedy rozdíl: CCD je výrazně jednodušší a díky tomu se sériové výroby dočkalo jako první. Výše popsanou cestou sejme světlo, hodnota náboje pro každý pixel je vyčítána po řádcích (či sloupcích) a následně převedena na napětí. Výstup je analogový. Co se s ním děje dál, už záleží na konkrétním zařízení. Se signálem se může dál pracovat analogově, ale v případě digitálních zařízení je obvykle jen analogově zesílen (podle požadované citlivosti ISO) a zdigitalizován. Další zpracování už se oproti CMOSu výrazně neliší.

CMOS snímač (patentovaný Frankem Wanlassem roku 1967) v sobě integruje více obvodů. Z toho důvodu trvalo déle, než se výrobní možnosti (především litografie) dostaly na úroveň, která by umožnila masovou produkci.

CCD CMOS srovnání
jeden z hlavních rozdílů CMOSu oproti CCD je převod náboje na napětí již na úrovni pixelů

Pro každý pixel CMOSu je integrovaný převodník náboje na napětí, dále může snímač integrovat analogový zesilovač, obvod pro digitalizaci, redukci šumu a podobně. Výstup bývá častěji digitální, byť to není podmínka (příklad nedigitalizujícího a nezesilujícího CMOSu může být stávající model 4,7 / 14 MP senzoru Foveon, jde ale spíš o výjimku).

U CMOS senzorů se do budoucna zvažuje možnost implementace obvodu, který by dokázal zresetovat fotodiodu v okamžiku, kdy je plně exponovaná. Z množství resetů a náboje po posledním resetu by se získala hodnota expozice. Tím by se předešlo přepalům a výraznou měrou rozšířil dynamický rozsah.

CCD CMOS rozdíly
schématické znázornění rozdílů: CMOS může integrovat další obvody na zpracování signálu a obrazu

Z uvedených rozdílů vyplývá i mírně odlišné uplatnění. CMOS se hodí všude kde je třeba maximální úroveň integrace, nebo co nejnižší ceny, kde není prostor pro externí zesilovač a digitalizační obvod. Slabinou CMOSu je nižší uniformita výstupu (každý pixel si provádí konverzi samostatně) a také větší množství integrovaných součástí, které mohou nepřímo ubírat na kapacitě samotným fotodiodám (menší fotodioda ~ vyšší šum, nižší dynamický rozsah).

Kapitoly článků

Diskuse ke článku Zemřel Willard Boyle, otec CCD snímače

Čtvrtek, 12 Květen 2011 - 22:30 | Jirka1 | Už před Bayerovou maskou existovaly jiné typy...
Čtvrtek, 12 Květen 2011 - 16:24 | jm1 | Kdo hleda, najde: http://engineering.umaine.edu/...
Čtvrtek, 12 Květen 2011 - 11:42 | David Ježek | jj, nad tou absencí fotek jsme se také podivovali...
Čtvrtek, 12 Květen 2011 - 11:16 | PV | Všechna čest panu vynálezci! Je zajímavé, že o...

Zobrazit diskusi