Конспект учебного занятия на тему "CMOS-матрица"

ПЛАН-КОНСПЕКТ

учебного занятия кружка «Фото видеостудия»

руководитель кружка – педагог дополнительного образования М.Ю. Павлова

Тема учебного занятия: «CMOS-матрицы»

Цели учебного занятия: изучение истории создания, устройства, характеристик CMOS-матриц, изучение достоинств и недостатков КМОП-матриц, сравнение ПЗС и КМОП-матриц.

Задачи учебного занятия:

Образовательная:

- познакомить обучающихся с историей создания, устройством и характеристиками КМОП-матриц;

- изучить достоинства и недостатки КМОП-матриц;

- сравнить принцип работы КМОП и ПЗС-матриц.

Развивающая:

- развивать творческие способности обучающихся;

- развивать внимание, наблюдательность;

- развивать умение оперировать ранее полученными знаниями, анализировать, сравнивать, оценивать качество выполненной работы;

- развивать умение работать самостоятельно и в группе.

Воспитательная:

- формировать культуру обращения со сложной техникой,

- воспитывать взаимопомощь, чувство ответственности, исполнительность, аккуратность, развивать навыки самостоятельной работы.

Тип занятия: комбинированный.

Формы работы: индивидуальная и групповая.

Методы работы: объяснительно-иллюстративный, практический.

Методические приемы обучения: словесный, наглядный.

Оборудование: фотоаппарат Canon 77D, ноутбук, смартфоны, доска, мел.

План занятия

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

3. Изложение нового материала

4. Подведение итогов учебного занятия

Ход занятия

1. Организационная часть:

Приветствие, подготовка к работе на занятии, проверка присутствующих, инструктаж по технике безопасности.

1. Актуализация знаний: Объявление темы занятия. Повторение прошлых тем.

1. Изложение нового материала:

В этом уроке вы узнаете: историю создания, основные характеристики и принцип работы КМОП-матриц, основные достоинства и недостатки КМОП-матриц, сравнить особенности работы ПЗС и КМОП-матриц.

CMOS-матрицы

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем — КМОП.

В более общем случае название — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения логических состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов локализованных в одном месте кристалла. Вследствие меньшего расстояния между элементами КМОП-схемы обладают бо́льшим быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки на поверхности кристалла.

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 2011 году на форуме MWC в Барселоне компания Samsung продемонстрировала КМОП-сенсоры нового типа, которые ориентированы на применение в смартфонах.

ПЗС или КМОП матрица?

CCD и CMOS сенсоры были изобретены в 1960–1970х годах, и они пришли на смену электронно-лучевым видиконам. CCD сенсоры изначально стали доминирующими на рынке, они были нацелены на использование в научных исследованиях (равно как, и в промышленности, и медицине) и позволяли достичь превосходного качества изображения, соответствующего уровню технологий того времени. Полупроводниковые производства просто не могли «раскрыть» все возможности CMOS сенсоров на то время. Вновь интерес к производству CMOS возник в 90-х годах, так как была выявлена необходимость массового производства матриц с меньшим энергопотреблением и меньшей ценой.

В CCD сенсоре свет, который попадает на пиксель, изменяет его "электрическое" состояние. "Информация" об этом передаётся только через один выходной канал (реже — два). Далее происходит конвертация в уровень напряжения, проходит процедура буферизации и подача на выходе - как аналоговый электрический сигнал. Данный сигнал потом усиливается и конвертируется в цифровое значение, благодаря аналого-цифровому преобразователю (АЦП), который находится вне сенсора.

CMOS сенсоры благодаря технологии производства уже включают в себя усилители и АЦП, соответственно процедура получения изображения позволяет достичь гораздо большей скорости чтения.

Все это сказывается на общем методе получения изображения — технология CCD позволяет проводить считывание только с одного канала или максимум двух (и это является «бутылочным горлышком» данной технологии). Тогда как в CMOS сенсоре цифровые усилители используются в каждом отдельном пикселе (на данный момент в CMOS сенсорах могут использоваться 8 и 16 канальное считывание). Казалось бы, отдельное считывание каждого пикселя должно занимать больше времени, но так как процессы считывания в CMOS сенсорах происходят параллельно, это позволяет им достичь большей пропускной способности по сравнению с CCD сенсорами.

Это можно сравнить с дорогой  CCD представляет собой хорошую, но двух полосную автомагистраль, в то время как CMOS сенсоры можно сравнить с восьми или даже 16 полосным шоссе.

У каждой из технологий есть и свои особенности

CCD сенсоры имеют лучшую светочувствительность и меньше подвержены «цифровому шуму» (дефект изображения, при котором видны пиксели случайного цвета и яркости) так как размер пикселя, как правило, больше, потому что в камерах, использующих CMOS сенсоры, сложная электронная схема уменьшает размер пикселя. Как результат — некоторое количество света попадает не на светочувствительные фотодиоды. Именно поэтому при съемке с малым количеством света рекомендованы камеры, использующие CCD сенсоры.

Но тут, следует отметить, что еще в 2009 году, компания Sony презентовала технологию т.н. «обратной подсветки». Вследствие этого, CMOS сенсоры стали гораздо более эффективны при съемке со слабым освещением и/или малоконтрастных объектов. И на текущий момент данный недостаток CMOS сенсоров был практически нивелирован. 

CCD сенсоры требуют более сложной электронной схемы сопровождения и, как следствие, это выходит в более высокую стоимость готового изделия с их использованием. 

Энергопотребление CCD сенсоров по некоторым расчётам превышает таковое у CMOS сенсоров вплоть до 100 раз! (именно благодаря низкому энергопотреблению и более компактному размеру CMOS сенсоров они стали основными на потребительском рынке. Например, все камеры в современных мобильных телефонах и планшетах используют CMOS сенсоры). А более высокое энергопотребление может привести к проблемам тепловыделения, которое не только негативно влияет на изображение, но так же может еще больше увеличить стоимость готового изделия (из-за применения специализированного охлаждения). 

В сенсорах CMOS благодаря технологии индивидуального «чтения» каждого пикселя возможна работа т.н. «окна», которое позволяет выделить определённую часть сенсора (изображения) для считывания вместо всей области сенсора сразу. Это позволяет достичь высокой скорости съемки в выделенной области (по сравнению с CCD). 

 
В разных типах сенсоров используются различные экспозиционные принципы: CCD используют Global shutter, а в CMOS — Rolling Shutter технологий (более подробно, мы рассмотрим эту тему в отдельной статье).

Следовательно, беря во внимание все вышесказанное, если Вам:

Необходима высокая скорость съемки — Вам необходимы камеры с CMOS сенсорами.   

Необходима высокая светочувствительность — Вам необходимы камеры с CCD сенсорами (либо CMOS с технологией «обратной подсветки»).

Необходимо малое количество «цифрового шума» — Вам необходимы камеры с CCD сенсорами.

Необходимо чуть более дешёвое решение — Вам необходимы камеры с CMOS сенсорами.

Подводя итог, следует отметить тот факт, что в любом случае выбор камеры должен зависеть именно от сферы применения, а не только исходя из технических характеристик.   

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.

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. 

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.

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.

4. Подведение итогов занятия: Обмен мнениями: выполнена ли цель учебного занятия? Что нового узнали на занятии? Что было сложно для понимания? Важно ли понимать устройство матрицы вашего фотоаппарата для получения качественных снимков? Какой тип матрицы, по вашему мнению, наиболее подходит для фотокамер и мобильных устройств?