В каких устройствах используются CMOS и CCD сенсоры?

Бытовые устройства: фотокамеры и смартфоны

Все бытовые устройства используют CMOS-сенсоры. По мере совершенствования матриц стали появляться смартфоны, которые показывали великолепное качество съемки: начиная с iPhone 4s, iPhone 5, Xiaomi Mi 2 и других использовался сенсор Exmor R от Sony, который для того времени являлся революционным.

Компания Sony стала применять Exmor R в своих фотокамерах, начиная с модели Sony A7R II, произошло это в 2015 году. С этого времени беззеркальные камеры Sony прославились своей способностью хорошо снимать ночью. Можно привести следующие знаковые модели: Sony A7S III с матрицей 12 Мп, Sony Alpha A7 IV — 33 Мп, Sony Alpha A7R IV — 61 Мп.

Также несколько лет назад компания Sony выпустила матрицы c DRAM-памятью. Применяются эти матрицы в смартфонах, а также в камерах линеек Sony Alpha 1 и Alpha 9 II. В результате сегодня беззеркальные аппараты и даже смартфоны составляют конкуренцию зеркальным камерам.

Машинное зрение

Системы обработки изображений на основе промышленных камер — это важный компонент в полностью автоматизированном производстве. Благодаря машинному зрению обеспечивается контроль качества на всех этапах производства — от проверки сырья до мониторинга на выходном контроле.

Рис. 1. Контроль продукции с помощью машинного зрения

В основе систем машинного зрения используются цифровые камеры, как на базе CMOS, так и CCD. Такие камеры обеспечивают получение высококачественных изображений, пригодных для дальнейшей обработки (анализа, измерений, диагностики, распознавания и контроля). Промышленные камеры имеют целый ряд отличий от бытовых, поэтому перечислим основные их особенности:

• камера передает формируемое изображение без применения сжатия;
• камера обеспечивает высокоскоростную передачу изображений в режиме реального времени;
• используется широкий диапазон разрешений;
• высокая частота кадров дает камерам машинного зрения вести наблюдение за высокоскоростными процессами;
• камеры машинного зрения обладают интерфейсом ввода/вывода, чтобы взаимодействовать с любыми внешними устройствами.

Сканеры

Сканирующие устройства используют различные виды сенсоров. В бытовых и офисных сканерах в основном применяются CIS и CMOS сенсоры. Датчик CIS имеет ограниченную сферу применения и в большинстве случаев используется в планшетных и протяжных сканерах.

Наиболее профессиональная реализация технологий CMOS и CCD с точки зрения сканирования — это планетарные сканеры.

Планетарный сканер (planetary scanner) используется для сканирования книг и архивных документов, предназначен для оцифровки сшитых оригиналов, ветхих фондов, редких изданий, исторических документов и т.д. Эти сканеры относятся к классу промышленного оборудования, в том числе за счет возможности сканирования нестандартных оригиналов — толстых, тяжелых или крупноформатных. Наиболее распространенные модели работают на формате А3 и А2, существуют модификации для форматов А1 и А0.

Рис. 2. Планетарный сканер

Планетарные сканеры характеризуются множеством различных параметров, но один из самых важных — это сканирующая система. По типу сканирующей системы современные планетарные сканеры делятся на три вида:

• фотоаппаратные (CMOS);
• на основе промышленных матричных сенсоров (CMOS и CCD);
• на основе линейных сенсоров (CMOS и ССD).

Важным критерием является физический размер матрицы. Размеры фотосенсоров определяются размером отдельных пикселей матрицы. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света, поэтому тем выше его светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум. Соответственно, итоговое разрешение матрицы определяется общим количеством пикселей. Сегодня такое разрешение измеряют в мегапикселях (мегапиксел, Мп, англ. megapixel — один миллион (1 000 000) пикселей, формирующих изображение).

Рис. 3. Размеры матриц

Фотоаппаратные устройства (CMOS)

Такой вид планетарных сканеров превалирует в бюджетном сегменте. Принцип работы этого устройства прост и понятен: фотоаппарат интегрируется в корпус сканирующей системы, качество сканирования зависит от характеристик фотоаппарата. Доступные модели фотоаппаратов используют затвор, это снижает ресурс работы оборудования и накладывает необходимость частого обслуживания. Существуют модели на базе дорогих фотокамер с электронным затвором, что существенно повышает не только качество сканирования и ресурс работы, но и стоимость сканера. При этом, фотоаппараты — это самостоятельные устройства, в цену которых включена пользовательская функциональность, которая не используется в сканерах, но безальтернативно поставляется в комплекте, тем самым «съедая» часть стоимости сканера. Разрешение сканирующих систем в планетарных сканерах на основе фотоаппаратов обычно варьируется от 24 до 50 Мп.

Рис. 4. Фотоаппаратный планетарный сканер

Сканеры на основе промышленных матричных сенсоров

Планетарные сканеры, использующие промышленные матричные сенсоры, относятся к классу высококачественных устройств сканирования. В основе промышленная камера высокого разрешения, задача которой обеспечивать захват изображений и без потери качества передавать их для дальнейшей обработки в специализированное программное обеспечение сканера.

Рис. 5. Планетарный сканер на основе промышленной камеры

На начальном этапе, световые лучи, которые отражаются от оригинала, попадают на поверхность сканирующей матрицы. Затем, в процессе экспозиции происходит накопление заряда на светодиодах и после этого происходит считывание, полученных параметров в произвольной форме, этот процесс зависит от момента попадания фотона на считывающее устройство.

Для того, чтобы обеспечить формирование цветной картинки CMOS сенсоры используют фильтр Байера. В этом случае в матрице каждый пиксель регистрирует только один из цветов RGB, а для получения остальных цветов используется фильтр Байера. Фильтр является барьером перед матрицей, он пропускает только один из цветов (RGB — красный, зеленый, синий). Для получения итогового изображения производится достаточно сложное арифметическое усреднение информации, которая снимается с четырёх соседних сенсоров разных цветов.

Рис. 6. Фильтр Байера

Однако использование фильтра Байера имеет и неприятные моменты, в результате страдает контрастность и разрешение сканируемого документа. На определенном этапе в сканерах использовались CCD сенсоры без фильтра Байера, имеющие трехслойную матрицу RGB. В этом случае, если использовать CCD и CMOS в одинаковых условиях, то динамический диапазон CMOS значительно хуже, так как 2/3 цветовой информации отсекается фильтром.

Между тем, CCD сенсоры без фильтра Байера гораздо дороже в производстве, поэтому стоимость таких сканеров существенно выше аналогичных устройств на базе CMOS.

Сегодня с развитием технологий и улучшением алгоритмов, CMOS сенсоры перестали уступать в качестве сканирования CCD матрицам, но при этом остались существенно дешевле в производстве. Поэтому практически все производители планетарных сканеров перешли на использование промышленных камер на основе CMOS.

Современные промышленные CMOS камеры имеют высокое разрешение и используются для задач высококачественного сканирования, в том числе произведений искусства. Реальное оптическое разрешение может достигать 1000 dpi. На таких снимках становятся заметны линии специальных тест-объектов, которые в два раза тоньше человеческого волоса.

Рис. 7. Детализация изображения при 1000 dpi

В России компания ЭЛАР разработала собственную линейку промышленных CMOS камер с разрешением 50, 100 и 150 Мп, которые в некоторых аспектах превосходят зарубежные аналоги. Новейшие российские камеры используются в популярных отечественных планетарных сканерах семейства ЭларСкан.

Сканеры на основе линейных сенсоров

Принцип работы линейных сенсоров совсем другой. В сканерах на основе линейных сенсоров полностью захватываются красные, зеленые и синие линии, одна за другой. Затем происходит проецирование изображения на линейный датчик. После этого линейка опять перемещается и поочередно захватывает красные, зеленые и синие элементы. Линии размещаются в нужном порядке, таким образом происходит формирование изображения и при этом не нужен фильтр Байера.

Рис. 8. Линейный сенсор

Так как происходит «построчная» обработка элементов, то линейный сенсор формирует на каждой из линий максимальное количество пикселей. В результате разрешение изображений всегда стабильно высокое и не зависит от соотношения сторон или высоты подвеса камеры относительно области сканирования, как у матричного сенсора, который снимает всю область сканирования целиком в рамках одного захвата изображения.

Сканеры на основе линейных сенсоров реализуются как на базе CCD, так и с использованием CMOS датчиков. У линейной системы сканирования есть свои плюсы и минусы. К преимуществам относится, прежде всего, стабильно высокое качество сканирования на максимальном формате. К недостаткам можно отнести более сложную по сравнению с матричной камерой организацию сканирующей системы, которая должна иметь электроприводы и подвижные зеркала для обеспечения построчного считывания изображений при перемещении пучка света.

Паритет или CMOS выиграл?

За последние 60 лет обе технологии, как CCD, так и CMOS, прошли несколько этапов своего эволюционного развития с разной степенью успешности. Благодаря инновациям талантливых инженеров технология CMOS уверенно заняла свое место на рынке и сегодня повсеместно используется как бытовых, так и в промышленных устройствах.

Однако, стоит отметить, что CCD сенсоры, прежде всего линейные, до сих пор применяются в некоторых моделях планетарных сканеров и обладают хорошими характеристиками работы. Между тем, в сегменте планетарных сканеров производители все чаще отдают предпочтение CMOS технологии.