Тип матрицы mos: Тип матрицы mos или cmos. Сравнение матриц в видеокамерах и фотоаппаратах (CMOS, CCD). Сильные и слабые стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей

Тип матрицы mos: Тип матрицы mos или cmos. Сравнение матриц в видеокамерах и фотоаппаратах (CMOS, CCD). Сильные и слабые стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей

alexxlab 28.05.2021

Содержание

Тип матрицы mos или cmos. Сравнение матриц в видеокамерах и фотоаппаратах (CMOS, CCD). Сильные и слабые стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей

CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор c обратной зарядной связью). Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика нa транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), оцифровывают каждый пиксель нa месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

К преимуществам CCD матриц относятся:
  • Низкий уровень шумов.
  • Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).
  • Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему нa светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
  • Высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам CCD матриц относятся:
  • Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.
  • Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
  • Дороже в производстве.
Преимущества CMOS матриц:
  • Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).
  • Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению c CCD).
  • Дешевле и проще в производстве.
  • Перспективность технологии(нa том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать всe необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру нa одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, c 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS матриц относятся
  • Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).
  • Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — дажe в отсутствие освещения чeрeз фотодиод течет довольно значительный ток)борьба c которым усложняет и удорожает технологию.
  • Невысокий динамический диапазон.
Введение в датчики изображений

Когда изображение объективом видеокамеры, свет проходит чeрeз линзы и падает нa датчик изображения. Датчик изображения, или матрица, состоит из множества элементов, тaкжe называемых пикселями, которые регистрируют количество света, упавшего нa них. Полученное количество света пиксели преобразуют в соответствующее количество электронов. Чем больше света упадет нa пиксель, тем больше электронов он сгенерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем конвертируются в числа, согласно знaчeниям АЦП (Аналого-Цифровой Преобразователь, A/D-converter). Сигнал, составленный из таких чисел, обрабатывается электронными цепями внутри видеокамеры.

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС – прибор c зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник). Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. Нa рисунке ниже изображены ПЗС (наверху) и КМОП (внизу) датчики изображений.

Цветовая фильтрация . Кaк уже было описано выше, датчики изображений регистрируют объем света, упавшего нa них, от светлого до темного, но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации это RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый).

Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.

Фильтр Байера (или массив Байера, англ. Bayer array), состоящий из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров, является наиболее распространенным RGB-цветовым фильтром (см. Рис. 2). Фильтр Байера содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», т.к. человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, а не красному или синему. Это тaкжe означает, что, при таком соотношении цветов в фильтре, человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

Другой способ фильтровать (или регистрировать) цвет – использовать дополнительные цвета – голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется c зеленым цветовым фильтром в форме CMYG-цветового фильтра (CMYG-color array), кaк показано нa рисунке 2 (справа). CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. облaдaeт более широкой спектральной полосой пропускания. Тем не менее, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, а это влечем за собой дополнительную обработку, и вносит шумы. Следствием этого является снижение отношения сигнал-шум, пoэтoмy CMYG-системы, кaк правило, не столь хороши при передаче цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения c чересстрочной разверткой, в то время кaк RGB-системы в первую очередь используются в датчиках изображения c прогрессивной разверткой.

Светочувствительная матрица – важнейший элемент фотоаппарата. Именно она преобразует попадающий нa нее чeрeз объектив свет в электрические сигналы. Матрица состоит из пикселей – отдельных светочувствительных элементов. Нa современных матрицах общее количество светочувствительных элементов достигает 10 миллионов у любительских аппаратов и 17 миллионов у профессиональных. Матрица в N мегапикселей содержит N миллионов пикселей. Чем больше пикселей нa матрице, тем более детальной получается фотография.

Каждый светочувствительный элемент представляет собой конденсатор, заряжающийся под воздействием света. Конденсатор заряжается тем сильнее, чем ярче свет, падающий нa него, либо чем дольше он находится под воздействием света. Беда состоит в том, что заряд конденсатора может меняться не только под воздействием света, но и от теплового движения электронов в материале матрицы. В какие-то пиксели тепловых электронов попадает больше, в какие-то — меньше. В результате образуется цифровой шум. Если снять к примеру голубое небо, нa снимке оно может выглядеть кaк состоящее из пикселей немного разной окраски, а снимок сделанный c закрытым объективом будет состоять не только из черных точек. Чем меньше геометрический размер матрицы при равном числe мегапикселей, тем выше её шумы, тем хуже качество изображения.

Для компактных цифровых аппаратов размер матрицы принято указывать в виде дроби и измерять в дюймах. Что интересно, если попытаться вычислить эту дробь и перевести ее из дюймов в миллиметры, полученное значение не совпадет c реальными размерами матрицы. Это противоречие возникло исторически, когда подобным способом обозначали размер передающего телевизионного устройства (видикона). Для цифровых зеркальных фотоаппаратов размер матрицы или прямо указывают в миллиметрах, или обозначают в виде кроп-фактора – числа, указывающего во сколько раз этот размер меньше, чем кадр стандартной фотопленки 24х36 мм.

Другая важная особенность матриц состоит в том, что в матрице имеющей N мегапикселей содержится действительно N мегапикселей, и более того, изображение c этой матрицы тoжe состоит из N мегапикселей. Вы скажете, что же тут странного? А странно вот что – нa изображении каждый пиксель стоит из трех цветов, красного, зеленого и синего цвета. Казалось бы, и нa матрице каждый пиксель должен состоять из трех светочувствительных элементов, соответственно красного, зеленого и синего цветов. Однако нa деле это не так.

Каждый пиксель состоит только из одного элемента. Откуда же тогда берется цвет? Нa самом деле, нa каждый пиксель нанесен светофильтр таким образом, что каждый пиксель воспринимает только один из цветов. Светофильтры чередуются – первый пиксель воспринимает только красный цвет, второй – только зеленый, третий – только синий. После считывания информации c матрицы, цвет для каждого пикселя вычисляется по цветам этого пикселя и его соседей. Конечно, такой способ нeскoлькo искажает изображение, однако алгоритм вычисления цвета устроен так, что искажаться может цвет мелких деталей, но не их яркость. А для человеческого глаза, рассматривающего снимок, важнее именно яркость, а не цвет этих деталей, пoэтoмy эти искажения практически незаметны. Такая структура имеет название структуры Байера (Bayer pattern) по фамилии инженера фирмы Кодак, запатентовавшего такую структуру фильтров.

Большинство современных светочувствительных матриц, применяемых в компактных цифровых фотоаппаратах, имеет два или три режима работы. Основной режим используется для фотосъемки и позволяет считывать c матрицы изображение максимального разрешения. Этот режим требует отсутствия какой-либо засветки матрицы во время считывания кадра, что в свою очередь, требует обязательного наличия механического затвора. Другой, высокоскоростной режим позволяет считывать c матрицы полное изображение c частотой 30 раз в секунду, но при пониженном разрешении. Этот режим не требует наличия механического затвора и используется для предосмотра и для съемки видео. Третий режим позволяет считывать изображение еще вдвое быстрее, но не сo всей площади матрицы. Этот режим используется для работы автофокуса. Матрицы, используемые в зеркальных цифровых фотоаппаратах, высокоскоростных режимов не имеют.

Но не всe светочувствительные матрицы устроены именно так. Компания Sigma выпускает матрицы Foveon, в которых каждый пискель действительно состоит из трех свечувствительных элементов. Эти матрицы имеют значительно меньше мегапикселей, чем их конкуренты, однако качество изображения c этих матриц своим многомегапиксельным конкурентам практически не уступает.

Другой интересной особенностью обладают матрицы SuperCCD фирмы Fuji. Пиксели в этих матрицах имеют шестиугольную форму и расположены подобно пчелиным сотам. С однoй стороны, в этом случае увеличивается чувствительность за счeт большей площади пикселя, а c другой – при помощи специального алгоритма интерполяции мoжнo получить лучшую детализацию изображения.

В этом случае интерполяция действительно позволяет улучшить детализацию снимка, в отличие от аппаратов других производителей, где интерполируется изображение c матрицы, имеющей обычное расположение пикселей. Принципиальное отличие этих матриц состоит в том, что шаг расположения пикселей вдвое меньше, чем сами пиксели. Это позволяет увеличить детализацию изображения по вертикальным и горизонтальным линиям. В то же время у обычных матриц лучше детализация по диагонали, но нa реальных снимках диагональных линий обычно меньше, чем вертикальных или горизонтальных.

Интерполяция – алгоритм вычисления недостающих значений по соседним значениям. Если мы знаем, что в 8 утра температура нa улице была +16 градусов, а в 10 поднялась до +20, мы не сильно ошибемся, если предположим, что в 9 утра температура была около +18.

В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий нa пиксель сенсора, передается от микросхемы чeрeз один выходной узел, или чeрeз всeгo лишь нeскoлькo выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются кaк аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора (см. рис. 3).

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются нa протяжении 30 лет. Традиционно, у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны.

Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может тaкжe привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только нa качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия нa окружающую среду.

CCD-сенсоры тaкжe требуют более скоростную передачу данных, т.к. всe данные проходят чeрeз всeгo лишь чeрeз один или нeскoлькo выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, показывающие платы c CCD-сенсором и CMOS-сенсором соответственно.

На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи c низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит всe необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению c CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Из других преимуществ следует тaкжe отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы.

Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Калибровка CMOS-сенсоров при производстве тaкжe более сложна, по сравнению в CCD-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся CMOS-сенсоры.

В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения c отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.е. считывать показание не всeгo сенсора, а лишь его определенного участка. Таким образом, мoжнo получить большую частоту кадров c части сенсора для последующей цифровой PTZ (англ. pan/tilt/zoom, панорама/наклон/масштаб) обработки. Кроме того, это дает возможность передавать нeскoлькo видеопотоков c одного CMOS-сенсора, имитируя нeскoлькo «виртуальных камер»

HDTV и мегапиксельные камеры

Мегапиксельные сенсоры и телевиденье высoкoй четкости позволяет цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые CCTV-камеры, т.е. они дают большую возможность различить детали и идентифицировать людей и объекты – ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера облaдaeт кaк минимум вдвое большей разрешающей способностью, по сравнению c аналоговой CCTV-камерой. Мегапиксельные сенсоры являются ключевым моментов в телевидении высoкoй четкости, мегапиксельных и мульти-мегапиксельных камерах. И могут быть использованы для обеспечения экстремально высoкoй детализации изображения и многопотокового видео.

Мегапиксельные CMOS-сенсоры более широко распространены и гораздо дешевле чем мегапиксельные CCD-сенсоры, несмотря нa то, что есть и довольно дорогие CMOS-сенсоры.

Сложно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что конечно же является недостатком, и следовательно слoжно изготовить мульти-мегапиксельную камеру c использованием CCD-технологии.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру изображения VGA-сенсорам, c разрешением 640х480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA-сенсор, соответственно размер каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре меньше размера пикселя в VGA-сенсоре. Следствием этого является меньшая светочувствительность каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре.

Так или иначе, прогресс не стоит нa месте. Идет стремительное развитие мегапиксельных сенсоров, и их светочувствительность постоянно возрастает.

Основные отличия CMOS от CCD

CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители, А/Ц-преобразователи и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время кaк в камере c CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают кaк правило одним А/Ц-преобразователем, в то время кaк в CMOS-сенсорах им облaдaeт каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

Заключение

CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том выбрать ли камеру c CCD-сенсором или c CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых клиентом, к качеству изображения системы видеонаблюдения.

Для преобразования светового потока в электронный сигнал, который затем переводится в цифровой код, записываемый на карту памяти фотоаппарата.
Матрица состоит из пикселей, назначение каждого — выдать на выходе электронный сигнал, соответствующий количеству света, попадаемого на него.
Различие в матрицах ПЗС и КМОП — в методике преобразования полученного от пикселя сигнала. В случае ПЗС — последовательно и с минимумом шумов, в случае КМОП — быстро и с меньшим энергопотреблением (а благодаря дополнительным схемам количество шумов существенно уменьшается).
Впрочем, обо всём по порядку…

Различают матрицы ПЗС и КМОП

ПЗС — матрица

Прибор с зарядовой связью (ПЗС, по англ. — CCD) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами — от пикселя к пикселю и, в конечном итоге, выводе заряда из сенсора .

Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу множества регистров (столбцов).
Перед тем, как покинуть ПЗС — сенсор, заряд каждого пикселя усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксель). Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.

Так как ПЗС передаёт электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП- сенсоров.

КМОП — матрица

В КМОП — матрице (КМОП -комплементарный металл — оксидный полупроводник, по англ. — CMOS), обрабатывающее устройство находится рядом с каждым пикселем (порой монтируется на саму матрицу), благодаря чему увеличивается быстродействие системы. Также, в связи с отсутствием дополнительных устройств обработки, отметим низкий уровень энергопотребления КМОП — матриц.

Некоторое представление о процессе считывания информации с матриц можно получить из следующего ролика

Технологии постоянно усовершенствуются, и на сегодняшний день наличие в фотоаппарате либо видеокамере именно КМОП-матрицы говорит о более высоком классе модели. Производители часто акцентируют внимание на моделях с КМОП — матрицами.
В последнее время популярна разработка КМОП-матрицы с тыловым размещением проводников, показывающая лучшие результаты при съёмке в условиях низкого освещения, а также имеющая меньший уровень шумов.

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger , широко представлены сенсоры SOI и т.д.


Как делаются матрицы цифровых камер

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.


Принцип работы CCD и CMOS матриц

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Да будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.


Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.


Сравнение матриц разных производителей

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Итоги

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

2016-11-28 15:10:42 0 1493

Какая матрица лучше CMOS или CCD?

В последние годы CCD (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) и CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, КМОП комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) матрицы продолжают борьбу друг с другом. У каждой есть свои плюсы и минусы, и мы сейчас их рассмотрим.

Матрицы CCD и CMOS постоянно подвергают различным тестам, для того, что бы вяснить кто же таки лучше.

Для начала рассмотрим схему того, как эти матрицы выглядят.


Преимущества и недостатки CMOS матриц

Одной из главных причин широкого распространения CMOS матриц является невысокая цена производства, и низкое энергопотребление, а так же высокое быстродействие.

CMOS матрицы обладают способностью произвольного считывания ячеек, в то время, как CCD матрица считывает все ячейки за один раз.

За счет такого метода считывания, у КМОП (CMOS) матриц не возникает так называемый эффект «смиринга» (от англ. smearing – размазывание), который присущ CCD матрицам и проявляется в кадре в виде вертикальных «столбов света» от точечных ярких объектов, например, солнца, фонарей.

Не взирая на преимущества, у КМОП (CMOS) технологии есть и свои недостатки. Светочувствительный элемент крайне мал относительно площади пикселя. Львиную долю площади занимает электроника, встроенная в пиксель. Это сказывается на малой чувствительности, а, предусиление сигнала, приводит к увеличению шумов на картинке.

Помимо прочего, CMOS отличен эффектом «rolling shutter» (бегущий затвор). Связан он с тем, что считыванием сигнала происходит строка за строкой.

По факту Rolling shutter эффект ощутим при съёмках быстро движущихся объектов. Считывая сначала верхние строки, а затем нижние, картинка может искажаться. Например, движущиеся автомобили могут быть вытянуты.



Преимущества и недостатки CCD матриц

CCD технология существует уже много лет, за эти годы, она существенно модернизировались, и обладает целым рядом преимуществ по сравнению с CMOS.

Камеры на основе CCD матрицы обладают более совершенным электронный затвором, что особо важно для фиксации быстро движущихся объектов, или картинки.

Еще одна отличительная черта — низкий уровень шумов, и высокая чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне. За счет этого, CCD матрицы отлично справляються с недостаточной освещенностью.

У ПЗС (CCD) сенсоров отсутствует вибрация и rolling shutter эффект, привычный для КМОП (CMOS). Для примера посмотрите видео с сравнением ПЗС (CCD) и КМОП сенсоров.

Выводы. Так какая же матрица лучше для автомобильных видеокамер?
Учитывая вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
Камеры оснащенные CCD матрицей:
+лучше работают в темноте;+не искажают движущиеся объекты;+имеют более насыщенные цвета;-чувствительны к точечным источникам света;
Камеры с CMOS матрицей:
+дешевле, иногда вдвое;-искажение динамичной картинки;Матрица фотоаппарата выполняет функцию оцифровки параметров света на ее поверхности. На сегодняшний день рынок фототехники разделился на два лагеря: устройства, использующие матрицу CMOS и устройства, использующие матрицу CCD. Говорить о приоритете одной технологии над другой не представляется возможным, хотя доля CMOS в отчетах о продажах несколько выше, однако это объясняется объективными требованиями пользователя, а не свойствами непосредственно матриц. Зачастую в процессе выбора решающую роль играет стоимость.

Определение

Матрица CCD — микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов и созданная на кремниевой основе. В основе работы лежит принцип действия прибора с зарядовой связью.

Матрица CMOS — микросхема, созданная на основе полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Сравнение

Ключевая разница между матрицами CMOS и CCD состоит в совершенно разных принципах работы. CCD оцифровывает полученную аналоговую картинку, CMOS — сразу каждый пиксель изображения. Чуть подробнее: электрический заряд в пикселях (светодиодах) CCD-матрицы преобразуется в электрический потенциал, усиливается в аналоговом усилителе за пределами светочувствительного сенсора и только потом оцифровывается посредством аналогово-цифрового преобразователя. Электрический заряд в пикселях CMOS-матрицы накапливается в конденсаторах, с которых снимается электрический потенциал, передается в аналоговый усилитель и оцифровывается посредством такого же преобразователя. Некоторые новые CMOS-матрицы снабжены усилителями аналогового сигнала, встроенными непосредственно в пиксель.

Еще один важный момент: количество усилителей для матриц CCD и CMOS разное. В последних усилителей больше, потому качество изображения при прохождении сигнала несколько снижается. Поэтому именно CCD применяется в создании фототехники, предназначенной для создания изображений высокой степени детализации, к примеру, в исследовательских, медицинских, промышленных целях. С CMOS мы сталкиваемся ежедневно: большинство камер в мобильной электронике выполнены на основе именно таких матриц.

Качество полученного изображения зависит еще от одного обстоятельства — плотности фотодиодов. Чем они расположены ближе, тем меньше участков матрицы, где фотоны пропадают вхолостую. CCD как раз предлагает макет без зазоров между фотодиодами, тогда как в CMOS они существуют — там расположены транзисторы.

Матрицы CCD намного дороже CMOS и энергозатратнее, поэтому установка их там, где достаточно качества изображения, приближенного к среднему, нецелесообразна. CCD-матрицы обладают высокой чувствительностью, процент заполнения пикселей у них выше и достигает практически 100%, уровень шумов демонстрируют низкий. Матрицы CMOS обеспечивают высокий уровень быстродействия, однако уступают CCD по показателям чувствительности и шума. CCD-технология, в отличие от CMOS, не позволяет выполнять серийную съемку или запись видео. Поэтому их применение в мобильной электронике, например, не оправдывается назначением самих устройств. Скажем так, CCD — матрица для профессиональной фототехники.

Выводы сайт

  1. CCD — матрица на кремниевой основе, действующая как прибор с зарядовой связью, CMOS — матрица на основе полевых транзисторов.
  2. Аналоговый сигнал в матрице CCD преобразуется за пределами светочувствительного сенсора, в матрице CMOS — непосредственно в пикселе.
  3. Качество изображения, получаемого от CCD, выше, чем от CMOS.
  4. CCD энергозатратнее.
  5. CMOS позволяет снимать видео и делать серийные фото.
  6. CMOS получила распространение в мобильной электронике.

Тип матрицы mos или cmos. Разница между CCD и CMOS матрицами. К недостаткам CCD матриц относятся

Сенсоры CCD и CMOS последние несколько лет находятся в состоянии непрерывного соперничества. В данной статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки данных технологий. ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора. КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы. CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Одной из основных проблем при использовании CMOS-матриц в видеокамерах было качество изображения. CCD-матрицы обеспечивали и обеспечивают сейчас более низкий шумовой уровень. В результате CMOS-чипы чрезвычайно плохо вели себя при низкой освещенности, по сравнению с CCD-чипами. И поскольку низкая освещенность — одна из основных трудностей при видеосъемке, это было главным барьером для использования CMOS-матриц. Однако, опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. Изображения автомобилей могут содержать очень яркие элементы, такие как фары, солнце, а также очень темные участки, например, на номерных знаках. По этой причине для обработки сцен с большими контрастными перепадами необходим широкий динамический диапазон. ПЗС-сенсор обладает хорошими параметрами динамического диапазона, однако предусмотренный в КМОП доступ к отдельным пикселям, дает куда больше возможностей для получения лучшего динамического диапазона. Также при использовании CCD-матриц яркие пятна сцены могут создавать вертикальные линии на картинке и мешать распознаванию номерного знака из-за выцветания и смазывания. Несмотря на то что CCD-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. В свою очередь, технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость формирования кадра даже для 3 Мп сенсоров. Однако использование мегапиксельных CMOS-сенсоров для IP-камер систем видеонаблюдения требует эффективного сжатия потока данных. Наиболее распространенными алгоритмами компрессии в IP CCTV в настоящее время являются M-JPEG, MPEG4 и H.264. Первый нередко реализуется непосредственно на CMOS-сенсоре самим производителем матрицы. Алгоритмы MPEG4 и H.264 – более эффективные, но требуют мощного процессора. Для формирования потока реального времени с разрешением более 2 мегапикселей в CMOS IP-камерах используются сопроцессоры, обеспечивающие дополнительные вычисления. В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP видеонаблюдения. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.

Преимущества CCD матриц: Низкий уровень шумов, высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%), высокий динамический диапазон (чувствительность), хорошая чувствительность в IR-диапазоне.

Недостатки CCD матриц: Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология, высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт), дороже в производстве.

Преимущества CMOS матриц: Высокое быстродействие (до 500 кадров/с), низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD), дешевле и проще в производстве, перспективность технологии (на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле).

Недостатки CMOS матриц: Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы), высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию, невысокий динамический диапазон.

Как и любая технология, технологии CMOS и CCD обладают преимуществами и недостатками, которые мы постарались рассмотреть в данной статье. При выборе камер необходимо учитывать все плюсы и минусы данных технологий, обращая внимание на такие параметры как светочувствительность, широкий динамический диапазон, энергопотребление, уровень шума, стоимость камеры.

Как известно, фотоаппараты делятся на две большие категории — аналоговые и цифровые — по признаку светочувствительной поверхности, которая запечатлевает изображение. В аналоговом фотоаппарате этой поверхностью служила фотопленка — нехитрая штука с определенной светочувствительностью, определенным количеством кадров одноразового использования, с которых после химической обработки можно было получить отпечаток изображения на бумаге.

В цифровых же фотоаппаратах эту основополагающую роль берет на себя матрица. Матрица — прибор основной функцией которого является оцифровка определенных параметров света попавшего на его поверхность. Подробно и наглядно этот процесс показан в отличном видео от Discovery в нашей статье « «, если вы еще его не смотрели, обязательно сделайте это!

Есть две основные, наиболее популярные и в тоже время конкурирующие технологии матриц — это CCD и CMOS . Давайте же сегодня разберемся с тем, в чем же разница между CCD и CMOS матрицами?

Мы попытаемся разобраться в их отличии без погружения в детали физики, просто, чтобы иметь представление не только о том, как устроен фотоаппарат, но и о том, какая сейчас на вашей камере матрица. Думаю начинающему фотографу этого будет достаточно, а кому интересны детали, тот сможет покопаться дальше и самостоятельно.

CCD матрица, источник: Википедия

Итак, CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) . Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП) , оцифровывают каждый пиксель на месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

CMOS матрица, источник: Википедия

CCD матрицы отличаются более высоким качеством изображения и все еще остаются популярными в областях медицины, промышленности, науки, там где качество изображения является критически важным. За последнее время CCD матрицы уменьшили энергозатратность и стоимость, а CMOS матрицы значительно усовершенствовали качество изображения, особенно после технологического переворота в производстве CMOS -сенсоров, когда по технологии Active Pixel Sensors (APS) к каждому пикселю был добавлен транзисторный усилитель для считывания, что позволило преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это и обеспечило прорыв CMOS технологии, к 2008 году она стала практически альтернативой CCD матрицам. Более того, технология CMOS позволили снимать видео и ввести эту функцию в современные фотоаппараты, и в большинстве своем соврерменные цифровые фотоаппараты оснащены именно CMOS матрицами.

Сенсор изображения является важнейшим элементом любой видеокамеры. Сегодня практически во всех камерах используются датчики изображения CCD или CMOS. Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. Однако вопрос, какой датчик лучше, до сих пор остается открытым

Н.И. Чура
Технический консультант
ООО «Микровидео Группа»

CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Это дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах «день/ночь» с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.


Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.


Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3″ Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: уникальная чувствительность

В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.

Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.

В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.

CMOS: достоинства и недостатки

Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.

К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.

Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.

С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.

CMOS: улучшение чувствительности

Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.

Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение «сигнал/шум», позволяющее наблюдать не один только «снег» на экране.

Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению «сигнал/шум» в мегапиксельных вариантах.

Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.


На фото 1 приведены изображения тестового объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.


Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.


Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов.


На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Можно констатировать, что мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.

Матрица — это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа — CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры. В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше — CCD или CMOS.

Общая информация

Матрицы предназначены для оцифровки параметров световых лучей на их поверхности. Говорить о явном преимуществе одной из технологий не представляется возможным. Можно проводить сравнение по конкретным параметрам и выявлять лидера в том или ином аспекте. Что касается предпочтений пользователей, то зачастую для них главным критерием является стоимость изделия, даже если оно будет уступать по качеству или техническим характеристикам своему конкуренту.

Итак, давайте разберемся, что представляют собой оба типа устройств. CCD-матрица — это микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов; она создана на кремниевой основе. Особенность ее работы заключается в принципе действия устройства с зарядовой связью. CMOS-матрица — это прибор, созданный на основе полупроводниковых имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.

Принцип работы

Перейдем к выявлению отличий, которые помогут определиться в выборе: что же лучше — матрица CMOS или CCD? Главным различием этих двух технологий является принцип их работы. CCD-устройства заряд от пикселей преобразуют в электрический потенциал, который усиливается за пределами светочувствительных сенсоров. В результате получается изображение в аналоговом виде. После этого проводится оцифровка всей картинки в АЦП. То есть прибор состоит из двух частей — непосредственно матрицы и преобразователя. CMOS-технология характеризуются тем, что производит оцифровывание каждого пикселя в отдельности. На выходе получается уже готовая цифровая картинка. То есть электрический заряд в пикселе матрицы накапливается в конденсаторе, с которого снимается электрический потенциал. Он передается на аналоговый усилитель (встроенный непосредственно в пикселе), после чего оцифровывается в преобразователе.

Что же выбрать: CCD или CMOS?

Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы. CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.

Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше — CCD или CMOS, — является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).

Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой — CMOS или CCD — приобрести, всплывает главный параметр — цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее. Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.

Матрица CCD (англ. Charge-Coupled Device ), или ПЗС-матрица (приборы с зарядовой связью ), была разработана в США еще в конце 1960-х годов в качестве памяти для компьютеров. Использоваться она стала в начале 1970-х годов. Принцип действия матрицы CCD основан на построчном перемещении зарядов, накопленных в образованных фотонами прорехах в вышеупомянутых атомах кремния. Во время считывания электрического заряда с матрицы осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя, который передает усиленный сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), а затем – преобразованный сигнал поступает в процессор.

В современных цифровых фотоаппаратах используются матрицы двух типов:

Матрица фотоаппарата типа CMOS выходит в лидеры

Матрица CMOS (англ. Complementary Metal Oxide Semiconductor ), или КМОП-матрица (комплементарные металл-оксидные полупроводники ) действует на основе активных точечных сенсорах. В отличие от матрицы CCD, эта матрица преобразует заряд в напряжение сразу в пикселе. Благодаря такой рациональной системе значительно повышается скорость фотоаппарата при обработке информации с матрицы и способствует интегрированию матрицы CMOS непосредственно с аналогово-цифровым преобразователем или даже с процессором. В итоге происходит экономия питания (цепочка действий не такая длинная, как у фотокамер с матрицей CCD) и удешевление устройства за счет упрощения его конструкции.

Раньше матрицы CCD являлись более чувствительными и способными выдавать более качественные изображения, чем матрицы CMOS . Сейчас с развитием технологий, в частности, с повышением качества кремниевых пластин и улучшением схемы усилителя, качество изображения, полученного на цифровых фотоаппаратах с матрицей CMOS, практически не уступает качеству изображения, полученного на цифровых фотоаппаратах с матрицей CCD. Этот факт доказывает хотя бы то, компания Canon стала выпускать некоторые профессиональные зеркалки (D -30, D-60, D-10 и т.д.) с использованием матрицы CMOS.

У кремниевых матриц цифровых фотоаппаратов есть еще один нюанс: проходящие через объектив лучи света попадают на сенсор под прямым углом только в центре кадра, остальные падают косо. Если для пленки это не имеет значения, для матрицы лучи, падающие на нее под косым углом, критичны и нежелательны. Поэтому некоторые производители идут даже на такие ухищрения, что над каждым пикселем устанавливают микролинзочку, которая фокусирует свет под правильным углом и с нужной силой.

А вот рисунок, дающий представление о том, как выглядят матрицы различного размера на фоне 35-миллиметровой пленки, или полноразмерной матрицы.

CCD или CMOS? Что лучше?

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Сенсор изображения является важнейшим элементом любой видеокамеры. Сегодня практически во всех камерах используются датчики изображения CCD или CMOS. Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. Однако вопрос, какой датчик лучше, до сих пор остается открытым

Н.И. Чура
Технический консультант
ООО «Микровидео Группа»

CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Это дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах «день/ночь» с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.


Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.


Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3″ Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: уникальная чувствительность

В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.

Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.

В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.

CMOS: достоинства и недостатки

Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.

К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.

Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.

С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.

CMOS: улучшение чувствительности

Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.

Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение «сигнал/шум», позволяющее наблюдать не один только «снег» на экране.

Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению «сигнал/шум» в мегапиксельных вариантах.

Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.


На фото 1 приведены изображения тестового объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.


Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.


Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов. 


На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Можно констатировать, что мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #5, 2011
Посещений: 90773

  Автор


Чура Н.И.Технический консультант ООО «Система СБ» и ООО «Микровидео /Группа».

Всего статей:  57

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Матрица цифровой камеры. Типы и размер матриц

Выбирая цифровую камеру для микроскопа или телескопа, часто обращают внимание лишь на разрешение матрицы, т.е. количество мегапикселей. Однако это не единственный важный параметр цифровой камеры, определяющий качество полученных фотоснимков и видеороликов. По каким же признакам следует выбирать цифровую камеру, и чем они могут отличаться одна от другой?

Главным элементом цифровой камеры является ее матрица, которая, собственно, и фиксирует изображение в цифровой камере. Отметим, что также в техническом описании цифровых камер часто употребляется и термин сенсор, обозначающий то же, что и матрица. Матрица состоит из массива светочувствительных ячеек, и именно от нее зависит качество изображения, полученного с помощью цифровой камеры.

Существует два основных типа матриц: CCD (ПЗС матрицы) и CMOS (КМОП матрицы), отличающиеся по применяемой технологии. И если на рынке фотоаппаратов наиболее распространены цифровые камеры с ПЗС матрицей, то большинство моделей цифровых камер для телескопов и микроскопов имеют именно КМОП матрицу.

Чем же отличается ПЗС матрица от КМОП матрицы? Основным их отличием является то, что в ПЗС матрицах информация из ячеек считывается последовательно, в то время как в КМОП матрицах информация считывается индивидуально из каждой отдельной ячейки. По этой причине в ПЗС матрицах Вы не можете сделать следующий снимок до тех пор, пока не будет целиком сформирован предыдущий. Что же касается КМОП матриц, то благодаря применяемой технологии их можно использовать не только для фотосъемки, но и для экспонометрии и работы автофокуса. Помимо этого, КМОП матрицы гораздо дешевле в производстве, и поэтому доступнее для многих пользователей. Еще одно немаловажное преимущество КМОП матриц над ПЗС матрицами – потребление меньшего количества энергии.

Первым делом при выборе цифровой камеры мы рекомендуем Вам обратить внимание на размер матрицы. Физическим размером матрицы называется ее геометрический размер, т.е. длина и ширина матрицы, выраженные в мм. Физический размер матрицы определяет ее качество. Узнать значение этого параметра можно из ее технического описания, хотя, как правило, размеры фотосенсоров производители указывают не в мм, а введя специальное обозначение типа матрицы в виде дробных частей дюйма, например: 1/4″, 1/3″, 1/2.5″, 1/2″ и пр. Сравнивая различные цифровые камеры, Вы должны понимать, что размер матрицы больше у той цифровой камеры, у которой знаменатель в указанной дроби будет меньше, т.е. сенсор 1/2″ будет больше сенсора 1/3″.

Какая же связь между физическим размером матрицы, указанным в мм и типом матрицы, выраженном в 1/дюйм? Отметим, что введенное обозначение типа матрицы выражает не размер ее диагонали, а внешний размер колбы передающей трубки. Обратите внимание на то, что не существует конкретной математической формулы, четко выражающей взаимосвязь между устоявшимся обозначением типа матрицы, выраженного в 1/дюйм, и самим физическим размером диагонали матрицы в мм. Тем не менее, в грубом приближении принято считать, что диагональ сенсора равна двум третям его типоразмера.

Размеры в мм

Тип матрицы

4.5х3.4

1/3.2″

5.4х4.0

1/2.7″

5.8×4.3

1/2.5″

6.2×4.6

1/2.3″

7.2×5.3

1/1.8″

Вполне целесообразно задать вопрос, а на что же влияет размер матрицы? Прежде всего, сколь иронично это бы не звучало, размер матрицы цифровой камеры влияет на ее стоимость и вес.

Помимо этого, как мы уже отмечали ранее, размер сенсора влияет на качество полученных фотоснимков и видеороликов. Во-первых, от размера сенсора зависит количество цифрового шума, который передается на светочувствительные элементы матрицы вместе с основным сигналом.

Из-за цифрового шума полученные снимки получают неестественный вид, в связи с чем возникает такое ощущение, что сверху на снимок наложена маска из точек различного цвета и яркости.

Причинами возникновения шумов могут быть дефекты в структуре сенсора, токи утечки (заряд может пробивать изоляцию и переходить с одного пикселя на другой), нагрева матрицы (так называемый тепловой шум, когда при повышении температуры на 6-8 градусов шум увеличивается в 2 раза) и пр.

Конечно же, нужно понимать, что абсолютно бессмысленно рассматривать показатель шума отдельно – важно соотношение сигнал / шум.

Итак, на количество шумов главным образом влияет физический размер матрицы, а также размер пикселя. Чем больше физический размер сенсора цифровой камеры, тем больше его площадь и, соответственно тем больше света попадает на него.  А, следовательно, полезный сигнал матрицы будет сильнее и, значит, мы получим лучшее соотношение сигнал / шум, что обеспечит более яркое и качественное изображение с более правильной и естественной цветопередачей.

Помимо этого, отметим, что слой изоляции, разделяющий пиксели друг от друга, будет толще для пикселей большого размера. Разумеется, что чем толще слой изоляции, тем меньше зарядов смогут пробить ее. Следовательно, токов утечки будет тоже меньше, что соответственно приведет и к уменьшению шумов.

В качестве примера предлагаем Вам представить матрицу определенного размера. Предположим, что на одной такой матрице 3000 пикселей (3 Мпикс), а на второй такой же матрице расположено 5000 (5 Мпикс). А теперь представьте толщину изоляции пикселей для первого и для второго случая!

Еще раз отметим, что чем меньше матрица, тем меньшее количество света на нее попадает. В таком случае Вы получаете слабый полезный сигнал, который приходится усиливать. А с усилением полезного сигнала естественно усиливаются и становятся более заметными шумы.

В заключение еще раз повторим, что чем больше физический размер матрицы, тем большее количество света на нее попадает, а значит, тем более качественно изображение Вы получите.

Автор статьи: Галина Цехмистро

Эксперт Sony Александр Бахтурин делает обзор матриц. Часть 2

Александр Бахтурин

Преподаватель отдела маркетинга, эксперт компании Sony

Продолжение материала. Начало (часть 1) читайте здесь.

Помню, как сквозь шесть-восемь рядов людей, окружавших в первый день фотовыставки стенд Canon весной 2002 года, прорывались к стендистам два седых профессора-физика: «Ребята, в новых каталогах везде ошибка! Там написано, что сенсор «комоп», а этого не может быть, там же «пэ-зэ-эс»! Передайте японцам, у вас где-то неправильно перевели и теперь все повторяют ошибку! ПЗС — это сенсор цифровых камер, а КМОП — это так, ячейка врЕменной памяти, она не способна фиксировать заряд!» — «Уважаемые, это не ошибка, это действительно так, но осталось одно название КМОП, а внутри — всё изменено и работает по-другому». — «Да вы с кем, сопляки, разговариваете! Да нам лучше знать, что и как может работать! Вы ошиблись, вы необразованные пентюхи! Немедленно зовите главного японца!» Слава Богу, что рядом были два выпускника физфака — из МГУ и МИРЭА. Но воплей было ещё на час.

 

КМОП/CMOS

CMOS — complementary metal-oxide-semiconductor — переводится, как комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, то есть с дополняющими друг друга полупроводниками. Накапливаемый заряд считывается с каждого пикселя индивидуально. Изначально в 1963 году КМОП-матрицу придумал Фрэнк Вонлас из компании Fairchild, но длительное время развивавшаяся технология ПЗС «отбивала желание» думать в этом направлении.

Отсюда удивление многих фотографов тем, что в современных цифровых камерах сенсор может быть не закрыт от света затвором, например, при смене оптики. Зато у него появляется множество дополнительных возможностей. Недостаток в изначальной медленности процессов, сложности производства, в окружённости фотодатчика огромным количеством управляющих элементов.

Только когда к 1990 году стало ясно, что при больших сенсОрных массивах происходит рассеивание энергии заряда, а перегревом микросхемы стало трудно управлять, технология КМОП «всплыла» в поле зрения исследователей. С проблемой защищённости от статического заряда справились не сразу.

Приведу такое сравнение. ПЗС-матрица подобна площади, заставленной чашками, в которые падают дождевые капли; накопившаяся влага переливается линейно в соседние чашки. И так она достигает самого края площади, где все собирается в большой емкости, где и взвешивается. КМОП-сенсор не собирает воду, а сразу пропускает в трубку, в которой стоит турбина, скорость вращения которой и сообщает о количестве воды.

В начале 2000-х годов совершенно неожиданно появилось немалое количество фотоохотников за «дУхами и призраками», которые неожиданно возникали на снимках. На изображении появлялись «из ниоткуда» посторонние полупрозрачные предметы, что-то смутно напоминающие. Или вдруг жаждущий консультации заявлял, что желает «фотографировать объекты в ультрафиолете» — в действительности он искал метод съёмки «потустороннего». Но образования не хватает, и он называет инфракрасную съёмку … ультрафиолетовой.

Было замечено, что любая «грязь» — это пыль, тонкослойные жировые покрытия, влага на поверхности передней линзы объектива, и все это моментально вызывает усиленное образование «артефактов». Я едва не стал «иконой стиля» в подобной мистической съёмке, применив на деле простые методы из арсенала портретной и научной фотографии: тонкие стёкла, плёнки и полупропускающие зеркала. Конечно, тут же разоблачил сам себя и вызвал волну недовольства… На самом деле, для основной массы фотографов причин было три: неумение фотографировать; использование дешёвой, непросветлённой и плохо чернёной оптики без защитных светофильтров в контровом и боковом свете; и основная — несовершенство тогдашних сенсоров и процессоров дешёвых цифровых фотокамер.

При получении «ghosts» на фотоплёнке последняя причина (несовершенство тогдашних сенсоров и процессоров…) заменялась уймой оптических и «химических» проблем при фотопечати. Сенсор бликовал сам по себе, ослеплялся переотражениями от плохого объектива, сдваивал и страивал сигнал. Первые простые CMOS не были защищены от статического электричества, и возникали подобия наложений перевёрнутых элементов изображения, когда они неожиданно из буфера ещё раз (!) сбрасывались в процессор. К тому же и программное обеспечение процессора не было совершенным.

Субмикронная фотолитография, замена кремниевой подложки на алюминиевую, а затем медную, реализация в 1993 году фототранзисторной технологии Active Pixel Sensors с усилителями сигналов, изобретение компанией Sony технологии Exmor в 2008 году — все это сделало КМОП основой современной цифровой фотографии.

Внутри каждого пикселя, под сенсорной поверхностью, расположен усилитель сигнала, ряд преобразователей и ускорителей, передающих уже цифровой сигнал в процессор. При этом важнейшая особенность КМОП — это возможность одновременного полнокадрового прогрессивного считывания всей информации. Считывание не нуждается в накоплении заряда «от соседей», и происходит индивидуально, что открыло возможности зонального считывания, зонального подавления шумов и прочего. Информация собирается в картинку в процессоре.

Теперь, когда при ручной фокусировке мы видим увеличенную в 8-10 раз запрошенную зону изображения, остальные при этом не читаются. Цепочки усиления, буферы и делители позволяют получить сигнал, достаточный для выполнения в каждом пикселе или группе ряда аналитических задач: экспонометрии, баланса белого, фазовой и контрастностной фокусировки.

 

Структура матрицы Sony Exmor

Матрицы Exmor, производство которых компания Sony начала в 2007 году, позволили построить слоистые оптимизированные структуры, но имели лишние поддерживающие элементы и проводники перед ячейкой (такие назывались front light). В 2009 году вышла матрица BSI-Exmor-RS с «задней подсветкой», её «рабочий отрезок» от микролинзы до пикселя уменьшен втрое, ходу луча света ничто не препятствует, а расстояние до «соседа» отсутствует — даже микролинзы плавно переходят друг в друга. Все вспомогательные и управляющие структуры каждого пикселя убраны в нижние слои, уже из 5 или 7.

Стало возможным увеличить диаметр датчика. Чувствительность и динамический диапазон обогнали ПЗС. А нагрев? Поскольку аналоговый сигнал тут же преобразуется в каждом пикселе в цифровой, нагрев отсутствует. Кроме того, как отмечалось выше, основное время КМОП сенсор ждёт, а значит, охлаждается, чему способствует металлическая подложка.

Современные CMOS-сенсоры, в отличие от CCD, построены по слоёной схеме и похожи на этажерку.

Сверху – антимуаровый фильтр. Возможно, вскоре он будет встроен в микролинзу и станет отключаемым произвольно или по команде процессора.

Под антимуаровым фильтром расположены микролинзы переменной формы.

Еще ниже — сам фотодиод. В зависимости от положения (чем ближе к краю или углу), тем более он сдвигается от оси микролинзы в ту точку, в которую упадёт сфокусированный луч.

Под чувствительной поверхностью расположен модуль, который компания Sony называет DRAM. Это пять (у телефонов с BCI-CMOS – меньше) этажей из аналогово-цифрового преобразователя, буфера, системы сжатия и цепочки ускорителей (3-20 раз) передачи информационных пакетов по шине данных в LSI – линейный системный интегратор, расположенный перед процессором Sony BIONZ. Ниже — медная и кремниевая подложки сенсора.

Линейный системный интегратор разбирает информацию «по полочкам». В один канал уходит изобразительная информация, в другие два — данные фазового и контрастностного сигнала фокусировки, в следующий — экспозиционная информация, ещё в один — о цвете и его балансе. Эти потоки вливаются в процессор для обработки, почти моментальной. LSI — единственный элемент системы, который греется и нуждается в охлаждении с помощью теплорассеивающей рамы фотоаппарата.

 

Основные типы CMOS-сенсоров Sony

В результате развития технологии выделилось два типа КМОП-сенсора — с большим количеством мегапикселей (при этом их диаметр мал) и с малой «мегапиксельностью». В первом случае камера создаёт огромный файл, который можно обрабатывать и кадрировать (бывали случаи успешной обработки 1/35 площади малоформатного кадра), и останется достаточно для печати выставочного отпечатка. Во втором случае файл меньше, но пиксели настолько огромные и чувствительные, что динамический диапазон оказывается огромным и позволяет снимать при явных дисбалансах яркости или серьёзном недостатке света. Последние хороши для видосъёмки. Собственно, для неё и создавались.

Произошла ещё одна интересная конверсия: видеосенсор, использовавшийся научным подразделением Sony для непрерывной видеофиксации физических процессов в пузырьковой камере ускорителей элементарных частиц был доработан и превращён в великолепный однодюймовый сенсор для компактных и спортивных камер Sony серии RX!

 

МОС/Live-MOS

Сенсоры, разработанные компанией Matsushita, применяются в камерах Panasonic и Olympus. Гениальная оптимизация ПЗС позволила уменьшить потери электронов при регистровой передаче. Появилась возможность прогрессивного сканирования изображения, но сигнал от сенсора в процессор идёт аналоговый. Подобные сенсоры очень хороши для видеосъёмки.

 

Квантовые точки/QuantumFilm

Это — технология будущего. В отличие от огромного (в понятиях микромира) размера современного сенсора, квантовая точка близка к размерам атома. Из них в стеклоподобном носителе собираются градиентные многослойные наноплёнки. Каждая точка — это помещённый в полупроводнике кристалл хлорида меди или вообще только двумерный «электронный газ». Квантовая точка может как поглощать (технология QDSC), так и излучать (QD-LED) фотоны.

 

Продолжение материала (часть 3) читайте здесь.

По каким параметрам выбрать фотоаппарат

Какой купить фотоаппарат? Какой выбрать фотоаппарат? Профессиональный или любительский?

Разница в качестве снимков получаемых на профессиональные камеры и на любительские огромна. Что бы понять этот феномен нужно разобраться с терминами. Итак: профессиональная камера это любая камера, которую держит в руках профессионал, любительская камера это любая камера которую держит в руках любитель.

Основные правила помогающие выбрать фотоаппарат

  • определенные особенности технической спецификации устройства
  • основное назначение фотоаппарата (что, где когда и где будет сниматься)
  • степень знания техники фотосъемки
  • количество имеющихся денег (цена тушки и парка объективов)
  • наличие ранее купленных объективов и аксессуаров фототехники
  • личные эстетические предпочтения.

Основные технические характеристики фотоаппарата учитываемые при его покупке

Тип крепления объектива

Байонет — тип крепления сменного объектива, который можно использовать с данной моделью фотоаппарата.
На фотоаппарат со сменным объективом можно устанавливать только те объективы, которые специально предназначены для данной модели. Это связано с разными типами байонета, а также с разной электронной «начинкой» объективов. Как правило, каждый крупный производитель фотоаппаратов разрабатывает свой стандарт сменных объективов, который не совместим со стандартами других производителей.
Если у вас уже имеется набор объективов для фотоаппарата, то при выборе новой модели можно подобрать именно ту, которая будет совместима с ними.

Тип матрицы фотоаппарата

Тип фоточувствительной матрицы, установленной в цифровой камере может быть разным по применяемой технологии, которая напрямую влияет на её характеристики, а также на особенности получаемого изображения.

Матрица фотоаппарата представляет собой массив фоточувствительных элементов (пикселей). С помощью объектива на матрице создается изображение снимаемого объекта. Во время экспозиции (фотосъемки) каждый пиксел накапливает электрический заряд, пропорциональный попавшему на него количеству света. После съемки с каждого фотоэлемента считывается сигнал, переводится в цифру и обрабатывается процессором.

В фотоаппаратах обычно используется один из следующих типов матрицы классифицируемых по применяемой технологии: CCD, CMOS, X-Trans CMOS, BSI CMOS, EXR CMOS и Live MOS. В CCD (Charge-Coupled Device, или ПЗС — прибор с зарядовой связью) при считывании сигнала накопленный заряд сдвигается от одного элемента матрицы к другому, образуя на выходе готовую строку изображения или целый кадр.

  • CMOS (Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor), или КМОП-матрица (КМОП — комплементарный металлооксидный полупроводник), состоит из отдельных фотоэлементов и управляющих транзисторов, изготовленных по КМОП-технологии. Транзисторы управляют работой фотодатчика и обеспечивают считывание сигнала.
  • X-Trans CMOS — разработка FUJIFILM совместно с Adobe Systems Incorporated. Обработка фотографий в формате RAW с камер, оснащенных матрицей такого типа, в ПО от Adobe позволяет более эффективно бороться с муаром и корректировать цвета на фотографиях.
  • X-Trans CMOS II — новая версия матрицы от FUJIFILM. Благодаря технологиям, использованным при создании данного типа матриц, увеличена скорость фазовой фокусировки, а также еще уменьшен эффект муара.
  • Матрицы BSI CMOS (Back Side Illuminated CMOS — сенсор с обратной подсветкой) отличаются от обычных CMOS повышенной светочувствительностью, что позволяет значительно уменьшить количество визуальных шумов при съемке в условиях плохого освещения. Достигается это благодаря тому, что обратная сторона матрицы пропускает больше света, поэтому сенсор как бы устанавливают вверх тормашками.
  • EXR CMOS — разработка компании Fujifilm. В матрицах такого типа пиксели расположены в отличной от других типов матриц последовательности. Благодаря этому, матрица EXR CMOS может переключать режимы работы в зависимости от условий и требований съемки. Существует три основных режима. HD (высокое разрешение) — используются все пиксели матрицы, достигается максимальное разрешение и четкость. DR (широкий динамический диапазон) — часть пикселей делает снимок с одной экспозицией, часть — с другой, благодаря чему достигается эффект HDR всего с одним снимком (обычно требуется два-три), но разрешение снижается. SN (высокая чувствительность) — пиксели объединяются в пары, благодаря чему улучшается работа матрицы при недостаточном освещении, но также снижается разрешение.
  • Live MOS матрица — светочувствительная матрица, выполненная на основе МОП технологии. Live MOS содержит меньшее число соединений для каждого элемента и питается меньшим напряжением. За счёт этого и упрощённой передачи управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Формат (размер) матрицы

Физический размер матрицы имеет прямую связь с форматом. Большинство фотоаппаратов средней ценовой категории и выше имеют матрицу определенного формата: 1″, 4/3 (Four Thirds), APS-C, APS-H, Foveon, Full frame (35мм) или среднеформатную. Если фомат матрицы не указан, то, как правило, речь идет о бюджетном фотоаппарате с нестандартным размером матрицы. Обратите внимание, что размеры одного формата сенсора могут незначительно изменяться от производителя к производителю.

  • 1″ (Nikon CX) — относительно небольшая по физическим размерам матрица (13.2×8.8 мм). Устанавливается в компактные камеры Nikon, Sony и Samsung. Кроп-фактор — 2.72.
  • APS-C — очень популярный формат матрицы. Размеры сенсора для всех производителей (кроме Canon) — 23.6×15.6 мм. Компания Canon использует матрицы меньшего размера — 22.3×14.9 мм.
  • APS-H — формат используется компанией Canon в некоторых топовых зеркальных камерах и имеет размеры 27.9×18.6 мм.
  • 4/3 (Four Thirds) — популярный формат матрицы для беззеркальных фотоаппаратов типа Four Thirds и Micro Four Thirds («4/3», «m4/3»). Размеры сенсора — 17.3×13 мм, кроп-фактор — 2.0.
  • Foveon — формат используется только в фотоаппаратах компании Sigma. Размеры сенсора — 20.7×13.8 мм.
  • Full frame (35мм) — полнокадровый сенсор. Часто встречается в топовых зеркальных камерах, размеры сенсора примерно равны 36×24мм.
  • Среднеформатный — используется в профессиональной студийной фототехнике.

Число мегапикселей матрицы

Разрешение матрицы, выполняющей в цифровых камерах роль фотопленки, т.е. количество расположенных на ней светочувствительных элементов (пикселов, pixels).
Чем больше число пикселов матрицы, тем выше качество получаемых изображений.
От разрешения матрицы зависит максимальный размер, с которым может быть воспроизведено изображение без видимого ухудшения качества. Например, для вывода на принтер отпечатка формата 9×15 см достаточно 2х-3х-мегапиксельной матрицы (2-3 млн элементов), для отпечатка формата A4 нужна 3х-4х-мегапиксельная матрица.
Разрешение современных камер значительно превосходит требуемый минимум, а количество мегапикселов фотоматрицы увеличивается с каждым годом и достигает сегодня 15-20, и более. Увеличение разрешения при неизменном размере матрицы приводит к уменьшению размера пиксела. Это в свою очередь, увеличивает уровень шумов на фотографии. Так что гонка за мегапикселами не всегда идет на пользу качеству.

Кроп-фактор

Значение кроп-фактора цифрового фотоаппарата.
Коэфициент обрезки определяется как отношение диагоналей кадра 35-миллиметровой пленки (24×36 мм) и матрицы цифровой камеры.
Если сравнить два фотоаппарата — один с полнокадровым сенсором 24×36 мм и второй — с меньшим сенсором и кроп-фактором, большим единицы, — то при использовании одинаковых объективов у второго аппарата поле зрения будет меньше, чем у первого. Это объясняется простой геометрией. Поскольку угол зрения обычно оценивается по фокусному расстоянию объектива 35 мм камеры, для цифровых камер ввели понятие «эквивалентного фокусного расстояния». Оно равно произведению фокусного расстояния объектива на кроп-фактор. Эквивалентное фокусное расстояние по сути дела определяет угол зрения камеры.
Зная значение кроп-фактора для цифровых фотоаппаратов со сменным объективом, можно легко определить, какое эквивалентное фокусное расстояние (угол обзора) и эквивалентную диафрагму вы получите при установке того или иного объектива.
При выборе объективов также стоит обратить внимание на кроп-фактор. В продаже можно найти специальные объективы для работы с цифровыми камерами, у которых кроп-фактор больше единицы. Такие объективы нежелательно использовать с 35 мм камерами.
Для большинства цифровых зеркальных камер кроп-фактор лежит в пределах 1.3-2.0. Чем меньше значение кроп-фактора, тем больше размер фотоматрицы (см. «Физический размер матрицы») и тем больше площадь одного пикселя (при заданном разрешении матрицы), меньше уровень шумов.

Физический размер матрицы

Размер светочувствительной матрицы фотоаппарата определяет размер и площадь наименьшего светочувствительного элемента — пикселя. Чем больше площадь матрицы, тем больше площадь пикселя (при одинаковом разрешении матрицы, конечно). При увеличении площади пикселя увеличивается светочувствительность, и динамический диапазон матрицы, уменьшаются шумы. Увеличение размера матрицы, как правило, приводит к повышению ее стоимости, поэтому большие матрицы с большой диагональю используются только в профессиональной технике. Размер матриц для недорогих малогабаритных камер обычно указывается как условный диаметр передающей трубки, в которую матрица могла бы вписаться и измеряется в долях дюйма. Для больших матриц указывается размер по двум осям в миллиметрах.

Минимальная чувствительность ISO

Минимальная светочувствительность элементов матрицы цифрового фотоаппарата, указывается в единицах системы ISO.
Каждая светочувствительная матрица обладает определенными физическими характеристиками, которые определяют ее рабочий диапазон чувствительности. В этом диапазоне матрица передает картинку с минимальными искажениями и допустимым уровнем шума. Чем шире этот диапазон (больше максимальное и меньше минимальное значение чувствительности), тем больше возможностей для сюжетной съемки у цифрового фотоаппарата.

Максимальная чувствительность ISO

Максимальная светочувствительность элементов матрицы цифрового фотоаппарата.
Световая чувствительность представляет собой величину световой энергии, необходимую для получения изображения. Она указывается в единицах системы ISO и может принимать значения 100, 200, 400, 800 и т. п. по аналогии с фотопленкой, в определенном интервале. Чем выше число ISO, тем выше чувствительность. Фотограф в зависимости от условий съемки может выставить то или иное значение чувствительности. Чем шире диапазон чувствительности фотоматрицы, тем больше возможностей для съемки у фотоаппарата.
Съемки в условиях низкой освещенности, съемки быстродвижущихся объектов (спорт) требуют более высокой светочувствительности, чем съемка неподвижных объектов при солнечной погоде. Однако при увеличении чувствительности матрицы одновременно повышается зашумленность изображения (т. е. появляется большое количество точек на изображении, яркость или цвет которых существенно отличаются от усредненного цвета объекта).
Максимальная светочувствительность показывает, насколько может быть чувствительна фотоматрица.

Битовая

глубина цвета

Число бит, применяемых для представления цвета каждого пиксела изображения.
Цвет каждого пиксела кодируется определенным числом бит (bit), то есть элементарных единиц информации. В зависимости от того, сколько бит отведено для цвета каждого пиксела, возможно кодирование различного числа цветов. Таким образом, глубина цвета позволяет определить, какое максимальное количество цветов может быть реализовано в изображении. Например, если глубина цвета составляет 24 бит/пиксел, то потенциальное изображение может содержать до 16.8 млн различных цветов и оттенков. Очевидно, что чем больше цветов используется для электронного представления изображения, тем точнее информация о цвете каждой его точки (т.е. его цветопередача).
Для современных цифровых фотоаппаратов глубина цвета 24 бит/пиксел считается нормой. Если же необходима академическая точность в передаче цвета, то глубина цвета должна составлять не менее 30 бит/пиксел.

Стабилизация изображения (фотосъемка)

Тип стабилизатора изображения, используемого при фотосъемке.
Стабилизация изображения позволяет компенсировать дрожание рук при съемке и получить четкий несмазанный снимок. Эффект дрожания становится особенно заметен при фотографировании с большим увеличением (zoom) или с большой выдержкой. Стабилизаторы изображения бывают оптические и цифровые, также возможно их сочетание (двойной стабилизатор).
В оптическом стабилизаторе изображения для компенсации дрожания рук используется перемещение одного из элементов оптической системы фотоаппарата или сдвиг фотоматрицы (см. «Система стабилизатора»). Специальный датчик определяет сдвиг корпуса объектива. После этого происходит изменение в оптической схеме или сдвиг матрицы. Это компенсирует микросмещение фотоаппарата, и проецируемое на матрицу изображение остается неподвижным.
В режиме цифровой стабилизации автоматика камеры выставляет максимальное допустимое значение чувствительности фотоматрицы (ISO) для конкретных условий съемки. При этом значение выдержки автоматически уменьшается. Малое время выдержки делает возможным получение несмазанных снимков даже при небольших колебаниях фотоаппарата во время съемки.
Нужно отметить, что цифровой стабилизатор может помочь далеко не во всех случаях, поэтому для получения качественных снимков лучше ориентироваться на оптическую систему стабилизации.
Двойной стабилизатор изображения представляет собой комбинацию оптического и цифрового стабилизаторов.

Система стабилизации изображения

Конструкция механического стабилизатора изображения в цифровом фотоаппарате.
Стабилизация изображения позволяет компенсировать дрожание рук при съемке и получать четкое несмазанное изображение (см. «Стабилизатор изображения (фотосъемка)»).
Все современные системы механической стабилизации можно разделить на два типа. В первой системе для компенсации дрожания фотоаппарата используется подвижный элемент в объективе, а во втором — сдвиг фоточувствительной матрицы.
Стабилизация со сдвигом матрицы не вносит дополнительных искажений в получаемое изображение и не влияет на светосилу объектива. В зеркальных фотоаппаратах с такой системой стабилизации можно использовать любые объективы.
Стабилизатор изображения с активным элементом в объективе считается более эффективным за счет более высокой скорости работы.
Использование стабилизатора повышает энергопотребление камеры и может помешать фотосъемке (при съемке с «проводкой»). Стабилизатор не эффективен при съемке на больших фокусных расстояниях и длительных выдержках.

Максимальное расстояние действия вспышки

Максимальное расстояние, которое способна осветить встроенная фотовспышка для получения качественной фотографии.
Максимальное расстояние действия вспышки определяется мощностью излучателя вспышки, поэтому закономерно, что для суперкомпактных камер максимальная дальность встроенной фотовспышки будет меньше, чем у более габаритных фотоаппаратов.

Встроенная вспышка

Наличие в камере встроенной лампы-вспышки, которая включается одновременно с открытием затвора и освещает объект в момент съемки.
Вспышка позволяет фотографировать в условиях недостаточной освещенности, например, вечером, избежать отображения тени на лице и т.д.
Большинство современных моделей цифровых фотоаппаратов оснащено встроенной вспышкой. Встроенная вспышка может отсутствовать у очень компактных или бюджетных моделей, а также у некоторых моделей высокого класса, рассчитанных исключительно на работу с внешним освещением.

Синхроконтакт

Наличие на корпусе специального разъема (синхроконтакта) для подключения внешней вспышки.
С помощью этого разъема можно подключить нестандартную фотовспышку, которая несовместима с «горячим башмаком», установленным на фотоаппарате. Синхроконтакт часто используется для подключения внешней вспышки при съемке в студийных условиях.

Брекетинг вспышки

Наличие в фотоаппарате режима брекетинга вспышки.
Брекетинг фотовспышки — это автоматический режим серийной съемки, при котором мощность вспышки для каждого кадра изменяется на некоторую величину вверх или вниз от среднего значения. Среднее значение определяется автоматикой.
Такой режим съемки может использоваться в случаях, когда трудно определить точную экспозицию, а также для получения специальных эффектов.

Съемка 3D

Наличие системы двух объективов (иногда двух пар объективов и матриц), позволяющих производить съемку фото и видео с возможностью просмотра отснятого материала в 3D-формате. 3D-съемка также может быть реализована на программном уровне, то есть при помощи специального алгоритма, переводящего обычные фотографии в трехмерный формат.
Для получения объемного изображения необходимо записать два отдельных кадра (стереопара) с ракурсами для левого и правого глаза и показать каждый кадр для «своего» глаза.
Существует три наиболее распространенных метода демонстрации объемного изображения. Самый простой и недорогой в реализации — это цветовое кодирование изображений. Для получения эффекта необходимо использовать специальные анаглифные очки, в которых вместо стекол используются светофильтры (как правило для левого глаза — красный, а для правого синий). Стереопара кодируется в одну фотографию, в которой в красном канале изображена левого глаза, а в синем для правого. При просмотре каждый глаз видит изображение того цвета, которое соответствует цвету своей линзы. Недостатком такого метода является неполная цветопередача, а также дискомфорт при длительном просмотре изображений или видео.
Наиболее распространенный бытовой способ получения качественного объемного изображения — использование очков с жидкокристаллическими прерывателями. Для просмотра необходимо устройство воспроизведения или отображения, с поддержкой 3D. На экран попеременно выводятся изображения для левого и правого глаза, а синхронизированные очки в момент показа картинки для левого глаза закрывают правый и наоборот.
Также качественного эффекта можно добиться при использовании поляризационных очков. В данном случае в очках для каждого глаза используются различные поляризующие светофильтры (с вертикальной и горизонтальной поляризацией или с левой и правой круговой поляризацией). Изображение для каждого глаза выводится на отображающее устройство с соответствующей определенному глазу поляризацией.

Скорость неприрывной съемки

Скорость съемки в режиме серийной съемки. Подробнее про этот режим см. в разделе «Режим серийной съемки».
Скорость съемки определяется скоростью работы затвора и цифровой системой обработки изображения. Чем выше эта скорость, тем больше фотографий интересующего вас события вы успеете сделать.
У компактных цифровых фотоаппаратов скорость быстрой съемки обычно лежит в диапазоне 1 — 3 кадра в секунду. Профессиональные и полупрофессиональные цифровые зеркальные камеры способны снимать до 10 кадров в секунду, и более.
Обратите внимание, что при быстрой съемке производители фотоаппаратов применяют различные методики обработки снимков. Это значит, что качество таких снимков может отличаться от качества при обычной съемке.
Часто производители дают возможность изменять различные параметры быстрой съемки, что позволяет пользователю наиболее точно настроить съемку под конкретные задачи.

Максимальная серия снимков (RAW)

Максимальное количество снимков, которое можно сделать одной серией и сохранить в формате RAW.
Под серийной съемкой понимается возможность фотоаппарата делать несколько кадров подряд с минимальным интервалом (см. «Режим серийной съемки»). Максимальное число снимков в серии ограничивается работой электроники фотоаппарата.
Чем больше кадров в одной серии может сделать фотоаппарат, тем больше возможности у фотографа «поймать» интересное событие.
RAW — формат изображений, позволяющий сохранять необработанные данные о фотографии без сжатия или со сжатием без потерь. Максимальная серия снимков при сохранении изображения в формате JPEG обычно намного больше, чем тот же показатель для формата RAW. Поэтому, если вам требуется получить длинную серию, то выбирайте сохранение в формате JPEG.

Максимальная серия снимков (JPEG)

Максимальное количество снимков, которое можно сделать одной серией и сохранить в формате JPEG. Приводится значение, соответствующее максимальной скорости съемки (см. «Скорость быстрой съемки»).
Под серийной съемкой понимается возможность фотоаппарата делать несколько кадров подряд с минимальным интервалом (см. «Режим серийной съемки»).
Максимальное число снимков в серии ограничивается работой электроники фотоаппаратов.
Чем больше кадров в одной серии может сделать фотоаппарат, тем больше возможности у фотографа «поймать» интересное событие.
Отметим, что в некоторых фотоаппаратах пользователь может сам выбирать режимы быстрой съемки, выбирать длину серии и скорость съемки в пределах технических возможностей фотоаппарата.

Режим Time-lapse

Time-lapse — режим съемки, при котором кадры делаются через значительный промежуток времени (от нескольких секунд до десятков минут). При воспроизведении с нормальной частотой кадров такой ролик кажется ускоренным, охватывающим большой промежуток времени. Наиболее типичные сюжеты для такого режима съемки: распускающийся цветок и рассвет/закат, показанные за несколько секунд.

Время включения

Промежуток времени с момента нажатия на кнопку включения до момента, когда фотоаппарат будет полностью готов к работе.
Время включения варьируется от нескольких секунд у «медленных» камер до десятых долей секунд у «быстрых» аппаратов.

Число пикселов видоискателя

Разрешение электронного видоискателя фотоаппарата.
Видоискатель — это оптическое устройство, которое позволяет видеть то, что будет снято фотоаппаратом.
Электронный видоискатель представляет собой миниатюрный LCD-экранчик с линзой (окуляром), установленный внутри камеры. На нем отображается будущий кадр таким, каким его «видит» светочувствительная матрица через объектив камеры.
Чем больше разрешение ЖК-матрицы у видоискателя (и больше число пикселов), тем более подробное и детальное изображение увидит фотограф.

Размер LCD

Размер жидкокристаллического дисплея по диагонали. По сложившейся традиции он указывается в дюймах (1 дюйм = 2.54 см). Большинство камер имеют LCD-экран размером от 3 до 6 см. Чем больше размер ЖК-дисплея, тем удобнее просматривать сделанные фотографии и разбираться с многочисленными настройками фотоаппарата.

Число точек LCD

Число точек LCD-экрана. Чем оно выше, чем четче и качественнее получается изображение и соответственно, тем комфортнее работать с таким экраном. Для большинства цифровых фотоаппаратов число точек ЖК-дисплея лежит в диапазоне от 120000 до 921000.
Стоит учесть, что большинство производителей цифровых фотоаппаратов под «числом точек экрана» имеют ввиду не число пикселей, а число субпикселей. Для формирования одного пикселя обычно используется три субпикселя базовых цветов: красный, зеленый и синий. Поэтому, чтобы узнать реальное число пикселей экрана, нужно число его точек разделить на три.

Поворотный экран

Наличие у фотоаппарата поворотного экрана. Может поворачиваться как отдельно экран, так и вся задняя панель аппарата. Экран может поворачиваться вокруг своей оси на 90 градусов или же открываться в сторону, как у видеокамер.

Сенсорный экран

Наличие в цифровом фотоаппарате сенсорного (чувствительного к нажатию) жидкокристаллического экрана.
В большинстве аппаратов для выбора различных настроек используются отдельные кнопки, расположенные на задней панели около ЖК-экрана. В моделях с сенсорным экраном эти кнопки отсутствуют. Такой дисплей позволяет переключаться по меню камеры нажатием на определенные участки самого экрана. Это дает возможность увеличить экран и занять им практически всю заднюю панель фотоаппарата.
Использование сенсорного экрана делает интуитивно понятным управление и навигацию по многочисленным меню фотоаппарата.

Выдержка, мин

Минимальное значение выдержки затвора фотоаппарата.
Выдержка — время, в течение которого затвор фотоаппарата остается открытым и пропускает лучи света к светочувствительной матрице.
Наряду с диафрагмой этот параметр определяет количество света, попавшего на матрицу, и, соответственно, правильность экспозиции. Для хорошо освещенных объектов и для съемки движущихся объектов выдержка должна быть очень маленькой.
Чем меньше минимальное значение выдержки, тем больше возможностей для сюжетной съемки у цифрового фотоаппарата.

Выдержка, макс

Максимальное значение выдержки затвора фотоаппарата.
Выдержка — это время, в течение которого затвор фотоаппарата остается открытым для получения кадра.
Наряду с диафрагмой этот параметр определяет количество света, попавшего на светочувствительную поверхность (матрицу), и, соответственно, правильность экспозиции. Для ночной съемки или при большом F-числе (см. «Диафрагменное число (F), мин», «Диафрагменное число (F), макс») выдержка должна быть большой.
Диапазон возможных значений выдержки каждого фотоаппарата задан в соответствии с его техническим решением. Чем больше максимальное значение выдержки, тем больше возможностей для сюжетной съемки у цифрового фотоаппарата.

Выдержка для X-Sync

Минимальное значение выдержки, при которой затвор фотоаппарата полностью открывает кадр.
X-Sync — это режим работы с электронными фотовспышками, при котором сигнал для срабатывания вспышки подается точно в момент полного открытия затвора.
Механические затворы со шторками работают таким образом, что на очень коротких выдержках кадр не бывает полностью открыт, затвор открывает свету щель, которая «пробегает» по кадру. Так как время свечения вспышки меньше времени, на которое затвор открывает кадр, то короткий световой импульс вспышки осветит только ту часть кадра, над которой в момент срабатывания вспышки находилась щель затвора, то есть будет освещена только часть кадра.
Таким образом, снимать со вспышкой в режиме X-Sync на выдержках, меньших выдержки для X-Sync, не рекомендуется. Чем меньше это значение, тем шире диапазон выдержек для работы со вспышкой и больше возможностей у фотографа для реализации своих идей.

Замер экспозиции общий (Evaluative)

Работа системы замера экспозиции фотоаппарата в общем режиме.
Замер экспозиции — это вычисление необходимого количества света для получения качественного снимка. Замер производится фотоаппаратом перед каждым снимком, в результате чего вычисляются требуемые выдержка и диафрагма.
Существует несколько режимов замера экспозиции. Каждый из режимов лучше подходит для определенных условий съемки.
В режиме общего замера используется информация с нескольких датчиков. При вычислении экспозиции полученные данные сравниваются с базой типичных композиций кадра. После этого выбирается наилучшая экспозиция для определенного типа кадра.

Электронный дальномер

Наличие функции электронного дальномера.
Данная функция помогает при использовании ручной фокусировки. Принцип действия схож с дальномерными фотоаппаратами, но конкретная реализация и функциональность зависит от производителя устройства и модели.

Корректировка автофокуса

Функция коррекции автофокуса позволяет увеличить точность фокусировки путем ее тонкой настройки. Кроме этого, для наиболее популярных объективов в памяти камеры могут быть предустановленные настройки.

Тип автофокуса

Тип системы автофокуса фотоаппарата.
За время существования автофокуса было изобретено несколько типов автофокусировки. Все началось с активного автофокуса с помощью ультразвуковых волн, а потом и инфракрасных. Сегодня эти способы не используются — они уступили место пассивному автофокусу. Он, в свою очередь, может быть контрастным, фазовым или гибридным.
Контрастный автофокус распространен среди беззеркальных камер. Процессор камеры анализирует текущую картинку с матрицы и начинает двигать линзы в одну из двух возможных сторон. Если после сдвига линз картинка более контрастная (четкая), то движение линз продолжается до нахождения нужной фокусировки. Если изображение ухудшилось, то движение линз происходит в обратную сторону, опять же, до достижения нужной фокусировки. Сильной стороной контрастного автофокуса является точная фокусировка в темных и малоосвещенных сценах.
Фазовый автофокус наиболее часто применяется в зеркальных фотоаппаратах. Для его работы необходимы специальные датчики, которые могут находиться непосредственно в матрице фотоаппарата или отдельно. Датчики получают фрагменты светового потока от разных точек кадра с помощью зеркал. После этого датчик посчитает как надо сдвинуть линзы, чтобы получить четкое изображение. Когда два световых потока будут находиться друг от друга на определенном расстоянии, заданном конструкцией датчика, будет достигнут искомый фокус. Фазовой автофокус может похвастаться отличной скоростью фокусировки.
Гибридные системы автофокуса встречаются редко. Такой автофокус совмещает положительные стороны как контрастного, так и фазового автофокуса. Гибридная система внедряется как в беззеркальные, так и в зеркальные камеры. В зеркальных камерах она работает в режиме Live View.

Количество точек фокусировки

Современные камеры имеют различное количество линейных точек, по которым происходит фокусировка при съемке. За процесс фокусировки отвечает модуль фокусировки. Он фокусируется в тех зонах кадра, которые попадают в поле зрения точек. Количество таких точек у фотоаппарата влияет на точность вычисления нужного объекта фокусировки во время съемки и удобство при настройке ручного режима фокусировки.
Линейные точки могут быть горизонтальной и вертикальной ориентации. Эффективность их применения зависит во многом от фотографируемых объектов. Точки с горизонтальной ориентацией хорошо фокусируются на объектах с вертикальными линиями. Точки в вертикальной ориентации, в свою очередь, лучше фокусируются на объектах с горизонтальными линиями.

Микрофонный вход

При съемке видео одним из главных критериев является захват качественного звука. Силами встроенного в камеру микрофона достичь хорошего звучания на видео будет достаточно проблематично из-за присутствия посторонних шумов (ветер, гул аудитории). Для решения данной проблемы, производители фотоаппаратов оснащают свои модели разъемом для подключения внешнего микрофона, с которого и происходит запись звука.

Выход на наушники

Этот интерфейс можно использовать мониторинга звука через наушники во время видеозаписи. Обычно в качестве разъема применяется mini jack 3.5 mm.
Для получения качественного звука при записи видео рекомендуется использовать внешний микрофон и другие аксессуары.

Число уровней JPEG

Число возможных уровней сжатия изображений при их сохранении в формате JPEG. JPEG — самый распространенный формат записи, предусматривающий сжатие изображения с целью экономии памяти. Однако компактность изображений достигается за счет потери качества, так как формат JPEG при компрессии распознает некоторые данные как неважные и отбрасывает их в ходе сжатия. Чем выше степень сжатия изображений, тем больше фотографий может уместиться на карте памяти, но тем хуже будет их качество. Во многих фотоаппаратах степень сжатия, а следовательно, и качество изображений, можно контролировать. Варьируя уровни сжатия, можно сохранить либо больше фотографий, но более низкого качества, либо меньше фотографий, но их качество при этом будет выше.

Память — Memory Stick

Возможность использования в фотоаппарате сменных карт памяти формата Memory Stick.
Memory Stick — формат карт флэш-памяти, представленный компанией Sony, который используется в основном в цифровых фотоаппаратах этого производителя. На данный момент это один из наиболее дорогих из существующих носителей. Помимо стандарта Memory Stick, существуют другие разновидности: Memory Stick Pro, Memory Stick Duo.
Размеры Memory Stick составляют 50×21.5×2.8 мм.

Память — Memory Stick Duo

Возможность использования в фотоаппарате сменных карт памяти формата Memory Stick Duo.
Данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус у этой карты весьма компактный достаточно прочный. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространенного стандарта Memory Stick от той же Sony, но несовместим с ней разъемом и отличается малыми размерами (20х31х1.6 мм). Для того чтобы использовать карту Memory Stick Duo с устройством, имеющим слот Memory Stick, необходимо использовать специальный переходник.

Память — XQD

Возможность использования в фотоаппарате сменных карт памяти формата XQD.
Карты памяти были анонсированы в 2011 году, их главное отличие от других карт — высокая скорость передачи данных (до 125 Мб/с).
Карты этого стандарта имеют размеры 38.5 x 29.8 x 3.8 мм.

Максимальный объем карты памяти

Максимальный объем карты памяти, с которой может работать фотоаппарат.
Чем выше значение этого параметра, тем большего объема карту вы сможете использовать, следовательно, сможете записать на нее больше снимков и видеороликов. Если у вас уже есть подходящая по типу флэш-карта большой емкости, перед покупкой фотоаппарата следует убедиться, что выбранная модель поддерживает карты такого объема.

Интерфейс — видео

Наличие на камере композитного видеоинтерфейса.
Композитный интерфейс предназначен для передачи изображения на любое устройство отображения видеоинформации.
Видеовыход используется для просмотра фотографий и видеороликов через телевизор или для записи на видеомагнитофон.
Для передачи изображения с высоким разрешением на HDTV-устройства рекомендуется использовать HD-выход.

Интерфейс — Bluetooth

Возможность подключения фотоаппарата к компьютеру и другим устройствам через беспроводной интерфейс Bluetooth.
Технология Bluetooth использует радиосвязь малой дальности и позволяет установить высокоскоростное беспроводное соединение на расстоянии до 10 метров.
С помощью Bluetooth можно передавать файлы с фотоаппарата на компьютер, а также напрямую распечатать фотографии на специальном принтере, оснащенном Bluetooth-адаптером.

NFC

Поддержка технологии NFC.
NFC (Near Field Communication) — это технология беспроводной связи малого радиуса действия. NFC позволяет двум устройствам, находящимся недалеко друг от друга (на расстоянии не более 10 см), обмениваться данными.

Емкость аккумулятора

Емкость встроенного в фотоаппарата аккумулятора.
Более емкий аккумулятор дает возможность сделать больше фотоснимков без подзарядки.

Максимальное разрешение записи видеоролика
Максимальное разрешение записи видеоролика в камере с возможностью записи видео.
Чем выше разрешение ролика, тем более четкое и детальное видеоизображение можно получить. Функция записи видеоизображения на цифровом фотоаппарате не является основной, она служит скорее приятным дополнением к основным функциям.

Электронная стабилизация при видеосъемке

Наличие функции электронной стабилизации во время записи видеоролика.
При съемке видео колебания фотоаппарата приводят к дрожанию снятого изображения. Поскольку съемка в большинстве случаев происходит с рук, с этой проблемой вам придется сталкиваться довольно часто.
Функция электронной стабилизации реализуется через цифровую обработку изображения с помощью встроенного процессора. Для формирования кадра используется только часть изображения с фоточувствительной матрицы — из общего изображения вырезается видеокадр. При тряске отслеживается смещение изображения, и видеокадр соответственно перемещается вверх или вниз в пределах всего поля изображения с фотоматрицы для компенсации этого смещения. В результате записанное изображение (видеокадр) для зрителя остается неподвижным.
Использование стабилизации позволяет избавиться от неприятных эффектов далеко не во всех случаях.

Число кадров в секунду при 4K (3840×2160)

Максимальное число кадров в секунду при съемке видео разрешением 3840х2160 пикселов.
Частоты 25 и 50 кадров в секунду являются стандартными в странах с системами телевещания PAL и SECAM (Европа, Азия, Россия), в то время, как частоты 30 и 60 кадров в секунду распространены в странах со стандартом вещания NTSC (США, Канада, Мексика, Японии, Филиппинах и ряд стран Южной Америки).
Поддержка фотоаппаратом этих наборов частот может зависеть от страны, для которой фотоаппарат произведен. Многие фотоаппараты универсальны: независимо от региона, в них имеется одновременная поддержка частот 25/30 (50/60) кадров в секунду.

Запись видео в формате MOV

Возможность сохранять снятый видеоролик в формате MOV.
При описании стандартов для цифрового видео обычно используют два понятия — видеокодек и видеоконтейнер. Под кодеком подразумевают метод, с помощью которого производится сжатие видеоинформации, а под контейнером — расширение файла. От типа контейнера зависит то, какие программы смогут воспроизводить этот файл, от типа кодека — степень сжатия информации, качество изображения.
Формат (или контейнер) MOV был предложен компанией Apple. Для просмотра видеороликов в этом формате обычно используется программа QuickTime.

Запись видео в формате MP4

Возможность сохранять снятый видеоролик в формате AVI.
При описании стандартов для цифрового видео обычно используют два понятия -видеокодек и видеоконтейнер. Под кодеком подразумевают метод, с помощью которого производится сжатие видеоинформации, а под контейнером — расширение файла. От типа контейнера зависит то, какие программы смогут воспроизводить этот файл, от типа кодека — степень сжатия информации, качество изображения.
MP4 — формат мультимедийного контейнера, который может содержать аудио- и видеопотоки, а также другую информацию. Для сжатия видеоинфомации обычно используются кодеки из семейства MPEG-4.

Использование видеокодека MJPEG

Возможность сохранять снятый видеоролик, используя кодек MJPEG.
При описании стандартов для цифрового видео обычно используют два понятия — видеокодек и видеоконтейнер. Под кодеком подразумевают метод, с помощью которого производится сжатие видеоинформации, а под контейнером — расширение файла. От типа контейнера зависит то, какие программы смогут воспроизводить этот файл, от типа кодека — степень сжатия информации, качество изображения.
При работе кодека MJPEG (Motion JPEG) обработка каждого кадра происходит отдельно, и качество видео при этом не зависит от динамичности сцены. Но за это приходится платить значительно большим размером видеофайла.
Видео, созданное кодеком MJPEG, по сравнению с MPEG4 (см «Использование видеокодека MPEG4») намного лучше подходит для последующего монтажа, так как кадры не зависят друг от друга и вставлять (или вырезать) фрагменты видео можно начиная с любого кадра.

Съемка HDR

Съемка фотографий с эффектом HDR позволяет создавать качественные фотографии в сложных условиях освещения, когда в кадре есть как ярко освещенные участки, так и затемненные объекты. Для наиболее качественного создания данного эффекта фотоаппарат автоматически делает 2-3 кадра с разными настройками и склеивает их в один.

Датчик ориентации

Наличие в цифровом фотоаппарате специального датчика, который определяет ориентацию камеры (горизонтальная или вертикальная) во время съемки.
Благодаря этому датчику появляется возможность автоматически перевернуть фотоизображения и видеоролики, снятые в вертикальном положении, при их воспроизведении на экране телевизора или при передаче в компьютер. В последнем случае потребуется специальное программное обеспечение, поставляемое вместе с камерой.
Помимо этого, информация о положении камеры используется автоматикой при определении экспозиции и баланса белого.

Морозостойкость

Наличие защиты от низких температур у фотоаппарата.
Некоторые цифровые фотоаппараты оснащены защитой от воздействия низких температур. Такие модели подойдут для работы в плохую погоду.

Пылезащита

Наличие защиты от пыли существенно влияет на выбор фотоаппарата.
Некоторые цифровые фотоаппараты оснащены защитой от воздействия пыли. Такие модели подойдут для работы в плохую погоду.

Влагонепроницаемый корпус

Наличие влагонепроницаемого корпуса у цифрового фотоаппарата.
Влагонепроницаемый корпус часто имеют зеркальные камеры. Некоторые модели с влагонепроницаемым корпусом допускают кратковременное погружение в воду.

Вес камеры и объектива иногда ведущий фактор при выборе фотоаппарата.
Цифровой фотоаппарат — достаточно мобильное устройство: его берут с собой на отдых, часто носят с собой, поэтому при выборе его габариты и вес далеко не на последнем месте.
По размеру фотоаппарата можно условно разделить на несколько категорий:
— сверхкомпактные аппараты весом до 200 г. Технические характеристики у таких фотоаппаратов не самые впечатляющие, зато они свободно помещаются в женской сумочке или в нагрудном кармане рубашки;
— компактные фотоаппараты, самые распространенные, их вес — до 300 г. Они обладают более высокими техническими возможностями по сравнению со сверхкомпактными аппаратами и при этом вполне удобны для транспортировки;
— продвинутые, или полупрофессиональные, камеры весом в 400-600 г. Снабжены светосильной оптикой, возможностью устанавливать внешнюю вспышку, ручными настройками режимов съемки;
— профессиональные зеркальные фотоаппараты, вес которых от 600 г и выше. Оснащаются съемными объективами, корпус камеры обычно изготовлен из металла, обладают наибольшим спектром технических характеристик.

В Троицке открылся Центр гибкой электроники / Новости города / Сайт Москвы

На территории нанотехнологического центра «Техноспарк» в Троицке построили Центр гибкой электроники. В его открытии принял участие Сергей Собянин.

Площадь здания составляет более четырех тысяч квадратных метров. Размер площади, предназначенной для размещения чистых производственных помещений, составляет 2,2 тысячи квадратных метров.

В 2019 году в центре завершилась поставка инженерных систем. Чистые производственные помещения аттестованы по стандарту ИСО5 (класс 100) для основного производственного участка и по стандарту ИСО7 (класс 10000) для участка финальной сборки дисплеев. Выпущена пилотная партия электрофоретических дисплеев.

«В Центре гибкой электроники будут производить продукцию, которую можно использовать в самых разных областях. Она применима как в создании бытовых приборов, так и в производстве медицинской техники, — рассказал руководитель Департамента предпринимательства и инновационного развития Алексей Фурсин. — Правительство Москвы предоставило нанотехнологическому центру “Техноспарк” субсидию на возмещение затрат, связанных с созданием центра».

Основной продукт центра — тонкопленочные транзисторные материалы, на основе которых по модели контрактного производства могут быть спроектированы, поставлены на производство и серийно выпущены такие устройства как дисплеи, сенсоры (рентгеновского излучения, биометрические, давления, температуры) и метки радиочастотной идентификации.

Разрабатываемый тип и дизайн дисплея соответствуют формату миниатюрных дисплеев. Он направлен на решение задачи интеграции дисплеев в новые типы разрабатываемых пластиковых смарт карт и документов. Размеры прототипа дисплея совпадают с типичными размерами банковских карт, транспортных карт и других.

Дисплеи могут применяться, например, в сегменте VIP кредитных карт. Кроме того, их можно использовать в качестве ценников в торговых и аптечных сетях, экранов для пультов управления электронными приборами, элементов носимой электроники.

Получить дополнительную информацию вы можете в пресс-службе Департамента предпринимательства и инновационного развития города Москвы по электронному адресу: [email protected]

Матрица типа mos или cmos. Сравнение матриц видеокамер и фотоаппаратов (CMOS, CCD). Сильные и слабые стороны камеры CCD

CCD — это устройство с зарядовой связью (CCD — это устройство с обратной связью по зарядке). Этот тип матрицы изначально считался более качественным, но при этом более дорогим и энергоемким. Если вкратце изложить основной принцип работы ПЗС-матрицы, то в аналоговом варианте соберут всю картинку, а уже потом оцифровывают.

В отличие от матриц CCD, матрицы CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник, дополнительная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, CMOS) оцифровывают каждый пиксель на месте. КМОП-матрицы изначально были менее энергозатратными и дешевыми, особенно при производстве матриц большого размера, но по качеству уступали ПЗС-матрицам.

Преимущества матриц ПЗС включают:
  • Низкий уровень шума.
  • Высокая степень заполнения пикселей (около 100%).
  • Высокая эффективность (отношение количества зарегистрированных фотонов к их общему количеству, попадающему на светочувствительную область матрицы, составляет 95% для ПЗС).
  • Высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам ПЗС-матриц можно отнести:
  • Сложный принцип считывания сигналов, а значит и технология.
  • Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
  • Дороже в производстве.
Преимущества матриц CMOS:
  • Высокая скорость (до 500 кадров / с).
  • Низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD).
  • Дешевле и проще в производстве.
  • Перспективы техники (на одном кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получая при этом полноценную цифровую камеру на одной микросхеме. Кстати, с 2002 года они вместе работают над подобным устройством Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS-матриц можно отнести
  • Низкий коэффициент заполнения пикселей, снижающий чувствительность (эффективная поверхность пикселей ~ 75%, остальное — транзисторы).
  • Из-за высокого уровня шума (вызванного так называемыми темповыми токами — даже при отсутствии освещения через фотодиод протекает довольно значительный ток) борьба с этим усложняет и удорожает технологию.
  • Низкий динамический диапазон.
Введение в датчики изображения

Когда изображение захватывается объективом видеокамеры, свет проходит через объектив и попадает на датчик изображения. Датчик изображения или матрица состоит из множества элементов, также называемых пикселями, которые регистрируют количество падающего на них света.Результирующее количество света преобразуется в пиксели с помощью соответствующего количества электронов. Чем больше света падает на пиксель, тем больше электронов он генерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем преобразуются в числа в соответствии со значениями АЦП (аналого-цифровой преобразователь, аналого-цифровой преобразователь). Сигнал, состоящий из таких чисел, обрабатывается электронными схемами внутри видеокамеры.

В настоящее время существуют две основные технологии, которые могут быть использованы для создания датчика изображения в камере: CCD (устройство с зарядовой связью, CCD — устройство с зарядовой связью) и CMOS (дополнительный металл-оксидный полупроводник, CMOS — дополнительный оксид металла. полупроводник).Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. На изображении ниже показаны датчики изображения CCD (вверху) и CMOS (внизу).

Цветовая фильтрация . Как уже было описано выше, датчики изображения регистрируют количество падающего на них света от светлого до темного, но без информации о цвете. Поскольку датчики изображения CMOS и CCD «не видят цвета», перед каждым из датчиков помещается фильтр, который позволяет назначать цветовой тон каждому пикселю в датчике.Двумя основными методами регистрации цвета являются RGB (красный-жадный-синий, красный-зеленый-синий) и CMYG (голубой-пурпурный-желтый-зеленый, голубой-пурпурный-желтый-зеленый). Красный, зеленый и синий — основные цвета, различные комбинации которых могут составлять большинство цветов, воспринимаемых человеческим глазом.

Фильтр Байера (или массив Байера), состоящий из последовательных рядов красно-зеленого и сине-зеленого фильтров, является наиболее распространенным цветовым фильтром RGB (см. Рисунок 2). Фильтр Байера содержит вдвое больше зеленых «ячеек», потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому, чем к красному или синему.Это также означает, что при таком цветовом соотношении в фильтре человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в фильтре в равных пропорциях.

Другой способ фильтрации (или регистрации) цвета — использование дополнительных цветов — голубого, пурпурного и желтого. Фильтр дополнительных цветов обычно комбинируется с фильтром зеленого цвета в виде цветового фильтра CMYG (цветовой массив CMYG), как показано на рисунке 2 (справа). Цветовой фильтр CMYG обычно предлагает более высокий пиксельный сигнал, поскольку имеет более широкую спектральную полосу пропускания.Однако сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в окончательном изображении, а это влечет за собой дополнительную обработку и приводит к появлению шума. Следствием этого является уменьшение отношения сигнал / шум, поэтому системы CMYG, как правило, не очень хорошо передают цвета.

Цветовой фильтр CMYG обычно используется в датчиках чересстрочного изображения, тогда как системы RGB в основном используются в датчиках изображения с прогрессивной разверткой.

Светочувствительная матрица — важнейший элемент фотоаппарата.Именно она преобразует свет, падающий на нее через линзу, в электрические сигналы. Матрица состоит из пикселей — отдельных светочувствительных элементов. В современных матрицах общее количество светочувствительных элементов достигает 10 миллионов в любительских устройствах и 17 миллионов в профессиональных. Матрица N мегапикселей содержит N миллионов пикселей. Чем больше пикселей на матрице, тем детальнее фото.

Каждый светочувствительный элемент представляет собой конденсатор, заряжающийся под действием света.Конденсатор заряжен тем сильнее, чем ярче падает на него свет или чем дольше он находится на свету. Беда в том, что заряд конденсатора может изменяться не только под действием света, но и от теплового движения электронов в материале матрицы. В некоторых пикселях тепловых электронов больше, в некоторых — меньше. Результат — цифровой шум. Если взять, например, голубое небо, на снимке может показаться, что оно состоит из пикселей немного другого цвета, а снимок, сделанный с закрытым объективом, будет состоять не только из черных точек.Чем меньше геометрический размер матрицы при равном количестве мегапикселей, тем больше у нее шум, тем хуже качество изображения.

Для компактных цифровых устройств размер матрицы обычно указывается в долях и измеряется в дюймах. Интересно, что если вы попытаетесь вычислить эту дробь и преобразовать ее из дюймов в миллиметры, полученное значение не будет совпадать с реальными размерами матрицы. Это противоречие возникло исторически, когда аналогичным образом указывались размеры передающего телевизионного устройства (видикона).Для цифровых зеркальных фотоаппаратов размер матрицы либо напрямую указывается в миллиметрах, либо указывается как кроп-фактор, число, указывающее, во сколько раз этот размер меньше кадра стандартной пленки 24×36 мм.

Другой важной особенностью матриц является то, что матрица, имеющая N мегапикселей, на самом деле содержит N мегапикселей, и, кроме того, изображение с этой матрицы также состоит из N мегапикселей. Вы говорите, что в этом странного? И что странно, на изображении каждый пиксель состоит из трех цветов: красного, зеленого и синего.Казалось бы, на матрице каждый пиксель должен состоять из трех светочувствительных элементов, соответственно красного, зеленого и синего. Однако на самом деле это не так. Каждый пиксель состоит только из одного элемента. Откуда цвет? Фактически, каждый пиксель имеет фильтр, примененный таким образом, что каждый пиксель воспринимает только один из цветов. Фильтры чередуются — первый пиксель воспринимает только красный цвет, второй — только зеленый, третий — только синий. После считывания информации из матрицы цвет каждого пикселя вычисляется по цветам этого пикселя и его соседей.Конечно, этот метод немного искажает изображение, но алгоритм расчета цвета устроен так, что может искажаться цвет мелких деталей, но не их яркость. А для человеческого глаза, смотрящего на изображение, важнее яркость, чем цвет этих деталей, поэтому эти искажения практически незаметны. Эта структура называется паттерном Байера по имени инженера Kodak, который запатентовал эту структуру фильтра.

Большинство современных светочувствительных матриц, используемых в компактных цифровых фотоаппаратах, имеют два или три режима работы.Основной режим используется для фотографирования и позволяет считывать изображение с максимальным разрешением с матрицы. Этот режим требует отсутствия какой-либо засветки матрицы во время считывания кадра, что, в свою очередь, требует наличия механического затвора. Другой, скоростной режим позволяет считывать с матрицы полное изображение с частотой 30 раз в секунду, но с меньшим разрешением. Этот режим не требует механического затвора и используется для предварительного просмотра и для съемки видео.Третий режим позволяет читать изображение вдвое быстрее, но не на всю площадь матрицы. Этот режим используется для работы автофокусировки. Матрицы, используемые в цифровых зеркальных фотоаппаратах, не имеют скоростных режимов.

Но не все светочувствительные матрицы сконструированы таким образом. Sigma производит матрицы Foveon, в которых каждый пиксель действительно состоит из трех светочувствительных элементов. Эти матрицы имеют значительно меньше мегапикселей, чем их конкуренты, однако качество изображения с этих матриц практически не уступает их многомегапиксельным конкурентам.

Еще одна интересная особенность — матрицы Fuji SuperCCD. Пиксели в этих матрицах имеют шестиугольную форму и расположены в виде сот. С одной стороны, в этом случае повышается чувствительность за счет большей площади пикселя, а с другой стороны, используя специальный алгоритм интерполяции, можно получить лучшую детализацию изображения.

В данном случае интерполяция действительно позволяет улучшить детализацию изображения, в отличие от устройств других производителей, где изображение интерполируется с матрицы, имеющей обычное расположение пикселей.Принципиальное различие между этими матрицами состоит в том, что расстояние между пикселями вдвое меньше, чем у самих пикселей. Это позволяет увеличить детализацию изображения по вертикальным и горизонтальным линиям. При этом у обычных матриц детализация по диагонали лучше, но на реальных снимках диагональные линии обычно меньше вертикальных или горизонтальных.

Интерполяция — алгоритм вычисления пропущенных значений из соседних значений. Если мы знаем, что в 8 а.м. Температура на улице была +16 градусов, а в 10 часов поднялась до +20, не сильно ошибемся, если предположим, что в 9 утра температура была около +18.

В ПЗС-датчике свет (заряд), падающий на пиксель датчика, передается от микросхемы через один выходной узел или только через несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и отправляются в виде аналогового сигнала. Затем этот сигнал суммируется и преобразуется в числа с помощью аналого-цифрового преобразователя вне датчика (см.рис.3).

Технология CCD была изобретена специально для использования в видеокамерах, а датчики CCD используются уже 30 лет. Традиционно ПЗС-сенсоры имеют ряд преимуществ перед КМОП-сенсорами, а именно лучшую светочувствительность и низкий уровень шума. Однако в последнее время различия едва заметны.

Недостатками ПЗС-сенсоров является то, что они являются аналоговыми компонентами, для которых требуется больше электроники «рядом» с сенсором, они более дороги в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем КМОП-сенсоры.Повышенное потребление энергии также может привести к повышению температуры в самой камере, что отрицательно сказывается не только на качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и на степень воздействия на окружающую среду.

ПЗС-сенсоры

также требуют более быстрой передачи данных, поскольку все данные проходят только через один или несколько выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, на которых показаны платы с датчиком CCD и датчиком CMOS соответственно.

На раннем этапе для отображения использовались обычные микросхемы CMOS, но качество изображения было плохим из-за низкой светочувствительности элементов CMOS.Современные КМОП-сенсоры производятся с использованием более специализированных технологий, что привело к быстрому повышению качества изображения и светочувствительности в последние годы.

КМОП-микросхемы

имеют ряд преимуществ. В отличие от ПЗС-сенсоров, КМОП-сенсоры содержат усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, поскольку он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый пиксель CMOS содержит электронные преобразователи. По сравнению с датчиками CCD, датчики CMOS обладают большей функциональностью и большими возможностями интеграции.Другие преимущества включают более быстрое считывание, более низкое энергопотребление, более высокую шумостойкость и меньший размер системы.

Однако наличие электронных схем внутри микросхемы приводит к риску возникновения более структурированного шума, например полос. Калибровка КМОП-сенсоров на производстве также сложнее, чем с ПЗС-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся КМОП-сенсоры.

В датчиках CMOS возможно считывание изображений с отдельных пикселей, что позволяет вам «окошко» изображение, т.е.е. считывать показания не всего датчика, а только его определенной области. Таким образом, можно получить более высокую частоту кадров от части датчика для последующей цифровой обработки PTZ (англ. Pan / tilt / zoom, pan / tilt / zoom). Кроме того, это позволяет передавать несколько видеопотоков с одного CMOS-сенсора, имитируя несколько «виртуальных камер»

HDTV и мегапиксельные камеры
Датчики

мегапикселей и телевидение высокой четкости позволяют цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые камеры видеонаблюдения, т.е.е. они предоставляют прекрасную возможность различать детали и идентифицировать людей и объекты — ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера имеет как минимум вдвое большее разрешение по сравнению с аналоговой камерой видеонаблюдения. Мегапиксельные датчики являются ключевыми точками в телевидении высокой четкости, мегапиксельных и многомегапиксельных камерах. И может использоваться для обеспечения чрезвычайно высокой детализации изображения и многопоточного видео.

Мегапиксельные КМОП-сенсоры более распространены и намного дешевле мегапиксельных ПЗС-сенсоров, несмотря на то, что существуют довольно дорогие КМОП-сенсоры.

Сложно изготовить быстродействующий мегапиксельный ПЗС-датчик, что, конечно, является недостатком, и поэтому сложно изготовить многомегапиксельную камеру с использованием технологии ПЗС.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру VGA-сенсорам с разрешением 640×480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем сенсор VGA, соответственно, размер каждого пикселя мегапиксельного сенсора меньше, чем размер пикселя сенсора VGA.Следствием этого является более низкая светочувствительность каждого пикселя мегапиксельного сенсора.

Так или иначе, прогресс не стоит на месте. Мегапиксельные сенсоры стремительно развиваются, и их светочувствительность постоянно увеличивается.

Основные отличия CMOS от CCD
КМОП-сенсоры

содержат усилители, аналого-цифровые преобразователи и часто микросхемы для дополнительной обработки, тогда как в камере с ПЗС-сенсором большинство функций обработки сигналов выполняется вне сенсора.CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии, чем CCD-сенсоры, а это означает, что внутри камеры можно поддерживать более низкие температуры. Повышенная температура датчиков CCD может увеличить помехи. С другой стороны, КМОП-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т. Д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконное» изображение и многопотоковое видео, что невозможно с CCD-сенсорами. ПЗС-датчики обычно имеют один аналого-цифровой преобразователь, тогда как в датчиках CMOS он есть у каждого пикселя. Более быстрое считывание CMOS-сенсоров позволяет использовать их при производстве многомегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности ПЗС- и КМОП-сенсоров.

Заключение
ПЗС- и КМОП-сенсоры

имеют различные преимущества и недостатки, но технологии быстро развиваются, и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том, выбрать ли камеру с сенсором CCD или с сенсором CMOS, становится несущественным. Этот выбор зависит только от требований клиента к качеству изображения системы видеонаблюдения.

Для преобразования светового потока в электронный сигнал, который затем преобразуется в цифровой код, записанный на карту памяти фотоаппарата.
Матрица состоит из пикселей, назначение каждого из которых — вывод электронного сигнала, соответствующего количеству попадающего в него света.
Разница в матрицах ПЗС и КМОП в методе преобразования получен из пиксельного сигнала. В случае ПЗС — последовательно и с минимумом шума, в случае КМОП — быстро и с меньшим энергопотреблением (а благодаря дополнительным схемам количество шума значительно снижается).
Впрочем, обо всем по порядку …

Есть матрицы CCD и CMOS

CCD — матрица

Устройство с зарядовой связью (CCD, по-английски — CCD) названо так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами — пиксель на пиксель и в конечном итоге вывод заряда с датчика .

Заряды сдвинуты по матрице строками сверху вниз.Таким образом, заряд перемещается по строкам сразу многих регистров (столбцов).
Перед тем, как покинуть датчик CCD, заряд каждого пикселя усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с другим напряжением (в зависимости от количества света, попадающего в пиксель). Перед обработкой этот сигнал отправляется на отдельный (вне микросхемы) аналого-цифровой преобразователь, и полученные цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строку изображения, полученного датчиком.

Поскольку ПЗС передает электрический заряд, который имеет низкое сопротивление и менее подвержен помехам от других электронных компонентов, результирующий сигнал обычно содержит минус различные шумы по сравнению с сигналом датчиков CMOS.

Матрица CMOS

IN Матрица CMOS (CMOS — комплементарный металл-оксидный полупроводник, по-английски — CMOS), устройство обработки — рядом с каждым пикселем (иногда крепится на самой матрице), тем самым повышая производительность Система .Также из-за отсутствия дополнительных устройств обработки отметим низкое энергопотребление CMOS — матрицы.

Некоторое представление о процессе чтения информации с матриц можно получить из следующего видео.

Технологии постоянно совершенствуются, и сегодня наличие CMOS-сенсора в фотоаппарате или видеокамере указывает на модель более высокого класса. Производители часто ориентируются на модели с CMOS-матрицами.
В последнее время стала популярной разработка CMOS-матрицы с размещением проводов сзади, которая показывает лучшие результаты при съемке в условиях низкой освещенности, а также имеет более низкий уровень шума.

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставить хотя бы лучший процессор для оцифровки видео — если на матрицу получится плохое изображение, оно не станет хорошим. Попробую популярно объяснить, на что следует обратить внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно смотреть на изображение …

Тип матрицы

Вкл. В Интернете вы обязательно найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения используются светочувствительные матрицы CCD (CCD, устройство с зарядовой связью) и CMOS (CMOS, комплементарный металл-оксид-полупроводник).Забудь это! Долгое время была только CMOS, только хардкор.

ПЗС-матрицы

при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шума) в видеонаблюдении практически не используются. Потому что сам принцип их действия ПЗС-матриц — последовательное считывание заряда по ячейкам — слишком медленный, чтобы удовлетворить потребности быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное, ПЗС дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли.Именно поэтому все ключевые производители сосредоточили внимание на вопросе CMOS-матриц.

Производителей, кстати, осталось не так много. Самыми крупными, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (которая в свое время приобрела известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производят, например, Canon, Hikvision.

Конкуренция старых брендов направлена ​​на создание молодых, энтузиастов и денег китайских производителей микросхем «второго уровня», таких как SOI (Silicon Optronics, Inc.) и другие. Трудно сказать, выживет ли молодняк, когда рынок КМОП-сенсоров станет перенасыщенным и станет слишком тесным. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство КМОП-сенсоров по современным меркам не так уж и сложно.

Крупные мировые бренды, такие как Hikvision или Dahua, обычно предпочитают работать с производителями матриц первого уровня или со своими собственными. Местные ведут себя иначе.Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В ассортименте широко представлены другие «популярные» бренды, например Berger, датчики SOI и др.


Как изготавливаются матрицы цифровых фотоаппаратов

CMOS Leadership

Технология CMOS предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Пиксельная структура и CMOS-матрица

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы увеличивают уровень собственного шума матрицы.Но технология позволяет преобразовать заряд светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и намного быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Вот почему CMOS лучше подходит для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадра.


Принцип работы матриц CCD и CMOS

Plus, возможность произвольного чтения ячеек матрицы CMOS дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт принимаемого видео, что невозможно для CCD.При этом энергопотребление CMOS-решений ниже, что также немаловажно для компактных камер видеонаблюдения.

Пусть будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие его цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие фильтры. У разных производителей разное размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

P — светочувствительный элемент
T — электронные компоненты

Как устроен и работает CMOS-сенсор камеры, также можно посмотреть на этом видео: Canon:

КМОП-матрицы всех производителей основаны на общих принципах, описанных выше, и отличаются только деталями реализации на кремнии.Например, в погоне за низкой стоимостью и сверхприбылью производители микросхем стараются производить матрицы как можно меньшего размера. Окупаемость за это неминуема …

Почему большой — это хорошо

Размер (или, другими словами, формат) матрицы обычно измеряется по диагонали в дюймах и указывается в виде дробей, ибо пример 1/4 «, 1/3», 2/3 «, 1/2 дюйма и т. д.


ON Полупондакторный светочувствительный датчик для камер видеонаблюдения

Светочувствительный датчик, установленный на плате видеокамеры

Увы, в массовых камерах видеонаблюдения широкоформатные массивы сейчас практически не используются из-за дороговизны самих массивов и линз к ним, которые должны иметь линзы большего размера и, соответственно, габариты и стоимость.Сегодня в камерах устанавливаются в основном матрицы размером 1/2 «- 1/4» (самые маленькие). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что купив сверхдешевую модель с матрицей SOI 1/4 «и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеонаблюдения приемлемого качества, на в котором можно было бы четко различать мелкие детали снятых событий, особенно при съемке в условиях низкой освещенности

Выбор камеры с Sony 1/2.Размер камеры 8 дюймов априори даст гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность такой камеры будет явно выше, что позволит лучше съемка при слабом освещении: в плохую погоду, в сумерках, в темном помещении и т. д. При увеличении разрешения при том же размере матрицы светочувствительность снижается, что тоже нужно учитывать при выборе. Для установленной камеры в темном корне Rotne у черного хода имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и большей чувствительностью, чем камера сверхвысокого разрешения с матрицей низкой чувствительности, на которой из-за шума ничего нельзя четко различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого внешнего освещения. С точки зрения физики это выглядит довольно банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Скажем откровенно, гоняться за высокой чувствительностью не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переключаются в режимы день / ночь, при уменьшении освещенности переводя матрицу в черно-белое изображение с более высокой чувствительностью.Кроме того, автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности и речи не идет. Светочувствительность остается критичной для камер без ИК-подсветки, но использовать их в современном видеонаблюдении — почти плохая идея. Хотя кузовные модели без подсветки, конечно, все еще продаются.


Сравнение матриц разных производителей

В целом правило такое: чем выше освещенность, тем лучше матрица и соответственно камера снимет.Поэтому не рекомендуется размещать камеры в темных укромных уголках и трещинах, даже если они обладают хорошей чувствительностью. Имейте в виду, что в спецификации матриц камеры обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно сделать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Будет мерзко в 100% случаев, разобрать на нем с трудом. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется при засветке снимать как минимум в 10-20 раз больше минимально допустимого для матрицы.

Производители предложили ряд технических решений для повышения чувствительности КМОП-матриц и уменьшения потерь света при захвате изображения. Для этого в основном используется один принцип: вывести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Sony первой представила свою технологию Exmor, которая сократила путь света через матрицу:

Затем прогрессивные производители вместе перешли на использование матриц с задней подсветкой, что позволяет не только сократить путь света через матрицу, но и увеличить полезную площадь светочувствительного слоя, поместив его поверх других электронных элементов в ячейке:

Технология подсветки дает камере максимальную чувствительность.Отсюда вывод — «при прочих равных» лучше покупать камеру с матрицей с подсветкой, чем без нее.

Для улучшения изображения в условиях низкой освещенности на малочувствительных недорогих матрицах производители фотоаппаратов могут использовать различные уловки. Например, режим «медленной выдержки» или, проще говоря, режим медленной выдержки. Однако «размазание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения с матрицей в этом режиме не позволяет говорить о чуточку качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранное наблюдение, где важны детали.

Несомненным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые представленной в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря сочетанию огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и самой высокой эффективная технология шумоподавления, позволившая получать очень качественные цветные изображения с видеокамер в условиях низкой освещенности и даже ночью.

В то время как традиционный способ преодоления слабого освещения — использование ИК-подсветки — позволяет получить четкое изображение только в монохромном режиме (оттенки серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить гораздо большее цветное изображение. Информация.В частности, при слабом освещении система видеонаблюдения с технологией Starlight может легко различать цвета автомобилей, одежды и других важных знаков.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Резюме

Выбирая камеру наблюдения, обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только на ее разрешение. Ведь от этого во многом будет зависеть качество изображения, а, следовательно, и полезность камеры. В первую очередь следует обратить внимание на надежную марку, размер и разрешение матрицы, светочувствительность важна только для камер без ИК-подсветки.

Очень рекомендую взять камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы можете легко найти спецификации для матриц ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот более-менее подробные характеристики матриц SOI днем ​​с фонарем не найти. Есть подозрение, что производителю есть что скрывать …

Но общий результат таков: CMOS-матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшее время не собираются отказываться от конкурирующих технологий.

2016-11-28 15:10:42 0 1493

Какая матрица лучше CMOS или CCD?

В последние годы матрицы CCD (устройство с зарядовой связью, CCD — устройство с обратной связью по заряду) и CMOS (дополнительная логика металл-оксид-полупроводник, дополнительная логика CMOS на металл-оксид-полупроводниковых транзисторах) продолжают бороться друг с другом. У каждого есть свои плюсы и минусы, и мы сейчас их рассмотрим.

Матрицы

CCD и CMOS постоянно подвергаются различным тестам, чтобы выяснить, кто лучше.

Для начала рассмотрим схему того, как выглядят эти матрицы.


Преимущества и недостатки КМОП-матриц

Одной из основных причин широкого использования КМОП-матриц является низкая стоимость производства и низкое энергопотребление, а также высокая производительность.

Матрицы

CMOS имеют возможность произвольного чтения ячеек, в то время как матрица CCD считывает все ячейки сразу.

Благодаря такому способу считывания CMOS-матрицы не обладают так называемым эффектом «smiring» (от англ. Blur — смазывание), который присущ матрицам CCD и проявляется в кадре в виде вертикальных «столбиков света» от яркого света. точечные объекты, например, солнце, фонари.

Несмотря на достоинства, технология CMOS имеет свои недостатки. Светочувствительный элемент чрезвычайно мал по сравнению с площадью пикселя. Львиную долю площади занимает встроенная в пиксель электроника. Это сказывается на низкой чувствительности, а предварительное усиление сигнала приводит к увеличению шума на картинке.

Помимо прочего, CMOS имеет эффект скользящего затвора. Это связано с тем, что считывание сигнала происходит построчно.

На самом деле эффект роллингаттера заметен при съемке быстро движущихся объектов.Читая сначала верхние строки, а затем нижние, изображение может исказиться. Например, можно продлить движущиеся автомобили.



Преимущества и недостатки ПЗС-матриц Технология

CCD существует уже много лет, за эти годы она была значительно модернизирована и имеет ряд преимуществ по сравнению с CMOS.

Камеры на базе ПЗС

имеют более совершенный электронный затвор, что особенно важно для съемки быстро движущихся объектов или изображений.

Еще одна отличительная черта — низкий уровень шума и высокая чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне. Благодаря этому ПЗС-матрица хорошо справляется с плохой освещенностью.

ПЗС-датчики

не имеют вибрации и эффекта рольставни, что характерно для КМОП. Например, посмотрите видео, в котором сравниваются ПЗС-матрицы и КМОП-датчики.

Выводы. Так какая матрица лучше для автомобильных видеокамер?
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:
Камеры, оснащенные ПЗС-матрицей:
+ лучше работают в темноте; + не искажать движущиеся предметы; + иметь более насыщенные цвета; — чувствительны к точечным источникам света;
Камеры с CMOS сенсором:
+ дешевле, иногда вдвое; -искажение динамического изображения; матрица фотоаппарата выполняет функцию оцифровки параметров света на ее поверхности.На сегодняшний день рынок фотооборудования разделен на два лагеря: устройства с CMOS-матрицей и устройства с CCD-матрицей. Говорить о приоритете одной технологии над другой нельзя, хотя доля CMOS в отчетах о продажах несколько выше, но это объясняется объективными требованиями пользователя, а не свойствами самих матриц. Часто в процессе выбора решающее значение имеет стоимость.

Определение

CCD Matrix — микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов и созданная на кремниевой основе.Работа основана на принципе действия устройства с зарядовой связью.

CMOS Matrix — микросхема, созданная на основе полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Сравнение

Ключевое различие между CMOS и CCD матрицами заключается в совершенно разных принципах работы. CCD оцифровывает полученное аналоговое изображение, CMOS — сразу каждый пиксель изображения. Чуть подробнее: электрический заряд в пикселях (светодиодах) ПЗС-матрицы преобразуется в электрический потенциал, усиливается в аналоговом усилителе вне светочувствительного датчика и только после этого оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя. .Электрический заряд в пикселях CMOS-матрицы накапливается в конденсаторах, с которых снимается электрический потенциал, передается на аналоговый усилитель и тем же преобразователем оцифровывается. Некоторые новые матрицы CMOS оснащены усилителями аналогового сигнала, встроенными непосредственно в пиксель.

Еще один важный момент: количество усилителей для матриц CCD и CMOS разное. В последних больше усилителей, потому что качество изображения при передаче сигнала немного ухудшается.Поэтому именно ПЗС-матрица используется при создании фотооборудования, предназначенного для создания высокодетализированных изображений, например, для исследовательских, медицинских и промышленных целей. Мы сталкиваемся с КМОП каждый день: большинство фотоаппаратов в мобильной электронике основано именно на таких матрицах.

Качество получаемого изображения зависит от другого обстоятельства — плотности фотодиодов. Чем они ближе, тем меньше площади матрицы, где фотоны неактивны. ПЗС просто предлагает схему без промежутков между фотодиодами, а в КМОП они есть — есть транзисторы.

ПЗС-матрицы намного дороже КМОП и потребляют много энергии, поэтому устанавливать их там, где качество изображения близкое к среднему, нецелесообразно. ПЗС-матрицы обладают высокой чувствительностью, процент заполнения пикселей выше и достигает почти 100%, уровень шума низкий. Матрицы CMOS обеспечивают высокий уровень производительности, но уступают CCD по чувствительности и шумам. Технология CCD, в отличие от CMOS, не позволяет производить серийную съемку или запись видео. Поэтому их использование, например, в мобильной электронике не оправдано назначением самих устройств.Скажем так, CCD — это матрица для профессионального фотооборудования.

Веб-сайт выводы

  1. ПЗС — это матрица на основе кремния, работающая как устройство с зарядовой связью, КМОП — матрица на основе полевых транзисторов.
  2. Аналоговый сигнал в матрице CCD преобразуется вне светочувствительного сенсора, в матрице CMOS, непосредственно в пикселе.
  3. Качество изображения, полученного с CCD, выше, чем с CMOS.
  4. ПЗС-матрица более энергоемкая.
  5. CMOS позволяет снимать видео и делать серийные фотографии.
  6. CMOS получила широкое распространение в мобильной электронике.

MO против NBO — Учебный пример

MO против NBO — Учебный пример

Введение: Связь MO и NBO

В этом руководстве показано, как связаны NBO и MO. и предлагает сравнение локализованных (на основе NBO) и делокализованные (основанные на МО) изображения молекулярной волновой функции для некоторых простых молекулярных и межмолекулярных частиц.

В части I мы покажем, как использовать ключевое слово CMO и другие ключевые слова вывода матрицы для получения точных математических соотношений между МО и NBO, NLMO или другие выбранные локализованные орбитали формамида (NH 2 CHO), резонансно-делокализованный вид.

В Части II мы используем простой метиламин (CH 3 NH 2 ) виды для более детального изучения энергетических аспектов анализирующий СКФ-МО волновые функции по отдельным делокализованным vs.локализованный пути. В традиционный подход использует диаграммы смешения LCAO-MO, которые пытаются представить себе прямое образование делокализованных энергетических уровней МО из АО или «фрагментарных МО». В локализованный подход, подобный VB, последовательно проходит через гибридизация (образование NHO), ковалентное связывание (образование NBO), и донорно-акцепторная делокализация (образование NLMO), каждый из которых имеет простая и интуитивно понятная рационализация теории возмущений. Этот может сопровождаться (необязательно!) сбивающим с толку NLMO → MO canonical преобразование, которое приводит к таким же конечным МО.Тем не менее последнее преобразование не имеет нет физического воздействия на Волновая функция SCF-MO, энергия или любое другое наблюдаемое свойство и таким образом можно безопасно игнорировать . Итоговая прибыль в концептуальной экономике показать, как локализованная перспектива, подобная VB, может улучшить понимание волновых функций МО-типа, которые иногда утверждали, что конфликтуют с локализованными принципами соединения типа VB.

В Части III мы используем простую полисульфидную цепь видов, чтобы изучить различные аспекты МО vs.NBO симметрия во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. Это позволяет нам увидеть, как нефизические аспекты «делокализации» NLMO → MO возникают из-за характерной зависимости МО от общая угловая (а не локальная динамическая) симметрия. Это также позволяет сравнивать низкосимметричного донорно-акцепторного подхода NBO с обычным анализом HOMO-LUMO как широко используется в современной органической литературе.

Часть I: Ключевые слова вывода CMO и MATRIX для Direct Сравнение МО с NBO или другими локализованными орбиталями

Сначала рассмотрим элементарные формы формамида (Уровень RHF / 3-21G) как прототип делокализации резонансного типа.Как показано в примере входного гауссовского файла мы просто вставьте «CMO» («Каноническая молекулярная орбиталь») ключевое слово в список ключей $ NBO, а именно

 $ NBO CMO $ END
 

перед обычным запуском задания.

Выход NBO для формамида теперь включает два новые таблицы, которые количественно определяют взаимосвязь между стандартными «каноническими» МО и НКО локализованное VB-подобное описание формамида. Оба таблицы показаны полностью в интерактивном CMO Sample Output листинг, с понятными синими коробками , которые описывать выделенное содержимое при наведении курсора мыши на него.

Вкратце, первая таблица дает NBO состав, показывающий ведущие (> 5%) условия расширения LCNBO-MO для каждое занятое или виртуальное МО. Вторая таблица разбивает каждую МО на вклады склеивания типа «БД», антибондинга типа «БД *» и несвязанные НКО типа «LP», показывая, как вклады каждого типа обычно находятся , смешанные в МО, будь то занятый или виртуальный. В то время как несколько МО стержневого типа чисто связаны с одним НБО типа CR, большинство МО видны содержать странные смеси типа LP, BD и BD *.Более того, часто обнаруживается, что эти МО-смеси сильно различаются при незначительных отклонениях. конформационные или другие геометрические изменения, тогда как NBO сохраняют легко узнаваемые и передаваемые формы. Что тут происходит?

Рассмотрим МО 12 , самая высокая занятая молекулярная орбиталь. Как показано на выходе CMO, МО 12 есть приблизительно выражено в форме LCNBO-MO как

MO 12 = 0,759 n N — 0.602 π CO + 0,248 π * CO

состоит в основном (57,6% = 0,759 2 ) из азота неподеленная пара n N NBO, но с существенным вклад пи-связи CO (36,2%) и пи * -антибонд (6,2%), первые, по-видимому, смешались «разногласиями».

В лучшую сторону понять эту странную смесь, мы можем рассмотреть общий Преобразование NBO → MO в два этапа, а именно.,

НБО → НЛМО → МО

Последовательные орбитальные преобразования от NBO (слева) до NLMO (в центре) до финального MO (справа) показаны ниже в графическом виде. форма:

Первоначальное преобразование NBO → NLMO относительно легко понимать; это соответствует сильный донор-акцептор делокализация n N (NBO 10 ) с соседними π * CO антибонд (NBO 31 ), характеристика резонансная делокализация аллильного типа , которая приводит к необычные структурные и реактивные свойства амида группы (см. образец ключевых слов NRT вывод для дальнейших подробностей).Это счета для более слабого π * CO член смешивания в MO 12 , который по существу выражает состав НЛМО

NLMO 12 = 0,950 n N + 0,312 π * CO

в части n N «материнской» НКО (90,2%) и ее π * CO «хвост делокализации» (9,8%).

Окончательное смешивание NLMO → MO труднее понять в физических терминах.Внешне сильная смешивание с π CO выглядит как странное «разрушение связи» (стерическое отталкивание?) с соседними заполненный pi-NBO, по-видимому, создавая узловую пустоту между n N и π CO ожидаемые области быть в спряжении. К счастью, мы можем спокойно игнорировать , игнорируя NLMO → MO смешивание, потому что не имеет эффекта от энергии или любого другого наблюдаемого свойства волновая функция (см. обсуждение теоремы Фока в Что такое НКО? ссылка на сайт).В эффект, смешение NLMO → MO — коварный тип «ложной делокализации», которая сбивает с толку графические узнавать и предлагать призрачные дальние взаимодействия которые физически фиктивны. Сосредоточение внимания на локализованные донорно-акцепторные взаимодействия NBO → NLMO и игнорирование лишних смешиваний NLMO → MO дает значительный прогресс в математических, графических и концептуальная простота.

Как получить дополнительную информацию о NBO → NLMO, NLMO → MO или общие преобразования NBO → MO? В ранее NBO v.4/5 эти преобразования были получены с отдельными ключевыми словами «NBONLMO», «NLMOMO» и «NBOMO», соответственно. Хотя указанные выше ключевые слова все еще распознаются в NBO 6 эти (и многие другие) преобразования могут быть оговорены как частные случаи Ключевое слово MATRIX с указаны исходные параметры и конечные базовые параметры в формат списка скобок [«MATRIX < initial / final >»], а именно,

«MATRIX » для NBO → NLMO (ранее «NBONLMO») «MATRIX » для NLMO → MO (ранее «NLMOMO») «МАТРИЦА » для NBO → MO (ранее «NBOMO»)

Пример информации, предоставленной «МАТРИЦА » ключевое слово приведено ниже в Части II.

Часть II: Энергетика образования ЛКАО-МО из локализованного Перспектива на основе NBO

Давайте рассмотрим другие энергетические детали того, как Предполагается, что МО будут эволюционировать из обычных АО (LCAO-MO описание) vs. соответствующий локализованный NAO → NHO → NBO → NLMO → Путь МО. Для этого мы используем простой пример метиламина (CH 3 NH 2 , RHF / 3-21G уровень), что можно считать типичным «хорошо локализованным» молекула.(Для соответствующего описания образования МО в PtH 4 2- , см. Валентность и связь , стр. 563-570.)

Рисунок справа показана диаграмма уровней энергии для валентных МО 3-9 метиламина в центре, между пунктирными линии связи с орбитальными энергетическими уровнями способствующих АО (слева) или НАО (справа). Связующие линии показаны для каждого участвующего Коэффициент AO величиной 0,1 или больше, создавая довольно плотную и запутанное смешивание выкройка для каждого МО.(Два других АО с гораздо меньшей энергией, -11,1278 и -15,3613 у.е., также делают заметным вклады в валентные МО, но здесь опущены для ясности энергетически важной валентной области.)

Однако сразу видно, что участвующих НАО гораздо меньше по количеству и охватывают гораздо меньшие диапазон энергий (более близок к диапазону конечных МО) по сравнению с АО. Кроме того, НАО (в отличие от АО) показать правильный общий нисходящий тренд , чтобы сформировать уровни МО, как и ожидалось по физическим причинам.Таким образом, концептуальная задача интуитивного осмысления шаблоны смешивания кажутся по своей сути более сложными для условной диаграммы ЛКАО-МО слева чем для соответствующего Диаграмма LCNAO-MO справа. Последний образует отправную точку для локализованных NAO → NHO → NBO → NLMO → MO описание образования МО, которое мы сейчас хотим рассмотреть в подробнее.

Первый шаг — формирование направленных гибридных НГО из НАО, как показано на диаграмме орбитальной энергии ниже для C (левая панель) и атомы H, N (правая панель) с пунктирными линиями, обозначающими наиболее значительный вклад в валентные гибриды:

Начальная валентность NAO {s, p x , p y , p z } C, N показывают ожидаемое небольшое нарушение сферической симметрии в молекулярном среда.Тем не менее, можно понять, как эти НАО претерпевают промотирование и гибридизация с образованием направленных гибридных NHO примерного символа sp 3 , как и ожидалось от стандартная теория эквивалентного гибридного образования (см., например, V&B , стр. 105ff). В соответствии с правилом Бента ( V&B , стр. 138 и далее), подробные коэффициенты смешивания NAO → NHO показывают слегка увеличенный p-характер направлен на более электроотрицательные лиганды, что приводит к незначительному гибридное неравенство, требуемое по физическим причинам.Как видно на диаграмме, энергетический центр тяжести конечных NHOs лежит несколько на выше запуск НАО, что отражает орбитальное «продвижение», необходимое для достижения эффективное направленное соединение. Для пяти атомов H «гибридные» NHO по существу идентичны к стартовым НАО 1s H , с немного разнесенными орбитальными энергиями в картину расщепления (1,2,2) асимметричным молекулярным среда.

Второй этап — ковалентное связывание направленных гибридных NHO. для формирования NBO типа Льюиса скелетного склеивающего каркаса, как показано на энергетической диаграмме ниже:

Как показано на диаграмме, несвязывающие неподеленная пара азота n N — просто «зритель», перенесены из диаграммы NAO → NHO, тогда как остальные NHO спариваются ожидаемым образом с образованием ковалентной σ CH , σ NH , σ CN NBO формальных Структура Льюиса.Видно, что каждый NBO сильно стабилизирован по энергии. по сравнению с его родительскими NHO (что легко понять из элементарная теория химической ковалентности; см. V&B , стр. 91ff), приводит к общему снижению энергии, что обеспечивает существенное вознаграждение за образование молекулы. Наполнение каждой валентности NBO с двумя электронами (вместе с NBO ядра C, N, которые лежат далеко ниже диапазон энергий диаграммы) дает элементарный «Натуральный Льюис Структура «(NLS) представление молекулы, соответствующее знакомая точечная диаграмма Льюиса по химии первокурсников.

Последний шаг — делокализация («резонансное смешение») идеализированного Форма NLS, в котором каждый локализованный НБО типа Льюиса заменяется своим ассоциированный полуавтомат — локализованный NLMO, как показано на левая половина диаграммы ниже:

Каждая такая делокализация по своей сути стабилизирует (см., например, V&B , стр. 19ff, 182ff, 263ff). Однако в этом случае хвосты делокализации НЛИО (прежде всего в антиперипланарные вицинальные антибонды; см. V&B , п.240ff) довольно слабые, соответствующие нисходящему сдвиги орбитальных энергий NLMO, которые почти незаметны на энергетический масштаб диаграммы. Эти небольшие NBO → NLMO energy сдвиги представляют только физически значительные «эффекты делокализации» метиламина, соответствующие его обычная формулировка как «хорошо локализованная» молекула. В отличие, ошеломляюще сложные смеси NLMO → MO, изображенные справа от диаграмма соответствующим образом помечена как «фальшивые», потому что они соответствуют нет физическому эффекту от полной энергии, электронной плотности или другое наблюдаемое свойство.

Сосредоточение внимания на физически значимом NAO → NHO → NBO → NLMO шаги, игнорируя лишний шаг NLMO → MO, значительно упрощает к химическому анализу волновых функций. Однако при желании призрачные смешения МО могут быть дополнительно исследованы с такими ключевыми словами, как CMO (от NBO до MO) или NLMOMO (от NLMO к МО). Например, части «МО в основе NLMO» матрица преобразования которые связывают 7 NLMO с наивысшей энергией (валентный тип Льюиса) с соответствующие МО 3–9 с наибольшей занятостью приведены в таблице ниже:

 МО в базе NLMO:

                   МО3 МО4 МО5 МО6 МО7 МО8 МО9
                 ------- ------- ------- ------- ------- ------- -------
  НЛМО С 1- Н 2 0.6293 0,1244 0,0000 0,3240 0,6817 0,0000 -0,1061
  NLMO C 1- H 3 0,2062 0,4717 0,0000 -0,7749 0,1388 0,0000 0,3345
  NLMO C 1- H 4 0,1838 0,4914 0,3818 0,2308 -0,3925 0,5952 -0,1187
  NLMO C 1- H 5 0,1838 0,4914 -0,3818 0,2308 -0,3925 -0,5952 -0,1187
  NLMO N 2- H 6 0,4743 -0,3566 -0,5952 -0,1961 -0,3035 0,3818 -0,1183
  NLMO N 2- H 7 0,4743 -0,3566 0,5952 -0,1961 -0,3035 -0,3818 -0,1183
  NLMO N 2 (lp) 0,1677 -0,1230 0,0000 0,3331 -0,1536 0.0000 0,9057
 

В отличие от околодиагонального характера NBO → NLMO преобразование (которое выражает единственную физически значимую делокализацию), матрица преобразования NLMO → MO содержит большие недиагональные коэффициенты смешивания с участием практически всех NLMO. Более того, такие коэффициенты смешивания NLMO-MO находятся в варьировать с изменениями геометрии или другими физическими изменениями, таким образом проявляя хранят информацию о взаимодействии физических значимость.Однако такие иллюзорная «физическая изменчивость» просто добавляет коварности и и физических характер «делокализации» НЛМО → МО, который должен не играют существенной роли в концептуальном анализе волновых функций SCF-MO.

Часть III: Внутри- и межмолекулярные аспекты симметрии в теории MO против NBO

Часто можно проследить противоречивые концепции делокализации на несопоставимую роль симметрии в МО vs.Теория NBO. В виде хорошо известный, локализованный Узоры соединения типа Льюиса часто имеют более низкую симметрию. чем точечная группа молекулы (как, например, для любой структуры Кекуле D бензол). Такое «нарушение симметрии» есть иногда считается дефектом теории NBO, по сравнению с теорией МО, где сохранение симметрии молекулы имеет первостепенное значение. (Действительно, многие начинали студентов заставляют думать, что «квантовая химия» включает в себя немного больше, чем считывание коэффициентов МО из таблиц символов!) В этом разделе мы использовать простую модель тиопероксида водорода (HSSH) и родственной полисульфидной цепи видов, чтобы изучить различные аспекты МО vs.Симметрия NBO во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях.

Потому что канонические МО определяются как собственные функции оператора Фока, который демонстрирует полную симметрию точечной группы ядра, они обязательно составляют основу неприводимых представлений полной точечной групповой симметрии. (В отличие от локализованного облигации часто обеспечивают только сводимое представление симметрии молекулы.) NBO обычно демонстрируют эффективную локальную симметрию среды склеивания, например, эффективный C 2v симметрия эфирного типа X-O-X или карбонильного типа X 2 C = O зацепления, которые приводят к характерному σ / π характеру кислородные неподеленные пары.

Практически говоря, строгая неприводимая симметрия характер МО менее значим или выгоден, чем может появиться. Помимо трехатомных видов (которые волей-неволей имеют плоскость симметрии), точная точечная групповая симметрия, отличная от тривиальной C 1 находится только в изолированных точках равновесия поверхности потенциальной энергии и даже бесконечно малые колебательные отклонения разрушают предполагаемую «точную» симметрию ядерной фреймворк.Кроме того, числовые МО, рассчитанные с помощью конечной арифметики точность часто не соответствует ожидаемой симметрии идеальной точечной группы, даже если ядерная симметрия сохраняется точно. Как ни парадоксально, такая потеря точной симметрии может привести к выигрышу в физическом понимание путем удаления нефизических смесей, включающих нереалистично большие зазоры или слабые связи, как показано ниже в валентных и ядерных МО модельного полисульфида цепные виды.

Внутримолекулярная МО-симметрия?

Входной сигнал по Гауссу показан ниже для HSSH в рассчитанном C 2 -симметричный геометрия равновесия на уровне B3LYP / 3-21G:

# b3lyp / 3-21g pop = nboread

 HSSH

   0 1
  ЧАС
  С 1 1.3787
  С 2 2,2940 1 95,84
  H 3 1,3787 2 95,84 1 94,70

 $ NBO файл = hssh_eq cmo nlmomo $ END

 

(Разумеется, для точного описания таких видов требуется более высокая базовые уровни, но модель 3-21G адекватно иллюстрирует качественные свойства симметрии, обнаруженные в более точных МО.)

Как показано ниже в результатах анализа CMO для выбранных занятые и виртуальные МО 1, 2, 16-20, все МО, адаптированные к симметрии по умолчанию, показывают ожидаемые паттерны смешивания между симметрично-эквивалентные атомы, которые, по-видимому, изображают «сильная делокализация» между H’S ‘и H «S» концы молекулы:

 CMO: NBO-анализ канонических молекулярных орбиталей

 Ведущий (> 5%) вклад NBO в молекулярные орбитали
 ================================================== ====
  МО 1 (ок.): Орбитальная энергия = -88.279400 у.е.
                0,707 * [4]: ​​CR (1) S 2 (cr)
                0,707 * [9]: CR (1) S 3 (cr)
  МО 2 (ок.): Орбитальная энергия = -88,279359 а.е.
                0,707 * [4]: ​​CR (1) S 2 (cr)
               -0,707 * [9]: CR (1) S 3 (кр)
  ...

  МО 16 (ок.): Орбитальная энергия = -0,278299 а.е.
                0,665 * [15]: LP (2) S 2 (lp)
                0,665 * [17]: LP (2) S 3 (lp)
  МО 17 (ок.): Орбитальная энергия = -0,272831 а.е.-0,694 * [15]: LP (2) S 2 (lp)
                0,694 * [17]: LP (2) S 3 (lp)
  МО 18 (вир): орбитальная энергия = -0,104557 а.е.
                0,990 * [29]: BD * (1) S 2 - S 3 *
  МО 19 (вир): орбитальная энергия = 0,024476 а.е.
                0,658 * [30]: BD * (1) S 3- H 4 *
                0,658 * [28]: BD * (1) H 1 - S 2 *
  МО 20 (вир): орбитальная энергия = 0,027461 а.е.
               -0,661 * [30]: BD * (1) S 3- H 4 *
                0,661 * [28]: BD * (1) H 1 - S 2 *
 

Несколько парадоксально с химической точки зрения это «делокализация» распространяется на глубокое внутреннее ядро ​​ 1s уровни МО 1 и МО 2 , которые появляются соответственно как синфазные или противофазные смеси соответствующих НБО CR-типа, а именно.,

MO 1 = 2 -1/2 [ c S ‘ + c S «] MO 2 = 2 -1/2 [ c S ‘ c S «]

Поскольку формальная теория групп не зависит от физических расстояний, тоже самое результат должен последовать (если численные расчеты были точными) ли R S’S « разделение равно 2.29 Å или 2,29 светового года! Тем не мение, такая межгалактическая делокализация остовных электронов совершенно неправдоподобно по химическим причинам. Хотя похожие артефакты влияют на МО более высокой валентности, мы сосредоточимся здесь на глубоко скрытых орбиталях ядра 1, где нефизические аспекты делокализации симметрии NLMO → MO легче всего увидеть.

Вымышленный персонаж вызванной симметрией делокализации ядра может проиллюстрировать более прямо в длинной цепи полисульфиды HS n H протяженной (полностью анти) формы, которые чередовать C 2h или C 2v симметрия для четного или нечетного n .В нечетные — n C 2v вида, уникальный центральный атом S обнаружено, что имеет разумно локализованный ядро 1s MO, тогда как для удаленного терминала S ′, S ″ атомы имеют сильно смешанные формы, аналогичные MO 1 , MO 2 выше. Каждая такая сильно перемешанная пара сердцевин S ‘, S » кажется странным, не обращая внимания на сопоставимые «делокализации» с множеством соседних ядер которые разделяют пару.

К счастью, симметричные модели смешивания сердцевины и сердцевины обычно обрезаются на некотором конечном расстоянии отсечения R S’S «, из-за ограниченной числовой точности машинных вычислений.Мы может проиллюстрировать такое «спонтанное нарушение симметрии» в терминах возрастающей асимметрии между согласованными по симметрии уровнями ядра S ‘, S » по мере увеличения n . Для этого мы используем идеализированные модели Попла-Гордона. геометрия для нечетных видов — n HS n H симметрии C 2v , как показано в образце входного сигнала по Гауссу файл ниже для n = 3, с ключевым словом «nosymm», чтобы предотвратить значение по умолчанию наложение формального теоретико-группового перемешивания:

# b3lyp / 3-21g pop = nboread nosymm

 HSSSH Pople-Gordon C2v

   0 1
  ЧАС
  С 1 1.3400
  С 2 2,0800 1 109,4712
  S 3 2.0800 2 109.4712 1 180.0000
  H 4 1,3400 3 109,4712 2 180,0000

 $ NBO файл = hs3h cmo nlmomo $ END

 

Для n = 7, например, любопытные паттерны локализации для низколежащих МО сердцевинного типа показаны орбитальной амплитудой профили ниже, показывая профили орбитальной амплитуды вдоль цепочки атомов серы. Панели контрастируют полностью локализованная форма φ 1 [«с шипами» только на S (4)] с «делокализованным» φ 2 [с шипами симметрично между S (3), S (5)], φ 6 [слегка приподняты несимметрично между S (2), S (6)], и φ 6 (с более несимметричным шипом между S (1), S (7)]:

 

На графике ниже показаны рассчитанные процентная асимметрия (% -сым.) парных симметрий S ‘, S «сердечники МО (1, n ), (2, n -1) и (3, n -2), вверх на n = 11, полученное как разность между c S ‘, c S « вкладов на выходе CMO:

 

Как показано на графике, формальные теоретико-групповые паттерны симметрии оказываются нарушенными даже при n = 3, и числовая асимметрия продолжает беспорядочно расти до тех пор, пока локализованный символ найден для пар симметрии, разделенных более чем около четырех атомов.В неустойчивое, прерывистое поведение видимого «перехода локализации» МО выдает его нефизический характер, как и отсутствие соответствующие изменения в общей энергии, распределении заряда или другие наблюдаемые свойства. Подобные артефакты влияют МО более высокого валентного уровня по мере увеличения R S «.

Симметрия-смешение против характера связи атома?

Синфазные или не синфазные коэффициенты смешения МО часто используются для вывода их индивидуального вклада к физической «связи» или «разрыхлению» между атомами.Тем не мение, такие выводы могут быть весьма поверхностными и вводящими в заблуждение, как показано ниже во втором разделе выхода CMO для занятых МО 1-17 HSSH:

           Молекулярно-орбитальная атомно-атомная связь
          ================================================
              склеивание не склеивание антибондинг
    МО (2c, 3c) (1c, 1c *) (2c *, 3c *)
  ------ --------------- ---------- ---------------
    1 (о) 0.500 S 3
                             0.500 S 2
          _____ _____ _____
          0,000 (б) 1.000 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    2 (о) 0,500 S 3
                             0.500 S 2
          _____ _____ _____
          0,000 (б) 1.000 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    3 (о) 0.488 S 3
                             0,488 S 2
          _____ _____ _____
          0,004 (б) 0,996 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    4 (о) 0,485 S 3
                             0,485 S 2
          _____ _____ _____
          0,008 (б) 0,992 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    5 (о) 0.440 S 3
                             0,440 S 2
          _____ _____ _____
          0,000 (б) 1.000 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    6 (о) 0,432 S 3
                             0,432 S 2
          _____ _____ _____
          0,001 (б) 0,999 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    7 (о) 0.499 S 3
                             0,499 S 2
          _____ _____ _____
          0,001 (б) 0,999 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    8 (о) 0,500 S 3
                             0.500 S 2
          _____ _____ _____
          0,000 (б) 1.000 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
    9 (о) 0.500 S 3
                             0.500 S 2
          _____ _____ _____
          0,000 (б) 1.000 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   10 (о) 0,500 S 3
                             0.500 S 2
          _____ _____ _____
          0,000 (б) 1.000 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   11 (о) 0.192 S 2- S 3 0,239 S 3
          0,150 S 3- H 4 0,239 S 2
          0,150 ч 1- S 2
          _____ _____ _____
          0,492 (б) 0,508 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   12 (о) 0,234 S 3- H 4 0,253 S 3
          0,234 H 1- S 2 0,253 S 2
          _____ _____ _____
          0,467 (б) 0,532 (п) 0,001 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   13 (о) 0.311 S 3- H 4
          0,311 H 1- S 2
          0,279 S 2- S 3
          _____ _____ _____
          0,901 (б) 0,099 (п) 0,000 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   14 (о) 0,250 S 3- H 4 0,234 S 3
          0,250 H 1- S 2 0,234 S 2
          _____ _____ _____
          0,499 (б) 0,500 (п) 0,001 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   15 (о) 0.507 S 2- S 3 0,178 S 3
                             0,178 S 2
          _____ _____ _____
          0,552 (б) 0,446 (п) 0,002 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   16 (о) 0,442 S 3
                             0,442 S 2
          _____ _____ _____
          0,044 (б) 0,953 (п) 0,004 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
   17 (о) 0.482 S 3
                             0,482 S 2
          _____ _____ _____
          0,027 (б) 0,969 (п) 0,004 (а) всего
  -------------------------------------------------- ------
 

Согласно их составу NBO, все низколежащие МО 1-10, связанные с низколежащие 1s, 2s, 2p орбитали серного ядра обнаружено, что 100% не склеивание по своему характеру, что согласуется с химическими доказательствами.Значительное «разрушение сцепления» характер также отсутствует в более высоких занятых МО, и преобладающий «скрепляющий» характер появляется только в МО 13 (90%), с меньшим вкладом из МО 11 (51%), 12 (53%), 14 (50%) и 15 (55%), в сумме ожидаемый общий порядок облигаций (3) диаграммы Льюиса. В и в этом отношении витиеватые паттерны смешивания МО оказываются в значительной степени иллюзорный.

Можно сделать вывод, что картины смешения МО, индуцированные симметрией, принадлежат в первую очередь к области «фиктивной» делокализации NLMO → MO.Скорее чем преимущество подхода МО, эти схемы микширования служат в большей степени отвлечь внимание от физически значимых НБО → НЛМО шаблоны делокализации, которые отражают эффективный локальный симметрия связующей среды.

Межмолекулярные взаимодействия HOMO-LUMO?

Давайте теперь рассмотрим некоторые детали «пограничного». орбитали HSSH, сравнивая локализованные донорные и акцепторные NBO с соответствующий самый высокий уровень занятости (HOMO) и самый низкий уровень незанятости (LUMO) МО, которые, как широко считается, контролируют межмолекулярные взаимодействия.В качестве простого примера такого взаимодействия: мы рассматриваем образование димерного комплекса

2 HSSH → (HSSH) 2

, что приводит к структуре с двойной водородной связью и связанный файл гауссовой z-матрицы показано ниже:

# b3lyp / 3-21g pop = nboread

(HSSH) 2, E = -1587.2801307

0 1
H 0,561174 1,298693 -0,067032
С 1.945207 1.172562 -0.083642
С 1.926593 -1.125691 0.002377
H 2.049909 -1,223986 1,371401
H -0,559670 -1,296040 -0,078236
С -1,944460 -1,172031 -0,083195
С -1,927463 1,125016 0,002123
H -2.049447 1.223627 1.371254

$ nbo file = hssh_2 cmo nlmomo $ end

 

Донорно-акцепторная картина NBO довольно проста. Последовательный с бесчисленным множеством других видов с водородной связью (см. V&B , раздел 5.2), Ожидается, что каждая Н-связь будет происходить из локализованного n -σ * донорно-акцепторное взаимодействие, в данном случае n S → σ * Форма SH .Из локализованная перспектива, соответствующие «пограничные орбитали» — неподеленная пара π-типа n S (донор) и σ * SH антисвязывающий (акцепторный) NBO на каждом фрагменте SH, как показано на схемах ниже. Ожидается, что каждый примет участие в дополнительных n S ‘ → σ * S «H» межмолекулярный делокализационные взаимодействия с NBO другого мономера, ведущие к ассоциированному NLMO в слабо делокализованной форме для каждой образующейся Н-связи.

Когда два таких мономера HSSH сближаются, их донорные и акцепторные NBO могут объединяться «рука об руку» в циклическом сопряженное расположение, чтобы сформировать два дополнительных S ··· H-S водородные связи равновесной димерной структуры, каждая из которых имеет подходящую близкую к линейной n S ‘ -σ * S Геометрия «H» . Модель NBOView изображения ниже отображают одну из этих двух Н-связей с точки зрения соответствующая диаграмма перекрытия донора-акцептора NBO (слева) и слегка делокализованный NLMO (справа).Последний найден (из вывода NBONLMO) иметь числовую форму

NLMO 17 = 0,989 n S ‘ + 0,137σ * S «H»

Как показано на диаграмме, последний NLMO лишь слабо возмущается от форма его родительского n S ‘ донор NBO, из-за слабой (~ 1,9%) межмолекулярная делокализация в соседнюю σ * S «H» акцептор NBO. Высокая переносимость NBO или NLMO из мономера к димеру.

Соответствующее делокализованное «изображение HOMO-LUMO» гораздо менее прямолинейно. Как показано в первом разделе выходного сигнала CMO выше, и показано на орбитальных диаграммах ниже обнаружено, что HOMO (MO 17 ) быть «разрыхляющей смесью» π-типа n S ‘, n S « NBO на каждом мономер, а именно,

HOMO = MO 17 = 2 -1/2 [ n S ‘ n S «]

LUMO — это, по сути, чистый NBO, локализованный σ * S’S « антисвязь между двумя атомами серы,

LUMO = MO 18 = σ * S «

, но (как показано ниже) он воспроизводит нет значительная роль в комплексообразовании.

Ни один из мономеров МО не кажется особенно полезным предлагая структурные особенности димерного комплекса, и ни один из них не переносится узнаваемо в каркас димера. Однако если дополнительно учесть второй занятый (СОМО) МО 17 , «скрепляющий» аналог МО 18 ,

SOMO = MO 16 = 2 -1/2 [ n S ‘ + n S «]

мы можем восстановить соответствующие донорские НКО как «HOMO + SOMO» и линейные комбинации «HOMO — SOMO», которые «отменяют» наложенную симметрию смешивание, а именно.,

n S ‘ = 2 -1/2 [MO 17 + MO 16 ] n S « = 2 -1/2 [MO 17 — MO 16 ]

LUMO не имеет видимого отношения к структурным особенности димерного комплекса, ни локализованный NBO акцептор σ * S’H ‘. Чтобы восстановить последнее, вместо этого мы должны посмотреть на вторую незанятую (СУМО) МО 19 и третий незанятый (ТУМО) МО 20 , которые имеют примерная форма

SUMO = MO 19 = 2 -1/2 [σ * S’H ‘ + σ * S «H» ] ТУМО = МО 20 = 2 -1/2 [σ * S’H ‘ — σ * S «H» ]

Эти симметрийные смеси можно снова «отменить», чтобы получить «СУМО + ТУМО». и комбинации «SUMO — TUMO», которые восстанавливают два локализованных гидридные антисвязи NBOs,

σ * S’H ‘ = 2 -1/2 [MO 19 + MO 20 ] σ * S «H» = 2 -1/2 [MO 19 — MO 20 ]

Однако только из этих двух антиоблигаций участвует значительно в H-связке, в то время как другой, по существу, невозмущенный, выступает в перпендикулярном направлении.Следовательно, только «половина» SUMO и TUMO вносят полезный вклад во взаимодействие димеров. Хотя один может следовать такой логике, чтобы переформулировать аспекты локализованного n S ‘ → σ * S «H» изображение как соответствующее изображение на основе МО «(HOMO & SOMO) — (SUMO & TUMO)», кажется мало концептуального стимула заниматься этим замученная альтернатива.

[В предыдущем качественном обсуждении вопросов симметрии, мы попытались установить максимально тесную связь между НКО и МО, пренебрегая слабый вклад σ * SH в занятую n NLMO типа S , возникающие в результате внутримолекулярного гиперконъюгирования взаимодействия (см. V&B , Sec.3.4). Тем не мение, напомним, что эти слабые вклады в электронную плотность — вот что принципиально отличает от «НБК не-Льюиса» из «виртуальных МО». Последний по определению иметь нулевую загрузку и сделать нет вклад в полную волновую функцию МО, плотность электронов, или другое наблюдаемое имущество, тогда как первые обычно имеют , кроме — нулевая занятость и неснижаемый вклад в для всей системы свойства, как на коррелированном, так и на некоррелированном уровнях теории.]

Можно сделать вывод, что благодаря их жесткой адаптации симметрии исходного мономера, орбиталей HOMO и LUMO un скорее всего правильно предположить особенности межмолекулярного донорно-акцепторного строения, если путь комплексообразования или симметрия продукта не совпадают с исходной симметрией мономера. Использование NBO исключает необходимость сначала «отменить» ложное смешение симметрии HOMO / LUMO, чтобы для определения физически значимых орбиталей.В этом отношении, НКО снова доказывают преимущество перед МО благодаря своей гибкости, переносимость и концептуальные экономия.


NBO Учебники
NBO Home

Однослойные полевые транзисторы MoS 2, сформированные с помощью фотолитографии для пикселей активной матрицы в органических светодиодах

  • 1.

    Wang, QH, Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, JN & Strano, MS Electronics и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов. Nat. Nanotechnol. 7 , 699–712 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 2.

    Мак, К. Ф., Ли, К., Хон, Дж., Шан, Дж. И Хайнц, Т. Ф. Атомно тонкий MoS 2 : новый прямозонный полупроводник. Phys. Rev. Lett. 105 , 136805 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 3.

    Splendiani, A. et al.Возникающая фотолюминесценция в монослое MoS 2 . Nano Lett. 10 , 1271–1275 (2010).

    CAS Статья Google Scholar

  • 4.

    Куц А., Зибуш Н. и Гейне Т. Влияние ограничения квантов на электронную структуру сульфида переходного металла TS 2 . Phys. Ред. B 83 , 245213 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 5.

    Радисавлевич Б., Раденович А., Бривио Дж., Джакометти В. и Кис А. Однослойные транзисторы MoS 2 . Nat. Nanotechnol. 6 , 147–150 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 6.

    Yin, Z. et al. Однослойные фототранзисторы MoS 2 . САУ Нано 6 , 74–80 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 7.

    Yu, Y. et al. 1T′-MoS 2 — и 1T′-MoSe 2 -слойных кристаллов высокой фазовой чистоты. Nat. Chem. 10 , 638–643 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 8.

    Радисавлевич Б., Уитвик М. Б. и Кис А. Интегральные схемы и логические операции на основе однослойного MoS 2 . ACS Nano 5 , 9934–9938 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 9.

    Han, S. et al. Синтез гетероструктур WO n -WX 2 ( n = 2,7, 2,9; X = S, Se) для высокоэффективных зеленых светодиодов с квантовыми точками. Angew. Chem. Int. Эд. 56 , 10486–10490 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 10.

    Ли, Х., Ву, Дж., Инь, З. и Чжан, Х. Получение и нанесение механически расслоенных однослойных и многослойных нанолистов MoS 2 и WSe 2 . В соотв. Chem. Res. 47 , 1067–1075 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 11.

    Yin, Z. et al. Получение гибридных наноматериалов MoS 2 –MoO 3 для светодиодов. Angew. Chem. Int. Эд. 53 , 12560–12565 (2014).

    CAS Google Scholar

  • 12.

    Li, H. et al. Изготовление однослойных и многослойных пленочных полевых транзисторов MoS 2 для определения NO при комнатной температуре. Малый 8 , 63–67 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 13.

    Lee, H. S. et al. MoS 2 нанолистовые фототранзисторы с модулированной по толщине оптической запрещенной зоной. Nano Lett. 12 , 3695–3700 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 14.

    Чой, К., Ли, Ю. Т. и Им, С. Двумерные нанолистовые устройства Ван-дер-Ваальса для будущей электроники и фотоники. Нано сегодня 11 , 626–643 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 15.

    van der Zande, A. M. et al. Зерна и границы зерен в высококристаллическом монослое дисульфида молибдена. Nat. Матер. 12 , 554–561 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 16.

    Najmaei, S. et al. Рост паровой фазы и зернограничная структура атомных слоев дисульфида молибдена. Nat. Матер. 12 , 754–759 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 17.

    Lee, Y.H. et al. Синтез атомных слоев MoS 2 большой площади методом химического осаждения из газовой фазы. Adv. Матер. 24 , 2320–2325 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 18.

    Tan, L. K. et al. Атомно-слоистое напыление пленки MoS 2 . Наноразмер 6 , 10584–10588 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 19.

    Джин, З., Шин, С., Квон, Д. Х., Хан, С.-Дж. & Мин, Ю.-С. Новый химический способ нанесения атомных слоев тонкой пленки MoS 2 на подложку SiO 2 / Si. Наноразмер 6 , 14453–14458 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 20.

    Лю, К.-К. и другие. Наращивание крупных и высококристаллических тонких слоев MoS 2 на изолирующих подложках. Nano Lett. 12 , 1538–1544 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 21.

    Lee, Y. et al. Синтез однородных пленок дисульфида молибдена в масштабе пластины с контролем количества слоев с использованием газофазного прекурсора серы. Наноразмер 6 , 2821–2826 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 22.

    Лим, Ю. Р. и др. Однородный слой MoS 2 в масштабе пластины на пластиковых подложках для гибких фотодетекторов видимого света. Adv. Матер. 28 , 5025–5030 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 23.

    Лим, Ю. Р. и др. Прокатное производство дисульфида молибдена с контролируемым слоем: платформа для двумерных промышленных приложений на основе полупроводников. Adv. Матер. 30 , 1705270 (2018).

    Артикул Google Scholar

  • 24.

    Kwon, H. et al. Крупномасштабные логические схемы нанолистов MoS 2 , интегрированные методом фотолитографии на стекле. 2D Mater. 3 , 044001 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 25.

    Yu, L. et al. Graphene / MoS 2 Гибридная технология для крупномасштабной двумерной электроники. Nano Lett. 14 , 3055–3063 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 26.

    Choi, M. et al. Гибкий дисплей на органических светодиодах с активной матрицей на основе тонкопленочного транзистора MoS 2 . Sci. Adv. 4 , eaas8721 (2018).

    Артикул Google Scholar

  • 27.

    Yu, S. et al. Транзисторные схемы на основе дихалькогенидов переходных металлов для органических светоизлучающих дисплеев с оттенками серого. Adv. Функц. Матер. 27 , 1603682 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 28.

    Kang, K. et al. Высокоподвижные полупроводниковые пленки толщиной три атома с однородностью в масштабе пластины. Природа 520 , 656–660 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 29.

    Zhao, M. et al. Масштабная химическая сборка атомарно тонких транзисторов и схем. Nat. Nanotechnol. 11 , 954–959 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 30.

    Liu, H. et al. Статистическое исследование глубоких субмикронных полевых транзисторов с двойным затвором на однослойных пленках дисульфида молибдена химического осаждения из газовой фазы. Nano Lett. 13 , 2640–2646 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 31.

    Dai, Z. et al. MoS 2 осажден из газовой фазы с большой площадью с контактами из прозрачного проводящего оксида в направлении полностью прозрачной 2D электроники. Adv. Функц. Матер. 27 , 1703119 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 32.

    Jeon, J. et al. Послойный CVD-рост двумерных пленок MoS с большой площадью поверхности 2 . Наноразмер 7 , 1688–1695 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 33.

    Гарг, С., Моллах, А.С., Уотерс, Дж. Л., Ким, С. М. и Кунг, П. Дихалькогениды переходных металлов, выращивание полупроводников и устройства большой площади для оптоэлектроники и датчиков. ECS Trans. 80 , 1–11 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 34.

    Zhu, W. et al. Электронный транспорт и перспективы устройства однослойного дисульфида молибдена, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы. Nat. Commun. 5 , 3087 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 35.

    Yu, Y. et al. Управляемый масштабируемый синтез однородных высококачественных однослойных и многослойных пленок MoS 2 . Sci. Отчетность 3 , 1866 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 36.

    Lee, Y.-H. и другие. Синтез и перенос однослойных дисульфидов переходных металлов на различные поверхности. Nano Lett. 13 , 1852–1857 (2013).

    CAS Статья Google Scholar

  • 37.

    Neumann, C. et al. Рамановская спектроскопия как проба изменений деформации графена в нанометровом масштабе. Nat. Commun. 6 , 8429 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 38.

    Mignuzzi, S. et al. Влияние беспорядка на комбинационное рассеяние света однослойного MoS 2 . Phys. Ред. B 91 , 195411 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 39.

    Антонелу А., Хоффман Т., Эдгар Дж. Х. и Яннопулос С. Н. MoS 2 Гетероструктуры / h-BN: управление морфологией кристаллов MoS 2 с помощью химического осаждения из газовой фазы. J. Mater. Sci. 52 , 7028–7038 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 40.

    Wang, S. et al. Эволюция формы монослойных кристаллов MoS 2 , выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. Chem. Матер. 26 , 6371–6379 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 41.

    Chen, J. et al. Химическое осаждение из газовой фазы высококачественных крупногабаритных кристаллов MoS 2 на подложки из диоксида кремния. Adv. Sci. 3 , 1600033 (2016).

    Google Scholar

  • 42.

    Cheiwchanchamnangij, T. & Lambrecht, W. R. L. Расчет квазичастичной зонной структуры монослоя, двухслойного и объемного MoS 2 . Phys. Ред. B 85 , 205302 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 43.

    Lee, C. et al. Аномальные колебания решетки одно- и многослойного MoS 2 . ACS Nano 4 , 2695–2700 (2010).

    CAS Статья Google Scholar

  • 44.

    Лю, Л., Цю, Х., Ван, Дж., Сюй, Г. и Цзяо, Л. Атомный MoS 2 монослоя, синтезированных из металлоорганического комплекса путем химического осаждения из газовой фазы. Наномасштаб 8 , 4486–4490 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 45.

    Фен, З. К., Маскаренхас, А. и Чойк, У. Дж. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции пленок (001) CdTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии при различных температурах подложки. J. Lumin. 35 , 329–341 (1986).

    CAS Статья Google Scholar

  • 46.

    Senthilkumar, V. et al. Прямой процесс роста из паровой фазы и надежные фотолюминесцентные свойства слоя MoS 2 большой площади. Nano Res. 7 , 1759–1768 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 47.

    Чен, Б.и другие. Высококачественные монослои MoS 2 большой площади, выращенные методом встречной диффузии паров серы. RSC Adv. 6 , 50306–50314 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 48.

    Гурарслан А. и др. Совершенный перенос с помощью поверхностной энергии монослоя сантиметрового масштаба и многослойных пленок MoS 2 на произвольные подложки. ACS Nano 8 , 11522–11528 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 49.

    Ким, С. Х., Янг, М., Янг, Х., Энтони, Дж. Э. и Парк, К. Э. Физико-химически стабильные диэлектрики на основе оксидов с полимерными связями для многоцелевых органических электронных устройств. Adv. Функц. Матер. 21 , 2198–2207 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 50.

    Jeong, Y. et al. Транзистор 2D MoSe2 с интерфейсом полимер-кисть / канал. Adv. Матер. Интерфейсы 5 , 1800812 (2018).

    Артикул Google Scholar

  • — накопительная матрица в составе МОП-трубки Ключевой анализ — ROM и RAM Трубка MOS

    автор: : Yaren 2020-12-11

    Полупроводниковая память — это разновидность полупроводникового устройства, которое может хранить большое количество двоичной информации. Согласно функции хранения можно разделить на постоянную память ( ПЗУ) И оперативная память ( БАРАН) A, постоянная память ( ПЗУ) Постоянное запоминающее устройство в соответствии с методами записи обычно делится на три типа: ПЗУ с фиксированным содержимым, программируемое ПЗУ и тип, который можно стереть, ПЗУ1, ПЗУ базовая структура базовой структуры и принцип работы декодера адреса ПЗУ, как показано, элемент декодера равен минимум.Блок хранения состоит из N-канальной улучшенной МОП-трубки, МОП-трубка может пониматься как существующая, это единица информации, хранящаяся в 1. Декодер адреса эквивалентен логической матрице «и», матрица памяти ПЗУ эквивалентна логической матрице «или», память — это матрица «и». В общем, и матрица не программируется, и матрица «или» программируется. Если ПЗУ имеет артикул n в адресной строке, m — в битовой строке, емкость памяти матрицы ПЗУ равна 2 n * m. 2, была представлена ​​классификация ROM с простой маской понимания ROM, PROM, EPROM, E2PROM чипов и флэш-памяти ( 闪存) Функция, не делайте ключ.Блок 3, микросхема ПЗУ, микросхема EEPROM 2864, типичные контакты микросхемы, как показано A0 ~ A12 для ввода декодирования адреса, I / O0 ~ I / O7 для 8 битов ввода и вывода данных, сторона CE для выбора, для записи может закончиться , чтение может закончиться. Статья 2864 в общей сложности 213 строк слов, восьмибитная строка, ее емкость хранения составляет 213 x 8 бит ( 8 тыс. 字节) 。 EEPROM 2864 работает так, как показано на контактах микросхемы флэш-памяти, и работает, чтобы понять. Во-вторых, оперативная память ( БАРАН) Оперативная память по принципу работы делится на статическую оперативную память SRAM и динамическую оперативную память DRAM.1, основная структура и принцип работы ПЗУ Базовая структура ПЗУ и режим работы структуры и функции SRAM и DRAM, как показано, контрастное SRAM: запускать в качестве основного блока хранения, чтобы не пропадать, информация не потеряно. Интеграция класса, чем чипы DRAM, энергопотребление также выше, чем DRAM, но его скорость выше, чем у DRAM, также не нужно обновлять схему. Обычно используется для создания кэш-памяти. DRAM: общий тип с модулями динамической памяти MOS, простая структура, высокая степень интеграции.Однако, если вовремя не обновиться, электрический заряд в межэлектродной емкости может за короткое время естественным образом исчезнуть, что приведет к потере информации. Значит, для этого должен быть оборудован специализированный контур регенерации. 2, есть три способа обновления DRAM, это хорошо знать, не фокусируйтесь. 3, схема контактов микросхемы 61 lv25616 и функция таблицы для адресации, как показано для 18 корневых A0 ~ A17, I / O0 ~ I / O15 для 16 записи / чтения линии данных, ее емкость составляет 218 x 16 бит = 256 kx 16 бит три, расширение емкости полупроводниковой памяти ( Ключевое содержание) 1, расширение цифр подходит для каждой части слов RAM или ROM, достаточно и недостаточно цифр.Соединение: выберите каждую часть, адрес соответствующей строки, конец части, говорящий, читающий и записывающий контрольный конец, соответственно соедините вместе, каждая часть данных параллельного вывода конечного использования. Пример: 2 ломтика с 2114 ( 1024 × 4 位) ОЗУ составляют два числа, 1024 x 8 бит, ОЗУ, достаточно и недостаточно слов, соединение: каждая часть соответствующего адреса и линия вывода данных, конец управления чтением / записью соответственно соединяются вместе, каждая часть выбранной части сигнализирует дополнительными преобразованиями адресов.Пример: 2 ломтика с 2114 ( 1024 × 4 位) RAM 2048 x 4 бит RAM

    Полноцветный органический светодиодный дисплей с активной матрицей на коже человека на основе объединительной платы MoS2 большой площади

    Аннотация

    Электронные приложения постоянно развиваются и принимают новые формы. Складные, поворотные и носимые дисплеи применимы для мониторинга здоровья человека или робототехники, и их работа основана на органических светодиодах (OLED). Тем не менее, разработка полупроводниковых материалов с высокой механической гибкостью остается проблемой и ограничивает их использование в электронике необычного формата.В этом исследовании представлен носимый полноцветный OLED-дисплей с использованием двумерного (2D) транзистора объединительной платы на основе материала. Матрица тонкопленочных транзисторов 18 на 18 была изготовлена ​​на тонкой пленке MoS 2 , которую перенесли на Al 2 O 3 (30 нм) / полиэтилентерефталат (6 мкм). Красные, зеленые и синие пиксели OLED наносились на поверхность устройства. Этот 2D-материал обладал превосходными механическими и электрическими свойствами и доказал свою способность управлять схемами для управления пикселями OLED.Ультратонкая подложка устройства позволила разместить дисплей на необычной подложке, а именно на руке человека.

    ВВЕДЕНИЕ

    Быстрые разработки в индустрии электронных устройств вышли за рамки улучшения характеристик обычных устройств и максимизируют удобство пользователя за счет интеграции различных функциональных функций в интеллектуальные электронные системы ( 1 3 ). Разработка этих типов устройств потребовала обширных исследований в области носимой электроники, где основное внимание уделяется свертываемым и складывающимся форматам устройств и ультратонким гибким подложкам, производимым с использованием низкотемпературных процессов (например,г., трансфер и струйная печать) ( 4 6 ). Присущие этим материалам ограничения механических и электронных свойств побудили использовать альтернативные полупроводниковые материалы. Двумерные (2D) полупроводниковые материалы, включая MoS 2 , WS 2 , MoSe 2, и WSe 2 , могут использоваться для включения тонкопленочных транзисторов (TFT) и логических схем на ультратонких пластиковых подложках. с относительно высокой производительностью ( 7 , 8 ).Эти материалы классифицируются как дихалькогениды переходных металлов и обладают уникальными электрическими, оптическими и механическими свойствами, подходящими для использования в схемах объединительной платы носимой электроники ( 9 , 10 ). Превосходные свойства запрещенной зоны MoS 2 привели к его применению в качестве переключающего устройства в носимых устройствах ( 11 ). Примечательно, что недавно был разработан одноцветный дисплей на органических светодиодах (OLED), интегрированный со схемой объединительной платы MoS 2 ( 12 ).Несмотря на то, что были продемонстрированы мощные возможности транзисторов MoS 2 , необходимо сделать заметные шаги в направлении достижения очень сложного управления красным, зеленым и синим (RGB) цветами на большой площади, поскольку это является фундаментальным и важным требованием большинства практические приложения для отображения ( 13 16 ).

    Это исследование было направлено на разработку TFT-матрицы MoS 2 большой площади для стабильной работы 324 пикселей в 2-дюймовом RGB OLED-экране, где полноцветный OLED-дисплей был продемонстрирован в конфигурации с активной матрицей.Тонкопленочные транзисторы на задней панели были специально разработаны для управления каждым цветным пикселем, поскольку светодиоды RGB были изготовлены из различных органических материалов с разными оптоэлектронными характеристиками, включая светоотдачу ( 17 ). OLED-дисплей перспективен для использования в качестве носимого дисплея, который может стабильно работать на коже человека без отрицательного воздействия на его оптические свойства. В то время как предыдущие отчеты были сосредоточены на 2D-устройствах на основе материалов, основанных на однородных системах ( 18 , 19 ), это исследование продемонстрировало потенциал для полностью сформированных оптоэлектронных устройств с гетерогенными конструкциями материалов.Носимые полноцветные OLED-дисплеи, созданные из других классов технологий 2D-материалов в оптоэлектронике и носимых устройствах, могут быть дополнительно изучены ( 20 ).

    РЕЗУЛЬТАТЫ

    OLED-дисплей с большой площадью и активной матрицей (AMOLED) с объединительной панелью MoS 2 был изготовлен с помощью последовательности процессов, включая формирование матрицы TFT на тонкой пленке MoS 2 , нанесение RGB OLED на электроде стока TFT, отслаивание дисплея от несущей подложки и перенос дисплея на целевую подложку (например,g., человеческая рука) (рис. 1А и рис. S1). Двухслойная пленка MoS 2 была синтезирована на 4-дюймовой пластине SiO 2 / Si методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), что позволяет точно контролировать газовые прекурсоры ( 9 , 21 ). Подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТ) (6 мкм) покрывали Al 2 O 3 (30 нм) с использованием осаждения атомных слоев (ALD). Пленка MoS 2 была перенесена с пластины SiO 2 / Si на подложку из полиэтилентерефталата, в результате чего была получена матрица транзисторов MoS 2 с конфигурацией объединительной платы управления.Структура TFT-устройства была уникальной, так как она была инкапсулирована Al 2 O 3 , выращенным методом ALD, для улучшения контакта с металлом и подвижности носителей из-за эффекта n-легирования в области контакта и канала (рис. 1A). ( 13 ).

    Рис. 1 Полноцветный AMOLED-дисплей с объединительной платой на основе MoS 2 большой площади.

    ( A ) Схематическая иллюстрация высокопроизводительной объединительной платы на основе MoS 2 на 4-дюймовой подложке из несущего стекла, на которую нанесен закрывающий слой Al 2 O 3 для эффектов n-легирования на MoS 2 (вверху слева), полноцветный дисплей с активной матрицей был нанесен на ультратонкую полимерную подложку (вверху справа), а полноцветный дисплей с большой площадью тестировался на руке человека (внизу справа).( B ) Схема полноцветной матрицы пикселей с активной матрицей, интегрированной с транзисторами MoS 2 , где каждый пиксель был подключен через межсоединитель затвор, данные и катод для управления адресацией линий. ( C ) Цифровая фотография дисплея с активной матрицей на 4-дюймовой стеклянной подложке, где на вставке показан полноцветный дисплей во включенном состоянии. ( D ) Цифровая фотография полноцветного дисплея с большой площадью на ультратонкой полимерной подложке, демонстрирующая гибкие механические свойства благодаря низкой жесткости на изгиб ультратонкого материала.Фото: Минву Чой, Университет Йонсей.

    Полноцветный дисплей AMOLED был получен путем размещения светодиодов RGB OLED на транзисторной матрице MoS 2 большой площади, которая равномерно управляет пикселями RGB OLED (рис. 1A). Схематическая иллюстрация и цифровая фотография пикселей RGB OLED, интегрированных с транзисторами MoS 2 , и полноцветный дисплей AMOLED, размещенный на несущей стеклянной подложке, приведены на рис. 1 (B и C). Каждый пиксель был связан с линией данных и разверткой, и вся схема отображения работала в режиме активной матрицы.Ток пикселя точно контролировался в соответствии с сигналами стока и затвора транзистора, тем самым изменяя яркость OLED. На вставке к рис. 1С показаны рабочие свойства массива пикселей активной матрицы, достигаемые с помощью управления адресацией строк. Полезные механические свойства, связанные с ультратонким дисплеем (<7 мкм), позволили стабильно переносить отсоединенное устройство от несущей стеклянной подложки на изогнутую поверхность (например, человеческую руку) без ухудшения характеристик устройства (рис.1, А и Г). Механическая жесткость уменьшалась с уменьшением общей толщины, которая включала слой устройства и подложку, чтобы улучшить механическую гибкость устройства ( 22 ).

    Подвижность транзистора MoS 2 составляла ок. 18 ± 10 см 2 В −1 с −1 при напряжении стока ( В DS ) 1 В и соотношении включения / выключения выше 10 7 , поскольку эти условия способствовали эффектам легирования слоистой структуры Al 2 O 3 .Пороговое напряжение ( В th ) составляло 5 ± 2 В, что указывает на то, что пиксель был выключен, когда напряжение затвора ( В GS ) было 0 В, и изменение порогового напряжения при отрицательном / положительном смещении. стресс не был серьезным (рис. 2А и рис. S2). Выходные кривые были оценены для определения характеристик стока транзисторов TFT (рис. 2B). Ток стока отсутствовал ( I DS ), когда V GS был ниже, чем V th , но ток увеличивался с увеличением V GS при значениях выше V .Наклон кривой был равен проводимости устройства и линейно увеличивался с В GS , а характеристики внешнего тока ( I DS ) улучшались при увеличении напряжения с 4 до 7 В. Эти характеристики проиллюстрировал взаимосвязь между I DS и напряжениями смещения ( В, DS и В, GS ). Гистограмма подвижности полевого эффекта (μ) показала среднюю подвижность (μ avg ) 18 см 2 V −1 s −1 на 324 образцах (рис.2С). Однородность пленки MoS 2 , выращенной методом MOCVD, позволяет формировать матрицу MoS 2 TFT с высокой однородностью, которая необходима для стабильного отображения (рис. S3 и S4). Микросхема MoS 2 подходила для использования в качестве активного слоя в TFT. Перед использованием полноцветного AMOLED-дисплея с большой площадью была измерена производительность одного пикселя RGB OLED на MoS 2 TFT (рис. 2, D — F и рис. S5). Напряжения включения трех пикселей на уровне 1 кд / м 2 были примерно равны.7 В. Яркость увеличивалась линейно, а значение яркости каждого устройства превышало 500 кд / м 2 при 10 В. Свойства устройства были одинаковыми для всех образцов, а эффективность не снижалась, подтверждая, что один пиксель мог работать с полноцветным AMOLED-дисплеем большой площади. Спектры электролюминесценции (EL) пикселей RGB OLED показали, что самая высокая яркость была измерена при 460, 530 и 650 нм для синего, зеленого и красного OLED соответственно (рис.2G).

    Рис. 2. Свойства транзистора MoS 2 и RGB-светодиодов.

    ( A ) Передаточная кривая транзистора MoS 2 на 4-дюймовой стеклянной подложке, где средняя подвижность 18 см 2 В −1 с −1 была достаточной для работы RGB Светодиоды. ( B ) I V Характеристики транзистора MoS 2 при увеличении смещения затвора с +4 до 7 В, где на вставке показан транзистор MoS 2 .( C ) Статистический анализ подвижности транзистора MoS 2 по 324 образцам. ( D F ) I V характеристики (левая ось и ) и яркость (правая ось y ) RGB OLED как функция приложенного смещения, где на вставках показано излучение каждого цвета OLED. ( G ) EL-спектры пикселей RGB OLED. Фото: Са-Ранг Бэ, Корейский университет.

    AMOLED с большой площадью на ультратонких подложках из ПЭТ были изготовлены с использованием высокопроизводительных матриц объединительных плат MoS 2 и светодиодов RGB OLED (рис.3А). Поскольку объединительная плата включала AMOLED, пиксели OLED работали через нижнее излучение. OLED показал быстрый переход между включенным и выключенным состояниями при повторяющемся смещении стробирующего импульса ± 10 В (рис. 3B), где время отклика импульса оценивается в 2,5 мс. Хотя время отклика было ограничено системой измерения, время задержки было коротким. Наблюдение за одним OLED показало, что MoS 2 TFT с верхним затвором успешно работает с OLED-дисплеем. Интенсивность излучения OLED, измеренная между В GS на 4 и 9 В (интервалы 1 В) при постоянном В DS 9 В, указывает на хорошую работу MoS 2 TFT, где свечение красного пикселя OLED составляло 4.3, 11,3, 24,5, 79,1, 203 и 603 кд / м 2 ; зеленый OLED-пиксель составлял от 5,2 до 13,2, 29,2, 88,2, 210 и 640 кд / м 2 ; а синий пиксель OLED составлял от 8,7 до 15,1, 31,6, 99,7, 333 и 791 кд / м 2 при напряжении 4, 5, 6, 7, 8 и 9 В соответственно (рис. 3C). Ток OLED увеличился в диапазоне напряжения данных ( В, , данные ) при значениях смещения затвора ( В, G ), равных 6 и 9 В, и это было связано с разницей в яркости на двух В G значения (рис.3, Г — Е). Модуляция затвора не происходила в выключенном состоянии, и ток пикселя оставался стабильным, что указывает на то, что TFT работал без какой-либо утечки. Ток пикселя резко увеличивался с увеличением V G во включенном состоянии. Пороговое напряжение OLED составляло 5 В во время модуляции пикселей RGB, независимо от типа цвета.

    Рис. 3 Свойства одного пикселя, интегрированного с транзистором MoS 2 и RGB-светодиодами.

    ( A ) Схематическое изображение единичных пикселей RGB, интегрированных с транзистором MoS 2 в последовательном соединении для конфигурации с активной матрицей.( B ) Свойства переключения пикселей регулируются с использованием смещения затвора -10 и 10 В при фиксированных смещениях данных 4 В (красный) и 10 В (синий). ( C ) Цифровая фотография изменения яркости OLED RGB в диапазоне смещения затвора от 4 до 9 В, где яркость каждого OLED была стабильной и контролировалась сигналом затвора транзистора MoS 2 . ( D F ) Текущий пиксель (левая ось y ) и яркость (правая ось y ) как функция стробирующего сигнала.Фото: Са-Ранг Бэ, Корейский университет.

    Были подтверждены рабочие характеристики отдельных пикселей RGB с использованием транзисторов MoS 2 , и матрица 18 на 18 (324 пикселя) была интегрирована в линии данных и затвора схемы объединительной платы транзистора MoS 2 , таким образом создавая полноцветный AMOLED-дисплей (рис. S6). Каждый пиксель индивидуально контролировался через строку матрицы (рис. 4А). В приложениях OLED-дисплеев важно поддерживать постоянную яркость каждого отдельного пикселя.Пиксели RGB OLED на дисплее демонстрируют постоянную и равномерную яркость даже на большой площади благодаря стабильному управлению сигналами затвора и данных. Каждый пиксель работал в соответствии со значением V data единичного транзистора, когда V G был фиксированным ( 23 ). Массивы пикселей RGB последовательно управлялись через внешнюю схему управления, которая была сконфигурирована в виде коммерчески выпускаемой полосковой пиксельной структуры (рис. 4B). Символы «R», «G» и «B» четко отображались на внешних схемах, подтверждая, что пиксели OLED RGB управлялись массивом объединительной платы MoS 2 большой площади для обеспечения операций полноцветного дисплея ( фильм S1).Более того, ожидается, что ультратонкие подложки для устройств позволят интегрировать дисплей на необычные посторонние подложки (например, человеческую руку) в приложениях для носимых дисплеев. Работа устройства была стабильной, а низкая жесткость системы ультратонких устройств предотвращала ухудшение оптических и электрических свойств во время значительной механической деформации (фиг. 4C и фиг. S7) ( 19 ). Рука движется через два механических режима: режим сжатия (режим 1) и режим растяжения (режим 2).Сжимающее напряжение в режиме 1 может вызвать усадку кожи и, в свою очередь, случайные складки на устройстве, в то время как растягивающее напряжение в режиме 2 может растянуть кожу и повлиять на устройство ( 5 ). Вольт-амперные характеристики ( I В ) показали, что уровень тока существенно не изменился между режимом лежа (плоский режим), режимом 1 и режимом 2 (рис. 4D и видеоролик S2). Подробные механические свойства дисплея были исследованы путем расчета нормированных уровней тока на основе характеристик I В .Ток в открытом состоянии не колебался, а колебания ниже прибл. 8% было приемлемо для работы дисплея с активной матрицей (рис. 4E). Хотя стабильность устройства еще не была идеальной, мы полагаем, что ее можно улучшить с помощью дальнейших инженерных работ, и транзистор MoS 2 показал перспективу для практического применения в качестве носимого полноцветного AMOLED-дисплея.

    Рис. 4 Носимый полноцветный AMOLED-дисплей на основе схемы объединительной платы MoS 2 .

    Цифровые фотографии полноцветного дисплея с активной матрицей во время ( A ) состояния «все включено»; ( B ) динамическая работа дисплея с активной матрицей, где сигналы затвора и данных управлялись индивидуально с помощью внешней схемы; и ( C ) применение ультратонкого дисплея на руке человека, где дисплей деформировался двумя механическими режимами, основанными на движении руки, а именно режимом сжатия (в центре) и режимом растяжения (справа). ( D ) Графики зависимости тока единичного пикселя от напряжения данных при В G значения 4 В (выключенное состояние), 6 В и 9 В в сжатом (синий), плоский (красный) , и режим растяжения (зеленый).При каждом приложенном смещении затвора ( V G ) наблюдается незначительное изменение тока пикселя при различных режимах деформации, что обеспечивает стабильную работу AMOLED на руке человека. ( E ) Нормализованное изменение тока в открытом состоянии ультратонкого дисплея на руке человека во время механической деформации. Фото: Минву Чой, Университет Йонсей.

    ОБСУЖДЕНИЕ

    2-дюймовый носимый полноцветный AMOLED-дисплей, состоящий из матриц 18 на 18, был изготовлен с использованием TFT на задней панели на основе MoS 2 .Матрица транзисторов была построена непосредственно на двухслойной пленке MoS 2 , выращенной с использованием MOCVD. Наблюдались высокая подвижность носителей (> 18 см 2 V −1 s −1 ) и соотношение включения / выключения (> 10 7 ), а световое излучение пикселей RGB OLED контролировалось путем применения a V G между 4 и 9 В. Прямое изготовление с использованием ультратонкой пластиковой подложки в сочетании с 2D полупроводниковыми материалами и OLED привело к превосходным электрическим, оптическим и механическим характеристикам и может быть использовано в разработке будущих носимых электронных устройств. это было бы невозможно с использованием обычных жестких неорганических материалов.

    МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

    Синтез MoS

    2

    MoS 2 Рост проводили в системе MOCVD с горячей стенкой. 4-дюймовую подложку из Si, покрытую SiO 2 (300 нм), очищали с использованием ацетона, изопропанола (IPA) и деионизированной воды и сушили в газе N 2 перед использованием. Подложку Si помещали в центр печи и держали вертикально под углом 90 °. Пластина, содержащая зерна NaCl, была помещена выше по потоку для контроля размера зерна MoS 2 .Гексакарбонил молибдена (MHC; Alfa Aesar, 13057) и безводный диметилсульфид (DMS; Sigma-Aldrich, 274380) использовали в качестве предшественников Mo и S, соответственно, и хранили в стеклянных барботерах вне печи для точного контроля количества. Гранулы диоксида кремния (примерно 2 мм) добавляли в барботер MHC для осушения. Систему откачивали до полного вакуума в течение 1 часа. Затем печь нагревали до 580 ° C в смеси 300 кубических сантиметров в минуту (стандартных кубических сантиметров в минуту) Ar и 5 кубических сантиметров H 2, , и давление поддерживали на уровне 10.0 торр. Скорость потока предшественников составляла 1,0 куб. См MHC и 0,6 куб. См DMS, и выращивание MoS 2 проводили в течение 24 часов с получением непрерывной пленки MoS 2 . Пленку охлаждали до комнатной температуры в среде Ar.

    Изготовление носимого полноцветного AMOLED-дисплея

    Объединительная панель дисплея на основе MoS 2 была изготовлена ​​на ультратонком ПЭТ (6 мкм), прикрепленном к несущей подложке, очищенной ацетоном, IPA и водой. Нижний слой Al 2 O 3 (30 нм) был нанесен с использованием ALD.Электроды исток-сток (Cr / Au: 3/30 нм) для TFT были определены с использованием стандартной фотолитографии при соотношении ширины / длины 300/4 мкм. Двухслойная пленка MoS 2 была перенесена с подложки Si на подложку из полиэтилентерефталата, и поверхность была структурирована посредством реактивного ионного травления с использованием плазмы CHF 3 / O 2 . Был нанесен верхний слой Al 2 O 3 (50 нм), который действовал как диэлектрический слой для TFT. Устройство отжигали при 110 ° C в вакууме в течение 6 часов для предотвращения образования ловушек молекул H 2 O между границей раздела MoS 2 и Al 2 O 3 .Рисунок электрода с верхним затвором был сформирован с использованием фотолитографии и процесса снятия. RGB-светодиоды наносили методом вакуумного напыления, и устройство переносили с несущей подложки в руку человека. Кожу предварительно растягивают, а затем прикрепляют AMOLED-дисплей к поверхности кожи жидкой повязкой (Nexcare, 3M). Носимый AMOLED-дисплей управлялся через запрограммированную внешнюю цепь.

    Производство RGB-светодиодов

    OLED-дисплеев были изготовлены на стеклянных и гибких подложках.Стекло с покрытием из оксида индия и олова (ITO) промывали ацетоном, изопропиловым спиртом и деионизированной водой; сушеные; и подвергали обработке ультрафиолетом / озоном в течение 15 мин. Поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стиролсульфонат) отжигали при 150 ° C в течение 15 минут после нанесения покрытия центрифугированием. Следующие материалы были последовательно нанесены для формирования различных OLED:

    1) Зеленый:

    a) N , N -Di (1-нафтил) — N , N -дифенил- (1, 10-бифенил) -4,4-диамин (NPB, 40 нм)

    b) Трис- (8-гидроксихинолин) -люминий (Alq 3 , 30 нм)

    c) 10- (2-бензотиазолил) — 2,3,6,7-тетрагидро-1,1,7,7-тетраметил-1 H , 5 H , 11 H — (1) бензопиропирано (6,7-8-I, j) хинолизин-11-он (C545T, 5% допинг)

    d) Батокупроин (BCP; 5 нм)

    e) Трис- (8-гидроксихинолин) алюминий (Alq 3 , 25 нм)

    2) Синий:

    a) NPB (30 нм)

    b) 9,9 ‘- (1,3-фенилен) бис-9 H -карбазол (mCP, 30 нм), допированный бис [2 — (4,6-дифторфенил) пиридинато-C 2 , N] (пиколинато) иридий (III) (FIrpic, 10% легирование)

    c) BCP (20 нм)

    3) Красный:

    a) НПБ (40 нм)

    б) Трис (4 -карбазоил-9-илфенил) амин (TCTA, 10 нм)

    c) TCTA (20 нм), допированный трис (4-карбазоил-9-илфенил) амином бис [2- (1-изохинолил-N) фенил -C] (2,4-пентандионато-O2, O4) иридий (III) [Ir (piq) 2 , 5% легирование]

    d) 3,3 ′ — [5 ′ — [3- (3- Пиридинил) фенил] [1,1 ′: 3 ′, 1 ′ ′ — терфенил] -3,3 ′ ′ — диил] бипиридин (TmPyPB, 27 нм)

    Фторид лития (LiF, 1 нм) и алюминий (Al, 100 нм) были нанесены термически осажденные слои для окончательной отделки ОСИД.В камере поддерживалось базовое давление 10 -6 торр. Активная площадь устройства составляла 0,5 мм × 0,5 мм.

    Благодарности: Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF-2015R1A3A2066337 и 2018R1A4A1022647). Вклад авторов: J.-H.A. и С.Ю.К. планировал и курировал проект. M.C. и С.-Р. провели большую часть экспериментов по изготовлению и определению характеристик устройства. Л.Х. и А.Т.Х. поддерживает работу OLED-дисплея и синтез MoS 2 соответственно. Все авторы участвовали в анализе данных и написании рукописи. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

    • Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

    Инкапсулированные гибридные частицы MoS2 / C микронного размера с эффективным удерживающим эффектом для улучшения циклических характеристик анодов LIB

    Дисульфид молибдена (MoS 2 ) имеет большие перспективы в качестве передового анодного материала для литий-ионных батарей, но страдает плохими электрохимическими характеристиками, особенно устойчивостью к циклическим нагрузкам.Здесь мы сообщаем о частицах микронного размера, состоящих из гибридных наноструктур MoS 2 / C инкапсулированного типа, которые обеспечивают эффективное удержание растворимых промежуточных продуктов во время циклических реакций, предлагая физически прочную основу и локально стабильные центры для MoS . 2 электродных реакций в процессе циклирования. MoS 2 / C микронного размера демонстрирует высокую удельную емкость 1343 мА ч г −1 в среднем при 0.1 A g −1 , отличные показатели скорости (929 мА hg −1 при 1 A g −1 ) и замечательная циклическая стабильность с 1250 мА hg −1 удержание при 1 A г −1 после 480 циклов. Кроме того, мы дополнительно проясняем равномерное перераспределение S и Mo в углеродной матрице во время разложения наночастиц MoS 2 , что демонстрирует эффект ограничения гибридных структур, что приводит к улучшенным электрохимическим характеристикам, обеспечивая значимое предположение для рациональная конструкция углеродных гибридных электродов на основе сульфидов и селенидов для практического применения.

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз?

    Понимание смеси Softmaxes (MoS)

    19 ноября 2017

    В этом посте мы разберемся в устранении узкого места Softmax: языковая модель RNN высокого ранга, написанная Чжилином Яном, Цзихан Даем, Русланом Салахутдиновым и Уильямом У.Коэн.

    Операция softmax принципиально важна для многих задач машинного обучения. Softmax позволяет вам получить распределение вероятностей по набору классов — именно такой тип вещей вы можете захотеть сделать, решая, какую цифру представляет изображение, является ли фотография кошкой или собакой, а какая из словаря слова — это то, что нужно для продолжения предложения.

    Учитывая это, ужасно думать, что мы во многих ситуациях жили с узким местом softmax.

    Традиционная поговорка в глубоком обучении гласит, что нужно увеличивать параметры модели до тех пор, пока она не переоценивается. Проблема в том, что для ситуации, вызванной узким местом softmax, это невозможно или даже практически невозможно исправить, просто добавив больше параметров в проблему.

    tldr; Почему смесь softmax имеет значение?

    Экспериментально: достигает наилучших результатов для моделирования языков на уровне слов в наборах данных Penn Treebank и WikiText-2 при том же ограничении параметров при расширении кодовой базы AWD-LSTM-LM (Smerity et al.) и кода динамической оценки (Краузе и др.) (код MoS).

    Теоретически: подчеркивает огромный недостаток существующих моделей на основе softmax под видом матричной факторизации, ведущей к простому и легко экспериментально проверяемому механизму доказательства — матричному рангу.

    Напоминание о традиционном softmax

    Традиционная функция softmax определяется следующим образом:

    , где \ (h \) — наш скрытый или контекстный вектор, а \ (w \) — вектор слов.

    Взяв скалярное произведение между контекстом / скрытым вектором \ (h \) и целевым словом \ (w \), мы получаем то, что мы называем logit .Затем этот логит конкурирует со всеми другими логитами, производя вероятность. Эта вероятность является нормализованным распределением вероятностей, что означает, что \ (\ sum_x P_ \ theta (x | h) = 1 \) (т.е. масса вероятности сохраняется на уровне 1).

    Языковое моделирование как матричная факторизация

    В статье обосновывается недостаток текущего softmax путем введения языкового моделирования как проблемы матричной факторизации. Я признаю, что правильное объяснение этого выходит за рамки моего беглого анализа, но я постараюсь изложить общий ход аргументации как можно лучше, надеясь, что вы мотивируете вас прочитать статью в деталях.T \) ограничена сверху размером вложения \ (d \).

    Если матрица реального мира \ (A \) имеет более высокий ранг, чем \ (d \) — что, вероятно, имеет место с учетом сложности и запутанности естественного языка — мы ограничиваемся приближением низкого ранга \ (A ‘\) реальных данных. Обратите внимание, что матрица \ (A \) может достичь полного ранга \ (V \). Это проблема, когда мы хотим решить, какое слово использовать из нашего словаря \ (V \) и иметь \ (V \ gg d \).

    Простым подходом было бы просто увеличить \ (d \) до тех пор, пока он не станет сопоставимым по размеру с нашим словарём размера \ (V \).К сожалению, есть две проблемы. Во-первых, количество параметров модели будет быстро расти по мере увеличения \ (d \). Словарь языковых моделей на уровне слов легко исчисляется десятками тысяч, если не сотнями тысяч, и каждое слово представлено вектором слов размера \ (d \). Во-вторых, увеличение размерности векторов слов сверх определенной точки (обычно \ (d = 400 \)) на практике не помогает. Это было подтверждено экспериментально при языковом моделировании и машинном переводе среди других задач.

    Смесь softmaxes

    Как мы можем повысить ранг нашей результирующей матрицы с минимальными усилиями? В статье представлена ​​смесь softmaxes (MoS) в качестве потенциального решения. По сути, это сводится к выполнению \ (K \) разных softmax и их смешиванию — с некоторыми уловками, чтобы избежать чрезмерного использования параметров.

    Смесь softmaxes можно рассматривать как совместное обучение ансамбля \ (K \) различных моделей с минимальными накладными расходами. Ансамбль — это когда вы тренируете несколько моделей и усредняете их прогнозы, практика, которая обычно превосходит любую отдельную модель.Т \)).

    Демо: иллюстрация повышенного ранга softmax

    В документе они демонстрируют лучшие результаты для трех различных задач — двух в рамках языкового моделирования (Penn Treebank и WikiText-2), а другой — в диалоговом режиме (Switchboard). Помимо получения лучших результатов, они показывают, что сочетание моделей softmax дает результирующую матрицу с более высоким рангом. Матрица, которую мы анализируем, является результатом взятия распределения вероятностей для каждой выборки в наборе данных и их суммирования.{S \ times V} \).

    Мы собираемся выполнить простое воссоздание этого здесь. Чтобы проиллюстрировать проблему и решение, мы настроим простой эксперимент PyTorch в Jupyter Notebook (ссылка на совместную работу).

    Есть только три компонента: линейный слой, который проецирует размерный вектор контекста \ (H \) на размер словаря \ (V \), дополнительный «миксер», который принимает \ (H \) и производит \ (K \) различные проекции вектора контекста \ ([h_0, \ ldots, h_K] \) и \ (S \) случайных входных выборок вектора контекста.Для этого эксперимента мы будем предполагать, что каждая смесь имеет одинаковый вес (т.е. \ (\ pi_k = \ frac {1} {K} \)). Ни один из них не обучается, все начинается со случайной инициализации.

    В рамках нашего эксперимента мы устанавливаем \ (H = 32, V = 1000, S = 2048 \) и смотрим на ранг результирующей матрицы, которая предсказывает распределение словарного запаса для каждого вектора контекста. Эта результирующая матрица равна \ ((2048, 1000) \) — то есть для каждой выборки у нас есть распределение вероятностей для 1000 различных словарных элементов. Полный потенциальный ранг этой матрицы равен 1000 — так что это то, на что мы надеемся со смесью softmax!

    Softmax Тип к = 1 к = 2 к = 3 к = 4 к = 5
    Традиционный softmax 34 34 34 34 34
    Смесь контекстов (MoC) 34 34 34 34 34
    Смесь Softmaxes (MoS) 34 629 979 995 997

    Для тех, кто глубоко заинтересован, ранг матрицы здесь приблизительный и, вероятно, немного отличается — тем более, что я считаю, что 34 действительно должно быть 32.Ну … может 33, если уклон позволяет доп ..? Кто знает, я недостаточно умен, продолжим;) Проблема аппроксимации по большей части связана с проблемами числового допуска.

    Как мы можем легко увидеть, и базовый уровень, и смесь контекстов поддерживают приближение низкого ранга. Комбинация результатов softmax достигает почти полного ранга для результирующей матрицы, показывая потенциал метода. Обратите внимание, что эти модели вообще не обучаются, просто в результате случайной инициализации, поэтому по умолчанию модели, использующие смесь softmaxes, уже имеют дополнительную выразительность в виде матрицы результатов более высокого ранга.

    Открытый вопрос: где еще можно применить смесь softmax?

    Какая часть производительности ансамблей может заключаться только в увеличении ранга матриц прогноза? Это в равной степени применимо к \ (K \) различным моделям одного и того же типа, а также к методам динамической оценки, таким как методы динамического eval, указателя или непрерывного кеширования в стиле Краузе и других.

    Увидим ли мы в машинном переводе те же преимущества, что и в языковом моделировании, где обе задачи могут иметь softmaxs сверх огромного словарного запаса?

    Какое значение \ (K \) необходимо для достижения полного ранга, если мы установили значения для \ ((d, V) \)? Достаточно ли достижения полного ранга или, как и в случае с другими задачами глубокого обучения, мы хотим существенно завышать параметры модели? В статье они устанавливают \ (K = 15 \), но не приводят ни обоснования, ни анализа этого.

    Каким образом архитектуры, такие как Transformer Network, либо уже непреднамеренно используют смесь softmax, либо потенциально могут использовать ее в таких компонентах, как механизм Multi-Head Attention?

    В каких еще ситуациях, помимо softmax по словарю, нас укусили эти приближения низкого ранга? Является ли низкий ранг проблемой при вычислении масштабного внимания с помощью softmax?

    Есть ли способ минимизировать вычислительные накладные расходы при сохранении полного преимущества комбинации softmax?

    Заинтересованы в дальнейших исследованиях?

    Код для смеси softmaxes доступен на GitHub и расширяет кодовую базу AWD-LSTM-LM, которую мы с моими коллегами выпустили для PyTorch, а также для базы кода динамической оценки Krause et al.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *