Технологии матричных сенсоров

Сравнение технологий CMOS (КМОП) и CCD (ПЗС)

1. CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с зарядовой связью). Для объяснения базового принципа работы CCD технологии представим устройство, которое собирает всю картину в аналоговой версии, а затем оцифровывает.
2. CMOS — это complementary metal-oxide-semiconductor (комплементарный металл—оксид—полупроводник, КМОП). CMOS матрица работает по следующему принципу: каждый пиксель оцифровывается прямо на месте.

Немного истории

История появления двух технологий началась в 60-70-е годы 20-го века. Доктор Саввас Чемберлен (Savvas Chamberlain) был пионером в теоретической и практической разработке как CCD, так и CMOS технологий. А уже в 1970 году специалистами компании Bell Laboratory было разработано CCD устройство, позволяющее получать изображения. С тех пор CCD матрицы совершенствовались с каждым годом и стали доминировать на рынке.

Теория CMOS прорабатывалась параллельно с CCD, однако, за неимением технологий, в то время было невозможно наладить производство качественных матриц. Поэтому к CMOS вернулись в 90-е годы 20-го века, после получения инженерами необходимых технических возможностей. И, наконец, в 1993 году в лаборатории NASA был разработан твердотельный датчик изображений, построенный на основе CMOS Active-Pixel-архитектуры.

Ведущие производители

Canon с 1987 года самостоятельно производила CCD датчики. В 2000 году, компания Canon стала использовать собственные CMOS-датчики для регистрации изображения. Однако, модели того времени имели невысокую чувствительность и значительный уровень шума, если сравнивать с CCD.

Корпорация Fuji Photo Film Co. Ltd. пошла по пути изготовления сенсоров Super CCD в 1999 году, а в 2000-м уже были выпущены две камеры со светочувствительными матрицами Super CCD первого поколения. В 2003 году компания Fuji представила на рынок Super CCD четвертого поколения.

Eastman Kodak получила известность в профессиональных кругах, как производитель светочувствительных ССD матриц для студийной и профессиональной техники, а также CCD- и CMOS-матриц для любительских фотокамер.

Специалисты компании Nikon изобрели LBCAST-сенсор (lateral buried charge accumulator and sensing transistor array — «матрица с боковыми скрытыми накопителями заряда и чувствительными транзисторами»). Фотосенсор, сделанный по LBCAST-технологии, служит для обеспечения удвоенной скорости считывания изображения по сравнению с обычными CMOS-сенсорами.

И наконец, в июне 2008 года компания Sony выводит на рынок CMOS-датчик Exmor R, первый в мире серийный сенсор с технологией обратной засветки — BSI (Backside Illumination).

Рис. 1. Сенсор Exmor R

На протяжении всех этих лет шло «соревнование» двух технологий — CMOS и CCD, причем на первом этапе CCD выигрывала эту «гонку».

Особенности работы CMOS и CCD

Основное различие двух технологий заключается в принципе работы.

CCD представляет собой устройство, в котором заряд от пикселей преобразуется в электрический потенциал, этот потенциал усиливается уже за пределами светочувствительных сенсоров. На первом этапе в CCD выводится изображение в аналоговом виде. А уже на втором этапе происходит оцифровка полученной картинки с помощью усилителя в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Таким образом, сам прибор состоит из двух частей —матрицы и преобразователя. То есть, CCD — это типичный прибор с зарядовой связью. Однако, такое устройство не дает матрице экспонировать следующий кадр, до тех пор, пока она полностью не считает данные с предыдущего. В результате этот факт приводит к необходимости использования глобального затвора (global shutter).

Рис. 2. CCD-матрица

На раннем этапе развития матриц технология CCD являлась эффективней CMOS, благодаря:

• Низкий уровень шумов;
• Высокий коэффициент заполнения пикселов;
• Достаточно высокая эффективность;
• Высокая светочувствительность.

Несмотря на преимущества, у CCD есть и свои недостатки:

• Достаточно сложный принцип считывания сигнала, который значительно усложняет саму технологию и делает матрицу громоздкой;
• Высокий уровень энергопотребления матрицы;
• Дорогое производство.

Матрицы CCD имели преимущества на определенном этапе развития. Однако, недостатки этой технологии заставили инженеров искать другие пути совершенствования качества фотосъемки. В результате чего CMOS получила второй шанс.

CMOS включает в сенсор усилитель и АЦП. Такая процедура формирования изображения позволяет достичь гораздо большей скорости чтения. Если говорить проще, то в CMOS сенсоре цифровые усилители используются в каждом отдельном пикселе. На первый взгляд, отдельное считывание каждого пикселя должно занимать больше времени, но в CMOS сенсорах процессы считывания происходят параллельно. С помощью чего достигается высокая пропускная способность, которая выше чем у CCD. На практике в CMOS применяется плавающий затвор (Rolling Shutter), это означает, что данные считываются построчно сверху вниз.

Рис. 3. CMOS-матрица

Преимущества CMOS:

• Высокое быстродействие;
• Низкое энергопотребление;
• Простота и экономичность в производстве;
• Высокий потенциал развития.

Недостатки CMOS:

• Низкий коэффициент заполнения пикселов, это приводит к снижению чувствительности;
• Высокий уровень шума;
• Невысокий динамический диапазон.

Эволюция CMOS

Инженеры внедрили несколько ключевых технологических решений, которые существенно улучшили CMOS-сенсоры.

1. CMOS-датчик Exmor R от компании Sony — серийный сенсор с технологией обратной засветки (BSI — Backside Illumination). В результате этой инновации, металлическая подводка, занимающая 25% площади фотодиода, была перенесена под фотодиод. Таким образом, фотодиоды стали занимать 100% площади матрицы.
2. Параллельные АЦП. Это инновационное решение позволило снизить шумность CMOS. К каждому пикселю подключаются сразу две линии АЦП, сигнал подается на разные АЦП с небольшой задержкой, затем два сигнала сопоставляются, таким образом отделяется полезный сигнал от шума. Также мульти-параллельные АЦП можно организовать и другим путем: два АЦП считывают сразу по две строки, съёмка ускоряется до 120 кадров в секунду, таким образом уменьшая плавающий затвор.
3. Многослойные матрицы (stacked sensor). Инженеры корпорации Sony выпустили сенсоры Exmor RS, в которых между слоем с пикселями и слоем с металлической проводкой, добавили слой с быстрой памятью DRAM. Она стала выступать в качестве буфера обмена. Использование Exmor RS позволило сильно ускорить съемку.
4. Технологии TSV и CU-CU. Изначально слои в сенсоре соединялись металлической проводкой насквозь, такая технология получила название Through Silicon Via (TSV). Она имела значительные недостатки: наличие всего одного канала сильно ограничивало пропускную способность и TSV занимала много места. Поэтому, инженеры пришли в своих разработках к совершенно новой технологии — Cuprum-Cuprum (Cu-Cu), т.е. «медь-медь». Смысл ее в том, что соединение делается через множество медных контактов по всей площади матрицы, шаг соединения при этом — менее 3 мкм. Применение Cu-Cu позволило значительно увеличить пропускную способность, а также начать производить CMOS матрицы с глобальным затвором.
5. Технология глубокой изоляции пикселей. И еще одна новация — фотодиоды стали разделять стенками, в результате снизился эффект паразитной засветки соседних пикселей. Это привело к повышению светочувствительности и снижению уровня шумов.
6. Технология High Dynamic Range Video (HDR-видео, «видео с расширенным динамическим диапазоном»). Изначально даже у дорогих CMOS матриц была проблема с низким динамическим диапазоном. Технология HDR позволяет за одну экспозицию сделать два подкадра: один светлый, а другой темный. В дальнейшем они соединяются и получается HDR картинка. Ранее эту технологию использовали только в профессиональных кинокамерах ARRI. Теперь такое качество съемки доступно в любительских камерах и смартфонах.

Сегодня CMOS и CCD сенсоры используются во многих бытовых и профессиональных устройствах захвата изображений: в видеокамерах, фотоаппаратах, сканерах, телефонах и других девайсах. Однозначного ответа на вопрос, какая технология лучше, не существует. Более широкий потенциал развития и применения дает преимущества CMOS сенсорам, но для CCD остаются ниши, в которых эта технология востребована за счет стабильно высокого качества съемки. В итоге, каждый производитель сам определяет целесообразность применения той или иной технологии в своем устройстве.

К примеру, в составе сканирующей техники ЭЛАР есть представители обеих технологий. Одной из последних разработок компании является линейка собственных промышленных российских камер на базе CMOS-сенсоров с разрешением 50, 100 и 150 Мп, которые устанавливаются в профессиональные отечественные планетарные сканеры семейства ЭларСкан.

Рис. 4. Промышленные российские камеры ЭЛАР