Открыть сервис
Главная → Блог → CMOS-сенсоры

CMOS-сенсоры

CMOS-сенсор (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) — это тип полупроводникового светочувствительного прибора, преобразующего оптическое изображение в электрический сигнал. Относится к классу активных пиксельных датчиков (APS), в которых каждый элемент матрицы содержит как фотодиод, так и усилитель сигнала. Является основным типом светочувствительных матриц, используемых в современных цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, смартфонах, системах машинного зрения и научных приборах, вытеснив во многих областях более ранние технологии, такие как ПЗС (приборы с зарядовой связью).

История

Ранние разработки

Концепция КМОП-технологии (CMOS) была предложена в 1963 году американским инженером Фрэнком Ванлассом, однако первые эксперименты по созданию светочувствительных матриц на её основе начались лишь в 1970-х годах. В 1973 году компания Fairchild Semiconductor представила прототип КМОП-сенсора с разрешением 64×64 пикселя, но из-за высокого уровня шума и низкой чувствительности технология не получила коммерческого применения.

Прорыв в 1990-х годах

Ключевой прорыв произошёл в 1993 году, когда исследовательская группа под руководством Эрика Фоссума (США) разработала активный пиксельный датчик с использованием КМОП-технологии. Этот сенсор имел значительно меньший уровень шума по сравнению с предшественниками и позволял интегрировать на одном кристалле не только фоточувствительные элементы, но и схемы усиления, аналого-цифрового преобразования и управления. В 1995 году компания Photobit Corporation (основана Фоссумом) выпустила первый коммерческий КМОП-сенсор для цифровых камер.

Массовое внедрение

В начале 2000-х годов КМОП-сенсоры начали активно вытеснять ПЗС-матрицы в потребительской электронике. Ключевыми факторами стали более низкая стоимость производства (за счёт совместимости со стандартными КМОП-технологическими процессами), меньшее энергопотребление и возможность интеграции дополнительных функций на одном чипе. К 2010-м годам КМОП-сенсоры заняли доминирующее положение на рынке цифровых камер, а к 2020-м годам — практически полностью вытеснили ПЗС во всех сегментах, кроме некоторых специализированных научных и промышленных применений.

Устройство и принцип работы

Структура пикселя

Каждый пиксель КМОП-сенсора состоит из следующих основных элементов:

  • Фотодиод — полупроводниковый элемент, генерирующий электрический заряд пропорционально интенсивности падающего света.
  • Транзистор сброса — обнуляет заряд фотодиода перед началом экспозиции.
  • Усилитель на полевом транзисторе — преобразует накопленный заряд в напряжение.
  • Транзистор выбора строки — подключает пиксель к выходной шине для считывания.

Процесс формирования изображения

  1. Экспозиция: свет, проходя через объектив, попадает на фотодиоды. В каждом пикселе накапливается заряд, пропорциональный интенсивности света.
  2. Считывание: после завершения экспозиции транзисторы выбора строки последовательно подключают пиксели к выходной шине. Напряжение с каждого пикселя преобразуется в цифровой код встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
  3. Обработка: цифровой сигнал подвергается коррекции (баланс белого, гамма-коррекция, подавление шума) и передаётся на устройство вывода.

Особенности КМОП-технологии

В отличие от ПЗС-матриц, где заряд передаётся по всему кристаллу к одному выходному усилителю, в КМОП-сенсорах каждый пиксель имеет собственный усилитель. Это позволяет считывать сигнал параллельно, что увеличивает скорость работы, но приводит к некоторой неоднородности чувствительности между пикселями (фиксированный шум).

Классификация

По типу затвора

  • Глобальный затвор (Global Shutter) — все пиксели экспонируются одновременно, что позволяет снимать быстро движущиеся объекты без искажений. Используется в промышленных и научных камерах.
  • Роллинг-затвор (Rolling Shutter) — экспонирование и считывание пикселей происходит построчно. Это дешевле и проще в реализации, но может вызывать эффект «желе» при съёмке быстрых движений. Наиболее распространён в потребительской электронике.

По типу пикселя

  • Пассивные пиксельные датчики (PPS) — каждый пиксель содержит только фотодиод и один транзистор. Устаревшая технология, используется редко.
  • Активные пиксельные датчики (APS) — каждый пиксель включает усилитель. Современный стандарт для всех КМОП-сенсоров.

По спектральной чувствительности

  • Монохромные — регистрируют только яркость света, без цветовой информации.
  • Цветные — используют фильтр Байера (мозаика из красных, зелёных и синих фильтров) или другие схемы (например, Foveon X3) для получения цветного изображения.
  • Спектральные — настроены на определённые диапазоны (инфракрасный, ультрафиолетовый) для научных и промышленных задач.

Характеристики

Разрешение

Измеряется в мегапикселях (Мп) и определяется количеством пикселей на матрице. Современные КМОП-сенсоры для смартфонов имеют разрешение от 12 до 200 Мп, для зеркальных камер — от 20 до 60 Мп, для научных камер — до 150 Мп и выше.

Чувствительность

Определяется способностью регистрировать слабые световые сигналы. Измеряется в единицах ISO (в цифровых камерах) или в квантовой эффективности (в научных приборах). Типичная квантовая эффективность современных КМОП-сенсоров составляет 50–70% в видимом диапазоне.

Динамический диапазон

Характеризует способность сенсора одновременно регистрировать яркие и тёмные участки сцены. Измеряется в децибелах (дБ) или ступенях экспозиции (EV). У современных КМОП-сенсоров динамический диапазон составляет 12–15 EV (около 70–90 дБ).

Уровень шума

Основные источники шума: тепловой (темновой ток), фотонный (связанный с квантовой природой света) и шум считывания. Современные технологии позволяют снизить уровень шума до 1–2 электронов на пиксель.

Скорость считывания

Определяется частотой кадров (fps) и зависит от архитектуры сенсора. Высокоскоростные КМОП-сенсоры способны снимать со скоростью до 1000 кадров в секунду и более при сниженном разрешении.

Применение

Потребительская электроника

  • Смартфоны — основная область применения КМОП-сенсоров. Современные модели оснащаются многокамерными системами с различными типами сенсоров (широкоугольный, телеобъектив, макро).
  • Цифровые фотоаппараты — зеркальные и беззеркальные камеры используют КМОП-сенсоры с большим физическим размером (APS-C, полный кадр, средний формат) для получения высокого качества изображения.
  • Видеокамеры — от любительских камер до профессиональных кинокамер (например, ARRI Alexa, RED).
  • Веб-камеры и камеры видеонаблюдения — недорогие КМОП-сенсоры с низким разрешением.

Промышленность и наука

Автомобильная промышленность

  • Камеры заднего и переднего вида — для систем помощи водителю (ADAS).
  • Лидары — некоторые системы используют КМОП-сенсоры для регистрации отражённого лазерного излучения.

Безопасность и оборона

  • Системы ночного видения — КМОП-сенсоры с усилением сигнала.
  • Спутниковая съёмка — высокоточные сенсоры для дистанционного зондирования Земли.

Преимущества и недостатки

Преимущества

  • Низкая стоимость производства — за счёт совместимости со стандартными КМОП-технологическими процессами.
  • Малое энергопотребление — по сравнению с ПЗС-матрицами.
  • Высокая скорость считывания — благодаря параллельной архитектуре.
  • Интеграция на одном кристалле — возможность размещения АЦП, процессора и памяти на одном чипе.
  • Малый размер — позволяет создавать компактные камеры.

Недостатки

  • Фиксированный шум — неоднородность чувствительности между пикселями.
  • Эффект «желе» — при использовании роллинг-затвора.
  • Меньший динамический диапазон — по сравнению с лучшими ПЗС-матрицами (хотя разница сокращается).
  • Темновой ток — выше, чем у ПЗС, особенно при повышенных температурах.

Современные тенденции

Увеличение разрешения

Производители стремятся увеличить количество пикселей без увеличения физического размера матрицы, что приводит к уменьшению размера пикселя (до 0,7–1,0 мкм в смартфонах). Это требует использования технологий, таких как биннинг пикселей (объединение нескольких пикселей в один для улучшения чувствительности).

Улучшение чувствительности

Разрабатываются новые типы фотодиодов (например, back-illuminated — BSI, с обратной засветкой), которые позволяют увеличить квантовую эффективность за счёт размещения проводящих слоёв на обратной стороне кристалла.

Интеграция искусственного интеллекта

Встраивание нейропроцессоров (NPU) на кристалл сенсора позволяет выполнять обработку изображений (распознавание лиц, улучшение качества) непосредственно на матрице, снижая нагрузку на основной процессор.

Развитие глобального затвора

Совершенствование архитектуры глобального затвора делает его доступным для потребительских устройств, что позволит устранить эффект «желе» в видеосъёмке.

Крупнейшие производители

  • Sony (Япония) — лидер рынка с долей около 50% в 2023 году. Производит сенсоры для смартфонов, камер и промышленности.
  • Samsung (Южная Корея) — второй по величине производитель, выпускает сенсоры для собственных устройств и сторонних заказчиков.
  • OmniVision (США/Китай) — специализируется на сенсорах для смартфонов и автомобильной промышленности.
  • ON Semiconductor (США) — производит сенсоры для промышленных и автомобильных применений.
  • Canon (Япония) — выпускает сенсоры для собственных фотоаппаратов и видеокамер.
  • STMicroelectronics (Швейцария/Франция) — производит сенсоры для автомобильной и потребительской электроники.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы