КМОП-сенсор

КМОП-сенсор (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, CMOS-сенсор) — это тип полупроводникового светочувствительного прибора, предназначенного для преобразования оптического изображения в электрический сигнал. Относится к классу активных пиксельных датчиков, в которых каждый элемент матрицы содержит не только фотодиод, но и усилитель, а также схему считывания, выполненные по технологии КМОП. КМОП-сенсоры являются основным типом светочувствительных матриц, используемых в цифровых фотоаппаратах, смартфонах, видеокамерах, системах машинного зрения, медицинской эндоскопии и других устройствах, где требуется компактность, низкое энергопотребление и высокая скорость считывания.

История

Предпосылки и ранние разработки

Идея использования КМОП-технологии для создания светочувствительных матриц возникла в 1960-х годах, однако первые практические реализации столкнулись с рядом технических ограничений. Ранние КМОП-сенсоры обладали низкой чувствительностью, высоким уровнем шума и плохой однородностью пикселей, что делало их непригодными для качественной фото- и видеосъёмки. В 1970-80-х годах доминирующее положение на рынке занимали приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы, CCD), которые обеспечивали лучшее качество изображения.

Прорыв в 1990-х годах

Возрождение интереса к КМОП-сенсорам началось в конце 1980-х — начале 1990-х годов, когда развитие литографических процессов позволило уменьшить размеры транзисторов и снизить уровень шумов. Ключевую роль сыграла разработка активного пиксельного сенсора (APS) с использованием технологии КМОП, предложенная в 1993 году группой учёных из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL). Эта архитектура позволила интегрировать на одном кристалле не только матрицу, но и схемы аналого-цифрового преобразования, усиления и управления, что значительно упростило конструкцию камер и снизило их стоимость.

Коммерциализация и вытеснение ПЗС

В конце 1990-х — начале 2000-х годов КМОП-сенсоры начали активно внедряться в камеры мобильных телефонов и веб-камеры. Компании Canon, Sony, OmniVision и другие вложили значительные средства в совершенствование технологии. К середине 2000-х годов КМОП-сенсоры догнали ПЗС по качеству изображения, превзойдя их по скорости работы, энергоэффективности и возможности создания компактных модулей. К 2010-м годам КМОП-сенсоры практически полностью вытеснили ПЗС-матрицы из массового сегмента цифровых камер, за исключением некоторых специализированных применений (например, в астрономии и научной фотографии, где ПЗС сохраняют преимущество в чувствительности).

Устройство и принцип работы

Структура пикселя

Основой КМОП-сенсора является матрица пикселей, каждый из которых содержит:

• Фотодиод — полупроводниковый элемент, генерирующий электрический заряд пропорционально интенсивности падающего света.
• Усилитель — обычно выполненный на полевых транзисторах, который преобразует накопленный заряд в напряжение и усиливает его.
• Схема сброса — транзистор, обнуляющий заряд фотодиода перед началом экспозиции.
• Схема выборки — транзистор, подключающий пиксель к общей шине считывания.

Такая архитектура позволяет считывать сигнал с каждого пикселя независимо, что обеспечивает высокую скорость работы и возможность произвольного доступа к строкам или отдельным областям матрицы.

Аналого-цифровое преобразование

В отличие от ПЗС-матриц, где заряд передаётся последовательно через все пиксели, в КМОП-сенсорах преобразование аналогового сигнала в цифровой код может выполняться непосредственно на кристалле. Для этого на периферии матрицы размещаются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). В современных сенсорах используются два основных подхода:

• Периферийные АЦП — один или несколько АЦП, обслуживающих все столбцы матрицы последовательно.
• Колонковые АЦП — отдельный АЦП для каждого столбца, что позволяет считывать все пиксели строки параллельно и значительно повышает скорость.

Схема считывания

Считывание сигнала в КМОП-сенсоре обычно происходит построчно. Строка выбирается с помощью дешифратора, после чего сигналы всех пикселей этой строки одновременно передаются на АЦП. Затем выбирается следующая строка, и процесс повторяется. Такой метод называется «роллинг-шаттер» (rolling shutter). В некоторых высокоскоростных сенсорах применяется «глобальный шаттер» (global shutter), при котором все пиксели экспонируются одновременно, а затем считываются последовательно.

Классификация

По типу затвора

• Сенсоры с роллинг-шаттером — наиболее распространённый тип. Экспонирование и считывание строк происходит последовательно, что может приводить к искажениям (например, «желеобразный» эффект при съёмке быстро движущихся объектов).
• Сенсоры с глобальным шаттером — все пиксели экспонируются одновременно, что исключает искажения, но требует более сложной схемы и большего количества транзисторов на пиксель, что снижает светочувствительность.

По типу подложки

• Фронтально-освещённые (FSI) — свет падает на пиксель через слой металлических проводников, что частично поглощает и рассеивает свет, снижая эффективность.
• Задне-освещённые (BSI) — подложка перевёрнута, и свет падает непосредственно на фотодиод, минуя слой проводников. Это позволяет увеличить светочувствительность и уменьшить шум. BSI-сенсоры стали стандартом в современных смартфонах и беззеркальных камерах.
• Стоп-слоистые (Stacked CMOS) — сенсор состоит из двух или более слоёв: верхний слой содержит фотодиоды, а нижний — схемы обработки сигнала. Такая архитектура позволяет уменьшить размер пикселя и повысить скорость считывания.

По размеру пикселя

• Крупные пиксели (более 5 мкм) — используются в полнокадровых камерах и среднеформатных системах, обеспечивают высокую светочувствительность и низкий уровень шума.
• Средние пиксели (2–5 мкм) — характерны для камер с кроп-фактором (APS-C, Micro Four Thirds).
• Мелкие пиксели (менее 2 мкм) — применяются в сенсорах смартфонов и компактных камер. Для компенсации малой площади фотодиода используются технологии объединения пикселей (binning) и многокадровой обработки.

Характеристики

Разрешение

Измеряется в мегапикселях (Мп) и определяется количеством пикселей в матрице. Современные КМОП-сенсоры имеют разрешение от нескольких мегапикселей (в промышленных камерах) до 150 Мп и более (в смартфонах и среднеформатных камерах).

Динамический диапазон

Характеризует способность сенсора одновременно передавать детали в тёмных и светлых участках изображения. Измеряется в децибелах (дБ) или ступенях экспозиции (EV). У современных КМОП-сенсоров динамический диапазон может достигать 14–15 EV.

Чувствительность

Определяется квантовой эффективностью фотодиода и уровнем шума. Обычно выражается через ISO-эквивалент. КМОП-сенсоры с BSI-архитектурой и крупными пикселями могут обеспечивать рабочие значения ISO до 100 000 и выше.

Скорость считывания

Измеряется в кадрах в секунду (fps) при полном разрешении. Высокоскоростные КМОП-сенсоры способны считывать изображение со скоростью до 1000 fps и более, что используется в научной и промышленной съёмке.

Применение

Фото- и видеотехника

КМОП-сенсоры являются основой подавляющего большинства цифровых камер: от смартфонов и компактных камер до профессиональных зеркальных и беззеркальных систем. Они используются в видеокамерах, в том числе в кинокамерах для цифрового кинематографа (например, камеры RED, ARRI).

Мобильные устройства

Смартфоны и планшеты оснащаются КМОП-сенсорами с малым размером пикселя (0,8–1,4 мкм) и высокой степенью интеграции. В последние годы широкое распространение получили сенсоры с технологией объединения пикселей (например, 4-в-1 или 9-в-1), позволяющие улучшить качество съёмки в условиях низкой освещённости.

Промышленность и машинное зрение

КМОП-сенсоры используются в системах автоматического контроля качества, робототехнике, сканерах штрих-кодов, камерах для автономных транспортных средств. Высокая скорость считывания и возможность работы в режиме глобального затвора делают их незаменимыми для анализа быстродвижущихся объектов.

Медицина

В эндоскопии, микроскопии и стоматологии применяются миниатюрные КМОП-сенсоры, которые могут быть интегрированы в гибкие зонды и инструменты. Они обеспечивают высокое разрешение и низкое энергопотребление.

Научные исследования

КМОП-сенсоры используются в астрономии (например, в камерах для наблюдения за небом), спектроскопии, флуоресцентной микроскопии и других областях, где требуется высокая чувствительность и низкий уровень шума.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкое энергопотребление — по сравнению с ПЗС-матрицами КМОП-сенсоры потребляют значительно меньше энергии, что критично для портативных устройств.
• Высокая скорость считывания — возможность параллельного считывания строк и колонок позволяет достигать высоких частот кадров.
• Интеграция на кристалле — на одном чипе могут быть размещены АЦП, усилители, схемы управления и интерфейсы, что упрощает конструкцию камеры.
• Малый размер и вес — КМОП-сенсоры могут быть выполнены в виде компактных модулей, что позволяет использовать их в ультратонких устройствах.
• Произвольный доступ — возможность считывания только выбранной области матрицы (например, для автофокуса или видеосъёмки в режиме кропа).

Недостатки

• Шум считывания — из-за наличия усилителей и транзисторов в каждом пикселе КМОП-сенсоры могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с ПЗС-матрицами, особенно при малых размерах пикселя.
• Эффект роллинг-шаттера — при съёмке быстро движущихся объектов может возникать искажение формы.
• Меньшая однородность — из-за разброса параметров транзисторов в разных пикселях может наблюдаться неравномерность чувствительности (фиксированный шум).
• Ограниченная чувствительность — при очень малых размерах пикселей (менее 1 мкм) светочувствительность резко падает, что требует применения сложных алгоритмов обработки.

Перспективы развития

Современные тенденции в развитии КМОП-сенсоров включают:

• Уменьшение размера пикселя — с использованием технологий BSI и стоп-слоистых архитектур возможно создание пикселей размером менее 0,5 мкм.
• Повышение динамического диапазона — за счёт использования многокадровой обработки (HDR) и пикселей с переменной чувствительностью.
• Развитие гибридных сенсоров — интеграция на одном кристалле КМОП-сенсора и процессора обработки изображений (например, в сенсорах Sony IMX).
• Использование новых материалов — например, перовскитов или органических полупроводников для повышения квантовой эффективности.
• Квантовые сенсоры — разработка сенсоров, способных регистрировать отдельные фотоны (SPAD-сенсоры), что открывает возможности для сверхчувствительной съёмки.

Источники

• Theuwissen, A. J. P. (2008). CMOS Image Sensors: State-of-the-Art. Solid-State Electronics, 52(9), 1401–1406.
• Fossum, E. R. (1997). CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip. IEEE Transactions on Electron Devices, 44(10), 1689–1698.
• Canon Inc. (2020). White Paper: CMOS Sensor Technology.
• Sony Semiconductor Solutions. (2022). Technical Report: Stacked CMOS Image Sensors.
• Nakamura, J. (2006). Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. CRC Press.