CMOS (далее КМОП: комплементарная структура металл — оксид — полупроводник) — технология производства интегральных микросхем, на которой построено большинство современной электроники. Основная особенность такой технологии — потребление энергии только в момент переключения логических состояний схемы. Еще во время разработки технологии, в 1960х, инженеры отметили что интенсивный световой поток при попадании на КМОП-схему может переключать ее состояния, однако в то время это было скорее недостатком.
В 1990е к технологии вернулись, и начали активную целенаправленную разработку энергонезависимых сенсоров на основе КМОП, в основном для исследовательской деятельности и космоса. В то время уже существовала технология CCD(ПЗС: прибор с зарядовой связью), которая уже начала активно применяться для фото и видеосъемки и сильно превосходила КМОП по качеству изображения, однако ПЗС-сенсоры не подходили для автономного размещения на космических аппаратах. Спустя время и миллионы, вложенные в разработку, КМОП-сенсоры в 2007 году догнали ПЗС по качеству картинки, а сейчас захватили абсолютное большинство рынка цифровых сенсоров.
ПЗС-сенсоры, по мнению энтузиастов, все еще предоставляют более глубокую цветопередачу, общую светочувствительность, и меньшее количество шума. Однако, на практике доказательств этому нет, и отличить изображение CCD от CMOS-сенсора в 2024 “невооруженным глазом” невозможно.
Какие КМОП-сенсоры бывают
В зависимости от технологии производства, КМОП-датчики бывают следующих типов.
FSI
Front side illuminated CMOS — сенсор с фронтальной засветкой. Самый базовый тип КМОП-сенсоров, в котором свет после прохождения линзы, но перед попаданием на фотодиод, проходит тонкий слой литографии с полупроводниками. Такая конструкция, очевидно, снижает интенсивность светового потока, но зато проста и дешева в производстве, поэтому используется в большинстве недорогих устройств.
BSI
Back-side illuminated CMOS — сенсор с обратной засветкой. В BSI-сенсорах структура фотодиода и слоя с транзисторами как бы развернута, и свет попадает сразу на фотодиод без всяких потерь. Кроме того, даже в состоянии покоя по слою полупроводников проходят фоновые токи, создающие шум, и размещение этого слоя за изолированной подложкой избавляет от большей их части. Слой полупроводников можно сделать толще, не боясь снизить светочувствительность, поэтому производители размещают в нем параллельные АЦП-преобразователи, дополнительно снижающие шум. Технология обратной засветки дороже чем обычные КМОП-сенсоры, но обеспечивает лучшее изображение в сумерках и ночью, а также при коротких выдержках и высокой частоте кадров. Все наши камеры используют сенсоры SONY Starvis с технологией BSI.
Stacked CMOS
Полупроводниковые слои могут объединяться в группы для повышения скорости считывания сигнала, такие сенсоры называются SBSI или Stacked CMOS. Технически, такие сенсоры способны отрабатывать выдержки свыше 1/50000. Пока что они очень дороги и используются лишь в фотовидеотехнике премиум-класса.
ToF
Time-of-flight — это специализированные CMOS-датчики, предназначенные для измерения расстояния путем расчета времени, необходимого свету для прохождения от датчика до объекта и обратно. Они излучают световые импульсы и измеряют время, необходимое импульсам для отражения от объекта и возвращения к датчику. Датчики ToF используются наравне с лидарами в камерах машинного и промышленного зрения, а также в 3D-сканировании.
Global Shutter
О КМОП-сенсорах с глобальным затвором мы подробно писали здесь. Если коротко — эти сенсоры имеют достаточную скорость считывания, чтобы передать на процессор кадр целиком, а не построчно. Эта технология исключает эффект плавающего затвора — артефакты от построчного считывания быстродвижущегося объекта. Камеры с глобальным затвором также пока что дороги и используются в машинном и промышленном зрении, а также в видеонаблюдении — в дорожных камерах.
IR
Все сенсоры, будь то ПЗС или КМОП, чувствительны к инфракрасному диапазону, поэтому для привычной глазу цветопередачи на них устанавливаются фильтры. Но есть сенсоры, для которых не просто инфракрасный диапазон — основной, но и эта способность всячески усиливается. Инфракрасные КМОП-сенсоры вкупе с фонарем инфракрасной подсветки используются в ночных камерах или комбинированных цифровых прицелах “день/ночь”.
Что же в итоге?
FSI-сенсоры отживают свой век на бюджетных массмаркетных камерах видеонаблюдения, многослойные сенсоры и глобальный затвор уже не за горами, но еще пока слишком дороги. Поэтому золотой стандарт современного профессионального видеонаблюдения — BSI-сенсоры. В ближайшие 5 лет, если не произойдет ничего невероятного, именно они будут основными сенсорами в наших устройствах.