Материалы
Sony в соцсетях

РОЖДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

ЧАСТЬ 2. КМОП-СЕНСОР

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.