Свет на память. Как видит КМОП

В настоящее время КМОП-технология (CMOS) используется в подавляющем большинстве современных электронных устройств, причем не только цифровых (процессоры, память и проч.), но и аналоговых (усилители). По этой технологии давно выпускаются микросхемы памяти, и можно только удивляться, что матричные фотосенсоры КМОП появились заметно позже. Ведь микросхемы памяти RAM (Random Access Memory — память с произвольным доступом), имеющей координатный способ адресации, представляют собой практически готовый фотосенсор.

Память для света
Ячейки такой памяти образуют двумерный массив с четким расположением по строкам и столбцам, и, казалось бы, осталась всего мелочь — открыть эти ячейки для света. И даже это уже было сделано, ведь существовали микросхемы памяти, использующие ультрафиолетовое излучение для стирания записанной информации. Это были уже почти готовые фотосенсоры, но не совсем. Свет они могли воспринимать, но видели очень плохо. Поэтому одним из первых шагов по созданию светочувствительных КМОП-матриц была установка фотодиода в каждую ячейку памяти.

Но полученные устройства все равно не смогли составить серьезной конкуренции набиравшим обороты приборам с зарядовой связью (ПЗС). Качество изображения, получаемого с таких фотосенсоров, было достаточно низким. Микросхемы памяти, прекрасно выполняющие функции по работе с цифровыми сигналами, плохо справлялись с аналоговыми. А быстрые успехи ПЗС затормозили финансирование работ над КМОП-фотосенсорами.

Почему же так задержались с выходом в свет фотосенсоры по КМОП-технологии? Первые их образцы, естественно, имели механизм считывания, аналогичный микросхемам памяти, в нем и оказался главный камень преткновения. Позже такое построение пикселя (светоприемной ячейки) назвали пассивным (PPS — Passive Pixel Sensor). Он предполагал наличие в каждом пикселе фотодиода и транзистора. Транзистор использовался для адресации пикселя и работал только как ключ, разрешая передачу накопленного фотодиодом заряда на выходное устройство.

Но в микросхемах памяти надо было считать цифровой сигнал, а по сути, определить его наличие или отсутствие. Причем амплитуда сигнала была большой, а ее колебания (даже весьма значительные) на качестве не сказывались. Но в фотоприемнике надо считывать аналоговый сигнал, и вопросы шумов встают очень остро.

Главным недостатком пассивного пикселя было то, что сигнал с него снимался в виде заряда. Помехи, возникающие при передаче сигнала на выходной каскад, увеличивали шумы, снижали чувствительность и ограничивали скорость считывания информации. По самым главным параметрам такие приборы не могли составить серьезную конкуренцию ПЗС.

Очевидно, преобразование заряда в напряжение необходимо делать непосредственно в пикселе, для этого в каждой ячейке надо разместить еще по одному транзистору. Но тогда после считывания заряд оставался бы в пикселе, а для начала нового кадра его надо как-то удалить. Поэтому в пикселе необходим еще один транзистор (транзистор сброса), который позволял бы стирать накопленный в предыдущем кадре заряд. Подобная конфигурация получила название активного пикселя (APS — Active Pixel Sensor, не путайте с аналогичным цифровым форматом).

Идея APS была известна с 60-х годов прошлого века, но на пути ее реализации возникли проблемы. Разместить на небольшом пикселе три транзистора с шинами питания и управления в то время было непросто. Кроме того, надо было еще оставить место и для собственно фоточувствительной области, потому как транзисторы и шины разводки свет не пропускают. А на долю светочувствительной области оставалось менее 10 процентов площади пикселя. Поэтому и чувствительность их в сравнении с ПЗС была ниже. Словом, проблем было немало, и первые приборы с активным пикселем появились только в 1993 году.

Реально КМОП-сенсоры стали конкурентоспособными, когда пассивный пиксель удалось заменить на активный. Со стороны это кажется невероятно простым: всего-то добавить пару транзисторов в пиксель…

И затвор поехал
Любопытно, что первые образцы КМОП-сенсоров были изготовлены в Лаборатории реактивного движения американского космического агентства NASA. Да и взлет КМОП в скором времени был поистине реактивный. К тому времени технология КМОП уже была хорошо отработана, поэтому фотосенсоры КМОП оказались существенно дешевле, чем ПЗС. Этой технологией обладали многие фирмы, и количество желающих наладить выпуск новых приборов быстро росло, что также ускоряло их прогресс.

Успехи аналоговой КМОП-технологии позволили разместить на том же кристалле еще и дополнительные схемы, вплоть до АЦП. В эйфории многие предрекали в ближайшем будущем смерть ПЗС и полное господство КМОП. Но нерешенные проблемы еще оставались. Например, как сделать электронный затвор. При кажущейся очевидности решения оно оказалось совсем нетривиальным.

Рассмотрим схематично процесс получения кадра в КМОП-фотосенсоре. Предположим, экспонирование кадра началось одновременно во всех пикселях. Затем полученную информацию надо считать. Но пока считывается начальный участок кадра, все остальные пиксели продолжают накапливать заряды. В результате получается заметная разница во времени накопления между первыми и последними пикселями, т.е. время экспозиции по кадру будет неодинаковым, увеличиваясь от начала кадра к его концу. Конечно, можно поставить механический затвор, хотя в цифре это, в определенном смысле, шаг назад. К тому же в видеозаписи механическим затвором проблему не решить. Нужна была закрытая от света память, куда по окончании экспозиции можно было бы спрятать полученный заряд. Причем память такая должна быть в каждом пикселе.

Проблема решаемая, но опять же за счет уменьшения светочувствительной области фотоячейки. А она и так крошечная, ведь там уже были три транзистора APS и шины питания и управления. Предлагались различные технические варианты, но одна решенная проблема вызывала другую, та, в свою очередь, третью…

В конечном итоге победила реализация под названием Rolling Shutter. Устоявшейся терминологии в русском языке пока нет, поэтому мы будем переводить этот термин как «скользящий» или «строчный» затвор. Его суть в том, что момент начала экспозиции в разных строках разный.

Однако скользящему затвору присущ один существенный недостаток. Движущиеся объекты получаются искаженными, ведь за то время, пока начало экспозиции дойдет от первой строки до последней, объект съемки успеет сдвинуться. Поэтому вертикальные линии движущихся объектов получаются наклонными. Особенно это проявляется при работе с короткими выдержками, поэтому скользящий затвор является серьезным недостатком для цифровой фотографии. Но, несмотря на это, в настоящее время подавляющее большинство производителей КМОП выпускают фотосенсоры такого типа.

Сенсоров КМОП с кадровым затвором (чаще его называют Global Shutter), где экспозиция начинается одновременно во всех пикселях, гораздо меньше. Например, у компании Kodak из восьми выпускаемых в настоящее время сенсоров только один имеет общий затвор.

Казалось, будет лучше…
Первые серийные выпуски КМОП-сенсоров показали очень обнадеживающие результаты. Стоимость их была существенно ниже, чем у ПЗС, а возможности гораздо больше. Ведь камеры на ПЗС содержали массу дополнительных микросхем управления, преобразования уровней сигналов, питания, АЦП. К тому же электроника для камеры с ПЗС размещалась на плате, а то и не одной, а в КМОП все это умещалось на единственном кристалле внутри микросхемы. В настоящий момент появилась даже одночиповая фотокамера для мобильного телефона, где на микросхеме установлен также и… объектив!

Меньшая стоимость и возможность интеграции на одном чипе всей необходимой электроники до сих пор остаются главными козырями КМОП. Но по техническим параметрам они уступали камерам на ПЗС. Главная причина состояла в том, что транзисторы, преобразователь и шины уменьшили полезную площадь сбора фотонов в пикселе. Параметр Fill Factory (FF) как раз и характеризует отношение полезной, то есть светочувствительной площади к общей площади пикселя. У первых КМОП с активным пикселем APS этот параметр не превышал 10–15 процентов, в настоящее время доходит до 30 процентов и более.

Первые КМОП-сенсоры имели заметно больший шум. В ПЗС преобразование заряда в напряжение осуществляется одним транзистором, а в КМОП их столько, сколько и пикселей. Но даже при современном уровне технологии нереально сделать полностью одинаковыми несколько миллионов транзисторов, а разброс их параметров приводит к повышенному отличию уровней выходных сигналов с разных пикселей. Этот вид шума называется Fixed Pattern Noise (FPN) и обычно он весьма заметен.

Но уже появились разработки, позволяющие существенно уменьшить его. Так, благодаря предварительному высокоскоростному опросу ячеек матрицы и вычитанию фоновых возмущений из общего сигнала, первая массовая зеркальная фотокамера с КМОП-сенсором Canon EOS-D30 (2000 год) имела шумы практически на уровне с лучшими ПЗС, на тот момент — камерой Nikon D1.

Цветные слои
Процесс получения цветной картинки в КМОП и в ПЗС принципиально ничем не отличается. В обоих случаях используется т.н. фильтр Байера. Но среди КМОП есть исключение, на котором, ввиду его уникальности, нельзя не остановиться.

Компания Foveon использует способ цветоделения, основанный на способности фотонов проникать в полупроводник на разную глубину. Синие лучи поглощаются в поверхностном слое, максимум поглощения зеленых расположен на некотором удалении от поверхности, а красные проникают в полупроводник глубже других. Поэтому вполне логично расположить одну под другой три фоточувствительные области, каждая из которых отвечает за один цвет. Прямо как в фотопленке!

Технология получила название Х3 и, несмотря на кажущуюся простоту, на ее разработку ушло почти десять лет.

Разрешение сенсоров, выполненных по этой технологии, заметно лучшее, и это потенциально позволяет получать более четкие снимки. Ведь в каждом пикселе сразу представлена «честная» информация обо всех трех цветах, а в фильтре Байера два цвета всегда получаются при помощи вычислений по группе соседних.
Однако технология X3 также не лишена недостатков. Прежде всего, это больший размер пикселя, т.к. на его поверхности надо разместить три электронных узла APS, поскольку одна под другой располагаются только фоточувствительные области. Следовательно, достичь высокой плотности размещения светоприемных ячеек на том же размере матрицы пока не удается. Другой недостаток — повышенная корреляция между слоями фотосенсоров. Чтобы избежать сильных цветовых искажений, световой поток на каждом слое приходится математически реконструировать с учетом поглощения в вышележащих слоях. А это требует мощных вычислений.

В настоящий момент использование сенсоров Foveon можно буквально пересчитать по пальцам одной руки: зеркальная камера Sigma SD10 и компактная Polariod x530, да еще пара-тройка видеокамер. И все… Пока?

С уверенностью в будущем
Размещение АЦП на том же кристалле, что и сам сенсор, дает много преимуществ. Но требования к нему достаточно высокие: он должен успевать преобразовать сигнал за время считывания пикселя. Появилась идея использовать несколько АЦП, каждый из которых работает на свой столбец. Эта технология иногда называется активным столбцом ACS (Active Column Sensor). При этом требования к «скорострельности» каждого АЦП снижаются, но скорость считывания возрастает, т.к. преобразование с группы пикселей идет параллельно.

Дальнейшее развитие КМОП-сенсоров предполагает установку АЦП в каждом пикселе. Такая концепция получила название цифрового пикселя DPS (Digital Pixel Sensor). Эта технология, разрабатываемая компанией Stanford Programmable Digital Group (PDG), уже получила обнадеживающие результаты. Пробный образец КМОП с DPS, сделанный несколько лет назад (матрица 352&1110;288 элементов с пикселем размером 9,4 мк) имел скорость считывания 10 тыс. кадров в секунду или 1 Гпикс./с! Поэтому в скоростной киносъемке будущее будет за КМОП-сенсорами. Впрочем, в фотографии, похоже, тоже…

Виктор БЕЛОВ