Размеры матриц цифровых кинокамер
Некоторые специальные виды матриц Светочувствительные линейки
Основная сфера применения линейных световоспринимающих устройств — сканеры, панорамная фотоаппаратура, а также спектроанализаторы и другое научно-исследовательское оборудование.
Матрицы с обратной засветкой
В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ.back—illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемыйсветпадает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10-15мкм. Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном вастрономической фотографии.
Светочувствительность
Светочувствительностьматрицы складывается из светочувствительности всех еёфотодатчиков(пикселей) и в целом зависит от:
интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величиныфотоэффектаксветовому потоку(влюменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;
монохроматической светочувствительности— отношения величины фотоэффекта к величинесветовой энергии излучения(в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;
набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра светасоставляетспектральную светочувствительность— зависимость светочувствительности отдлины волны света;
КМОП-матрица
КМОП-матрица — светочувствительная матрица, выполненная на основе КМОП-технологии.
В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.
Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 — светочувствительный элемент (диод); 2 — затвор; 3 — конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 — усилитель; 5 — шина выбора строки; 6 — вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 — сигнал сброса.
Точная дата рождения КМОП-матрицы неизвестна. В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития.
В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы.
Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.
В результате к 2008 году КМОП стали практически альтернативой ПЗС.
В 2011 году на форуме MWC в Барселоне компания Samsung продемонстрировала КМОП-сенсоры нового типа, которые ориентированы на применение в смартфонах.
Принцип работы
До съёмки подаётся сигнал сброса
В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом
В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе
Преимущества
Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.
С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого.
Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.
Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом. Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС. Но в 2007 году компания Sony выпустила на рынок новую линейку видео- и фотокамер с КМОП-матрицами нового поколения с технологией EXMOR, которая ранее применялась только для КМОП-матриц в специфических оптических устройствах таких как электронные телескопы. В этих матрицах электронная «обвязка» пиксела, препятствующая продвижению фотонов на светочуствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой матрицы, что позволило увеличить как физический размер пиксела при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пиксела и матрицы в целом. Матрицы КМОП впервые сравнились с ПЗС-матрицами по светочувствительности, но оказались более энергосберегающими и лишенными главного недостатка ПЗС-технологии — «боязни» точечного света. В 2009 году компания Sony улучшила КМОП-матрицы с технологией EXMOR применив к ним технологию «Backlight illumination» («освещение с задней стороны»). Идея технологии проста и полностью соответствует названию.
Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая, и возникает проблема разброса светочувствительности и коэффициента контраста пикселей матрицы. В результате чего первые произведённые КМОП-матрицы имели сравнительно низкое разрешение и высокий уровень так называемого «структурного шума» (англ. pattern noise).
Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума.
Выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пиксела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.
SIMD WDR матрица, также выполненная на основе КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволяет радикально увеличить фотографическую широтуустройства.
Live-MOS-матрица
Live-MOS матрица — торговое название разновидности светочувствительных матриц, разрабатываемых Panasonic и применяемых также в изделиях Leica и Olympus. Благодаря ряду технических и топологических решений матрицы имеют возможность «живого» просмотра изображения.
Технологические решения
Уменьшено расстояние от каждого фотодиода до соответствующей микролинзы. Позволяет получить высокую чувствительность и качество изображения, даже при высоких углах падения света.
Упрощена передача регистров и других сигналов с большей поверхности фотодиода, для увеличения уровня чувствительности и отклика. Позволяет увеличить скорость обработки данных.
Уменьшение количества управляющих сигналов с 3 в стандартных CMOS сенсорах до 2 (как в CCD-матрицах) увеличило результирующую фоточувствительную область пиксела. Это минимизировало неиспользуемую поверхность датчика.
Разработан новый низкошумящий усилитель уровня сигнала фотодиода.
Фоточувствительная область составляет 30 % поверхности элемента датчика (сопоставимо с CCD-матрицами). Используется более тонкая структура слоя датчиков типа NMOS.
Для уменьшения шумовых характеристик данная технология разрабатывалась для 5 В (по спецификации проекта 2,9 В) низковольтных систем. Фотодиодные датчики размещены на кремниевой подложке, чтобы изолировать фотодиодные датчики от вызывающих шум элементов, расположенных на поверхности чипа. Уменьшение напряжения питания помогает избежать перегрева матрицы. В результате изображения получаются более яркими, менее зернистыми и с низким уровнем белого шума, даже при фотографировании в условиях недостаточной освещенности.Матрица Live-MOS немного хуже по параметрам матрици CMOS.
Создана и применяется компанией Panasonic. Выполнена на основе МОП-технологии, однако содержит меньшее число соединений для одного пиксела и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.
Обратная засветка матрицы
Технология, при которой свет попадает в матрицу не со стороны электродов, а со стороны подложки, обеспечивая повышение чувствительности матрицы.
Электроды из поликристаллического кремния, используемые в процессе преобразования фотонов в электроны, частично рассеивают свет, уменьшая тем самым чувствительность элементов матрицы. Для съемки, требующей улучшенной восприимчивости матрицы к синей и ультрафиолетовой части спектра, применяются матрицы с обратной засветкой, в которых свет проникает не со стороны электродов, а со стороны подложки. Для этого на высокопрецизионном оборудовании подложка шлифуется до толщины 10–15 микрометров. Данная стадия обработки в свое время сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. Современные технологии обеспечивают достаточную прочность матриц при разумной цене производства.
Матрица — двумерный (то есть состоящий из строк и столбцов) массив светочувствительных (либо термочувствительных) элементов, преобразующих свет в электрический заряд.
Статья в глоссарии
Матрица — двумерный (то есть состоящий из строк и столбцов) массив светочувствительных (либо термочувствительных) элементов, преобразующих свет в электрический заряд.
Статья в глоссарии
Что такое КМОП-матрица с задней подсветкой?
В КМОП-матрице обычной конструкции подложка (отмечена синим квадратом) расположена над фотодиодом (отмечен коричневым квадратом). Из-за такого расположения подложки часть света отражается и, следовательно, теряется.
В КМОП-матрице с задней подсветкой подложка расположена под фотодиодом, следовательно, свет не отражается и не теряется. Благодаря такой конструкции фотодиоды получают больше света, а матрица в условиях недостаточного освещения или в темноте может создавать изображения более высокого качества.
История
Точная дата рождения КМОП-матрицы неизвестна. В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития.
В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы.
Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.
Что значит в описании камеры — сенсор с обратной подсветкой?
Сам по себе сенсор (по-русски называется «датчик изображения») — полупроводниковый прибор, где на подложке из кремния сформирована электродная структура, с помощью которой и обеспечивается работа такого прибора. Если это ПЗС-матрица, то электроды обеспечивают накопление отдельных зарядовых пакетов и их перенос к выходному устройству матрицы. Если это КМОП-датчик, то там электроды — это затворы транзисторов, потому что в таких датчиках каждая ячейка — это «выходное устройство» (в котором заряд, созданный светом, тут же и превращается в напряжение) , плюс несколько транзисторов для усиления сигнала и его коммутации. Причём тут что надо заметить: что электроды прибора нужны только для управления уже собранными электронами и для считывания сигнала, и ни для чего больше.
В обычных матрицах (их ещё называют «датчики с фронтальной засветкой») свет падает на ту же сторону кристалла, где и расположены все эти активные элементы, со своими электродами. Но эти электроды частично загораживают свет. Поэтому чувствительность приборов с фронтальной засветкой далека от теоретически возможной.
В приборах с обратной засветкой именно это и происходит: свет на кристалл подаётся с задницу. Со стороны, противоположной электродам. Штука в том, что в кремнии электроны, из которых и формируется сигнал, генерироваться могут в одном месте, а собираться в пакеты — в другом. Вот в матрицах с обратной засветкой это и происходит: кристалл таких матриц утоньшается до толщины в несклько микрон (это обалденно сложный технологический процесс) , и свет на него подётся со стороны, противоположной электродам. Фотогенерированные носители в такой структуре поэтому в свои ямки, где они накапливаются, попадают, путешествуя не вдоль поверхности кремния, как в обычных матрицах, а поперёк: на другую сторону кристалла. Это всё равно недалеко — в микронах.
Ну и поскольку на обратной поверхности кристалла электродов нет (они там не нужны — все операции с зарядовыми пакетами происходят на фронтальной стороне) , то у таких приборов выше чувствительность. Причём сильно выше — раза в два-три по сравнению с обычными приборами. А значит, при том же размере элемента надо меньше света, чтоб сгенерировать тот же зарядовый пакет.