Технологические инновации КМОП-камер OmniVision — оптимальный выбор для высокообъемных применений. Часть 1

Все статьи цикла:

• Технологические инновации КМОП-камер OmniVision — оптимальный выбор для высокообъемных применений. Часть 1
• Технологические инновации КМОП-камер OmniVision — оптимальный выбор для высокообъемных применений. Часть 2

В настоящее время подавляющее большинство фото- и видеоустройств строятся на базе двух основных типов датчиков изображения: матриц CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП).
Первый из этих типов датчиков может обеспечить большее разрешение, и в большинстве стандартных применений — лучшее качество изображений, но, по сравнению с устройствами на основе КМОП-техноло-гии, является более дорогим. Это происходит потому, что КМОП-технология легко интегрируется со схемами обработки сигнала в одной ИС, а также позволяет переносить достижения этой технологии малого энергопотребления во многие портативные приборы.
Сравнение характеристик датчиков изображения CCD и CMOS — отдельная тема, и CCD-камеры также представляют собой перспективные устройства как для переносных, так и, например, автомобильных видеокамер. Но их основное ограничение связано с ценой, которая вытекает из технической сложности реализации заложенных в технологию физических принципов.

Физические основы технологии CCD (ПЗС)

Матрица CCD (Charged Coupled Device) или ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью) — аналоговая микросхема, состоящая из фотодиодов, расположенных на подложке в виде столбцов и строк, с управляющим затвором возле каждого фотодиода.
Напряжения на затворах изменяют электрические потенциалы вблизи электродов из поликристаллического кремния (или сплава индия и оксида олова), отдаленных от кремниевой подложки, и создают таким образом своеобразные ячейки — потенциальные ямы, стены которых— потенциальные барьеры (рис. 1).
Фотоны света, прошедшие через объектив и попавшие на светочувствительную область фотодиода, благодаря внутреннему фотоэффекту генерируют электроны, которые скапливаются в потенциальной яме каждого фотодиода. Чем интенсивнее световой поток и больше время его накопления (экспозиция), тем больший заряд скапливается.
Далее происходит считывание содержимого каждой ячейки первой строки матрицы и необходимая аналого-цифровая обработка. После чего напряжение на затворах между первой и второй строкой понижается, потенциальный барьер уменьшается, и заряд из ячеек второй строки перетекает в потенциальные ямы первой строки. При этом столбец матрицы для каждого заряда остается прежним (рис. 2). Такая же операция выполняется с зарядами второй и третьей строки, третьей и четвертой и так далее, заставляя заряды с каждым считыванием сдвигаться на одну строку ближе к первой, по принципу сдвигового регистра. Считывание и сдвигание выполняется до тех пор, пока последняя строка не будет считана и преобразована в определенный уровень напряжения. Для считывания может потребоваться дополнительно одна или несколько микросхем.
Способ передачи заряда от ячейки к ячейке и дал название «приборы с зарядовой связью».

Физические основы технологии CMOS (ПЗС)

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) или КМОП (Комплементарная
Метал-Оксид Полупроводник) — это матрица изображения, изготовленная на основе КМОП-элементов.

Также как ПЗС, КМОП-матрица состоит из фотодиодов, но роль «хранителя» заряда выполняет конденсатор.

Рядом с фотодиодом располагаются транзисторы. Первый в качестве электронного ключа открывающего цепь «фотодиод — конденсатор», второй для установки конденсатора в «начальное» состояние. Как правило, «начальным» состоянием у конденсатора КМОП-матрицы будет заряженное состояние, а фотодиод будет разряжать его (рис. 3). Сначала конденсатор заряжается до определенного значения. Затем транзистор цепи заряда закрывается, и конденсатор начинает разряжаться через цепь фотодиода. Чем больше света попадает на фотодиод, тем больше он разряжает конденсатор.
Затем измеряется оставшееся напряжение, и по полученному значению падения напряжения определяется количество света, попавшего на определенную ячейку. Время между прекращением заряда конденсатора и измерением напряжения на нем будет временем экспозиции. Напряжение и яркость света обратно пропорциональны «черному» цвету (или отсутствию света). В КМОП-матрице этому состоянию будет соответствовать полностью заряженный конденсатор, в ПЗС-ма-трице наоборот — незаряженная ячейка.
Для считывания информации в структуру ячейки КМОП-матрицы добавляется дополнительный транзистор — усилитель, а также цифровыми камерами, тогда как областью применения ПЗС-матриц остаются камеры видеонаблюдения, камкордеры и цифровые фотоаппараты. Но и в этих сегментах рынка КМОП теснит ПЗС.

КМОП-технология — выбор компании Omnivision

Одним из крупнейших мировых производителей КМОП-матриц изображения является компания OmniVision (табл. 2).
Чтобы упорядочить и объяснить различные характеристики и функции матриц изображения, остановимся на некоторых вопросах подробнее.
Фотодиоды в каждой ячейке матрицы устроены таким образом, что они реагируют на уровень освещенности, а не на какие-то определенные цвета. То есть, фактически, матрицы черно-белые. Мало того, матрицы одинаково хорошо «видят» не только в видимой области спектра, но и в инфракрасной. Если целью применения матрицы является фотография, то цвета видимого спектра будут переосвещены, что внесет искажения в видимое изображение. Хотя существуют исключения, когда требуется регистрация именно инфракрасного изображения — например, системы технического зрения или камеры ночного видения, в которых применяются черно-белые матрицы без инфракрасного фильтра. Это, в числе прочего, улучшает их чувствительность.
Избавиться от инфракрасной составляющей достаточно просто установкой фильтра. Фильтр может устанавливаться на самой матрице или выполняется нанесение на линзу объектива покрытия, непропускающего инфракрасную составляющую.транзисторы выбора ячейки в составе столбца или строки (рис. 4). Кроме того, технология КМОП позволяет разместить на кристалле матрицы все аналого-цифровые элементы схемы, необходимые для получения полностью законченной системы на кристалле. Выходными интерфейсами матрицы могут быть цифровые интерфейсы или аналоговые: композитный и S-Video сигналы, подключаемые прямо к видеомонитору. Для работы матрицы необходима лишь подача напряжения питания и кварцевый генератор. Пример — семейство матриц CameraChip компании OmniVision.
На рис. 5 и в таблице 1 представлена сравнительная структурная схема матриц ПЗС и КМОП.

ПЗС-матрицы находят свое применение в высокочувствительных приборах среднего и hi-end класса. Но в сегменте недорогих массовых устройств все большую конкуренцию ПЗС составляют КМОП-матрицы, технология производства которых в последние годы достигла уровня, позволяющего выпускать микросхемы, которые не уступают по своим техническим характеристикам ПЗС, но являются более дешевыми и экономичными. Так, в отчете компании In-Stat, занимающейся маркетинговыми исследованиями рынка, к середине 2007 года КМОП-матрицы доминировали на рынке над ПЗС-матрицами, занимая более 75% от общего объема производства. Высокие процентные показатели КМОП-матриц определяют, в первую очередь, мобильные телефоны со встроенными

усилителями.цифровыми камерами, тогда как областью
применения ПЗС-матриц остаются камеры
видеонаблюдения, камкордеры и цифровые
фотоаппараты. Но и в этих сегментах рынка
КМОП теснит ПЗС.

С определением цвета несколько сложнее. На старых моделях цифровых фотоаппаратов и в дорогих видеокамерах по сей день ставится сразу три матрицы, каждая со своим светофильтром — по одной матрице на каждый из трех цветов RGB (красный, зеленый, синий).
Чтобы улучшить коммерческие свойства продукции, была применена «Матрица Байера» — мозаика из цветных фильтров красного, синего и зеленого цвета. Изобретена доктором Брюсом Э. Байером (Bryce Bayer) из Eastman Kodak. В этой матрице над каждой ячейкой расположен светофильтр одного цвета, а сами светофильтры расположены в шахматном порядке (рис. 6).
Число ячеек зеленого цвета в два раза больше красного и синего, так как человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому, и потери этого цвета были бы наиболее заметны.
Так как каждая ячейка содержит только один из трех цветов, то восстановлением оставшихся двух занимается процессор фотоаппарата на основании данных, полученных из соседних ячеек, с помощью специальных алгоритмов (дебайеризация). Многие производители пользуются собственными алгоритмами интерполяции, встраивая в камеры мощные процессоры изображения, так как некачественная дебайеризация приводит к размытости изображения. Процессор может искусственно повысить четкость изображения, изменить контрастность, яркость, подавить шум или принять другие меры для устранения размытости.
В матрицах Omnivision существуют встроенные управляемые функции, позволяющие снизить нагрузку на процессор и выполнить ряд коррекций в самой матрице. Например — Sharpness (резкость) или Edge enhancement (коррекция контуров), позволяющая повысить четкость изображения.
В КМОП-матрице транзисторы, схемы управления и шины проводников «съедают» часть площади матрицы. Поэтому в большинстве современных матриц поверх каждой ячейки располагается микролинза (рис. 7). Микролинза покрывает большую часть площади ячейки и собирает световой поток на светочувствительную область фотодиода. Микролинзы помогают улучшить изображение и за счет уменьшения площади фотодиода увеличить число управляющих элементов непосредственно на поверхности матрицы. Но микролинзы ограничивают выбор объектива устройства.
Микролинзы изготавливаются на основе органического клейкого геля со стеклянным покрытием.
Кроме обычных микролинз в виде полусферы компанией OmniVision в рамках технологии OmniPixel2 разработаны так называемые Zero-gap микролинзы (Zero-gap — нулевой просвет). В горизонтальной плоскости они выглядят как восьмиугольники (рис. 8). Такая технология позволяет увеличить до 30% световой поток на каждую ячейку матрицы.

Продолжение следует