Технологии CMOS и чувствительность

Опубликовано: 02.09.2018

видео Технологии CMOS и чувствительность

Что такое видеокамеры STARLIGHT Новые технологии для систем видео наблюдения, cравнение, тесты

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик   |   К списку авторов   |   К списку публикаций



Похоже, наконец это свершилось! Можно считать, что чувствительность CMOS-сенсоров сравнялась с чувствительностью CCD, а иногда уже и превышает ее. Особенно в новейших технологиях

Николай Чура

Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"

Матрицы CCD всегда характеризовались более высокой чувствительностью, чем CMOS. Для видеонаблюдения этот параметр является важнейшим, поскольку наблюдение, особенно наружное, как правило, должно обеспечиваться круглосуточно вне зависимости от освещенности объекта.


Камера Canon EOS 80D: технология Dual Pixel CMOS AF

Создать хорошее искусственное освещение на больших и открытых площадях – задача непростая и затратная. Более того, зачастую видимое освещение не всегда допустимо из соображений "световой экологии" или скрытности наблюдения. В таких случаях применяют инфракрасные (ИК) осветители и камеры "день/ночь" или черно-белое изображение. Но в любом случае приходится довольствоваться именно черно-белой картинкой. С одной стороны, это обусловлено отсутствием понятия цвета для ИК-диапазона. С другой, спектральные характеристики цветных камер для разных цветовых составляющих в области ИК-полностью идентичны.


Почему STARLIGHT убивает обычные ИК камеры Превосходство технологий

Чувствительность CCD

По мере развития технологий чувствительность CCD для видеонаблюдения непрерывно росла. И это несмотря на постепенный переход к меньшим форматам матриц (2/3, 1/2, 1/3 и 1/4"), а соответственно, и уменьшению площади единичного элемента изображения – пикселя.

Первоначально площадь самих чувствительных элементов составляла 10–15% от полной площади матрицы. Этот процент снижался по мере уменьшения размера матрицы. Остальная площадь использовалась под соединительные элементы, системы переноса и накопления заряда, антиблюминга и другие вспомогательные задачи. Кардинально улучшить чувствительность удалось после применения массива микролинз (Super HAD), существенно увеличившего площадь сбора световой энергии. Постепенно микролинзы менялись по площади, совершенствовались по геометрии, иногда даже превращались в систему линз.

Для цветных вариантов повышали пропускание пиксельных светофильтров. Только один из этапов этого процесса представлен на рис. 1 на примере Super HAD – Super HAD II.

Инфракрасный диапазон

Очень популярным методом, начиная с технологии EXview HAD CCD, является увеличение чувствительности в область ближнего ИК-диапазона (700–1000 нм).

Строго говоря, распространенная технология повышения чувствительности матрицы за счет увеличения чувствительности в области ИК-излучения не относится к чувствительности в люксах. Все фотометрические единицы имеют прямое отношение к взаимодействию света с глазом человека, а поэтому предполагают спектральную характеристику чувствительности, по крайней мере близкую так называемой кривой видности глаза. Но при оценке чувствительности матриц традиционно используются "тепловые" источники света (лампы накаливания) с цветовой температурой 3200K, интенсивно испускающие ИК-излучение с максимумом суммарного спектра излучения около 1000 нм. Именно потому так разнятся "измеренные" и расчетные значения чувствительности. Естественно, это характерно не только для черно-белых CCD, но и для современных камер "день/ночь" с ИК-чувствительностью. Причем это так вне зависимости от типа сенсора. На протяжении всей современной истории развития российского видеонаблюдения на это многократно указывали многие специалисты. Применяя для испытаний камер современные светодиодные осветители, полностью лишенные ИК-излучения, получают совершенно другие, значительно более скромные результаты чувствительности в люксах. Так же, как и используя современное ночное "эффективное" светодиодное освещение "белого света", можно получить не такие результаты, как с "малоэффективным" галогенным прожектором для камеры в ночном режиме. Либо надо создавать освещенность более 30–50 лк и переходить в цветной дневной режим. Но учитывая квадратичную зависимость освещенности от дальности, получить значительные площади наблюдения с искусственным освещением в цвете очень непросто.

Проблемы наблюдения в ИК-диапазоне

Конечно, пользователю в принципе неважно, работает ли его камера от "люксов" или от "ватт на метры квадратные". Главное, чтобы была картинка. Но, во-первых, c ИК-чувствительностью вынужденно используется черно-белое изображение, чтобы не получить сильные цветовые искажения. А во-вторых, ИК-излучения в естественном освещении ночью не так много, поэтому надо использовать ИК-подсветку, что сейчас и делается почти повсеместно. Тем более что современные осветители "белого света" распрощались с лампами накаливания как с обычным, так и с галогенным циклом и перешли на светодиодные, металлогалогенные и ксеноновые излучатели, которые практически не содержат ИК-составляющей.

Наиболее наглядно можно проследить технологическое развитие матриц на примере все той же компании SONY – благодаря огромному ассортименту матриц CCD и CMOS различного назначения и разрешения, единой методики тестирования, а также доступности технических характеристик. По не очень полным описаниям матриц других производителей очевидно, что в той или иной мере они используют похожие технологические решения, поскольку "река технического прогресса" в наше информационное время едина для всех. По мере совершенствования технологий производства CCD их чувствительность выросла почти в 8 раз, а с использованием ИК-области – более чем в 20 раз. Динамический диапазон расширился более чем в 1,5 раза.

Чувствительность CMOS

Аналогичные процессы происходят и с матрицами CMOS. Отличие лишь в том, что эта технология более молодая и дешевая в производстве. Но из-за широкого применения в мегапиксельном наблюдении с малой площадью пикселя вопрос о чувствительности стоит для них особенно остро. Чувствительность CMOS-сенсоров максимально приблизилась к чувствительности CCD после создания технологии Exmor. В целом методы повышения чувствительности CMOS подобны методам для CCD:

Увеличение эффективности микролинз. Уменьшение поглощения света в материале сенсора, оптических элементах и светофильтрах. Уменьшение рассеивания на проводниках структуры, для чего используется материал с большей проводимостью (медь вместо алюминия), но меньшего сечения. Это особенно актуально для структуры CMOS, содержащей большое количество элементов, включая усилительные каскады.

На рис. 2 показано развитие структуры пикселей CMOS-сенсоров до современного состояния.

Ключевым моментом, отличающим Exmor от других технологий, является максимальное приближение к самому светочувствительному элементу преобразования аналога в цифру (рис. 3).

То есть вместо общего преобразователя используются отдельные преобразователи для каждого столбца. Это позволило существенно снизить шум сенсора, а следовательно, увеличить его чувствительность. Замена материала соединительных проводников снизила перекрытие светового потока и уменьшила суммарную толщину всего сенсора. Подобное изменение конструкции продемонстрировано на предпоследнем варианте пикселя рис. 2. Кроме того, за последнее время значительно увеличилась возможная разрядность аналого-цифрового преобразования. Вначале до 12, а теперь уже и до 14 бит, что также увеличило динамический диапазон и снизило шум сенсора.

Технология Exmor позволила улучшить чувствительность сенсоров до 50–80 мВ/мкм2. Другими словами, практически совпадает по удельной чувствительности с лучшими образцам CCD-технологий Super HAD II и EXview HAD II. Правда, для безболезненной замены аналоговых камер на мегапиксельные желательно было бы приблизиться по чувствительности от формата CCD SD хотя бы к популярному и наиболее востребованному FullHD. В наиболее распространенных сенсорах с форматом, близким к 1/3", сторона пикселя не превышает 2,5–2,8 мкм. Другими словами, чтобы эффективно соперничать с недавно популярными камерами 960H, необходимо иметь удельную чувствительность CMOS-сенсоров почти в 4 раза выше CCD.

Новые форматы и технологии

Приход новых форматов изображения 4K и 8K еще более актуализировал рост чувствительности CMOS-сенсоров. Здесь большие надежды подает технология BSI (или BI – Back-Illuminated Sensor) и ее клоны, которая была впервые предложена компанией Omnivision, однако поначалу имела слишком высокую стоимость. У SONY эта технология получила название Exmor R и Exmor RS. Впервые она широко стала применяться в миниатюрных камерах для мобильных устройств. Вообще этот сегмент, как и другие бытовые направления, является двигателем технического прогресса и в области сенсоров изображений – ввиду масштабности рынка и крайней заинтересованности в нем производителей. Главное отличие этой технологии – принципиальное изменение расположения самого чувствительного элемента с нижнего слоя кремниевой пластины, над которым располагались элементы схемы и соединительные проводники, непосредственно к линзовому массиву с цветными фильтрами RGB. На рис. 2 это последняя технология пикселя, получившая название Starvis. Предполагалось, что чувствительность подобных сенсоров будет иметь по крайней мере двукратное преимущество относительно предыдущих вариантов. В реальности значения удельной чувствительности CMOS-сенсоров Exmor R варианта Starvis лежат в диапазоне 70–140 мВ/мкм2. Практический аналог этой технологии предлагается Omnivsion под названием BSI-2. Примечательно, что в ней использованы конструктивные решения разводки из меди, аналогичные Exmor, что опять же говорит о единстве технических решений.

Методики оценки чувствительности в разных компаниях несколько различаются, поэтому сравнить модели по этому параметру затруднительно. Но уже показательно, что Omnivision стала указывать чувствительность сенсора в перечне технических характеристик. Спектральные характеристики чувствительности сенсоров пока остаются неведомыми, а в последнее время и у SONY приводятся нерегулярно. Можно только предполагать, что они несильно отличаются друг от друга. Для последнего достижения борьбы за чувствительность CMOS-сенсоров – технологии Starvis, основанной на структуре BSI, – заявляется почти "немыслимая" удельная чувствительность – 2000 мВ/мкм2 и более. Правда, эта величина дана для времени накопления 1 с, в то время как по типовой методике этого производителя чувствительности обычно нормируются для времени накопления 1/30 с. Другими словами, удельная величина составит более 70 мВ/мкм2. Лучшие модели этой технологии имеют максимальное 14-битное преобразование (для 30 кадр/с). В них используется технология брекетинга – съемка одного и того же кадра несколько раз с разными настройками основных параметров. Благодаря этому возможна реализация режима WDR с двойным сканированием (при 60 кадр/с). Широкие функции усиления позволяют отдельную регулировку усиления каждого пикселя по каждому цвету. Возможно также двухканальное усиление от каждого пикселя с последующим суммированием, что реализует корреляционный прием с улучшением отношения сигнал/шум еще в 1,4 раза. Эти меры позволяют обеспечить большое усиление сигнала с минимальным шумом, то есть высокую чувствительность.

Рост эффективности сосветосильной оптикой

Снижение толщины сенсора не только исключает падение эффективности приема при использовании светосильных объективов, но даже увеличивает эффективность и чувствительность приема. Так, например, для обычных сенсоров формата 1/2,8–1/3,2" с пикселем 2,5 мкм при изменении F-числа объектива c 5,6 до 1,2 эффективность снижается с 1 до 0,6. Для сенсора BSI она несколько увеличивается – до 1,1.

Очевидно, что с сенсорами Starvis можно более эффективно использовать светосильную оптику и тем самым обеспечить высокочувствительный прием изображения.

Таким образом, современные технологии CMOS-матриц достигли значительных успехов в повышении чувствительности и уже практически "победили" CCD.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #6, 2016

Посещений: 2779

   Автор

Чура Н.И.Технический консультант ООО "Система СБ" и ООО "Микровидео /Группа".

Всего статей:  54

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик   |   К списку авторов   |   К списку публикаций

Добавить комментарий

rss