Ewolucja technologii CMOS

Czujniki obrazu wykorzystujące technologię CMOS są jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysłu półprzewodnikowego. Do ich kluczowych zastosowań należą kamery w telefonach komórkowych, cyfrowe kamery i aparaty fotograficzne, kamery wideo, kamery stosowane do monitoringu, umieszczane w samochodach oraz elektronika ubieralna czy gry interaktywne. Wyścig postępującej miniaturyzacji i coraz lepszej rozdzielczości trwa od lat, jednak w ostatnim czasie wydaje się nieco zwalniać. O ile wymagania związane z wydajnością pozostają takie same, wciąż maleje rozmiar pikseli (Rysunek 1). Na rynku komercyjnym dostępne stały się matryce o rozdzielczości 40 megapikseli, pojawiły się też pierwsze sensory dla dużych formatów TV (8K). Rysunek 1: Zmiany rozmiarów pikseli w technologiach CMOS, IT-CCD i FT-CCD na przestrzeni lat. Metoda równoległego odczytu kolumn, bazująca na przetwarzaniu potokowym i wielokrotnym próbkowaniu, stała się standardem dla niskoenergetycznych, ultraszybkich, niskoszumowych kamer i aparatów. Iluminacja tylna z kolei jest dziś wiodącą technologią w obrazowaniu w urządzeniach mobilnych, a warstwowe ułożenie matrycy światłoczułej na procesorze CMOS staje się coraz bardziej popularne. Wciąż wzrasta też znaczenie technologii samego przetwarzania sygnału cyfrowego, stwarzając możliwość zminimalizowania niedoskonałości i zakłóceń czujnika oraz skompensowania ograniczeń optycznych. Poziom obliczeniowy sensorów wzrasta do tysięcy operacji na jeden piksel, wymagając wysoko wydajnych i niskoenergetycznych metod przetwarzania. Technologia HDR (High Dynamic Range) cieszy się obecnie silną pozycją pośród niskokosztowych metod obrazowania, stosowanych w elektronice konsumenckiej. Technologia ta bazuje na łączeniu odrębnych obrazów, jednak nowe prace rozwijają się w kierunku wyspecjalizowanych architektur rozszerzających zakres dynamiczny pojedynczych ekspozycji, co może pozwolić na wyeliminowanie artefaktów ruchowych. Innym rozwiązaniem, wprowadzonym w celu usunięcia zakłóceń związanych z ruchem obiektów, jest migawka globalna. W precyzyjnych, naukowych lub medycznych rozwiązaniach, ale także w produktach konsumenckich, stosowane są obecnie matryce fotodetektorów SPAD (Single-Photon Avalanche Diode). Głęboko submikronowa technologia CMOS SPADs spełnia wymagania takie jak wysoka rozdzielczość i duża dokładność konwerterów TDC (Time-to Digital Converter) oraz małe rozmiary układów kształtowania sygnału wizyjnego o lepszym współczynniku wypełnienia. Tu również wykształciła się tendencja umiejscawiania matrycy SPAD na procesorze CMOS. Udział matryc CCD na rynku zmniejsza się i są one obecnie przypisane mniej popularnym zastosowaniom. Emisja obrazu wysokiej jakości wraz z cyfrowymi kamerami z wyższej półki ewoluowała z technologii CCD do CMOS (Rysunek 2). Rysunek 2: Tendencje zmian parametrów czujników obrazu; na pionowych osiach kolejno : czułość, pojemność studni potencjału, wzmocnienie konwersji, w zależności od rozmiaru pojedynczego piksela (oś pozioma). © ISSCC Autor: Makoto Ikeda, University of Tokyo, Tokyo, Japan