Русский
Эволюция CMOS-датчиков в модулях камер: от лаборатории до повседневной технологии
Создано 10.09
Войдите в любой магазин электроники сегодня, и вы найдете камеры — будь то в смартфонах, экшн-камерах или охранных устройствах — наполненные крошечным, но мощным компонентом: CMOS-датчиком. Сокращение от Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, этот чип произвел революцию в том, как мы захватываем свет и превращаем его в цифровые изображения. Но его путь от лабораторного эксперимента до основ современногокамера модулиэто не произошло за ночь. Давайте проследим эволюцию CMOS-датчиков, исследуя, как они обогнали более старые технологии, адаптировались к потребностям потребителей и сформировали будущее изображения.
1. Ранние дни: CMOS против CCD – Битва за доминирование сенсоров (1960-е – 1990-е)
Прежде чем CMOS занял центральное место, зарядно-связанные устройства (CCD) правили миром изображения. Разработанные в 1960-х годах лабораториями Bell, CCD превосходно преобразовывали свет в электрические сигналы с высокой чувствительностью и низким уровнем шума — что критически важно для четких фотографий. На протяжении десятилетий они были предпочтительным выбором для профессиональных камер, медицинской визуализации и даже космических телескопов, таких как Хаббл.
Технология CMOS, напротив, появилась примерно в то же время, но изначально была отвергнута как «бюджетная альтернатива». Ранние CMOS-датчики имели два основных недостатка: высокий уровень шума (что создавало зернистые изображения) и плохую светочувствительность. В отличие от CCD, которые требовали внешних схем для обработки сигналов, ранние конструкции CMOS интегрировали компоненты обработки непосредственно на чипе — функция, которая обещала более низкое потребление энергии, но имела свои недостатки. Цепи на чипе создавали электрические помехи, ухудшая качество изображения, и датчики CMOS испытывали трудности с тем, чтобы соответствовать динамическому диапазону CCD (способности захватывать как яркие, так и темные детали).
К 1980-м годам, однако, исследователи начали осознавать потенциал CMOS. Его низкое потребление энергии стало революционным для портативных устройств — то, чего не могли предложить CCD, быстро разряжавшие батареи. В 1993 году команда из Университета Техаса в Остине, возглавляемая доктором Эриком Фоссумом, сделала прорыв: они разработали дизайн "активного пиксельного сенсора" (APS). APS добавил к каждому пикселю на чипе CMOS крошечный усилитель, уменьшая шум и увеличивая чувствительность. Эта инновация превратила CMOS из несовершенной концепции в жизнеспособного конкурента.
2. 2000-е годы: Коммерциализация и рост потребительских CMOS
2000-е годы ознаменовали переход CMOS из лаборатории на полки магазинов. Два ключевых фактора способствовали этому сдвигу: стоимость и совместимость с цифровыми технологиями.
Во-первых, CMOS-сенсоры были дешевле в производстве. В отличие от CCD, которые требовали специализированных производственных процессов, чипы CMOS могли производиться на тех же заводах, что и компьютерные микрочипы (индустрия стоимостью 50 миллиардов долларов на тот момент). Эта масштабируемость снизила цены, сделав CMOS доступными для брендов потребительской электроники.
Во-вторых, модули камер уменьшались в размерах — и CMOS подошел для этой задачи. Поскольку цифровые камеры заменили пленочные модели, потребители требовали более компактные и легкие устройства. Интегрированная обработка CMOS означала, что модули камер не нуждались в дополнительных печатных платах, что сокращало размеры. В 2000 году Canon выпустила EOS D30, первую профессиональную DSLR с сенсором CMOS. Это доказало, что CMOS может обеспечивать изображения качества DSLR, и вскоре такие бренды, как Nikon и Sony, последовали этому примеру.
К середине 2000-х годов CMOS обошел CCD в потребительских камерах. Отчет 2005 года от исследовательской компании IDC показал, что 70% цифровых камер использовали сенсоры CMOS, по сравнению с всего лишь 30% для CCD. Положение изменилось: CMOS больше не был «бюджетным вариантом» — он стал новым стандартом.
3. 2010-е годы: Бум смартфонов – крупнейший разрушитель CMOS
Если 2000-е сделали CMOS мейнстримом, то 2010-е превратили его в повседневную технологию — благодаря смартфонам. Когда Apple выпустила iPhone в 2007 году, он включал 2-мегапиксельный CMOS сенсор, но ранние камеры смартфонов считались «достаточно хорошими» для случайных фотографий, а не конкурентами специализированным камерам. Это быстро изменилось, когда потребители начали использовать телефоны в качестве своих основных камер.
Производителям смартфонов нужны были CMOS-сенсоры, которые были бы крошечными (чтобы поместиться в тонкие устройства), но мощными (чтобы захватывать качественные изображения при слабом освещении). Этот спрос привел к трем основным инновациям:
a. Заднеосвещённый (BSI) CMOS
Традиционные CMOS-сенсоры имеют проводку на передней стороне, что блокирует часть света, достигающего пикселя. BSI CMOS переворачивает этот дизайн: проводка находится на задней стороне, поэтому больше света попадает на пиксель. Это увеличило светочувствительность до 40%, что сделало фотографии в условиях низкой освещенности более четкими. Sony представила BSI CMOS в 2009 году, и к 2012 году он стал стандартом в флагманах, таких как iPhone 5.
b. Стacked CMOS
Сложенные CMOS сделали BSI шагом вперед. Вместо того чтобы размещать схемы обработки на том же слое, что и пиксели, он разместил слой пикселей поверх отдельного слоя обработки. Это освободило место для более крупных пикселей (которые захватывают больше света) и более быстрой обработки (для 4K видео и режима серийной съемки). Samsung Galaxy S5 2014 года использовал сложенные CMOS, и сегодня почти все смартфоны высокого класса полагаются на этот дизайн.
c. Более высокие пиксели и динамический диапазон
К концу 2010-х годов CMOS-датчики достигли 48 мегапикселей (МП) и более. Xiaomi Mi 9 2019 года имел 48МП сенсор Sony, а 108МП сенсор Samsung (используемый в Galaxy S20 Ultra) расширил границы детализации. Датчики также улучшили динамический диапазон — с 8 EV (экспозиционных значений) в 2000-х до 14 EV+ сегодня — позволяя камерам захватывать закаты, не пересвечивая небо и не затемняя передний план.
4. 2020-е годы и по настоящее время: CMOS-датчики для ИИ, IoT и не только
Сегодня CMOS-датчики больше не предназначены только для камер — они становятся основой новой эры умных технологий. Вот как они развиваются:
a. Интеграция ИИ
Современные CMOS-сенсоры работают с AI-чипами для улучшения изображений в реальном времени. Например, Pixel 8 от Google использует 50-мегапиксельный CMOS-сенсор в паре с AI для «вычисления» фотографий: он уменьшает шум, корректирует цвета и даже исправляет размытые снимки до того, как вы нажмете на затвор. AI также позволяет использовать такие функции, как отслеживание объектов (для видео) и портретный режим (который точно размывает фоны).
b. IoT и безопасность
CMOS-датчики достаточно малы, чтобы поместиться в устройствах IoT, таких как умные дверные звонки (например, Ring) и детские мониторы. Они также используются в камерах безопасности с ночным видением — благодаря инфракрасной (ИК) чувствительности CMOS-датчики могут захватывать четкие изображения в полной темноте. В 2023 году исследовательская компания Yole Développement сообщила, что модули камер IoT будут способствовать 12% ежегодному росту продаж CMOS-датчиков к 2028 году.
c. Специализированные датчики для нишевых применений
CMOS-датчики адаптируются под конкретные отрасли:
• Автомобильная: Автономные автомобили используют CMOS-датчики (называемые "датчиками изображения") для обнаружения пешеходов, светофоров и других транспортных средств. Эти датчики имеют высокую частоту кадров (до 120 кадров в секунду), чтобы захватывать быстро движущиеся объекты.
• Медицинские: Миниатюрные CMOS-сенсоры используются в эндоскопах для визуализации внутренних органов, а высокочувствительные сенсоры помогают в рентгеновской и МРТ-диагностике.
• Космос: Марсоход NASA Perseverance использует CMOS-датчик для съемки фотографий Марса. В отличие от CCD, CMOS может выдерживать жесткое излучение космоса, что делает его идеальным для исследований.
d. Меньшая мощность, большая эффективность
По мере того как устройства становятся умнее, время работы от батареи остается приоритетом. Новые конструкции CMOS используют "режимы низкого потребления", которые снижают потребление энергии на 30-50%, когда датчик неактивен. Например, смарт-часы с CMOS-датчиками (для мониторинга сердечного ритма и отслеживания физической активности) могут работать несколько дней на одном заряде.
5. Будущее: Что дальше для CMOS в модулях камер?
Эволюция CMOS-датчиков не показывает признаков замедления. Вот три тенденции, за которыми стоит следить:
a. Глобальный затвор CMOS
Большинство CMOS-датчиков используют «катящийся затвор», который захватывает изображения построчно — это может вызывать искажения (например, наклоненные здания в быстро движущемся видео). CMOS с глобальным затвором захватывает всё изображение сразу, устраняя искажения. Он уже используется в профессиональных камерах (например, в Sony FX6), но стоит дорого. По мере снижения цен глобальный затвор появится в смартфонах, делая экшн-видео и VR-контент более плавными.
b. Мультиспектральная съемка
Будущие CMOS-датчики будут захватывать не только видимый свет — они будут обнаруживать инфракрасное, ультрафиолетовое (UV) и даже тепловое излучение. Это может позволить смартфонам измерять температуру (для приготовления пищи или медицинских проверок) или видеть сквозь туман (для вождения). Samsung и Sony уже тестируют многоспектральные CMOS, коммерческие устройства ожидаются к 2026 году.
c. Меньшие, более мощные датчики
Закон Мура (который предсказывает более мелкие и быстрые чипы) также применим к CMOS. Исследователи разрабатывают CMOS-сенсоры «нанопикселей», где пиксели имеют ширину всего 0,5 микрометра (мкм) (текущие пиксели составляют 1-2 мкм). Эти крошечные сенсоры поместятся в устройствах, таких как смарт-очки и контактные линзы, открывая новые возможности для AR/VR и мониторинга здоровья.
Заключение
От шумной, игнорируемой альтернативы CCD к двигателю современного изображения, датчики CMOS прошли долгий путь. Их эволюция была вызвана потребительским спросом — на более компактные устройства, лучшие фотографии и более умные технологии — и связана с ростом смартфонов, ИИ и Интернета вещей.
Сегодня, каждый раз, когда вы делаете фотографию на своем телефоне, сканируете QR-код или проверяете камеру безопасности, вы используете CMOS-датчик. И по мере развития технологий эти крошечные чипы будут продолжать расширять границы возможного — будь то захват селфи с марсохода, управление беспилотными автомобилями или возможность видеть мир так, как мы никогда не могли себе представить.
Для компаний, занимающихся разработкой камерных модулей или потребительской электроники, важно быть в курсе тенденций CMOS. Поскольку датчики становятся умнее, меньше и эффективнее, они продолжат определять, как мы взаимодействуем с цифровым миром — пиксель за пикселем.
Контакт
Оставьте свои контактные данные, и мы свяжемся с вами.
WhatsApp
WeChat