Почему CMOS сенсоры в камерах смартфонов вытеснили CCD

В камерах современных смартфонов практически монопольно используются матрицы CMOS (КМОП). Тогда как в других мобильных устройствах, способных вести видеозапись, нередко встречается другой тип: CCD, он же ПЗС.

Более того: модели, им укомплектованные, считаются более продвинутыми, чем CMOS! Почем же так получилось? В чем причина такой дискриминации? Постараемся разобраться.

Чем принципиально отличаются CMOS и CCD матрицы

Если не вдаваться в дебри микроэлектроники, в которых мало кто разбирается вообще, то основное отличие сводится к принципу считывания поступающей на каждый пиксель информации.

В CCD матрице за счет ее структуры (прибор с зарядовой связью) оно производится через сдвиг потенциала в рамках каждого столбца элементов. Т.е., сканирование производится не по отдельному пикселю, как в CMOS, а сразу по множеству.


В CMOS же матрицах происходит последовательный построчный опрос каждой ячейки. Кстати, еще и поэтому при съемке движущихся предметов может оказывать эффект положение корпуса смартфона.

Ведь в отличие от экрана, направление сканирования при повороте на 90 градусов не меняется. Разница в принципе работы оказывает влияние на набор достоинств и недостатков обоих разновидностей.

Плюсы и минусы CCD

Плюсы:

• Благодаря высокой скорости работы не возникает так называемый эффект «роллинг-шаттер». Простейший пример – «наклонившиеся» здания при съемке из окна автобуса.
  
• Большая удельная площадь светочувствительного элемента относительно пикселя в целом. Это позволяет сделать его более чувствительным при съемке в условиях плохого освещения.
  
• Низкий уровень шумов.
  
• Способность регистрировать излучение ближнего инфракрасного диапазона.
  
• Более качественная цветопередача.
  

Минусы:

• Эффект смиринга: при появлении в кадре мощного точечного источника света «засветка» распространяется на весь столбец, в который он попадает.
  
• Высокая себестоимость производства – пожалуй, основной аргумент против.
  
• Высокое энергопотребление – второй из ключевых недостатков, куда более критичный в до предела миниатюризированных смартфонах, чем в профессиональных камерах.
  
• Невозможность расположение дополнительных элементов внутри ячейки. Из-за этого, например, на CCD сложнее сделать фазовый автофокус, как раз и требующий подобного решения.
  

Плюсы и минусы CMOS

Плюсы:

• Низкая себестоимость изготовления.
  
• Низкое энергопотребление, как и у любых систем, основанных на полевых транзисторах.
  
• Возможность совместить на одном кристалле аналоговых, цифровых и обрабатывающих элементов.
  
• Механизм кадрированного считывания, позволяющий захватывать только выбранный сегмент матрицы.
  

Минусы:

• Попиксельное считывание вызывает появление эффекта «роллинг шатер», бороться с которым программными средствами предельно сложно.
  
• Малая удельная площадь светочувствительного элемента дает более низкую чувствительность по сравнению с CCD. Учитывая, что 2/3 падающего света еще и отсекается фильтром Байера, в темноте сигнал оказывается совсем слабым.
  
• Выделение тепла за счет большого количества элементов в ячейке вызывает тепловые шумы на изображении.
  
• Разброс индивидуальных характеристик каждого отдельно взятого пикселя, порождающий в итоге так называемый структурный шум.
  

Как производители борются с недостатками CMOS матриц…

Для повышения чувствительности была создана так называемая BSI CMOS технология, или «технология обратной засветки». В обыкновенных CMOS матрицах свет, прежде чем попадет на фоточувствительный элемент, проходит через электронное «обрамление».

При этом неизбежно возникновение как потерь, снижающих чувствительность, так и дополнительных шумов. В BSI сенсорах «телега поставлена позади лошади»: все мешающие световому потоку детали убраны под плоскость расположения фотодиодов.

Для борьбы с «роллинг-шаттер» Sony создала матрицу с т.н. глобальным затвором. Кстати, само название этого искажения дословно и обозначает «катящийся», т.е., сканирующий, «затвор», и происходит еще из пленочной фотографии.


«Глобальный затвор» в данном случае означает то, что съем данных с матрицы производится единомоментно. В результате этого регистрация движущегося объекта происходит без искажений.

К сожалению, пока что от использования в смартфонах такие сенсоры очень далеки: разрешение 1,8 МП плюс тысячекратное увеличение ЦАПов (цифро-аналоговых преобразователей) по сравнению с обычной CMOS матрицей.

Практически одновременно Samsung, второй лидер рынка сенсоров для цифровых камер, представила технологию ISOCELL. Корейцы в своем репертуаре: любят давать слегка улучшенным вариантам маркетинговые названия!

Как только ни склоняли они, к примеру, несчастный AMOLED.

В данном случае речь идет о формировании между пикселями матрицы перегородок. Таким образом нивелируется их взаимное влияние, что снижает уровень шумов, повышает четкость изображения и улучшает цветопередачу.

Помимо этого, модуль камеры становится ниже, благодаря способности ISOCELL сенсоров регистрировать свет, падающий под большими углами.

Стоит, пожалуй, упомянуть еще Mono CMOS. По сути дела, эта самый обыкновенный CMOS сенсор, который лишили байеровской решетки.

Для самостоятельного использования он непригоден, а вот в паре с «нормальным», цветным, и хорошим AI позволяет получать впечатляющие результаты ночной съемки. Особенно любит такие решения Huawei.

… и сами же их создают

Всем известно многим кажется, что чем больше мегапикселей в камере смартфона, тем она лучше снимает. Злыдни-маркетологи вовсю пользуются нашим невежеством.

То пишут интерполяционное значение разрешения вместо реального, что еще полбеды, поскольку не оказывает влияния непосредственно на конструирование элементов. То вынуждают разработчиков сенсоров делать «сильнее, выше, быстрее».

А вот тут начинаются проблемы. Увеличивая пиксельность при сохранении площади сенсора, практически неизбежно уменьшают размер самого пикселя. Результат – и без того слабенький фотодиод CMOS матрицы становится еще слабее из-за сокращения площади.

Чувствительность падает, шумы растут – ну вот, спрашивается, ради чего?


Правда, для противостояния этому безобразию делают всякие Dual Pixel, Quad Pixel и их аналоги (каждый вендор обзывает по-своему). Т.е., когда света не хватает – ячейки объединяют попарно или по четыре.

Но на этом беды многопиксельности не кончаются. Тот самый роллинг-шаттер усугубляется, поскольку мощности электроники попросту не хватает для быстрого сканирования матрицы высокого разрешения.

Особенно наглядно это проявляется в бюджетных моделях, в которые уже начали трамбовать каблуком устанавливать 48 МП сенсоры.

В заключение

Как видите, причин, по которым CCD в смартфонах не используют, не так уж мало.

Экономика, невозможность активно обрамлять фотоэлементы электроникой, потребление энергии – все это привело к тому, что найти сегодня модель, не использующую одну из разновидностей CMOS, просто нереально.