Zdaniem eksperta
Matryca CMOS – za co odpowiada?
Udostępnij przez:
Podstawowa zasada działania w obu rodzajach matryc światłoczułych jest ta sama. Światło padające na kryształ krzemu tworzący piksele generuje w nich ładunki elektryczne, a zatem pojedynczy piksel w tych matrycach jest praktycznie taki sam. Ze względu na odmienny sposób konstrukcji matrycy CMOS różni się ona od CCD tym, co pojedynczy piksel otacza.
W artykule znajdziesz:
Czym jest matryca CMOS?
Matryca CMOS (ang. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) zbudowana jest z wielu półprzewodnikowych elementów światłoczułych (fotodiody) oraz układów tranzystorów MOS umieszczonych w trzech warstwach: płytce wyciętej z monokryształu krzemu, na który napyla się bardzo cienką warstwę krzemionki (izolator), na którą z kolei napyla się równie cienką warstwę metalu, na przykład złota (przewodnik). To, czym odróżnia się ta technologia od sensorów CCD to możliwość dostępu do każdego pojedynczego piksela we współrzędnych (x, y).
Matryca CMOS – budowa
Jeśli porówna się schematy budowy matryc CCD i CMOS będzie można zobaczyć, że puste powierzchnie między pikselami są w matrycach CMOS znacznie większe. Wynika to z konieczności umieszczenia obok nich obwodów przetwarzających ładunek na napięcie zintegrowanych ze wzmacniaczem tego napięcia. Natomiast szyny adresowe wyboru kolumny i wiersza pozwalają programowo odczytywać zawartość dowolnych pikseli w dowolnej kolejności. Ponieważ każdy z nich ma swój „adres” (x, y) jego zawartość może być odczytana w dowolnej kolejności i dowolnej liczby pikseli, tak jak odczytuje się zawartość pamięci komputerowych. Z tego względu matryce CMOS działają znacznie szybciej. Jednak największym ograniczeniem matryc CMOS jest mniejsze niż w przypadku CCD wypełnienie powierzchni przez fotodiody, gdyż część miejsca wyeksponowanego na światło zajmują układy przetwarzająco-wzmacniające. W bardzo zaawansowanych matrycach CMOS każdy piksel ma swój przetwornik A/D, co ułatwia i przyspiesza dalszą obróbkę obrazu. Dzięki temu, że matryca CMOS pobiera mniej mocy od matrycy CCD oraz działa szybciej, jest zdecydowanie lepsza przy wykonywaniu na przykład zdjęć seryjnych.
Matryca CMOS BSI
Rozwój technologii budowy matryc powoduje, że powstają czujniki o zupełnie nowych możliwościach. Coraz bardziej popularnym typem sensorów CMOS jest BSI CMOS (ang. „Backside Illumination” – oświetlenie od tyłu), czyli technologia pozwalająca zwiększyć czułość sensora, gdzie elementy światłoczułe zostały rozmieszczone inaczej, niż w klasycznych matrycach CMOS. W matrycach tych zmieniono położenie warstwy przewodów, aby zmniejszyć straty światła, co powoduje zwiększenie czułości i redukcję szumów w obrazie. W konwencjonalnej konstrukcji matrycy CMOS układ jest umieszczony powyżej warstwy fotodiod, więc ze względu na jego usytuowanie część światła odbija się, co powoduje straty. Dzięki konstrukcji BSI fotodiody odbierają więcej światła, więc matryca może wytworzyć obrazy o wyższej jakości w ciemnych i słabo oświetlonych miejscach. Jednym z tych nowatorskich rozwiązań jest stworzona przez firmę Sony matryca CMOS BSI z migawką globalną. Na czym polega innowacyjność tej matrycy? Każdy z pikseli znajdujących się na matrycy ma swój własny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) w dolnej warstwie układu scalonego, który znajduje się pod górnym układem zawierającym aktywne fotodiody. Rozwiązanie to pozwala na jednoczesny odczyt wszystkich odsłoniętych pikseli, a także minimalizowanie wszelkich zniekształceń obrazu występujących w czasie rejestrowania szybko poruszających się obiektów, czyli tak zwanego efektu „rolling shutter”, który powstaje przy fotografowaniu albo filmowaniu szybko poruszających się obiektów.
Kolejnym krokiem w rozwoju matryc CMOS BSI jest opracowana, także przez firmę Sony matryca z funkcją przetwarzania opartego na sztucznej inteligencji (AI). Nowe przetworniki mają konfigurację warstwową i składają się bloku pikseli i bloku układów logicznych. Blok pikseli jest wykonany w technologii BSI, a blok układów logicznych zawiera nie tylko standardowe obwody przetwornika obrazu, lecz także pamięć modelu AI oraz procesor sygnałowy przeznaczony do przetwarzania sygnału z użyciem sztucznej inteligencji. Sygnały rejestrowane przez blok pikseli przechodzą przez procesor obrazu, a przetwarzanie z użyciem sztucznej inteligencji odbywa się w bloku układów logicznych.
Matryca CMOS – różne odmiany
Jedna z takich innowacji jest matryca typu CMOS – Exmor R o architekturze BSI. W matrycy CMOS Exmor R zamieniono miejscami warstwę, w której znajdują się połączenia światłoczułych elementów z warstwą, w której znajdują się te światłoczułe elementy. Światło dociera do elementów światłoczułych zaraz po przejściu przez mikrosoczewki i filtr Bayera, nie ma więc tłumienia natężenia w warstwie z przewodnikami. Te matryce, opracowane już kilka lat temu znakomicie służą zarówno w aparatach fotograficznych, jak i w smartfonach.
Innym modelem matrycy CMOS, opracowanym na potrzeby systemu 4/3 jest matryca Live MOS, który oferuje jakość obrazu porównywalną z sensorem CCD o pełno-klatkowej transmisji danych i jednocześnie charakteryzuje się niższym zużyciem energii właściwym dla sensora CMOS. Ze względu na uproszczenie układów elektronicznych uległa skróceniu odległość pomiędzy fotodiodami a odpowiadającymi im mikro-soczewkami, co zapewnia doskonałą czułość i jakość obrazu, nawet gdy światło trafia na sensor pod dużym kątem.
Matryca X-Trans charakteryzuje się wysoką rozpiętością tonalną i dynamiczną oraz bardzo dobrym odwzorowaniem kolorów. Zastosowany został w tym przypadku nieregularny rozkład filtrów barwnych, dzięki takiemu rozwiązaniu dla matryc X-Trans nie występuje zjawisko prążków mory (jest to pewien rodzaj układu prążków powstałego na skutek nakładania się dwóch siatek linii obróconych o pewien kąt lub poddanych deformacji), więc nie trzeba instalować filtra dolnoprzepustowego, który może obniżać jakość wyjściowego obrazu.
Matryca CMOS – podsumowanie
Szczegółowa wiedza o tym, co jest we wnętrzu aparatu, nie jest konieczna, aby robić dobre zdjęcia. Z pewnością jednak jest przydatna, by w pełni panować nad aparatem i w efekcie mieć satysfakcję z uzyskanych efektów.
Udostępnij przez:
Te poradniki mogą okazać się pomocne
