Fotografia od A do Z: CMOS

CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor) – rodzaj matrycy światłoczułej stosowanej w aparatach cyfrowych, kamerach i innych urządzeniach obrazujących.

Budowa układów CMOS

W ogólnym ujęciu CMOS to technologia wytwarzania układów scalonych, stosowana nie tylko do wytwarzania matryc światłoczułych, ale również innych układów elektronicznych (np. procesorów czy pamięci komputerowych). Wszystkie tego typu chipy zbudowane są z tranzystorów MOS (struktura: metal - tlenek – półprzewodnik) o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układy CMOS pobierają niewiele mocy. Powszechność tej technologii w różnych dziedzinach elektroniki sprawia dodatkowo, że koszty ich produkcji są relatywnie niskie.

Matryca CMOS o rozdzielczości 21,1 milionów pikseli, pochodząca z aparatu Canon EOS 5D Mark II.

Cechą charakterystyczną sensorów obrazowych typu CMOS jest to, że każdy pojedynczy element światłoczuły zintegrowany jest z przetwornikiem ładunku elektrycznego oraz wzmacniaczem napięcia. W odróżnieniu zatem od matryc CCD, w sensorach CMOS można odczytać wartość każdego piksela z osobna, bez konieczności przenoszenia ładunków pomiędzy komórkami do wspólnego węzła odczytu. W efekcie wyeliminowane zostają szumy powstające w trakcie transferu.

Schemat budowy pojedynczej komórki matrycy CMOS. Fotodioda wypełnia jedynie część miejsca, resztę zajmuje obwód zamieniający, a następnie wzmacniający zarejestrowany ładunek na napięcie.

Największym ograniczeniem matryc CMOS jest mniejsze niż w przypadku CCD wypełnienie powierzchni przez fotodiody, gdyż część miejsca wyeksponowanego na światło zajmują układy przetwarzająco-wzmacniające. Ponadto pojawia się problem różnic jakościowych poszczególnych wzmacniaczy sygnału, gdyż każdy ładunek mierzony jest przez inny, potencjalnie różny od pozostałych, układ. Dodatkowo do wad matryc typu CMOS należy zaliczyć wyższe niż w przypadku sensorów CCD wartości tzw. prądu ciemnego (generowanego niezależnie od światła).

Mimo powyższych wad, matryce CMOS zyskują coraz większą popularność, szczególnie w przypadku większych układów (APS-C i pełnoklatkowych), gdzie możliwe jest uzyskanie wysokiego współczynnika wypełnienia powierzchni sensora przez elementy światłoczułe. Układy CMOS pobierają mniej mocy od CCD oraz działają szybciej, co jest istotne m.in. w wykonywaniu zdjęć seryjnych. Ponadto odczyt pikseli w schemacie adresowym (x, y) sprawia, że możliwe staje się m.in. okienkowanie (ang. windowing), czyli odczyt dowolnego fragmentu zdjęcia, a także sumowanie wartości sąsiednich pikseli, co pozwala zwiększyć czułość matrycy kosztem rozdzielczości.

Schemat matrycy CMOS w rzucie poprzecznym. Sensory, które trafiają do aparatów cyfrowych uzupełniane są o umożliwiający rejestrację koloru filtr Bayera, zwiększające czułość matrycy mikrosoczewki, a także filtry: dolnoprzepustowy (eliminujący nieporządane zjawisko mory) oraz podczerwieni (przepuszczający tylko światło widzialne).

Filtr Bayera

Podobnie, jak CCD również matryca CMOS bez dodatkowego wyposażenia nie potrafi rejestrować kolorów. Każdy z pikseli jest tak samo wrażliwy na poszczególne długości fal elektromagnetycznych. W efekcie rejestrowany obraz jest czarno-biały. Aby możliwe było wykonywanie zdjęć kolorowych, na matrycę nakłada się filtr Bayera, czyli mozaikę czerwonych, zielonych i niebieskich filtrów przesłaniających poszczególne fotodiody na matrycy. Takie rozwiązanie sprawia, że każdy element matrycy rejestruje światło tylko dla jednej z trzech składowych koloru. Właściwy obraz powstaje dopiero w efekcie skomplikowanych obliczeń wykonywanych przez procesor aparatu cyfrowego.

Schemat budowy matrycy CMOS z zaznaczoną mozaiką filtru Bayera.

Historia matryc CMOS

Technologia CMOS jest starsza niż CCD. Obwody tego typu zostały wynalezione już w 1963 roku, natomiast pierwsze prace dotyczące sensorów obrazowych z układami wzmacniajacymi dla każdego piksela opublikowane zostały pięć lat później, czyli na rok przed wynalezieniem technologii CCD. Historycznie jednak to te drugie cieszyły się większą popularnością i były częściej produkowane, gdyż pozwalały na uzyskanie znacznie lepszej jakości obrazu. W połowie lat dziewięćdziesiątych technologia produkcji matryc CMOS została udoskonalona, co sprawiło, że zaczęto je stosować w masowo produkowanych obrazujących urządzeniach konsumenckich. Obecnie w segmencie lustrzanek małoobrazkowych i APS-C prawie całkowicie wyparły sensory CCD. Od połowy pierwszej dekady XXI wieku najlepszą jakość obrazu (z wyjątkiem aparatów średnioformatowych) oferują lustrzanki z matrycami typu CMOS.