Matryca CMOS

Rodzaj matrycy światłoczułej budowany w oparciu o technologię CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) powstałą podczas badań nad układami scalonymi. Okazało się, iż układy tego rodzaju, wykorzystywane m.in. do produkcji procesorów oraz kości pamięci RAM, znajdują zastosowanie także przy produkcji podzespołów rejestrujących obrazy. 

Budowa

Budowa i zasada działania przetwornika CMOS jest podobna do konstrukcji sensora CCD - piksele tworzące światłoczułą siatkę generują ładunki elektryczne pod wpływem padającego na nie promieniowania świetlnego. Różnice związane są z architekturą matrycy i metodą pomiaru wielkości ładunku. Matryca tego typu zbudowana jest z wielu półprzewodnikowych elementów światłoczułych (fotodiody) oraz układów tranzystorów MOS: każdy piksel powiązany jest z układem analizującym wygenerowany ładunek. Przekształcenie ładunku w odpowiednie napięcie następuje już na poziomie fotokomórek. Informacje te są następnie przekazywane z całego sensora jednocześnie (w matrycach CCD odbywa się to sekwencyjnie). 

Można powiedzieć, iż matryce CMOS są bardziej zintegrowane i wykonują więcej zadań na poziomie samego piksela. Sensory CMOS, jak każda matryca światłoczuła, wyposażone są w układy filtrów i specjalnych soczewek skupiających promieniowanie świetlne.

Cechy charakterystyczne

Matryce CMOS z powodu równoległego odczytu stanów poszczególnych pikseli cechują się znacznie szybszym działaniem w porównaniu do konstrukcji CCD. Piksele można odczytywać w dowolnej kolejności i w dowolnej liczbie, co pozwala na wykonanie odczytu nawet fragmentu obrazu (możliwość programowej kontroli jakości rejestrowanego obrazu - dostosowanie kontrastu, balans bieli). Brak szumów związanym z koniecznością transportu ładunku zastępowany jest niestety znacznie wyższym jego poziomem wynikającym z istniejącej niejednorodnością układów elektronicznych zintegrowanych z poszczególnymi pikselami (trudno utrzymać odpowiednią powtarzalność produkcyjną, co skutkuje nieco innymi wynikami poszczególnych pikseli przy tym samym poziomie oświetlenia), oraz występowaniem większych wartości tzw. prądu ciemnego (zakłócenia szczególnie widoczne przy stosowaniu długich czasów naświetlania) . Stosunek powierzchni pojedynczych pikseli do powierzchni całej matrycy jest większy w przetwornikach CCD niż w przetwornikach CMOS, co początkowo wpływało na mniejszą światłoczułość sensorów wykonanych w technologii CMOS. Obszar światłoczuły jest tutaj dużo mniejszy i spora ilość światła padającego na matrycę nie jest przetwarzana. Rozwiązaniem jest technologia “backside-illumination”, która całą elektronikę przenosi na spodnią powierzchnię sensora, lub technologia “gapless” minimalizująca wolne przestrzenie pomiędzy pikselami, tak aby mikrosoczewki stykały się ze sobą (tablice mikrosoczewek). W przypadku CMOS nie dochodzi do tzw. przesłuchów pomiędzy pikselami, gdyż mają one zdolność do odprowadzania nadmiaru ładunku w przypadku prześwietlenia komórki. Ponadto CMOS cechuje mniejszy pobór mocy (niższy poziom napięcia zasilającego), większy zakres dynamiczny oraz niższe koszty produkcji. Matryce są oczywiście doskonalone przez co ich parametry podlegają ciągłym zmianom.

Zastosowania

Matryce CMOS występują w wielu różnych urządzeniach rejestrujących obraz: kamerach, aparatach cyfrowych (wyższej klasy kompaktach i lustrzankach), kamerach internetowych, aparatach rentgenowskich, czujnikach kontroli automatyzacji produkcji i wielu innych.