Czym jest Matryca CMOS – definicja

Jest odpowiedzialna za przechwytywanie światła padającego przez obiektyw i przekształcanie go w sygnał cyfrowy. Obecnie matryca CMOS jest dominującą technologią wykorzystywaną w większości aparatów, od profesjonalnych lustrzanek po smartfony.

Zasada działania

Matryca CMOS składa się z milionów fotodiod (pikseli), które reagują na padające światło. Każdy piksel gromadzi ładunek elektryczny proporcjonalny do ilości otrzymanego światła.

W przeciwieństwie do matryc CCD, w technologii CMOS każdy piksel posiada własny wzmacniacz i konwerter, co umożliwia niezależny odczyt wartości poszczególnych pikseli.

10 najpopularniejszych aparatów z matrycą CMOS

Nowoczesne matryce CMOS są sercem praktycznie wszystkich współczesnych aparatów. Oto 10 popularnych modeli z różnych kategorii, wykorzystujących zaawansowane technologie CMOS:

1. Sony Alpha A7 IV – wyposażony w 33-megapikselową matrycę CMOS typu BSI (Backside Illuminated) z technologią stacked, oferującą wyjątkowy zakres dynamiki i niski poziom szumów.
2. Canon EOS R6 Mark II – wykorzystuje 24,2-megapikselową matrycę CMOS z technologią Dual Pixel AF, umożliwiającą błyskawiczne ustawianie ostrości w trybie fotografowania i nagrywania wideo.
3. Nikon Z9 – flagowy model wyposażony w 45,7-megapikselową matrycę Stacked CMOS z elektroniczną migawką globalną, eliminującą efekt rolling shutter i umożliwiającą serię zdjęć z prędkością 120 kl/s.
4. Fujifilm X-H2S – zawiera 26,1-megapikselową matrycę X-Trans CMOS 5 HS typu stacked, oferującą wyjątkową szybkość odczytu i zaawansowaną detekcję fazy bezpośrednio na sensorze.
5. Panasonic Lumix S5 II – wyposażony w 24,2-megapikselową matrycę CMOS formatu pełnoklatkowego, zoptymalizowaną pod kątem filmowania w rozdzielczości 6K.
6. Sony ZV-E10 – kompaktowy aparat vlogowy z 24,2-megapikselową matrycą APS-C CMOS, zoptymalizowaną pod kątem nagrywania wideo.
7. OM System OM-1 (dawniej Olympus) – wykorzystuje 20,4-megapikselową matrycę Micro Four Thirds Stacked CMOS, oferującą nadzwyczajną szybkość i wysoką wydajność w trudnych warunkach oświetleniowych.
8. Ricoh GR IIIx – kompaktowy aparat z matrycą APS-C CMOS o rozdzielczości 24,2 megapiksela, ceniony za jakość obrazu i przenośność.
9. iPhone 15 Pro Max – posiada zaawansowany system aparatów z matrycą CMOS BSI 48MP, wykorzystujący computational photography i przetwarzanie neuronowe.
10. Samsung Galaxy S23 Ultra – wyposażony we własną matrycę ISOCELL HP2 CMOS o rozdzielczości 200MP, wykorzystującą technologię pixel binning dla uzyskania lepszej jakości w słabym świetle.

Struktura matrycy CMOS

Typowa matryca CMOS ma budowę warstwową. Na wierzchu znajduje się warstwa mikrosoczeweł, która kieruje światło na fotodiody.

Pod nią umieszczona jest warstwa filtrów barwnych (zazwyczaj w układzie Bayera), która rozdziela światło na podstawowe kolory. Najgłębiej położone są właściwe fotodiody zbierające sygnał świetlny.

Różnice między matrycami CMOS a CCD

Główna różnica między technologiami CMOS i CCD leży w sposobie odczytu danych. W matrycach CCD ładunki z pikseli są przesuwane do brzegu matrycy i tam odczytywane sekwencyjnie.

W matrycach CMOS każdy piksel jest odczytywany niezależnie, co zwiększa prędkość przetwarzania danych.

Zalety matryc CMOS

Najważniejsze atuty technologii CMOS:

• Niski pobór energii – kluczowa zaleta w urządzeniach mobilnych
• Duża szybkość odczytu – pozwala na szybkie serie zdjęć i wideo o wysokiej liczbie klatek
• Niższe koszty produkcji – w porównaniu do technologii CCD
• Możliwość selektywnego odczytu – odczytywanie tylko wybranych obszarów
• Integracja z innymi układami – możliwość umieszczenia dodatkowych komponentów na tym samym chipie

Niskie zużycie energii czyni matryce CMOS idealnymi do urządzeń zasilanych bateryjnie. Smartfony, aparaty bezlusterkowe i kamery sportowe korzystają z tej zalety.

Matryce CMOS umożliwiają też realizację zaawansowanych funkcji, takich jak detekcja fazy bezpośrednio na matrycy czy podgląd na żywo.

Wady matryc CMOS

Mimo przewagi nad matrycami CCD, sensory CMOS mają pewne wady. Tradycyjnie były bardziej podatne na szumy i miały niższy zakres dynamiki.

We wczesnych implementacjach cierpiały też na efekt rolling shutter – zniekształcenie obrazu przy fotografowaniu szybko poruszających się obiektów.

Ewolucja technologii CMOS

Technologia matryc CMOS przeszła znaczącą ewolucję od momentu wprowadzenia. Pierwsze wersje oferowały gorszą jakość obrazu niż konkurencyjne CCD.

Obecnie, dzięki postępowi technologicznemu, matryce CMOS przewyższają CCD pod wieloma względami.

Typy matryc CMOS

Najważniejsze rodzaje współczesnych matryc CMOS:

• BSI CMOS (Backside Illuminated) – z odwróconą strukturą dla lepszej czułości
• Stacked CMOS – wielowarstwowa konstrukcja zwiększająca wydajność
• Dual Pixel/Quad Pixel CMOS – z pikselami dzielonymi dla lepszego autofokusa
• Foveon X3 – unikalna konstrukcja rejestrująca wszystkie kolory w każdym punkcie
• Global Shutter CMOS – eliminujące efekt rolling shutter

Każdy z tych typów ma swoje unikalne zalety. Matryce BSI odwracają tradycyjną strukturę, umieszczając fotodiody bliżej powierzchni, co zwiększa ilość docierającego światła.

Technologia Stacked CMOS rozdziela elementy światłoczułe od elektroniki przetwarzającej, co pozwala na optymalizację obu warstw.

Czołowi producenci matryc CMOS

Rynek matryc CMOS zdominowany jest przez kilku kluczowych producentów. Sony Semiconductor jest liderem w produkcji wysokiej jakości matryc dla aparatów fotograficznych. Samsung i OmniVision specjalizują się w matrycach do smartfonów. Canon rozwija własne sensory z technologią Dual Pixel AF.

Zastosowanie matryc CMOS

Matryce CMOS znajdują zastosowanie w szerokiej gamie urządzeń. Poza aparatami fotograficznymi i smartfonami są wykorzystywane w:

• Kamerach monitoringu
• Urządzeniach medycznych
• Systemach rozpoznawania obrazu
• Technologiach autonomicznych pojazdów
• Teleskopach i urządzeniach naukowych

Przyszłość technologii CMOS

Przyszłość matryc CMOS związana jest z rozwojem kilku kluczowych obszarów. Zwiększanie rozdzielczości przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości pikseli pozostaje ważnym kierunkiem.

Rozwija się też technologia globalnej migawki elektronicznej, eliminująca ograniczenia tradycyjnych matryc CMOS.

Najciekawsze kierunki rozwoju:

• Matryce organiczne – z wykorzystaniem nowych materiałów
• Sensory krzemo-grafenowe – o zwiększonej czułości
• Neuromorficzne matryce – inspirowane ludzkim okiem
• Sensory z wbudowaną sztuczną inteligencją – przetwarzające obraz w czasie rzeczywistym
• Matryce kwantowe – wykorzystujące zjawiska fizyki kwantowej

Technologie te obiecują dalszą poprawę czułości, zakresu dynamiki i efektywności energetycznej. Niektóre z nich znajdują się już w fazie prototypów laboratoryjnych.