CMOS

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) to rodzaj cyfrowej matrycy światłoczułej stosowanej w aparatach fotograficznych, kamerach filmowych oraz różnorodnych urządzeniach optoelektronicznych, której głównym zadaniem jest rejestracja obrazu poprzez konwersję światła na sygnał elektryczny. W przeciwieństwie do starszych technologii, takich jak matryce CCD (Charge-Coupled Device), układy CMOS cechują się indywidualnym odczytem sygnału z każdego piksela, co umożliwia szybsze przetwarzanie danych, mniejsze zużycie energii oraz integrację dodatkowych układów elektronicznych na jednym chipie.

Matryca CMOS składa się z milionów fotodiod, które przekształcają padające światło w ładunki elektryczne, a następnie przetwarzają te sygnały na wartości cyfrowe reprezentujące piksele obrazu. Każdy piksel wyposażony jest w tranzystory wzmacniające, co pozwala na bezpośredni odczyt sygnału, bez konieczności przesyłania go przez całą strukturę matrycy, jak ma to miejsce w CCD. Ta zdecentralizowana architektura znacząco zwiększa prędkość odczytu i redukuje wpływ zakłóceń na obraz.

Pierwsze eksperymentalne układy CMOS opracowano w latach 60. XX wieku, jednak ich pełne zastosowanie w przetwornikach obrazu nastąpiło znacznie później. Przez długi czas CCD dominowało w branży fotograficznej ze względu na lepszą jakość obrazu oraz niższy poziom szumów.

Przełom nastąpił w latach 90., kiedy to Eric Fossum, naukowiec NASA, opracował Active Pixel Sensor (APS), który stanowił bazę dla współczesnych matryc CMOS. Dzięki swojej konstrukcji, pozwalał on na szybsze przetwarzanie obrazu, zmniejszone zużycie energii i łatwiejszą integrację z układami cyfrowymi, co przyczyniło się do rozwoju aparatów cyfrowych i kamer opartych na tej technologii.

Dynamiczny rozwój CMOS przyspieszył na początku XXI wieku, gdy firmy takie jak Sony, Canon, Nikon i Samsung zaczęły masowo stosować ten rodzaj przetworników w swoich urządzeniach. Dziś niemal wszystkie lustrzanki cyfrowe, bezlusterkowce, kamery przemysłowe, a także aparaty w smartfonach bazują na technologii CMOS, często z dodatkowymi usprawnieniami, takimi jak BSI (Back-Side Illuminated) czy stacked CMOS, które poprawiają czułość na światło i jakość obrazu.
Ze względu na swoje liczne zalety, matryce CMOS znalazły zastosowanie w szerokim spektrum urządzeń, obejmując zarówno branżę fotograficzną i filmową, jak i przemysł, medycynę czy astronomię.

• Fotografia i film – stosowane w aparatach cyfrowych, kamerach filmowych, smartfonach oraz profesjonalnych systemach wideo, oferując wysoką rozdzielczość, szybki autofokus oraz doskonałe możliwości nagrywania w wysokiej liczbie klatek na sekundę.
• Monitoring i systemy bezpieczeństwa – wykorzystywane w kamerach CCTV, kamerach samochodowych oraz urządzeniach do rozpoznawania twarzy, dzięki czemu możliwe jest prowadzenie skutecznego nadzoru w czasie rzeczywistym.
• Medycyna i mikroskopia – używane w endoskopach, ultrasonografii oraz mikroskopach optycznych, umożliwiając obrazowanie wewnętrznych struktur ciała z wysoką precyzją.
• Przemysł i automatyka – stosowane w systemach widzenia maszynowego, które wspomagają kontrolę jakości w produkcji, a także w robotyce i systemach sztucznej inteligencji analizujących otoczenie.
• Astronomia – nowoczesne teleskopy i urządzenia badawcze wykorzystują zaawansowane matryce CMOS do analizy kosmosu, oferując wysoką czułość przy długich czasach ekspozycji.
• Nauka i badania wojskowe – stosowane w systemach noktowizyjnych, termowizji oraz w obrazowaniu hiperspektralnym.

Zalety CMOS:

• Niższe zużycie energii – przetworniki CMOS zużywają mniej prądu niż CCD, co czyni je idealnymi do urządzeń mobilnych i systemów wymagających długiej pracy na baterii.
• Szybszy odczyt obrazu – indywidualny odczyt z każdego piksela umożliwia rejestrowanie obrazów o wysokiej liczbie klatek na sekundę oraz efektywne działanie w fotografii seryjnej.
• Niższe koszty produkcji – technologia CMOS jest tańsza w produkcji, co przełożyło się na popularyzację cyfrowej fotografii i wideo.
• Łatwiejsza integracja z elektroniką – matryce CMOS mogą zawierać dodatkowe funkcje, takie jak cyfrowe przetwarzanie obrazu, redukcja szumów czy wbudowany autofokus.
• Lepsza odporność na zakłócenia – w nowoczesnych wersjach poprawiono czułość na światło i dynamikę obrazu.

Wady CMOS:

• Większa ilość szumów w starszych modelach – w początkowych wersjach CMOS poziom szumów był wyższy niż w CCD, ale nowoczesne technologie, takie jak BSI i stacked CMOS, znacząco poprawiły ten aspekt.
• Rolling shutter – zjawisko występujące w starszych wersjach CMOS, powodujące zniekształcenia obrazu podczas fotografowania szybko poruszających się obiektów; problem ten został rozwiązany dzięki matrycom Global Shutter.
• Ograniczona jakość w bardzo trudnych warunkach oświetleniowych – choć nowoczesne CMOS radzą sobie lepiej niż dawniej, w bardzo ciemnych warunkach CCD wciąż może oferować lepszą jakość obrazu.

Technologia CMOS stale ewoluuje, a nadchodzące lata przyniosą dalsze innowacje, takie jak:

• Matryce Global Shutter – całkowite wyeliminowanie efektu rolling shutter, co znajdzie zastosowanie w szybkiej fotografii sportowej i naukowej.
• Jeszcze większa czułość na światło – technologie Quantum Dot CMOS i zaawansowane wersje BSI pozwolą na poprawę jakości zdjęć w słabym oświetleniu.
• Wyższa rozdzielczość i dynamika – przyszłe generacje matryc będą oferować lepszą rozpiętość tonalną, co sprawi, że nawet smartfony osiągną jakość porównywalną z profesjonalnymi aparatami.
• Miniaturyzacja i integracja z AI – matryce będą coraz bardziej inteligentne, co pozwoli na automatyczne poprawianie obrazu w czasie rzeczywistym.

Matryce CMOS to obecnie dominujący standard w fotografii cyfrowej i systemach rejestracji obrazu. Charakteryzują się niskim poborem energii, szybkim odczytem danych oraz łatwą integracją z elektroniką, co sprawia, że są szeroko stosowane w fotografii, filmie, przemyśle i nauce. Dzięki ciągłemu rozwojowi, przyszłość CMOS zapowiada się jeszcze bardziej obiecująco, oferując coraz lepszą jakość obrazu i nowe możliwości technologiczne.