Seznam kapitol
V současné době je v mnoha novinkách digitálních fotoaparátu představován "nový" typ CMOS snímače značený jako BSI CMOS. Dnes si stručně popíšeme obecný princip snímání obrazu, co se skrývá za BSI označením a jaký dopad má tato technologie na vlastnosti CMOS.
Samsung, Casio, Fujifilm, Sony... dokonce i Apple využívají ve svých nových zařízeních
backside-illuminated CMOS
snímač známý pod zkratkou jako
BSI CMOS
. Abychom mohli přejít k vysvětlení této technologie, musíme si nejprve uvědomit, jak vlastně obrazový senzor funguje. Jen díky tomu pochopíme princip
BSI CMOS
snímacího senzoru a porozumíme mu.
V čem spočívá odlišnost BSI technologie?
zdroj: fujifilm.co.uk
Nejčastěji používanými typy snímacích senzorů jsou v současné době
CCD
(Charge Coupled Devices) nebo
CMOS
(Complementary metal-oxide-semiconductor).
Logické obvody typu CMOS jsou známy již od roku
1963
, kdy byla tato technologie vyvinuta
Frankem Wanlassem
a následně roku
1967
patentována. Pro využití snímání obrazu však od 70. let 20. století
převládala technologie CCD
.
Oba typy snímačů jsou založeny na dvourozměrném
poli pixelů
, kde každý z nich obsahuje
světlocitlivý prvek
-
fotodiodu
schopný přeměňovat část optického záření na
elektrický signál
(pro zjednodušení si jej můžete představit jako malý solární panel).
Děje se tomu v důsledku tzv.
fotovoltaické
odezvy, ke které dojde, když je povrch křemíku vystaven světlu. Fotony viditelného spektra a blízkého IR záření mají dostatek energie k uvolnění elektronů z atomů tvořících
křemíkovou strukturu
a počet uvolněných
elektronů
je úměrný množství dopadajícího světla.
Princip konverze světelné energie v křemíku na elektrický náboj
zdroj: suniva.com
Vzniklý elektrický signál je následně digitalizován a převeden na
jasovou hodnotu
v obraze, kterou vnímáme jako
digitální fotografii
(pro jednoduchost popisu uvažujeme pouze šedotónovou fotografii).
Obě technologie (CCD/CMOS) se liší právě ve způsobu "sběru" elektrického náboje z jednotlivých pixelů.
CCD transportuje elektrický náboj přes celý snímač až ke kraji, kde je vyčítán. Většina současných CMOS snímačů funguje na principu použití
tranzistoru
u každého pixelu, který
zesílí
a odvede elektrický signál přímo od něj (pro představu, jako by od každého pixelu vedl elektrický vodič). Takovýmto CMOS snímačům se říká
aktivní
(
APS
- Active Pixel Sensors).
Princip sběru elektrického náboje u CCD snímače
zdroj: prophotowiki.com
U CMOS snímače může být tedy každý pixel vyhodnocen individuálně, nezávisle na hodnotách elektrického náboje v okolních pixelech. Výroba takového CMOS obrazového snímače má velmi blízko k výrobnímu procesu klasických
mikroprocesorů
.
Struktura 2D pole APS CMOS snímače se znázorněním jednotlivých pixelů se zesilovači (PD = fotodioda)
zdroj: commons.wikimedia.org
Z výše uvedených teoretických poznatků se odvíjí i obecné vlastnosti obou snímačů. V tomto případě se zaměříme zejména na
citlivost
. Jelikož každý pixel CMOS snímače obsahuje několik tranzistorů, je jeho
citlivost na světlo nižší
, protože část fotonů (částic světla) namísto světlocitlivé vrstvy dopadne právě na tranzistory. Mezi další, nyní pro nás méně podstatné vlastnosti, patří
nižší spotřeba energie
CMOS snímače nebo jejich
levnější výroba
(možnost výroby v klasické křemíkové produkční linii jako mikroprocesory).
V následující podkapitole si vysvětlíme, jaký je rozdíl mezi klasickým konvenčním CMOS a BSI CMOS snímačem společně s
popisem
této technologie.
