Digitální fotoaparáty, chytré telefony a další obrazová zařízení často používají snímače CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), které zachycují a převádějí světlo na elektrická data. Nahradily snímače CCD (Charge-Coupled Device) jako oblíbená volba díky svým sníženým nárokům na napájení, rychlým časům čtení a nízké ceně. V tomto příspěvku se budeme podrobně zabývat fungováním snímačů CMOS a odpovíme na některé často kladené otázky.
Snímač CMOS je v podstatě analogový stroj, který převádí světlo na elektrické impulsy. Skládá se z pole pixelů, z nichž každý má fotodiodu, světlocitlivou součástku. Když na fotodiodu dopadá světlo, vytváří elektrický náboj úměrný intenzitě světla. Tento náboj musí být nejprve převeden z analogového stavu na digitální signál, aby mohl být dále zpracován.
Každý pixel snímače CMOS je vybaven zesilovačem, převodníkem náboje na napětí a tranzistorem známým jako čtecí nebo resetovací tranzistor. Zesilovač zvyšuje malý elektrický náboj generovaný fotodiodou na měřitelnou úroveň napětí, zatímco čtecí tranzistor reguluje tok náboje z fotodiody. Analogově-digitální převodník (ADC) pak slouží ke vzorkování tohoto napětí a jeho transformaci na digitální signál na čipu snímače CMOS.
Teoretickým základem obrazových snímačů CMOS je fotoelektrický jev, který tvrdí, že některé materiály, jako například křemík, uvolňují elektrony, když jsou vystaveny světlu. Tím, že snímače CMOS měří, kolik světla dopadá na každý pixel, využívají tento princip k vytvoření obrazu. Po přeměně světla na elektrické signály snímač zpracuje a odešle data do obrazového procesoru k dalšímu zpracování a uložení.
Strukturu snímače CMOS tvoří několik vrstev polovodičových materiálů, včetně křemíku a oxidů kovů. Soustava mikročoček v horní vrstvě pomáhá soustředit dopadající světlo na fotodiody. Soustava barevných filtrů (CFA) umístěná pod soustavou mikročoček rozděluje přicházející světlo na tři základní barvy: červenou, zelenou a modrou.
Každý pixel má fotodiodu, která produkuje elektrický náboj v závislosti na množství světla, které přijímá pod CFA, ve vrstvě fotodiod. S fotodiodami jsou spojeny čtecí tranzistory a zesilovače, které regulují tok náboje a zesilují signály. Nakonec analogově-digitální převodník transformuje analogové napětí na zpracovatelnou a uložitelnou digitální informaci.
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor neboli CMOS je zkratka pro výrobní technologii snímačů CMOS. Jedná se o druh polovodičové technologie, která se běžně používá v mnoha elektronických výrobcích, včetně snímačů CMOS, spíše než o čip nebo baterii jako takové. Obvykle jsou ADC a procesor obrazového signálu (ISP), které jsou nezbytné pro zpracování obrazu, rovněž součástí většího čipu, v němž jsou tyto snímače umístěny.
Závěrem lze říci, že snímače CMOS jsou analogová zařízení, která využívají fotoelektrické principy k přeměně světla na elektrické signály. Každý z jeho pixelů, které jsou uspořádány do pole, má fotodiodu, čtecí tranzistory a zesilovače. Předtím, než dopadne na fotodiody, je přicházející světlo nejprve zaostřeno soustavou mikročoček a poté filtrováno soustavou barevných filtrů. Elektrické náboje generované fotodiodou jsou poté zesíleny a transformovány na digitální signály pro další zpracování. CMOS je polovodičová technika využívaná při výrobě snímačů CMOS a dalších elektronických zařízení, nikoli čipu nebo baterie.
Využitím vlastností tranzistorů plní polovodiče s komplementárními oxidy kovů neboli CMOS funkci spínače. V obvodech CMOS se používají dva různé typy tranzistorů – NMOS (N-channel Metal-Oxide-Semiconductor) a PMOS (P-channel Metal-Oxide-Semiconductor).
Brána tranzistoru NMOS přijímá napěťový signál, který vytváří elektrické pole umožňující přechod elektronů ze zdroje do spoje, čímž se obvod uzavře a funguje jako uzavřený spínač. U tranzistoru NMOS se tento stav označuje jako „zapnutý“.
Když je však na hradlo tranzistoru PMOS přiveden napěťový signál, vytvoří se elektrické pole, které zabrání průchodu elektronů ze zdroje do odtoku, čímž se obvod ukončí a funguje jako otevřený spínač. U tranzistoru PMOS se tento stav označuje jako „vypnutý“.
Obvod CMOS může účinně řídit tok proudu tím, že funguje jako spínač spárováním komplementárních tranzistorů NMOS a PMOS. Tranzistor PMOS je vypnutý, když je tranzistor NMOS aktivní, a platí to i naopak. Protože díky tomu je přepínání mezi zapnutým a vypnutým stavem efektivnější, je technologie CMOS široce využívána v mnoha různých elektronických výrobcích.
Ano, k výrobě snímačů CMOS se používá křemíková technologie. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor neboli CMOS označuje druh tranzistorů, které jsou ve snímači použity. Fungování snímače je založeno na těchto tranzistorech, které jsou zkonstruovány na křemíkovém substrátu.
Snímač CMOS je obvykle vyroben z křemíku, polovodičového materiálu, který je široce využíván v odvětví elektroniky.