Jak funguje snímač CMOS a proč nahradil CCD

Snímač CMOS převádí světlo na elektrický náboj ve fotodiodě a hned u ní, v každém pixelu zvlášť, ho mění na napětí. Starší technologie CCD naproti tomu posouvala náboj přes celý čip k jedinému výstupu. Tento rozdíl v uspořádání rozhodl: CMOS je rychlejší, úspornější a dovoluje umístit na jeden křemíkový čip další obvody, takže dnes pracuje prakticky v každém fotoaparátu i telefonu.

Co se děje v jednom pixelu

Základem pixelu je fotodioda. Když do ní dopadne foton, uvolní v křemíku elektron, a ten se během expozice hromadí v takzvané potenciálové jámě. Čím víc světla, tím víc elektronů. Kapacita jámy je omezená; jakmile se zaplní, pixel je přeexponovaný a žádnou další informaci už nenese.

Nad fotodiodou leží dvě vrstvy, které k ní světlo dovádějí. Mikročočka soustředí paprsky na citlivou plochu a barevný filtr propustí jen část spektra, protože křemík barvy nerozlišuje. Jak se z jednobarevných pixelů skládá barevný obraz, popisuje článek o tom, jak pracuje Bayerova maska a jiné mozaiky filtrů.

Po skončení expozice se náboj přesune na malou kapacitu a tranzistorový zesilovač přímo v pixelu ho převede na napětí. Odtud název aktivní pixel. Napětí pak putuje sloupcovým vodičem k analogově-digitálním převodníkům, kterých je na okraji čipu celá řada, obvykle jeden na každý sloupec.

V čem se CCD lišilo a proč ustoupilo

CCD pracovalo jako řetěz lidí podávajících si vědra. Náboj se z pixelu do pixelu posouval až na okraj čipu, kde čekal jediný zesilovač a jediný převodník. Výhodou byla jednotnost: všechny pixely prošly stejnou cestou, takže obraz byl čistý a bez pruhů.

Slabiny ale byly zásadnější. Sériové vyčítání je pomalé a s rostoucím rozlišením se zpomaluje dál. Posouvání náboje vyžaduje vyšší napětí a spotřebuje víc energie, čip se tedy hřeje. A když přeexponovaný pixel přeteče, náboj se rozlije do sousedů a při vyčítání vytvoří svislou světlou čáru, známou z nočních záběrů starých kamer.

CMOS tyto potíže obchází tím, že každý pixel lze adresovat samostatně. Díky tomu mohl přijít živý náhled, video, ostření fázovou detekcí přímo na snímači a rychlé série. Vyrábí se navíc stejným postupem jako běžné logické čipy, takže na tutéž destičku se vejdou převodníky i řídicí obvody.

O starých CCD se traduje, že měla hezčí barvy. Byl bych k tomu zdrženlivý. Podání barev určují hlavně barevné filtry a zpracování v přístroji, ne způsob, jakým čip vyčítá náboj, a rozdíly mezi tehdejšími a dnešními fotoaparáty jdou z větší části právě na jejich vrub.

Zadní osvit: obvody ustoupily z cesty světlu

U klasického snímače s předním osvitem leží kovové spoje a tranzistory nad fotodiodou. Světlo musí propadnout jakousi šachtou mezi nimi a část se cestou ztratí, hlavně u paprsků dopadajících šikmo v rozích obrazu.

Konstrukce BSI, tedy back-side illuminated, čip obrací. Křemík se ztenčí a světlo vstupuje ze strany, kde žádné vodiče nejsou. Citlivá plocha je větší a šikmé paprsky méně vadí. Největší přínos má zadní osvit u drobných pixelů, kde spoje zabíraly velkou část plochy; proto se nejdřív prosadil v telefonech a teprve potom ve velkých snímačích. U full frame se středním rozlišením považuji rozdíl mezi BSI a starší konstrukcí za málo podstatný, protože pixely jsou tam velké a ztráta byla od počátku malá.

Vrstvený snímač a rychlost vyčítání

Stacked CMOS jde o krok dál. Vrstva s fotodiodami a vrstva s obvody pro zpracování signálu se vyrobí zvlášť a potom se spojí na sebe. Obvody už nesoupeří s pixely o místo, takže jich může být víc a mohou být rychlejší. Některé snímače mají přímo v čipu i paměť, kam se data z pixelů odloží dřív, než je procesor stihne převzít.

Výsledkem je kratší doba, za kterou se přečte celý obraz. Od ní se odvíjí rychlost sérií, plynulost elektronického hledáčku bez výpadků obrazu a především míra zkreslení pohybu při elektronické závěrce. Proč k němu dochází, vysvětluje text o rolling shutter a jeho projevech v praxi.

Podle mě je vrstvená konstrukce z vývoje posledních let tou změnou, kterou fotograf pocítí nejvíc. Nezlepšuje totiž šum o zlomek stupně, ale mění to, co lze s elektronickou závěrkou fotit.

Kde vzniká šum a co s ním dělá zesílení

Do signálu se šum dostává ve dvou místech. První zdroj je samo světlo, jehož fotony přicházejí nahodile, a s tím elektronika nic nenadělá; pomůže jen víc světla, tedy delší expozice, světelnější objektiv nebo větší čip. Proto na šum má největší vliv velikost snímače, ne jeho generace.

Druhým zdrojem je čtecí šum, který přidávají zesilovač a převodník. Nastavení ISO neovlivňuje citlivost fotodiody, ta je daná. Mění jen zesílení signálu před převodem na čísla. Řada novějších snímačů má v pixelu dva režimy zesílení a od určité hodnoty ISO přepne na ten s nižším čtecím šumem, takže se stíny na této hranici skokově vyčistí.

Při čtení specifikací bych proto začal ne u zkratek BSI a stacked, ale u toho, k čemu fotoaparát potřebujete. Fotíte-li krajinu a portréty mechanickou závěrkou, vrstvený snímač vám nic podstatného nepřidá. Chcete-li tiše fotit sport nebo ptáky v letu, hledejte v recenzích údaj o době vyčítání snímače v milisekundách a porovnejte ho mezi přístroji, mezi kterými se rozhodujete.

Zdroje

• Sony Semiconductor Solutions – technologická dokumentace k CMOS snímačům se zadním osvitem a vrstvenou konstrukcí (Exmor R, Exmor RS)
• Canon – Canon Technology: CMOS Sensors
• James R. Janesick: Scientific Charge-Coupled Devices, SPIE Press
• The Royal Swedish Academy of Sciences – vědecké podklady k Nobelově ceně za fyziku 2009 (vynález snímače CCD)