Принцип CMOS відносно простий. Його робочий процес загалом можна розділити на чотири етапи: скидання, фотоелектричне перетворення, інтеграція та зчитування.
Коли падаюче світло проходить через кольорові фільтри RGB і досягає датчика CMOS, виникає фотоелектричний ефект. Електрони генеруються та зчитуються, а потім перетворюються на аналогові сигнали. Ці сигнали посилюються (регулювання ISO) і, нарешті, перетворюються на значення напруги. Коли ці значення агрегуються, вони утворюють зображення, яке ми бачимо.
Необроблений датчик CMOS не може отримувати кольорові зображення. Після натискання кнопки затвора фотодіод у кожному пікселі перетворює інтенсивність світла в цифрове значення (0–255).
Цей діапазон відповідає рівням яскравості від чорного (0) до білого (255).
Кольоровий фільтр (CFA)
Для захоплення кольорових зображень потрібна структура, яка називається масивом кольорових фільтрів (CFA). Цей масив функціонує подібно до клітин колбочки в людському оці. Певна довжина хвилі світла проходить через відповідні кольорові фільтри, що дозволяє кожному пікселю фіксувати інформацію про колір.
Візерунок Байєра
Найбільш поширеним CFA є масив фільтрів Байєра. Він складається з чергування рядів червоного, зеленого та синього фільтрів. У такому розташуванні 50% фільтрів зелені, а червоні та сині — по 25%.
Шаблон Байєра також називають шаблоном RGGB, що представляє найменшу повторювану одиницю розташування фільтрів.
Протягом останніх двох десятиліть багато виробників оптики досліджували альтернативні конструкції CFA. Однак, незважаючи на різноманітні нововведення, масив Bayer залишається домінуючим стандартом і сьогодні.
Однопіксельна структура
Кожен піксель датчика CMOS вимірюється в мікрометрах (мкм) і включає як фотодіод, так і навколишні електронні компоненти.
Піксель CMOS зазвичай складається з:
- Фотодіод
- Підсилювач
- Скинути ворота
- Трансферні ворота
- Плаваюча дифузія
Поверх цих компонентів знаходиться мікролінза, яка допомагає концентрувати більше світла на фотодіоді, покращуючи чутливість.
Розмір датчика, роздільна здатність і розмір пікселя
Загальний розмір датчика визначається як роздільною здатністю, так і розміром пікселів. Як правило, більші датчики забезпечують вищу роздільну здатність або більші розміри пікселів порівняно з меншими датчиками.
Однак через обмеження простору в таких пристроях, як смартфони, при розробці датчиків були використані альтернативні підходи в межах фіксованих розмірів. Оптимізації,-пов’язані з пікселями, буде розглянуто більш детально в наступних розділах.
Резюме
По суті, CMOS-сенсори перетворюють світлові сигнали в електричні за допомогою серії процесів, а потім використовують алгоритми для виведення читабельного зображення.
