Pracownicy Caltech/JPL (publikacja zdjęcia za zgodą Erica Fossuma)

Zadanie to przypada Caltechowi, ośrodkowi akademickiemu m.in. administrującemu należące do NASA laboratorium napędu odrzutowego JPL (Jet Propulsion Laboratory). Opracowuje się różne prototypy matryc CMOS, a Eric Fossum pracuje nad wyeliminowaniem głównego ich problemu - szumu. Matryce CMOS, w przeciwieństwie do CCD umożliwiają odczyt każdej fotodiody niezależnie, a proces przetwarzania ładunku na napięcie odbywa się w każdym pikselu niezależnie.

----- R E K L A M A -----

ZIMOWY CASHBACK OD CANONA 2024/25

Canon 85/2 RF Macro IS STM

2598 zł 2398 zł

Canon R8 (EOS R8) + 24-50/4.5-6.3 RF ...

6493 zł 5993 zł

Canon 70-200/4 RF L IS USM

6996 zł 6496 zł

Canon R6 Mark II + 24-105/4 RF L

15498 zł 14498 zł

Powstaje koncept aktywnej fotoceli (ang. APS), gdzie wprowadzono dodatkowy tranzystor (tzw. architektura trzech tranzystorów - 3T) umożliwiający odcięcie od układu pomiarowego fotodiody. Taka konstrukcja pozwala na wielokrotny odczyt zmagazynowanego w fotodiodzie ładunku - a tym samym na zastosowanie techniki skorelowanego, podwójnego odczytu, gdzie pierwszy odpowiada za pomiar stałego sygnału własnego fotodiody i używany jest do jego odejmowania od kolejnego (właściwego) pomiaru. W ten sposób każdy sensel usuwa efektywnie swój szum. Koncept ten jest identyczny z odejmowaniem ciemnej klatki realizowanym dziś przez aparaty - tu jednak odbywa się jeszcze na torze analogowym i na poziomie pojedynczej fotodiody.

Trzeba podkreślić, że w tym czasie potentatem w produkcji matryc światłoczułych była Japonia. Celem NASA było także wzmocnienie amerykańskiego przemysłu elektronicznego. Do współpracy świata uniwersyteckiego z przemysłem zaproszono głównie takie firmy jak AT&T Bell Labs, Kodak, ale także firmę National Semiconductor. Jej przedstawiecielami byli Kevin Brehmer oraz Dick Merrill, który pracował nad konceptem warstwowej diody krzemowej pozwalającej identyfikować pełny kolor RGB. Ponieważ adaptacja nowej technologii szła bardzo mozolnie, Eric Fossum postanowił założyć swoją firmę, która miała skomercjalizować sensory CMOS - i tak w lutym 1995 powstała firma Photobit. Pojawiają się komercyjne sensory na potrzeby kamer internetowych, endoskopii, obrazowania mikrofalowego itp. W ciągu 6 lat Photobit składa ponad 100 wniosków patentowych.

Artykuł z 1995 roku opisujący nową technologię kamer CMOS. (publikacja za zgodą Erica Fossuma)

Dwa lata później Merrill odchodzi z National Semiconductor i zakłada swoją firmę: Foveon. W tym miejscu warto wspomnieć, że o ile w tamtych czasach warstwowa struktura nie była jakimś novum, to właśnie Dick Merrill po raz pierwszy połączył tę ideę z technologią CMOS. Architektura pixela według jego pomysłu to taki wariant sensora CMOS APS, gdzie 3 fotodiody ułożone są nie obok siebie, ale jedna na drugiej, a każda z nich posiada swój własny układ 3T. Wykorzystanie charakterystyki interakcji krzemu i fotonów - w praktyce filtrowanie widma światła - zastępuje potrzebę potrzebę stosowania filtrów kolorów podstawowych, które muszą być montowane na standardowej matrycy. W tym sensie pomysł Merrilla miał znacznie uprościć proces technologiczny produkcji matryc światłoczułych.

Matryca CFA (siatka Bayera)

Matryca Foveon

W 2000 roku firma Canon przedstawia pierwszą lustrzankę cyfrową wyposażoną w czujnik CMOS - model D30. Ten ruch należy postrzegać jako kolejny przełom w rozwoju cyfrowego obrazowania. Swoich sił na rynku matrycy CMOS próbują Toshiba, ST Micro czy Omnivision. W tym samym czasie firma Sony, dostrzegając potencjał rynku, inwestuje miliardy dolarów w rozwój swoich fabryk półprzewodników. Warte podkreślenia jest, że Canon wykorzystał matryce swojej produkcji.

Photobit, rok 2001 (publikacja zdjęcia za zgodą Erica Fossuma)

Photobit staje się największą na świecie firmą zajmującą się sensorami CMOS. W roku 2001 firma zostaje sprzedana koncernowi Micron. Mariaż technologii Photobita i fabryk pamięci DRAM Microna, choć zupełnie naturalny, jest kolejnym milowym krokiem w rozwoju matryc CMOS. Pamięci DRAM konstrukcyjnie niewiele się różnią od fotokomórek matrycy CMOS - obie struktury projektowane są do utrzymywania ładunku elektrycznego. Technologia pamięci DRAM oferowała niezmiernie niski poziom prądu ciemnego. Użycie jej do produkcji matryc CMOS spowodowało, że po raz pierwszy sensory te przewyższyły jakością tworzonego obrazu matryce CCD.

By zobrazować rozwój scalonych półprzewodników, przyjrzyjmy się ewolucji procesorów. W 2000 roku powstaje układ zbudowanego z 20 mln tranzystorów (czyli potrojenie ich liczby zajmuje niespełna 7 lat). Po kolejnych pięciu latach procesory mają już 170 mln tranzystorów (8-krotny przyrost). By móc je produkować, proces fotolitografii ewoluuje, wykorzystując zamiast światła widzialnego (dyfrakcja zależy od długości fali, a zjawisko to jest główną przeszkodą redukcji rozmiaru plamki) promieniowanie ultrafioletowe, a później rentgenowskie. 170 mln tranzystorów w jednym układzie można uznać za odpowiednik matrycy światłoczułej o rozdzielczości 40 mln pikseli. Przed sensorami CMOS otwiera się świetlana przyszłość - technologia produkcji nie jest już stoperem w ich konstruowaniu.

Rok 2002 to moment, w którym Sigma prezentuje pierwszą lustrzankę cyfrową wyposażoną w sensor Foveon X3 - aparat SD9. W tym samym roku Contax przedstawia aparat N Digital - historycznie pierwszy, wykorzystujący sensor wielkości standardowej klatki 135 wyprodukowany w technologii CCD. Trzy lata później Canon przedstawia pierwszy ogólnodostępny cyfrowy aparat z pełnoklatkowym sensorem CMOS - model 5D.

W 2007 roku firma Micron stwierdza, że rynek sensorów jest na tyle duży, iż mimo tej samej linii produkcyjnej dla pamięci DRAM i matryc CMOS oba produkty potrzebują osobnego zarządzania produktem i sprzedażą - w związku z czym powstaje niezależny oddział: firma Aptina.

Pogoń rynku za coraz większą rozdzielczością powoduje problemy przy produkcji matryc CCD - coraz gęstsza siatka elektrod zaczyna wydłużać proces sczytywania danych z matrycy, a przy okazji negatywnie wpływa na jakość samego sygnału. Ta słaba skalowalność technologii była i jest jednym z jej największych problemów. Dla kontrastu, dzięki bezpośredniemu adresowaniu poszczególnych fotokomórek matrycy CMOS, sensory te można było rozbudowywać w kierunku coraz większych gęstości w zasadzie bez przeszkód, a przez to stały się odpowiedzią na rynkowe zapotrzebowania. Dochodzimy do momentu, w którym rozwój matryc CMOS prześciga technologię CCD - do roku 1995 roku nie było w użyciu matryc CMOS, podczas gdy przez następnych 19 lat łącznie wyprodukowano ich ponad 19 miliardów...

Problem matryc CMOS pojawił się z zupełnie niespodziewanego (dla działów marketingu) kierunku. To relacja wielkości piksela do ilości padającego na niego światła. Pogoń za coraz większą liczbą pikseli na matrycy ma swoje konsekwencje: przy tym samym oświetleniu na mniejszy piksel w tej samej jednostce czasu pada coraz mniej fotonów, a to oznacza coraz słabszy odstęp użytecznego sygnału od szumu (SNR) - jakość obrazu zaczyna spadać. Przez ostatnich kilka lat obserwujemy tendencję do utrzymania jak największego SNR. Zaczęto reorganizować więc strukturę mikrosoczewek, wprowadzono elementy dodatkowo skupiające wiązkę światła na fotodiodzie. Pracowano też nad wdrożeniem do produkcji koncepcji odwrócenia struktury fotodiod (stąd nazwa technologii: BSI – back side illumination), gdzie światło pada od strony warstw półprzewodnika, eliminując tym samym efekt przesłaniania obszarów aktywnych przez warstwy kontaktów (metalizacji) oraz skracając drogę fotonów do obszaru aktywnego. Mimo bezdyskusyjnego polepszenia własności przetwarzania światła (wyższy SNR, a także lepsza czułość na fale o większej długości) konstrukcje te narażone są na przedostawanie się ładunków elektrycznych pomiędzy sąsiadującymi fotodiodami (tzw. cross-talk lub X-talk). W 2007 firma OmiVision zaprezentowała pierwszy sensor wykonany w technologii BSI . Dwa lata później pracująca nad nowym typem fotodiody firma Sony zaadaptowała także tę technologię i uruchomiła produkcję sensora Exmor-R. Niedługo później pokazała kolejny koncept - tzw. Stacked BSI, gdzie cała elektronika znajduje się pod warstwą światłoczułą. Niedawno firma Samsung zaprezentowała technikę ISOCELL będącą metodą na tunelowanie światła wgłąb struktury tak, by zminimalizować X-talk. Wszystko wskazuje jednak na to, że zysk ze stosowania architektury BSI został wykorzystany nie do poprawy właściwości matrycy, ale do zwiększania jej rozdzielczości.

Dotykamy w tym miejscu kolejnego problemu, z jakim spotykają się producenci matryc. Nie jest on związany z technologią produkcji czy ilością światłą, ale ze zjawiskiem dyfrakcji światła - im mniejszy piksel, tym bardziej widoczne będzie rozmywanie obrazu, a zdolność rozdzielcza aparatów będzie spadać. Dochodzimy tym samym do bariery, która wydaje się nieprzekraczalna, aczkolwiek od kilku lat trwają pracę nad matrycą QIS - Quanta Image Sensor, potrafiącą rejestrować czas i lokalizację uderzenia pojedynczego fotonu. Inną kwestią jest, że gdy pracowano nad architekturą CMOS APS, wyzwaniem było wyprodukować diodę półprzewodnikową, która pracowałaby przy tak niskim napięciu jak 5 V. Jeszcze parę lat temu można było przeczytać artykuły o nieprzekraczalności w elektronice granicznego napięcia 1 V. Dziś mówi się o układach 0.5 V. Tranzystory w krzemie potrafimy już produkować jako struktury trójwymiarowe. Coraz częściej mówi się o zastosowaniu grafenu, poszukuje się zastępstw dla krzemu. Ciekawe, co czeka nas w przyszłości...