CCD

Skrót od angielskiego Charge Coupled Device.

W aparatach cyfrowych, odpowiednikiem kliszy fotograficznej, jest matryca światłoczuła. Na rynku dostępne są trzy rodzaje tego typu sensorów: CCD, CMOS i LBCAST JFET. Wciąż najpowszechniej używanym i najbardziej znanym, jest układ CCD.

Przykładowa matryca CCD wraz z płytką montażową:

ZASADA DZIAŁANIA

Matryca CCD jest detektorem. W pewnym uproszczeniu, można powiedzieć, że zbudowana jest z pikseli, których zadaniem jest wychwytywaniem fotonów, które nań padają. Następnie fotony te, zostają zamienione na napięcie elektryczne. Wszystko to dzieje się dzięki efektowi fotoelektrycznemu wewnętrznemu, który polega na wybijaniu elektronów przez fotony, co prowadzi do powstanie różnicy potencjału, czyli napięcia elektrycznego. Następnie poprzez elektrody zgromadzone na końcu każdego rzędu pikseli, zgromadzony sygnał trafia do wzmacniacza, po czym opuszcza chip.

GENEROWANIE OBRAZU

Matryca CCD sama w sobie nie rozróżnia barw, lecz służy jedynie jako liczydło dla padających na nią fotonów. Dzięki temu wiemy jakie natężenie miało światło padające na poszczególne piksele. Aby uzyskać informacje o barwie, projektanci posłużyli się bardzo sprytną sztuczką. Przed samym sensorem umieszczony jest filtr barwny składający się z 3 podstawowych kolorów: czerwony, zielony i niebieski (taki schemat kolorów podstawowych nazywany jest RGB, od pierwszych liter angielskich nazw Red, Green, Blue). To jest najczęściej stosowanym układ kolorów w filtrze, nazywany schematem (filtrem) Bayera.

Aby uzyskać obraz, informacje sczytane z matrycy, trafiają do procesora, który za pomocą skomplikowanych algorytmów przetwarza uzyskane dane i efekt wyjściowy zapisuje do pliku (format pliku zależy już od naszego wyboru i najczęściej jest to plik RAW, TIFF lub JPEG).

RODZAJE MATRYC CCD

Sensory CCD możemy klasyfikować na dwa sposoby. Pierwszy z nich wynika z ich wielkości. Różni producenci montują w swoich produktach, przetworniki różnych wielkości. Najmniejsze stosowane są w najtańszych cyfrówkach i mogą mieć jedynie 4.54x3.42 [mm] (rozmiary matryc często podaje się jako długość ich przekątnej wyrażonej w calach i tak ten model to 1/3.2"). W średniej klasy kompaktach stosuje się matryce o wymiarach 7.20x5.35 [mm] (1/1.8"), a w nowoczesnych lustrzankach stosuje się obecnie matryce o wymiarach klatki filmu małoobrazkowego, czyli 36.00x24.00 [mm] (te nazywa się "full frame" i nie podaje się zazwyczaj długości ich przekątnej). Jak łatwo zauważyć, zasada jest prosta - im większa matryca tym lepiej. Dzięki temu na dużej matrycy możemy umieścić piksele o większych rozmiarach, a zarazem więcej ich tam można "upakować". Efektem tego jest większa zdolność aparatu do zbierania światła, dzięki czemu zdjęcia są lepszej jakości (mają lepsza dynamikę barwną, kontrast etc.).

Drugi podział wynika z technologii produkcji tych sensorów. Poza typowymi matrycami, o jakich była mowa produkuje się również następujące:

- Fujifilm Super CCD:
W tradycyjnych matrycach, pojedynczy piksel jest kwadratem. W sensorach Fujifilm piksele są ośmiokątami. Dzięki temu, odległości pomiędzy środkami sąsiednich pikseli są mniejsze niż w tradycyjnych produktach.

Wynikiem tego, są większe piksele na matrycy o tych samych rozmiarach, co bezpośrednio przekłada się na lepszą jakość zdjęć. Jednakże, na uzyskanych zdjęciach, piksele muszą być kwadratowe. Wiąże się to z koniecznością interpolowania danych pozyskanych z pikseli. Efekt tego jest taki, że w praktyce 6 megapikselowa matryca Super CCD, pozwala uzyskać obraz o rozdzielczości zaledwie 4 megapikseli.

- Fujifilm Super CCD SR i SR II (ang. Super Dynamic Range - Podwyższona Dynamika Barwna)

Jest to technologia, będąca bezpośrednim rozwinięciem poprzedniej, z tą różnicą, że każdy piksel składa się z dwóch fotodiod zamiast jednej. Pierwsza i większa fotodioda odpowiada za rejestrowanie cieni i typowych detali, zaś druga mniejsza, odpowiada za rejestrowanie natężenia oświetlenia. W drugiej ewolucji tego rozwiązania obie fotodiody zamontowane są oddzielnie, tak aby optymalnie wykorzystać przestrzeń pomiędzy pikselami.

Muszę jednak, dopowiedzieć, że owe "typowe matryce" również ewoluują. Głównym producentem matryc CCD jest firma Kodak. To jej pracownicy w głównej mierze przyczynili się do tak szybkiego rozwoju tej technologii. Obecnie największe matryce dostępne na rynku mają rozdzielczość 22 megapiksele i wyprodukowane zostały właśnie w laboratoriach tego amerykańskiego giganta. Największa matryca wyprodukowana w ogóle w laboratoriach Kodaka ma natomiast 55 MPix, a przedstawiciele tej firmy oznajmiają, że już niedługo stworzą sensor o niebotycznie wielkiej liczbie - 100 megapikseli!

- - - - - - - -

CMOS

[ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor]

W produkcji matryc światłoczułych do urządzeń elektronicznych, oprócz technologii CCD, bardzo szybko rozwinęła się również konkurencyjna technologia - CMOS. Jest to technologia, w jakiej wytwarza się układy scalone w oparciu o tranzystory MOSFET (bardzo skrótowo mówiąc, elementów elektronicznych posiadających zdolność do wzmacniania sygnału), które posiadają przeciwny typ przewodnictwa, czyli w zależności od stanu logicznego, przewodzi tylko jeden z nich. W ten o to sposób w stanie ustalonym, układ praktycznie nie pobiera prądu. Powyższe cechy są ogromnymi zaletami układów CMOS. Nie dość, że można je produkować praktycznie na tych samych liniach produkcyjnych, co procesory czy pamięci RAM, to na dodatek, działając zużywają znacznie mniej prądu niż detektory CCD. Niestety zanim tą technologię, choć starą, doprowadzono do wymagań stawianych przez rynek aparatów cyfrowych minęło wiele lat. Co prawda, do rejestracji obrazu zaczęto wykorzystywać chipy CMOS już na początku lat '90, ale ich jakość pozostawiała wiele do życzenia, dlatego w praktyce znalazły zastosowanie jedynie w niektórych kamerach przemysłowych (CCTV). Było to spowodowane bardzo dużymi szumami samej matrycy, słabymi kolorami i kiepska dynamiką barwną. Z czasem na tyle rozwinięto sposób ich wytwarzania, że sensory CMOS znalazły miejsce w jednych z najbardziej zaawansowanych lustrzanek dostępnych na rynku, jak choćby w Canonie EOS 1Ds Mark II, Kodak DCS Pro 14n czy Nikonie D2X. Dodatkową zaletą układów CMOS jest to, że obraz sczytywany jest z matrycy prawie od razu w całości, dzięki czemu proces wykonania fotografii jest szybszy niż w aparatach z matrycami CCD [więcej o różnicach w artykule CCD vs CMOS].

Czasami układy CMOS określa się mianem APS [ang. Active Pixel Sensor]. Wynika to z tego, że każdy piksel na matrycy CMOS zawiera fotodiodę (tak jak i CCD), a wygenerowane przez nią napięcie jest od razu wzmacniane. Właśnie to wpływa na szybkość ich działania. Technologia CMOS prezentuje się bardzo obiecująco. Kilka lat temu firma Foveon, zaprezentowała nową matrycę, bazującą na tym chipie. Rewolucyjnym, jak na aparaty cyfrowe rozwiązaniem, okazało się zbudowanie matrycy, składającej się z trzech warstw: niebieskiej, zielonej i czerwonej (licząc od zewnątrz), z których każda rejestruje światło o wybranej długości fali.

Rozwiązanie to pozwala na otrzymanie znacznie bardziej szczegółowych zdjęć, ze zacznie lepszym odwzorowaniem szczegółów, kolorów i dynamiki barwnej. Największym minusem s± bardzo duże szumy przy czułościach powyżej 200 ISO. Nowa matryca nazywa się Foveon X3 i znajduje się m.in. w lustrzance cyfrowej Sigma SD10. Składa się ona z 10.2 milionów pikseli (faktycznie zdjęcia uzyskane za jej pomocą mają rozdzielczość 3.4 miliona punktów, bo z tylu pikseli składa się każda warstwa). Na razie szum wokół tej technologii ucichł, ale może jeszcze odegra ona ważną rolę w przyszłych aparatach cyfrowych.

- - - - -

CCD vs CMOS

30 stycznia 2006 Konrad Szaruga

1. Trochę historii

Blisko 5 wieków temu, protestancki uczony George Fabricius, zaobserwował poczernienie chlorku srebra pod wpływem promieni słonecznych. Właściwość tę wykorzystał dwieście lat później niemiecki filolog Schultz, który wykonał pierwszą na świecie fotografię. Były to początki ery fotografii. W XIX wieku opracowano skuteczną i w miarę prostą metodę robienia, utrwalania i wywoływania zdjęć. Fotograficy, z potężnymi aparatami i wielkimi torbami, byli postrzegani jako mędrcy, którzy posiedli zdolność tworzenia obrazów na szklanej płycie. Trwało to do roku 1888, kiedy to Eastman wprowadził na rynek pierwszy aparat na film rolkowy, Kodak nr I. Od tej pory każdy mógł fotografować.

Przez ponad 100 lat, fotografia prężnie się rozwijała, lecz sama metoda rejestrowania obrazu pozostawała praktycznie bez zmian. Początek końca ery fotografii analogowej dało odkrycie dwóch pracowników słynnego Bell Telephone Laboratories. W 1969 roku, gdy pierwszy człowiek stawiał krok na Srebrnym Globie, w nie do końca miłym i przytulnym laboratorium amerykańskiego giganta, Willard Boyle i George Smith zbudowali pierwszą matrycę CCD, składającą się z 8 pikseli ułożonych w jednym rzędzie.

2. Matryce CCD i ich działanie

Od tamtej pory upłynęło 36 lat i elektroniczne elementy światłoczułe są stosowane powszechnie. Technologia ich wytwarzania oraz właściwości powodowały, że jeszcze 10 lat temu, jedynie astronomowie korzystali z dobrodziejstw cyfrowego rejestrowania i przetwarzania obrazu. Jednakże postęp technologiczny szybko doprowadził do obniżenia kosztów ich wytwarzania oraz podwyższenia sprawności. Doprowadziło to do boomu aparatów cyfrowych. Obecnie potrafimy wykonywać matryce zawierające po 22 milionów pikseli, a to nie jest kres obecnych możliwości!

Jednakże nie każdy wie, jak dokładnie odbywa się rejestracja obrazu za pomocą przetworników CCD. Z drugiej jednak strony wielu może zauważyć, iż wcale nie musi wiedzieć w jakim cyklu pracuje cylinder w silniku, aby móc jeździć samochodem, czy kosić trawę kosiarką. Wiedza ta nie jest niezbędna, aczkolwiek znajomość podstawowych pojęć i zasady działania tych urządzeń pozwoli na lepsze ich wykorzystanie.

Wszyscy zainteresowani mogą więc, zapytać czym w rzeczywistości jest ta matryca? Otóż matryca CCD (z angielskiego Charge Coupled Device), to krzemowa płytka zbudowana z elementów światłoczułych, która jest detektorem wyłapującym i rejestrującym światło, padające na nią w postaci fotonów. Podzielona jest ona na wiele bardzo małych, niezależnych od siebie elementów zwanych pikselami. Ich rozmiar stanowi zazwyczaj od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów kwadratowych. To tyle, że na powierzchni przekroju typowego włosa czytelnika tego artykułu, zmieściłoby się ich około 500. Do każdego piksela przyłożona jest elektroda, która po doprowadzeniu napięcia, powoduje powstanie studni potencjału. Mówiąc prosto, w tym miejscu tworzy się taki koszyczek, w którym zbierane będą elektrony. No dobrze, ale skąd je wziąć? Otóż foton padający na matrycę CCD na skutek zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego, wytrąca elektron, któremu przekazuje swoją energię. Taki wybity elektron podąża w kierunku dodatnio naładowanej studni potencjału (naszego koszyczka) i tam zostaje uwięziony. Im dłużej trwa ekspozycja, tym więcej elektronów gromadzimy. Po jej zakończeniu, przez inne elektrody, umieszczone na końcu każdego rzędu pikseli, zgromadzony sygnał trafia do wyjściowego wzmacniacza i opuszcza chip. Po "policzeniu" elektronów z każdego elementu dostajemy informację ile światła (jego natężenie) padło na każdy piksel. Potem już tylko przetwornik analogowo-cyfrowy przetwarza otrzymany sygnał, na postać zrozumiałą dla komputera, czy innego urządzenia zewnętrznego. Należy zwrócić uwagę, że nie otrzymujemy w ten sposób żadnej informacji o kolorze! Tą tematyką zajmiemy się w innym artykule.

W trakcie takiej ekspozycji przepływ elektronów powoduje wydzielanie się ciepła. Im mniejszy układ i im więcej w nim pikseli, tym wyższa jest temperatura pracy układu. Jest to bardzo niepożądana własność, gdyż powoduje ona gwałtowny wzrost negatywnych czynników, takich jak szumy. Z tego względu nieodłącznym elementem matrycy CCD jest układ chłodzący. W aparatach cyfrowych, jest nim zazwyczaj radiator chłodzony powietrzem.

Ważnym parametrem dla matryc CCD jest ich wydajność kwantowa. Ten bardzo dziwny termin oznacza jak wydajna jest taka matryca. Dla obecnych urządzeń ich średnia wydajność kwantowa jest na poziomie 70%, co znaczy, że 70% padającego światła jest rejestrowana. Dla tradycyjnej kliszy, wydajność wynosi ok. 2%.

Detektory CCD są czułe na cały zakres światła widzialnego oraz na podczerwień. Jest ona emitowana m.in. przez każdy obiekt, który ma temperaturę pokojową. Ma to wykorzystanie w noktowizorach i tam gdzie mamy bardzo słabe oświetlenie. Podczerwień ta jest jednak bardzo niepożądana w aparatach cyfrowych, gdyż znacznie zafałszowuje ona odwzorowanie kolorów. Wycina się więc pewien zakres fal za pomocą odpowiednich filtrów.

3. Krótko o CMOS

Konkurencyjną technologią, która rozwinęła się w przeciągu kilku ostatnich lat, jest CMOS. Nazwa wzięła się od angielskich słów complementary metal-oxide-semiconductor. Odkryta była już 1963 roku. Technologia ta, stworzona została z myślą o wytwarzaniu układów scalonych. Polega ona na tworzeniu układów tranzystorów MOS zbudowanych z trzech warstw: płytki wyciętej z monokryształu krzemu, na który napyla się bardzo cienką warstwę krzemionki (izolator), na którą z kolei napyla się równie cienką warstwę metalu, np. złota (przewodnik). Tranzystory połączone są w taki sposób, że przy ustalonym stanie logicznym, tylko jeden z nich przewodzi. I to jest całe piękno tej technologii! Dzięki tej własności, gdy tranzystory nie przewodzą, układ nie pobiera praktycznie żadnego prądu. Jej zaletą jest relatywnie prosty i tani sposób produkcji oraz możliwość gęstego upakowania tranzystorów (nawet poniżej jednego na mikrometr kwadratowy). Wkrótce okazało się, że układy tego typu mają szerokie zastosowanie, m.in. do produkcji procesorów, pamięci RAM etc.

Jednakże stosunkowo niedawno, nauczono się budować układy CMOS przystosowane do rejestrowania obrazów. Sposób ich działania jest analogiczny jak dla układów CCD, z tą tylko różnicą, że sczytuje się od razu cały sygnał z detektora, a nie poszczególne wiersze. Z początku, jak to zwykle bywa, technologia była trochę zawodna. Mimo łatwości wytwarzania, zbudowane układy charakteryzowały się sporym szumem własnym. Dzięki uporowi firmy Canon, z czasem uporano się z tą dolegliwością.

4. Podsumowanie

Przewagą CMOS nad CCD, są koszty wytwarzania, szybszy czas sczytywania, mniejszy pobór mocy (a płynący prąd powoduje wydzielanie się ciepła, a to znowu wytwarza większe szumy na matrycy, a one frustrację u bogu ducha winnego fotografa). Wygląda na to, że CMOS zdominuje rynek rejestratorów obrazu, ale zwolennicy technologii CCD nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa. Wiele innowacji w technologii CCD wprowadza firma Fuji, która opracowała matrycę SuperCCD. Znowuż na bazie układów CMOS opracowano układ Foveon X3 (który okazał się być rewolucyjnym rozwiązaniem, ale wciąż nie jest dopracowany na tyle by podbić rynek).

Tymczasem po cichu, Nikon wprowadza kolejną technologię budowania matryc do aparatów - LBCAST JFET. Czy zdobędzie ona przewagę nad powszechnie stosowanymi CCD czy tanimi i dobrymi układami CMOS - czas pokaże...