II.7. CCD vs CMOS
A digitális kor megjelenésével a film helyét elektronikus érzékelők vették át. Maguk az érzékelők a mai napig analógok alkatrészek, melyek kimenő jelét digitalizáljuk, így kapva meg a digitális képet. Mára gyakorlatilag két fő csoport maradt meg: a töltéscsatolt érzékelők (CCD: Charge Coupled Device) és a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) érzékelők.
Kezdjük a CCD-vel. 1969-ben fejlesztették ki a Bell Labsnál, analóg léptetőregiszternek. Működésének lényege, hogy adott órajel hatására a bemeneti oldalon levő töltést mozgásra lehet bírni, azaz léptetni lehet a kimeneti oldal fele.
Gyorsan kiderült, hogy nem csak elektronikusan lehet feltölteni a regisztereket, hanem a fény fotonjaival is. 1970-re képesek voltak képet létrehozni az új eszközzel, s így megszületett a CCD.
Hirdetés
Kereskedelmi forgalomba 1974-ben a Fairchild által gyártott, 100 x 100 pixeles érzékelő kerül először. A CCD is MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) technológiával készül, de semmi köze sincs a később bemutatásra kerülő CMOS-hoz (legfeljebb annyi, hogy mindkettőt képérzékelésre használjuk).
Hogyan kell hát elképzelni a CCD működését? Íme egy animáció:
forrás: www.wikipedia.com
Jól látható a képen, ahogy a feszültség léptetésével a töltéscsomag vándorol egyik pontból a másikba (G: elektródák, SiO2: szigetelő réteg, p-SI: félvezető réteg).
Most nézzük meg, hogyan is néz ki maga a CCD (sematikus ábrán):
forrás: ccd.mcse.hu
Ahogy látható, a pixelek függőlegesen nincsenek szigetelővel elválasztva, ez teszi lehetővé a töltéscsomagok vándorlását a kiinduló helyükről a kiolvasó regiszterig. Minden egyes lépés 99.9990%-os, azaz közel tökéletes hatékonyságú. A vezérlő elektronika pontosan tudja, hogy melyik töltéscsomag melyik pixel (pixel az angol Picture Element rövidítése, jelentése elemi képpont), ez fontos a kép későbbi összeállítása szempontjából. A kiolvasó egység által szolgáltatott feszültség egy kalibrált kondenzátort tölt, melynek aktuális töltöttsége arányos lesz a képpontot ért fotonok számával. A feszültségértéket digitalizálják, és már meg is kapják a nyers kép egy alkotóelemét. Ezeket egy kétdimenziós táblázatba helyezik, majd feldolgozás (De-Bayer, zajszűrés, fehéregyensúly beállítás, tömörítés) után meg is csodálhatjuk az elkészült képet.
Többfajta CCD-vel találkozhatunk a mai gépekben. A fent leírt eszköz hivatalos neve a Full-Frame Transfer (FFT) CCD. Ilyen érzékelő szerepel pl. a Canon 1D-ben vagy az Olympus E1-ben is.
Gyakran a sebesség növelése érdekében nem egy kiolvasási vonalat (kiolvasó regisztert) használnak, hanem többet, ennek neve a Frame Transfer CCD. Ezeknél az érzékelőknél nincs lehetőség elektronikus zár alkalmazására.
A másik, elterjedtebb CCD típus az interline CCD. A fő különbség a kettő közt, hogy a Full-Frame Transfer CCD nem tud addig újabb képet készíteni, amíg a kiolvasás végre nem hajtódik, ami azért időbe telik. Ez egy tükörreflexes, élőkép nélküli gépnél még nem probléma, de mi van akkor, ha folyamatos képet szeretnénk látni, pl. kompakt fényképezőgépeknél vagy videokameráknál? Ilyenkor jön az interline CCD a képbe.
forrás: www.wikipedia.com
Az interline CCD-nél szétválasztották a fény érzékelésének és a kapott töltéskép kiolvasásának folyamatát. Ebben az esetben a pixelek közé ékelik a fényre nem érzékeny CCD regisztereket egy árnyékoló maszkkal. Az exponálás végén a fényérzékeny területről ezekbe a regiszterekbe kerül át az információ, és az érzékelő már készen is áll a következő kép elkészítésére. Miközben a következő kép készül, a regiszterekből a már megismert módon megtörténik a kiolvasás.
Az eljárás hátránya, hogy bonyolultabb felépítést követel meg, valamint, hogy a fényre nem érzékeny regiszterek a hasznos felületből vesznek el területet. Előfordulhat, hogy így akár 50%-kal is csökken a hasznos felület (ez a Pixel Fill Factor). Könnyű belátni, hogy a kisebb hasznos felület több problémát is felvet: az egyik, hogy a pixel méretének csökkenésével kisebb felületen tudjuk rögzíteni a fotonokat (tehát csökken az érzékenység), a másik probléma, hogy a rögzíthető fotonok száma csökken (csökken a dinamika).
Az első probléma megoldására használnak mikrolencséket, melyekkel az említett 50%-os fényveszteség helyett akár 75-90%-os lesz a kitöltési tényező.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
