2017. november 24., péntek

A CCD és CMOS szenzorok működési elve

  • (p)
Írta: MLaca | Utoljára frissítve: 2013-02-08 11:58

Hir​de​t​és​

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.

A CCD-t 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 felé. Gyorsan kiderült, hogy nem csak elektronikusan lehet feltölteni a regisztereket, hanem a fény fotonjaival is, így 1970-re a mérnökök képesek voltak már képet is létrehozni az új eszközzel.

Hogyan kell hát elképzelni a CCD működését? Íme egy animáció:

Jól látható a képen, ahogy a feszültség léptetésével a töltéscsomag vándorol egyik pontból a másikba (G: elektródák, SiO2: szigetelő réteg, p-SI: félvezető réteg). Lássuk, hogyan is néz ki maga a CCD egy sematikus ábra alapján:

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 kapjuk 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 le nem zajik. Ez egy tükörreflexes, élőkép nélküli gépnél még nem probléma, de élőképes, pl. kompakt fényképezőgépeknél, vagy videokameráknál már komoly gondot okoz. Ilyenkor jön az interline CCD a képbe.

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 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.

Melyek a CCD-k előnyei és hátrányai? Kezdjük az előnyökkel:

  • Nagy érzékenység,
  • kevés zaj,
  • interline felépítés esetén elektronikus zár megvalósítható (ezt ki is használták pl. a Nikon D70-nél is, ahol 1/500s-tól már nem a mechanikus, hanem az elektronikus zár működik).

És melyek a hátrányai?

  • Bonyolult előállítás, emiatt drága,
  • a kiolvasási elektronikának több kiolvasási csatorna esetén tökéletesen megegyezőnek kell lennie, egyébként sávosodás lép fel (banding),
  • könnyen létre jöhet az ún. Blooming effektus: ha egy elektródán túl sok töltés halmozódik fel, egyszerűen átfolyik a mellette levő elektróda területére (ez ellen számos anti-blooming eljárás létezik, általában a CCD-k adatlapján szerepel ennek a hatékonysága),
  • magas fogyasztás, emiatt nagyobb melegedés (és nagyobb termikus zaj).

A CCD leírásánál már olvashattuk, hogy MOS technológiára épülnek. Akkor mi is a nagy különbség a két szenzor közt?

Egyvalamiben megegyezik a két érzékelő típus: mindkettőnél a fény érzékelése a fotoelektromos effektusnak köszönhető. Míg a CCD-nél a név utal a működési elvre is, a CMOS-nál a megnevezés csak és kizárólag a gyártástechnológiát jelöli. A ma használt CMOS szenzorok ún. Active Pixel Sensor felépítést használnak, melyet először az Olympus mérnökei fejlesztettek ki 1993-ban. Korábban is léteztek CMOS technológiára épülő szenzorok, 1968-tól lehet velük számolni, azonban a nagy különbség, hogy ezek Passive Pixel Sensorok voltak.

Ahogy a leírásból is látszik, az első esetben aktív pixelekről beszélünk, azaz minden egyes képpont saját erősítővel rendelkezik (töltés-feszültség konverter, amely a CCD-nél a kiolvasó egységben volt megtalálható). A kiolvasás mátrix elven történik, minden képpontot külön-külön meg lehet címezni. Mivel minden egyes pixel külön címezhető, illetve a vezetékhálózaton keresztül bármilyen sorrendben összekapcsolható a chip további erősítőfokozataival, nagyon könnyű a kép egy részletét vagy éppen egy alacsonyabb felbontású képet is kiolvasni. A CMOS érzékelőre továbbá nagyon könnyű integrálni egyéb áramköri elemeket. Általában a CMOS lapkák tartalmazzák az analóg-digitális átalakítókat is (míg ez a CCD-nél külön áramkör volt), sőt egyes esetben elő-feldolgozást is végeznek (például szenzor szintű zajszűrés). A nagyobb integrálásnak köszönhetően alacsonyabb az előállítási költségük, mint CCD társaiknak.

A CMOS előnyei:

  • A nagy integrálhatóság miatt alacsony ár,
  • kis fogyasztás, kisebb hőtermelés (alacsonyabb termikus zaj).

A CMOS hátrányai:

  • Nagyobb zaj: a pixelek egyedi erősítőit nem lehet pontosan beállítani, ezért ezek extra zajt adnak a képhez (pix-pattern noise). Erre a problémára a Canon talált tökéletes megoldást hardver szinten (és lassan minden gyártó alkalmaz hasonló megoldásokat),
  • interferencia érzékenység: a nagy számú aktív elem sokkal érzékenyebb a környezetből érkező elektromágneses zavarokra, mint a CCD,
  • az aktív elemek csökkentik az érzékelő hatásos méretét (mint az Interline CCD-knél), de itt is segítséget nyújtanak a mikrolencsék,
  • az elektronikus zár nem, vagy nehezen valósítható meg.

Ha pontatlanságot találsz a cikkben, kérjük, írd meg a szerzőnek!
A bejegyzés utolsó frissítésének időpontja: 2013-02-08 11:58

H​ir​de​t​é​s​

Copyright © 2000-2017 PROHARDVER Informatikai Kft.