ABC fotografii cyfrowej cz. 6 - Matryce światłoczułe CCD

W szóstej części naszego cyklu opisujemy szczegółowo zasadę działania kilku rodzajów matryc CCD charakteryzujących się architekturą odczytu typu "frame transfer", "full frame transfer" oraz "interline transfer". Zapraszamy!
Matryce CCD

Z punktu widzenia technologii wykonania i zasad działania istnieje jeden rodzaj matryc CCD, w których ładunek wytworzony padającym światłem i zgromadzony w oddzielnym miejscu dla każdego piksela jest następnie przemieszczany do układów elektronicznych zamieniających go na napięcie, a dalej na liczbę proporcjonalną do wytworzonego ładunku. Oświetleniu każdego piksela odpowiada jedna liczba. Liczby te tworzą plik, który przetwarzany jest w procesorze aparatu na obraz. Proces konwersji oświetlenia matrycy w plik liczb to etap realizowany przez matrycę i urządzenia bezpośrednio z nią współpracujące. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych realizujących przemieszczanie ładunków elektrycznych zgromadzonych w pikselach do układów elektronicznych. Należy jednak pamiętać, że te, które omówimy w dzisiejszym odcinku, dotyczą wyłącznie matryc typu CCD.

Warto tu przytoczyć analogię do rodzajów silników benzynowych. Są silniki z gaźnikiem, z wtryskiem jedno- lub wielopunktowym, z turbodoładowaniem. Każdy z nich może mieć kilka odmian. Wszystkie działają w oparciu o spalanie benzyny, stąd ich nazwa - benzynowe. Drugi typ silników spalinowych to silniki wytwarzające energię mechaniczną w wyniku spalania oleju napędowego. Ten typ silników również ma wiele odmian i modyfikacji, ale wszystkie stanowią jeden typ - są silnikami Diesla.

Analogicznie wygląda sprawa matryc światłoczułych w aparatach fotograficznych. Stosowane są dwa typy - CCD i CMOS. Różnią się technologią wykonania i szczegółami przetwarzania zgromadzonego ładunku na liczby. Oba typy matryc realizują jednak to samo zadanie - rejestrują padający na nie obraz fotografowanych obiektów. Piszemy o tej analogi tak obszernie, ale naszym zdaniem to bardzo istotne, gdyż ogromna większość pytań czytelników dotyczących matryc brzmi: "Które matryce są lepsze - CCD, czy CMOS?". Jest to pytanie, na które nie można dać jednoznacznej odpowiedzi, tak jak na pytanie: "Który silnik jest lepszy - benzynowy, czy Diesel?".

Przesyłanie ładunków z pikseli do układów elektronicznych
Jedną z cech identyfikujących różne odmiany matryc typu CCD jest wspólny dla wszystkich pikseli układ przetwarzania ładunków na napięcia i tych napięć na liczby. Proces ten nazywany jest odczytem matrycy. W praktyce najczęściej stosowane są trzy systemy odczytu ładunku z matryc CCD. Wiele terminów anglojęzycznych fotografii cyfrowej nie doczekało się jeszcze oficjalnie zatwierdzonych nazw polskich. Będziemy w takich przypadkach posługiwać się nazwami anglojęzycznymi, aby nie wprowadzać zamętu poprzez tworzenie polskiej terminologii ad hoc.

Frame transfer, czyli przenoszenie całego zarejestrowanego obrazu. Matryca składa się z dwóch części, każda o tej samej liczbie pikseli. Po zarejestrowaniu obrazu ładunek ze wszystkich pikseli, czyli odwzorowanie fotografowanego obiektu, zostaje przesunięty do pikseli magazynujących, zasłoniętych przed światłem. Schematycznie przedstawia to rys. 1.

rys. 1: schemat matrycy CCD typu "frame transfer"

Część górna, biała, to piksele wystawione na działanie światła, rejestrujące obraz. Część dolna to piksele zasłonięte przed wpadającym do aparatu światłem, magazynujące przesunięte do nich ładunki elektryczne. Przesunięcie wszystkich ładunków trwa około 0,5 ms, czyli 1/2000 część sekundy. Niestety w tym czasie matryca jest wystawiona na działanie światła i następuje lekkie rozmycie obrazu. Zanim ładunek przemieści się przez kolejne piksele aż do "schowania" się w dolnej części, światło wpadające przez obiektyw wygeneruje trochę dodatkowych elektronów. Przesuwanie ładunków realizują specjalne rejestry zintegrowane z matrycą.

Czas transferu ładunków jest jednak na tyle krótki, że dla większości zastosowań powstałe zniekształcenia obrazu można uznać za nieistotne. Można też zastosować migawkę mechaniczną, która po naświetleniu matrycy zasłoni ją na czas przesuwania ładunku do części dolnej. Taka konstrukcja matrycy daje prawie 100 % współczynnik wypełnienia, o którym mowa w 5. części naszego przewodnika.

Bardzo ładną animację odczytu typu "Frame transfer" można obejrzeć na stronach laboratorium Optical Microscopy Division of the National High Magnetic Field Laboratory.

Full frame transfer, to rodzaj matryc CCD, w których ładunki elektryczne zgromadzone w pikselach pod wpływem światła są przenoszone do elementów przetwarzających je na obraz bez etapu składowania ich w obszarze zasłoniętym przed światłem. Schematycznie obrazuje to rys. 2.

rys. 2: schemat działania matrycy CCD typu "full frame transfer"

Po naświetleniu matrycy ładunki z kolejnych wierszy pikseli są przesuwane w dół do rejestru zaznaczonego kolorem niebieskim. To przesuwanie realizuje rejestr zaznaczony kolorem zielonym. Nazwy tych rejestrów to: rejestr przesuwu pionowego - zielony, i przesuwu poziomego - niebieski. Rejestr przesuwu poziomego przenosi ładunki do dalszych elementów aparatu cyfrowego, które nie stanowią integralnej części matrycy CCD i będą omówione osobno.

W tym systemie odczytanie ładunków powstałych w trakcie robienia zdjęcia trwa znacznie dłużej, niż w opisanym powyżej systemie "frame transfer". Dlatego w aparatach o takiej konstrukcji matrycy konieczne jest zastosowanie migawki mechanicznej, która zasłoni matrycę na czas odczytu. Matryca ma prawie 100 % współczynnik wypełnienia, podobnie jak w systemie "frame transfer". Zapewnia to dużą czułość, gdyż prawie cała powierzchnia matrycy jest wykorzystana do rejestracji natężenia padającego światła.

Animację tego systemu odczytu można obejrzeć na wspomnianych już stronach laboratorium Optical Microscopy Division of the National High Magnetic Field Laboratory.

Interlinie transfer, co można przetłumaczyć jako przesuw międzyliniowy. Na rys.1 z 5. części przewodnika pokazano puste miejsce obok czynnej części piksela. To właśnie miejsce jest wykorzystane do "zmagazynowania" ładunku zaraz po jego zgromadzeniu w trakcie ekspozycji. Patrząc z góry na schemat takiej matrycy zobaczymy, że obok każdej kolumny pikseli rejestrujących światło znajduje się kolumna do przechowywania ładunku elektrycznego, który następnie jest odczytywany i przekazywany w celu przetworzenia go w zdjęcie.

rys. 3: schemat matrycy CCD o architekturze odczytu zwanej "interline transfer"

Kolumny niebieskie oznaczają piksele odsłonięte dla padającego światła. Kolumny zielone - piksele zasłonięte przed światłem i wykorzystywane dla przechowania ładunku na czas jego transferu do elementów aparatu przetwarzających ładunki na obraz. Na rys. 3 zaznaczono kierunki przemieszczania ładunków. Przeniesienie ładunków z pikseli rejestrujących do pikseli magazynujących zajmuje około 1000 razy mniej czasu, niż w matrycach o architekturze "full frame transfer", bo wymaga ich przesunięcia tylko o szerokość jednego piksela, podczas gdy w trybie "full frame transfer" ładunki muszą zostać przeniesione na odległość równą liczbie wierszy matrycy pomnożonej przez wysokość pojedynczego piksela. Przy tej metodzie odczytu nie jest w ogóle potrzebna migawka mechaniczna. Czas przesuwania ładunków to rząd 1s i nie ma obawy, by w tak krótkim czasie nastąpiło znaczące zaburzenie liczby zgromadzonych na pikselu ładunków.

Parametry techniczne matryc

Czytelnicy zainteresowani szczegółowymi parametrami różnych typów matryc mogą je znaleźć na stronie internetowej Kodaka.

Dla wygody czytelnika wyjaśniamy znaczenie poszczególnych nazw z tabelek.

Full frame CCD - wiemy już, co to znaczy.

Pixel count - to liczba pikseli w kierunku poziomym (H) i pionowym (V).

Pixel size - wymiary piksela.

Optical Fill Factor - współczynnik wypełnienia; wiemy już, co to jest.

Saturation signal - to liczba elektronów, która "zapełnia" piksel. Dalsze naświetlanie nie przekłada się już na przyrost tej liczby, a może jedynie dawać efekty zniekształcające zdjęcie. Nowoczesne konstrukcje matryc są zabezpieczone przed takim "przepełnieniem" piksela elektronami. "Nadwyżka" jest odprowadzana i neutralizowana w obudowie matrycy.

Output Sensitivity - czyli czułość wyjściowa, to wielkość napięcia jaką uzyskuje się z wygenerowanego w pikselu 1 elektronu. Ma ona wartość rzędu 10 V/elektron. Łatwo przeliczyć, że przy zgromadzenie w pikselu około 50 tys. elektronów (typowa maksymalna liczba elektronów mieszcząca się w pikselu) napięcie uzyskane z tego piksela bez wzmacniania wyniesie około 0,5 V, czyli wartość łatwą do mierzenia czy przetwarzania przez inne układy elektroniczne.

Dark Current (25 C, Accumulation Mode) - prąd wytwarzany w fotodiodzie przy braku oświetlenia, w trybie rejestracji obrazu. Polska nazwa - prąd ciemny. 25° C oznacza temperaturę, w której wyznaczono ten parametr. Prąd ten ma wartość rzędu kilku
p/A cm2
(przedrostek piko oznacza
10-12
, czyli jeden podzielone przez tysiąc miliardów!). To jest prąd, jaki generowałby samoistnie piksel o powierzchni
1 cm2
. Powierzchnia czynna jednego piksela to mniej niż
10-6
cm2
, czyli prąd ciemny jednego piksela jest przynajmniej milion razy słabszy. Z punktu widzenia życia codziennego to bardzo mała wartość natężenia prądu. Stuwatowa żarówka pobiera około 0,4 A, czyli około
1018
razy więcej. Prąd ciemny decyduje o szumach widocznych na zdjęciu.

Dark Current Doubling Rate - przyrost temperatury, który wywołuje podwojenie się prądu ciemnego. Mieści się zakresie od 5° C do 10° C. Ten parametr wyjaśnia, dlaczego w aparatach dla celów specjalnych, np. w astronomii, chłodzi się matryce do temperatur ciekłego azotu (-196° C). Pozwala to na stosowanie bardzo długich czasów naświetlania bez obawy zaszumienia zdjęcia prądem ciemnym matrycy.

Dynamic Range (Sat Sig/Dark Noise) - dynamika piksela, czyli stosunek liczby elektronów przy nasyceniu do liczby elektronów wyzwalanych samorzutnie przez nieoświetloną fotodiodę. Ten parametr informuje nas, jaka będzie maksymalna rozpiętość odcieni jasności, którą rozróżnimy na zdjęciu wykonanym aparatem z taką matrycą. Dynamika podawana jest w decybelach i dla matryc CCD wynosi około 80 dB. Nie wnikając w definicję decybeli, 80 dB oznacza, że stosunek jasności rejestrowanych przez piksel wynosi 1:10000.

Quantum Efficiency (450, 550, 650 nm) - wydajność kwantowa dla długości fal świetlnych podanych w nawiasach. Odpowiada to kolorom - niebieskiemu, zielonemu i czerwonemu. To bardzo wyszukany parametr, który ma znaczenie dla zastosowań matryc w przyrządach naukowych. Nie będziemy więc tu za dużo o nim pisać. Wydajność podawana jest w procentach. Pojęcie to zostało objaśnione w 5. części naszego przewodnika.


Istnieje wiele modyfikacji konstrukcyjnych matryc CCD, charakteryzujących się różnym kształtem pikseli i ich rozmieszczeniem w matrycy. Zasada ich działania i odczytu jest jednak zawsze taka sama. W następnym rozdziale tego artykułu opiszemy matryce typu CMOS, a następnie zrobimy ich porównanie.

Szersze omówienie przedstawionych problemów można znaleźć w monografii Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Camera pod redakcją Junichiego Nakamury wydanej przez wydawnictwo Taylor & Francis (Londyn 2006).

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

Następujące pojęcia w naszym słowniku pomogą w zrozumieniu tego tekstu: CCD">, Czułość">, CMOS">, Matryca światłoczuła">, Piksel">.
 
Komentarze
Polecane artykuły
Leica Oskar Barnack Award 2018 - oto zwycięskie prace
18 Wrz 2018
Poznaliśmy wyniki jednego z najbardziej prestiżowych konkursów poświęconych fotografii dokumentalnej. Tegoroczną nagrodę główną Leica Oskar Barnack Award otrzymał belgijski fotograf Max Pinckers. Natomiast wyróżnienie dla wschodzącego talentu powędrowało w ręce pochodzącej z Rosji Mary Gelman. Niestety w tym roku na podium zabrakło Polaków.
1
Fotografia przyrodnicza na luzie. Oto najlepsze zdjęcia z konkursu Comedy Wildlife Photography Awards 2018
17 Wrz 2018
Naturze nie brakuje poczucia humoru! Jeśli nie wierzycie, zobaczcie zdjęcia finalistów konkursu Comedy Wildlife Photography Awards, który od 4 lat nagradza najzabawniejsze zdjęcia przyrodnicze.
1
Eduardo Asenjo Matus: “Na zdjęciach staram się pokazać swoją rzeczywistość”
12 Wrz 2018
Przed wejściem do świata fotografii Chilijczyk Eduardo Asenjo Matus zajmował się malarstwem, ale wkrótce w jego domu zaczęło brakować już ścian do powieszenia obrazów. Dziś jako fotograf mierzy się ze swoją chorobą, starając się opowiedzieć o niej za pomocą zdjęć.
0
Taylor Wessing Photographic Portrait Prize 2018 - poznaliśmy nazwiska nominowanych fotografów
7 Wrz 2018
Max Barstow, Enda Bowe, Joey Lawrence oraz Alice Mann to czwórka fotografów, która w tym roku walczy o prestiżową nagrodę Taylor Wessing Photographic Portrait Prize. Zobaczcie fotografie, które są niejako „portretem współczesnego świata.“
0