CCD - Hogyan működik?

A látás mechanizmusa

pálcika csap

pálcika csap

gyenge nap

fény

csapA csapoknak 3 típusa van, amelyek a látható fény rövid , közepes , illetve hosszabb hullámhosszúságú tartományára érzékenyek.

Hogyan valósul megmindez a

fény

objektív

moduláltfény

kvantumkémiai folyamat:fotonból elektron lesz

érzékelő

ÉrzékelőkA digitális fényképezőgépek egyik legfontosabb részegysége a képérzékelő.

Mind a CCD és a C-MOC eszközöket 1970 táján fejlesztették ki a Bell Laboratóriumban.

Olyan kondenzátort hoztak létre amely képes analóg jelekből, különböző nagyságú töltéscsomagokat tárolni.

Az ilyen fajta kondenzátorokat MOS alapúak voltak. (Metal Oxide Semi-conductor, Fém-Oxid Félvezető)

A kis tárolókból több ezer darabot tudtak elhelyezni egy parányi félvezető-lapocskán, s ezeket egy kiolvasó áramkörrel összekötve memóriaegységeket, optikai érzékelőket alkottak.

A MOS tárolóegység három alapvető részből áll:

• elektróda• szigetelő zóna (általában szilícium-dioxid)• szennyezett félvezető alapréteg

MOS TÁROLÓEGYSÉG

Ahhoz, hogy a szilícium alapréteg áram vezető legyen a tiszta Si kristályt valamilyen, anyaggal szennyezik.

A szilícium 4 vegyértékelektronnal rendelkezik, melyek a kristályrácsba épülve kötéseket létesítenek a szomszédos atomok szabad elektronjaival.

Két féle szennyezési eljárás létezik:

•Pozitív Amikor a kristály kialakításakor 3 vegyértékelektronnal rendelkező atomokat juttatunk a szilíciumok közé, akkor ezek kapcsolódásakor csak három teljes értékű kötés alakul ki. A szabadon maradt elektron mellett egy, a környezethez képest "pozitív töltésű lyuk" jelenik meg.

•NegatívAmikor öt külső elektronnal rendelkező atomokkal szennyezzük a kristályt (pl. arzén), akkor kialakul mind a négy teljes értékű kötés, de marad egy szabad, "fölösleges" elektron.

A szennyezéssel létre-hozott elektron többlet vagy hiány a kristályrácson belül megteremti az elektromos vezetés lehetőségét.

Egy P-típusú félvezetőben egy elektron áramlása (megfelelő mozgató erő, pl. elektromos mező hatására) valahogy úgy képzelhető el, hogy "helyet cserélgetnek" a pozitív lyukakkal.

Ha egy P-típusú egységet veszünk, és az elektródára pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor a félvezető rétegben létre jönnek kis elkülönült régiók, amelyekben töltések halmozódnak fel.

Ahol a töltések felhalmozódnak azt zónát nevezzük pozitív lyuk kiürülési régiónak. Az elektronok általában az elektróda "alatt„ halmozódnak fel.

Ha nem tud több elektront felhalmozni, akkor jön létre az egyensúlyi állapot. Ezt az effektust sötétáramnak nevezünk, mely néhány másodperc alatt zajlik le.

Az érzékelő csak "egyensúlytalan" állapotban képes a fényérzékelésre.

A beérkező fotonok hatására szakadnak fel a kötések a kristályban így a beérkezett fény mennyiségével arányos nagyságú töltés halmozódik fel.

Az összegyűlt töltés nagyságát megmérve következtet-hetünk a beérkezett fény mennyiségére.

Az expozíció alatt összegyűlt töltés megméréséhez az elektronokat el kell juttatni egy megfelelő kiolvasó egységhez.

MOS tároló egységet

C-MOS CCD

CCD

A CCD (Charge Coupled Device) rövidítés tulajdon képen töltéscsatolt eszközt jelent.

A töltéscsomag mozgatását úgy oldották meg, hogy egymás mellé több elektródát helyeztek el, s megfelelő időközönként ezekre az elektródákra feszültséget kapcsolnak.

Technikailag több különböző megoldás létezik, ezek a kettő-, három- és négyfázisú töltéscsatolású eszközök.

A Háromfázisú töltéscsatolásnál, három elektróda csoport van kialakítva, amelyeken a feszültséget fáziseltolással változtatják, ennek hatására a töltéscsomagok elmozdulnak a kiolvasó egységhez.

Ezt a folyamatot addig kell ismételni, amig a töltéscsomagok, nem jutnak le a kiolvasó egységig.

A kiolvasás úgy történik, hogy a töltéscsomagot egy kondenzátorra léptetik, majd annak kisütése során mért feszültségből megkapják az analóg jelet, mely arányos a beérkezett fotonok számával.

CCD chip felépítéseEgy kis téglalap alakú szilíciumlapkán több darab MOS tárolóegységet mozaikszerűen, helyeznek el, majd hozzákapcsolnak egy kiolvasó áramkört.

A mozaik egy elemét pixelnek nevezzük. Egy oszlopon belül a pixelek nincsenek egymástól ténylegesen elszigetelve, mert akkor lehetetlen lenne a töltésléptetés. Az egymás "alatti" pixeleket elektromos tér segítségével választják el egymástól.

A háromfázisú példánál maradva .

A kép kiolvasásakor egy léptetés során minden sor egyel lejjebb kerül, a legalsó sor pedig a kiolvasó regiszterbe.

Mivel a sorokat egyszerre lehet léptetni viszonylag rövid idő alatt történhet a kiolvasás. Egy n sorból és m oszlopból álló chipnél ha egy léptetés t ideig tart, a teljes kiolvasás (n*m)*t időt vesz igénybe.

A regiszterekből a töltés csomagokat védett tárolóra léptetik ezt frame transfernek (képátvitelnek) nevezik.

Általában egy chipen több millió pixelt helyezkedik el ezért több kiolvasó regiszter és - elektróda alkalmazásával a kiolvasási idő csökkenthető.

ERŐSÍTŐ

Feladata a CCD chipből érkező igen gyenge jelek fölerősítése, hogy az analóg digitális átalakító értelmezni tudja a kimenti jeleket. A gyenge jelszinten megjelenő információk könnyen megsérülhetnek ezért közvetlen a CCD chip közelébe helyezik el az erősítő eszközt.

ANALÓG DIGITÁLIS ÁTALAKÍTÓ (A/D)

Az egyes pixelek fényességértékével arányos feszültségjelek bináris számokká történő átalakítását végzi az Analóg/Digitál konverter.

A legtöbb esetben 8 bites(28) A/D konvertereket használnak alapszínenként, így a vörös (Red), zöld (Green) és a kék (Blue) színeknek 256 árnyalatát képesek érzékelni.

A három színösszetevő összesen 8 bit + 8 bit + 8 bit = 24 bites színmélység-et ad, ami 16 777 216 színárnyalatot jelent.

A három színösszetevő összesen 8 bit + 8 bit + 8 bit = 24 bites színmélység-et ad, ami 16 777 216 színárnyalatot jelent.

A JPEG tömörítésű képek általában 24 bites színmélységűek.

Léteznek olyan A/D konverterek, amelyek a színenkénti12 bites vagy 14 bites, vagyis 4096 vagy 16384 árnyalatot képesek megkülönböztetni. Mivel az így kapott képek színmélyessége 12 bit +12 bit +12 bit = 36 bites vagy 16 bit +16 bit + 16 bit = 42 bites a JPEG tömörítés esetén csak veszteséggel dolgozható fel.

A nagy színmélységű képek tárolásához TIFF vagy RAW képfájl formátumot kell használni.

HŰTÉS

A lapka hűtését a sötétáram elkerülése érdekében alkalmazzuk. A technológia azonban csak korlátosan alkalmazható -100 Co környékénél a töltésléptetést gátló jelenségek lépnek fel a szilícium lapkában. A hűtés elérését több módon lehet megoldani például Termoelektromosan(Peltier-elem)A Peltier-elem két vékony porcelánlap között lévő félvezető lapokból álló eszköz, melynek két oldala közt megfelelő áramerőség mellett hőmérséklet-különbség hozható létre.

1 - képérzékelõ, 2 - ADC, 3 - memória, 4 - csatoló, 5 - szín- és hibakorrekciót

végző elektronika

A CCD jellemzői

Spektrum érzékenység

CCD emberi szem

A CCD érzékelő jóval érzékenyebb a fény sugarakra mint az emberi szem.

Linearitás

Nagyon fontos szempont egy detektornál, hogy pl. kétszer akkora megvilágítás hatására kétszer akkora jelet adjon. Ez teljesül a CCD teljes működési tartományára, míg a fotoemulzióknál csak annak egy harmadára.

Ez jól látható az alábbi két görbén, ahol a CCD-k és a fotóanyagok "jelleggörbéje" van ábrázolva.

DINAMIKUS TARTOMÁNY

Az egyszerre intenzitáshelyesen megjelenített legfényesebb és leghalványabb képpontok fényességaránya a fotográfiában 100 körüli érték, ellenben a CCD-k esetében ugyanez mintegy 10000!

Utóbbi esetben felső határt szab a pixelek telítődése, vagyis az, hogy csak véges számú elektront tartalmazhat egy képelem. Ha ezt a határt túlléptük, a töltések "átfolynak" a szomszédos pixelekbe (blooming).

(Léteznek olyan technikai megoldások, ahol ezt a jelenséget csökkenteni tudják a pixelek közötti "elvezető csatornákkal", ez az un. antiblooming gate technika.)

Felbontás, érzékelő felület

A képérzékelők egyik legfontosabb paramétere a felbontásuk.

A képérzékelő felbontását a vízszintesen és függőlegesen elhelyezkedő pixelek számának a szorzata adja. (1 – 13 Mpx) A legelső digitális fényképezőgépekben az érzékelő 320x240 pixeles képek készítésére volt alkalmas. (8 bites)

Felbontás

A képérzékelők egyik legfontosabb paramétere a felbontásuk.

A képérzékelő felbontását a vízszintesen és függőlegesen elhelyezkedő pixelek számának a szorzata adja. (1 – 13 Mpx) A legelső digitális fényképezőgépekben az érzékelő 320x240 pixeles képek készítésére volt alkalmas. (8 bites)

A korai 1 Mp-es fényképezőgépek 1024x768 pixeles felbontásra voltak képesek, amelyek valójában csak 800 Kp-es felbontásúak voltak.

A valóban 1 Mp-es fényképezőgépek, 1280x960 pixeles felbontásúak.

Érzékelők méretei

Általában 1/3,2" és 2/3" közötti érzékelőket alkalmaznak.

Általánosan elmondható, hogy minél kisebb az érzékelő mérete, annál nagyobb felbontó képességű optika szükséges a jó képminőség eléréséhez.

Az optika által az érzékelő felületére összegyűjtött fényt tovább kell fókuszálni, hogy minél több fény jusson el pixelekhez.

Ennek érdekében a pixelek fölé ún. mikro lencséket helyeznek, melyek minden beeső fénymennyiséget egy adott pixelre fókuszálnak.

A képen látható egy mikro lencséket mutató elektron-mikroszkópos felvétel látható.

A mikro lencsék átmérője 20 mikron.

Szín érzékelés

Az érzékelők csak az adott fény erejét képesek érzékelni, a színét nem.

Ahhoz, hogy színes képet képezzünk, szükség van a színszűrőkre (Colour Filter Array - CFA).

A színszűrők csak egyféle hullámhosszú fényt engednek át.(pl. a vörös színszűrőn csak a vörös fény jut keresztül)

A képérzékelő felületére különböző színű szűrőt helyez-nek:

•Általában a három alapszínt használnak a szűrőknél, a vörös, zöld és kék (RGB) színeket.

•Ritkább esetben alkalmazzák a CYGM szűrőket, amelyek cián, sárga, zöld és lila színeket engedi át.

A színszűrőt úgy helyezik fel az érzékelőre, hogy egy-egy pixel a zöld, vörös és kék színösszetevők fényerejét érzékelje (RGB esetén).

A végső képben egy-egy pixel színét a szomszédosan elhelyezett pixelek által felfogott fény erősségéből számítják ki, a színszűrők által átengedett színek figyelem-bevételével.

Bayer-mintaRGB

RGB színszűrő esetében a 2 x 2 pixeles szűrőt alkalmaznak, amiben két zöld szűrő és egy vörös és kék szűrő található.

A zöld szín két okból fontos.  

•az emberi szem erre a legérzékenyebb•a kontraszt növelése érdekében célszerű az egyik színből két szűrőt használni.

CYGM színszűrő esetén a cián és sárga színek összegéből megkapható a zöld szín értéke, vagyis tulajdonképpen ebben az esetben is két "helyen" található zöld szűrő. A színszűrők alkalmazásának hátránya, hogy a kép élességét rontják.

Az ok egy pixel szín információját három másik pixel értékeiből számítják ki.

Az érzékelők előnyeik és hátrányaik

A CCD és a CMOS érzékelők között a legnagyobb különbség a gyártás technológiában rejlik.

A CCD érzékelők jellemzői

A CCD érzékelők gyártása bonyolultabb és költségesebb, mint a CMOS érzékelők előállítása.

A CCD érzékelőknél a pixelek adatait sorosan olvassák ki. (pixelek megcímzése fölös leges)

Az A/D konvertert az érzékelőn kívül helyezik el. Ennek az érzékelőnek a nagy előnye a nagy érzékenység. Hátrány viszont a jelentős fogyasztás ami akár, 5-6 Watt is lehet.

A CMOS ÉRZÉKELŐK JELLEMZŐI

A CMOS érzékelőkben minden pixelhez elhelyezhető az elektron-feszültég átalakító, ennek köszönhetően sor- és oszlop címzéssel rendelkezik.

Ha kis felbontású képet készítünk, akkor csak azokat a pixeleket olvassa ki, amik a képalkotásban részt vesznek. Ennek felhasználásával a kiolvasási idő lényegesen rövidebb lesz, ezért képes lesz a fényképezőgép a gyors sorozatképek elkészítésére.

Az érzékelő lapkán elhelyezhető az A/D konverter.Az érzékelők fogyasztása csekély 0,5 Watt.

A CMOS érzékelőn kisebb a képzaj mértéke.

Ennek az érzékelőnek a hátránya a rossz jelterjedési sebesség, ezt úgy próbálják kompenzálni, hogy az érzékelő lapkán belül sok kiegészítő áramkör használnak.