50 éves a CCD

0

Willard Boyle és George E. Smith 1970-ben publikálták elsőként a Bell System Technical Journal szakmai újságban az általuk kifejlesztett töltés csatolt eszköz, azaz CCD (Charge Coupled Device) néven ma már közismertté vált képalkotó eszközüket.

A CCD-t megelőzően vákuumos képalkotó csöveket (az elektroncsövek egy fajtáját) használhatták csak a mozgóképek rögzítésére és felvételére, amelyek kicsit hasonló módon működtek, mint a katódsugárcsöves tévék, azzal a különbséggel, hogy itt az elektronágyú nem foszforvegyületet gerjesztett, amely fényt bocsátott ki, hanem az elektronsugarat egy fényelektromos (fényérzékeny) felületre irányították, amely a gerjesztés hatására a rá eső fénnyel arányosan több elektront bocsátott ki. A katódsugárcsőbe helyezett anódba visszaérkező elektronok számából megállapíthatták, hogy mennyi fényt kapott a fényérzékeny felület adott pontja.

Ennek a módszernek az előnye volt, hogy az akkori technológiai fejlettséggel könnyen és viszonylag kedvező áron megvalósítható volt az ilyen videócsövekből felépített színes kamera is, amely sugárosztók és színszűrők segítségével lehetővé tette a színes műsorszórás elterjedését is.
A hátrányát talán csak az idősebbek ismerhetik, de hazánkban még 1980-85 környékén is használtak ilyen videócsöveket az élő adások közvetítése során, amelyeknél látványosan jelentkezett a túl világos területek esetén kialakuló túlgerjedés. Ennek során az erős fényforrás kikapcsolása után a képmező adott területén még néhány másodpercig megmaradt a világos folt, vagy a kamera elfordításakor a világos csík.

Érdekesség:
A napjaink elektronikus képérzékelő szenzorainál alkalmazott 1/2,3″ típus, 1/3″ típus, 1″ típus, 4/3″ típus nem pontosan a képérzékelő aktív felületének képátlóját jelenti colban (inch-ben), hanem az előbb említett vákuumos videócsövekre vonatkoztatják úgy, hogy a képzeletbeli videócső által lefedett képfelület megegyező legyen az elektronikus képérzékelő aktív méretével!
A méretnél ennek a képzeletbeli videócső külső átmérőjét adják meg. Így pl. az 1″ típusú szenzor nem 2,54 cm (1 col, illetve 1 hüvelyk) átlójú fényérzékeny felülettel rendelkezik, hanem akkorával, amekkorát egy képzeletbeli 1″ átmérőjű videócső kínált volna: azaz kb. 13,2 x 8,8 mm méretűvel.

További problémát jelentett a képkiolvasás lassúsága és annak késleltetése.


A kanadai születésű Willard Boyle és az amerikai George E. Smith az AT&T Bell Laboratóriumában dolgoztak, 1969-ben azt aktuális feladatuk egy új típusú (buborék) memória kifejlesztése volt.

Az egyik alkalommal tartott ötletelés során egy olyan eszközt képzeltek el, amely ugyan nem vált a számítógépek új memóriájává, de forradalmasította mind az állóképek (fotók) készítését, mind pedig a műsorszórást és a videotechnikát.

Találmányuknál a fényelektromos hatást alkalmazták, kicsit hasonlóképp, mint a korabeli videócsövek, azonban itt ez a hatás félvezetőkre vonatkozik, ráadásul nem a külső vákuum térben, hanem magában a félvezető anyagon belül. A jelenséget még 1921-ben fedezte fel Albert Einstein, lényege, hogy amikor egy megfelelő hullámhosszúságú (azaz energiájú) foton fém felületébe csapódik, akkor abban egy elektron magasabb energiaszintre kerül, könnyebben válik mozgékony töltéshordozóvá (“áramvezető elektronná”), azaz megváltozik az anyag vezetőképessége.

Megjegyzés:
A valóságban nem minden kellően nagy energiájú foton üt ki egy elektront, esetenként előfordul, hogy nem történik kilökődés. A becsapódó fotonok által kilökődő és nem kilökődő elektronok arányát kvantumhatásfoknak nevezzük.

A CCD képérzékelőnél félvezetőt alkalmaznak, azaz két különböző anyag határánál (a dióda p-n átmeneténél) a becsapódó fotonok elektronokat és lyukakat (elektronhiányt) generálnak. Az így létrehozott szabad elektronok, illetve elektronhiányok előfeszítés (azaz feszültségre kapcsolás) hatására a felületet ért fotonok számával arányos mértékű elektromos áramot eredményeznek.

Boyle és Smith zseniális megoldása nem a fotoelektromos hatásban rejlett, hiszen ez már akkor köztudott volt a tudósok körében. A trükk az ilyen fotodióda mögötti töltés mozgatásában van.

forrás: Wikipedia

Az eszköz nevében szereplő töltés csatolás erre a módszerre utal, azaz arra, ahogyan az egyes fotodiódák mögötti töltéstárolók töltéseit sorról sorra képesek mozgatni, majd az utolsó sor végén lévő regiszterből már az oszlopoknak megfeleltethető pixelenkénti kiolvasásra is lehetőség van. Kicsit hasonló ez ahhoz, mint amikor papírlap vagy vékony műanyag/fa lap alá mágnest helyezünk és annak mozgatását a fent lévő fémreszelék köveit, csak itt mágneses tér helyett villamos teret használnak és fémreszelék helyett elektronokat mozgatnak

Ennek köszönhetően nagy felületen is létrehozható fényérzékeny fotodióda rendszer, amely lehetővé teszi a rá fókuszált kép világosságának minden képpontban való érzékelését és annak elektronikus kiolvasását.

forrás: Wikipedia

Willard Boyle és George E. Smith találmányukért 1973-ban a philadelphiai Franklin Institute Stuart Ballantine medálját, 1974-ben az IEEE Morris N. Liebmann emlék díját, 2006-ban Charles Stark Draper díjat, majd 2009-ben pedig Nobel-díjat kaptak.

A CCD-k segítségével vált lehetővé, hogy az űrben, vagy akár a tenger mélyén nagy felbontású képeket készíthessünk, hogy ezeket könnyedén eltárolhassuk, de a CCD-ket az orvoslásban (belső vizsgálatok), a gyártástechnológiában (minőségellenőrzés) és a csillagászatban földi távcsöveknél is használják, akár óriási méretben is:

Legnagyobb előnyük jelenleg a globális zármegoldásuk, amelynek révén a fotózandó tárgyak nagy sebessége esetén sincs képtorzulás, nem úgy, mint a gördülő záras CMOS szenzoroknál, ahol erősen jelentkezik a jello-effektus.

A modern fényképezőgépekben ma már nem CCD-t, hanem egy hatékonyabb eszközt, a CMOS képérzékelőt használják, mivel annak jóval kisebb a sötétárama (foton becsapódás nélküli minimális áramszivárgása), jobb a jel/zaj aránya (kisebb a képzaja), valamint jelentősen kisebb a fogyasztása – ebből adódóan a melegedése is kisebb, ráadásul CMOS szenzornál a képérzékelő chipre integrálhatják az időzítő áramkört, az A/D átalakítót és akár nagy kapacitású memóriát is (stacked CMOS).

A két szenzor közötti főbb különbségek ebben a videóban láthatók: