Fotóelmélet: Érzékelők 1

0
2 093

CCD versus CMOS

E két elnevezés úgy hangzik el naponta a digitális fényképezéssel foglalkozó cikkekben, fórumokon, mint egymással ellentétes értelmű szavak. A CMOS egy kapcsolástechnika és gyártástechnológia jelzője, amellyel számtalan funkciójú áramkört állítanak elő. A CCD szó szintén meghatároz egy gyártástechnológiát, de alapvetően egy működés közbeni jelenségre utal, és az így előállított áramkörök feladata speciális. Annak, hogy miért használják őket mégis ellentétes értelemben, elektronika-történeti okai vannak.

CCD

A CCD (Charge Coupled Device: töltéscsatolt eszköz) a Bell Labs által még a 70-es években kifejlesztett memóriatípus, egy analóg léptetőregiszter. A bemenő oldalon létrehozott töltést egy külső, többfázisú órajel hatására képes mozgásra kényszeríteni és a kimenet felé továbbítani. Ha a CCD felületét szabaddá teszik, a töltések a felületre vetülő fény által is létrehozhatóak. Az első kétdimenziós, képalkotásra alkalmas CCD-t a Fairchild Electronics mutatta be 1974-ben, 100*100 pixel felbontással. A CCD-t MOS technológiával állítják elő, amely annyit jelent, hogy az eszközben a rétegek sorrendje: Metal (fém) – Oxide (fémoxid szigetelő) – Semiconductor (félvezető)


3 fázisú órajellel meghajtott CCD regiszter működése

Működése a következő: A fotonok érkezhetnek a fémes elektródák felől (un. vastag CCD) és a szilícium kristály felől (un. vékonyított CCD) is. Ennek jelentősége abban van, hogy a fotonok szilícium kristályba való behatolásának mélysége nagymértékben függ a fény hullámhosszától (színétől). Általános célú fényképezőgépekben inkább a vastag, az asztrofotózásban (ha van rá lehetőség) a vékonyított CCD-t használják, hiszen ez utóbbinak a kék és UV fényre való érzékenysége jobb. A szilícium kristályban elnyelődő fotonok a fotoelektromos effektus következményeként elektron-elektronlyuk párokat hoznak létre. Mivel képérzékelő eszközről van szó, a CCD felületét pixelekre osztják. Minden pixelhez tartozik egy olyan elektróda, amelyre ebben a működési fázisban pozitív feszültséget kapcsolnak. Ennek hatására az elektronok az elektródák közelében lévő p-n átmenetekhez vándorolnak, kialakulnak a töltés-csomagok. A megvilágítás megszüntetése után (dSLR fényképezőgépekben ezt a mechanikus zár teszi meg) egy órajel előállító áramkör az elektródákra speciális jelet kapcsol, amelynek hatására a töltések a szomszédos elektródák közelébe vándorolnak. Ez a CCD működésének legfontosabb mozzanata, maga a töltéscsatolás, amelyről nevét is kapta. Bár a csatolás veszteséggel jár, ez a mai technológiai színvonalon nem jelentős tényező, hiszen a csatolás hatásfoka 99,999% felett van. A léptetés módszerét tekintve számos eljárás alakult ki, így 4-fázisú, 3-fázisú, 2-fázisú és virtuális fázisú órajellel is történhet. A CCD regiszter végén egy kiolvasó elektróda található, amelyet egy erősítőre kapcsolva a kimeneten mérhető feszültség egyenes arányosságban áll a pixel felületére beérkező fotonok számával, igen jó linearitással.

A leírt eszköz az un. lineáris CCD. Ehhez hasonlókat használnak pl. fax és szkenner készülékekben, ahol a papír vagy az érzékelő mozgatásával érik el, hogy a teljes kép beolvasásra kerüljön. Ahhoz, hogy a CCD eleve kétdimenziós képet állítson elő, a regisztereket tömb alakba kell rendezni. A fényképezőgépekbe épített CCD chip-ek fényérzékeny felülete párhuzamos regiszterekből áll. A chip-en a regiszterek közötti töltésvándorlást szigeteléssel akadályozzák meg. A párhuzamos regiszterekre merőlegesen egy másik regiszter található, amely így lehetővé teszi az összes információ kiolvasását. A párhuzamos regiszterek léptetése mindig egy sornyi információt léptet át a merőleges regiszterbe.


a képi információ kiolvasása CCD (Full-Frame Transfer) képérzékelőkből

A legegyszerűbb, un. Full-Frame Transfer (FFT) CCD működését tanulmányozva megérthető, hogy ebből a típusból nem lehet tetszés szerinti sorrendben kiolvasni a pixelekhez tartozó információt, valamint a következő kép rögzítése csak a teljes kiolvasás után lehetséges. Szintén fontos tulajdonság, hogy külső eszközzel kell beállítani a megvilágítás hosszát. A pixelek száma és a léptetés maximális frekvenciája meghatározza, hogy mennyi ideig tart egy teljes képet kiolvasni. Vannak olyan alkalmazások, amelyeknél gyors képfrissítésre van szükség, illetve nincs lehetőség mechanikus zár alkalmazására, pl. videokamerák vagy a kompakt fényképezőgépek esetében. (utóbbiaknál élőképet kell az LCD-n vagy az elektronikus keresőben megjeleníteni). Erre a problémára megoldás az Interline CCD, amely szétválasztja a fény érzékelésének és a kiolvasásának funkcióját. A fényérzékeny pixelek sorai közé ékelik az árnyékoló maszkkal ellátott, fényre érzéketlen CCD regisztereket. Az exponálás végén a pixelekből a CCD elektródáihoz csatolják a töltés-csomagokat, ekkor a pixelek felszabadulnak, újra kezdődhet a fotonok begyűjtése. Ebben a fázisban a regiszterek már a hagyományos módon kiolvashatóak. Az Interline CCD-k előállítása bonyolultabb, és hátrányuk, hogy a pixelek hatásos felülete 50% alá esik a pixel teljes felületéhez képest. (Pixel Fill Factor). Az érzékelő elé helyezett, korszerű mikrolencse rendszerekkel ez a hátrány minimálisra csökkent, a lencsék a pixel szabad felületénél jóval nagyobb keresztmetszetben gyűjtik a fényt, így 70-90% között mozog ez a kitöltési tényező.


az Interline CCD működése

A kiolvasás sebességének növelésére egy megoldás a merőleges, soros regiszter többszörözése. Az un. többcsatornás kiolvasás esetén 2 db, 4 db vagy még több soros regisztert alkalmaznak. Két csatorna esetén ez történhet úgy, hogy a páros oszlopok az egyik, míg a páratlanok a másik soros regiszteren keresztül kerülnek kiolvasásra. Ebből adódik, hogy annyi erősítőre és analóg-digitális átalakítóra van szükség, amennyi a kiolvasó-csatornák száma. Különösen fontos a csatornákhoz tartozó áramköri elemek tökéletesen azonos működése, ellenkező esetben a képen sávosodás (banding) jelenik meg.

A CCD-k működésével kapcsolatban gyakran tapasztalt jelenség a töltések átfolyása, az un. blooming. Az első animációt tanulmányozva könnyű elképzelni, hogy ha egy elektróda körül nagyon sok elektron halmozódik fel, akkor egyes elektronok közelebb kerülhetnek a szomszédos elektródákhoz, amelyek által létrehozott elektromos tér szintén vonzza őket. Így a töltések átfolynak a szomszéd pixelekre. A képen túlexponálás (beégés) esetén a kiolvasási iránnyal megegyező elkenődés, kisebb fényes pontok esetén csík jön létre. A töltés-átfolyás ellen a pixelek között kialakított un. anti-blooming csatornákkal védekeznek, amelynek hatékonyságát megadják minden CCD adatlapján (anti-blooming protection).

Vannak olyan helyzetek, amikor nagy dinamikájú kép előállítása a feladat és ennek érdekében feláldozzák a kép felbontását. A CCD technológia erre egy hardveres, sőt elemi-részecske szintű lehetőséget is kínál. Ha a regiszter kiolvasó elektródája és az utolsó léptető-elektróda közé egy olyan elektródát helyeznek el (Summing Well – SW), amelyre a léptető-órajeleknél kisebb frekvenciájú jelet kapcsolnak (tehát legalább két töltéscsomag beérkezése közben folyamatosan pozitív feszültségen van), akkor ez az elektróda összegzi több pixel töltését (pixel-binning). Az elektronok nem lépnek tovább, egyszerűen felhalmozódnak az SW elektródánál. A merőleges, soros regiszter is ellátható SW elektródával, így gyakorlatilag bármilyen méretű, téglalap alakú felület pixelei összegezhetőek. Az asztrofotózásban ez egy elterjedt technika, bár meg kell jegyezni, hogy ott általában nincs integrált színszűrőtömb az érzékelőn. A pixel-binning nagyon pontos eljárás, több előnnyel is jár az utólagos, szoftveres átlagolással szemben.

CMOS

A MOS térvezérlésű tranzisztorok (FET) két fő csoportja az N és P típusú, amelyek a félvezető-régiók szennyezésében különböznek. Amennyiben egy P és egy N típusú MOSFET-et megfelelően összekapcsolnak, kialakítható a komplementer MOSFET áramköri elem, amelyet rövidítve CMOS-nak neveznek (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Ennek elektronikai jelentősége óriási, a CMOS nagyon sok területről kiszorította a bipoláris tranzisztorokat. Az érzékelő-technológiában ez azért fontos, mert egyszerű, kis méretű, nagy bemeneti ellenállású lineáris erősítők, analóg kapcsolók is előállíthatók CMOS áramkörökkel. A digitális CMOS áramkörök fogyasztása rendkívül alacsony.

A CMOS technológiával ellátott képérzékelő jelentősen eltér a CCD-től. A fény érzékelése ebben az esetben is a fotoelektromos effektusnak köszönhető, de a hasonlóság itt véget is ér. A felhalmozott elektronok mennyiségének megállapításához nem kell a töltéseket egy kiolvasási pont felé mozgatni, nincs szükség töltéscsatolásra. Minden egyes pixel mellett egy erősítő található, amely előállítja a töltéssel arányos feszültséget. Ezeket nevezik töltés/feszültség konvertereknek is. Az adott pixel erősítőjének kimenete egy vezeték és kapcsolóhálózaton keresztül bármilyen sorrendben összekapcsolható a chip további erősítő-fokozataival. Ezért a kép egy részlete vagy alacsonyabb felbontású kép is nagyon könnyen kinyerhető. A CMOS képérzékelőket a pixelenkénti erősítés miatt aktív-pixeles érzékelőnek is nevezik.


a képi információ kiolvasása CMOS képérzékelőkből

Nagyon fontos tényező a CMOS érzékelők térhódításában, hogy tetszőleges áramkörök integrálhatók a chip-re. A CMOS érzékelők általában tartalmazzák az összes szükséges programozható erősítőt, analóg-digitális átalakítókat (ADC), sőt akár a kép-előfeldolgozás is integrálható. Így a teljes rendszert tekintve a költségek jelentősen csökkenthetőek. A CCD-hez hasonlóan, a kiolvasó csatornák többszörözésével a CMOS képfrissítési sebessége is növelhető. Az integráció mára olyan szintet ért el, hogy oszloponkénti ADC-t tartalmazó CMOS érzékelőt is gyártnak (Sony). Az ilyen típus előnye, hogy az ADC jelentősen kisebb frekvencián üzemeltethető, mint egyéb esetekben, amely kedvező hatással van a konverzió minőségére, valamint csökkenti az interferenciát is.

A CMOS érzékelő a kiolvasás rugalmasságának előnye mellett kezdetben számos hátránnyal rendelkezett a CCD-vel szemben. A pixelek mellett elhelyezett erősítők paramétereinek (pl. ofszet-feszültség) apró eltérései zajt adnak a képhez (pix-pattern noise). Erre a problémára az egyik gyártó (Canon) gyakorlatilag tökéletes hardveres (on-chip) megoldást talált. További gond, hogy amíg a CCD igen ellenálló az interferenciákkal szemben, a CMOS-ban a nagy számú aktív elem zavart okozhat. Az erősítők csökkentik a pixelek hatásos felületét, ám ezt az Interline CCD-hez hasonlóan a mikrolencsék alkalmazása jól ellensúlyozza.

A Foveon cég által gyártott, egyedülállónak számító X3 érzékelő-család szintén CMOS technológiával készül. Mint ismert, az X3 nem tartalmaz integrált színszűrő-tömböt, hanem egymás alatt három önálló érzékelőt helyeznek el, amely így képes egy pontban mindhárom színkomponenst érzékelni. Sajnos a rétegek fényáteresztő képessége gyenge, sőt vonalas a színkép. Ezért magas érzékenységen az ilyen érzékelők színhűsége a jel/zaj viszonnyal együtt nagyon leromlik. A jelenleg kapható típusok a végeredményt tekintve nem versenyképesek a legfejlettebb Bayer mintázatot használó érzékelőkkel, de ígéretes a fejlesztési irány. Az egyik kisebb felbontású X3 chip jó példa arra, hogy a CMOS milyen mértékben integrálható, hiszen JPG-előfeldolgozást végez.

A Panasonic-fejlesztésű Live-MOS érzékelők lényege, hogy a pixelekhez rendelt tranzisztorok átlagos számát csökkentették. Ezáltal a nagyobb hasznos felületnek köszönhetően egy jó fény-hasznosítású, gyors és alacsony fogyasztású eszközt kaptak. Az első Live-MOS még N-MOS technológiával készült, az újabb generáció már CMOS, ahol kiküszöbölték a fix-pattern noise problémát is.

CCD áramkör-e a CMOS képérzékelő? A válasz egyértelmű: NEM. A CCD elnevezés egy nagyon lényeges működési elvre utal, ahogyan az a fenti animációból is látható. Nagyon fontos megérteni, hogy a CMOS képérzékelőkben ez a folyamat, tehát a töltéscsatolás nem valósul meg. A két képérzékelő-típus gyökeresen eltér egymástól. Internetes írásokban néha úgy állítják be a CMOS érzékelőt, mint a CCD egyfajta továbbfejlesztését, sőt a „CCD”-t a „képérzékelő” szó szinonimájaként használják, azonban ez a megközelítés teljesen hibás.

LBCAST

Az LBCAST az aktív pixeles érzékelők egy másik fajtája. Működési elve hasonlít a CMOS érzékelőkéhez, csak itt nem MOSFET-eket hanem egy másik félvezetőtípust, az un. J-FET-eket használják, amely természetesen teljesen más kapcsolástechnikát kíván. Fejlesztője (Nikon) jobb jel-zaj viszonyt, kisebb fogyasztást és nagyobb sebességet ígér ezzel a megoldással, bár méretükhöz tartozó felbontásukat tekintve a jelenleg gyártott LBCAST érzékelők nem hasonlíthatóak más CCD/CMOS érzékelőkhöz. A technológia további sorsa nem ismert, mindenesetre beszédes, hogy a gyártó új zászlóshajója nem LBCAST hanem CMOS érzékelővel jelent meg.

2007-ig mindkét fő képérzékelő-típus jelent volt a digitális fényképezőgépekben, azonban a fordulat ebben az évben egyértelművé vált. A Sony és a Panasonic CMOS technológiájának köszönhetően az összes gyártó, amely ezeket az érzékelőket használja (Nikon, Sony, Olympus, Panasonic, Leica D és valószínűleg hamarosan a Pentax is), háttérbe szorítja vagy elfelejti a CCD-t. Az ismertebb dSLR gyártók közül csak a FUJI maradt a CCD mellett (és a Leica a DMR illetve a távmérős M8 modellekkel – Kodak CCD). A váltást nem feltétlenül a képminőség motiválja (erre sokkal nagyobb hatással vannak a mikrolencsék és a zajszűrő módszerek), hanem a fényképezőgép teljes gyártási költségének csökkentése. Az integrált erősítők és ADC-k miatt jelentősen olcsóbban lehet CMOS képérzékelővel fényképezőgépet előállítani, és ez a hatás hamarosan a kompakt fényképezőgépek között is egyértelművé válik. Nem kell hozzá sok idő, hogy egy-chip-es kompakt fényképezőgépek jelenjenek meg, minden létező feladatot a CMOS érzékelőre építve. Középformátumú digitális fényképezőgépek/hátfalak esetében egyelőre hódít a CCD, amely érthető is, hiszen nincs szükség nagy sorozatsebességre, az árban pedig kisebb szerepet játszik az előállítási költség.