Budowa i działanie matryc CCD i CMOS

Konstrukcja matryc światłoczułych wykorzystywanych w aparatach cyfrowych pochodzi z końca lat 60. ubiegłego wieku. Od tego czasu znacznie ją jednak udoskonalono - przede wszystkim poprawiły się jej czułość i szybkość działania.

Rys. 1. Światło, padając do aparatu przez obiektyw, trafia na matrycę CCD lub CMOS Trudno nie zgodzić się z opinią, że jednym z najważniejszych elementów każdego cyfrowego aparatu fotograficznego jest matryca światłoczuła. To ona wszak rejestruje obraz i zamienia padające przez obiektyw światło na impulsy elektryczne, które przez elektronikę urządzenia zostają następnie przekształcone (patrz: "Scalaki" do zadań specjalnych) na gotowe zdjęcie cyfrowe. Innymi słowy można śmiało powiedzieć, że matryca jest cyfrowym odpowiednikiem dobrze wszystkim znanej kliszy fotograficznej.       We współczesnych aparatach fotograficznych spotyka się dwa typy matryc: CCD (Charge Coupled Device) i CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) - do tej ostatniej grupy zalicza się też nietypowa konstrukcja Foveon X3, ale o tym za chwilę.

Rys. 2. Światło, padając do aparatu przez obiektyw, trafia na matrycę CCD lub CMOS Co umie matryca Wszystkie matryce CCD/CMOS działają na bardzo podobnej zasadzie i wykorzystują te same zjawiska fizyczne - patrz ramka: "Zasada działania przetworników (fotodetektorów) CCD i CMOS". Różnią się one jednak sposobem przetwarzania i dostępu do zarejestrowanych i zmierzonych wartości natężenia światła. Bezpośrednio z konstrukcją matryc związane są też ich właściwości i parametry użytkowe, a co za tym idzie - również obszary ich potencjalnych zastosowań.       Pierwszą istotną różnicą w budowie matryc CCD i CMOS jest sposób odczytu informacji. W matrycy CMOS każdy sensor jest wyposażony w swój własny wzmacniacz i rejestr odczytu. Sensory są adresowane w podobny sposób jak komórki w pamięciach RAM, a informację z nich można pobierać dowolną liczbę razy. W przetwornikach CCD komórki nie mają własnej elektroniki sterującej. Odczyt wykonywany jest jednocześnie całymi wierszami lub kolumnami, a pomiar wyzerowuje zmierzone wartości. Poza tym podczas odczytu zgromadzone ładunki są kolejno przekazywane z jednej komórki do drugiej (patrz: ramka obok), a na to potrzeba sporo czasu - oznacza to, że przetworniki CCD działają wolniej niż matryce CMOS. Przesyłanie z komórki do komórki zgromadzonych ładunków elektrycznych wymaga też większego napięcia zasilającego matrycę (od 3 do 7,2 V; CMOS 2,5-3,3 V). Większe napięcie to też krótszy czas pracy cyfraka na akumulatorach i zwiększony poziom szumów.       Największą zaletą przetworników CMOS jest jednak możliwość zintegrowania ich z dowolnym elementem półprzewodnikowym, np. procesorem przetwarzającym obraz czy pamięcią RAM. Obie grupy produktów wytwarzane są bowiem w tej samej technologii, na tych samych liniach produkcyjnych. Dzięki temu zmniejszone zostają również koszty produkcji czujników - matryce CMOS stosowane w kamerach internetowych (480 tys. pikseli) kosztują zaledwie 3-5 dolarów. Przetworniki CCD wymagają zaś zupełnie innych maszyn i technologii niekompatybilnych z większością procesów stosowanych w przemyśle półprzewodnikowym.

Rys. 3. Światło, padając do aparatu przez obiektyw, trafia na matrycę CCD lub CMOS Nie tylko zalety Co zatem sprawia, że matryce CCD są wciąż znacznie bardziej popularne od urządzeń typu CMOS? Otóż w przypadku detektorów CMOS - w odróżnieniu od matryc CCD, w których cała powierzchnia pojedynczego sensora zdolna jest do absorbowania padającego na nią światła - część przestrzeni fotoelementu zajęta jest przez elektronikę odpowiedzialną za przetworzenie sygnału. Jak można się domyślić, matryce CMOS są znacznie bardziej czułe na ilość padającego światła i gorzej sobie radzą w słabych warunkach oświetleniowych. Niemniej przy długich czasach ekspozycji CMOS dają lepszy, mniej zaszumiony obraz. Wynika to z faktu, że wygenerowane elektrony nie mogą się przemieszczać poza obręb powierzchni czynnej czujnika, co zdarza się niestety w matrycach CCD.       Jedynym wyjątkiem od powyższej reguły są matryce CMOS produkowane przez firmę Canon - dają one lepszy obraz i mniejsze szumy przy zdjęciach nocnych. Efekt ten nie został jednak osiągnięty przez ulepszenie elementu światłoczułego, lecz dzięki zastosowaniu inteligentnej elektroniki sterującej działaniem każdego pojedynczego sensora. Ona to właśnie eliminuje już na poziomie fotoelementów niedoskonałości rejestrowanego obrazu.       Mała powierzchnia czynna elementów światłoczułych w matrycach CMOS sprawia też ogromne problemy z miniaturyzacją pojedynczych komórek. Im mniejsza jest matryca i wyposażona w większą liczbę "megapikseli", tym mniejszy prąd rejestruje każdy pojedynczy sensor. Co więcej, wykonanie np. sześciomegapikselowej matrycy CMOS o rozmiarze np. 1/2,5" czy 1/4" jest praktycznie niemożliwe, gdyż potrzebuje ona minimum 18 milionów tranzystorów (licząc zaledwie po trzy elementy sterujące na jedną fotokomórkę). Takiej liczby tranzystorów nawet w procesie technologicznym 65 nm nie da się zmieścić na tak małej powierzchni matrycy.       Ogólnie rzecz biorąc, matryce CDD (choć zdarzają się wyjątki) lepiej radzą sobie z rejestracją niewielkich natężeń światła nawet przy małych rozmiarach czujnika. Co więcej, matryce te dają też lepiej nasycony i kontrastowy obraz, niezależnie od warunków oświetleniowych. Należy jednak pamiętać, że już zbyt małe wymiary matrycy, a co za tym idzie - pojedynczego czujnika, niezależnie od technologii wykonania, powodują powstawanie znacznych szumów zakłócających rejestrowany obraz. W tym miejscu warto dodać, że zwiększanie powierzchni czynnej matrycy CCD powoduje powstanie trudnych (ale możliwych do ominięcia) problemów z przekazywaniem ładunków z jednej komórki do drugiej.

Rys. 1. ...które następnie odprowadzane są z czujnika Co do lustrzanki, co do kompaktu? Matryce CCD i CMOS można znaleźć zarówno w kompaktowych aparatach fotograficznych, jak i lustrzankach. Z wykorzystaniem matrycy CCD w aparacie kompaktowym wiąże się jednak jedno małe ale - musi ona stale rejestrować sygnał i przekazywać go na ekran LCD, nawet jeśli nie wykonujemy właśnie zdjęcia. Jak już wspomniałem, konstrukcja CCD wymaga przesuwania krok po kroku ładunku z jednej komórki do drugiej. W tym czasie ciągle padające na matrycę światło zniszczy zatem odczytywany obraz!       Problem ten rozwiązuje się jednak w bardzo prosty sposób. Część matrycy przykrywa się metalowymi paskami, które w sumie zasłaniają, w zależności od konstrukcji, ok. połowy lub 2/3 wszystkich komórek. Pod ten "parasol" odprowadza się wyindukowane przez światło ładunki. Następnie już pod osłoną metalowych pasków przesuwa się je do rejestrów odczytu. Odkryta część detektora może w tym czasie rejestrować kolejny obraz. Dzięki tej prostej sztuczce matryca CCD pracuje w sposób ciągły. Fotony, które miałyby zaś trafić na metalową taśmę, przekierowywane są do czynnego dla światła obszaru za pomocą nałożonego na matrycę CCD zespołu mikrosoczewek.       Wydawać by się mogło, że mikrosoczewki podniosą koszty produkcji matrycy. Nie jest to jednak prawda, gdyż element ten i tak byłby montowany. Zwiększa on bowiem liczbę fotonów docierających na powierzchnię czynną detektora i dlatego stosowany jest praktycznie we wszystkich typach współczesnych matryc. Pod zespołem soczewek montowane są też filtry RGB, o których za chwilę.

Rys. 2. ...które następnie odprowadzane są z czujnika Kolorowe puzzle Niezależnie od konstrukcji matrycy, wyłączając Foveona X3, każdy element światłoczuły jest w stanie rejestrować jedynie natężenie padającego światła. Nie ma natomiast prostej metody zdobycia informacji o kolorach. Aby uzyskać te dane, stosuje się wspomniane, ułożone naprzemiennie filtry RGB (nad jedną komórką jest filtr czerwony, nad drugą zielony, a nad trzecią niebieski - itd.). Dzięki nim 25% komórek rejestruje światło o barwie czerwonej, 25% niebieskiej, a 50% zielonej. Procesor obrazowy - patrz: s26 - składa te informacje w całość i dodatkowo dodaje nierejestrowane przez dany sensor dwie barwy składowe na podstawie interpolacji natężenia światła z kilku sąsiednich komórek. W ten sposób powstaje gotowy, zapisywany później na karcie obraz.       Taka konstrukcja matrycy nosi nazwę klasycznej lub Bayerowskiej. W aparatach fotograficznych spotkać można jeszcze kilka innych typów matryc (patrz: ramka obok), z których najciekawsza to Foveon X3, spotykana w lustrzankach Sigma SD9 i SD10. Matryca ta to jedyny na świecie przetwornik, który rejestruje w jednym punkcie wszystkie trzy składowe barwy. Jej budowa przypomina film analogowy - wykorzystano tu zjawisko absorpcji fotonów na różnych głębokościach w materiale światłoczułym. Ostatnia, najgłębsza warstwa rejestruje światło czerwone, środkowa zielone, a najpłytsza niebieskie. Wyeliminowanie interpolacji przy rejestracji zdjęć przyczyniło się do poprawy ostrości oraz widoczności drobnych szczegółów. Niestety, warstwowa konstrukcja Foveon X3 powoduje, że aparat z tą matrycą słabo sobie radzi w ciemności. Są też kłopoty z produkcją matryc o większej niż trzy miliony liczbie światłoczułych punktów.

Rys. 3. ...które następnie odprowadzane są z czujnika Quo vadis, matryco? Obecnie wiele firm pracuje nad udoskonaleniem swoich konstrukcji matryc. Firma Sony wprowadziła np. w matrycach Super-HAD CCD dodatkowy szmaragdowy kolor filtra, pozwalający lepiej interpolować brakujące barwy. Z kolei wykorzystująca tranzystory polowe JFET matryca Nikona CMOS LBCAST (Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor Array), którą spotkać można w reporterskim modelu D2H, skonstruowana została po to, by umożliwić szybką rejestrację zdjęć seryjnych. Ciekawe są również nowe matryce Super CCD SR II firmy Fujifilm (FinePix S3 Pro). W matrycach tych komórki światłoczułe mają nie tylko nietypowy kształt plastra miodu, znany już z poprzednich generacji matryc tej firmy, ale również zupełnie oddzielny miniaturowy element światłoczuły (w matrycach Super CCD SR był on częścią większego fotodetektora), odpowiedzialny za rejestrację mocno oświetlonych fragmentów obrazu, w chwili gdy podstawowy, duży detektor się "zatka".       Wydaje się, że kończy się też bieg za megapikselami, zwłaszcza w małych matrycach CCD. Liczba megapikseli będzie rosła, ale tylko w modelach czujników o dużej powierzchni, zbliżonej rozmiarem do klatki filmu 35 mm. Jak będzie w rzeczywistości, trudno w tej chwili przewidzieć. Jedno jest pewne - jakość obrazów i szybkość stosowanych matryc z pewnością z roku na rok będą się poprawiały.

Przyczyny powstawania szumów Na złączu półprzewodnikowym p-n oprócz generowania pod wpływem światła par elektron-dziura dochodzi także do samoistnego pojawiania się ładunków elektrycznych. Powstający w ten sposób prąd nazywany jest prądem ciemnym. Jego natężenie zależy przede wszystkim od temperatury otoczenia - im jest ona wyższa, tym więcej zostaje wytworzonych przypadkowych ładunków.       Niestety, ciemny prąd losowo zmienia wielkość ładunku elektrycznego generowanego przez światło, przez co zmniejsza czułość detektora. W wyniku tego procesu powstaje tzw. szum, objawiający się na fotografiach pojawieniem się przypadkowo rozmieszczonych różnokolorowych punktów. Zniekształcenia te są tym mniejsze, im wyższy jest stosunek prądu generowanego przez padające fotony do prądu ciemnego (stosunek sygnał/szum). Parametr ten ulega pogorszeniu wraz ze wzrostem prądu wzmocnienia, który jest m.in. większy przy większych wartościach czułości ISO. Prąd ten musi być też zwiększony dla fotokomórek o małej powierzchni czynnej, gdyż ich czułość jest niska. Jest to jedna z przyczyn tego, że matryce o większej liczbie megapikseli generują gorszy pod względem szumu obraz niż ich mniejsi krewniacy.

Rys. 1. Sama zasada działania przetworników CCD i CMOS w obu typach matryc jest taka sama - foton, padając na materiał półprzewodnikowy, wybija elektrony, które niosą informacje o natężeniu światła. Różnice w konstrukcji obu matryc sprowadzają się do sposobu odczytu danych i adresowania komórek Zasada działania przetworników (fotodetektorów) CCD i CMOS Zarówno przetwornik CCD, jak i CMOS działają na tej samej zasadzie fizycznej - wykorzystują zjawisko fotoelektryczne. Polega ono na tym, że światło składające się z fotonów, padając na materiał półprzewodnikowy (obecnie w przetwornikach CCD/CMOS wykorzystuje się domieszkowany krzem), wybija elektrony i przenosi je z pasma walencyjnego (podstawowego) do pasma przewodzenia. W ten sposób powstają pary elektron-dziura (ładunek ujemny - ładunek dodatni), które w półprzewodniku niedomieszkowanym zrekombinują, wydzielając ciepło.       Do budowy fotodetektora używa się jednak domieszkowanych dwóch warstw półprzewodnika n-p - na górze jest n (ang. negative, z przewagą elektronów), podłoże zaś stanowi półprzewodnik typu p (ang. positive, z przewagą dziur). Dzięki temu na styku półprzewodników powstaje złącze p-n, w którym to wytwarza się samoistnie (na skutek dyfuzji nośników) bariera potencjału. Teraz absorpcja fotonu w pobliżu złącza p-n spowoduje powstanie pary ładunków elektrycznych, które ulegną rozseparowaniu. Dziury odprowadzane będą do podłoża, a elektrony powędrują do warstwy n, w której zostaną uwięzione za sprawą izolacji (tlenek krzemu SiO2).       Aby stwierdzić, jak dużo fotonów padło na komórkę fotodetektora, wystarczy zmierzyć wartość ładunku zgromadzonego w warstwie n - natężenie światła padającego na element światłoczuły jest proporcjonalne do liczby wytworzonych elektronów. Tu zaczynają się różnice pomiędzy detektorami CCD i CMOS. W CCD mierzy się wartość zgromadzonego ładunku elektrycznego, w CMOS-ie wytworzony przez fotony ładunek steruje przepływem prądu przez zespół tranzystorów (wzmacniacz) podłączonych, a w zasadzie zintegrowanych bezpośrednio z fotodetektorem.       Gdy się połączy fotodetektory CCD i CMOS w matrycę rejestrującą obraz, otrzyma się też dwie różne konstrukcje zespołu czujników. Układy CMOS tworzą niezależną macierz, z której odczytuje się bez problemu wartości natężenia światła z dowolnej komórki, a pomiar może być przeprowadzany wielokrotnie bez utraty zgromadzonej tam informacji. Z kolei w macierzy CCD trzeba odprowadzić zgromadzony w każdej komórce ładunek do zewnętrznych kondensatorów pomiarowych, przesuwając po kolei elektrony z jednej komórki do drugiej. Czynność ta powtarzana jest tyle razy, z ilu rzędów składa się czujnik - to tak, jakbyśmy przesadzali widzów całymi rzędami w teatrze lub kinie w kierunku wyjścia.       Taki sposób zbierania informacji o ładunku wymusza nietypową konstrukcję matrycy CCD. Jest to tak naprawdę jeden duży element światłoczuły z wdyfundowaną w niego półprzewodnikową, domieszkowaną "siatką". To ona rozgranicza obszary poszczególnych sensorów i nie pozwala uciec elektronom na boki. Teraz doprowadzając odpowiednio napięcie sterujące, można zmusić elektrony do przemieszczania się od komórki do komórki w z góry określony sposób, tak żeby po kolei trafiły one do rzędu kondensatorów pomiarowych.

Rys. 1. Matryca klasyczna (matryca Bayera) Sony Super-HAD CCD (RGBE) Typy matryc CCD i CMOS spotykane w cyfrakach Matryca klasyczna (matryca Bayera) W większości cyfrowych aparatów fotograficznych wykorzystuje się matryce wykonane zarówno w technologii CCD, jak i CMOS, w których detektory światła są kwadratowe. Przykryte są one zestawem kolorowych filtrów RGB, ułożonych naprzemiennie we wzór nazywany Bayerowskim. Dzięki temu każdy element światłoczuły może rejestrować inną składową światła. Informacja o dwóch pozostałych składowych interpolowana jest na podstawie danych z kilku sąsiednich punktów.   Sony Super-HAD CCD (RGBE) Matryca opracowana przez firmę Sony różni się od matrycy klasycznej dodaniem filtru o dodatkowej, szmaragdowej (ang. emerald) barwie. Dzięki temu powstaje zespół punktów RGBE, który podobnie jak w przypadku sześciokolorowych drukarek atramentowych pozwala na znacznie lepsze odwzorowanie barw na zdjęciach.

Rys. 2. Matryca klasyczna (matryca Bayera) Sony Super-HAD CCD (RGBE) Fujifilm Super CCD HR Punkty światłoczułe w matrycy opracowanej przez firmę Fujifilm również ułożono we wzór Bayera. Przekręcony on jednak został o 45 stopni, a każda komórka ma kształt ośmiokąta, co pozwoliło na ich gęstsze upakowanie. Zaletą matrycy Super CCD HR jest łatwiejsze interpolowanie rozdzielczości obrazu.   Fujifilm Super CCD SR W matrycy tej konstruktorzy firmy Fujifilm podzielili ośmiokątny obszar światłoczuły na dwa podobszary nazwane elementem S i R. Pierwszy z nich, zajmujący 3/4 powierzchni detektora, odpowiada za rejestrację małych natężeń światła, a drugi, mniejszy - dużych, gdyż ma o 400% wyższy próg nasycenia. Dzięki temu możliwe jest po połączeniu obrazu z obu rodzajów czujników wykonywanie zdjęć, w których zarówno słabo, jak i silnie doświetlone elementy sceny są dobrze widoczne.

Rys. 3. Matryca klasyczna (matryca Bayera) Sony Super-HAD CCD (RGBE) Fujifilm Super CCD SR II Kolejna generacja matryc firmy Fujifilm (przetwornik ten wykorzystuje się w aparacie FinePix S3 Pro), w której element R znalazł się poza ośmiokątnym obszarem głównego detektora. Dzięki temu zabiegowi udało się jeszcze bardziej zwiększyć rozpiętość tonalną pomiędzy jasnymi i ciemnymi obszarami fotografowanej sceny.   Foveon X3 Jest to obecnie jedyna na świecie matryca elementów światłoczułych, rejestrująca wszystkie składowe RGB dla każdego punktu obrazu. Warstwowa konstrukcja tej matrycy zmniejsza jednak ilość światła padającego na głębiej położone obszary światłoczułe i pojawiają się problemy z dobrym naświetleniem zdjęć wykonywanych w trudnych warunkach oświetleniowych. Zaletą tej matrycy jest rzeczywiste, a nie interpolowane odwzorowywanie przejść tonalnych i kolorów.