Foto

4. Od światła do bitów - czyli jak to działa

Jak już wspomnieliśmy, najpopularniejsze technologie wytwarzania matryc stosowanych w fotografii cyfrowej to CCD i CMOS. Zarówno sensory CCD jak i CMOS składają się z pikseli. Światło padające na pojedynczy piksel powoduje wygenerowanie w nim ładunku, w postaci elektronów wybitych z półprzewodnika tworzącego piksel (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne). Ładunek odpowiada intensywności padającego światła. Następnie zablokowany zostaje dostęp światła, mechanicznie za pomocą migawki (zwykle tak jest w lustrzankach cyfrowych) lub elektronicznie (technika powszechna w kompaktach), i sygnał zawarty w pikselach zostaje odczytany. Czasem stosowana jest migawka hybrydowa (mechaniczno-elektroniczna).

Po lewej stronie układ CMOS (na dole widać zintegrowaną w chipie elektronikę), po prawej układ CCD.

Często stosowaną analogią jest porównanie pikseli do kubełków na wodę. Działanie detektora, zarówno w przypadku CCD jak i CMOS, można opisać w następujących krokach:

  1. Wytworzenie i integracja ładunku w pikselach pod wpływem padających fotonów - napełniamy kubełek wodą.
  2. Zablokowanie dostępu światła - czyli zakrywamy wierzch kubełka pokrywką.
  3. Pomiar i przeskalowanie zgromadzonego ładunku na napięcie -  opróżniamy kubełek z wody.
  4. Zamiana napięcia na odpowiadający mu sygnał cyfrowy - sprawdzamy, ile zebraliśmy wody w każdym kubełku.

Mimo podobieństw w procesie rejestracji/odczytu danych istnieje kilka istotnych różnic pomiędzy matrycami CCD a CMOS.


Budowa Piksela

W układach cyfrowych elementem światłoczułym mogą być fotodiody bądź fotobramki.

  1. Fotobramki (z ang. photogates) - wykorzystują kondensatory MOS do wytworzenia studni potencjału (ładunkowej) gdzie fotoelektrony są zbierane. Fotobramki mają bardzo duży fillfactor, co pozwala maksymalnie wykorzystać powierzchnię piksela. Wadą jest zmniejszona czułość w paśmie niebieskim.
  2. Fotodiody  (z ang. photodiodes) - składają się z warstwy jonów (półprzewodnik n), umieszczonych na podstawie krzemowej (półprzewodnik p) - generacja sygnału tworzy pary p-n w obszarze stycznym obu warstw. Fotodiody mają mniejszy niż fotobramki fillfactor i zdolność integrowania ładunku (mniejszą studnię potencjału), ale są lepsze w paśmie niebieskim.

W fotografii cyfrowej układy CCD (z wyjątkami) i CMOS jako elementy konstrukcyjne wykorzystują fotodiody. Zwykle piksele są kwadratowe, choć istnieją konstrukcje o innym kształcie piksela, np. prostokąt czy ośmiokąt.

Tajemniczy czynnik 'Fill Factor'

W CCD większość powierzchni piksela jest aktywna fotoelektrycznie - czyli mówiąc inaczej, reaguje na padające światło. Natomiast w CMOS sporą część powierzchni piksela zajmują układy elektroniczne (konieczne do ich działania), a część światłoczuła jest znacznie mniejsza niż w CCD przy tym samym rozmiarze piksela. Procent światłoczułej powierzchni piksela określa się mianem FILL-FACTOR. Teoretycznie dla CCD sięga nawet od 50% do 100% (zależnie od typu układu), a dla układów CMOS tylko 25%-50%.  W fotografii cyfrowej należy brać pod uwagę dolne wartości. Z tego powodu w matryce stosowane w aparatach cyfrowych niezależnie od technologii wytwarzania wyposażone są w mikrosoczewki (miniaturowe soczewki), umieszczone przed każdym z pikseli. Ich zadaniem jest ogniskowanie padającego na powierzchnię piksela światła tak, aby zminimalizować jego straty.

Rysunek pokazuje, że gdyby nie stosowano mikrosoczewek, to spora część światła byłaby utracona. Dzięki  soczewkom prawie całe padające światło trafia na powierzchnię światłoczułą.

Mikrosoczewki, choć tak pomocne, czasem są również źródłem niepożądanych efektów. Napisaliśmy o tym w rozdziale 9.

Sposób odczytu sygnału

Po zarejestrowaniu światła, czyli po upływie czasu ekspozycji, następuje odczyt sygnału. I tutaj pojawia się kolejna, bodajże jedna z najistotniejszych różnic pomiędzy CCD i CMOS.

CCD -  tutaj  ładunek jest najpierw przesuwany kolumnami (lub wierszami) do równoległego rejestru, który następnie jest odczytywany piksel za pikselem. Odczytany dla każdego piksela ładunek, który może być odpowiednio wzmocniony przez wzmacniacz sygnału (regulacja czułości układu, patrz rozdział 7), jest przekształcony w napięcie. Następnie sygnał ten trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego (A/D) i jest przekształcany na sygnał cyfrowy, który po obróbce w układzie DSP można zapisać na karcie pamięci. Tak więc odczyt wartości jakiegokolwiek piksela wymaga odczytania zawartości całej matrycy lub przynajmniej jej części.

W konstrukcji detektora CCD istotny jest sposób w jaki zarejestrowany sygnał jest izolowany od czynników zewnętrznych na czas odczytu. Z tego powodu wyróżniamy trzy typy  architektury CCD:

Full Frame CCD (FF CCD) - (nie mylić z rozmiarem detektora określanym jako full frame, patrz rozdział 6.1). Sygnał odczytywany jest kolumna po kolumnie (lub wiersz po wierszu), co limituje szybkość takiego układu, ale daje możliwość uzyskania bardzo niskich szumów i wysokiej czułości, jak również dynamiki rejestrowanego obrazu. Te układy wymagają mechanicznej migawki, gdyż w trakcie odczytu matryca jest ciągle wystawiona na światło, a procesu generacji sygnału nie można zatrzymać. Nie wykorzystują mikrosoczewek Stosowane głównie w zastosowaniach naukowych.

Frame Transfer CCD (FT CCD) - jest to modyfikacja FF CCD. Zastosowano tu odseparowany obszar, do którego w momencie odczytu ładunek jest szybko przemieszczany, a następnie podobnie jak w FF CCD następuje odczyt sygnału. Układy te mają też większe straty energii niż FF CCD, co daje większy szum, nadal jednak tak jak FF CCD mają bardzo duży fill factor i dynamikę oraz jednorodną czułość całego układu. Układy FT CCD mają znacznie większą szybkość odczytu niż FF CCD. Wadą jest dużo wyższy koszt produkcji. Stosowane są w niektórych aparatach cyfrowych.

InterLine Transfer CCD (ILT CCD) - wykorzystują fotodiody podobnie jak CMOS. Ich zaletą jest możliwość elektronicznej regulacji czasu ekspozycji -  migawka elektroniczna - sygnał jest przesuwany do tak zwanego shift register (jest ekranowany świetlnie), a dopiero potem odczytywany. Zmniejszony fill factor, tylko 50% a czasem mniej, wymusza stosowanie mikrosoczewek. Pozwala to podnieść jego wartość do ponad 70%. Niestety, mimo to dynamika układów ILT CCD jest znacznie mniejsza niż FF CCD. Ten typ CCD stosowany jest najczęściej w aparatach fotograficznych.

Trzy rodzaje architektury CCD. We wszystkich przypadkach ładunek jest przesuwany pionowo w dół do rejestru odczytu, a następnie zamieniany w napięcie. Kolor szary w przypadku FT CCD to odseparowany obszar, a w przypadku ITL CCD to "shift register".

CMOS - tu zawartość każdego piksela jest odczytywana niezależnie (zaletą jest dowolność w sposobie odczytu poszczególnych partii obrazu, co pozwala łatwiej odczytywać wybrane partie obrazu). Mówiąc inaczej, dzięki możliwości bezpośredniego adresowania pikseli za pomocą współrzędnych XY na  matrycy, możemy odczytać zarejestrowany sygnał z jednego z nich nie odczytując sygnału w pozostałych, a zintegrowana elektronika pozwala na konwersję do napięcia na poziomie pikseli. Dodatkowo przetwornik analogowo cyfrowy jest zintegrowany w układzie CMOS. Można więc powiedzieć, że sygnał po odczytaniu z piksela jest w pełni cyfrowy w przeciwieństwie do sygnału z CCD, który ma postać napięcia.

Układy wykonane w technologii CMOS dzielimy na typy w zależności od ilości wykorzystanych dodatkowo tranzystorów. I tak mamy:

1T - pierwsze produkowane CMOS-y, pasywne układy, dające słabej jakości obraz;

3T - układy aktywne, tranzystory służą do wzmacniania sygnału, niestety mają bardzo duże szumy i niewielką dynamikę;

4T,5T i więcej - najbardziej zaawansowane konstrukcje, mimo mniejszego FILL-FACTOR niż typ 3T, dzięki dodatkowym tranzystorom oferują wysoką jakość obrazu oraz możliwość precyzyjnego usuwania zakłóceń obrazu (m.in. szumu).
Tego typu układy wykorzystują dzisiaj cyfrówki.

Jak widać układ CMOS różni się od CCD tym, że zamiana sygnału na napięcie następuje w pikselu i nie wymaga odczytywania zawartości wszystkich pozostałych pikseli.


Cechy obu technologii

Wydajność odczytu - identyczna w obu technologiach CCD i CMOS, choć tak naprawdę jest ona o wiele bardziej efektywna w przypadku CCD (większy fillfactor), pomimo bezpośredniego adresowania pikseli w CMOS. Obecnie znacznie zmniejszyła się przewaga CCD.

Zapotrzebowanie na energię - sensory CMOS potrzebują mniejszych napięć do sterowania układami niż CCD. Choć postęp technologiczny doprowadził do znacznego obniżenia energochłoności układów CCD, to nadal przewaga jest po stronie CMOS.

Stopień integracji układu - układy CMOS są silnie zintegrowane (elektronika w każdym pikselu), ale wynikiem tego jest wzrost zakłóceń obrazu. Aby zminimalizować ten efekt  najlepsze układy CMOS mają odseparowaną dodatkową elektronikę i układ przetwarzający sygnał cyfrowy (DSP) od sekcji reagującej na światło. W CCD, ze względu na większe zapotrzebowanie na energię, zawsze stosuje się kilka układów elektronicznych - sekcja detektora i całej elektroniki zawsze są odseparowane. Przy obecnym zaawansowaniu technologicznym nie wpływa to znacząco na rozmiary całego układu, choć pozwala na lepszą optymalizację procesu odczytu.

Zakres dynamiczny - częściowo ma związek z rozmiarem części światłoczułej (tak zwana głębokość studni potencjału). Tutaj CCD oferuje większą rozpiętość rejestrowanych poziomów jasności na wynikowym obrazie, niż konstrukcje wykorzystujące CMOS.

Jednorodność - układ CMOS w przeciwieństwie do CCD wykorzystuje wzmacniacze sygnału w każdym pikselu, a nie tylko na ostatnim etapie odczytu sygnału. Dlatego ważne staje się to, jak podobnie (jednorodnie) one działają. Różnice w ich działaniu to źródło dodatkowego szumu (patrz rozdział 7). Układy CCD dysponują pojedynczą sekcją wzmacniacza, co pozwala osiągnąć wysoką jednorodność wynikowego obrazu.

Szybkośc - choć dla fotografa amatora różnica jest nieistotna, to w rzeczywistości detektory CMOS, dzięki bezpośredniemu adresowaniu pikseli, są o wiele szybsze przy odczycie sygnału niż CCD

Migawka - w CCD stosowanie migawki elektronicznej nie wpływa na fill-factor. W CMOS wymaga to zastosowania kolejnego tranzystora, co obniża wartość fill-factor.

Antiblooming - Ekranowanie zarejestrowanego sygnału pomiędzy pikselami to naturalna zdolność CMOS. CCD wypada pod tym względem gorzej - ale jest to poprawiane w każdej nowej generacji układów.

Jakość obrazu - Przewaga jest po stronie CCD. Technologia CMOS nadrabia straty przez możliwość zastosowania dodatkowej elektroniki.

Koszt produkcji - ceny aparatów cyfrowych spadają bardzo szybko, ale i tak obie technologie są kosztowne. Mimo iż technologia CMOS jest wykorzystywana powszechnie w elektronice (procesory, pamięci) to, aby uzyskać odpowiednio wysokie parametry, trzeba stosować zaawansowane procesy produkcyjne. Jedynie układy CMOS wykorzystywane w segmencie low-end są bardzo tanie w produkcji.


Inne technologie

Super CCD (1 generacja 1999 rok, 4 generacja 2003 rok, obecnie mamy 6 generację) - układy posiadają inny kształt pikseli (ośmiokątne piksele składają się z dwóch sub-pikseli reagujących odpowiednio dobrze na silne i słabe światło, co pozwala na osiągnięcie lepszej dynamiki obrazu) lub inne ich rozmieszczenie (piksele rozmieszczone pod kątem 45o, obraz z sąsiednich pikseli jest interpolowany co zwiększa ilość Mpix na zdjęciu). Technologia rozwijana przez koncern Fuji i wykorzystywana w aparatach tej marki.

LBCAST (Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array) - układ zastosowany w lustrzance Nikon D2H. Układ podobny do CMOS, ale oferujący znacznie szybszy odczyt (efektywniejsze adresowanie pikseli), mniejsze zapotrzebowanie na energię i większą funkcjonalność przy tej samej ilości zintegrowanych tranzystorów w pikselu. Układ skonstruowany w laboratoriach Nikona.

FOVEON X3 - zmodyfikowane układy CMOS. W tym przypadku każdy z pikseli składa się z trzech warstw, które reagują na różne barwy światła (patrz rozdział 5.3). Przy podawaniu rozmiaru układu w pikselach podaje się liczbę pikseli tworzących obraz pomnożoną przez 3. Wykorzystywane w aparatach marki SIGMA.


Kto wygra?

Obecnie trwa silna rywalizacja obu technologii na rynku fotografii cyfrowej, w większości przypadków z korzyścią dla naszej kieszeni. Dlatego werdykt, który z tych układów ostatecznie zdobędzie rynek, jest trudny do przewidzenia. To, co dzisiaj świadczy o wadzie danego układu, może zostać wkrótce wyeliminowane - na przykład dzisiejsze układy CCD są o wiele bardziej energooszczędne, niż wiele lat temu. Układy CMOS początkowo charakteryzowały się sporym poziomem szumów - teraz jest wręcz przeciwnie. Dlatego spory na temat przewagi jednej technologii nad drugą są raczej bezsensowne, gdyż i tak wiele zależy od naszych fotograficznych umiejętności.

Najnowszy raport dotyczący rynku sensorów światłoczułych wskazuje na wzrastającą przewagę układów CMOS. Przewaga ta bierze się z faktu, iż większość obecnie sprzedawanych aparatów cyfrowych jest montowana w komórkach - a tam liczy się energooszczędność. Z kolei rynek kompaktów cyfrowych zdominowany jest obecnie przez detektory CCD (do 10Mpix), z pominięciem najtańszych konstrukcji - zabawek.

Na rynku lustrzanek cyfrowych daje się zauważyć dwie tendencje, Canon stosuje wyłącznie układy CMOS (do ponad 16Mpix) w przeciwieństwie do konkurencji, która głównie bazuje na wciąż usprawnianych konstrukcjach CCD (do 10Mpix).

Ostatnio firma Sharp ogłosiła wprowadzenie na rynek nowego układu CCD o rozmiarze 12Mpix, który ma znaleźć zastosowanie w kompaktach cyfrowych.

Zastosowania profesjonalne, a także cyfrowa fotografia średnioformatowa, to nadal domena układów CCD (stosuje się tu matryce nawet 39 Mpix).

Oprócz zastosowanej technologii jest jeszcze jeden istotny element, który decyduje o jakości tworzonego obrazu, często bardziej niż typ zastosowanego detektora. Jest to rozmiar piksela matrycy. Ale zanim o tym opowiemy, musimy poznać pozostałe elementy tworzące matrycę światłoczułą w naszej cyfrówce.