A videokamerákban alkalmazott CCD és CMOS képérzékelők feladata, hogy a külvilág felől a kamera objektívjén keresztül érkező fényt digitális jelekké alakítsák. Mintegy fél évszázados kutatás eredményeként születtek meg a ma használatos képérzékelők. Alkalmazási területüket tekintve számos ágazatban kerültek felhasználásra, mint például a csillagászat, fényképészet, űrkutatás, orvosi diagnosztika, méréstechnika stb. A széles felhasználási lehetőségek hatására azonban csak részleteiben változtak meg az egyes érzékelő típusok, működési elvük azonos maradt.
Mielőtt belevágunk a CCD és CMOS érzékelők részletesebb leírásába, ismerkedjünk meg a pixel fogalmával. Nézzük meg ez mit is jelent, és honnan származik maga a szó!
A pixel fogalma
A digitális képek és képfeldolgozás óta ismerjük és használjuk a pixel kifejezést. A pixel az angol picture element szóból származtatható, jelentése pedig nagyjából képelem vagy képpont.
Maga a pixel egy önálló képelem, ami egyszínű pontként vagy négyzetlapként jelenik meg magán a képen. Egy kétdimenziós négyzetrács, vagyis egy mátrix mentén található, tovább nem osztható, tehát ez a legkisebb alkotóelem, egyben egy minta is a „nagy” képből. Ebből következik az is, hogy minél több képpontból áll egy kép, annál nagyobb felbontást kapunk. Magának a pixelnek nincs saját fizikai mérete, mert az a megjelenítő eszköztől függ. Egy pixel kinyomtatva kb. 0,01 cm-nek felel meg.
Egy-egy pixel információtartalmát a színe mutatja meg, melyet a vörös, a kék és a zöld színekből additív színkeveréssel kaphatunk meg a képernyőn. Nyomtatásban viszont szubsztraktív színkeveréssel kapjuk meg ezt az információt, a türkizkék, a bíbor, a sárga és a kulcsszín, azaz a fekete keverésével. Fénytan és színelmélet című menüpontunkban erről bővebb információ is található.
Képérzékelő típusok: CCD és CMOS
Ha az anyagokat fény hatásának tesszük ki, akkor a fényt alkotó fotonok energiája bizonyos körülmények között képes elektronokat kiszabadítani belőlük. Egyes félvezető anyagokban, különösen a szíliciumban ezek a körülmények létrehozhatóak. A megvilágítás hatására kiszabaduló elektronok töltései villamos feszültséggé alakíthatóak ─ ezt a jelenséget fotoelektromos effektusnak nevezzük. A félvezetős kamerákban ezért alkalmaznak olyan szilícium alapú képérzékelőket, ahol a pixelnyi méretű fotodiódákból egy érzékelő mátrixot alakítanak ki. A megvilágítás fokozása növeli a fotodiódákon átfolyó áramot, és egyúttal a fotodiódákkal sorba kapcsolt, a szilíciumlapka felületén kialakított kondenzátorok töltését. Ezek a beeső fénnyel arányos töltéscsomagok az érzékelő lapkán a kamera objektívje által leképezett képnek megfelelő töltésképet hoznak létre.
A képérzékelőknek két fő fajtáját különböztetjük meg ─ a CCD-t és a CMOS-t ─, mivel a többi technológia is valamilyen szinten e két csoportba sorolható be. Valójában ez a két típus nem igazán is igazán két különböző érzékelő fajtát jelöl, hanem egy-egy gyártástechnológiát, azon belül is a CMOS egy kapcsolástechnika, a CCD pedig egy működési folyamat elnevezése. Mivel ez a pontatlan szóhasználat mára a szakirodalomban is elterjedt, ennek megfelelően mi is érzékelő típusként fogunk beszélni róluk. A CCD és CMOS érzékelők működésüket tekintve teljesen azonos alapokra épülnek, mindkettő a fent leírt fotoelektromos effektust alkalmazza. A hasonlóság itt véget is ér, hiszen a töltéskép-kiolvasás módja, a jelfeldolgozó áramkörök kialakítása, a színszűrési módszer, a félvezető technológia már jelentős technikai és gyártástechnológiai eltéréseket mutat. Fontosnak tartjuk kihangsúlyozni, hogy a töltéscsomagok léptetéséről, a töltéscsatolásról csak a CCD érzékelő esetében beszélhetünk.
A CCD érzékelő jellemzői és működése
A CCD chip alkalmazási területe ma már annyira széles, hogy minden olyan jellegű technológiában, ahol a képi információt (analóg jelet) digitális jellé kell alakítani, ezt az eszközt alkalmazzák. Megtalálható a szkennerekben, digitális fényképezőgépekben, telefaxokban, digitális videókamerákban, valamint a CCTV rendszerekben alkalmazott analóg és IP kamerákban egyaránt, hogy csak néhány példát említsünk.
Bayer-szűrő
A CCD érzékelők egészen 1976-ig csupán fekete-fehér képek készítésére voltak alkalmasak, hiszen csak a fény intenzitását képesek érzékelni, a színeket nem. Ahhoz, hogy színes képet láthassunk, színszűrőkre (CFA = Color Filter Array = színszűrő tömb) van szükség, amelyek a fényt színkomponenseire bontják fel. A fejlesztés a Kodak cég egyik mérnökéhez, Bryce E. Bayerhez fűződik. Ma is a leginkább használatos színszűrők a Bayer-szűrők, melyek a fényt alapszínek, azaz a piros (Red), a zöld (Green) és a kék (Blue) szerint bontják fel. Némely esetekben az RGB szűrőkön kívül használják még a CYGM szűrőket is, melyek a fényt a ciánkék, a sárga, a zöld és a bíborvörös színek szerint engedik át.
Minden egyes színszűrő csak a saját színét engedi át, tehát a piros színszűrő csak a piros fényt, a kék színszűrő csak a kék fényt, a zöld színszűrő pedig a zöld fényt, a többit pedig elnyeli. A különböző színszűrőket egymás mellett helyezik el a képérzékelő felületén úgy, hogy egy pixel csak egy színkomponenst érzékeljen. A színszűrők egyedi, ismétlődő mintázatában egy 2×2 pixeles területen a színszűrők elhelyezkedése a következő: R-G-G-B, azaz piros – zöld – zöld – kék. Ebből látható, hogy a pixelek negyede a kék, negyede a piros és fele a zöld színt érzékeli. Két oka is van annak, hogy a zöld szűrő duplikáltan szerepel. Egyrészt a kontraszt növelése érdekében kell két egyforma színű szűrőt használni, másrészt ez azért éppen a zöld lett, mert az emberi szem a zöld színre sokkal érzékenyebb, mint a többire.
A CCD érzékelő típusai
Az előzőekben ismertetett folyamat és az ábra illusztrálja a legjobban a CCD működési módját. Ez az ún. Full Frame Transfer kialakítás, ami a legegyszerűbb felépítésű és a legnagyobb fajlagos pixelsűrűségű CCD lapka. Ezt azonban nem találjuk meg a videokamerák érzékelőiben, azon egyszerű oknál fogva, hogy a szenzor megvilágításának ki-be kapcsolását itt a hagyományos fényképezőgépeknél alkalmazott mechanikus zárral (shutter) kell megoldani. A képérzékelő felülete ugyanis a töltéskiolvasás közben is fényérzékeny és megváltozna a képtartalom a kiléptetés alatt. A mechanikus zár biztosítja, hogy a következő kép rögzítése csak a teljes kiolvasás után történjen meg, de ugyanakkor alkalmatlan a videokamerák gyors és igen nagy mennyiségű exponálására.
A videokameráknál alkalmazott CCD érzékelőket háromféle működési elv szerint csoportosíthatjuk:
Frame Transfer
Maga a chip két egyenlő részre van osztva. Az egyik az érzékelő terület, ahol a fénygyűjtés történik, ami egyben a képérzékelő rész is, a másik a tárterület, amely a bejövő fénytől teljesen el van takarva. Emellett tartalmaz még egy horizontális shift regisztert is. A chipen elhelyezkedő CCD elemek, azaz a pixelek kettős feladatot látnak el: egyrészt begyűjtik a fényt, másrészt továbbítják a töltéseket a következő pixel felé.
A Frame Transfer működése során a fényérzékelő területre bejutó fényt a vezérlőjelek töltéscsomagokká alakítják, majd rendkívül gyorsan továbbítják a tároló terület felé. Innen soronként a horizontális regiszterbe kerülnek át, ahonnan a töltések kilépve feszültséggé, majd a CCD érzékelő működésénél leírt módon képpé alakulnak. A Frame Transfer elven működő szenzorok a CCD érzékelők első generációját jelentik, a gyakorlatban ma már ritkán alkalmazzák őket.
Interline Transfer
Ebben a CCD típusban másként helyezkednek el a chip egyes részei. A chipet függőlegesen osztották fel a következőképpen: felváltva követik egymást az érzékelőelemekkel és a tároló elemekkel ellátott oszlopok, amelyek a fénytől teljesen védve vannak. A működés úgy változott, hogy az érzékelő területről a töltések először ezekbe az árnyékoló maszkkal ellátott függőleges shift regiszterekbe kerülnek, majd onnan soronként átkerülnek a horizontális regiszterbe. Innentől a többi lépés már megegyezik a Frame Transfer esetében tárgyalt működéssel. Hátránya a típusnak, hogy a fénytől védett oszlopok helyigénye miatt a lapka fényérzékenysége csökkent. Az érzékelő elé helyezett mikrolencsés fénygyűjtésnek köszönhetően azonban csak 10-25%-os fényveszteséggel kell számolni.
Frame Interline Transfer
Ennek a típusnak a megalkotásakor a korábbi két CCD verzió előnyeinek egyesítése, illetve hátrányainak kiküszöbölése vezérelte a fejlesztőket. A Frame Interline Transfert úgy kell elképzelnünk, hogy két CCD érzékelő egymáson helyezkedik el. A felső réteg a fénygyűjtő terület, az alatta levő síkban pedig a tároló réteg található. A Frame Transfernél leírt módon jutnak a töltések az egyik rétegből a másikba, és az előző típusokhoz hasonlóan soronként kerülnek a horizontális shift regiszterbe, majd a további jelfeldolgozásra. Az érzékelő felépítéséből következik, hogy az előző érzékelő típusokhoz képest jóval nagyobb érzékenységet és felbontást lehet vele elérni. Hátránya a magasabb előállítási költség.
A CCD kifejlesztésének mérföldkövei
- 1969-ben, az AT& Bell Laboratórium kutatói, Willard Sterling Boyle és George Elwood Smith létrehoztak egy olyan eszközt, ami a félvezető felülete mentén töltés továbbítására volt képes (Charge „Bubble” Device). Ez még csak memória volt, a töltést más úton kellett bejuttatni, mert a fényt nem érzékelte.
- 1970-ben olyan képérzékelőt fejlesztettek ki, ami már a fotoeffektus elvén működött.
- 1974-ben a Fairchild cég piacra dobta az első CCD-ket, melyek 500 lineáris elemből és 100×100 kétdimenziós pixelből állnak.
- 1975-ben az Eastman Kodak cég kísérletekbe kezdett az első CCD képérzékelővel ellátott, digitális fényképezőgép megalkotására. Három év múlva szabadalmaztatták a világ első digitális fényképezőgépét, amely 3,6 kg-ot nyomott, és 100×100 pixeles fekete-fehér kép készítésére volt alkalmas.
- 1976-ban szintén a Kodak cég egyik mérnöke Bryce Bayer az addig csak fekete-fehér felvételek készítésére használható CCD érzékelőt továbbfejlesztette, és színes képek létrehozására is alkalmassá tette azzal, hogy színes szűrőket helyezett a pixelek elé. Így született meg a róla elnevezett Bayer maszk vagy Bayer elrendezés.
- 1986-ban a Kodak mérnökei megalkották az első, 1,4 MP felbontású érzékelőt.
- 1988-ban létrehozták a JPEG szabványt.
- 1991-ben kereskedelmi forgalomba került az első digitális fényképezőgép, mely amerikai és japán kutatók együttes fejlesztésének köszönhető.
- 2006-ban Willard Sterling Boyle és George Elwood Smith megkapta az amerikai Nemzeti Mérnöki Akadémia Charles Stark Draper díját a CCD-vel kapcsolatos fejlesztő munkájukért.
- 2009-ben pedig ugyanők fizikai Nobel-díjat kaptak a CCD megalkotásáért.
A CMOS érzékelő jellemzői
A CMOS technológiás érzékelők esetében nincs szükség töltéscsatolásra, mint a CCD-k esetében. Itt minden képelemhez egy-egy erősítő tartozik, így a töltéseket pixelenként erősítik fel, nem pedig soronként vagy oszloponként. Emiatt szokták a CMOS érzékelőket aktív-pixeles érzékelőként is emlegetni. Emellett, a CCD-vel ellentétben, magán a képérzékelő lapkán lehet elhelyezni az A/D átalakító, zajszűrő, kiolvasó, töltés/feszültség átalakító stb. áramköröket egyaránt.
Korábban a CCD szenzorokat a CMOS érzékelőkhöz képest szívesebben alkalmazták számos előnyös tulajdonságuk miatt, mint például a nagyobb érzékenység és pixelszám, kisebb képzaj, stb. Mára azonban a technikai fejlesztéseknek köszönhetően a CMOS szenzorok is szinte azonos értékeket mutatnak ezekben a paraméterekben. A CMOS érzékelők előnyei közé sorolható az alacsonyabb előállítási költség, a jóval kisebb fogyasztás, a gyors képfeldolgozási sebesség, ezekkel pedig fokozatosan szorítják ki a piacról a CCD érzékelőket. 2011-ben a CMOS érzékelők gyártási volumene már jelentősen meghaladta a CCD szenzorokét.
Az első MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) tranzisztor elkészítése J. Atalla és D. Khang nevéhez fűződik. 1959-ben álltak elő találmányukkal, melyet egy korábbi, 1926-os elképzelésre és szabadalomra építettek. Ez az elképzelés azt vetette fel és elemezte, hogy hogyan valósítható meg egy félvezető anyagban az elektronok, illetve töltések térfeszültséggel történő áramoltatása. A két kutató erre egy úgynevezett szendvics-szerkezetet hozott létre szilícium-félvezetőből, SiO2 szigetelőrétegből és fémrétegből. A szilícium-félvezető réteg három részre osztható: forrásra, nyelőre és kapura, ahol az utóbbira kötött feszültséggel szabályozzák a forrás és a nyelő közti töltésáramlást.A MOSFET tranzisztorok előállítását, illetve az erre alapuló integrált áramköröket nevezik tulajdonképpen MOS-technológiának. A MOS tranzisztoroknak két típusát különböztetjük meg: analóg erősítő eszközök és olyan digitális áramkörök, melyek két állapot kapcsolására képesek (0 és 1). Ezen belül még két altípust tudunk elkülöníteni attól függően, hogy a félvezető anyag milyen szennyezettségű: n-csatornás és p-csatornás MOS áramkörök, röviden nMOS és pMOS.
Végül időben eljutunk a CMOS felfedezéséig. 1963-ban Frank Wanlass megalkotta az első CMOS szerkezetet, ami egy nMOS és egy pMOS tranzisztor párhuzamos összekapcsolásával létrehozott áramkör. Mivel ezek egymást működését kiegészítik, így kapta a Complementary MOS elnevezést. Első, kereskedelmi forgalomban való megjelenése 1964-re, szabadalmaztatása pedig 1967-re datálódik.
A CMOS érzékelő fejlődése
Passive Pixel Sensor: 1968-as fejlesztés, ma már nem használják. A címkézés és kiolvasás soronként és oszloponként történik. A pixelek által érzékelt jelek felerősítésének két módja van ennél a CMOS típusnál: vagy a kimeneten egy erősítővel, vagy egy-egy külön erősítővel oszloponként történik. Ennek hátránya viszont a lényegesen nagyobb képzaj, valamint a gyengébb érzékenység.
Active Pixel Sensor (APS): 1993-ban fejlesztette ki az Olympus cég. A jelfelerősítés már a pixeleknél megtörténik, így a zajszint kisebbre vehető.
Digital Pixel System (DPS): Az APS továbbfejlesztése. A jelkiolvasás és a jelfeldolgozás is digitalizálttá vált ezekben az eszközökben. Minden pixel önálló képalkotó eszközként funkcionál, hiszen valamennyi egyedileg vezérelhető. Emellett pixelenként A/D átalakítás is történik, ami annyit tesz, hogy adott időközönként az analóg jelet digitális jellé alakítja át.
A világ első digitális fényképezőgépének megalkotására 1975-ben kezdtek kísérleteket tenni a Kodak cégnél. Ezt ne úgy képzeljük el, mint a ma használatos digitális gépeket, hiszen olyan plusz eszközök felhasználására volt szükség, amikre nem is gondolna az ember.
A találmány részét képezte egy Super8-as filmfelvevő, 16 darab ceruzaelem, rengeteg analóg és digitális áramkör, plusz ami számunkra igazán érdekes: CCD képérzékelő. Ezen felül hozzátartozott számos magnókazetta, hiszen az adatokat erre írta rá a gép, egy speciális lejátszó szerkezet, ráadásul egy televízió is, a kép megjelenítéséhez.
Az 1975-ben megjelenő 3,6 kg-os szerkezet szülőatyja Steven Sasson volt, aki 2010. november 17-én Barack Obama amerikai elnöktől átvehette a technológiai és innovációs felfedezésekért járó nemzeti érdemrendet. (A cikk és a két kép forrása: www.4szoba.hu)
Minden jog fenntartva. Copyright © Oktel Kft. 1998-2018