Uchwycić fotony

Matryca CCD lub CMOS zdetronizowała już 35-milimetrową klatką filmu małoobrazkowego. Teraz zaczyna zagrażać profesjonalnej fotografii analogowej. Wszak jakość otrzymywanych cyfrowych zdjęć coraz bardziej zbliża się do tych, jakie otrzymać można na filmie średnioobrazkowym - a to za sprawą kolejnych generacji matryc światłoczułych

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: $(LC135315: „Scalaki” do zadań specjalnych)$) 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.

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.

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.

Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.