CCD i CMOS czyli 2 podstawowe typy matryc i cała reszta; część 1

CCD i CMOS to dwa podstawowe typy matryc używanych do cyfrowej rejestracji obrazu. Pokrótce przedstawimy historię rozwoju matryc światłoczułych w ostatnim ćwierćwieczu, starając się nakreślić różnice między dwoma podstawowymi typami matryc i powody, dla których CMOS w większości zastosowań wypiera CCD oraz wspomnieć dodatkowe warianty matryc takie jak Super CCD czy JFET-LBCAST. Matryca CCD znajduje się choćby w lustrzance cyfrowej Pentax K10D, która ostatnio stała się ulubionym aparatem niektórych członków redakcji bloga Interfoto.eu, czy Nikon D80.

W ostatnim ćwierćwieczu nastąpiły ogromne zmiany w zakresie technologii matryc światłoczułych. Pierwszą technologią, która dała użyteczne rezultaty a jednocześnie była na tyle przystępna cenowo żeby mogła się znaleźć w produktach konsumenckich była technologia matryc CCD (Charge-Coupled Device). Tłumacząc nazwę z języka angielskiego jest to urządzenie o sprzężonym ładunku.

Główne cechy matrycy CCD:

Nie można odczytać zawartości pojedynczego piksela. Trzeba odczytać zawartość całej matrycy i potem dopiero wybrać interesujący nas piksel, co powoduje, że działanie matryc tego typu jest dość wolne.

Matryca ma jeden przetwornik ładunku na napięcie i jeden przetwornik A/D (napięcie na liczbę). Zawartość wszystkich pikseli jest odczytywana po kolei przez ten układ.

Ze względu na specyficzną budowę matryce Charge-Coupled Device pobierają więcej mocy w czasie pracy, bardziej się więc grzeją i szybciej zużywa się akumulator zasilający aparat z matrycą Charge-Coupled Device.

Matryce Charge-Coupled Device mają większy współczynnik wypełnienia, czyli stosunek powierzchni pikseli do powierzchni całej matrycy.

Matryce Charge-Coupled Device generują mniejsze szumy

Odczytywanie zawartości matrycy CCD

Pierwszym etapem tworzenia zdjęcia jest odczytanie zawartości wszystkich pikseli. W matrycy Charge-Coupled Device odbywa się to tak: odpowiednie układy elektroniczne przenoszą ładunki z najniższego rzędu pikseli do czegoś w rodzaju rury, którą ładunki przesuwane są do układów elektronicznych, które

• zamieniają ładunek z każdego piksela na napięcie elektryczne
• napięcie zaś zamieniają na liczbę (przetwornik analogowo cyfrowy), oznaczany w elektronice symbolem A/D.
• liczby te zapisywane są w wewnętrznej pamięci procesora aparatu (nie mylić z pamięcia wkładaną i wyjmowaną z aparatu, na której zapisywane są gotowe już zdjęcia).
• Po odczytaniu zawartości pierwszego rzędu pikseli ładunki z wyższych rzędów są przesuwane o jeden piksel w dół i proces odczytu jest powtarzany aż do odczytania zawartości wszystkich pikseli.
• do każdej liczby reprezentującej oświetlenie pojedynczego piksela przyporządkowany jest numer tego piksela, który jednoznacznie określa jego położenie w matrycy.
• w tej pamięci wewnętrznej zapisywane jest też wiele innych informacji związanych z wykonanym właśnie zdjęciem ale pomijamy to chwilowo, by nie komplikować opisu.

Zatem zawartość pikseli w matrycy Charge-Coupled Device odczytuje się sekwencyjnie rząd po rzędzie. Ładunki w tym procesie są przesuwane w kierunku szyny odczytującej i kierującej je do dalszej obróbki. To co otrzymujemy po zakończeniu opisanego tu procesu odczytu to tzw. obraz surowy, czyli RAW. Aparaty wyższej klasy, ale nawet kompakty, pozwalają zapisać taki obraz w pamięci zewnętrznej.

RAW i jpeg

W aparatach niższej klasy dane “surowe” od razu poddawane są obróbce w aparacie fotograficznym i do pamięci zewnętrznej zapisywane jest gotowe zdjęcie w formacie JPEG. Takie zdjęcie można potem nieco korygować w komputerze odpowiednim programem ale możliwości tych korekcji są nieporównanie mniejsze niż w przypadku zapisanego pliku RAW. Jednak pliki RAW są bardzo duże od wynikowych JPEG-ów a do tego ich konwersja na zdjęcie wymaga sporo czasu, umiejętności i odpowiednich programów.

Prądożerność

Jako, że matryce CCD odczytują piksele jeden po drugim, szybkość odczytu zależy od prądu dostarczanego do matrycy zatem szybki odczyt wymaga mnóstwa energii elektrycznej. Małe akumulatory w konsumenckich aparatach cyfrowych nie bardzo sobie z tym radziły więc podgląd na żywo był wolny i działał z opóźnieniem. Matryce CCD stanowiły podstawę początków rynku sprzętu cyfrowego od połowy lat 90. XX wieku do początku drugiego dziesięciolecia XXI wieku. Oczywiście technologia cały czas ewoluowała a jakość obrazka z matryc CCD stale się poprawiała.

Filtr Bayera

Matryca CCD bez dodatkowego wyposażenia nie potrafi rejestrować koloru. Każdy z pikseli jest tak samo wrażliwy na poszczególne długości fal elektromagnetycznych. W efekcie rejestrowany obraz jest czarno-biały. Aby możliwe było wykonywanie zdjęć kolorowych, na matrycę nakłada się filtr Bayera, czyli mozaikę czerwonych, zielonych i niebieskich filtrów przesłaniających poszczególne fotodiody na matrycy. Takie rozwiązanie sprawia, że każdy element matrycy rejestruje światło tylko dla jednej z trzech składowych koloru. Właściwy obraz powstaje dopiero w efekcie skomplikowanych obliczeń wykonywanych przez procesor aparatu cyfrowego.

Kolory CCD?

Nadal są fotografowie, którzy z sentymentem wspominają reprodukcję barw generowanych przez matryce CCD, ale w istocie nie ma żadnego powodu dla którego barwy z matryc CCD miałby być inne niż z matryc CMOS. Uważa się że wszelkie różnice należy raczej przypisać zmianom w zakresie selektywności i charakterystyki absorpcyjnej filtrów barwnych wraz z tym, jak producenci starali się poprawić pracę matryc przy niskim poziomie światła zastanego (wymagającego wyższych ekwiwalentów ISO) poprzez użycie filtrów przepuszczających więcej światła. Zatem można by uznać, że w czasach matryc CCD priorytetem przy budowie filtrów była reprodukcja barw a potem wraz z rozwojem matryc CMOS ważniejsza stało się praca przy wysokim ISO.