Fotografia od A do Z: CCD

CCD (ang. Charge Coupled Device) – rodzaj matrycy światłoczułej stosowanej w aparatach cyfrowych, kamerach i innych urządzeniach obrazujących.

Budowa matrycy CCD

W odróżnieniu od matryc typu CMOS, w sensorze CCD poszczególne elementy światłoczułe są ze sobą połączone. Po dostarczeniu do powierzchni matrycy światła, każdy z elementów światłoczułych zamienia porcję fotonów na elektrony, które gromadzą się w położonej poniżej warstwie matrycy. Następnie ładunki zostają kolejno przekazywane pomiędzy komórkami, z których ostatnia dostarcza je do podzespołów mierzących napięcie i zamieniających sekwencje wartości analogowych na postać cyfrową.

Rodzaje stosowanych matryc CCD:

• Full Frame – najprostszy model, w którym odczytywanie wartości komórek odbywa się stopniowo w poszczególnych liniach (rejestrach). Piksele w pionowych kolumnach przekazują sobie kolejno zarejestrowane wartości, natomiast ostatnia komórka dostarcza ładunek do rejestru poziomego, który zbiera impulsy ze wszystkich linii i przekazuje je do przetwornika napięcia. Wadą tego rozwiązania jest długi czas odczytu danych, który w zależności od matrycy, wynosi około 0,3 sekundy. Sprawia to, że w aparacie z sensorem tego rodzaju konieczne jest zastosowanie migawki mechanicznej. Zaletą natomiast jest niższy koszt wytworzenia matrycy oraz duży stopień wypełnienia powierzchni sensora przez elementy światłoczułe – sięgający niemal 100%.

Schemat działania matrycy CCD typu full frame.

• Frame transfer – w tym układzie stosuje się dodatkowy zbiór elementów magazynujących ładunki. Po zarejestrowaniu światła, zgromadzone elektrony są przemieszczane kolumnami do niewystawionej na światło matrycy magazynującej, a dopiero z jej poziomu następuje wolniejszy odczyt wartości. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość ponownego uruchomienia ekspozycji jeszcze przed zakończeniem transferu danych. Układ frame transfer pozwala również na rezygnację z migawki mechanicznej i osiągnięcie odpowiedniego czasu naświetlania wyłącznie poprzez sterowanie działaniem matrycy. Jednakże dostępne czasy ekspozycji muszą być dłuższe niż we współcześnie stosowanych migawkach mechanicznych, gdyż w przypadku krótkich ekspozycji czas transferu do matrycy magazynującej może wpłynąć na nierównomierne naświetlenie zdjęcia. Zazwyczaj kresem możliwości jest 1/1000 s.

Matryca CCD typu frame transfer to w istocie dwie matryce: właściwa oraz magazynująca, która stanowi ogniwo pośrednie na drodze ładunków.

• Interline transfer – w tym przypadku każdej kolumnie komórek światłoczułych odpowiada sąsiadująca z nią równoległa kolumna magazynująca. Każdy z elementów rejestrujących światło posiada bezpośrednio z nim połączony element służący do magazynowania ładunku. Rozwiązanie to jest podobne do frame transfer, z tą różnicą, że przekazanie ładunku następuje jednocześnie dla wszystkich pikseli, przez co czas transferu jest o rząd wielkości krótszy, dzięki czemu możliwe staje się stosowanie bardzo krótkich ekspozycji bez migawki mechanicznej (poniżej 1/2000 sekundy). Wadą układu interline transfer jest mniejszy stopień wypełnienia matrycy, wynikający z tego, że komórki magazynujące położone są na powierzchni sensora. Czasami jednak, dla podwyższenia czułości, matryce tego typu wyposaża się w mikrosoczewki, które pozwalają na zwiększenie ilości światła docierającego do poszczególnych elementów światłoczułych.

Schemat działania matrycy CCD typu interline transfer: jasne kratki to elementy rejestrujące światło, natomiast ciemne to połączone z nimi komórki magazynujące ładunki.

• Fujifilm Super CCD – opracowany przez firmę Fujifilm wariant matrycy CCD, który charakteryzuje się ośmiokątnym kształtem pikseli (w standardowych matrycach komórki są kwadratowe). Pozwala to zmniejszyć odległość pomiędzy poszczególnymi elementami, a w efekcie zwiększyć rozmiar komórek, co przekłada się na lepszy stosunek sygnału do szumu. Wadą rozwiązania firmy Fujifilm jest konieczność interpolacji uzyskiwanych obrazów do formy złożonej z kwadratowych pikseli, gdyż tylko taka może być wyświetlana na ekranie. Ciekawą odmianą tej technologii jest Super CCD SR, gdzie każdy piksel zamiast jednej, składa się z dwóch fotodiód. Większy element z tej pary rejestruje światło o niższym natężeniu, natomiast mniejszy silnejsze wiązki. W efekcie matryca ta dysponuje znacznie powiększoną dynamiką tonalną.

Matryca typu Super CCD SR składa się z podwójnych komórek, z których każda to dwie fotodiody o różnej wrażliwości na światło.

Historia matryc CCD

Matryca CCD została wynaleziona w 1969 roku przez dwóch naukowców pracujących w firmie AT&T Bell Labs w USA. Za ten wynalazek Willard S. Boyle i George E. Smith otrzymali w 2009 roku nagrodę Nobla. Ze względu na wysokie koszty produkcji, matryce CCD stosowane były początkowo wyłącznie w specjalistycznych, naukowych urządzeniach obrazujących. Od lat dziewięćdziesiątych sensory CCD zyskały popularność w konsumenckich kamerach i aparatach cyfrowych, dzieląc wpływy z drugą, równie powszechną technologią – CMOS. Obecnie matryce CCD znajdują zastosowanie głównie w prostych aparatach kompaktowych oraz, na drugim biegunie, w wysoce zaawansowanych technologicznie aparatach średnioformatowych. W segmencie lustrzanek cyfrowych zdecydowanie popularniejsze są natomiast matryce typu CMOS.

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.

Schemat matrycy CCD z zaznaczoną mozaiką filtru Bayera.