Nábojovo viazaná štruktúra

Farebné CCD v TV kamere s malým rozlíšením

Detail rovnakého snímača (ľavý dolný roh) na ktorom sú viditeľné mikrošošovky a Bayerov filter

Nábojovo viazaná súčiastka alebo skrátene CCD je z anglického charge-coupled device, prekladané aj ako nábojovo viazaná štruktúra alebo súčiastka/obvod s nábojovou väzbou. Je to označenie pre elektrický jav presunu elektrického náboja po ploche v elektronických (polovodičových) prvkoch. Náboj je prenášaný pomocou sústavy elektród, na ktoré sú privádzané navzájom posunuté synchronizačné signály. Tento jav sa dnes využíva len v jedinom prvku, ktorý sa stal pre neho synonymom – v plošných optických snímacích prvkoch používaných pre záznam obrazovej informácie. Náboj, ktorý vznikne po osvetlení polovodiča vďaka vnútornému fotoelektrickému javu, je postupne vysúvaný k okraju prvku, kde je elektricky zosilnený a následne spracovaný.

Používa sa napr. vo videokamerách, digitálnych fotoaparátoch, faxoch, scanneroch, čítačkách čiarových kódov, ale aj v množstve vedeckých prístrojov, akými sú napríklad astronomické ďalekohľady (vrátane Hubblovho ďalekohľadu).

História

Willard Boyle a George E. Smith z Bellových laboratórií v roku 1969 zostavili koncept CCD. V roku 2009 za tento vynález dostali Nobelovu cenu za fyziku. Vynález sa viaže k vývoju určitého typu pamäťového registru, ktorý funguje ako CCD bez prístupu svetla, respektíve CCD obrazový snímač je posuvný register vystavený pôsobeniu svetla. Pri preberaní ceny vo výške 500 000 $ od Americkej národnej akadémie v roku 2006 si Boyle zavzpomínal na chvíle vzniku CCD. Práca na samotnom koncepte, ktorá zahŕňala teoretický opis a rozkreslenie schémy funkcie, im trvala iba približne hodinu. Potom už ostávalo len skonštruovať funkčný prototyp CCD.

• Prvá kamera s polovodičovým obrazovým snímačom bola zostrojená v Bellových laboratóriách v roku 1970.
• V roku 1975 predviedli prvú kameru s obrazovou kvalitou dostatočnou pre televízne vysielanie.
• Bryce Bayer, vývojový pracovník firmy Kodak, publikoval v roku 1976 svoju koncepciu mriežky farebných filtrov na CCD snímači, ktorá mu umožňovala zachytávať farebný obraz a znamenala revolúciu vo farebnej digitálnej optoelektronike. Farebná mriežka dostala názov po svojom vynálezcovi – Bayerova mriežka.
• Od roku 1983 sa CCD používajú aj v astronomických kamerách. Vďaka ich špecifickým vlastnostiam, najmä výrazne vyššej citlivosti, nižšiemu šumu alebo možnosti zachytávať aj neviditeľné spektrum elektromagnetického žiarenia bolo v astronómii vykonaných mnoho prielomových pozorovaní a objavov.

Princíp činnosti

CCD snímač využíva, podobne ako všetky ostatné svetlocitlivé súčiastky, fyzikálny jav známy ako fotoefekt. Tento jav spočíva v tom, že častice svetla (fotóny) pri náraze do atómu dokážu previesť niektorý z jeho elektrónov zo základného do tzv. excitovaného stavu.

Odovzdajú mu pritom energiu E=ν.h, kde ν je frekvencia fotónu (u viditeľného svetla rádovo v stovkách THz) a h je tzv. Planckova konštanta.

V polovodiči sa takto uvoľnený elektrón odvedie pomocou elektród. Na podobnom princípe pracuje aj fotodióda alebo fotočlánky, ktoré sa používajú ako zdroj elektrickej energie.

U CCD je však elektróda od polovodiča izolovaná tenučkou vrstvou oxidu kremičitého SiO₂, ktorý sa chová ako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektom uvoľnené elektróny nemôžu byť odvedené preč.

Činnosť CCD sa skladá z troch fáz:

Príprava CCD

V tejto fáze sú z CCD bez prístupu svetla odobraté všetky voľné elektróny, čím sa z neho vymažú všetky zvyšky predchádzajúceho obrazu.

Expozícia obrazu

Na elektródy označené na obrázku číslom 1 sa privedie kladné napätie a na CCD sa nechá pôsobiť svetlo (napríklad v digitálnom fotoaparáte sa otvorí uzávierka). Dopadajúce fotóny excitujú v polovodiči elektróny, ktoré sú potom priťahované ku kladne nabitým elektródam. Po elektrónoch ostanú v polovodiči tzv. diery, ktoré voči svojmu okoliu vykazujú kladný náboj a sú priťahované elektródou na spodnej strane CCD. Hranice pixelov sú na obrázku znázornené zvislými bodkovanými čiarami. Pretože na pixel vľavo dopadlo viac fotónov, zhromaždilo sa u jeho elektródy viac elektrónov, než u pixelu vpravo.

Odčítanie obrazu

Animácia posunu náboja v CCD

Po zavretí uzávierky sa začnú na skupiny elektród rovnakého čísla privádzať synchronizované impulzy. To znamená, že na elektródach 2 sa začne pozvoľna zvyšovať napätie, zatiaľ čo na elektródach 1 sa súbežne zníži. Vďaka tomu sú skupiny elektrónov priťahované pod elektródy 2. Impulz sa "posunie" na ďalšiu elektródu a elektróny ho poslušne nasledujú. Následne sa celý dej opakuje, až kým sa skupiny nazhromaždených elektrónov neodčítajú všetky. Odpočet sa deje na konci čipu, kde je výstupný zosilňovač. Ten zosilní pomerne malý elektrický náboj, zodpovedajúci počtu nachytaných elektrónov v jednotlivých pixeloch, na úroveň vhodnú pre ďalšie spracovanie obrazu.

Konštrukcia CCD

Od zostrojenia prvého prototypu, ktorý prvýkrát držali v ruke Boyle a Smith, prekonalo CCD mohutný vývoj a vlastnosti moderných CCD sú podstatne pokročilejšie. CCD snímače delíme do dvoch základných kategórií, a to lineárne a plošné CCD.

Lineárne CCD

čítanie čiarového kódu

Lineárne CCD sú vhodné pre záznam jednorozmerného obrazu, prípadne ak druhá os rozmeru je riešená fyzickým posuvom. Typickým príkladom čítania jednorozmerného obrazu je skener čiarového kódu, ktorý naprieč obrázkom kódu (nemusí být nutne kolmo na jednotlivé čiary kódu) vykoná odčítanie rozdielov medzi čiernou a bielou farbou a na výstupe dá množinu impulzov zodpovedajúcich čiaram v kóde. Táto množina impulzov sa potom spracuje a prevedie do číselnej podoby a spracuje požadovaným spôsobom. Skenery čiarového kódu bývajú aj iného typu, kde samotný lineárny snímač je nahradený podstatne jednoduchšou fotobunkou, silným červeným alebo laserovým svetlom a rotujúcim/vibrujúcim zrkadlom. Snímač odčítava sériu impulzov podobne, ako lineárne CCD iba s tým rozdielom, že dopadajúce svetlo nie je "čiara", ale lúč dopravený pomocou zrkadla.

Ďalším príkladom zariadení s použitím lineárneho CCD je fax alebo počítačový scanner. Tie slúžia na "prečítanie" väčšej plochy dvojrozmerného obrazu, ktorý sa voči lineárnemu CCD snímaču pohybuje (prípadne je zabezpečený pohyb samotného snímača). Snímač prečíta jeden riadok obrazu (typicky na papieri), následne sa obraz posunie o nepatrný krok a snímač prečíta ďalší riadok. Proces sa opakuje až do konca načítania celého obrazu (dokumentu). Vo faxe sa pohybuje papier, v stolovom skeneri sa naopak pohybuje snímač spolu s osvetlením a príslušnou optikou.

Ďalšie príklady použitia lineárnych snímačov:

TDI CCD (Time delay and intedration CCD):

• v zdravotníctve: angiografia, mamografia
• v geodetike či armáde: skenovanie (mapovanie) terénu z rôznych výšok, pričom sa sníma jeden riadok šírky terénu a pohybom družice alebo iného prostriedku, na ktorom je snímač namontovaný, sa premietaný obraz (terén) posúva.

Jedným z pomerne moderných typov použitia lineárnych CCD je skenovanie priestoru v 360° uhle (panoráma), typicky používané pre kriminalistické alebo vedecké použitie. V tomto prípade je použitá trojica lineárnych CCD snímačov, pričom každý z nich sníma jednu z farieb RGB a obrazový procesor následne skladá plnofarebný obraz.

Plošné CCD

Vo väčšine zariadení (kamery, digitálne fotoaparáty atď.) je však nutný okamžitý záznam dvojrozmerného obrazu.

Základná konštrukcia dvojrozmerného CCD je v princípe spojením mnohých lineárnych CCD snímačov na jedinom čipe, pričom sa vytvorí súvislé pole, poväčšine obdĺžnikového tvaru. Ale náboje na koncoch radov nevstupujú do samostatných obrazových zosilňovačov pre každý rad, ale najprv do ďalšieho lineárneho CCD, ktoré je k radom kolmé a pomocou tohto CCD sa odčítaný stĺpec náboja postúpi k jedinému zosilňovaču na jeho konci.

Existuje však viacero rôznych konštrukcií dvojrozmerných CCD snímačov, ktorých cieľom je zlepšenie úžitkových vlastností súčiastky (napríklad zrýchlenie čítania).

Záznam farebného obrazu

Farebný obraz sa zaznamenáva pomocou CCD snímača v zásade dvoma metódami. Buď sa použijú pre každú z troch základných farieb RGB tri samostatné CCD snímače, pred ktoré sa umiestnia dichroické filtre pre príslušnú farbu, alebo sú farebné filtre umiestnené priamo na čipe snímača v šachovnicovom vzore.

Trojčipová konštrukcia

Toto riešenie sa používa zväčša v profesionálnych a poloprofesionálnych videokamerách, kde veľkosť či hmotnosť kamery nie je kritický faktor. Je označované ako 3CCD alebo 3MOS (Panasonic).

Nevýhodou je podstatne väčšia náročnosť konštrukcie, vysoké nároky na vyladenie jemnej optiky a presnosti uloženia snímačov, z čoho vyplýva aj výsledná vyššia cena celej kamery. Výhodou sú podstatne lepšie svetelné vlastnosti tejto konštrukcie, oproti jednočipovému riešeniu.

Farebný CCD snímač (jednočipové riešenie)

Rozloženie farebných filtrov podľa Bayera na jednotlivých pixeloch snímača CCD

V drvivej väčšine digitálnych fotoaparátoch, menších amatérskych videokamerách a rade ďalších zariadení sa používa záznam farebného obrazu jediným CCD snímačom, ktorý má farebné filtre umiestnené priamo na snímači nad každým jedným pixelom. Farebné filtre farebného systému RGB sú šachovnicovo rozmiestnené po celej ploche, pričom simulujú vlastnosti ľudského oka, ktorý je najcitlivejší na zelenú farbu. Preto je zelených pixelov 50%, a o zvyšných 50% sa napoly delia červená a modrá farba. Toto riešenie si v roku 1976 nechal patentovať Bryce Bayer a nazýva sa Bayerova mriežka.

Obraz sa z takéhoto CCD načíta bežným spôsobom a až v ďalších obvodoch sa plnohodnotná farba jednotlivého pixelu (zložená z červenej, zelenej a modrej zložky) poskladá interpoláciou z najbližších (susedných) pixelov.

Výhodou je veľmi jednoduché a lacné riešenie, nenáročné na konštrukciu a použitie. Nevýhodou je strata až 2/3 svetelnosti obrazu, pretože farebné filtre pre každý pixel prepustia len príslušnú časť (tretinu) z celkového spektra dopadnutého svetla a zvyšok (väčšina) sa stratí.

Moderné CCD snímače

Konštrukcia

Bunky reálneho CCD snímača sú v skutočnosti výrazne zložitejšie ako je tu popísané. Každá bunka totiž okrem samotnej svetlocitlivej plochy obsahuje ďalšie časti ako pomocné elektródy, pomocné obvody na resetovanie bunky pred expozíciou a podobne. Základný polovodič musí pre správnu funkciu týchto jednotlivých častí obsahovať aj rôzne prímesy novšie typy nezriedka obsahujú aj obvody elektronickej uzávierky. Tradičná mechanická uzávierka je totiž výrobne veľmi nákladná, a ako dodatočný mechanický prvok znamená zvýšenú poruchovosť zariadenia, preto väčšina spotrebnej elektroniky využíva u CCD iba elektronickú uzávierku. Elektródy sú na povrchu polovodiča väčšinou vytvorené z napareného hliníku, ktorý sa správa ako takmer dokonalé zrkadlo, a teda väčšinu dopadajúceho svetla odráža. Tým sa výrazne zmenšuje efektívna plocha bunky, pretože na svetlo citlivé miesta sú v polovodiči len tie, nad ktorými nie sú elektródy alebo iné pomocné obvody bunky. CCD tak má výrazne nižšiu citlivosť ako by umožňovala plocha kremíkového čipu, keby bola využitá celá pre premenu svetla na elektrinu. Z tohto dôvodu sa v záverečných fázach výroby priamo na čipe pre každú bunku vytvárajú mikroskopické šošovky, ktoré sústreďujú svetlo z väčšej plochy práve na aktívnu časť bunky.

Veľkosti a rozlíšenia CCD snímačov

Existuje viacero rôznych veľkostí CCD snímačov, väčšinou sa ich rozmery udávajú rozmer uhlopriečky v palcoch. Tento zvyk prišiel z obdobia používania obrazových elektrónok používaných v televíznych kamerách pred vynálezom CCD snímačov. U nich udávala miera vonkajší priemer skleneného valčeka elektrónky. Diagonála samotnej svetlocitlivej vrstvy pre snímanie obrazu predstavovala len asi 2/3 tohto priemeru. Táto konvencia bola zachovaná aj u počítačových obrazoviek typu CRT a CCD snímačov. Práve kontroverzia medzi celkovým rozmerom (uhlopriečke) a skutočne viditeľnej v prípade CRT a LCD monitorov, dala základ pre zmenu označovania a napríklad rozmer LCD displeja už označuje iba jeho viditeľnú obrazovú časť, nie celkový fyzický rozmer.

Základným meradlom rozmeru snímača CCD sa stala veľkosť políčka kinofilmu, ktorá je 36 × 24 mm. Obrázok na kinofilme má pomer strán 3:2 a je označovaný ako plný formát (full frame). Pomer strán amatérskych digitálnych fotoaparátov, televíznej obrazovky alebo počítačového monitora bol donedávna zväčša 4:3, dnes sa podstatne viac presadzujú širokouhlé formáty 16:9, zatiaľ čo profesionálne digitálne fotoaparáty používajú prevažne pomer strán 3:2. Niektoré fotoaparáty majú pomer strán prepínateľný.

Počet využiteľných obrazových bodov (pixelov) je v CCD snímači vždy o niečo menší, ako je ich celkový fyzický počet. U farebného snímača (s Bayerovou mriežkou) sú pixely na okrajoch nepoužiteľné kvôli interpolácii. Výrobcovia digitálnej elektroniky takiež často nechávajú na okrajoch snímačov tzv. ochranné pásma. Najčastejším dôvodom je konštrukčná tolerancia pri montáže optiky. Tabuľka a obrázok zobrazujú štandardizované veľkosti bežne používaných CCD snímačov.

Pomer veľkostí běžných CCD snímačov

Názov	uhlopriečka	šírka	výška	pomer strán	veľkosť v mm2	Príklad použitia
1/3,6"	5 mm	4 mm	3 mm	4:3	12	Nokia Lumia 720
1/3"	6 mm	4,8 mm	3,6 mm	4:3	17,3	iPhone 5S
1/2,7"	6,72 mm	5,37 mm	4,04 mm	4:3	21,7	Minolta DiMAGE X
1/2"	8 mm	6,4 mm	4,8 mm	4:3	30,7	Fujifilm HS30EXR
1/1,8"	8,933 mm	7,176 mm	5,319 mm	4:3	38,2	Nokia N8
2/3"	11 mm	8,8 mm	6,6 mm	4:3	58,1	Nokia Lumia 1020
1"	16 mm	12,8 mm	9,6 mm	4:3	123
4/3"	21,6 mm	17,3 mm	13 mm	4:3	225	Olympus E-420
APS-C*	28,4 mm	23,7 mm	15,6 mm	3:2	370	Sony α, Nikon DX, Pentax K
35 mm	43,3 mm	36 mm	24 mm	3:2	864	Nikon FX, Sony α, Canon EF
645	69,7 mm	56 mm	41,5 mm	4:3	2 324	Phase One (max. veľkosť senzora bola 53,9 x 40,4 mm)

* APS-C formát je interpretovaný rôzne, podľa výrobcu. Kým Canon má snímače označované ako APS-C v rozmere 22,2 x 14,8 mm (329 mm²); Nikon, Pentax, Sony a iné firmy ho majú 23,6 x 15,6 (370 mm²).

Rozlíšenie snímača

Rozlíšenie sa udáva v megapixeloch (resp. miliónoch obrazových bodov). Bežné CCD snímače majú rozlíšenie zhruba od 1 do 16 Mpix, ale existujú aj snímače s rozlíšením výrazne nižším (napríklad v optických myšiach) alebo aj vyšším (snímače typu 645 alebo snímače v rôznych vedeckých zariadeniach, najmä astronomických ďalekohľadoch, družiciach apod.) Vyššie rozlíšenie snímača však neznamená automaticky, že je lepší. Na celkovej výslednej kvalite obrazu sa podieľa viacero faktorov, ako je popísané nižšie.

Vlastnosti a chyby CCD snímačov

Dynamický rozsah

Dynamický rozsah obrazového snímača a dopad zosilnenia

Dynamický rozsah udáva rozsah odtieňov od úplne čiernej k najsvetlejšej bielej, ktorú je ešte CCD snímač schopný rozlíšiť. Dynamický rozsah je na jednej strane limitovaný kapacitou každej bunky CCD (koľko elektrónov vzniknutých interakciou s fotónmi je schopná pojať) a z druhej strany hladinou vlastného šumu bunky.

Šum, je neželaný elektrický náboj alebo signál, spôsobený samovoľným uvoľňovaním elektrónov aj bez pôsobenia fotónov. Tieto elektróny sú pochopiteľne priťahované k expozičnej elektróde rovnako, ako elektróny vyprodukované svetlom obrazu a pričítavajú sa k hodnote svetelnej expozície danej bunky. Pretože okamžitá hodnota šumu sa líši bunku od bunky a je náhodná, je prakticky nemožné šum z obrázkov úplne odstrániť. Do hry preto vstupujú rôzne zložité algoritmy obrazového procesoru, ktorý na základe špecifických vlastností konkrétneho snímača výpočtami "predvída" vznik šumu a danú vypočítanú hodnotu z celkovej hodnoty nameranej z bunky odčíta. K dosiahnutiu veľkého dynamického rozsahu pri prijateľnej šumovej úrovni je potrebné, aby rozmery snímača boli čo najväčšie (dosiahne sa tak veľká kapacita každej bunky a tým aj zväčšenie odstupu užitočného signálu od šumu). Preto malé formáty snímačov a/alebo snímače s veľmi vysokým rozlíšením majú vždy výrazne horšie šumové vlastnosti, než snímače väčšie a/alebo s nižším rozlíšením. Pre vedecké prístroje sa šum CCD snímača znižuje jeho chladením (zvyčajne tekutým dusíkom, héliom a pod).

Medzi základné vlastnosti CCD snímača, patrí okrem rozlíšenia aj jeho základná citlivosť. Udáva sa v ISO hodnotách, čo je veličina používaná v klasickej fotografiu pre citlivosť filmového materiálu. Digitálne fotoaparáty sú väčšinou vybavené prepínačom citlivosti, ktorý funguje ako zosilňovač obrazového signálu s prepínateľným zosilnením. Vzhľadom na to, že hladina šumu je u CCD snímača konštantná, zvýšením citlivosti sa zvyšuje mimo užitočného obrazového signálu aj šum (na obrázku modrou farbou).

Vinetácia

Na jednotlivé pixely CCD snímača dopadá maximum svetla iba zo smeru kolmého k rovine snímača. Hneď ako dopadajú lúče zošikma, je ich účinnosť (svetelnosť) zmenšená. Bohužiaľ u bežného objektívu dopadajú lúče kolmo len v prostriedku obrazu a smerom ku okrajom sa ich uhol zväčšuje. To sa prejaví ako postupné stmavovanie obrazu smerom k okrajom. Z tohto dôvodu sú na optiku pre digitálne fotoaparáty kladené vyššie nároky, než na optiku filmových fotoaparátov.

Blooming

K tomuto javu dochádza najmä pri použití elektronickej uzávierky. Ak na niektoré pixely dopadne priveľa svetla, danú bunku zahltí a vyprodukované nadmerné množstvo elektrónov doslova "pretečie" do susedných buniek v rade, takže okolo silného svetla vzniknú na fotografii rovnobežné čiarky nepravidelných dĺžok, prípadne svetlá šmuha.

Referencie

• Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku CCD na českej Wikipédii.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Nábojovo viazaná štruktúra

Externé odkazy

• Úvod do techniky CCD čipů CCD kamery pre astronómiu, ccd.mii.cz
• Kvantová efektivita CCD vzhledem k vlnové délce dopadajícího světla
• Journal Article On Basics of CCDs Archivované 2012-11-20 na Wayback Machine
• Eastman Kodak Primer on CCDs
• Nikon microscopy introduction to CCDs
• Concepts in Digital Imaging Technology
• CCDs for Material Scientists Archivované 2014-05-27 na Wayback Machine
• CCD vs. CMOS technical comparison
• Micrograph of the photosensor array of a webcam. Archivované 2011-04-12 na Wayback Machine
• A general L3CCD page with many links Archivované 2009-05-31 na Wayback Machine
• Paper discussing the performance of L3CCDs Archivované 2007-10-25 na Wayback Machine
• Statistical properties of multiplication registers including derivation of the equation above
• More statistical properties
• L3CCDs used in astronomy Archivované 2011-01-25 na Wayback Machine