Matryce CCD kontra CMOS

Na czym polega różnica między tymi rodzajami matryc i które są lepsze? Różnice bardzo
łatwo pokazad i objaśnid. Które są lepsze, to już sprawa trochę względna. W tym paragrafie
omówimy różnice między matrycami typu CCD i CMOS a w następnych opiszemy budowę i
zasady działania każdego z typów.

CCD to skrót od pełnej angielskiej nazwy Charge-coupled device

i można to przetłumaczyd na urządzenie (device) o sprzężenie (coupled) ładunkowym
(charge). Co to oznacza i jak działa taka mtryca opiszemy w kolejnych paragrafach.

CMOS to pierwsze litery terminu znanego elektronikom: complimentary metal-oxide
semiconductor

i oznacza pewną technologię wytwarzania elementów półprzewodnikowych. Dla najbardziej
nawet zaawansowanego fotografa nazwy nie mają znaczenia. Istotna jest zasada działania
obu typów matryc. Narazie omówimy najważniejsze różnice między nimi a przestudiowanie
opisów obu typów matryc pozwoli zrozumied z czego te różnice wynikają. I znowu, dla
fotografa, nawet profesjonalisty, ważne są owe różnice i wiedza o tym która matryca jakie
ma możliwości, z punktu widzenia techniki fotografowania.

Główne różnice między matrycami CCD i CMOS

Zrobimy tu porównanie kilku istotnych właściwości obu typów matryc.

CCD

CMOS

Nie można odczytad zawartości pojedynczego
piksela. Trzeba odczytad zawartośd całej
matrycy i potem dopiero wybrad interesujący
nas piksel. To powoduje, że ich działanie jest
dośd wolne

Można odczytywad zawartośd dowolnej liczby
pikseli i w dowolnej kolejności, tak jak
odczytuje się zawartośd pamięci
komputerowych. Z tego względu działają
znacznie szybciej.

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

Każdy piksel matrycy CMOS ma swój
przetwornik ładunek na napięcie i układ
odczytujący zawartośd pikseli odczytuje już
napięcie wytworzone padającym na ten piksel
światłem. W bardzo zaawansowanych
matrycach CMOS każdy piksel ma swój
przetwornik A/D, co ułatwia i przyspiesza
dalszą obróbkę obrazu.

Ze względu na swą budowę matryce CCD
pobierają więcej mocy w czasie pracy,
bardziej się więc grzeją i szybciej zużywa się

Zużywają mniej mocy elektrycznej, co
pozwala wykonad więcej zdjęd z raz
naładowanego akumulatora.

bateria lub akumulator zasilający aparat z tą
matrycą.

Większy współczynnik wypełnienia, czyli
stosunek powierzchni pikseli do powierzchni
całej matrycy.

Mniejszy współczynnik wypełnienia, gdyż
częśd powierzchni matrycy zajmują obwody
przetwarzające ładunek na napięcie.

Mniejsze szumy.

Większe szumy.

Dla fotografa najistotniejsza jest wiedza o tym, że matryca CMOS działa szybciej, co oznacza
szybsze działanie całego aparatu fotograficznego. Wiele korzyści płynie też ze sposobu
odczytu - zawartośd każdego piksela indywidualnie. Te korzyści mogą byd wykorzystane
jedynie przez projektantów aparatów i zespoły opracowujące programy sterujące działaniem
aparatu, tzw. firmowe. Koocowy użytkownik zyskuje na tym ale sam nie może decydowad o
sposobie wykorzystania zalet matrycy CMOS.

Bardziej dociekliwi fotoamatorzy będą mogli wkrótce poczytad rozdziały dotyczące
szczegółów budowy i działania obu typów matryc. Znajomośd tych zagadnieo nie jest
konieczna dla robienia dobrych zdjęd ale na pewno umożliwia pełniejsze wykorzystanie
możliwości aparatu cyfrowego.

Matryce CCD i ich działanie

Od tamtej pory upłynęło 36 lat i elektroniczne elementy światłoczułe są stosowane
powszechnie. Technologia ich wytwarzania oraz właściwości powodowały, że jeszcze 10 lat
temu, jedynie astronomowie korzystali z dobrodziejstw cyfrowego rejestrowania i
przetwarzania obrazu. Jednakże postęp technologiczny szybko doprowadził do obniżenia
kosztów ich wytwarzania oraz podwyższenia sprawności. Doprowadziło to do boomu
aparatów cyfrowych. Obecnie potrafimy wykonywad matryce zawierające po 22 milionów
pikseli, a to nie jest kres obecnych możliwości!

Jednakże nie każdy wie, jak dokładnie odbywa się rejestracja obrazu za pomocą
przetworników CCD. Z drugiej jednak strony wielu może zauważyd, iż wcale nie musi
wiedzied w jakim cyklu pracuje cylinder w silniku, aby móc jeździd samochodem, czy kosid
trawę kosiarką. Wiedza ta nie jest niezbędna, aczkolwiek znajomośd podstawowych pojęd i
zasady działania tych urządzeo pozwoli na lepsze ich wykorzystanie.

Wszyscy zainteresowani mogą więc, zapytad czym w rzeczywistości jest ta matryca? Otóż
matryca CCD (z angielskiego Charge Coupled Device), to krzemowa płytka zbudowana z
elementów światłoczułych, która jest detektorem wyłapującym i rejestrującym światło,
padające na nią w postaci fotonów. Podzielona jest ona na wiele bardzo małych,
niezależnych od siebie elementów zwanych pikselami. Ich rozmiar stanowi zazwyczaj od kilku
do kilkudziesięciu mikrometrów kwadratowych. To tyle, że na powierzchni przekroju
typowego włosa czytelnika tego artykułu, zmieściłoby się ich około 500. Do każdego piksela
przyłożona jest elektroda, która po doprowadzeniu napięcia, powoduje powstanie studni
potencjału. Mówiąc prosto, w tym miejscu tworzy się taki koszyczek, w którym zbierane
będą elektrony. No dobrze, ale skąd je wziąd? Otóż foton padający na matrycę CCD na skutek
zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego, wytrąca elektron, któremu przekazuje swoją
energię. Taki wybity elektron podąża w kierunku dodatnio naładowanej studni potencjału
(naszego koszyczka) i tam zostaje uwięziony. Im dłużej trwa ekspozycja, tym więcej
elektronów gromadzimy. Po jej zakooczeniu, przez inne elektrody, umieszczone na koocu
każdego rzędu pikseli, zgromadzony sygnał trafia do wyjściowego wzmacniacza i opuszcza
chip. Po "policzeniu" elektronów z każdego elementu dostajemy informację ile światła (jego
natężenie) padło na każdy piksel. Potem już tylko przetwornik analogowo-cyfrowy
przetwarza otrzymany sygnał, na postad zrozumiałą dla komputera, czy innego urządzenia
zewnętrznego. Należy zwrócid uwagę, że nie otrzymujemy w ten sposób żadnej informacji o
kolorze! Tą tematyką zajmiemy się w innym artykule.

W trakcie takiej ekspozycji przepływ elektronów powoduje wydzielanie się ciepła. Im
mniejszy układ i im więcej w nim pikseli, tym wyższa jest temperatura pracy układu. Jest to
bardzo niepożądana własnośd, gdyż powoduje ona gwałtowny wzrost negatywnych
czynników, takich jak szumy. Z tego względu nieodłącznym elementem matrycy CCD jest
układ chłodzący. W aparatach cyfrowych, jest nim zazwyczaj radiator chłodzony powietrzem.

Ważnym parametrem dla matryc CCD jest ich wydajnośd kwantowa. Ten bardzo dziwny
termin oznacza jak wydajna jest taka matryca. Dla obecnych urządzeo ich średnia wydajnośd
kwantowa jest na poziomie 70%, co znaczy, że 70% padającego światła jest rejestrowana. Dla
tradycyjnej kliszy, wydajnośd wynosi ok. 2%.

Detektory CCD są czułe na cały zakres światła widzialnego oraz na podczerwieo. Jest ona
emitowana m.in. przez każdy obiekt, który ma temperaturę pokojową. Ma to wykorzystanie
w noktowizorach i tam gdzie mamy bardzo słabe oświetlenie. Podczerwieo ta jest jednak
bardzo niepożądana w aparatach cyfrowych, gdyż znacznie zafałszowuje ona odwzorowanie
kolorów. Wycina się więc pewien zakres fal za pomocą odpowiednich filtrów.

Z punktu widzenia technologii wykonania i zasad działania istnieje jeden rodzaj matryc CCD,
w których ładunek wytworzony padającym światłem i zgromadzony w oddzielnym miejscu
dla każdego piksela jest następnie przemieszczany do układów elektronicznych
zamieniających go na napięcie, a dalej na liczbę proporcjonalną do wytworzonego ładunku.
Oświetleniu każdego piksela odpowiada jedna liczba. Liczby te tworzą plik, który
przetwarzany jest w procesorze aparatu na obraz. Proces konwersji oświetlenia matrycy w
plik liczb to etap realizowany przez matrycę i urządzenia bezpośrednio z nią współpracujące.
Istnieje wiele rozwiązao konstrukcyjnych realizujących przemieszczanie ładunków
elektrycznych zgromadzonych w pikselach do układów elektronicznych. Należy jednak
pamiętad, że te, które omówimy w dzisiejszym odcinku, dotyczą wyłącznie matryc typu CCD.

Warto tu przytoczyd analogię do rodzajów silników benzynowych. Są silniki z gaźnikiem, z
wtryskiem jedno- lub wielopunktowym, z turbodoładowaniem. Każdy z nich może mied kilka
odmian. Wszystkie działają w oparciu o spalanie benzyny, stąd ich nazwa - benzynowe. Drugi
typ silników spalinowych to silniki wytwarzające energię mechaniczną w wyniku spalania
oleju napędowego. Ten typ silników również ma wiele odmian i modyfikacji, ale wszystkie
stanowią jeden typ - są silnikami Diesla.

Analogicznie wygląda sprawa matryc światłoczułych w aparatach fotograficznych. Stosowane
są dwa typy - CCD i CMOS. Różnią się technologią wykonania i szczegółami przetwarzania
zgromadzonego ładunku na liczby. Oba typy matryc realizują jednak to samo zadanie -
rejestrują padający na nie obraz fotografowanych obiektów. Piszemy o tej analogi tak
obszernie, ale naszym zdaniem to bardzo istotne, gdyż ogromna większośd pytao czytelników
dotyczących matryc brzmi: "Które matryce są lepsze - CCD, czy CMOS?". Jest to pytanie, na
które nie można dad jednoznacznej odpowiedzi, tak jak na pytanie: "Który silnik jest lepszy -
benzynowy, czy Diesel?"

Przesyłanie ładunków z pikseli do układów elektronicznych

Jedną z cech identyfikujących różne odmiany matryc typu CCD jest wspólny dla wszystkich
pikseli układ przetwarzania ładunków na napięcia i tych napięd na liczby. Proces ten
nazywany jest odczytem matrycy. W praktyce najczęściej stosowane są trzy systemy odczytu
ładunku z matryc CCD. Wiele terminów anglojęzycznych fotografii cyfrowej nie doczekało się
jeszcze oficjalnie zatwierdzonych nazw polskich. Będziemy w takich przypadkach posługiwad
się nazwami anglojęzycznymi, aby nie wprowadzad zamętu poprzez tworzenie polskiej
terminologii ad hoc.

Frame transfer, czyli przenoszenie całego zarejestrowanego obrazu. Matryca składa się z
dwóch części, każda o tej samej liczbie pikseli. Po zarejestrowaniu obrazu ładunek ze
wszystkich pikseli, czyli odwzorowanie fotografowanego obiektu, zostaje przesunięty do
pikseli magazynujących, zasłoniętych przed światłem. Schematycznie przedstawia to rys. 1.

rys. 1: schemat matrycy CCD typu "frame transfer"

Częśd górna, biała, to piksele wystawione na działanie światła, rejestrujące obraz. Częśd
dolna to piksele zasłonięte przed wpadającym do aparatu światłem, magazynujące
przesunięte do nich ładunki elektryczne. Przesunięcie wszystkich ładunków trwa około 0,5
ms, czyli 1/2000 częśd sekundy. Niestety w tym czasie matryca jest wystawiona na działanie
światła i następuje lekkie rozmycie obrazu. Zanim ładunek przemieści się przez kolejne
piksele aż do "schowania" się w dolnej części, światło wpadające przez obiektyw wygeneruje
trochę dodatkowych elektronów. Przesuwanie ładunków realizują specjalne rejestry
zintegrowane z matrycą.

Czas transferu ładunków jest jednak na tyle krótki, że dla większości zastosowao powstałe
zniekształcenia obrazu można uznad za nieistotne. Można też zastosowad migawkę
mechaniczną, która po naświetleniu matrycy zasłoni ją na czas przesuwania ładunku do

części dolnej.
Full frame transfer, to rodzaj matryc CCD, w których ładunki elektryczne zgromadzone w
pikselach pod wpływem światła są przenoszone do elementów przetwarzających je na obraz
bez etapu składowania ich w obszarze zasłoniętym przed światłem. Schematycznie obrazuje
to rys. 2.

rys. 2: schemat działania matrycy CCD typu "full frame transfer"

Po naświetleniu matrycy ładunki z kolejnych wierszy pikseli są przesuwane w dół do rejestru
zaznaczonego kolorem niebieskim. To przesuwanie realizuje rejestr zaznaczony kolorem
zielonym. Nazwy tych rejestrów to: rejestr przesuwu pionowego - zielony, i przesuwu
poziomego - niebieski. Rejestr przesuwu poziomego przenosi ładunki do dalszych elementów
aparatu cyfrowego, które nie stanowią integralnej części matrycy CCD i będą omówione
osobno.

W tym systemie odczytanie ładunków powstałych w trakcie robienia zdjęcia trwa znacznie
dłużej, niż w opisanym powyżej systemie "frame transfer". Dlatego w aparatach o takiej
konstrukcji matrycy konieczne jest zastosowanie migawki mechanicznej, która zasłoni
matrycę na czas odczytu. Matryca ma prawie 100 % współczynnik wypełnienia, podobnie jak
w systemie "frame transfer". Zapewnia to dużą czułośd, gdyż prawie cała powierzchnia
matrycy jest wykorzystana do rejestracji natężenia padającego światła.


Interlinie transfer, co można przetłumaczyd jako przesuw międzyliniowy. Na rys.1 pokazano
puste miejsce obok czynnej części piksela. To właśnie miejsce jest wykorzystane do
"zmagazynowania" ładunku zaraz po jego zgromadzeniu w trakcie ekspozycji. Patrząc z góry
na schemat takiej matrycy zobaczymy, że obok każdej kolumny pikseli rejestrujących światło
znajduje się kolumna do przechowywania ładunku elektrycznego, który następnie jest
odczytywany i przekazywany w celu przetworzenia go w zdjęcie.

rys. 3: schemat matrycy CCD o architekturze odczytu zwanej "interline transfer"

Kolumny niebieskie oznaczają piksele odsłonięte dla padającego światła. Kolumny zielone -
piksele zasłonięte przed światłem i wykorzystywane dla przechowania ładunku na czas jego
transferu do elementów aparatu przetwarzających ładunki na obraz. Na rys. 3 zaznaczono
kierunki przemieszczania ładunków. Przeniesienie ładunków z pikseli rejestrujących do
pikseli magazynujących zajmuje około 1000 razy mniej czasu, niż w matrycach o
architekturze "full frame transfer", bo wymaga ich przesunięcia tylko o szerokośd jednego
piksela, podczas gdy w trybie "full frame transfer" ładunki muszą zostad przeniesione na
odległośd równą liczbie wierszy matrycy pomnożonej przez wysokośd pojedynczego piksela.
Przy tej metodzie odczytu nie jest w ogóle potrzebna migawka mechaniczna. Czas
przesuwania ładunków to rząd 1μs i nie ma obawy, by w tak krótkim czasie nastąpiło
znaczące zaburzenie liczby zgromadzonych na pikselu ładunków.

Matryce CMOS i ich działanie

CMOS to pierwsze litery nazwy Complementary Metal Oxide Semiconductor, która oznacza
pewną technologię wykonania elementów półprzewodnikowych, charakteryzującą się
niższym napięciem zasilania, mniejszym poborem mocy i większą odpornością na zakłócenia
(w porównaniu z elementami matryc CCD). Najistotniejszą cechą matryc CMOS, odróżniającą
je od sensorów CCD, jest jednak ich architektura, a dopiero potem technologia wytwarzania
zastosowanych elementów półprzewodnikowych.

W matrycach CMOS każdy piksel jest zintegrowany z przetwornikiem ładunku elektrycznego
na napięcie i wzmacniaczem tego napięcia. Taka architektura eliminuje szumy wnoszone w
matrycy CCD w trakcie przemieszczania ładunków do wspólnego dla wszystkich pikseli
układu przetwarzania ich na napięcie.

Każdy piksel ma swój adres (x, y), określający jego położenie w matrycy CMOS. Pozwala to

nie tylko na odczytywanie pikseli w dowolnej kolejności, ale też dowolnej ich liczby. Daje to
możliwośd łatwego odczytu fragmentu obrazu (ang. windowing, co można przetłumaczyd
jako "okienkowanie"). Z matrycą CMOS jest na ogół zintegrowany dodatkowy wzmacniacz
napięcia i przetwornik analogowo-cyfrowy, więc faktycznie odczytujemy z przetwornika od
razu liczby reprezentujące jasnośd poszczególnych pikseli. Te elementy dają matrycom CMOS
przewagę nad sensorami CCD jeżeli chodzi o szybkośd działania i elastycznośd odczytu. CMOS
to jednak nie same zalety.
Fotodiody wykonane w technologii CMOS mają mniejszą czułośd (w przeliczeniu na
jednostkę powierzchni) i większy prąd ciemny, który przejawia się jako szum na zdjęciach z
długimi czasami ekspozycji. Mniejszą czułośd fotodiod rekompensuje się stosowaniem w
matrycach CMOS pikseli o większej powierzchni, co jednak wymaga większych rozmiarów
całego sensora. Dlatego CMOS-y są stosowane głównie w lustrzankach o dużych wymiarach
przetwornika. Dużych, czyli formatu zbliżonego do małego obrazka lub wręcz
pełnoklatkowych (24x36 mm).
Jeżeli większośd aparatów kompaktowych ma matryce CCD o symbolu 1/1,8", co odpowiada
wymiarom około 5,3x7,2 mm, to matryce CMOS stosowane w popularnych lustrzankach
mają symbol APS, któremu odpowiadają rozmiary od około 14x21 mm do 16x24 mm.
Powierzchnia matrycy formatu APS jest więc około 8 razy większa od powierzchni matrycy
1/1,8". Niestety częśd tej powierzchni zajmują układy elektroniczne zintegrowane z każdym
pikselem. Dlatego też współczynnik wypełnienia piksela jest mniejszy niż w matrycach CCD.
Na wszelki wypadek przypomnijmy - współczynnik wypełnienia to stosunek powierzchni
całego piksela do powierzchni wystawionej na działanie światła.

schematyczne przedstawienie przekroju poprzecznego matrycy typu CMOS

Widzimy tu dodatkowe zielone prostokąty, które symbolizują układ elektroniczny konwersji
ładunku na napięcie i wzmacniacz tego napięcia. Zintegrowanie z fotodiodą przetwornika
ładunku na napięcie i odczytywanie tego napięcia w systemie adresowym (x, y) jest
najistotniejszym wyróżnikiem matryc CMOS w odniesieniu do sensorów CCD. Taka
architektura znacząco skraca czas odczytu całej matrycy, gdyż przetwarzanie ładunków na
napięcie odbywa się równocześnie dla wszystkich pikseli, podczas gdy w matrycy CCD
ładunki z każdego piksela doprowadzane są po kolei do jednego układu przetwarzającego.

Konstrukcja matryc CMOS ma jednak pewną wadę. Z technologicznego punktu widzenia nie
da się wytworzyd kilku czy kilkunastu milionów idealnie jednakowych układów
zamieniających ładunek na napięcie. Tak więc przy równym naświetleniu całej matrycy
CMOS z każdego piksela odczytamy nieco inne napięcie, co objawi się na zdjęciu jako szum.
Ten mankament można jednak łatwo usunąd odpowiednią funkcją programu zapisanego w
aparacie. Bezpośrednio po wykonaniu zdjęcia aparat wykonuje drugie, przy zamkniętej
migawce mechanicznej. Od napięd reprezentujących zdjęcie obiektu program w aparacie
fotograficznym odejmuje napięcia reprezentujące "zdjęcie" z zamkniętą migawką. W ten
sposób eliminuje się zarówno szumy pochodzące od nierównomiernego wzmacniania
sygnału przy poszczególnych pikselach, jak i szumy pochodzące od prądu ciemnego.

Migawka elektroniczna w matrycy CMOS

Możliwośd sterowania resetowaniem pikseli, czyli zerowaniem zebranego na nich ładunku,
oraz procesem zbierania ładunku pod wpływem światła pozwala na stosowanie
"elektronicznej migawki". Nie wnikając w szczegóły wygląda to tak:

odpowiednimi impulsami elektrycznymi resetujemy ładunek zgromadzony w
pikselach,

odczekujemy ustalony programem czas, np. 1/125 s,

dokonujemy odczytu ładunków zgromadzonych na matrycy.

Otrzymujemy w ten sposób zdjęcie z czasem ekspozycji 1/125 s. Oczywiście dla jasności
przekazu pominęliśmy w tym opisie proces ustawiania innych parametrów wymaganych dla
otrzymania zdjęcia poprawnego technicznie.

Wykorzystanie potencjału cyfrowego aparatu fotograficznego, jak chodby wspomnianej już
kompensacji szumów, wymaga jednak zastosowania migawki mechanicznej. Połączenie obu
typów migawek zwiększa możliwości aparatu cyfrowego ponad te osiągalne w aparatach
analogowych.

Matryca CMOS aparatu Canon EOS 5D

Która matryca lepsza - CCD czy CMOS?

To standardowe pytanie większości fotoamatorów, na które nie ma niestety jednoznacznej
odpowiedzi. Historycznie rzecz biorąc (czyli sięgając do początku lat 90.), matryce CCD były
zdecydowanie lepsze. Miały większą czułośd i mniejsze szumy, a są to parametry decydujące
o jakości otrzymywanego zdjęcia. W chwili obecnej matryce CMOS zaczynają dominowad w
aparatach wysokiej klasy. Stosowanie sensorów o większej powierzchni pikseli zapewnia
dużą czułośd i dynamikę, czyli maksymalną różnicę jasności rejestrowanych przez matrycę.
Większy prąd ciemny piksela CMOS jest kompensowany brakiem szumów związanych z
przesuwaniem ładunków do elementów odczytujących w matrycach CCD. Matryce CMOS
zużywają mniej mocy, co daje wydłużenie czasu pracy całego aparatu z jednego naładowania
akumulatorów.

Odczytywanie pikseli CMOS w schemacie adresowym (x, y) daje ogromne możliwości
programowej kontroli jakości obrazu. Wspomniane już okienkowanie, czyli odczytywanie
wybranego fragmentu obrazu zarejestrowanego na matrycy, pozwala na znaczne
przyspieszenie wykonania sekwencji kilku lub nawet kilkunastu zdjęd, co może byd bardzo
przydatne w pewnych okolicznościach.

Metodą okienkowania możemy zarejestrowad zdjęcie o mniejszej rozdzielczości, wczytując
np. co któryś piksel, ale możemy też zapisad mały fragment dużego zdjęcia. Co więcej, może
to byd fragment o dowolnych wymiarach i wzięty z dowolnego kawałka oryginalnego zdjęcia.
Okienkowanie pozwala bardzo łatwo i szybko realizowad ustawiane ostrości metodą
maksymalizacji kontrastu. Wczytujemy bowiem do pamięci procesora małe fragmenty
obrazu (te potrzebne do analizy kontrastu), a nie cały obraz, by następnie wybrad z niego
potrzebne nam fragmenty.

Taki system odczytywania pozwala także łatwo sumowad ładunki z kilku sąsiednich pikseli.
Obniża to wprawdzie rozdzielczośd, ale zwiększa czułośd, co jest bardzo przydatne przy
fotografowaniu w słabym świetle. Mamy bowiem do czynienia z podwyższaniem czułości bez

zwiększania poziomu szumów. Konwencjonalne zwiększanie czułości w aparacie cyfrowym
polega na zwiększaniu wzmocnienia napięcia uzyskanego z piksela przed podaniem go na
przetwornik analogowo-cyfrowy. Wzmacnianie takie wnosi szumy, analogicznie jak przy
wzmacnianiu sygnałów akustycznych.

Przeglądając dane katalogowe fotograficznych aparatów cyfrowych zauważymy, że matryce
typu CCD są stosowane zarówno w aparatach kompaktowych, jak i w lustrzankach średniej
klasy. Zestawienie kilku modeli aparatów różnych producentów pokazuje, że w lustrzankach
stosowane są oba typy matryc. W nawiasach podano rozdzielczośd matrycy i jej wymiary.

Matryce typu CMOS są w zasadzie stosowane jedynie w lustrzankach wyższej i najwyższej klasy. W
tych ostatnich montowane są matryce CMOS wyselekcjonowane spośród wielu wyprodukowanych w
danej serii. Dwukrotna nieraz różnica ceny między aparatami cyfrowymi o prawie takich samych
parametrach wynika z faktu, że ten droższy ma matrycę wybraną spośród X sztuk otrzymanych w
produkcji masowej. Iks z poprzedniego zdania to nie pomyłka. Producenci nie podają takich
informacji do publicznej wiadomości.

Obok drogich lustrzanek matryce CMOS są też montowane w aparatach fotograficznych
zintegrowanych z telefonami komórkowymi. Matryce te zużywają kilkakrotnie mniej energii
elektrycznej niż sensory CCD i właśnie ten czynnik decyduje montowaniu ich w komórkach. Stosuje
się w nich przetworniki o mniejszej rozdzielczości niż w "klasycznych" aparatach cyfrowych, ale są już
komórki z aparatem o rozdzielczościach powyżej 3 MP, czyli znacznie większych niż w pierwszych
cyfrówkach dostępnych w handlu.

Reasumując, oba typy matryc mają swoje za i przeciw, a wybór aparatu z taką czy inną matrycą zależy
właściwie od naszych możliwości finansowych.

Podsumowanie

Przewagą CMOS nad CCD, są koszty wytwarzania, szybszy czas sczytywania, mniejszy pobór
mocy (a płynący prąd powoduje wydzielanie się ciepła, a to znowu wytwarza większe szumy
na matrycy, a one frustrację u bogu ducha winnego fotografa). Wygląda na to, że CMOS
zdominuje rynek rejestratorów obrazu, ale zwolennicy technologii CCD nie powiedzieli
jeszcze ostatniego słowa. Wiele innowacji w technologii CCD wprowadza firma Fuji, która
opracowała matrycę SuperCCD. Znowuż na bazie układów CMOS opracowano układ Foveon
X3 (który okazał się byd rewolucyjnym rozwiązaniem, ale wciąż nie jest dopracowany na tyle
by podbid rynek).

Parametry techniczne matryc


Dla wygody czytelnika wyjaśniamy znaczenie poszczególnych nazw z tabelek.

Full frame CCD - wiemy już, co to znaczy.

Pixel count - to liczba pikseli w kierunku poziomym (H) i pionowym (V).

Pixel size - wymiary piksela.

Optical Fill Factor - współczynnik wypełnienia; wiemy już, co to jest.

Saturation signal - to liczba elektronów, która "zapełnia" piksel. Dalsze naświetlanie nie
przekłada się już na przyrost tej liczby, a może jedynie dawad efekty zniekształcające zdjęcie.
Nowoczesne konstrukcje matryc są zabezpieczone przed takim "przepełnieniem" piksela
elektronami. "Nadwyżka" jest odprowadzana i neutralizowana w obudowie matrycy.

Output Sensitivity - czyli czułośd wyjściowa, to wielkośd napięcia jaką uzyskuje się z
wygenerowanego w pikselu 1 elektronu. Ma ona wartośd rzędu 10 μV/elektron. Łatwo
przeliczyd, że przy zgromadzenie w pikselu około 50 tys. elektronów (typowa maksymalna
liczba elektronów mieszcząca się w pikselu) napięcie uzyskane z tego piksela bez
wzmacniania wyniesie około 0,5 V, czyli wartośd łatwą do mierzenia czy przetwarzania przez
inne układy elektroniczne.

Dark Current (25 C, Accumulation Mode) - prąd wytwarzany w fotodiodzie przy braku
oświetlenia, w trybie rejestracji obrazu. Polska nazwa - prąd ciemny. 25° C oznacza
temperaturę, w której wyznaczono ten parametr. Prąd ten ma wartośd rzędu kilku p/A cm

2

(przedrostek piko oznacza 10

-12

, czyli jeden podzielone przez tysiąc miliardów!). To jest prąd,

jaki generowałby samoistnie piksel o powierzchni 1 cm

2

. Powierzchnia czynna jednego

piksela to mniej niż 10

-6

cm

2

, czyli prąd ciemny jednego piksela jest przynajmniej milion razy

słabszy. Z punktu widzenia życia codziennego to bardzo mała wartośd natężenia prądu.
Stuwatowa żarówka pobiera około 0,4 A, czyli około 10

18

razy więcej. Prąd ciemny decyduje

o szumach widocznych na zdjęciu.

Dark Current Doubling Rate - przyrost temperatury, który wywołuje podwojenie się prądu
ciemnego. Mieści się zakresie od 5° C do 10° C. Ten parametr wyjaśnia, dlaczego w aparatach
dla celów specjalnych, np. w astronomii, chłodzi się matryce do temperatur ciekłego azotu (-
196° C). Pozwala to na stosowanie bardzo długich czasów naświetlania bez obawy
zaszumienia zdjęcia prądem ciemnym matrycy.

Dynamic Range (Sat Sig/Dark Noise) - dynamika piksela, czyli stosunek liczby elektronów przy
nasyceniu do liczby elektronów wyzwalanych samorzutnie przez nieoświetloną fotodiodę.
Ten parametr informuje nas, jaka będzie maksymalna rozpiętośd odcieni jasności, którą
rozróżnimy na zdjęciu wykonanym aparatem z taką matrycą. Dynamika podawana jest w
decybelach i dla matryc CCD wynosi około 80 dB. Nie wnikając w definicję decybeli, 80 dB
oznacza, że stosunek jasności rejestrowanych przez piksel wynosi 1:10000.