ABC fotografii cyfrowej Matryce światłoczułe CMOS

Roman Goc 20 stycznia 2007

warsztat

• Facebook

• Twitter

• Google+

W siódmej części naszego cyklu opisujemy szczegółowo zasadę działania matryc CMOS. Omawiamy podstawowe różnice między przetwornikami typu CMOS i CCD oraz zastanawiamy się, które rozwiązanie zasługuje na miano lepszego. Zapraszamy!

1. Matryce CMOS

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 możliwość łatwego odczytu fragmentu obrazu (ang. windowing, co można przetłumaczyć 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 jasność poszczególnych pikseli. Te elementy dają matrycom CMOS przewagę nad sensorami CCD jeżeli chodzi o szybkość działania i elastyczność odczytu. CMOS to jednak nie same zalety.

Fotodiody wykonane w technologii CMOS mają mniejszą czułość (w przeliczeniu na jednostkę powierzchni) i większy prąd ciemny, który przejawia się jako szum na zdjęciach z długimi czasami ekspozycji. Mniejszą czułość 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 większość 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 część 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

Porównując powyższy rysunek z pierwszą ilustracją z 5. części naszego poradnika widzimy 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 wytworzyć 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 usunąć odpowiednią funkcją programu zapisanego w aparacie. Bezpośrednio po wykonaniu zdjęcia aparat wykonuje drugie, przy zamkniętej migawce mechanicznej. Od napięć 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.

2. Migawka elektroniczna w matrycy CMOS

Możliwość 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 choćby 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

3. 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 czułość i mniejsze szumy, a są to parametry decydujące o jakości otrzymywanego zdjęcia. W chwili obecnej matryce CMOS zaczynają dominować w aparatach wysokiej klasy. Stosowanie sensorów o większej powierzchni pikseli zapewnia dużą czułość 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 zdjęć, co może być bardzo przydatne w pewnych okolicznościach.

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

Taki system odczytywania pozwala także łatwo sumować ładunki z kilku sąsiednich pikseli. Obniża to wprawdzie rozdzielczość, ale zwiększa czułość, 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 rozdzielczość matrycy i jej wymiary.

Aparaty z matrycami typu CMOS:

• Canon EOS 400D (10,1 Mp, 22,1x14,8 mm)

• Canon EOS 1D Mark II N (8,2 Mp, 28,7x19,1 mm)

• Nikon D2Xs (12,2 Mp, 23,7x15,7 mm)

Aparaty z matrycami typu CCD:

• Nikon D40 (6 Mp, 23,7x15,5 mm)

• Nikon D80 (10 Mp, 23,6x15,8 mm)

• Pentax K10D (10 Mp, 23,5x15,7 mm)

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.

4. Matryca CMOS Foveon X3
Jest to specjalna odmiana matryc wykonanych w technologii CMOS wyróżniająca się inną metodą otrzymywania kolorów, niż stosowanie filtru Bayera. Budowa i zasada działania matrycy Foveon X3 jest na tyle różna od "klasycznych" matryc CMOS, że wymaga osobnego artykułu.

Szersze omówienie przedstawionych problemów można znaleźć w książce Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Camera pod redakcją Junichiego Nakamury wydanej przez wydawnictwo Taylor & Francis (Londyn 2006).

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu.

Następujące pojęcia w naszym słowniku pomogą w zrozumieniu tego tekstu: CCD, Czułość, CMOS, Matryca światłoczuła, Piksel.

---