ABC fotografii cyfrowej Matryce światłoczułe - budowa i działanie

Roman Goc 6 stycznia 2007

warsztat

• Facebook

• Twitter

• Google+

W piątej części naszego cyklu opiszemy rodzaje i zasady działań matryc światłoczułych wykorzystywanych w cyfrowych aparatach fotograficznych i kamerach wideo. Matryce CMOS i CCD różnią się szczegółami jednak podstawowe zasady ich działania są podobne.

Wstęp
W cyfrowych aparatach fotograficznych stosowane są dwa rodzaje matryc światłoczułych o nazwach - CCD i CMOS. Nazwy te to pierwsze litery anglojęzycznych terminów.

CCD - Charge-Coupled Device, co można przetłumaczyć na język polski zwrotem "urządzenie o sprzężeniu za pomocą ładunku", w domyśle - elektrycznego. Nazwa pochodzi od sposobu przekazywania informacji (sprzężenia) pomiędzy elementami urządzenia tego typu. Odbywa się ono poprzez przekazywanie ładunku elektrycznego i nie chodzi tu o przepływ prądu, który jest też ruchem ładunków, tylko o przekazywanie ładunków, tak jak przekazuje się np. worki z piaskiem w czasie ustawiania zapory przeciwpowodziowej. Jak zobaczymy dalej, to porównanie jest dość trafne.

CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor. CMOS to pewna klasa elementów półprzewodnikowych, diod, tranzystorów i bramek logicznych o specyficznej budowie, innej niż tranzystorów typu pnp i npn. Elementy wykonane w technologii CMOS charakteryzują się małym poborem mocy i dużą odpornością na zakłócenia zewnętrzne. Technologia ich produkcji opanowana została do perfekcji, dzięki masowemu stosowaniu elementów CMOS w urządzeniach komputerowych.

Różnice w działaniu matryc światłoczułych typu CCD i CMOS polegają głównie na sposobie przekazywania ładunków elektrycznych zgromadzonych w nich pod wpływem padającego światła do dalszej obróbki przez procesor aparatu. Oczywiście istnieją też wspomniane już różnice technologiczne. Jednak sam proces gromadzenia ładunku proporcjonalnego do ilości padającego światła jest w obu typach matryc taki sam z punktu widzenia fizyki tego zjawiska.

Jako pierwszą omówimy matrycę typu CCD, dotychczas najczęściej stosowaną w aparatach fotograficznych. Matryca CCD (ale także typu CMOS) to układ kilku do kilkunastu milionów identycznych elementów zdolnych do rejestrowania ilości padającego na nią światła. Przez ilość rozumiemy tu natężenie światła pomnożone przez czas jego działania. W terminologii fotograficznej ilość światła, padająca na całą matrycę, nazywana jest wartością ekspozycji - EV.

Konwersja światła na ładunek elektryczny
Proces ten jest faktycznie jednakowy dla obu typów matryc a więc opis zamieszczony w tym paragrafie jest niezależny od tego czy mamy matrycę CCD, czy CMOS.

matryca typu CCD aparatu Nikon D80 (źródło: Nikon)

matryca typu CMOS aparatu Canon EOS 5D (źródło: Canon)

Zaczniemy od objaśnienia budowy i zasady działania pojedynczego elementu matrycy zwanego pikselem. Piksel to spolszczona wersja angielskiego terminu pixel, który powstał z połączenia słów "picture" i "element", które znaczą "element obrazu". W dalszej części artykułu opiszemy, jak odbywa się zbieranie informacji zgromadzonych w pikselach i przetwarzanie ich na zbiór liczb reprezentujących ilość światła zarejestrowaną przez każdy z nich. Utworzenie pliku z tymi danymi i zapisanie go w pamięci procesora cyfrowego aparatu fotograficznego to pierwszy etap tworzenia zdjęcia. W użyciu jest kilka rodzajów matryc CCD, opiszemy tu piksel matrycy jednego z nich - najbardziej popularnego.

Pojedynczy piksel to wydzielony na powierzchni matrycy kwadrat o boku około 2,2 mikrometra. Przedrostek mikro oznacza 1/1 000 000 część jednostki, w tym przypadku metra. Jeden mikrometr to jedna milionowa część metra czyli 1/1000 część milimetra. Piksel pokryty jest warstwą substancji nieprzepuszczającej światła (jest to przeważnie aluminium), w której zrobione jest małe okienko. Powierzchnia tego okienka, to powierzchnia czynna piksela, przez którą światło dociera w głąb półprzewodnikowej płytki, która jest elementem wyjściowym do produkcji matrycy.

W zasłoniętej przed padającym światłem części piksela znajdują się elementy elektroniki umożliwiające jego działanie oraz izolujące go elektrycznie od sąsiednich pikseli. Stosunek powierzchni tego okienka, czyli czynnej części piksela, do powierzchni całego piksela nazywa się współczynnikiem wypełnienia (po angielsku fill factor). Łatwo się domyślić, że coraz to nowsze technologie zmierzają do zwiększenia tego współczynnika wypełnienia.

Dokładny opis zasady działania piksela oparty jest na teorii fizyki ciała stałego i jego prezentacja przekracza możliwości tego artykułu a do tego jest on potrzebny wyłącznie konstruktorom matryc. W naszym opisie budowy i działania piksela posłużymy się jego uproszczonym modelem oddającym jednak dobrze wszystkie zalety i wady mające wpływ na jakość robionych zdjęć. Znajomość budowy i działania piksela oraz całej matrycy pozwoli lepiej wykorzystać możliwości posiadanego aparatu cyfrowego i może być wskazówką przy wyborze modelu aparatu właściwego dla naszych celów.

Dla dalszego opisu musimy przypomnieć trochę fizyki. Atomy dowolnego pierwiastka zbudowane są z jąder o ładunku elektrycznym dodatnim i elektronów o ładunku ujemnym. Atom jako całość jest neutralny, gdyż ładunki jądra i elektronów wzajemnie się kompensują. Jeżeli od atomu oderwiemy w jakiś sposób elektron to powstają dwa osobne ładunki: dodatni, czyli atom pozbawiony jednego elektronu (nazywa się on jonem) i ujemny, czyli ów oderwany elektron, który jest około 1000 razy mniejszy od najmniejszego jądra atomowego i dlatego ma dużą swobodę przemieszczania się pomiędzy atomami tworzącymi (w naszym przypadku) strukturę matrycy.

Ważnym pojęciem stosowanym w fizyce, które pomoże nam objaśnić działanie piksela, jest foton. Foton to elementarna porcja światła, traktowana jak cząstka o zerowej masie, nie posiadająca ładunku elektrycznego i poruszająca się z prędkością światła. Duża liczba fotonów poruszających się w tym samym kierunku tworzy wiązkę światła.

Zaczniemy od objaśnienia sposobu zamiany światła na ładunki elektryczne. Ten etap działania piksela jest faktycznie jednakowy dla matryc typów CCD i CMOS. Rys. 1 przedstawia widok z góry pojedynczego piksela i uproszczony schemat przekroju matrycy. W schemacie uwzględniono tylko elementy odpowiedzialne za konwersję światła na ładunki elektryczne (pominięto na przykład filtr dolnoprzepustowy). Zaznaczone na rys. 1 mikrosoczewka i filtr Bayera będą omówione nieco dalej.

rys. 1: schemat matrycy światłoczułej w części wspólnej dla typów CCD i CMOS

Głównym elementem piksela jest fotodioda, czyli element półprzewodnikowy, w którym następuje wydzielanie się ładunków elektrycznych pod wpływem padającego światła. Szczegółowy model tego procesu jest następujący. Strumień fotonów tworzący wiązkę światła pada na fotodiodę. Bardzo mała część z nich jest pochłaniana przez krzem, z którego zbudowana jest matryca, zamieniając swoją energię na ciepło. Znacznie większa część fotonów trafia w elektron atomów fotodiody i odrywa go od tego atomu. Nazywa się to efektem fotoelektrycznym wewnętrznym. Stosunek liczby wybitych elektronów do liczby padających fotonów określa tzw. wydajność kwantową piksela. Dla matryc światłoczułych jest ona około 90%. Warto przytoczyć tu wydajność kwantową filmów światłoczułych. Jest ona nieco inaczej zdefiniowana i wynosi około 2%. Nie dziwi więc, że astronomowie jako pierwsi zaczęli stosować matryce CCD do fotografowania słabo świecących obiektów na niebie.

Obok wydajności kwantowej piksel charakteryzowany jest czułością optyczną. Czułość optyczna piksela to stosunek energii fotonów padających na piksel do energii elektrycznej wytworzonej przez piksel pod wpływem tych fotonów. Ten parametr piksela nie jest równoznaczny z czułością aparatu podawaną w jednostkach ISO, choć jest jednym ze składników tej czułości.

Oderwany od atomu elektron musi zostać gdzieś zmagazynowany. Wytwarza się więc obszar z dodatnim potencjałem przyciągającym ujemne elektrony. Jako model takiego obszaru może posłużyć mały pojemnik, do którego wpadają elektrony wybijane z atomów krzemu fotonami padającymi na fotodiodę. Model ten dobrze oddaje takie własności piksela jak czułość, liniowość, czy efekt zwany bloomingiem.

rys. 2: modelowe przedstawienie czułości matrycy w zależności od wielkości pojedynczego piksela

Na rys. 2 pokazane są dwa takie zbiorniki elektronów o różnej wielkości, co ma odzwierciedlać fakt, że w różnych matrycach mogą być piksele o różnej wielkości powierzchni czynnej. Szare kulki symbolizują elektrony wybite z atomów fotonami, których liczba jest proporcjonalna do ilości światła padającego na dany piksel. Kulki czarne to elektrony, które powstały w wyniku innych procesów zachodzących w fotodiodzie, np. grzania się matrycy. Elektronika aparatu cyfrowego nie rozróżnia tych dwóch rodzajów elektronów gromadzonych w pikselu i dlatego te oznaczone czarnym kolorem zakłócają obraz rejestrowany przez matrycę. Piksel po prostu gromadzi więcej elektronów, co dalsze elementy aparatu interpretują jako większą jasność obrazu w tym miejscu a wiemy, że to nie większa jasność, tylko zakłócenie pracy fotodiody. Zjawisko to nazywamy szumem. Szumy w aparacie cyfrowym to bardzo szerokie zagadnienie i będzie omówione oddzielnie. Rys. 2 oddaje znany fakt, że im większa powierzchnia piksela, tym większa czułość całej matrycy, gdyż więcej elektronów jest wytwarzanych przez światło padające na jeden piksel.

Model części matrycy wystawionej na działanie światła z rys.1 i model procesu gromadzenia ładunku elektrycznego z rys. 2 są w zasadzie identyczne dla typów CCD i CMOS. Opis generowania elektronów fotonami padającymi na piksel, jak i opis gromadzenia tych elektronów są również takie same dla obu typów matryc. Za tydzień w następnej części tego artykułu opiszemy te elementy budowy i działania matryc CCD i CMOS, które są różne dla obu typów.

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

Następujące pojęcia w naszym słowniku pomogą w zrozumieniu tego tekstu: CCD, Czułość, CMOS, Filtr dolnoprzepustowy, ISO, Matryca światłoczuła, Piksel, Piksele efektywne, Rozdzielczość

• autor: Roman Goc

---