CCD és CMOS érzékelők

A videokamerákban alkalmazott CCD és CMOS képérzékelők feladata, hogy a külvilág felől a kamera objektívjén keresztül érkező fényt digitális jelekké alakítsák. Mintegy fél évszázados kutatás eredményeként születtek meg a ma használatos képérzékelők. Alkalmazási területüket tekintve számos ágazatban kerültek felhasználásra, mint például a csillagászat, fényképészet, űrkutatás, orvosi diagnosztika, méréstechnika stb. A széles felhasználási lehetőségek hatására azonban csak részleteiben változtak meg az egyes érzékelő típusok, működési elvük azonos maradt.

Mielőtt belevágunk a CCD és CMOS érzékelők részletesebb leírásába, ismerkedjünk meg a pixel fogalmával. Nézzük meg ez mit is jelent, és honnan származik maga a szó!

A pixel fogalma

A digitális képek és képfeldolgozás óta ismerjük és használjuk a pixel kifejezést. A pixel az angol picture element szóból származtatható, jelentése pedig nagyjából képelem vagy képpont.

Maga a pixel egy önálló képelem, ami egyszínű pontként vagy négyzetlapként jelenik meg magán a képen. Egy kétdimenziós négyzetrács, vagyis egy mátrix mentén található, tovább nem osztható, tehát ez a legkisebb alkotóelem, egyben egy minta is a „nagy” képből. Ebből következik az is, hogy minél több képpontból áll egy kép, annál nagyobb felbontást kapunk. Magának a pixelnek nincs saját fizikai mérete, mert az a megjelenítő eszköztől függ. Egy pixel kinyomtatva kb. 0,01 cm-nek felel meg.

Egy-egy pixel információtartalmát a színe mutatja meg, melyet a vörös, a kék és a zöld színekből additív színkeveréssel kaphatunk meg a képernyőn. Nyomtatásban viszont szubsztraktív színkeveréssel kapjuk meg ezt az információt, a türkizkék, a bíbor, a sárga és a kulcsszín, azaz a fekete keverésével. Fénytan és színelmélet című menüpontunkban erről bővebb információ is található.

Képérzékelő típusok: CCD és CMOS

Ha az anyagokat fény hatásának tesszük ki, akkor a fényt alkotó fotonok energiája bizonyos körülmények között képes elektronokat kiszabadítani belőlük. Egyes félvezető anyagokban, különösen a szíliciumban ezek a körülmények létrehozhatóak. A megvilágítás hatására kiszabaduló elektronok töltései villamos feszültséggé alakíthatóak ─ ezt a jelenséget fotoelektromos effektusnak nevezzük. A félvezetős kamerákban ezért alkalmaznak olyan szilícium alapú képérzékelőket, ahol a pixelnyi méretű fotodiódákból egy érzékelő mátrixot alakítanak ki. A megvilágítás fokozása növeli a fotodiódákon átfolyó áramot, és egyúttal a fotodiódákkal sorba kapcsolt, a szilíciumlapka felületén kialakított kondenzátorok töltését. Ezek a beeső fénnyel arányos töltéscsomagok az érzékelő lapkán a kamera objektívje által leképezett képnek megfelelő töltésképet hoznak létre.

A képérzékelőknek két fő fajtáját különböztetjük meg ─ a CCD-t és a CMOS-t ─, mivel a többi technológia is valamilyen szinten e két csoportba sorolható be. Valójában ez a két típus nem igazán is igazán két különböző érzékelő fajtát jelöl, hanem egy-egy gyártástechnológiát, azon belül is a CMOS egy kapcsolástechnika, a CCD pedig egy működési folyamat elnevezése. Mivel ez a pontatlan szóhasználat mára a szakirodalomban is elterjedt, ennek megfelelően mi is érzékelő típusként fogunk beszélni róluk. A CCD és CMOS érzékelők működésüket tekintve teljesen azonos alapokra épülnek, mindkettő a fent leírt fotoelektromos effektust alkalmazza. A hasonlóság itt véget is ér, hiszen a töltéskép-kiolvasás módja, a jelfeldolgozó áramkörök kialakítása, a színszűrési módszer, a félvezető technológia már jelentős technikai és gyártástechnológiai eltéréseket mutat. Fontosnak tartjuk kihangsúlyozni, hogy a töltéscsomagok léptetéséről, a töltéscsatolásról csak a CCD érzékelő esetében beszélhetünk.

A CCD érzékelő jellemzői és működése

A CCD (Charge-Coupled Device) rövidítés voltaképpen töltéscsatolt eszköz jelentést takar. Ez az elektronikus alkatrész alapjában véve egy analóg léptetőáramkör (shift regiszter), amely az elektronikus töltéseket továbbítja. Maga az érzékelő egy szilíciumlapka, melyet MOS technológiával állítanak elő, azaz a rétegek sorrendje a lapkán Metal (fém) – Oxide (fémoxid szigetelő) – Semiconductor (félvezető). Ezen töltéstárolásra alkalmas fotódiódák találhatók. A kép képkockákra felbontva, töltés formájában kerül bele a képérzékelő felületbe. A lapka felülete pixelekre van osztva, ahol mindegyik pixelhez egy-egy elektróda csatlakozik. Ezeket pozitív feszültséggel töltik fel, és így alakulnak ki a töltéscsomagok. A megvilágítás megszűntét követően egy külső, többfázisú órajelképző áramkör a feszültség léptetésével a töltéscsomagokat függőleges irányban vándoroltatja, soronként átcsatoltatja, mivel a pixelek függőlegesen nincsenek szigetelővel elválasztva egymástól. Tulajdonképpen ez a CCD működésének az alapja, a nevét is erről kapta. A CCD mátrixban soronként lefelé vándorló töltéscsomagokat csak sorosan lehet kiolvasni. A mátrix legalsó horizontális regiszter sorából az eddigi léptetési irányra merőleges oldalirányban kerülnek ki a töltéscsomagok a tárterületről. A kiolvasó egység az egyes csomagokat jelfeszültséggé alakítja, majd a jelerősítést és a feszültségértékek digitalizálását követően egy jelfeldolgozó áramkör az eredeti pixelek sorrendjében digitális képet hoz létre. A jelerősítést, az analóg-digitális konvertálást és a jelfeldolgozást végző áramkörök már mind a CCD chip-en kívül helyezkednek el.

A CCD chip alkalmazási területe ma már annyira széles, hogy minden olyan jellegű technológiában, ahol a képi információt (analóg jelet) digitális jellé kell alakítani, ezt az eszközt alkalmazzák. Megtalálható a szkennerekben, digitális fényképezőgépekben, telefaxokban, digitális videókamerákban, valamint a CCTV rendszerekben alkalmazott analóg és IP kamerákban egyaránt, hogy csak néhány példát említsünk.

Bayer-szűrő

A CCD érzékelők egészen 1976-ig csupán fekete-fehér képek készítésére voltak alkalmasak, hiszen csak a fény intenzitását képesek érzékelni, a színeket nem. Ahhoz, hogy színes képet láthassunk, színszűrőkre (CFA = Color Filter Array = színszűrő tömb) van szükség, amelyek a fényt színkomponenseire bontják fel. A fejlesztés a Kodak cég egyik mérnökéhez, Bryce E. Bayerhez fűződik. Ma is a leginkább használatos színszűrők a Bayer-szűrők, melyek a fényt alapszínek, azaz a piros (Red), a zöld (Green) és a kék (Blue) szerint bontják fel. Némely esetekben az RGB szűrőkön kívül használják még a CYGM szűrőket is, melyek a fényt a ciánkék, a sárga, a zöld és a bíborvörös színek szerint engedik át.

Minden egyes színszűrő csak a saját színét engedi át, tehát a piros színszűrő csak a piros fényt, a kék színszűrő csak a kék fényt, a zöld színszűrő pedig a zöld fényt, a többit pedig elnyeli. A különböző színszűrőket egymás mellett helyezik el a képérzékelő felületén úgy, hogy egy pixel csak egy színkomponenst érzékeljen. A színszűrők egyedi, ismétlődő mintázatában egy 2×2 pixeles területen a színszűrők elhelyezkedése a következő: R-G-G-B, azaz piros – zöld – zöld – kék. Ebből látható, hogy a pixelek negyede a kék, negyede a piros és fele a zöld színt érzékeli. Két oka is van annak, hogy a zöld szűrő duplikáltan szerepel. Egyrészt a kontraszt növelése érdekében kell két egyforma színű szűrőt használni, másrészt ez azért éppen a zöld lett, mert az emberi szem a zöld színre sokkal érzékenyebb, mint a többire.

A CCD érzékelő típusai

Az előzőekben ismertetett folyamat és az ábra illusztrálja a legjobban a CCD működési módját. Ez az ún. Full Frame Transfer kialakítás, ami a legegyszerűbb felépítésű és a legnagyobb fajlagos pixelsűrűségű CCD lapka. Ezt azonban nem találjuk meg a videokamerák érzékelőiben, azon egyszerű oknál fogva, hogy a szenzor megvilágításának ki-be kapcsolását itt a hagyományos fényképezőgépeknél alkalmazott mechanikus zárral (shutter) kell megoldani. A képérzékelő felülete ugyanis a töltéskiolvasás közben is fényérzékeny és megváltozna a képtartalom a kiléptetés alatt. A mechanikus zár biztosítja, hogy a következő kép rögzítése csak a teljes kiolvasás után történjen meg, de ugyanakkor alkalmatlan a videokamerák gyors és igen nagy mennyiségű exponálására.

A videokameráknál alkalmazott CCD érzékelőket háromféle működési elv szerint csoportosíthatjuk:

Frame Transfer

Maga a chip két egyenlő részre van osztva. Az egyik az érzékelő terület, ahol a fénygyűjtés történik, ami egyben a képérzékelő rész is, a másik a tárterület, amely a bejövő fénytől teljesen el van takarva. Emellett tartalmaz még egy horizontális shift regisztert is. A chipen elhelyezkedő CCD elemek, azaz a pixelek kettős feladatot látnak el: egyrészt begyűjtik a fényt, másrészt továbbítják a töltéseket a következő pixel felé.
A Frame Transfer működése során a fényérzékelő területre bejutó fényt a vezérlőjelek töltéscsomagokká alakítják, majd rendkívül gyorsan továbbítják a tároló terület felé. Innen soronként a horizontális regiszterbe kerülnek át, ahonnan a töltések kilépve feszültséggé, majd a CCD érzékelő működésénél leírt módon képpé alakulnak. A Frame Transfer elven működő szenzorok a CCD érzékelők első generációját jelentik, a gyakorlatban ma már ritkán alkalmazzák őket.

Interline Transfer

Ebben a CCD típusban másként helyezkednek el a chip egyes részei. A chipet függőlegesen osztották fel a következőképpen: felváltva követik egymást az érzékelőelemekkel és a tároló elemekkel ellátott oszlopok, amelyek a fénytől teljesen védve vannak.  A működés úgy változott, hogy az érzékelő területről a töltések először ezekbe az árnyékoló maszkkal ellátott függőleges shift regiszterekbe kerülnek, majd onnan soronként átkerülnek a horizontális regiszterbe. Innentől a többi lépés már megegyezik a Frame Transfer esetében tárgyalt működéssel. Hátránya a típusnak, hogy a fénytől védett oszlopok helyigénye miatt a lapka fényérzékenysége csökkent. Az érzékelő elé helyezett mikrolencsés fénygyűjtésnek köszönhetően azonban csak 10-25%-os fényveszteséggel kell számolni.

Frame Interline Transfer

Ennek a típusnak a megalkotásakor a korábbi két CCD verzió előnyeinek egyesítése, illetve hátrányainak kiküszöbölése vezérelte a fejlesztőket. A Frame Interline Transfert úgy kell elképzelnünk, hogy két CCD érzékelő egymáson helyezkedik el. A felső réteg a fénygyűjtő terület, az alatta levő síkban pedig a tároló réteg található. A Frame Transfernél leírt módon jutnak a töltések az egyik rétegből a másikba, és az előző típusokhoz hasonlóan soronként kerülnek a horizontális shift regiszterbe, majd a további jelfeldolgozásra. Az érzékelő felépítéséből következik, hogy az előző érzékelő típusokhoz képest jóval nagyobb érzékenységet és felbontást lehet vele elérni. Hátránya a magasabb előállítási költség.

A CMOS érzékelő jellemzői

A MOS technológiáról már tudjuk, hogy az érzékelő lapkán a rétegek sorrendje: Metal (fém) – Oxide (fémoxid szigetelő) – Semiconductor (félvezető). A MOS térvezérlésű (FET= Field Effect Transistor) tranzisztoroknak két fő csoportját különíthetjük el aszerint, hogy a félvezető rétegük miképpen szennyezett. Ez alapján beszélhetünk N és P típusokról. Amennyiben ezeket, tehát a P típusú MOSFET-et és az N típusú MOSFET-et összekapcsoljuk, komplementer MOSFET áramköri elemet (Complementary Metal Oxide Semiconductor – komplementer fémoxid félvezető) kapunk, rövidítve CMOS-t.

A CMOS technológiás érzékelők esetében nincs szükség töltéscsatolásra, mint a CCD-k esetében. Itt minden képelemhez egy-egy erősítő tartozik, így a töltéseket pixelenként erősítik fel, nem pedig soronként vagy oszloponként. Emiatt szokták a CMOS érzékelőket aktív-pixeles érzékelőként is emlegetni. Emellett, a CCD-vel ellentétben, magán a képérzékelő lapkán lehet elhelyezni az A/D átalakító, zajszűrő, kiolvasó, töltés/feszültség átalakító stb. áramköröket egyaránt.

Korábban a CCD szenzorokat a CMOS érzékelőkhöz képest szívesebben alkalmazták számos előnyös tulajdonságuk miatt, mint például a nagyobb érzékenység és pixelszám, kisebb képzaj, stb. Mára azonban a technikai fejlesztéseknek köszönhetően a CMOS szenzorok is szinte azonos értékeket mutatnak ezekben a paraméterekben. A CMOS érzékelők előnyei közé sorolható az alacsonyabb előállítási költség, a jóval kisebb fogyasztás, a gyors képfeldolgozási sebesség, ezekkel pedig fokozatosan szorítják ki a piacról a CCD érzékelőket. 2011-ben a CMOS érzékelők gyártási volumene már jelentősen meghaladta a CCD szenzorokét.

Az első MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) tranzisztor elkészítése J. Atalla és D. Khang nevéhez fűződik. 1959-ben álltak elő találmányukkal, melyet egy korábbi, 1926-os elképzelésre és szabadalomra építettek. Ez az elképzelés azt vetette fel és elemezte, hogy hogyan valósítható meg egy félvezető anyagban az elektronok, illetve töltések térfeszültséggel történő áramoltatása. A két kutató erre egy úgynevezett szendvics-szerkezetet hozott létre szilícium-félvezetőből, SiO₂ szigetelőrétegből és fémrétegből. A szilícium-félvezető réteg három részre osztható: forrásra, nyelőre és kapura, ahol az utóbbira kötött feszültséggel szabályozzák a forrás és a nyelő közti töltésáramlást.A MOSFET tranzisztorok előállítását, illetve az erre alapuló integrált áramköröket nevezik tulajdonképpen MOS-technológiának.  A MOS tranzisztoroknak két típusát különböztetjük meg: analóg erősítő eszközök és olyan digitális áramkörök, melyek két állapot kapcsolására képesek (0 és 1). Ezen belül még két altípust tudunk elkülöníteni attól függően, hogy a félvezető anyag milyen szennyezettségű: n-csatornás és p-csatornás MOS áramkörök, röviden nMOS és pMOS.

Végül időben eljutunk a CMOS felfedezéséig. 1963-ban Frank Wanlass megalkotta az első CMOS szerkezetet, ami egy nMOS és egy pMOS tranzisztor párhuzamos összekapcsolásával létrehozott áramkör. Mivel ezek egymást működését kiegészítik, így kapta a Complementary MOS elnevezést. Első, kereskedelmi forgalomban való megjelenése 1964-re, szabadalmaztatása pedig 1967-re datálódik.

A CMOS érzékelő fejlődése

Passive Pixel Sensor: 1968-as fejlesztés, ma már nem használják. A címkézés és kiolvasás soronként és oszloponként történik. A pixelek által érzékelt jelek felerősítésének két módja van ennél a CMOS típusnál: vagy a kimeneten egy erősítővel, vagy egy-egy külön erősítővel oszloponként történik. Ennek hátránya viszont a lényegesen nagyobb képzaj, valamint a gyengébb érzékenység.

Active Pixel Sensor (APS): 1993-ban fejlesztette ki az Olympus cég. A jelfelerősítés már a pixeleknél megtörténik, így a zajszint kisebbre vehető.

Digital Pixel System (DPS): Az APS továbbfejlesztése. A jelkiolvasás és a jelfeldolgozás is digitalizálttá vált ezekben az eszközökben. Minden pixel önálló képalkotó eszközként funkcionál, hiszen valamennyi egyedileg vezérelhető. Emellett pixelenként A/D átalakítás is történik, ami annyit tesz, hogy adott időközönként az analóg jelet digitális jellé alakítja át.

Minden jog fenntartva. Copyright © Oktel Kft. 1998-2018