Avicon

Matryca światłoczuła to serce każdej kamery. To ona zamienia padające światło na sygnał elektryczny. Każda matryca to specjalnie przygotowana płytka krzemowa, posiadająca powierzchnię światłoczułą wraz z niezbędnym oprzyrządowaniem.  Matryce dzielą się na dwa zasadnicze rodzaje: CCD i CMOS.

Ogólna zasada działania zarówno matrycy CCD, jak i CMOS jest taka sama. Światło padające na płytkę krzemową wybija elektrony, które to gromadzą się następnie w obszarach, zwanych pikselami. Liczba zgromadzonych ładunków jest proporcjonalna do intensywności padającego światła. Zebrane elektrony są następnie konwertowane na napięcie, a te z kolei na dane cyfrowe za pomocą przetworników A/D (analogowo – cyfrowych). Złożenie informacji ze wszystkich pikseli daje w rezultacie pełny obraz, który jest zapisywany w pamięci.

Matryce dają informację tylko o ilości światła jakie padło w danym czasie na dany piksel. Nietrudno się domyślić, że surowy obraz zapisany w pamięci będzie w odcieniach szarości. To, jak wygląda zapis obrazu kolorowego szczegółowo zostało opisane w dalszej części tekstu.

Co w takim razie odróżnia sensory CCD i CMOS? Sposób oraz kolejność odczytywania informacji z poszczególnych pikseli. Zastosowanie różnych technologii dało odmienne efekty w funkcjonalności oraz osiąganych wynikach.

CCD

Pierwsza matryca CCD powstała w 1969 roku i składała się z 8 pikseli ułożonych w kolumnę. Tym, co początkowo napędzało rozwój omawianej technologii były obserwacje kosmosu, Kilkadziesiąt lat rozwoju sprawiło, że technologia CCD znajduje się aktualnie w ogromniej liczbie urządzeń, zarówno przemysłowych jak i użytku codziennego.

Matryca CCD to płytka krzemowa podzielona na piksele, czyli kwadratowe obszary odizolowane elektrycznie od siebie. Podczas rejestracji obrazu, gromadzony jest w nich ładunek proporcjonalny do intensywności padającego światła. W matrycy CCD dane z pikseli odczytywane są całymi rzędami, co oznacza, że nie ma możliwości odczytania wartości tylko pojedynczego piksela. Jak widać na poniższym rysunku, rząd znajdujący się na samym dole zostaje przesunięty do kanału odczytu, gdzie wartości ładunków zgromadzonych w kolejnych pikselach zamieniane są proporcjonalnie na napięcie. 

Schemat przedstawiający sposób pracy matrycy CCD.

Następnie napięcie te przechodzi przez konwerter A/D, na wyjściu którego dostajemy dane cyfrowe, zapisywane ostatecznie w pamięci kamery. Po zebraniu informacji o całym rzędzie, do kanału przesuwane są informacje o kolejnej paczce pikseli i tak aż do zebrania danych z całej matrycy. Pojedyncze rzędy w każdym cyklu przechodzą o poziom niżej, aż zostaną odczytane i przekonwertowane na dane o obrazie. Takie rozwiązanie nie daje dostępu do pojedynczych pikseli do momentu odczytania danych z całej matrycy i zapisania jej w pamięci kamery.

CMOS

Paradoksalnie, technologia matryc CMOS znana jest podobną ilość czasu jak CCD. Przez długi czas była ona jednak trudna do opanowania w stopniu pozwalającym na seryjną produkcję. Ogólna zasada działania matrycy CMOS jest identyczna jak matrycy CCD – tutaj także zgromadzony ładunek zamieniany jest na impuls elektryczny. Różnica polega jedynie na sposobie konwersji, a także na dalszej drodze transmisji tego sygnału.

Schemat przedstawiający działanie matrycy CMOS.

Jak zostało wspomniane powyżej, matryce CMOS także gromadzą dane o intensywności światła w postaci ładunku. To czym odróżnia się ta technologia od sensorów CCD to możliwość dostępu do każdego pojedynczego piksela we współrzędnych (x, y). Co więcej, w przeciwieństwie do sensorów CCD, gdzie w całym układzie występował tylko jeden konwerter zgromadzonego ładunku na napięcie, w matrycy CMOS każdy piksel posiada taki element. Droższe i bardziej zaawansowane modele posiadają również dedykowane do pojedynczych pikseli przetworniki analogowo – cyfrowe (DAC). Takie rozwiązanie pozwala np. na zwiększenie prędkości odczytu danych i co za tym idzie, usprawnienia pracy całej kamery i systemu wizyjnego. Z drugiej strony należy pamiętać, że wszystkie te elementy zajmują dodatkowe miejsce na powierzchni matrycy. Dlatego też sensory CMOS mają zazwyczaj mniejszą powierzchnię światłoczułą niż matryce CCD. Aby zwiększyć ilość zbieranego światła częstym zabiegiem jest stosowanie tablicy mikrosoczewek. Pozwalają one zogniskować większą ilość światła na powierzchni światłoczułej.

W czym CMOS jest lepszy niż CCD?

Prędkość działania. Matryce CMOS oferują wyższą prędkość działania niż CCD. W przeciwieństwie do czujników CCD, w których każdy piksel przekształca światło wejściowe na napięcie wysyłane z chipa przez ograniczoną liczbę węzłów wyjściowych (jeden do kilku), w czujnikach CMOS każdy piksel zawiera wzmacniacz, a czasami nawet konwertery analogowo-analogowe.

Zużycie energii: matryce CCD zużywają więcej energii, przez co pozwalają na krótsze działanie sprzętu zasilanego akumulatorowo

Koszt produkcji: Wytworzenie matrycy CMOS jest tańsze niż CCD, ponieważ matryce CMOS można wytwarzać na maszynach produkujących inne elementy w technologii CMOS (CMOS to nie tylko matryce!)

Ilość zakłóceń w przesyłaniu danych: w matrycach CMOS odległość fotodioda – przetwornik DAC jest mniejsza niż w CCD, dlatego też istnieje mniejsza szansa na zniekształcenie sygnału na drodze transmisji

Pierwsze matryce CMOS cechowały się dużą ilością szumów. W obecnych modelach ich poziom jest porównywalny z sensorami CCD.

W czym CCD jest lepsze niż CMOS?

Powierzchnia światłoczuła: matryce CMOS cechują się niższą światłoczułością w porównaniu do CCD, ze względu na konieczność umieszczenia wzmacniaczy i konwerterów, przy każdym z pikseli.

Rolling Shutter, a Global Shutter

Inną kwestią jest sposób pracy migawki. Rozróżnia się dwa tryby: rolling i global shutter. W konfiguracji global shutter wszystkie piksele matrycy rozpoczynają i kończą naświetlanie w tym samym momencie, natomiast w konfiguracji rolling shutter matryca naświetlana jest w sposób ciągły z góry na dół, tzn. piksele tylko z jednego rzędu rozpoczynają i kończą naświetlanie w tym samym momencie. Analogicznie jest z odczytem informacji. Z każdego trybu pracy wynikają różne korzyści. Matryce global shutter pozwalają na rejestrację szybko poruszających się obiektów, bez efektu rozmycia, z kolei technologia rolling shutter jest zazwyczaj tańsza i sprawdza się przy obserwacji wolno zmieniającego się otoczenia.

Kolor

Same matryce zbierają informacje tylko o intensywności padającego światła. Aby nadać barwę obrazom stosuje się różne technologie. Najpopularniejszą z nich jest filtr Bayera. Jest to matryca filtrów stanowiąca odzwierciedlenie podziałem struktury i rozmiarem zastosowany sensor. Każdy kwadracik filtra przepuszcza tylko jedną z trzech składowych R, G, B (odpowiednio składowa czerwona, zielona, niebieska). Dzięki temu informacja dawana przez piksel jest równoważna intensywności tylko jednej składowej. Wartości z całej matrycy są następnie interpolowane i składane w jeden barwny obraz. Co warto dodać, poszczególne filtry barwne nie są równomiernie rozmieszczone na matrycy. Na każde 4 piksele przypadają dwa piksele zielone oraz po jednym niebieskim i czerwonym. Taki zabieg jest spowodowany specyfiką widzenia ludzkiego oka, które jest bardziej wrażliwe na barwę zieloną niż na pozostałe składowe. Wadą stosowania filtru Bayera jest to, iż ogranicza on rzeczywistą rozdzielczość matrycy oraz wymaga interpolacji koloru.

Filtr Bayera

Innym rozwiązaniem jest układ pryzmatów rozdzielający światło na trzy składowe tak, jak jest to przedstawione na poniższym schemacie. Niewątpliwą zaletą takiego rozwiązania jest brak ograniczania rzeczywistej rozdzielczości matrycy, dzięki czemu uzyskuje się obraz bardzo wysokiej jakości. Takie rozwiązanie jednak bardzo kosztowne. Poza samym układem pryzmatów wymaga zastosowania trzech jednakowych matryc dla każdej jednej składowej R, G, B.

Układ pryzmatów rozdzielający światło na trzy składowe.

Ostatnim ze spotykanych rozwiązań są matryce złożone z trzech warstw ułożonych na sobie, gdzie każda z warstw zapisuje informacje o jednej składowej światła i przepuszcza resztę do niższych warstw. Również tutaj nie występuje ograniczanie rozdzielczości sensora. To rozwiązanie jest jednak bardzo rzadko spotykane wśród komercyjnych urządzeń.

Matryce „Backside Illumination”

Nowoczesne sensory CMOS oferują obraz najwyższej jakości, także w warunkach ograniczonego oświetlenia, mimo mniejszej powierzchni światłoczułej. Szczególnie korzystnie pod tym względem wypadają matryce wykonane w technologii BSI („Backside Illumination” – oświetlenie od tyłu). Takie rozwiązanie zakłada przeniesienie wszystkich elementów sterujących oraz ścieżek na drugą stronę matrycy, dzięki czemu światło skupione przez mikrosoczewki pada bezpośrednio na warstwę światłoczułą. Dodatkowa warstwa elementów na czołowej powierzchni matrycy powodowała bardzo duże straty z tytułu wielokrotnych odbić i załamań i co za tym idzie niższą jasność obrazu oraz większe szumy. Matryce CMOS BSI, takie jak Sony STARVIS, wykorzystywane w najnowszych kamerach firmy Basler, pozwalają uchwycić wyraźny i szczegółowy obraz nawet w warunkach nocnych.  

W ostatnich latach matryce CMOS dzięki lepszej jakości obrazu oraz prędkości działania zyskują coraz większą popularność i stopniowo wypierają poprzednią technologię.