A digitális fényképezőgép lelkét CCD-nek (vagy a Canon esetében a hasonló elven működő, de teljesen eltérő felépítéssel bíró C-MOS-nak) hívják. A CCD az angol Charge Coupled Device, magyarul töltéscsatolt eszköz rövidítése. Hogy miért így hívják, rögtön kiderül.
A mélyebb technikai elemzésbe idő- és helyhiány miatt nem megyek bele, de kimerítő irodalmat majd ajánlok a végén!
A CCD felülről egy négyzethálóra emlékeztet mikroszkóp alatt nézve. A négyzetháló ugyan valós, de a CCD alap felépítése egy oszlopokra tagolt szerkezetig bontható le. A működős megértéséhez tehát gondolatban képzeljünk el egy négyzethálós felületet, amelynek függőleges vonalazása valamivel erősebb, mint a vízszintes.
Egy függőleges egységet nevezzünk oszlopnak. Ha csupán egy oszlopot tekintünk és azokat a gyengébb vonalazás mentén felosztjuk egységekre, egy regisztert kapunk. Ezt a regisztert tagoljuk hármas egységekre, ezeket rendre nevezzük A, B és C egységnek kb. így:
+-+-+-+-+-+...
! ! ! ! ! !...
+-+-+-+-+-+...
A B C A B ...
Fizikailag ez egy vékony szilicium-dioxid réteg egy vastagabb sziliciumréteg felszínén (előbbi szigetel, utóbbi elektromosan vezető. Minden egyes elemi részhez tartozik egy elektróda, amely sorban a vele azonos jelölésű elemi részhez tartozó elektródával van összekötve: A az összes A jelűvel stb. Az elektródák a szigetelő rétegen vannak kialakítva, tehát a szilicium réteggel nincsenek közvetlen (vezető) fizikai kapcsolatban.
Az eszköz két érdekes tulajdonsággal bír: egyérszt a rá érkező fényre érzékeny, a felületén egy-egy foton egy-egy (gyakorlatban kevesebb, de ez más tészta) szabad elektront szabadít fel, amely elvileg szabadon kószál a vezető rétegben. A másik érdekes tulajdonsága, hogy ha az elektródákra és az alap sziliciumrétegre feszültséget kapcsolunk, akkor az elektródák alatt ún. potenciálgödör alakul ki: egy olyan virtuális tér, amely fizikai tulajdonságai folytán képes begyűjteni, és véges mennyiségig tárolni szabad elektronokat.
Ha tehát megvilágítjuk a réteg felületét, szabad elektronok szabadulnak fel, ha feszültséget kapcsolunk az A jelű elektródákra, a sok kis potenciálgödörben elkezdenek ezek felhalmozódni. Azok alatt az elektródák alatt, amelyekre nem kapcsoltunk feszültséget, nem jön létre potenciálgödör, így szigetelőként működnek (az elektronok vándorlása a blooming (lásd korábban) jelenség kivételével nem jönnek-mennek). Ha az A és B jelű elektródákra is feszültséget kapcsolunk, és az elektródák kellően közel vannak egymáshoz, a két potenciálgödör összeér, ún. töltéscsatolás jön létre (elnevezés innen jön!), és a nagyobb potenciálgödörbe szépen egyenletesen elhelyezkednek az elektronok. Ha most az A elektródákról levesszük a feszültséget, a potenciálgödör összeugrik egy elemi rész méretűre a B elektróda alatt. Így lehet a töltéseket léptetni. A-ból AB-n keresztül B-be, majd BC-n keresztül C-be szép sorjában. Mivel mindig van egy-egy szigetelő rész két potenciálgödör között, az összegyűjtött elektronok szépen szeparáltan utaznak az oszlop vége felé. Ez az egyszerű kiolvasás alapja.
Ha most visszahelyezzük ezt az oszlopot a teljes négyzethálóra, akkor láthatjuk, hogy a töltések váltogatásával a teljes képfelületen kialakuló kép szép lassan vándorol lefelé. Igenám, de mi történik, ha eléri az érzékelő szélét? elvileg elvezetőde mindenfellé, hacsak nem lenne egy ún. kiolvasó regiszter. Ez egy keresztben elhelyezett oszlop , amelybe az oszlopok utolsó elektródája alóli potenciálgödrökből érkeznek az elektroncsomagok, és a fent leírt módon vándorolnak odébb egy kiolvasó egységbe, amely egyszerűen megszámolja az elektronokat, majd kiüríti önmagát.
A kiolvasás folyamata tehát úgy történik, hogy az összes oszlop lép egyet lefelé, így egy sornyi információ bekerül az alsó kiolvasó regiszterbe, majd az egyenként továbblépkedve beadagolja a számláló egységbe az elektroncsomagokat, amíg a teljes sor végére nem ér, majd ismét a teljes érzékelőnyi felületen vándorolnak le egy sorral, és így tovább.
A megszámlált elektronok egy A/D (analóg/digitális) konverteren, erősítőn, szűrőn át immár digitális jelfolyamként kerül a feldolgzó számítógépbe, majd tárolódik valamilyen adathordozón.
A gyakorlatban a CCD, és pláne a C-MOS lapkák felépítése ennél sokkal bonyolultabb, de alapvetően ezt, vagy ehhez nagyon hasonló elvet használnak a kiolvasásra.
Kis gondolkodás után mindenki rájöhet, hogy egy pixel három elemi részből áll (különben a kép erősen torzult lenne egyik irányban), tehát egy 100 soros érzékelőn 300 elektródasort kell elhelyezni ahhoz, hogy a töltéscsatolás, és ezáltal a kiolvasás lehetővé váljon.
Az ábra nem lett jó, de a végén majd úgyis megírom az igazi forrást.
Hogy lesz a képből színes kép, vetődik fel a kérdés, különsen az alapján, hogy a CCD elvileg a látható, sőt, a nem látható fény tartományában is érzékeny, és egyelőre csak kezdeti kísérletek folynak az elemi színérzékeny CCD lapkák előállítására (amely nem szűrőkkel, hanem saját maga oldja meg a színes kép előállítását).
A színszűrőről gondolom mindannyian olvastatok vagy hallottatok. Ez az az bizonyos RGBG jelölés a fényképezőgépek adatlapján.
Ugye az általános iskolai ismeret, hogy a fényt színekre lehet bontani, továbbá a fény három elemi alapszínének különböző arányú keverésével elő lehet állítani a szivárvány bármelyik színét. Ez a három alapszín a kék, a zöld és a vörös. Ezért vannak ezek a színszűrők a fényképezőgépekben.
A színszűrő a CCD lap pármas elemi részecskéi, vagyis -- elfelejtetem írni, de nagyon lényeges pixelei fölött helyezkednek el, mindegyik pixelhez -- meghatározott rendben -- egy-egy színszűrő tartozik. Így egy négyes csoportot tetszőleges színnel megvilágítva a lapka képes az adott fény erősségét és színét pontosan meghatározni (persze bizonyos korlátok között).
Vegyünk egy alap digitális fényképezőgépet egy 640x480 pixelt tartalmazó érzékelővel és egy fenti elrendezésű RGBG színszűrő-maszkkal. Ez alapján az eredetileg 307200 darab pixel egy negyede, tehát 76800 darab pixel fog információt tartalmazni a vörös és a kék, illetve kétszer ennyi, vagyis 153600 pixel a zöld szín intenzitásáról. A kiolvasás során a fényképezőgép feldolgozó elektronikája nyilvántartja az egyes pixelek eredeti helyét, így három képet létrehozva: rendre a vörös, a kék és a zöld szín információival. A gond ott kezdődik, hogy a pixelek nem fedik egymást, illetve maga a képi információ is meglehetősen hiányos, mert a vörös képen minden négy pixelnyi helyen csupán egyetlen pixelnyi információ található.
Itt jön a színes digitális fényképezés legnehezebb része (amelyet még 5-6 évvel ezelőtt is meglehetősen nagy nehézségek árán tudtak áthidalni): ki kell találni, hogy a hiányos területeken milyen értékeknek kell lenniük. Ezt hívják interpolálásnak, vagyis szedett-vedett magyar fordítással átlagolásnak.
A digitális fényképezőgépek -- legalábbis az én véleményem szerint -- itt ronthatják el vagy tehetik igen jóvá a végeredményként kapott képet. Az átlagolást, a teljes vörös, kék és zöld színcsatorna előállítását mindegyik gyártó saját algoritmusok alapján végzi, ezért volt kezdetben hatalmas különbség a gépek által készített felvételek között. Mára a különbség elhanyagolhatóan kicsi lett, bár még mindig tetten érhető (jó példa: a Sony DSC-F717 és egy Canon EOS 10d vagy D30 képeinek összehasonlításakor a Sony brutálisan, szinte irreálisan éles és részletgazdag, míg a Canon filmesen lágy benyomást kelt).
Innen már semmi dolgunk nincs, csak a három szín információit az adott képrögzítési szabvány szerint (JPEG, TIF) egységbe rendezni és alkalmas háttértárolóra menteni.
Persze a CCD kiolvasó regisztere és a feldolgozás utolsó fázisa közt rengeteg egyéb dolog is történik, de ezek egyrészt gépenként nagyon különbözőek lehetnek (átmeneti tárak, másodlagos feldolgozó processzorok stb.), másrészt az összefoglaló célja általános ismertetés, és nem részletekbe menő, a saját tudásom korlátait is messze kimutató értekezés volt.
És végül a link, ahol mindez -- igaz, meglehetősen specializált feladatokra készülő berendezésekre összpontosítva --, sokkal összeszedettebben és részletesebben olvasható: http://ccd.mcse.hu/
/Prof/

CMOS nem csak Canonnál van, Sigma SD9/10-ben lévő Foveon X3, és a Kodak DCS Pro 14n-ben lévő 14 Mpixeles is CMOS technológiára épül (hogy csak a napjainkban kapható modelleket említsem), ezen felül elég sok low-end gép dolgozik az olcsó CMOS-okkal.
717-et meg D30-at összehasonlítani kár volt, az élesítés nem a színkeveréssel van kapcsolatban. D-SLR-ek alapvetően nem csinálnak olyan idiótán magas élesítést, mint a kompaktok, ahol az optika gyengeségét ezzel kell burkolni.
/Birdie/

No, CCD vs CMOS.
A két technológia bezony alapjaiban különbözik. A CCD lényegét tegnap leírtam, a CMOS-ról olvasottak alapján nagyjából a következőről van szó.
Minden effektív pixelhez (érzékelő egységhez) tartozik egy kiolvasó egység, amely kvázi megszámolja a beérkező elektronokat. Az ezek által generált jeleket pedig sor/oszlop címzéssel ki lehet olvasni. A kiolvasott jeleket zavarszűrik, majd jön a digitális konverzió, amely általában még a tokozáson belül elhelyezett átalakítóban megtörténik (bár ez a CCD-k többségére is igaz már szerintem).
A CMOS előnyei és hátrányai a CCD-vel szemben:
+ digitális jelfolyam jön ki belőle (szemben a CCD-k egy részével, amelyek analóg jelet produkálnak
+ kicsi az enerigaigénye
+ az egész rendszer együttvéve egyszerűbb felépítésű
+ eredendően érzéketlen a túlcsordulásra
+ gyors
- az érzékelőfelület bonyolultabb
- jelentős a zaja
- rosszabb a dinamikatartománya
- a képrögzítés módja miatt hajlamos a mozgó tárgyak elmosására -- ezt majd valaki fejtse ki bővebben, nem fogom annyira az angol eredetit
A cikk angolul (egy linkkel egy részletes ismertetőre: http://www.dalsa.com/markets/ccd_vs_cmos.asp
/Prof/

Hozzászólnék a CMOS gondolataidhoz.
Ezt a tipusú érzékelőt a legolcsóbb és a legdrágább digitgépekben használják, node vajon miért ?
A legolcsóbbakban azért mert az előállítása egyszerű (ezért olcsó is), viszonylag kevés kiegészítő alkatrészt kell mellé tenni a nyákra, és keveset fogyaszt. Viszont van egy iszonyatos hátránya ebben a kategóriában: nem elég gyors ! Könnyen tetten érhető ez a jelenség valamilyen belépő szintű fényképezőgéppel gyors mozgás fotózása közben, esetleg video felvételkor. Most nézzük a drágább kategórát ahol ezt úgy küszöbölték ki hogy eléraktak egy mechanikus zárat. Ezzel meg is oldottak mindent, hiszen csak addig éri fény az érzékelőt amíg azt a zár átengedi. Természetesen nem csak ilyen egyszerű a dolog, hiszen a jelfeldolgozó processzor teljesítménye, az átmeneti tár nagysága, stb... is jelentősen belejátszik ebbe.
Ebből is érthetővé válik hogy pl. az EOS 300D mely ilyen érzékelővel van felszerelve miért nem tud mozgóképet készíteni.
Azt írtad hogy jelentős a zaja, de én nem értek egyet veled. A CCD-nek nagyságrendekkel nagyobb a zaja, mivel a nagyobb áramfelvétel nagyobb melegedéssel is jár.
/ferint/

A CCD-k esetén létezik egy olyan technológia, hogy elektromos zár. Ennek az a lényege, hogy a CCD felületén minden második oszlopot letakarnak, és az elektródahálózatot úgy alakítják ki, hogy két-két oszlop közé nem tesznek szigetelő réteget, hogy ne csak az oszlopon belüli, hanem egy oszlopnyi távolság erejéig két oszlop közötti léptetés is megoldható legyen. Az exponálás ekkor úgy történik, hogy az exponálás kezdetekor feszültséget kapcsolnak az elektródákra, majd az exponálás végén a létrejött képet gyorsan átléptetik a letakart elektródasor fölé, majd onnan olvassák ki. Így megspórolható a precíz mechanikus zár, vagyis egyszerűbb, olcsóbb gép építhető. Cserébe viszont romlik a felbontás.
/Prof/

Két dologból is látszik (szerintem) a CMOS kisebb zaja:
1, hasonlíts össze két ugyanolyan pixelszámú géppel készült felvételt, melyek lehetőleg ugyanarról az éjszakai témáról vannak, ugyanakkora idővel, csak az egyik gépben CCD a másikban CMOS érzékelő van. A CCD lesz zajosabb. Ez is szubjektív mert maga a gépfelépítés sokban különbözik, tehát lehet kritizálni.
2, A magasabb ISO értékért versenyben lévő gépek között elsöprő többségben vannak a CMOS-al szereltek. ISO3200-at, vagy akár méf ISO1600-at csak alapvetően kis zajú képérzékelővel lehet. Érdekesség, vannak itt csillagászok is akik ezt nálam jobban tudják, de csillagászati fényképezéshez, illetve speciális fényképezőgépekben külön hűtik a képérzeklőt hogy ne melegedjen. Láttam egy fotót ahol egy komplett (nem is kicsi!) hűtőberendezés volt telepítve külön erre a célra...
/ferint/

A CMOS-CCD dologhoz.
A CMOS esetében abból indulnak ki, hogy a színes fény alkotói különböző energiaszinten érkeznek, s különböbző mértékben tudnak behatolni az érzékelők rétegeibe is. Ugyanúgy, mint a színes filmnél, itt is a rétegek egymás alatt helyezkednek el. A filmnél először van egy védőréteg, majd ezalatt kékérzékeny sárga réteg, középen zöldérzékeny bíbor, majd legalul a vörös érzékeny bíbor réteg van.
A CMOS -nál a helyzet: kék érzékeny réteg legfelül, középen a zölérzékeny réteg, majd legalul a vörösérzékeny réteg. Kitalálható az ok: a legmélyebbre a vörös színű fénysugarak jutnak. Ezért a CMOS-nál nagyobb pikkelyszemek tudják kiadni a jelet, mint az egymás mellett elhelyezkedő érzékelőjű CCD lapkán.
/la_rongit/

+ az egész rendszer együttvéve egyszerűbb felépítésű
Ez igy nem teljesen korrekt. A lényeg az, hogy a CCD gyártáshoz teljesen egyedi gyártósorok szükségesek. A CMOS technológiával készült érzékelők viszont a szokásos félvezető-gyártósorokkal elkészíthetők. Igy tehát jelentősen olcsóbbak lehetnek (nem véletlen, hogy a low-end gépek legolcsóbbjaiban CMOS érzékelő van.)
És még egy fontos dolog:
CMOS-nál nincs elektronikus zár! Ez elég fontos a digit gépeknél! Gondolom ez alatt értik a kép elmosódását. Nézzük mi is ez.
Filmes gép esetén ugye kétféle elterjedt zártípus létezik: a redőnyzár (függőlegesen vagy vízszintesen mozgó lemezpár nyitja és zárja a fény útját, SLR gépekben szokták alkalmazni), központi zár (főleg olcsóbb kompakt gépekben alkalmazzák). CCD-nél bejön az elektronikus zár fogalma, ami tulajdonképpen azt jelenti, hogy a CCD elektromos töltését tudják időzíteni, ezáltal a fényérzékenységet időzíteni . Ez teszi lehetővé, hogy a kis kompakt digitális gépek is 1/2000 meg 1/4000, sőt 1/10000 mp-es expozíciós időket tudjanak. Ezekben tehát a következő történik:
1. CCD kiürítése
2. mechanikus zár kinyitása
3. CCD töltés
4. CCD töltés felfüggesztés (elektronikus zár, vagyis megszüntetik a táplálást)
5. sok-sok idő mulva mechanikus zár bezárása
6. jel kiolvasás
Mivel CMOS-nál nincs erre lehetőség, ezért a mechanikus zár nyitvatartásakor nem lehet teljesen megszüntetni a töltést. It tehát a mechanikus zárra jut a fő szerep. Ezért nincs CMOS a kompakt kategóriában. Az olcsó low-end gépekben úgy próbálják áthidalni ezt a problémát, hogy a CMOS töltése közben már olvassák ki az adatokat. Ettől van az, hogy egy mozgó teherautó a képen nem egyszerűen elmosódik, hanem egyik része előrébb van, másik része hátrébb (felső és alsó rész). Vagyis a téglalap alakú teherautóból parallelepipedon lesz.

/Birdie/

az alapzaja (jel/zaj viszony) még lehet nagyobb, de a magasaabb alapérzékenység miatt ez kevésbé látszik a képen adott érzékenység esetén. Miért magasabb az alapérzékenység?
mert CMOS esetén egy elemi képpontnál nagyobb felület marad a valódi fényérzékelésre, mint CCD-nél, ahol a sor és oszlopvezérlő vezetékek ott szaladgálnak a fényérzékeny felüeltek között. Jah, ha már itt tartunk.
CMOS kevésbé hajlamos hotpixelesedésre.
/Birdie/