Ccd

CCD

Senzorii CCD (Charge coupled devices) [12][24][87][104][142][206][207]

capteaza lumina in mici fotocelule si si-au primit numele de la modul in care

sarcinile sunt citite dupa expunere. Pentru aceasta (figura 2.9), mai intai sarcinile

din prima linie sunt transferate intr-un registru de citire. De acolo, semnalele sunt

preluate de un amplificator si ulterior de un convertor analog - numeric. Dupa ce o

linie a fost citita, sarcinile ei din registrul de citire sunt sterse. Urmatoarea linie va

fi transferata in registrul de citire, iar toate liniile sunt transferate cu o linie mai jos.

Sarcinile din fiecare linie sunt cuplate astfel incat la fiecare transfer din linia

curenta in linia urmatoarea are loc si un transfer din linia precedenta in linia

curenta. In acest mod se poate citi o linie intreaga la un moment dat.Tehnologia

CCD are acum 35 de ani si foloseste un proces specializa VLSI bazat pe crearea

unei retele de electrozi de siliciu pe suprafata cipului. Nodurile retelei sunt atat de

mici si de apropiate incat permit pastrarea electronilor pana cand acestia sunt

mutati fizic pana din pozitia in care lumina incidenta i-a generat, de-a lungul

suprafetei cipului, pana la un amplificator de iesire. Pentru a realiza acest proces,

reteaua de electrozi este comandata de un ceas extern senzorului. Din punct de

vedere tehnic este posibili, dar nu este rentabil din punct de vedere economic sa se

integreze in tehnologia CCD alte functii necesare functionarii camerei, cum ar fi

circuite de ceas, logica de secventiere, procesare de semnale etc. Aceste functii

sunt, in mod normal, implementate in alt cip. In acest fel se ajunge la solutii tehnice

care presupun intre 3 si 8 cipuri. Un alt punct nevralgic al tehnologiei CCD este

necesitatea semnalelor de ceas cu o amplitudine si de o forma impuse care

influenteaza decisiv performantele finale ale sistemului Un cip specializat care sa

genereze semnale corecte de ceas, ca forma si amplitudine, necesita tensiuni de

alimentare nestandardizate si creste puterea consumata. Plecand de la o singura

tensiune de alimentare, pentru a genera 5 sau 6 semnale diferite de alimentare, este

nevoie de cateva regulatoare interne care evident cresc complexitatea solutiei.

Aceste inconveniente sunt pretul platit pentru o imagine de foarte buna calitate.

Din punct de vedere istoric, tehnologia CCD a fost dezvoltata cautand solutii

pentru alte probleme decat achizitia imaginilor. In anii 1960 calculatoarele nu

dispuneau de sisteme de memorie ieftine si de mare dimensiune. Laboratoarele Bell

au propus tehnologia CCD ca o modalitate de stocare de date. In 1974 Fairchaild

Electronics au produs primul senzor de imagine CCD cu un format de 100 x 100

pixeli, iar in 1975 s-a produs prima camera comerciala bazata pe aceasta

tehnologie. Tot atunci Kurzweil Computer Products a realizat primul scaner bazat

pe un senzor liniar CCD de 500 pixeli de la Fairchaild.

Exista patru tipuri de baza pentru senzorii CCD:

! Liniari,

! Interliniari,

! Cadru intreg (full frame),

! Transfer pe cadre (frame transfer).

Un senzor CCD liniar (figura 2.10) este alcatuit dintr-un sir de senzori

dispusi pe o singura linie. Pentru a achizitiona o imagine folosind un senzor liniar

este necesar ca senzorul sa se deplaseze cu viteza controlata de-a lungul imagini.

Viteza de achizitie este redusa daca se foloseste aceasta maniera. Structura

electromecanica care asigura deplasarea se bazeaza pe motoare pas cu pas si creste,

pe de o parte complexitatea sistemului, iar pe de alta parte riscul de alterare a

geometriei imaginii. Utilizarea actuala a senzorilor liniari se concetreaza in

fabricatia scanerelor si a cititoarelor de coduri cu bare.

Celelalte trei variante de senzori sunt considerate generic ca senzori

matriceali CCD pentru ca formeaza zone senzoriale cu linii si coloane, de forma

dreptunghiulare sau patrate.

Un senzor CCD cu transfer interliniar (figura 2.11) are pentru fiecare pixel si

un fotodetector si o zona de stocare a sarcinii rezultate. Zona de stocare este

formata prin ecranarea (opacizarea) unei parti din zona pixelului. Prin concatenarea

zonelor opace se formeaza un canal vertical care permite transferul sarcinilor de-a

lungul senzorului pana la un registru orizontal de deplasare. Prin modul de

functionare varianta interliniara permite transferul rapid al sarcinilor din zona in

care au fost acumulate sub influenta luminii mai intai in zonele opace de stocare,

iar ulterior din linie in linie pana la registrul orizontal de deplasare. Prin deplasarea

vechilor sarcinilor se lasa loc pentru noilor sarcini acumulate ceea ce este un suport

deosebit pentru achizitia de secvente video. Prin prezenta zonelor de stocare si

transfer se micsoreaza zona din senzor care este efectiv sensibila la lumina. Desi

este o complicatie din punct de vedere al fabricatiei, se poate recurge la atasarea de

microlentile pentru pixeli. Aceste microlentile au rolul de a concentra lumina de pe

o zona mai mare decat zona efectiv fotosensibila a senzorului.

Senzorii CCD de tip cadru intreg (figura 2.12) folosesc toata zona pixelului

pentru achizitia imaginii. In acest fel pe timpul transferului de sarcini nu se mai

poate face integrare, deci nu se mai poate face acumulare de sarcini prin expunerea

la lumina. Pentru a impiedica influenta luminii pe timpul cat are loc transferul de

sarcini (ceea ar strica calitatea imaginii) se pot plasa diafragme mecanice in fata

senzorilor. Exista si situatii in care aplicatia, prin natura ei, elimina necesitatea

diafragmei mecanice, ca de exemplu atunci cand durata si volumul luminii este

controlat extern prin lumina stroboscopica de studio.

Varianta cu transfer pe cadre este similara cu varianta cadru intreg, dar se

ecraneaza (mascheaza) jumatate din matricea senzoriala astfel incat sa fie apta

pentru stocarea sarcinilor. Dupa terminarea perioadei de integrare, cand elementele

senzoriale elementare au inmagazinat sarcinile, are loc un transfer al sarcinilor

catre zona de stocare si ca urmare o noua integrare se poate face fara o intarziere

expresa. In acest mod, acest tip de senzori se pot folosi pentru achizitii rapide.

Totusi, suprapunerea perioadelor de integrare cu acelea de transfer de sarcini

conduce la o scadere a calitatii imaginii (smear). Pretul de cost al acestor senzori

este crescut datorita complexitatii induse de prezenta celor doua zone, senzoriale si

de stocare. Varianta interliniara reprezinta, din acest punct de vedere, o

imbunatatire pentru ca se permite integrarea si transferul simultane, fara efectul de

murdarire a imaginii.

Pentru citirea datelor din senzor se folosesc doua metode:

! Citire progresiva,

! Citire intretesuta.

Intr-un mod analog cu baleiajul video, si aici conteaza ordinea in care

coloanele senzorului sunt transferate in registrul orizontal si ulterior la iesirea din

senzor. In varianta progresiva, liniile se citesc succesiv in ordinea in care apar in

imagine. In varianta intretesuta, se citesc intai liniile pare si ulterior liniile impare,

dupa care are loc reintegrarea. Pentru senzorii mai mari de 1 Mpix cea mai

frecventa metoda este aceea intretesuta in care un rand de electrozi controleaza

transferul vertical al sarcinilor din doua randuri de pixeli.

Pentru ca exista un numar mare de producatori si o competitie dura pe piata,

exista si multe soluti de proiectare diferite care incearca, fiecare in parte, diferite

avantaje. Exemplificam in continuare. Fuji ofera senzori cu pixelul octogonal ceea

ce ajuta la cresterea densitatii de pixeli si la marirea zonei fotosensibile.

Producatorii sustin ca senzorul lor are si un raport semnal - zgomot si o gama

dinamica mai bune. Ideal ar fi sa avem senzori cu calitatea imaginii ca la CCD si

cu versatilitatea de la CMOS. Desi acest lucru nu este posibil, Kodak a proiectat un

senzor CCD cu transfer interliniar care face unele prelucrari de imagini in cip prin

adaugarea unor ceasuri pentru esationare dublu corelata. Se poate calcula astfel

curentul de intuneric (care apare in lipsa luminii) si acesta se poate scade din

imaginea obtinuta in prezenta luminii. Philips (ca si Sanyo) a proiectat o tehnologie

de transfer pe cadre numita True Frame Sensor Architecture. Opacizarea zonei de

stocare se face cu un ecran metalic si poate inmagazina numai aproximativ 1/5 din

capacitatea totala a pixelului. Senzorul este folosit astfel numai pentru analiza

scenei in vederea determinarii parametrilor de reglaj si pentru vizualizarea scenei.

Cand camera este intr-unul din aceste moduri de lucru, electronii sunt trimisi rapid

in zona de stocare cu pierderea a 4/5 dintre ei. In modul normal de lucru toti

electronii sunt cititi rapid fara a fi trimisi in zona de stocare. Metoda de citire este

mai degraba progresiva decat intretesuta, iar principalul avantaj al acestei tehnici

este viteza de lucru pe care producatori o apreciaza la 30-60 fps.