Matryca CCD - budowa i działanie

Wstęp, który możecie pominąc, jeżeli okaże się za trudny

Wyjaśnienie budowy i działania matryc światłoczułych,zrówno typu CCD jak j CMOS wymaga przypomnienie elementarnych wiadomości o budowie materii. Każda materia zbudowana jest z atomów. Atomy piewrwiastków zbudowane są z dodatniego jądra i ujemnych elektronów. Ładunki elektryczne występują jako wielokrotność ładunku elementarnego, czyli najmniejszej jednostki ładunku, jaka związana jest z elektronem. Ładunek ten oznaczamy -e. Ładunek elementarny dodatni oznaczamy +e. W normalnych warunkach liczba ładunków dodatnich w jądrze atomowym jest równa liczbie ładunków ujemnych na elektronach otaczających jądro, czyli atom jako taki jest neutralny. Jeżeli od atomu oderwiemy jeden elektron, to atom bozbawiony tego jednego ujemnego ładunku ma jest naładowany dodatni. Atomy "umocowane" są w struktrze danej materii i nie mogą się łatwo przemieszczać. Eletrony oderwane od atomów mają dość dużą swobodę poruszania się w obrębie materii.

Materiałem, z którego zbudowane są matryca CCD i CMOS jest krystaliczny krzem, pierwiastek o symbolu Si. Kryształ krzemu jest przeźroczysty a padające ne niego światło może z atomów krzemu wybijać elektrony, tworząc dodatni atom (zwany jonem) i swobodny elektron oczywiście o ładunku ujemnym.

I jeszcze trochę fizyki światła. Otóż wiązka światła składa się z tzw. fotonów, czyli elementarnych ilości światła. Foton to jak by najmniejsza porcja światła, która porusza się w przestrzeni tworząc wiązkę poruszającą się zgodnie ze znanymi prawami fizyki.

Co z tego wszystkiego musimy zapamaiętać, by zrozumieć działanie matryc swiatłoczułych?

Kryształ krzemu zbudowany jest z atomów, z których światło może wybijać elektrony, tworząc pary: dodatni jon i ujemny elektron.
Wiązka światła składa się z "porcji" zwanych fotonami.

Budowa matrycy CCD

Na załączonym poniżej rysunku jest przedstawiony uproszczony schemat matrycy CCD. Rysunek pozwala też na objaśnienie zasady działania tej matrycy.

Uproszczony schemat matrycy CCD

Matryca to płytka z krzyształu krzemu odpowiednio obrobiona. Górna część rysunku przedstawia widok z góry matrycy. Jasno błękitne kwadraciki to pojednycze piksele, odizolowane elektrycznie od siebie. Światło padając na matrycę wybija w poszczególnych pikselach elektrony, któych liczba jest proporcjonalna do natężenie światła padającego na dany piksel. Na piksel możemy patrzeć jak na pojemnik w którym te elektrony się gromadzą. Obrazuje to schemat piksela w prawym górnym rogu rysunku. W dolnej części rysunku mamy przekrój poprzeczny matrycy. Zaleznie od natężenie padającego światła i czasu trwania tego "naświetlania" matrycy w poszczególnych pikselach zgromadzą się różne ilości ładunków elektrycznych. Ich rozkład pomiędzy pikselami odzwierciedla natężenie światła które z kolei jest "obrazem" tego co "widzi" obiektyw aparatu. Narazie nie mówimy nic o kolorach. Sama matryca CCD (ale i CMOS) jest jak film czarno - biały. Rejestruje tylko natężenie światła a nie jego kolory.

Odczytywanie zawartości matrycy CCD

Pierwszym etapem tworzenia zdjęcia jest odczytanie zawartości wszystkich pikseli. W matrycy typu CCD odbywa się to tak. Odpowienie układy elektroniczne przenoszą ładunki z najniższego (na tym rysunku) rzędu pikseli do czegoś w rodzaju rury (zielony szeroki pasek na dole matrycy), którą ładunki przesuwane są do układów elektronicznych (ten duży niebieski trójkąt) które

zamieniają ładunek z każdego piksela na napięcie elektryczne
napięcie zaś zamieniają na liczbę (przetwornik analogowo cyfrowy), oznaczany w elektronice symbolem A/D.
liczby te zapisywane są w wewnętrznej pamięci procesora aparatu (nie mylić z pamięcia wkładaną i wyjmowaną z aparatu, na której zapisywane są gotowe już zdjęcia).
Po odczytaniu zawartości pierwszego rzędu pikseli ładunki z wyższych rzędów są przesuwane o jeden piksel w dół i proces odczytu jest powtarzany aż do odczytania zawartości wszystkich pikseli.
do każdej liczby reprezentującej oświetlenie pojedynczego piksela przyporządkowany jest numer tego piksela, który jednoznacznie określa jego położenie w matrycy.
w tej pamięci wewnętrznej zapisywane jest też wiele innych informacji związanych z wykonanym właśnie zdjęciem ale pomijamy to chwilowo, by nie komplikować opisu.

Z przytoczonego tu opisu wynika to, co napisaliśmy na początku tego paragrafu. Zawartość pikslei w matrycy CCD odczytuje się sekwencyjnie rząd po rzędzie. Ładunki w tym procesie są przesuwane w kierunku szyny (zielonej) odczytującej i kierującej je do dalszej obróbki. To co otrzymujemy po zakończeniu opisanego tu procesu odczytu to tzw. obraz surowy, ogólnie nazywany RAW (czytaj ro). Aparaty wyższej klasy, ale nawet kompakty, pozwalają zapisać taki obraz w pamięci zewnętrznej. Plik taki nazywany jest plikiem surowym lub plikiem RAW.
W aparatach niższej klasy dane "surowe" od razu poddawane są obróbce w aparacie fotograficznym i do pamięci zewnętrznej zapisywane jest gotowe zdjęcie w formacie JPEG. Takie zdjęcie można potem nieco korygować w komputerze odpowiednim programem ale możliwości tych korekcji są nieporównanie mniejsze niż w przypadku zapisanego pliku RAW. Jednak pliki RAW są bardzo duże (około 3 do 5x większe) od wynikowych JPEG-ów a do tego "przerobienie" ich na zdjęcie wymaga sporo czasu, umiejętności i odpowiednich programów.

Używasz Facebooku'a? Kliknij "lubię to", będziesz dostawał informacje o nowościach na naszym serwisie.