A CCD és CMOS érzékel®k, és ezek színmérési alkalmazásai Mihalik Gáspár 2010. január 25.
Kivonat Írásomban szeretném bemutatni a CCD és CMOS érzékel®k zikai m¶ködési alapját. Az eszközök elvi felépítése és technológiai bemutatása után összehasonlításuk, el®nyeik, hátrányaik és f® felhasználási területeik következnek. Írok még a színinformáció rögzítésének nehézségér®l és az erre kitalált megoldásokról a sz¶r®zést®l kezdve az érzékel®k továbbgondolt kialakításáig. A dolgozat utolsó részében bemutatom, hogy ezek az érzékel®k milyen módon segítik el® a színmérést, és hogyan formálták a méréstechnika e szük területét. Napjainkra a digitális képalkotás, és színérzékelés rutinfeladattá vált. Bele sem gondolunk, hogy a képi információ rögzítése nem is olyan régen még kizárólag klasszikus fototechnikai eszközökkel volt megoldható: a képeket és a színinformációt kémiai reakciók segítségével rögzítették. Az elektronikus rögzítés els® lépcs®jét a küls® fotoelektromos hatás jelenségét felhasználó eszközök jelentették. Ezek nagy méretük és energiafelhasználásuk miatt nem terjedtek el széleskör¶en, ill. a kis elems¶r¶ség miatt kép rögzítését nem tették egyszer¶en lehet®vé. A bels® fotoelektromos hatás felfedezésével és a mikroelektronikai gyártástehnológia rohamos fejl®désével azonban egyre kisebb és jobb tulajdonságokkal rendelkez® eszközök készülhettek. A ma ismert
CCD (Charge-Coupled Device) eszközök els® m¶köd® példányát
az AT&T Bell laboratóriumában állította el® Williard Boyle és George E. Smith akik 2009-ben ezért zikai Nobel-díjat kaptak [3]. A dolog érdekessége, hogy a két tudós akkoriban félvezet® buborékmemórián dolgozott, melynek lényege az volt, hogy töltéseket mozgassanak a félvezet® felszíne mentén[5]. Ezzel a megoldással egy új fajta léptet®regisztert alkottak meg. M¶ködtetéséhez ekkor
1
még szükséges volt egy un. beíróregiszter . Hamar kiderült azonban, hogy az eszköz felépítése miatt fotoelektromos hatás révén is keletkezhetnek töltések az erre alkalmas helyeken így Michael F. Tompsett és társai szintén az AT&T Bell laboratórium munkatársai már 1971-ben képesek voltak képet rögzíteni lineáris
CCD
1 Mivel
használatával[10].
más módon a töltések nem juthattak az eszköz belsejébe, a beírandó 0 vagy 1 bitet
a bemenetén lév® átmeneti tárolóba töltötték, ahonnan léptetéssel kerültek a bitek a CCD belsejébe.
1
(a) Boyle
(b) Smith
1. ábra. A CCD feltalálói
(a) Összeillesztés el®tt
(b) A töltések semlegesít®d-
(c) A kiürített réteg
nek
2. ábra. Kiürített réteg kialakulása
1.
Az eszköz m¶ködésének alapjai Ezen eszközöknél a képrögzítés alapja a fényérzékenység, a fotoelektromos
hatás. Ezt úgy kell elképzelni, hogy egy p és egy n szennyezettség¶ réteg összeillesztésekor
2 a rétegek átmeneténél kialakul a kiürített réteg . Ennek oka,
hogy a megfelel® többségi töltéshordozó, amely a kristály szennyezettségét®l függ®en nagy mennyiségben rendelkezésre áll (2a ábra), ellentétes töltéshordozóval találkozva semlegesít®dik (2b ábra). Ezáltal két, ellentétes töltés¶ szabad töltéshordozó t¶nik el. Ez az adott kristálypár, ill. a kevesebb szabad töltést tartalmazó kristályrész szabad töltéshordozóinak elt¶nésével jár. Ennek viszont az lesz a következménye, hogy az adott szennyezettség¶ rétegb®l elt¶nt többségi töltéshordozók ellentétes töltés¶ helyhezkötött ionokat hagynak hátra, vagyis az n szennyezettség¶, szabad töltéshordozókban elszegényedett réteg pozitív töltés¶vé, a p szennyezettség¶ pedig negatív töltés¶vé válik. Ezáltal a kiürített réteg két oldalán az ellentétes töltés¶ ionok miatt feszültségkülönbség alakul ki (2c ábra). Az így kialakult és el®feszített kiürített réteget ha küls® hatás éri,
2 Ez
természetesen csak elvben lehetséges, mivel az összeillesztést úgy kellene megoldani,
hogy a kristály folytonos maradjon, ami zikai összeillesztéssel nem megoldható. Ez tipikusan egy adott szennyezettség¶ kristály lokálisan ellentétes töltés¶ anyaggal való kezelésével oldható meg.
2
az ott rekombinálódott töltések ismét szétválhatnak, és a küls® tér hatására az elektronok az n, a lyukak a p rétegbe lök®dnek, így létrejön a töltésszétválasztás. A folyamat lejátszódásának egyetlen kritériuma, hogy a küls® hatás energiája legalább akkora legyen, mint a kristályszerkezet által meghatározott tiltott sáv energiája. Ilyen küls® hatás lehet pl. egy vagy több foton, melyek frekvenciájától függ energiájuk. Így a határértéknél nagyobb frekvenciával rendelkez® fotonok képesek a kiürített rétegen belüli töltésszétválasztásra. Mikor az el®z®ekben leírt töltésszétválasztás létrejön, a töltéshordozók anyagtól függ® id® eltelte után ismét rekombinálódnak. Ha azonban a kivezetések közé valamilyen ellenállást kötünk, a töltések az ellenálláson áthaladva egyesülnek, vagyis munkát végeznek az így kialakított körben áram folyik. Ha az áramkört kiegészítjük küls® záróirányú feszültségforrással, a kiürített réteg szélessége megn® és a fotonok által szétválasztott töltéshordozókat még tovább gyorsítva, nagyobb m¶ködési sebesség¶ eszköz áll rendelkezésre. A
CCD
fényérzékeny egységei tulajdonképpen ugyanilyen módon m¶ködnek.
Alapvet® különbség azonban, hogy a
CCD
épül fel. A kiürített réteg itt a
(Metal-Oxid_Semiconductor) tranziszto-
MOS
csupán egyetlen félvezet® rétegb®l
roknál megszokott felépítés, és az elektrosztatikus hatás révén alakul ki. Az oxid réteg (tipikusan
SiO2 )
tetejére felvitt fém vezérl®elektródára pozitív feszültsé-
get kapcsolva az elektrosztatikus hatás révén az alatta lév® félvezet® egy részén a pozitív töltések kiszorulnak egy kiürített potenciálgödröt létrehozva. Ebben az esetben, ha egy foton eljut a kiürített rétegbe, és energiája legalább akkora, mint a tiltott sáv nagysága, akkor elektront szabadíthat ki. Ha ez megtörténik, akkor az elektron a vezérl®elektróda pozitív töltése miatt nem lép ki a potenciálgödörb®l, hanem ott csapdába esik. Újabb foton újabb elektront hoz létre, és ez így ismétl®dik tovább. Könnyen belátható, hogy az eszközben adott id®egység alatt létrejött töltések mennyisége egyenesen arányos az eszköz felületét ért sugárzás nagyságával. Természetesen minden potenciálgödör töltéstároló képessége véges. Ezért ha telít®dés után is csapódnak be fotonok, és újabb töltések keletkeznek, azok a szomszédos cellákba kerülnek (ezt a jelenséget hívják
blooming -nak). 2.
Felépítés, m¶ködés A legegyszer¶bb
CCD
változat zikailag úgy néz ki, hogy a félvezet®re
ez tipikusan p szennyezettség¶ (Bórral adalékolt) szilícium felvitt oxidréteg tetején egymástól elválasztott, polikristályos szilíciumból készült vezérl®elektródákat hoznak létre. A ma használatos érzékel®k szerkezete más: un. eltemetett csatornával rendelkeznek (
buried channel ), melynek szennyezettsége n
típusú.
Ezt a megfelel® helyek foszforral történ® ionimplantációjával valósítják meg. Ez azért kedvez®bb, mint a p típusú csatorna, mert az n szennyezés¶ félvezet®ben a töltések elektronvezetés útján vándorolnak, ami az elektronok nagyobb mozgékonysága miatt gyorsabb zikai folyamat, mint a lyukvezetés így nagyobb m¶ködési sebesség érhet® el a kiolvasás során. A csatornák formáját
LOCOS 3
eljárás segítségével, az un. csatornahatároló területek létrehozásával
3 LOCal
Oxidation of Silicon szilícium helyi oxidációja: ezzel az eljárással a szilícium
felülete alá behatoló szigetel®réteget hozhatnak létre, így elválasztva a különböz® áramköri elemeket. A lényege, hogy a félvezet®t egy maszkon keresztül, helyileg melegítik, így termikus úton létrehozva a szigetel®réteget. Ha a közölt h® és a közlés ideje kell®en nagy, az oxid nem
3
(a) Kezdeti állapot
(c) Végállapot
(b) Átmeneti állapot
3. ábra. A töltéscsatolás folyamata
teszik határozottá ilyen módon szétválasztva a
CCD
oszlopait. A töltésszivár-
gás további csökkentésére a csatornahatároló területek alá p szennyezettség¶ falat hoznak létre, ami az n típusú csatornával a tápfeszültségre való kapcsolás után záróirányú el®feszítést kap ez pedig potenciálfalként állja útját az elektronoknak. Ezek után hozzák létre a kapuk szigetel® oxid rétegét, majd
chemical vapor deposition ) szilán-
ennek tetejére kémiai g®zfázisú leválasztással (
ból (SiH4 ) poliszilícium-réteget választanak le. Ezt az összefügg® réteget aztán fotolitográ ai úton felosztják, létrehozva a vezérl®elektródák mintázatát, majd maratással eltávolítják a felesleges részt. Az elektródák anyaga azért poliszilícium (amorf szilícium), mert a fotonok csak akkor jutnak el az eszköz belsejébe, ha nem nyeli el azokat semmi vagyis az aktív terület felett lév® anyagok átlátszóak. A felhasználástól függ®en el®fordulnak más felépítés¶
CCD -k is, mint pl.
az er®teljes p adalékolású hordozón létrehozott eszközök melynek alacsony érték¶ sötétárama és nagy fokú infra érzékenysége ismert , vagy a perisztaltikus
CCD,
mely újabb elemek kialakításával a töltéscsatolás közben kiszélesed®
belek mozgásához hasonló csatornával rendelkezik, ezzel megkönnyítve a töltések áramlását a csatornában[4, 13]. A töltéscsatolt eszköz felépítése olyan, hogy mátrixba rendez®dik. A mátrix lehet 1 vagy 2 dimenziós. 1 dimenziós mátrix-felépítés esetén vonalérzékel®r®l, 2 dimenziós mátrix esetén érzékel® lapról beszélünk. A m¶ködést a vonalérzékel®n mutatom be. A m¶ködés a következ® módon képzelhet® el: az egyik vezérl®elektróda (nevezzük 1. elektródának) alatt összegy¶lt töltések (3a ábra) kiolvasásának módja, hogy a kiolvasás irányában növekv® sorszámmal ellátott elektródákra feszültséget kapcsolnak: el®ször az 1. és 2. elektródára. Ezzel az 1. elektróda alatt lév® potenciálgödör kiszélesedik, az elektronok egyenletesen kitöltik a szélesebb potenciálgödröt (3b ábra). Ezután az 1. elektróda vezérlését kikapcsolják, így a kialakult potenciálgödör szélessége lecsökken az eredeti méretre, csak ezúttal a 2. elektróda alá kerül (3c ábra). Mivel elektronok csak a potenciálgödörben helyezkedhetnek el, mindegyik szabad elektron a potenciálgödörbe vándorol a 2. elektróda alá. A töltéscsomag ugyanilyen módon átvihet® a többi elektróda alá is, mindig egyet lépve. Ezt a folyamatot nevezik töltéscsatolásnak innen ered az eszköz neve. [13] A különböz® igényekhez igazodva a
CCD -knek
nem csak a rétegfelépítése,
hanem az összeállítása is többféle lehet. Ezek alapján léteznek
transfer
és
interline
típusok. A legegyszer¶bb
full-frame
full-frame, frame-
típusoknál a felépí-
tés megegyezik a m¶ködésnél bemutatott változattal (ld. 4. ábra): ez egy mátrix, ahol a sorokat léptetik egymás után a kiolvasó vektor-regiszterbe ez szintén
CCD, ahonnan aztán egyesével továbbléptetik majd er®sítik a töltéscsomagokat. csak a felszínen, hanem a felület alatt is kialakul.
4
4. ábra. Full-frame CCD felépítése
Ezzel a felépítéssel hamar korlátokba ütközhet a felhasználó, ugyanis azok-
smear ). Ennek
nál a rendszereknél, ahol nincs zárszerkezet, a képek elken®dnek (
oka, hogy a kép rögzítése után a töltéscsomagok léptetése közben további fotonok érik az érzékel® felületét a meglév® töltéscsomagokhoz újabb elektronokat adva. Ez az eredeti képpontnál világosabbat eredményez az adott helyen. Ezen úgy lehet segíteni, hogy zárszerkezetet alkalmaznak, ami az expozíciós id® végeztével elzárja a fény útját, így nem jutnak be újabb fotonok, és a kiolvasás zavartalanul folyhat. A probléma ezzel az, hogy ezen zárszerkezetek drágák és zikailag nagyok. Azoknál a kis méret¶ vagy olcsó termékeknél, ahol ezen hátrányok nem megengedhet®ek, más megoldásra van szükség. A rendszer az egész sorokat viszonylag nagy sebességgel tudja léptetni. A gondot a cellánkénti kiolvasás jelenti, ami egyrészt a nagy darabszám, másrészt a kiolvasás folyamatának viszonylagos lassúsága miatt adódik. A kiolvasás gyorsítása nem oldható meg tetsz®leges mértékben, mert ezzel zaj kerülne a kiolvasott információba, ami nem megengedhet®. A
frame-transfer
érzékel®knél ehelyett azt csinálják,
hogy az érzékel®n létrehoznak egy az aktív területtel megegyez® nagyságú részt, amelynél a vezérl®elektródák nem átlátszó polikristályos szilíciumból, hanem átlátszatlan alumíniumból vannak. Így az expozíció végeztével az információt soronként nagy sebességgel átléptetik erre a (tároló)területre, majd innen végzik a darabonkénti kiolvasást. Mivel újabb fotonok nem érik az elfedett töltéscsomagokat, így további zaj sem keletkezik. Az
interline
típusok az el®z® változat továbbgondolásával születtek, és még
hatékonyabban tesznek a járulékos zaj ellen. Itt az aktív és a tárolóterületet nem választják szét, hanem minden második oszlop tárolóterület (ld. 5. ábra). Ezzel a megoldással az expozíciós id® végén csupán egyel léptetnek minden oszlopot, és a teljes információ máris kiolvasható a tárolóterületr®l. A technológiának azért van hátránya is: az aktív terület csökkenése, ami miatt az érzékelésre használható pixelek száma a zikailag legyártottaknak csupán a fele. E hátránya ellenére a ma használatos képalkotó termékek nagy részében ez a típusú érzékel® található.
3.
a
A CMOS érzékel®k
A CMOS érzékel®k más néven aktív-pixel szenzorok története nagyjából CCD -kkel együtt kezd®dött. 1968-ban Noble, 1969-ben Chamberlain és Wei-
5
5. ábra. Interline CCD
mar is említést tesznek ilyen elven m¶köd® eszközr®l[1, 9], majd készítenek is m¶köd® példányokat. Az els® változatoknál még nem alkalmaztak pixelenkénti er®sítést, egy er®sít®vel oldották meg soronként és oszloponként a jeler®sítést ezt a típust passzív-pixel érzékel®nek nevezték. Ezzel a megoldással az akkori
CCD -knél jóval rosszabb érzékel®ket tudtak csak létrehozni. A sikertelenség ellenére tovább folytak a kutatások, és hamarosan megszülettek a ma is használatos 3T-s (3 Tranzisztoros), pixelenkénti er®sítéssel (aktív-pixel) rendelkez® szenzorok. A gyártástechnológia akkori színvonalán azonban nem tudtak a versenyre kelni. Az els® valóban használható
CMOS
CCD -kkel
technológiával készült aktív-
pixel szenzorral szerelt eszközt egy optikai egeret 1981-ben mutattak be. Az 1980-as évek végére, az 1990-es évek elejére a digitális áramkörök gyártástechnológiája olyan szintre fejl®dött, hogy a foglalkozni. [11] A 1.
CMOS
System-on-a-chip
CMOS
érzékel®k ötletével ismét elkezdtek
érzékel®kkel szembeni elvárások a következ®ek voltak:
kialakítása, vagyis a képszenzor és a kiegészít®áramkö-
rök egybeintegrálásával minimális számú kiegészít® elemre legyen szükség. 2. A
CMOS
technológiának köszönhet®en a
CCD -nél jóval kisebb fogyasztás.
3. A fejlett gyártástechnológiának köszönhet®en a teljes rendszer méretcsökkenése ez kisebb költséget, kisebb fogyasztást és a kis távolságok miatt gyorsabb m¶ködést tesz lehet®vé. 4. A meglév®, fejlett
CMOS
technológiával lehessen gyártani.
5. Lehet®ség az elkészült kép csak a felhasználás szempontjából érdekes részletének kiolvasására. 6. A m¶ködtetéséhez legyen elegend® csupán egy tápfeszültség. A
CCD -kkel szemben ennél az érzékel®típusnál minden pixelt külön értékelnek
ki, és a kiolvasott érték már egy közvetlenül használható, digitális kód. Egy-egy pixel áramköri rajza a 6. képen látható. Ezt az elrendezést hívják 3T-nek, de
6
6. ábra. 3T aktív-pixel
találkozni a 4T megnevezéssel is ugyanis a fotodetektort létrehozhatják a fotodióda helyett fotogate-tel kialakított JFET-ként is. Az 1-es tranzisztor (Mrst ) segítségével a cella nullázható. A tranzisztor bekapcsolásával a fotodióda közvetlenül a tápra kerül, így a benne létrejött töltések kitörl®dnek. A 2-es tranzisztor (Msf szerepe, hogy a fotodetektorban lév® töltések mennyisége vizsgálható legyen anélkül, hogy azokat bármilyen módon befolyásolnánk. Ennek módja, hogy a tranzisztor egy cca. egyszeres er®sítés¶ source-követ® (source-follower) módban m¶ködik, ellenállása annál kisebb, minél több töltést tárol a fotodetektor így a kimenetre ennek megfelel® feszültség kerül. A 3-as tranzisztor feladata, hogy a cella kiválasztása esetén a kimenetre (COL) kapcsolja a megvilágítással arányos feszültséget. Ez akkor következik be, ha a tranzisztor sor-kiválasztó vezetékén (ROW) a megfelel® jelszintet kapja. A CCD-knél már említett kiolvasás közbeni elmosódás mozgó tárgyak esetén itt is fellép. A megoldást itt is a zárszerkezet alkalmazása jelenti. Abban az esetben, ha a költségek vagy a méret miatt ez nem kivitelezhet®, elektronikus zárásra van szükség. Ehhez pixelenként újabb tranzisztorok szükségesek, így alakíthatóak ki az 5T és 6T elektronikus zárak. A 6T szerkezettel a teljes kép tárolható, viszont az ár és a területfoglalás miatt ez csak az igényesebb megoldásoknál használható. Részleges megoldásként alkalmazzák az 5T szerkezet¶ érzékel®ket, amelyekkel un.
rolling-shutter
zárás valósulhat meg. Ennek lényege,
hogy egyszerre csak egy sort tárolnak. Annak kiolvasása után a a következ® sort, és így tovább. Ezzel a módszerrel a mozgó tárgyak ugyan élesek, de sorról sorra eltolódnak (ld. 7b. ábra).
4.
A két érzékel®típus összehasonlítása A
CCD
és a
CMOS
érzékel®k mindig is egymás mellett léteztek, bár egy-
más alternatíváinak szánták ezeket, az el®nyösebb érzékel®típus mindig az adott alkalmazás esetében választható csak ki. El®ször szeretném mindkét érzékel® jellemz®it leírni néhány tulajdonságuk alapján.
Kvantumhatásfok
(responsivity) ez a szám leírja azt, hogy az adott érzékel®-
ben egy foton elnyelésének hatására hány elektron keletkezik. Az érték egynél kisebb volta nem azt jelenti, hogy az egyes fotonok rész-elektronokat gerjesztenének, hanem a dolog statisztikai természetét jelzi, vagyis egyáltalán nem biztos, hogy a foton elektront hoz létre. Ez a szám minél
7
(a) Zár nélkül
(b) Rolling-shutter
(c) Hagyományos zárral
7. ábra. Különböz® zárak alkalmazása
4
nagyobb, annál jobb az érzékel® annál nagyobb a fényérzékenysége . Az egész szenzort nézve ebb®l a szempontból jobbak a
CMOS
érzékel®k,
ugyanis az integrált er®sít® miatt ez az érték tetsz®legesen nagy lehet elvileg. Az er®sítés növelése egy bizonyos értéken túl az elkészült képen már érzékelhet® zajt eredményez, ezért célszer¶ az er®sítés korlátozása. Az er®sítés értékének szabályozásával utólagosan is lehet®ség van az érzékenység állítására a zaj fokozódásával.
Dinamikatartmány
(dynamic range) alatt azt értjük, hogy az adott érzékel®re
bees® minimális és maximális fotonok számának aránya milyen. Ez a határérték abból adódik, hogy az érzékel® egy bizonyos elektron-mennyiség után telít®dik, nem képes nagyobb világossági értéket megjeleníteni. Ez adódhat a zikai korlátokból, vagy az érzékenység növelése miatt a fokozott er®sítés miatt. Ebb®l a szempontból a
CCD -k
nagyjából 2-szer jobb
teljesítményt nyújtanak.
Zaj
(noise) azt jelenti, hogy az érzékel®típus a bees® fotonok keltette töltéseken kívül a kiolvasás, er®sítés, stb. folyamatán keresztül mennyi további elektront tesz hozzá a kívánt információhoz. Ennek a jellemz®nek minél kisebb értéken tartása a cél, ugyanis a jelenség nem lineáris. Ez azért jelent problémát, mert a zaj lévén véletlenszer¶ jelenség nem választható le egyszer¶en az elkészült képr®l. Vannak különféle zajsz¶r® algoritmusok, melyek a zaj utólagos eltávolítására szolgálnak, de használatukkal nagy valószín¶ség szerint az információ is sérül, ezért alkalmazásuk csak minimális mértékben kívánatos. Alapvet®en befolyásolja a zajt az érzékel® h®mérséklete. Ezért nagy érzékenység¶ alkalmazásoknál az érzékel®t külön h¶tik. Zaj szempontjából a
4A
CCD
jobb teljesítményt nyújt: egyrészt keve-
hagyományos fotótechnikában ezt az ISO vagy ASA értékkel jelölték.
8
sebb áramköri elem található az érzékel® csipen így az általuk generált zaj kevesebb, ill. az er®sít®elemek az érzékel®t®l különálló elhelyezkedésük miatt jobban h¶thet®k. Szintén az érzékel® különállósága miatt optikai szempontból jobb a helyzet, az ezzel szerelt eszközökre jobb optika építhet®, ill. nagyobb felbontás érhet® el ugyanakkora területen.
Er®sítési egyöntet¶ség
(uniformity) ez arra utal, hogy az egyes pixelek ki-
CCD
egyértelm¶en jobb, hiszen ott egyetlen er®sít®t hasz-
olvasott világossági értékét az érzékel® milyen eltéréssel er®síti. Ebb®l a szempontból a
nálnak az összes érték er®sítésére. A
CMOS
érzékel®knél minden egyes
pixelhez külön er®sít® tartozik, és még a mai gyártástechnológiával sem biztosítható a több millió tranzisztor egyforma elkészítése. Ha a szenzor aktív elemeit kisebb-nagyobb tömbökre osztják fel, és azokat sorban er®sítik, a szóban forgó jellemz® értéke javítható, ami viszont más jellemz®k romlását eredményezi. Az ilyen módon áttervezett
CMOS
er®sít®kkel és
az érzékel® méretének csökkentésével f®leg elegend® fény esetén rögzített képeknél javítható a jellemz®, ám a rossz fényviszonyok között a probléma továbbra is fennáll.
Zárás
(shuttering) az el®z® szakaszban az elektronikus zárási technikák részle-
tesen szerepelnek mindkét érzékel®típusnál el®állítható az aktív terület rovására.
Sebesség
(speed) az érzékel®b®l a kép kiolvasása mennyi id®t vesz igénybe:
milyen gyakorisággal ismételhet®k a felvételek. Ebb®l a szempontból egyértelm¶en kedvez®bbek a
CMOS
érzékel®k: a helyben való er®sítés miatt
a kiolvasás lehet párhuzamos, ami nagyon nagy mértékben felgyorsítja a kép el®állításának folymatát. Maga a m¶ködési frekvencia is nagyobb lehet az integráltság miatt, ugyanis a vezetékhosszak miatt kialakuló parazitakapacitások kevésbé terhelik a rendszert.
Részkiolvasás
(windowing) ez a jellemz® azt jelenti, hogy van-e lehet®ség csak
a kép érdekes részeinek feldolgozására. Ez a lehet®ség utólagosan mindkét érzékel®nél kivitelezhet®, ám a m¶ködés gyorsítására felhasználni csak
CMOS
érzékel®nél lehet. Ez abból adódik, hogy a
CMOS
eszközök ese-
tében lehet®ség van a címzett kiolvasásra ami azt jelenti, hogy a kiolvasó áramkörrel megoldható a kiovasni kívánt terület körülhatárolása. Ez f®leg optikai követ®, felismer® és mér®rendszerek esetén lehet érdekes.
Túlcsordulás elleni védelem
(antiblooming) a
CCD bemutatásánál szó esett
a túlvezérlésr®l, amikor a bees® fotonok már az adott cella töltéstároló képességén túl hoznak létre elektronokat. Ilyenkor a keletkez® elektronok a szomszédos cellákba kerülnek át, ezzel megnövelve azok értékét. Ugyan mindent megtesznek ez ellen a hatás ellen, és viszonylag hatékony védekezési technikák léteznek, de a jelenség nem megszüntethet®
A
CMOS
CCD -knél.
érzékel®k m¶ködésükb®l adódóan viszont immunisak erre a hi-
bajelenségre, mivel itt az érzékel®elemek között nincs az el®z®höz hasonló kapcsolat.
Tápfeszültség
(supply) a
CMOS
érzékel®knek csupán egyetlen tápfeszültségre
van szükségük a m¶ködéshez, a
CCD -knek ezzel szemben több feszültség-
szint kell a m¶ködéshez.
9
Megbízhatóság
CMOS
(reliability) a
érzékel®k integráltságuknak és kisebb
méretüknek köszönhet®en jobban elviselik a kedvez®tlen körülményeket. Az integráltságnak köszönhet®en kisebb a fogyasztásuk is bár ehhez kifejezetten a képalkotáshoz kitalált gyártási technológiára van szükség. Ezek
CMOS
az érzékel®k elvileg a megszokott
gyártósorokon is gyárthatóak,
de az összes el®nyük kihasználhatósága érdekében mégis inkább speciális gyártósorokon készülnek.
Egyéb
a
CCD -k
abból a szempontból el®nyösebbek, hogy az egész áramkör
áttervezése nélkül, csupán néhány gyártási paraméter megváltoztatásával módosíthatók az érzékel® tulajdonságai, pl. az érzékenység spektrális eloszlása, stb. A
CMOS
érzékel®vel szerelt rendszerek elviekben olcsóbbak
lehetnek a kevesebb számú kiegészít® alkatrész miatt, de maga a szenzor tekintetében a
CCD
az olcsóbb megoldás.
Mindkét érzékel® típust er®teljesen fejlesztették az elmúlt 15-20 évben. Ezáltal a
CCD -ket
megnövekedett kvantumhatásfokkal, csökkentett sötétárammal,
csökkentett pixelmérettel, alacsonyabb m¶ködési feszültséggel és disszipációval gyártják. Ezen kívül az általános értelemben vett integráció miatt egy ilyen rendszer kisebb számú kiegészít® áramkör felhasználásával építhet®, mint korábban. A fejlesztés során a
CCD -knél a kiolvasás gyorsasága okozott fejtörést,
ugyanis az érzékel®k felbontásának növekedésével ez egyre inkább problémát jelent. A töltés-feszültség átalakítására szolgáló er®sít® sávszélessége a korábbiakban említettek szerint a keletkez® zaj és a növekv® disszipációs teljesítmény miatt korlátozott. Az egyre több információ miatt a sávszélességet kellene növelni... vagy az er®síteni kívánt információ mennyiségét csökkenteni. Ez utóbbit választják megoldásnak, és a
CMOS
érzékel®knél már leírtak szerint a pi-
xeleket tömbökre osztják, és az információt így kisebb csoportokban er®sítik. Ezzel a megoldással természetesen romlik a
CCD
érzékel® er®sítési egyöntet¶-
sége (uniformity). A
CMOS
érzékel®k els®dleges fejlesztési iránya a viszonylag nagy helyet fog-
laló pixelek méretcsökkentése volt, ez a korábbiakban leírtak szerint ugyanis további el®nyöket hoz. Sajnos ennek az érzékel®típusnak korántsem olyan egyenesvonalú a fejlesztése, mint a
CCD -knek, ugyanis az eszközök összetettségével
a tervezés is egyre bonyolultabbá válik. A felbontás növelésével a digitális áramkörök száma is jelent®sen megnövekedett, ami problémát jelent, mert ezek az egységek zajt visznek az analóg részekbe is. Ezt mérsékelni tudják az analóg és digitális részek szétválasztásával, amivel viszont az ilyen típusú rendszerek néhány el®nye (pl. a sebesség) csökken. További gondot okoz, hogy az ilyen bonyolultságú rendszerek nem szimulálhatók, és ez a tervezési költségeket növeli meg jelent®sen, mivel az eszköz kipróbálásához muszály legyártani azokat. El®nyük, hogy az aránylag kis darabszámú érzékel® jelét feldolgozó er®sít®k szükséges sávszélessége viszonylag kicsi, így az általuk termelt zaj is alacsony szint¶. Ez különösen a kevés fény mellett készült felvételeknél fontos, ahol nagy er®sítésre van szükség. A
CMOS
érzékel® nagy el®nye, hogy könnyen beépíthet®
intelligens és biztonsági rendszerekbe, mivel azok nagy sebességgel, igényeiknek megfelel®en tudják használni[6, 7]. Mindkét szenzor típusnál lehet®ség van az érzékenység további növelésére. Ez lehetséges a gyártási megoldások optimalizálásával, vagy a m¶ködtetés megfelel® szervezésével. Az el®bbire megoldás lehet pl. az antire exiós réteg felvitele a szenzor felületére. Ezzel növelhet® a kvantumhatásfok, ugyanis a fotonok kisebb
10
8. ábra. A TDI szenzor m¶ködése
valószín¶séggel ver®dnek vissza a felületr®l, így növelve a töltésszétválasztás esélyét. Érdekes megoldás az aktív területek relatív növelése ez különösen azért fontos, mert az elektronikus zár és a
CMOS
érzékel®k kiegészít® tranzisztorai
miatt az aktív terület csökken. A problémát úgy oldják meg, hogy mikrolencséket építenek a pixelek fölé, amik a teljes pixel területével megegyeznek, de csupán az aktív területre fókuszálják a bees® fényt. A m¶ködtetéssel való érzékenységnövelés módja
CCD -knél
5
nagyon egyszer¶ : a léptetést úgy vezérlik,
hogy a töltéscsomagok haladásának irányában elindítanak egy kiolvasási sorozatot kezdve a legfels® sorral (8. ábra). Ez, mint egy hullám söpör végig a
CCD
sorain, és a hullám el®tt nem végeznek léptetést! Ennek hatására az els®
sorból átléptetett töltések összeadódnak a második sor elektronjaival. A következ® lépésben a második sor immár megnövelt számú elektronjait léptetik a harmadik sorba, így azok ismét összeadódnak: most már az els®, a második és a harmadik sor elektronjai együttesen vannak jelen. Ez a technika elvileg tetsz®leges mennyiségben végezhet® (maximális értéke azonban tipikusan 100), de ezzel az érzékel® aktív területe is lecsökken két sor összegy¶jtésénél felére, három sornál harmadásra, és így tovább. Mivel a
CCD -knél
ez a fajta töltésösszegzés
minden egyéb m¶velet nélkül megy végbe N sor összegzésénél N értékével javul a jel-zaj viszony is. Ez a módszer f®leg az un.
TDI 6
érzékel®knél terjedt el. Ezek
vonalérzékel®k, és sajátságuk, hogy gyenge megvilágítási viszonyok mellett is szép, zajmentes képet szolgáltatnak. A módszer a
CMOS
érzékel®knél is alkal-
mazható azzal a különbséggel, hogy ott már átalakított jelszinteket összegeznek, így ebben az esetben az er®sít®k rátev®dött zaja miatt a jel-zaj viszony javulása
√
csak
N.
A leírtak alapján kezd körvonalazódni, hogy melyik érzékel®típus mire is használható jobban. A
CCD -k
5 A szakirodalomban ezt a módszer 6 Time Delay and Integration
igen jó min®ség¶ állóképeket rögzítenek, igen binning-nek hívják.
11
7
nagy lehet a felbontásuk , és szélesebb hullámhossztartományban m¶ködhetnek. A
CMOS
érzékel®k azokon a helyeken tejesítenek jól, ahol nem annyira
a min®ség, mint inkább a sebesség, az integrált kivitel, az intelligens szenzor vagy a képrészletek külön kiértékelésének lehet®sége fontos. Az álló, vagy jól kiszámítható sebességgel mozgó tárgyak esetén nem érzékel® mátrixot, hanem vonalérzékel®t használnak. A
CMOS -ok
jól teljesítenek a ezen a téren, külö-
nösen ha színes letapogatásról van szó, ugyanis itt a feldolgozó áramkörök lehetnek távolabb is az érzékel® pixelekt®l, míg a közvetlen közelben kell lenniük. A
CCD -k
CCD -nél
a két egységnek a
a fent említett rossz fényviszonyok
esetén használhatók jól vonalérzékel®ként a binning technika alkalmazásával. Az érzékel® kiválasztásánál tehát els®dleges szempont, hogy az alkalmazás milyen igényeket támaszt az érzékel®vel szemben. Ennek tisztázása, és a jellemz®k prioritási sorrendjének meghatározása nagyban segíthet egy ilyen jelleg¶ döntés meghozatalában[8].
5.
Színes felvételek Eddig nem esett szó a színinformáció rögzítésér®l, ami nem véletlen. Az
említett szenzorok kvantumos m¶ködésük révén nem tesznek különbséget a beérkez® foton frekvenciáját illet®en. Ha energiája legalább akkora, mint a tiltott sáv szélessége, akkor elektront gerjeszt, máskülönben egyszer¶en elnyel®dik ezzel melegítve a félvezet®t. Tehát ezek az érzékel®k csupán a besugárzottság térbeli eloszlásáról adnak információt ami fény esetében a világosságot jelenti. Fontos megemlíteni, hogy e szenzorok alkalmasak a látható tartoányon kívüli sugárzások rögzítésére is, így infravörös, UV vagy akár röntgen tartományban is használhatók képalkotásra. Mivel a különböz® frekvenciájú fotonok más és más mélységben nyel®dnek el a félvezet®ben, az érzékel®k gyártásánál pontosan meg kell határozni, milyen tartományban használják majd ®ket. Ennek megfelel®en
CCD -k a gyártási paraméterek beállításával testreszabhatók e tekintetben, a CMOS érzékel®knél viszont a teljes struktúrát át kell tervezni, ha az érzékelni a
kívánt sugárzás energiáján szeretnének módosítani. A színes felvételeknél a helyzet bonyolultabb, ugyanis a színek szétválasztásához egyrészt nagyon kis energiakülönbségeket kell tudni megkülönböztetni, másrészt egy érzékel®n kell megoldani a problémát. Számos megoldás született, és valószín¶leg születik még a jöv®ben is. A ma legelterjedtebben használt megoldás az un. Bayer sz¶r®
8 (ld. 9 ábra). A színsz¶r®k mintázata alapján hívják
még GRGB, vagy RGGB sz¶r®nek is. A lényege, hogy az egyes érzékel® pixeleket szelektívvé teszi a fotonok energiájára, így az érzékel® az emberi szemhez hasonló módon képessé válik a színek érzékelésére. A színszelektivitás eloszlása nem egyenletes, ugyanis a zöldre érzékeny pixelekb®l annyi van, mint amennyi kék és vörös együttesen. Ennek oka, hogy az emberi szem is a zöld tartomány-
ˆ (λ) ban a legérzékenyebb (V
9 értéke
λ = 555
nm-nél található). Az érzékel®
ilyen módon való maszkolása problémát jelent, ugyanis a szín szerinti felbontás jóval kisebb (zöld esetén fele, vörös és kék esetén negyede) a kép felbontásánál (ld. 10b. ábra, részletesen ld. 14. ábra). Ez a színek utólagos korrekcióját
7 A legutóbbi bemutatott érzékel®k felbontása 48 MPixel[2]. 8 Kitalálója Bryce E. Bayer után elnevezve. 9 Az emberi fotopos nappali vagy színes látás energiahatékonyságának szerinti függvénye.
12
hullámhossz
9. ábra. Bayer sz¶r® mintázat
(a) Eredeti kép
(b) Az elkészült RAW kép
(c) Helyreállítás után
10. ábra. Bayer sz¶r®vel készült kép
igényli, amivel a kisebb mennyiség¶ színinformációt a kép méretéhez igazítják. Ez az eljárás a mozaik visszaalakítás (
demosaicing ),
melynek során a hiányzó
részek értékét a meglév®k alapján, interpolációval számolják. A legegyszer¶bb megoldás az un. legközelebbi-szomszéd interpoláció (
lation ),
nearest-neighbor interpo-
ami egyszer¶en lemásolja a legközelebb es® adott szín¶ pixel értékét.
Ez a megoldás nem használható olyan célokra, ahol a min®ség számít, de el®nézeti képekhez kis számolási igényének köszönhet®en jó megoldást nyújt. Hasonlóan egyszer¶ a bilineáris interpoláció, ahol mondjuk egy nem vörös szín¶ pixel vörös értékének kiszámítása az ®t körülvev® vörös pixelek értékeinek átlaga alapján történik. Természetesen a kék és zöld értékekre vonatkozóan is hasonló módon zajlik a számítás. Léteznek bonyolultabb eljárások is, melyek az egyes színekre vonatkozóan különböz® algoritmusokkal számolnak, ilyen a bicubic interpoláció vagy a spline interpoláció ill. a Lánczos algoritmus. Ezek a számítási módok jól használhatóak egyenletes színezet¶ felületeknél, de nem adnak megfelel® eredményt élek vagy a részletek esetén. Jobb megoldást nyújtanak az olyan algoritmusok, melyek a pixelek térbeli elhelyezkedését is gyelembe veszik. Alternatív mintázatokkal is próbálkoztak a fejlesztések során több-kevesebb sikkerel. Ilyen pl. a CYGM (cyan, yellow, green, magenta) sz¶r® (ld. 15a. ábra), melyet a SONY fejlesztett és alkalmazott 1999 és 2000 között, vagy a szintén általuk fejlesztett RGBE (red, green, blue, emerald) változat (ld. 15b. ábra), mely 2003-2004-ben volt jellemz®. A sz¶r®k további fejlesztését jelenti a pánkromatikus pixelek megjelenése, ami azt jelenti, hogy a fényérzékenység növelése céljából egyes cellák elé nem helyeznek színsz¶r®t ezeknél a teljes látható tartományban átereszt® réteg van. A megoldásból adódóan egyéb sz¶rés nélkül a szenzor az infravörös tartományra is érzékeny. Ezt a fejlesztését 2007-ben mu-
13
11. ábra. A mikrolencsés és dichroikus tükörrel szerelt érzékel® vázlata
tatta be a Kodak, a minta a 16. ábrán látható. A színhelyesség problémájának sz¶rökkel való megoldását továbbgondolva a Nikon 2006-ban kifejlesztette a mikrolencsés és dichroikus tükrökkel megvalósított érzékel®t. Ennek lényege, hogy egy-egy lencse három érzékel® méret¶, és a területre bees® fényt egy nyílásba fókuszálja. A nyílás a takarólemezen helyezkedik el, ami allatt
45◦ -os
döntéssel
elhelyezett, különböz® frekvenciatartományt átereszt® dichroikus tükrök találhatók. Az els® tükör egy felül átereszt® tükör, ami azt jelenti, hogy egy bizonyos frekvencia alatt visszaveri a fénysugarakat. Ezt a frekvenciát úgy állítják be, hogy a kék színt átengedje, a többit pedig verje vissza ez és
◦
45
45◦ -os
tükörhelyzet
-os beesési szög mellett azt jelenti, hogy az eredetileg függ®legesen bees®
fénysugarak vízszintes vonalban haladnak tovább a kéket kivéve, ami egyenesen haladva a kék érzékel® cellát éri. A zöld és vörös sugarak továbbhaladva újabb dichroikus tükörhöz érnek, ami egy alul átereszt® sz¶r® így a vörös fénysugár továbbhalad, míg a zöld fénysugár visszaver®dik, és a zöld érzékel® cellához jut. A megmaradó vörös összetev® egy normál tükröz®felülethez érve visszaver®dik, és a vörös érzékel® cellát éri (ld. 11. ábra). A színprobléma megoldható egy másik megközelítéssel: a hiba oka az érzékel® celláinak és a különböz® színekre érzékeny cellák számának eltéréséb®l adódik. Ha olyan szerkezetet készítenek, ahol a két szám megegyezik, a dolog nem okoz többé problémát. Erre egyik megoldás az un. 3CCD-s kamerák alkalmazása. Itt az el®z® bekezdésben ismertetett dichroikus tükrök segítségével szín alapján három nyalábra osztják a fényt (a képet), és ezeket külön
CCD
mátrixokkal
fogják fel. Így a kép minden egyes pontjához három színérték tartozik. Ez a megoldás nagyon jó, de sajnos érzékeny optikai rendszer és három érzékel® szükséges hozzá, ezért csak nagyjából a 2000-ig, a professzionális eszközökben alkalmazták ma már hatékony technikák vannak e hátrányok lek¶zdésére, mint pl. a Nikon mikrolencsés érzékel®je, vagy a most következ® megoldások bármelyike. E m¶ködés utánozására nyílt lehet®ség csupán egy érzékel®lapkával a modern mikroaktuátorok kifejlesztésével. Álló vagy viszonylag lassan mozgó ábrákat ma már úgy is fényképeznek, hogy az érzékel®t piezoelektromos mozgatóegységek segítségével egy-egy pixelnyit elmozdítva három különböz® felvételt készítenek. A folyamat lényege, hogy a kép egy-egy pontját mindegyik típusú cella rögzítse. Ezzel a módszerrel ugyan kb. háromszorosra n® az expozíciós id®, cserébe viszont minden képpontról van három színinformáció. Teljesen új fajta megközelítést jelent a Foveon X3 típusú
CMOS
érzékel®k
családja. Ennél a fotonok azon tulajdonságát használják ki, hogy a különböz® frekvenciájú fotonok miden egyes anyagba így a félvezet®be is különböz®
14
(a) Dichroikus sugárosztó prizma
(b) Fehér fény bontása
12. ábra.
13. ábra. A félvezet® foton abszorpciója és a Foveon X3 érzékel®i
mélységbe hatolnak be. Ha olyan érzékel®t készítenek, ami szendvicsként három rétegb®l áll, és a megfelel® mélységekben elhelyeznek három érzékel®t, akkor tulajdonképpen olyan három érzékel®s rendszer az eredmény, ahol az érzékel®k közvetlenül egymáson vannak, és a m¶ködéshez nincs szükség semmiféle sz¶r®re (ld. 13. ábra). A m¶ködésb®l adódóan a különböz® energiájú fotonok szétválasztása nem éles határú. Emiatt el®fordul, hogy egy kisebb energiájú fotont egy, a felszínhez közelebb lév® szenzor fog be. Az elkészült képen a színkontraszt növelése érdekében végrehajtanak bizonyos m¶veleteket, ami különösen rossz megvilágítási körülmények között zajossá teszi a képet. [12] Színes képek rögzítésének igényével sok helyen találkozhatunk: a hétköznapokban, tudományos kutatásokban, a mérnöki gyakorlatban és még sok más helyen. Az erre a célra kifejlesztett szenzorok remekül ellátják feladatukat, de nem alkalmasak a színek megmérésére. További fejlesztéssel maguk az érzékel®k képessé tehet®k ilyen feladat ellátására, de a színek térbeli eloszlásának ilyen részletes mérése a mérésekt®l általában elvárt min®ségben nem ki zet®d®. Vannak gyártók, ill. mérnöki irodák, akik digitális fényképez®gépeket felhasználva olcsó kategóriás m¶szereket készítenek, de nem elterjedtek annak ellenére, hogy maguk a zikai eszközök más összeállításban nagy pontosságú
15
színmérés megvalósítására képesek.
6.
CCD és CMOS érzékel®k színmérési alkalmazásokban Mikor a szín fogalmat használjuk, automatikusan az ember által ismert és
érzékelt színekr®l beszélünk. Ez azért lényeges, mert egy-egy szín jellemzésére ennek megfelel®en az emberi látásra alapozva, három jellmz® szükséges. A színek leírására rengeteg rendszert dolgoztak ki, de mindegyikben közös a három adat, ami a teljes leíráshoz kell[14]. Maga a színmérés két elv alapján történhet: 1. Három, pontosan ismert spektrális érzékenységgel gy¶jtött adatból meghatározva ami eredhet három különálló szenzortól, vagy három különálló sz¶r® felhelyezésével de egy szenzoron mért értékek alapján. Ezt tristimulusos színmérésnek hívják. Jellemz®je, hogy az adatok felvételéhez használt spektrális érzékenységi függvényekkel egy adott színrendszerben való jellemzés valósítható meg egyszer¶en. 2. A beérkez® sugárzás spektrális energiaeloszlása alapján matematikailag számítható a szín jellemzésére használt tetsz®lege három jellemz®. Az els® megoldás viszonylag gyors mérést tesz lehet®vé, de éppen a
CCD -k
megjelenésével mára elvesztette szinte minden el®nyét, melyek a gyors mérés és a masszív kivitel. A második megoldás el®nye, hogy alkalmas necsak felületszínek (másodlagos sugárzók), hanem fényforrások vagy akár sz¶r®k (transzmisszó) mérésére is. Másik nagy el®nye, hogy a spektrális energiaeloszlásból tetsz®leges jellemz® számítható. Felületszínek
10 spektrális energiaeloszlása két módon mérhet®: vagy össze-
tett fény bontásával különböz® hullámhosszúságú fénysugarakkal megvilágítva a felületet a visszaver®d® jel mérhet®, vagy az összetett fénnyel való megvilágítás után a visszaver®d® sugárzást vezetjük színbontó-elemre, és az egyes komponenseket vizsgáljuk. Az utóbbi esetet feltételezve a klasszikus mérési elrendezés szerint egyetlen érzékel® felhasználásával a színbontó elem forgatásával juttatható a felületr®l visszavert fény megfelel® komponense az érzékel®re. A színbontóelem és egy skála vagy m¶szer együttes mozgatását megoldva a válaszjel nagysága és a hozzátartozó hullámhossz érték rögzíthet®. Így a spektrális felbontástól függ® darabszámú mérésre van szükség, ami a mérés hosszú idején kivül a keletkez® mérési zajnak sem kedvez. A óriási segítséget, ugyanis egy
CCD -k ebben a mérési elrendezésben nyújtanak CCD sor, mint megannyi érzékel® alkalmazható.
Így a színbontó-elem mozgatása elmaradhat, mert azt a megfelel® távolságra helyezve az érzékel®t®l az egyes komponensek a
CCD
más és más elemeit érik,
ami egyúttal azt is jelenti, hogy elegend® csupán egyetlen mérés! Az érzékel®b®l kiléptetve az eredményeket az egyes töltéscsomagok nagysága arányos az adott hullámhosszon mérhet® fotonok számával, vagyis az energiaer®sséggel. Így a mér®eszköz zikai felépítésének ismeretében ismert a hullámhossz szerinti elhelyezkedés, ami a kiolvasás során az értékek sorrendisége alapján a mért értékekkel összerendelhet®. Az érzékel®k folyamatos méretcsökkenése és megbízhatóságának növekedésével ma már tenyérben elfér®, szinte tetsz®leges színrendszer adatait megadni
10 A
színmérés fogalma alapvet®en felületszínek jellemz®inek meghatározását jelenti.
16
képes eszközök kaphatók, melyek univerzálisan használhatók fényforrások, felületek és sz¶r®k színének meghatározására. További fejlesztésük ezen a területen valószín¶leg az energiafelvétel és a zaj további csökentésére korlátozódik, hiszen az igazi piacot az elektronikus képfeldolgozás és képrögzítés területe jelent. Írásomban igyekeztem bemutatni a CCD-k m¶ködési és gyártási alapjait, amit a CMOS érzékel®k bemutatásával folytattam. A két eszköz egymás mellett való létezése különböz® tulajdonságaik miatt van, ezért fontosnak tartom a róluk írt összehasonlítást. Részletesen írtam a színes képek rögzítésének nehézségeir®l és az erre ismert megoldásokról, ill. fejlesztési irányokról. A dolgozat utolsó részében pedig bemutattam, hogy a CCD-k hogyan forradalmasították a színmérést.
17
(a) Vörös rész-kép
(b) Zöld rész-kép
(c) Kék rész-kép
14. ábra. Bayer sz¶r®vel készült kép részei
(a) A CYGM sz¶r®
(b) Az RGBE sz¶r®
15. ábra. A Bayer sz¶r® alternatívái
16. ábra. Pánkromatikus pixeles minták
18
Hivatkozások [1] Savvas G. Chamberlain.
Photosensitivity and scanning of silicon image
IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-4,
detector arrays.
6:333342,
December 1969. [2] Harry C. van Kuijk Louis H. Meessen Agnes C. Kleimann Erik W. Bogaart Inge M. Peters Holger Stoldt Mesut Koyuncu Jan T. Bosiers ErikJan P. Manoury, Wilco Klaassens. A
36 × 48mm2
48m-pixel ccd imager for
professional dsc applications. Technical report, DALSA, DALSA Professional Imaging, High Tech Campus 27, 5656 AE Eindhoven, The Netherlands, 2008. [3] Nobel Foundation. Fizikai nobel-díjak. 2009. [4] Gábor Harsányi, editor.
Érzékel®k és beavatkozók.
Number 55048. M¶egye-
temi Kiadó, 1999. [5] James R. Janesic, editor.
Scienti c charge-coupled devices.
Number ISBN
9780819436986. SPIE Press, 2001. [6] Dave Litwiller. Ccd vs. cmos: Facts and ction.
Photonics Spectra, Január
2001. [7] Dave Litwiller.
Cmos vs. ccd: Maturing technologies, maturing markets.
Photonics Spectra, Augusztus 2005.
[8] Nixon O. Application set imager choices.
Advanced Imaging, Július 2008.
[9] G. Sadasiv F. V. Shallcross P. K. Weimer, W. S. Pike and L. MerayHorvath. Multielement self-scanned mosaic sensors.
IEEE Spectrum, 6:52
65, Március 1969. [10] G.F. Bertram W.J. Jr. Buckley R.R. McNamara W.J. Mikkelsen J.C. Jr. Sealer D.A. Tompsett, M.F. Amelio. Charge-coupled imaging devices: Experimental results.
IEEE Transactions on Electron Devices,
18 (11)(ISSN
0018-9383):992996, November 1971. [11] Wikipedia. Active pixel sensor. [12] Wikipedia. Bayer lter. [13] Wikipedia. Charge-coupled devices. [14] György Ábrahám.
Optika.
Number ISBN 978963545144X. Panem Kiadó,
1998.
19
