CCD obrazové snímače dnes najdeme prakticky ve všech aplikacích pro zpracování obrazu. Narozdíl od snímačů ve fotoaparátech a kamerách, kde se dává důraz na rozlišení dané počtem pixelů, v průmyslových aplikacích se často klade důraz na parametry udávající účinnost a šumové vlastnosti.

O obrazových CCD snímačích, tedy Charge-Coupled Devices, snad v dnešní době slyšel každý. Výrobci digitálních fotografických přístrojů se stále předhánějí v počtu pixelů (bodů), na které je obraz digitalizován. Dnes již existují i 10megapixelové snímače, čímž již plně dosáhli kvality klasických "analogových" fotoaparátů. Jenže počet pixelů rozhodně není všechno a pro některé druhy obrazových záznamů jsou dokonce důležitější jiné parametry - např. účinnost, velikost temného proudu. Ty vlastnosti, co fotografy fotící běžné obrazy našeho života málo kdy zajímá a co málo kdy využijí, jsou pro vědce a pracovníky některých odvětví důležité. Jde například o zaznamenávání obrazu miniaturních nebo velmi málo osvětlených objektů. V těchto případech je počet fotonů, reprezentující světlo dopadající na snímač, tak malý, že je nutné jich zachytit co nejvíce (ideálně všechny). Právě obor zvaným astronomie vyžaduje pro fotografování a sledování oblohy takové SUPERCITLIVÉ CCD SNÍMAČE. V současné době jsou využívány i v astronomických kamerách české firmy Moravské přístroje a.s.

Stručný úvod do principu CCD snímačů

O CCD snímačích již toho bylo napsáno hodně, hlavně ve spojení s digitálními fotoaparáty. Myslím však, že pro pochopení odlišností normálních fotoaparátů a upravených CCD astronomických přístrojů, je dobré připomenou základní princip CCD snímačů a odlišnosti některých provedení. CCD je polovodičová součástka, která původně byla vyvíjena pro použití jako paměťový chip. Zatímco jako paměť se nikdy moc nevyužívala, nesmrtelnost ji zajistila schopnost převádět dopadající světlo na velikost náboje. Vznikl tak CCD snímač obrazu.

Princip je v zásadě docela jednoduchý: Dopadající světlo na povrch křemíkové destičky v podobě fotonů (balíčků energie) se ukládá jako náboj v potenciálových jámách. Ty zabraňují volnému pohybu elektronů a tím i náboje po chipu a dochází tak k jeho kumulování (podobně jako se například plní sud přitékající vodou). Každá taková potenciálová jáma představuje jeden pixel CCD snímače. Velikost zachyceného náboje je hlavně ovlivňována intenzitou dopadajícího světla a dobou, po kterou necháme CCD chip světlu vystavený (Podobně jako objem vody v sudu odpovídá velikosti přítoku z hadice a době, po kterou je sud plněn). Ale jak uvedu dále v článku, je velikost náboje v jámě (vody v sudu) ovlivňována i dalšími vlastnostmi, které v limitních případech začínají hrát velkou roli (Co například udělá taková malá dírka v sudu s objemem vody v něm?).

Zachycený náboj je nutné po nějaké době odebrat a převést na elektrický signál. Jinak by mohl dojít k přetečení potenciálové jámy, podobně jako může přetéct sud, když se z voda neodebírá. Obrazové CCD snímače obsahují matici pixelů (potenciálových jam), u nichž postupným přesouváním náboje z jedné jámy do vedlejší dochází k jeho vysouvání na okraj chipu, kde je převáděn převodníkem na napěťový signál - viz obrázek 2. Praktický problém je ten, že se během tohoto vysouvání jednotlivých řádků nesmí snímat obraz. CCD chip by tedy měl být zacloněn, aby nedocházelo k ovlivňování náboje.

Z tohoto pohledu se vyskytují 3 principy:

• FF - Full Frame - vystavena světlu je celá plocha chipu, tzn. všechny dostupné pixely. K vysunutí/sejmutí náboje je nutná mechanická clona (mechanical shutter), která chip zakryje.
• FT - Frame Transfer - chip je rozdělen na plochu stále vystavenou dopadajícímu světlu (Imaging Area—IA) a plochu trvale zakrytou (Storage Area—SA). Do ní se v daný okamžik rychle přehraje celá snímací matice a z ní již je možné náboj klidně pomalu digitalizovat po celou dobu snímání dalšího obrázku na snímací části čipu (cca desítky ms). Funguje zde tedy paralelizmus. Princip se také označuje jako elektronická clona (electronic shutter) a patří mezi nejlevnější, ale kvalitativně nejhorší, řešení.
• IT - Interline Transfer - princip je podobný FT. Také zde jde o elektronickou clonu (electronic shutter), ale jinak provedenou. Vedle každého na světlo citlivého sloupce je i podobný zakrytý a na světlo necitlivý sloupec, který udržuje a posouvá náboj pro převod na signál během již dalšího snímání obrázku - viz obrázek 3.

Aby se co nejvíce zabránilo ztrátám v detekci světla způsobené neregistrováním fotonů dopadajících na zakryté plošky, implantují se na povrch CCD snímače miniaturní čočky. Ty lámou světlo a směrují ho jen do citlivé oblasti - viz obrázek 4. Uvedené principy beze zbytku platí pro monochromatické, dá se říct černobílé, CCD snímače. V dnešním světě ve většině případech potřebujeme snímat obraz barevně. Proto je nutné CCD snímače doplnit o barevné filtry, které propustí jen konkrétní barvu.

Obr. 4. Implantované čočky na povrchu CCD snímače

V elektronické praxi se využívá tradičního rozložení spektra do tří základních barev, z nichž lze zpětně složit původní barevný obraz. V součastnosti se v tomto směru využívá dvou komplementárních trojic:

• RGB (Red, Green, Blue) - tzv. rozložení barevného viditelného spektra světla do složek červená, zelená, modrá. Tato tradiční kombinace však má nevýhodu ve fitru, kde každá barva pokrývá jen asi 1/3 spektra, tzn. jen 1/3 energie světla může projít. Výhodou je naopak jednoduchá výroba a perfektním barevném podání opět složeného obrazu.
• CMY - (Cyan, Magenta, Yellow) - tzv. rozložení barevného viditelného spektra světla do složek azurová, purpurová, žlutá. Výhodou tohoto principu je schopnost každého filtru pokrýt až 2/3 spektra. Je tu však velká nevýhoda v podobě problémů se správným vyrobením filtru Magenta, což způsobuje nepřesnosti v barevném podání. Proto se tato kombinace barev zatím využívá jen u levnějších zařízení a výrobce často CMY kombinaci doplňují o další filtry Green (zelená) pro odstranění zmíněných problémů.

Z pohledu principu snímání jednotlivých 3 složek barev se prakticky využívá 2 principů:

• Použití 3 separátních filtrů na 3 nezávislých CCD snímačích (používá se v kvalitních kamerách) nebo 3 filtrů na mechanickém karuselu před jedním monochromatickým CCD snímačem (vědecké kamery).
• Implementace barevného 3barevného filtru přímo na CCD chip v podobě střídání sloupců pixelů pro jednotlivé barvy nebo "barevné" pixely rozloženy dle Bayerovi masky (Bayer mask) - viz obrázek 5. Zde se využívá vlastnosti lidského oka, které je více citlivé na jas než barevné podání. Tyto principy se využívají hlavně ve fotoaparátech a levných kamerách.

 

Parametry důležité pro super citlivé CCD snímače

Jak již jsem zmínil výše, rozlišení snímače, vyjadřovaného počtem pixelů, nemusí být všechno a existují aplikace, kde jsou v centru zájmu jiné parametry:

 

• Účinnost EQ [%] - vyjadřuje schopnost zachytit, spotřebovat a využít energii dopadajícího světla
• Temný proud (Dark Current) [počet elektronů za sekundu na pixel - e/s/px] - udává změnu náboje v pontenciálové jámě pixelu vlivem úniku elektronů
• Čtecí šum CCD snímače (Read noise) [průměrný počet eletronů - e RMS] - vyjadřuje s jakou přesností lze náboj z pixelu přečíst
• A/D převodník - počet bitů převodníku [bity] - udává na jaký počet úrovní se kvantuje úroveň náboje

 

Kvantová účinnost EQ (Quantum Efficiency)

Tato hodnota udává v procentech, kolik energie světla, resp. kolik fotonů, z dopadajícího záření je využito (detekováno) CCD snímačem. Na obrázku 6. je příklad účinnosti některých CCD různých výrobců. Na EQ má vliv provedení snímače:

 

• FF - Full Frame (Front-illuminated CCD) - má z "běžných CCD" nejvyšší účinnost a je s ním možné dosáhnout hodnot i přes 80% pro monochromatické CCD. V případě použití barevného snímání, EQ výrazně klesá (např. z 90 % až pod 50 %). Příkladem mohou být snímače Kodak KAF-0402ME, KAF-1603ME, KAF-3200ME a KAF-6303E (viz. obrázek 1. a 6.) vhodné pro využití v astronomie či mikroskopii.
• IT - Interline Transfer (Front-illuminated CCD) - má výrazně nižší účinnost vlivem faktu, že část povrchu chipu je zakryta. Dnes prodávané digitální fotoaparáty mají běžně hodnotu EQ maximálně 20 %. V případě použití čoček na chipu lze dosáhnout účinnosti i přes 40 až 50 %. Samozřejmě takové chipy mají výrazně vyšší cenu.
• Speciální provedení - Back-illuminated CCD - chipy osvětlované zezadu - umožňují dosáhnout v monochromatickém provedení účinnosti až 98% pro některé vlnové délky. To je také vykoupeno velmi vysokou cenou. Příkladem mohou být CCD snímače Marconi (viz obrázek 6.). Jejich využití je hlavně ve velmi citlivých astronomických přístrojích.

V porovnání s klasickým filmem pro fotoaparáty, který dosahuje EQ maximálně 3%, jde o markantní rozdíl. Proto pro potřeby astronomie se CCD snímače masově využívaly již dříve, než například v žurnalistice nebo umění.

Temný proud (Dark Current)

Tzv. temný proud reprezentuje náboj generovaný v jednotlivých pixelech i bez osvětlení, čistě v důsledku kvantových jevů v polovodiči. Tento jev způsobuje "nabíjení" pixelu nábojem, i když na něj nedopadá žádné světlo. Temný proud je lineárně závislý na teplotě a typicky se zdvojnásobuje každých 6 až 7 °C. Za pokojové teploty obvykle temný proud zahltí CCD čip během několika desítek sekund a místo černého místa na snímku je zde světlí bod. To je příčina relativně krátkých maximálních expozičních časů u digitálních fotoaparátů. Tzv. „temný snímek”, neboli obraz tepelného šumu pořízený bez osvětlení, je charakteristický pro konkrétní kus CCD čipu a za dané teploty a expoziční doby je dobře reprodukovatelný. Kvalitnější fotoaparáty dokáží po delších expozicích (např. delších jak 1 s) automaticky pořídit ještě temný snímek a jeho odečtením od exponovaného snímku výrazně redukovat šum.

V případě aplikací vyžadující fotografovat přesně i za tmy, například fotografování noční oblohy v astronomii, je nutné dosáhnout dlouhých expozičních časů. V těchto případech se používá termoelektrického chlazení chipů až o 30 °C pod okolní teplotu. Tím se docílí snížení temného proudu až 25x. Specializovaná kamera tak dokáže exponovat až 25 minut se stejnou úrovní šumu jako digitální fotoaparát s expozici 1 minuta. Uvážíme-li, že teplo generované elektronikou i samotným CCD čipem běžného fotoaparátu teplotu snímače oproti okolní teplotě zvýší i o několik stupňů, bude rozdíl ještě větší.

Čtecí šum (Read noise)

Tato vlastnost udává, s jakou přesností lze změřit náboj každého pixelu. Obvykle se udává v počtu elektronů, které lze díky šumu rozlišit. Například pro chip Kodak KAF-0400 je čtecí šum roven 15 e– RMS nezávisle na teplotě. Uvedený údaj se často převádí přepočet na šum ve voltech. Například pro zmíněný Kodak je přepočetní konstanta 1elektron = 10 mV, tzn. čtecí šum je docela vysokých 150 mV.

Bitové rozlišení A/D převodníku

Všude, kde se provádí digitalizace analogového signálu, je hlavní složkou nepřesností a šumu rozlišení A/D převodníku. Stejně tak u každého zařízení s CCD snímačem. Ačkoliv se digitální kamery a fotoaparáty vyznačují vysokou rychlostí digitalizace CCD snímků, dosahující milionů zpracovaných pixelů za sekundu, signál je typicky převáděn s 8 nebo 10bitovou přesností. 12bitový převodník je již výjimečný. Přitom ani 14bitový převod na počítání jednotlivých fotonů světla nestačí a tak je pro náročné aplikace plný 16bitový rozsah nezbytný. Zde se však naráží na rychlost zpracování. Při použití čipů obsahující milióny pixelů na snímek je nutné čekat mnoho desítek sekund nebo i několik minut. Proto kamery využívané pro snímání velmi málo osvětlených nebo svítících předmětů, jako například hvězdy, se využívá CCD snímačů s menším počtem pixelů než je běžné u turistických fotoaparátů. Kvalitních snímků se zde dosahuje 16bitovým A/D převodníkem a dlouhými časy expozice.

Závěr

Zatímco u běžných CCD snímačů obrazu, využívaných v turistických fotoaparátech pro focení běžných fotek nebo v kamerách zabezpečovacích zařízení, patří mezi nejdůležitější vlastnosti rozlišení dané počtem pixelů a co největší rychlost zpracování/uložení snímku, v případě aplikací vyžadující maximální citlivost na světlo jsou nejdůležitější šumové parametry a kvantová účinnost snímače. Jen díky takovým supercitlivým CCD snímačům je možné zkoumat vesmír.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Odkaz na českou firmu zabývající se úpravou CCD snímačů a výrobou supercitlivých CCD kamer pro astronomii - firma Moravské přístroje, a.s. - www.mii.cz
• Stránky firmy Moravské přístroje zabývající se super citlivými CCD snímači - http://ccd.mii.cz

   

• Článek "Introduction to CCD Imaging" na http://ccd.mii.cz/art?id=303&cat=52&lang=409

• Článek o použití CCD snímačů ve výzkumu vesmíru - http://ccd.mii.cz/art?id=313&cat=1&lang=409
• Články o supercitlivých astronomických CCD kamerách v sortimentu firmy Moravské přístroje - http://ccd.mii.cz/cat?id=22&lang=409
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz