Inne: Matryce CCD
Ten post stanowi kopię wykładu gościnnego Marka Lewandowskiego opublikowanego na grupie dyskusyjnej pl.rec.foto.cyfrowa
Jedziemy. Bedzie dlugasnie.
Nie mam ochoty na wojne z ludzmi, ktorzy uwazaja, ze wystarczy, jak aparat nie
szumi przy ISO50 i 1/1000 sekundy, wiec nie bede sie wypowiadal na temat A2,
czy jakiegokolwiek aparatu w szczegolnosci, a naskrobie sobie o CCD i temu
podobnych.
Baedzie technicznie, ale jakies wnioski powinno sie dac wyciagnac bez slownika
wyrazow obcych i przeklenstw egzotycznych.
Zacznijmy od tego, co to jest CCD, ale od tej elektronicznej strony. Poniewaz
nie jest to moje zrodlo utrzymania, moja wiedza moze miec powazne merytoryczne
luki, wiec jesli ktos tu jest z tematem za pan brat, to prosze ewentualnie o
szybka korekte. Jednoczesnie zapewniam, ze w wyjasnienie tematu wlozylem
wiecej niz pogapienie sie w sufit, a pewne uproszczenia (nazwijmy to DALEKO
idace) sa celowe, fizyka polprzewodnikow nie jest mi calkowicie obca, ale jak
wyjedziemy tu z rownaniami to sie audiencja rozejdzie do domow. Kto ma ochote
na fizyke, niech wrzuci w google pare zapytan typu CCD structure, principle of
operation, physics itp. Jest dos╕ literatury ne temat. To jest pogadanka dla
humanistow ;D
Tak zgrubnie mozna podzielic CCD na takie, ktore do pracy potrzebuja
zewnetrznej migawki i takie, co jej nie wymagaja. W zyciu pokrywa sie to z
podzialem na kompakty i lustrzanki. Kompakty (z racji na celowanie na LCD)
musza byc wyposazone w matryce pozwalajaca "nagrywac" "video", tj. pracowac
bez klapania migawka.
CCD to w uproszczeniu jedna wielka dioda krzemowa. Podloze (tzw. substrat)
jest typu p, wierzchnia warstwa typu n.
Na takim waflu nalozona jest cieniutka warstwa izolatora a na to ... o tym
dalej.
Padajace na krzem swiatlo powoduje wybijanie pojedynczych elektronow z ich
orit i tworzenie w ten sposob par dziura-elektron (ladunek dodatni i ladunek
ujemny). Gdyby ten kawalek krzemu byl jednorodny, "naturalny" taka para
ladunkow zaraz by sie z powrotem polaczyla i czesc. Jedyny efekt, to
podgrzanie krzemu. My mamy jednak dwie "warstwy", jedna z "niedoborem"
ladunkow dodatnich, druga - ujemnych. W obrebie granicy tworzy sie wbudowane
pole elektryczne. Takie rozbite uderzajacym fotonem pary (+)(-) nie maja
szansy sie znowu polaczyc, bo to pole "ciagnie" je w przeciwne strony.
Elektrony w kierunku powierzchni, dziury w podloze.
Dziury nas nie interesuja. Gina w czelusciach substratu, papa im mowimy i
tyle. Zbieramy elektrony.
Jak juz napisalem, cala struktura p-n przykryta jest izolatorem. W ten sposob
uwiezilismy elektrony - w glab nie uciekna, bo ich stamtad pole elektryczne
wygania, w gore nie prysna, bo izolator ich nie przepusci... zaraz, ale na
boki moga pelzac... I beda pelzac.
W tym celu na wierzch izolatora naniesiemy elektrody. Podluzne, waskie paski
ciagnace sie przez cala szerokosc sensora. W rownych odstepach. Naladujemy je
dodatnio. Ladunki dodatnie i ujemne sie przyciagaja, wiec teraz (ujemne)
elektrony przyciagane dodatnim ladunkiem beda gromadzic sie pod nimi - jak pod
dachem. Wygenerowany fotonem elektron prysnie pod najblizszy "daszek". Gdyby
nie bylo tego izolatora, to elektrony dolazlyby do tych elektrod i uciekly.
Ale mamy izolator.
Zaraz. Ale to nam zalatwilo polowe problemu. elektrony nie uciekna na
powierzchnie, ani w glab, ani w gore, ani w dol, ale maja jeszcze swobode w
lewo i w prawo. Pomysl, aby paski elektrod poszatkowac w male kwardraciki
niestety nie zda egzaminu, bo jakos trzeba moc nimi sterowac, a doprowadzic
prad mozna tylko z brzegu sensora. Doprowadzenia beda tak samo przyciagac
ladunki, wiec sorry.
Rozwiazanie problemu to zaszyte pod powierzcnia izolatora pionowe waskie paski
domieszek, dzielace "rownine" sensora na "rowy". Taaa... widzicie juz
"pixele"? Wcale nie takie podzielone jak by sie wydawalo, nie? Podzial raczej
plynny i polegajacy na strefach oddzialywania...
OK, dosc chrzanienia, zebralismy ladunki na kupki, teraz czas cos z nimi
zrobic. Zebralismy, czyli naswietlilismy zdjecie - w miejscach, gdzie bylo
jasniej, wiecej fotonow padlo na nasz kawalek krzemu i wiecej elektronow
zostalo naprodukowanych i teraz siedza pod daszkiem. Tam, gdzie bylo bardzo
ciemno siedzi jeden, moze dwa samotne i trzesa sie z zimna.
Trzeba to jakos wydostac. Z racji na budowe sensora ladunki nie moga sie
poruszyc na boki, bo trafia na te kanaly, nie moga tez splynac w glab, wiec
musimy je wyprowadzic z gory na dol wzdluz kolumn. Jesli rozladujemy te
"daszki" przestana one przyciagac elektrony i pozwola im plynac. Niestety w
ten sposob rozplyna sie one "po kosciach". Aby je poprowadzic naniesiemy
miedzy kazdymi dwoma podluznymi elektrodami dwie ekstra. Normalnie
nienaladowane, wiec nie wplywajace na gromadzenie sie ladunkow. Teraz, przy
odczycie, pomoga nam wyciagnac ladunki na zewnatrz. Ruchem robaczkowym.
Ladujemy dodatnio sasiednie, oczko nizsze elektrody wzgledem tych, co mielismy
naladowane. Elektrony przyciagane sa ociupinke dalej. rozladowujemy "stara"
elektrode - elektrony przyciagane sa tylko przez te "nowa" - przesunely sie
znowu kawalek dalej. itd.
Poniewaz zawsze pomiedzy dwoma "naladowanymi" miejscami jest kawalek przerwy,
elektrony zebrane w roznych miejscach nie przemieszaja sie nam.
Na samym dole CCD czeka drugi taki dynks, tym razem przesuwaacy ladunki z lewa
na prawo. W ten sposob ostatecznie wyplywaja porcyjki elektronow pixel za
pixelem. Teraz trzeba te elektrony policzyc i git.
Dla tych, ktorym ten opis zrobil sie dziki, tutaj jest plik powerpointa
calkiem ladnie i czysto tlumaczacy sprawe:
http://www.ing.iac.es/~smt/CCD_Primer /Activity_1.ppt
Co nam z tego wynika?
1. w najlepszym wypadku dostajemy 1 elektron na 1 padajacy foton. W praktyce
jest gorzej, bo czesc fotonow sie od krzemu odbije, czesc zostanie pochlonieta
bez generacji wolnych elektronow, czesc bedzie miala za mala energie do
wybicia elektronu (swiatlo glebsze niz czerwone zasadniczo przelatuje przez
krzem bez przystankow po drodze).
Elektrony pozniej mozna tylko tracic. Nie ma zadnego manewru, ktory raz
stracone elektrony nam "urodzi". Mozna "namnozyc" te, ktore zostaly, ale nie
przywroci to informacji.
2. ilosc fotonow padajacych na cm2 powierzchni okresla, ile maksymalnie mozemy
dostac elektronow. Jest to niezalezne od budowy i technologii CCD. Przy danej
ilosci swiatla padajacego na kawalek krzemu (przyslona obiektywu, ilosc
swiatla w scenie) dostaniemy MAKSYMALNIE tyle a tyle elektronow. Finito.
3. Optymalizacje technologii moga nam dac "tylko" mniejsze straty.
Jedziemy dalej. Teraz bedzie mniej opisow.
Podstawowy sensor jak obsmarowany wyzej nie pozwala na prace bez migawki.
Trzeba go naswietlic, swiatlo zamknac i odczytywac. Inaczej do przesuwanych
ladunkow beda caly czas dolaczac nowe, generowane padajacym swiatlem. To sie
nadaje do lustrzanki, ale nie do kompakta. Trzeba sprawe ulepszyc.
Ulepszono to tak, ze kazda kolumne podzielono znowu na dwie czesci, jedna jest
swiatloczula, a druga przykryta paskiem metalu (nieprzezroczystym). Po
naswietleniu matrycy przesuwa sie zebrane ladunki najpierw na te ciemna strone
(tak samo, jak je przesuwalismy w dol), a dopiero potem robaczkowo ciagnie w
dol. W tym czasie swiatlo moze sobie dalej padac, bo nowe ladunki nie dolacza
do tych transportowanych. Niestety, placimy za to tym, ze czesc sensora jest
nieczula na swiatlo. Rada na to (i nie tylko na to) sa tzw. mikrosoczewki,
ktore lapia swiatlo znad calego "pixela" i skupiaja je na tej mniejszej
swiatloczulej powierzchni. Czula powierzchnia jest mniejsza, ale dostaje
silniejsze swiatlo, wiec strata jest w duzym stopniu skompensowana.
Dobra. A co to ma do nas?
1. mamy wiecej etapow transportu. Wiecej mozliwosci przecieku elektronow.
2. Rozmiar pixela... Wlasnie... co okresla jak duzy jest ten pixel!? Przeciez
wzglednie sztywne granice mamy tylko po bokach...
Ano w duzej mierze rozmiar pixela wynika z sily pola i struktury
domieszkowania krzemu, to w efekcie daje jakby "dolek" energetyczny, gdzie
zbieraja sie elektrony. "dolki" powinny byc jednakowe, bo pixele sa jednakowe
w zalozeniu. Niestety jak rozmiar dolka zaczynaja okreslac relacje sil pola
elektrycznego, to nawet male zmiany w rozmiarach i polozeniu elektrod moga nam
te granice poprzesuwac. Stad przy zadanej dokladnosci procesu produkcji CCD
dostaniemy jakis, zadany blad rozmiarow pixela.
A jak to sie ma do fotografii?
Zalozmy, ze fotografujemy rownomiernie biala plame. Kazdy pixel powinien
dostac taka sama ilosc elektronow. Poniewaz niektore pixele sa wieksze, zbiora
ich wiecej (maja wiecej powierzchni na lapanie). Po odczytaniu i zmierzeniu
zostana zinterpretowane jako JASNIEJSZE. Dostaniemy na obrazie tzw. fixed
pattern noise, czyli szum, ktory sie nie zmienia w czasie. To jest ta czesc
szumu, ktora mozna programowo skompensowac prawie zawsze, wystarczy zrobic
jedna pomiarowa ekspozycje idealnie rownego naswietlenia i na tej podstawie
obliczyc potrzebne wspolczynniki. Jest to robione niejako przy okazji podczas
dark frame substraction.
Tolerancje produkcji sa dla jednej generacji matryc podobne, wiec im mniejszy
pixel tym wiekszy rozrzut rozmiarow. Czyli 8MPIX bedzie gorsze od 4, czy
5MPIX.
Nastepna sprawa to tzw. prad ciemny, czyli te elektrony, ktore pojawiaja sie
"znikad" i nie maja nic wspolnego z tymi "zrobionymi" przez fotony. Nie da sie
odroznic jednych od drugich, wiec policzone beda wszystkie. Prad ciemny dla
danej technologii mozna przyjac za "stochastyczny staly", wiec ilosc
dorzucanych elektronow ni z gruszki ni z pietruszki jest (liczac na
powierzchnie) staly. Samo w sobie nie stanowi to problemu, bo fotony tez sa
nam dane na cm2 powierzchni, wiec bez roznicy, czy wytniemy male, czy duze
pixele, S/N powinien byc podobny. Ale niestety prad ciemny wplywa nam nie
tylko z substratu, ale tez przecieka przez "granice" pixela, wiec im wiecej
tych granic nastawiamy tym bedzie gorzej.
W dodatku domieszkowanie substratu nie jest idealnie jednorodne, drobne
niejednorodnosci maja wieksza szanse sie usrednic w obrebie duzego pixela,
maly zas moze sobie wyciac akurat nieprzyjemny kawalek.
Z tego wszystkiego wychodzi nierownomiernosc pradu ciemnego miedzy pixelami...
Tym razem zjawisko daje co prawda staly rozklad szumu, ale silnie zalezny od
czasu naswietlania i od temperatury. Mozna to redukowac przez odejmowanie
ciemnej klatki (tzn. po normalnym zdjeciu robimy drugie, zbierajac tylko te
przecikajace elektrony i korygujac poprzedni pomiar).
Zasadniczo im wiecej MPIX tym gorzej, bo wiecej przypadkowych ladunkow trafia
do pixela.
Tyle o akwizycji obrazu. Teraz kwestia wydobycia elektronow juz zebranych.
Kazde przesuniecie ladunkow "o oczko" niesie ze soba ryzyko strat. Jest to
wyliczalne i stanowi parametr dla danej technologii. Im wiecej transferow
trzeba zrbic, tym wiekszy blad (wiekszy margines elektronow, ktore mogly
wsiaknac). Srednio na odczyt matrycy N*M pixeli trzeba N+M/2 transferow. Dla
5MPIX potrzeba okolo 3 tysiecy przesuniec, dla 8MPIX potrzeba ok. 4 tysiecy.
Niy tylko 30% roznicy, ale sprawnosc przeniesienia trzeba podniesc DO TAKIEJ
POTEGI aby dostac wynikowa sprawnosc transprtu!!!
Ostatecznie docieramy do wzmacniacza/konwertera ladunek/napiecie, czyli
naszego licznika elektronow. Tu nie ma przepros. Tu mamy z jednej strony wymog
szybkosci (nie mozemy czekac godziny na odczyt), a z drugiej - dokladnosci.
Szum na poziomie 5 elektronow to praktycznie marzenia. Wiec jesli cela jest
mniejsza, zbiera mniej elektronow, to tu jest kasa, gdzie sie za to placi.
Slowem: im wieksza rozdzielczosc, tym mniejsze efektywne fotocele, tym wiekszy
wplyw pradu ciemnego, tym mniejsza odpornosc na cieplo, tym wieksze grzanie
wlasne, tym wieksze straty transportu, tym mniejszy uzyteczny sygnal, slowem,
tym gorzej dla zdjec.
Co robia producenci?
Maja jeszcze kilka pol do manewru.
Goly CCD odbija 1/3 swiatla padajacego prostopadle i wiecej, gdy pod katem.
Mikrosoczewki niweluja drugi czlon problemu, a pokrycia antyodblaskowe z
dwutlenku hafnu daja redukcje pierwszego czlonu, ale sa upierdliwe w CCD
oswietlanych od frontu. Mozna zwiekszac precyzje wykonania i jakosc
domieszkowania, ale to wszystko to MINIMALIZACJA STRAT. Zmniejszymi fotocelami
zawsze dostaniemy mniej mozliwych elektronow na pixel.
Wydaje sie, ze ze wzgledu na dotychczasowa nieskalowalnosc wzmacniaczy
odczytu, problemy z pradami uplywu itd. optimum lezy okolo 5MPIX na 2/3",
powyzej szumy narastaja raptowniej.
To, czy szumy uwidocznia sie na zdjeciu to nie tylko sprawa matrycy.
Producenci zdaja sobie sprawe z gorszego S/N dla matryc 8MPIX i wszyscy (poza
Sony) zaprzegli wydajne algorytmy redukcji szumu, wiec zdjecia bywa, ze nie
wygladaja zle. Ale matryca nie ma "zapasu" na cienie, na wyzsze czulosci, wiec
sie mozna ugryzc.
|
|
|
