Matryce CCD
autor: Marek Lewandowski, www.stud.uni-karlsruhe.de/~uyh0, 15.11.2004
tekst pojawił się na grupie dyskusyjnej pl.rec.foto.cyfrowa
Matryce CCD [wykład gościnny III]

Nie mam ochoty na wojnę z ludźmi, ktorzy uważają, że wystarczy, jak aparat nie szumi przy ISO 50 i 1/1000 sekundy, wiec nie będę się wypowiadał na temat A2, czy jakiegokolwiek aparatu w szczególności, a naskrobie sobie o CCD i temu podobnych.
Będzie technicznie, ale jakieś wnioski powinno się dać wyciągnąć bez słownika wyrazów obcych i przekleństw egzotycznych.

Zacznijmy od tego, co to jest CCD, ale od tej elektronicznej strony.
Ponieważ nie jest to moje źrodło utrzymania, moja wiedza może mieć poważne merytoryczne luki, wiec jeśli ktoś tu jest z tematem za pan brat, to proszę ewentualnie o szybką korektę.
Jednocześnie zapewniam, że w wyjaśnienie tematu włożylem więcej niż pogapienie się w sufit, a pewne uproszczenia (nazwijmy to DALEKO idące) są celowe, fizyka półprzewodników nie jest mi całkowicie obca, ale jak wyjedziemy tu z równaniami to się audiencja rozejdzie do domów. Kto ma ochotę na fizykę, niech wrzuci w google parę zapytań typu CCD structure, principle of operation, physics itp. Jest dość literatury ne temat. To jest pogadanka dla humanistów ;D

Tak zgrubnie można podzielić CCD na takie, które do pracy potrzebują zewnętrznej migawki i takie, co jej nie wymagają. W życiu pokrywa się to z podziałem na kompakty i lustrzanki.

Kompakty (z racji na celowanie na LCD) muszą być wyposażone w matryce pozwalajaca "nagrywac" "video", tj. pracować bez klapania migawką.

CCD to w uproszczeniu jedna wielka dioda krzemowa. Podłoże (tzw. substrat) jest typu p, wierzchnia warstwa typu n.
Na takim waflu nałożona jest cieniutka warstwa izolatora a na to ... o tym dalej.

Padające na krzem światło powoduje wybijanie pojedynczych elektronów z ich orbit i tworzenie w ten sposób par dziura-elektron (ładunek dodatni i ładunek ujemny). Gdyby ten kawałek krzemu byl jednorodny, "naturalny", taka para ładunków zaraz by się z powrotem połączyła i cześć. Jedyny efekt, to podgrzanie krzemu. My mamy jednak dwie "warstwy", jedna z "niedoborem" ładunkow dodatnich, druga - ujemnych. W obrębie granicy tworzy się wbudowane pole elektryczne. Takie rozbite uderzającym fotonem pary (+)(-) nie mają szansy się znowu połaczyć, bo to pole "ciągnie" je w przeciwne strony.

Elektrony w kierunku powierzchni, dziury w podłoże.
Dziury nas nie interesują. Giną w czeluściach substratu, papa im mówimy 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: > zobacz

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.
Niby 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.

No, to teraz mi dowala, bo na pewno na grupie jest ktos, kto sie na tym dobrze zna i mi zaraz wszystkie bledy powytyka...
komentarze
..
..