CCD en CMOS


Fotografie » TechTalk » Fysica » Verschil CCD - CMOS

De verschillende sensoren die in digitale fototoestellen gebruikt worden: CCD en CMOS

De menselijke sensor: het oog

Een sensor moet zowel de helderheidsinformatie als de kleur kunnen opslaan. In onze ogen gebeurt dit door twee verschillende soorten zenuwcellen; de staafjes zijn lichtgevoelig voor alle kleuren (panchromatisch), de kegeltjes zijn enkel lichtgevoelig voor één bepaalde kleur.

De staafjes zijn zeer lichtgevoelig, bij gewoon daglicht worden ze al overstuurd; ze zijn daarom enkel aktief 's nachts, wanneer de minder gevoelige kegeltjes het niet meer doen. Om de lichtgevoeligheid van de staafjes nog te vergroten wordt het signaal van meerdere staafjes samengevoegd, waardoor de resolutie redelijk beperkt is. Eigenlijk hebben de ingenieurs niets uitgevonden, als ze claimen dat ze een nieuw sensor gemaakt hebben met een lichtgevoeligheid van 6400 ISO! (lees halverwege de pagina 'specifikaties'). De Neanderthaler deed al aan pixel binning!

De kegeltjes zijn enkel gevoelig voor licht van een bepaalde kleur: blauw-violet, geel-groen en orange-rood. De geelgroene kegeltjes zijn het meest gevoelig, en de beeldscherpte wordt dan ook hoofdzakelijk door deze kegeltjes bepaald. De twee andere soorten kegeltjes bepalen de chrominantie (kleur). Bij sommige mensen ontbreekt een soort kegels: ze zijn kleurenblind voor een bepaalde kleur.

Al heel lang wist men dat er complementaire kleuren bestonden: rood/groen en geel/blauw. Rood kan geel getint zijn (orange) of blauw getint zijn (paars), maar niet groen getint. Een rode kleur sluit een groene kleur als het ware uit. Dit heeft niets te maken met de kegeltjes, men moest verder zoeken. Pas recentelijk heeft men ontdekt dat de signalen van de oogzenuwen gemultiplext worden voordat ze naar de hersenen gestuurd worden. Daardoor kan men "bandbreedte" besparen, de hersenen moeten minder werken om de informatie uit elkaar te houden.

Het is belangrijk te weten hoe onze ogen werken. Om een zo perfekt beeld te bekomen moeten de sensoren de werking van onze ogen zo goed mogelijk nabootsen. Dit doen we eigenlijk al jaren zonder te weten hoe onze ogen precies werken: bij het onstaan van de kleurentelevisie is men gaan werken met een helderheidskanaal en kleurverschilsignalen (toen wist men nog niet hoe onze hersenen de kleuren interpreteerden!)

CCD en CMOS

Iedere sensor is ofwel gemaakt in CCD-technologie ofwel CMOS-technologie. Het beeld wordt altijd in een fotodiode opgebouwd en pixel per pixel (dus: diode per diode) afgelezen. De verschillen zitten in de construktie.

CCD

De CCD techniek is in de jaren '70 ontstaan en heeft een complexe fabricageproces en is daarom duurder. Deze techniek wordt toegepast door de meeste chipfabrikanten. De naam CCD (charge coupled device) komt van de manier waarop de beeldinformatie wordt uitgelezen: de lading van ieder pixel (het latent beeld) wordt van element naar element verschoven door middel van een kloksignaal, tot het afgetapt kan worden aan de zijkant van de sensor.

Zogenaamde frame transfer sensoren hebben een mechanische sluiter nodig om het licht tegen te houden terwijl de lading pixel per pixel afgevoerd wordt. Iedere pixel is zowel een gevoelig element als een transfer-element Deze sensoren worden gebruikt in high end toestellen wegens de verplichting een (electro)mechanische sluiter te gebruiken. De kwaliteit van de geproduceerde beelden is optimaal omdat de lichtsensor de volledige oppervlakte kan gebruiken (er gaat geen licht verloren).

Interline transfer sensoren splitsen de opnamefunktie en de transfer-funktie, ten koste van de lichtgevoeligheid (de helft van de real estate wordt namelijk gebruikt door de transfer-funktie). Op het einde van de belichting wordt de lading overgedragen van de diode naar de shiftregister. Interline transfer sensoren worden in compact-toestellen gebruikt (maar ook in de basis-reflextoestellen). De betere sensoren hebben een microlens voor ieder sensor om het licht te concentreren op het gevoelig element (fotosite). Interline transfer sensoren hebben geen electromagnetische sluiter nodig, maar de beste beeldkwaliteit wordt bereikt als die wel gebruikt wordt.

CMOS

De CMOS techniek is afgeleid van de fabrikageprocede van geheugencellen (complementary metal oxyde semiconductor). Oorspronkelijk (jaren '80) was de kwaliteit van deze sensoren zeer slecht, zodat ze enkel gebruikt konden worden in miniatuur bewakingscamera's, waarbij het lage stroomverbruik hun enige pluspunt was.

Bij CMOS wordt het beeld per pixel versterkt, gebufferd en dan afgevoerd via een gemeenschappelijke leiding. De lading wordt hier niet meer verschoven van pixel tot pixel. Daarom hebben CMOS sensoren minder last van blooming-effekten, het uitlekken van lading naar naburige cellen. Kloksignalen bestaan er nog altijd, maar die geven aan welk element zijn lading op de bus mag zetten. Het kloksignaal dient om een "token" over te dragen van de ene cel naar de andere. De cel die de token heeft mag zijn data op een gezamelijke bus zetten, en geeft dan zijn token over aan de naburige cel. Omdat er meer elektronika van pas komt is er ook minder ruimte over voor de fotodiode. Een microlens voor iedere sensor is daarom noodzakelijk om een voldoende rendement te halen.

Bepaalde camerafabrikanten zijn er in geslaagd de CMOS-technologie te gebruiken in reflextoestellen. Met CMOS is het mogelijk een live-preview te bekomen zonder dat de hitte-ontwikkeling te hoog wordt. Een CMOS component (bijvoorbeeld een latch of NAND poort) verbruikt heelwat minder dan zijn equivalent in TTL-technologie. Het is gemakkelijker extra funkties in te bouwen in de CMOS sensoren en bij de fabrikanten is de trend dan ook een evolutie naar CMOS.

Deel II: praktische implementatie: kleursensoren


Adverteren op mijn sites voor 20€ per maand.

Fullframe CCD sensor
Full Frame Transfer CCD sensor

Interline CCD sensor
Interline transfer CCD sensor

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren