CCD - Historie editací

Sysop: ++

2022-06-04T17:35:12Z

← Starší verze		Verze z 4. 6. 2022, 17:35
Řádka 5:		Řádka 5:
	Zkratka CCD pochází z anglického {{cizojazyčně\|en\|Charge-Coupled Device}}, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.		Zkratka CCD pochází z anglického {{cizojazyčně\|en\|Charge-Coupled Device}}, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.
	== Historie ==		== Historie ==
-	CCD vynalezli pánové [[Willard Boyle]] a [[George E. Smith]] v [[Bellovy laboratoře\|Bellových laboratořích]] v roce [[1969]]. V roce [[2009]] za tento vynález dostali [[Nobelova cena\|Nobelovu cenu]].<ref>{{citace elektronické monografie \| titul = The Nobel Prize in Physics 2009 \| url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/index.html \| vydavatel = Nobel Foundation \| datum vydání = 2009-10-06 \| datum přístupu = 2009-10-06}}.</ref> Vynález se váže k vývoji určitého typu [[paměťový registr\|paměťového registru]], který v podstatě funguje jako CCD bez přístupu světla, respektive CCD není nic jiného než [[posuvný registr]] vystavený působení světla.	+	CCD vynalezli pánové [[Willard Sterling Boyle\|Willard Boyle]] a [[George Elwood Smith\|George E. Smith]] v [[Bellovy laboratoře\|Bellových laboratořích]] v roce [[1969]]. V roce [[2009]] za tento vynález dostali [[Nobelova cena\|Nobelovu cenu]].<ref>{{citace elektronické monografie \| titul = The Nobel Prize in Physics 2009 \| url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/index.html \| vydavatel = Nobel Foundation \| datum vydání = 2009-10-06 \| datum přístupu = 2009-10-06}}.</ref> Vynález se váže k vývoji určitého typu [[paměťový registr\|paměťového registru]], který v podstatě funguje jako CCD bez přístupu světla, respektive CCD není nic jiného než [[posuvný registr]] vystavený působení světla.
	Když v únoru [[2006]] získali Boyle a Smith ze tento svůj převratný vynález ocenění Americké národní akademie ve výši $500 000 (po několika předchozích oceněních v rámci celého světa), Boyle vzpomněl, že práce na vynálezu CCD fakticky trvala zhruba pouhou hodinu, kdy nejprve se Smithem načrtli na tabuli několik obrázků, a pak prostě šli do laboratoře první jednoduché CCD zrealizovat. V roce 2009 dostali oba vynálezci [[Nobelova cena za fyziku\|Nobelovu cenu za fyziku]].		Když v únoru [[2006]] získali Boyle a Smith ze tento svůj převratný vynález ocenění Americké národní akademie ve výši $500 000 (po několika předchozích oceněních v rámci celého světa), Boyle vzpomněl, že práce na vynálezu CCD fakticky trvala zhruba pouhou hodinu, kdy nejprve se Smithem načrtli na tabuli několik obrázků, a pak prostě šli do laboratoře první jednoduché CCD zrealizovat. V roce 2009 dostali oba vynálezci [[Nobelova cena za fyziku\|Nobelovu cenu za fyziku]].
	* V roce [[1970]] Bellovy laboratoře postavily na světě první [[kamera\|kameru]], která používala polovodičový obrazový snímač.		* V roce [[1970]] Bellovy laboratoře postavily na světě první [[kamera\|kameru]], která používala polovodičový obrazový snímač.

Sysop: ++

2022-06-04T09:06:22Z

← Starší verze		Verze z 4. 6. 2022, 09:06
Řádka 1:		Řádka 1:
-	[[Soubor:CCD ~~in camera~~.jpg\|thumb\|Barevné CCD ~~v TV kameře s malým rozlišením~~]]	+	[[Soubor:Canon Digital IXUS 430 - optical unit - CCD-6673.jpg\|thumb\|250px\|Barevné CCD ve starém fotoaparátu<br />Canon Digital IXUS 430]]
-	[[Soubor:CCD-buňky.jpg\|thumb\|Detail téhož snímače (levý dolní roh) na kterém jsou patrné mikročočky a bayerův filtr.]]	+	[[Soubor:Canon PowerShot S45 - optical unit - CCD-5566.jpg\|thumb\|250px\|Barevné CCD ve starém fotoaparátu<br />Canon PowerShot S45]]
		+	[[Soubor:CCD-buňky.jpg\|thumb\|250px\|Detail téhož snímače (levý dolní roh) na kterém jsou patrné mikročočky a bayerův filtr.]]
	'''CCD''' je elektronická [[součástka]] používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve [[videokamera\|videokamerách]], [[digitální fotoaparát\|digitálních fotoaparátech]], [[fax]]ech, [[scanner]]ech, čtečkách [[čárový kód\|čárových kódů]], ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické [[dalekohled]]y (včetně například [[Hubbleův vesmírný dalekohled\|Hubbleova teleskopu]]).		'''CCD''' je elektronická [[součástka]] používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve [[videokamera\|videokamerách]], [[digitální fotoaparát\|digitálních fotoaparátech]], [[fax]]ech, [[scanner]]ech, čtečkách [[čárový kód\|čárových kódů]], ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické [[dalekohled]]y (včetně například [[Hubbleův vesmírný dalekohled\|Hubbleova teleskopu]]).
	Zkratka CCD pochází z anglického {{cizojazyčně\|en\|Charge-Coupled Device}}, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.		Zkratka CCD pochází z anglického {{cizojazyčně\|en\|Charge-Coupled Device}}, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.
Řádka 21:		Řádka 22:
	=== Expozice obrazu ===		=== Expozice obrazu ===
	Na elektrody označené na obrázku číslem '''1''' se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo (například v [[digitální fotoaparát\|digitálním fotoaparátu]] se otevře [[Závěrka (součást fotoaparátu)\|závěrka]]). Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. [[díra\|díry]], které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. '''Hranice [[pixel\|pixelů]]''' jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.		Na elektrody označené na obrázku číslem '''1''' se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo (například v [[digitální fotoaparát\|digitálním fotoaparátu]] se otevře [[Závěrka (součást fotoaparátu)\|závěrka]]). Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. [[díra\|díry]], které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. '''Hranice [[pixel\|pixelů]]''' jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.
-	~~[[Soubor:CCDexpo.png\|Expozice CCD světlem]]~~	+
	=== Snímání obrazu ===		=== Snímání obrazu ===
-	[[Soubor:~~CCDshift1~~.png]]	+	[[Soubor:CCDexpo.png\|left\|Expozice CCD světlem]]
-	[[Soubor:~~CCDshift2~~.png]]	+	[[Soubor:CCDshift1.png\|left]]
-	[[Soubor:~~CCDshift3~~.png]]	+	[[Soubor:CCDshift2.png\|left]]
-	~~'''Animaci můžete shlédnout'''~~ [~~http~~:~~//www~~.~~umelevne.cz/picture/reference/flash/ccd.html ZDE~~]~~<br />~~	+	[[Soubor:CCDshift3.png\|left]]{{Clear}}
	Po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět '''trojfázový hodinový signál''' (existují i CCD se čtyřfázovým nebo naopak dvoufázovým čtením).		Po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět '''trojfázový hodinový signál''' (existují i CCD se čtyřfázovým nebo naopak dvoufázovým čtením).
	To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2.		To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2.
Řádka 33:		Řádka 34:
	Od svého vynálezu prodělalo CCD mohutný technický vývoj a vlastnosti moderních CCD jsou samozřejmě oproti vlastnostem CCD, které poprvé drželi v ruce Boyle a Smith, výrazně lepší. CCD prvky dělíme do dvou základních kategorií, a to lineární a plošné CCD.		Od svého vynálezu prodělalo CCD mohutný technický vývoj a vlastnosti moderních CCD jsou samozřejmě oproti vlastnostem CCD, které poprvé drželi v ruce Boyle a Smith, výrazně lepší. CCD prvky dělíme do dvou základních kategorií, a to lineární a plošné CCD.
	=== Lineární CCD ===		=== Lineární CCD ===
-	[[Soubor:barcode reader.png\|Snímání čárového kódu lineárním CCD~~\|framed\|right~~]]Lineární CCD jsou vhodná všude tam, kde nám stačí snímat pouze jednorozměrný obraz nebo se snímání ve druhém rozměru zajišťuje nějakým jiným způsobem.	+	[[Soubor:barcode reader.png\|thumb\|240px\|Snímání čárového kódu lineárním CCD]]
		+	Lineární CCD jsou vhodná všude tam, kde nám stačí snímat pouze jednorozměrný obraz nebo se snímání ve druhém rozměru zajišťuje nějakým jiným způsobem.
	Příkladem snímání jednorozměrného obrazu je třeba čtečka [[čárový kód\|čárového kódu]], která z čárového kódu sejme kteroukoliv řádku (nemusí být ani kolmá na čáry kódu) a na výstupu dá množinu pulzů odpovídající černým a bílým čarám v kódu. Ty se pak v počítači dále zpracují na odpovídající číslice.		Příkladem snímání jednorozměrného obrazu je třeba čtečka [[čárový kód\|čárového kódu]], která z čárového kódu sejme kteroukoliv řádku (nemusí být ani kolmá na čáry kódu) a na výstupu dá množinu pulzů odpovídající černým a bílým čarám v kódu. Ty se pak v počítači dále zpracují na odpovídající číslice.
	Příkladem zařízení se snímáním dvourozměrného obrazu pomocí lineárního CCD je [[fax]] nebo [[scanner]].		Příkladem zařízení se snímáním dvourozměrného obrazu pomocí lineárního CCD je [[fax]] nebo [[scanner]].
Řádka 39:		Řádka 41:
	Například lineární CCD ve faxu sejme jednu řádku papíru, papír se o zlomek milimetru posune, CCD sejme druhou řádku, papír se posune atd. V běžných scannerech je naopak papír s předlohou nehybný a pod sklem scanneru se pohybuje osvětlovací výbojka, optika a lineární snímač CCD		Například lineární CCD ve faxu sejme jednu řádku papíru, papír se o zlomek milimetru posune, CCD sejme druhou řádku, papír se posune atd. V běžných scannerech je naopak papír s předlohou nehybný a pod sklem scanneru se pohybuje osvětlovací výbojka, optika a lineární snímač CCD
	=== Plošné CCD ===		=== Plošné CCD ===
-	[[Soubor:plošné CCD.png\|thumb\|Základní konstukce CCD pro snímání dvourozměrného obrazu]]Ve většině zařízení (kamery, digitální fotoaparáty atd.) je ovšem třeba snímat dvojrozměrný obraz najednou.	+	[[Soubor:plošné CCD.png\|thumb\|240px\|Základní konstukce CCD pro snímání dvourozměrného obrazu]]
		+	Ve většině zařízení (kamery, digitální fotoaparáty atd.) je ovšem třeba snímat dvojrozměrný obraz najednou.
	Základní konstrukce dvojrozměrného CCD je pouhým spojením mnoha lineárních CCD na jediném čipu. Namísto toho, aby náboje na koncích řad vstupovaly do obrazových zesilovačů, vstupují ovšem do dalšího lineárního CCD, které je k řadám kolmé a tímto CCD teprve postupují k jedinému zesilovači na jeho konci.		Základní konstrukce dvojrozměrného CCD je pouhým spojením mnoha lineárních CCD na jediném čipu. Namísto toho, aby náboje na koncích řad vstupovaly do obrazových zesilovačů, vstupují ovšem do dalšího lineárního CCD, které je k řadám kolmé a tímto CCD teprve postupují k jedinému zesilovači na jeho konci.
	Příklad takového uspořádání je na obrázku. Obraz se snímá tak, že se nejprve trojfázovým posuvem '''y''' vysune první pixel ze všech svislých CCD do spodního vodorovného. Z toho se pak opakovaným trojfázovým posuvem '''x''' celý řádek naposouvá k obrazovému zesilovači. Poté se dalším trojfázovým posuvem '''y''' posune druhý pixel ze všech sloupců do vodorovného CCD. Celý tento cyklus se opakuje dokud nejsou ze sloupců vyprázdněny všechny pixely.		Příklad takového uspořádání je na obrázku. Obraz se snímá tak, že se nejprve trojfázovým posuvem '''y''' vysune první pixel ze všech svislých CCD do spodního vodorovného. Z toho se pak opakovaným trojfázovým posuvem '''x''' celý řádek naposouvá k obrazovému zesilovači. Poté se dalším trojfázovým posuvem '''y''' posune druhý pixel ze všech sloupců do vodorovného CCD. Celý tento cyklus se opakuje dokud nejsou ze sloupců vyprázdněny všechny pixely.
Řádka 49:		Řádka 52:
	Vzhledem k nutnosti přesného mechanického seřízení jemné optiky a přítomnosti tří CCD snímačů jsou tříčipové kamery výrazně dražší než jednočipové. Obraz v tomto uspořádání prochází od [[objektiv]]u soustavou dvou [[polopropustné zrcadlo\|polopropustných zrcadel]] s nanesenými barevnými filtry. Tato optická soustava ho rozdělí na obrazy pro tři CCD snímače.		Vzhledem k nutnosti přesného mechanického seřízení jemné optiky a přítomnosti tří CCD snímačů jsou tříčipové kamery výrazně dražší než jednočipové. Obraz v tomto uspořádání prochází od [[objektiv]]u soustavou dvou [[polopropustné zrcadlo\|polopropustných zrcadel]] s nanesenými barevnými filtry. Tato optická soustava ho rozdělí na obrazy pro tři CCD snímače.
	=== Barevný CCD snímač (jednočipové snímání) ===		=== Barevný CCD snímač (jednočipové snímání) ===
-	[[Soubor:Bayer_matrix.png\|thumb\|Rozmístění barevných filtrů v bayerově uspořádání]]V digitálních fotoaparátech, menších amatérských videokamerách a řadě dalších zařízení se používá snímání barevného obrazu jediným CCD, na jehož jednotlivých pixelech jsou naneseny barevné filtry.	+	[[Soubor:Bayer_matrix.png\|thumb\|240px\|Rozmístění barevných filtrů v bayerově uspořádání]]
		+	V digitálních fotoaparátech, menších amatérských videokamerách a řadě dalších zařízení se používá snímání barevného obrazu jediným CCD, na jehož jednotlivých pixelech jsou naneseny barevné filtry.
	Nejčastějším je takzvané bayerovské uspořádání těchto filtrů (nechal si ho v roce 1976 patentovat Bryce Bayer z firmy Eastman Kodak). Využívá toho, že lidské oko je nejcitlivější na žlutozelenou barvu a proto je informace o této barvě pro něj nejdůležitější. Proto také má bayerovský filtr dvojnásobný počet zelených buněk oproti buňkám červeným a modrým.		Nejčastějším je takzvané bayerovské uspořádání těchto filtrů (nechal si ho v roce 1976 patentovat Bryce Bayer z firmy Eastman Kodak). Využívá toho, že lidské oko je nejcitlivější na žlutozelenou barvu a proto je informace o této barvě pro něj nejdůležitější. Proto také má bayerovský filtr dvojnásobný počet zelených buněk oproti buňkám červeným a modrým.
-	[[Soubor:bayer interpolace.png\|thumb\|Interpolace barev z bayerova filtru]]Obraz se z takovéhoto CCD načte běžným způsobem a teprve v dalších obvodech se plnohodnotné barvy jednotlivých pixelů interpolují z nejbližších pixelů jednotlivých barev RGB. Na obrázku žlutá kolečka představují plnobarevné pixely výsledného obrázku a šipky naznačují, ze kterých buněk bayerova filtru byly interpolovány.	+	[[Soubor:bayer interpolace.png\|thumb\|240px\|Interpolace barev z bayerova filtru]]
		+	Obraz se z takovéhoto CCD načte běžným způsobem a teprve v dalších obvodech se plnohodnotné barvy jednotlivých pixelů interpolují z nejbližších pixelů jednotlivých barev RGB. Na obrázku žlutá kolečka představují plnobarevné pixely výsledného obrázku a šipky naznačují, ze kterých buněk bayerova filtru byly interpolovány.
	== Moderní CCD součástky ==		== Moderní CCD součástky ==
	=== Konstrukce ===		=== Konstrukce ===
Řádka 57:		Řádka 62:
	Elektrody jsou na povrchu polovodiče většinou vytvořeny z [[napařování\|napařeného]] [[hliník]]u, který se chová jako téměř dokonalé zrcadlo, a tedy většinu dopadajícího světla odráží. Tím se výrazně zmenšuje efektivní plocha buňky, protože na světlo citlivá jsou v polovodiči jen místa, nad nimiž nejsou elektrody. CCD tak má výrazně nižší citlivost než by umožňovala plocha křemíkového čipu, kdyby byla využita pro přeměnu světla na elektřinu celá. Z tohoto důvodu se v závěrečných fázích výroby přímo na čipu vytvářejí mikroskopické [[čočka (optika)\|čočky]] (každá buňka má svojí), které alespoň trochu zvětšují efektivní plochu buněk.		Elektrody jsou na povrchu polovodiče většinou vytvořeny z [[napařování\|napařeného]] [[hliník]]u, který se chová jako téměř dokonalé zrcadlo, a tedy většinu dopadajícího světla odráží. Tím se výrazně zmenšuje efektivní plocha buňky, protože na světlo citlivá jsou v polovodiči jen místa, nad nimiž nejsou elektrody. CCD tak má výrazně nižší citlivost než by umožňovala plocha křemíkového čipu, kdyby byla využita pro přeměnu světla na elektřinu celá. Z tohoto důvodu se v závěrečných fázích výroby přímo na čipu vytvářejí mikroskopické [[čočka (optika)\|čočky]] (každá buňka má svojí), které alespoň trochu zvětšují efektivní plochu buněk.
	=== Velikosti a rozlišení CCD prvků ===		=== Velikosti a rozlišení CCD prvků ===
-	Existuje celá řada používaných velikostí CCD snímačů, které se většinou udávají v palcových mírách. Tato konvence byla odvozena od [[snímací elektronka\|snímacích elektronek]] používaných v televizních kamerách před vynálezem CCD snímačů – tzv. [[vidikon\|vidikonů]]. U vidikonů udávala míra vnější průměr skleněného válečku [[elektronka\|elektronky]]. Diagonála použitelné citlivé vrstvy pro snímání obrazu činila pouze cca 2/3 tohoto průměru. Tato konvence byla zachována i u CCD snímačů.	+	Existuje celá řada používaných velikostí CCD snímačů, které se většinou udávají v palcových mírách. Tato konvence byla odvozena od [[snímací elektronka\|snímacích elektronek]] používaných v televizních kamerách před vynálezem CCD snímačů – tzv. [[vidikon\|vidikonů]]. U vidikonů udávala míra vnější průměr skleněného válečku [[elektronka\|elektronky]]. Diagonála použitelné citlivé vrstvy pro snímání obrazu činila pouze cca 2/3 tohoto průměru. Tato konvence byla zachována i u CCD snímačů.

	Základním měřítkem v běžné fotografii se stala velikost políčka tzv. [[kinofilm]]u, která je 36×24 mm.		Základním měřítkem v běžné fotografii se stala velikost políčka tzv. [[kinofilm]]u, která je 36×24 mm.
	Obrázek na kinofilmu má poměr stran 3:2. Oproti tomu poměr stran televizní obrazovky nebo počítačového monitoru je 4:3. Televizní kamery a amatérské digitální fotoaparáty proto používají většinou poměr stran snímače 4:3 (novější kamery 16:9), zatímco profesionální digitální fotoaparáty používají převážně poměr stran 3:2. Některé fotoaparáty mají poměr stran přepínatelný.		Obrázek na kinofilmu má poměr stran 3:2. Oproti tomu poměr stran televizní obrazovky nebo počítačového monitoru je 4:3. Televizní kamery a amatérské digitální fotoaparáty proto používají většinou poměr stran snímače 4:3 (novější kamery 16:9), zatímco profesionální digitální fotoaparáty používají převážně poměr stran 3:2. Některé fotoaparáty mají poměr stran přepínatelný.
	Počet použitelných buněk CCD prvku je vždy o něco menší než je jejich faktický počet. Jednak u barevného snímače jsou buňky v krajních řadách nepoužitelné kvůli Bayerově interpolaci, a jednak výrobci digitální elektroniky často nechávají na okrajích snímačů z různých konstrukčních důvodů ochranná pásma. Tabulka a obrázek ukazují velikosti běžně používaných CCD snímačů.		Počet použitelných buněk CCD prvku je vždy o něco menší než je jejich faktický počet. Jednak u barevného snímače jsou buňky v krajních řadách nepoužitelné kvůli Bayerově interpolaci, a jednak výrobci digitální elektroniky často nechávají na okrajích snímačů z různých konstrukčních důvodů ochranná pásma. Tabulka a obrázek ukazují velikosti běžně používaných CCD snímačů.
-	[[Soubor:velikosti CCD.png\|thumb\|Poměr velikostí běžných CCD]]	+	[[Soubor:velikosti CCD.png\|thumb\|240px\|Poměr velikostí běžných CCD]]
	{\| class="wikitable"		{\| class="wikitable"
	! Název		! Název
Řádka 141:		Řádka 146:
	== Vlastnosti a vady CCD snímačů ==		== Vlastnosti a vady CCD snímačů ==
	=== Dynamický rozsah ===		=== Dynamický rozsah ===
-	[[Soubor:dynamický rozsah.png\|thumb\|Dynamický rozsah snímače při základní a zvýšené citlivosti]]Dynamický rozsah udává rozsah odstínů od nejčernější černé k nejbělejší bílé, kterou je ještě CCD snímač schopen rozlišit. Dynamický rozsah je z jedné strany limitován kapacitou každé buňky CCD (kolik elektronů vzniklých interakcí fotonů je schopna pojmout) a z druhé strany hladinou vlastního [[šum]]u buňky.	+	[[Soubor:dynamický rozsah.png\|thumb\|240px\|Dynamický rozsah snímače při základní a zvýšené citlivosti]]Dynamický rozsah udává rozsah odstínů od nejčernější černé k nejbělejší bílé, kterou je ještě CCD snímač schopen rozlišit. Dynamický rozsah je z jedné strany limitován kapacitou každé buňky CCD (kolik elektronů vzniklých interakcí fotonů je schopna pojmout) a z druhé strany hladinou vlastního [[šum]]u buňky.
	'''Šum''' vzniká z mnoha různých příčin, ale tou základní je tepelný pohyb [[krystalová mřížka\|krystalové mřížky]] polovodiče. Při něm se občas uvolní elektron bez jakéhokoliv působení fotonu. Takový elektron je pochopitelně přitažen k expoziční elektrodě, a přičítá se tak k hodnotě světelné expozice dané buňky. Protože okamžitá hodnota šumu se liší buňku od buňky a expozici od expozice, je nemožné z obrázků tento šum stoprocentně odstranit.		'''Šum''' vzniká z mnoha různých příčin, ale tou základní je tepelný pohyb [[krystalová mřížka\|krystalové mřížky]] polovodiče. Při něm se občas uvolní elektron bez jakéhokoliv působení fotonu. Takový elektron je pochopitelně přitažen k expoziční elektrodě, a přičítá se tak k hodnotě světelné expozice dané buňky. Protože okamžitá hodnota šumu se liší buňku od buňky a expozici od expozice, je nemožné z obrázků tento šum stoprocentně odstranit.
	Dynamický rozsah běžných CCD snímačů odpovídá proto pouze 4 – 5 [[expoziční stupeň\|expozičním stupňům]], zatímco kvalitní filmový materiál má tento rozsah okolo 6 – 7 expozičních stupňů.		Dynamický rozsah běžných CCD snímačů odpovídá proto pouze 4 – 5 [[expoziční stupeň\|expozičním stupňům]], zatímco kvalitní filmový materiál má tento rozsah okolo 6 – 7 expozičních stupňů.

Sysop: 1 revizi

2014-04-30T15:48:01Z

1 revizi

← Starší verze

Verze z 30. 4. 2014, 15:48

Sysop: Nahrazení textu

2011-04-17T19:43:10Z

Nahrazení textu

Nová stránka

[[Soubor:CCD in camera.jpg|thumb|Barevné CCD v TV kameře s malým rozlišením]]
[[Soubor:CCD-buňky.jpg|thumb|Detail téhož snímače (levý dolní roh) na kterém jsou patrné mikročočky a bayerův filtr.]]
'''CCD''' je elektronická [[součástka]] používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve [[videokamera|videokamerách]], [[digitální fotoaparát|digitálních fotoaparátech]], [[fax]]ech, [[scanner]]ech, čtečkách [[čárový kód|čárových kódů]], ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické [[dalekohled]]y (včetně například [[Hubbleův vesmírný dalekohled|Hubbleova teleskopu]]).
Zkratka CCD pochází z anglického {{cizojazyčně|en|Charge-Coupled Device}}, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.
== Historie ==
CCD vynalezli pánové [[Willard Boyle]] a [[George E. Smith]] v [[Bellovy laboratoře|Bellových laboratořích]] v roce [[1969]]. V roce [[2009]] za tento vynález dostali [[Nobelova cena|Nobelovu cenu]].<ref>{{citace elektronické monografie | titul = The Nobel Prize in Physics 2009 | url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/index.html | vydavatel = Nobel Foundation | datum vydání = 2009-10-06 | datum přístupu = 2009-10-06}}.</ref> Vynález se váže k vývoji určitého typu [[paměťový registr|paměťového registru]], který v podstatě funguje jako CCD bez přístupu světla, respektive CCD není nic jiného než [[posuvný registr]] vystavený působení světla.
Když v únoru [[2006]] získali Boyle a Smith ze tento svůj převratný vynález ocenění Americké národní akademie ve výši $500 000 (po několika předchozích oceněních v rámci celého světa), Boyle vzpomněl, že práce na vynálezu CCD fakticky trvala zhruba pouhou hodinu, kdy nejprve se Smithem načrtli na tabuli několik obrázků, a pak prostě šli do laboratoře první jednoduché CCD zrealizovat. V roce 2009 dostali oba vynálezci [[Nobelova cena za fyziku|Nobelovu cenu za fyziku]].
* V roce [[1970]] Bellovy laboratoře postavily na světě první [[kamera|kameru]], která používala polovodičový obrazový snímač.
* V roce [[1975]] demonstrovali první kameru s obrazovou kvalitou dostatečnou pro televizní vysílání. [[Bryce Bayer]], vývojář firmy Kodak, publikoval [[Bayerův filter]]. Byla to mozaiková matnice senzorů CCD v barevné fotografii.
* Od roku [[1983]] se CCD používají v astronomických dalekohledech čímž přinášejí průlom do [[astronomie]].
== Princip činnosti ==
CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako [[fotoefekt]]. Tento jev spočívá v tom, že částice světla [[foton]] při nárazu do [[atom]]u dokáže převést některý z jeho [[elektron|elektronů]] ze základního do tzv. [[excitovaný stav|excitovaného stavu]].
Odevzdá mu přitom energii E=ν.h,
kde '''ν''' je frekvence fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a '''h''' je tzv. [[Planckova konstanta]].
V [[polovodič]]i se takto uvolněný elektron může podílet na [[elektrická vodivost|elektrické vodivosti]] respektive je možno ho z polovodiče odvést pomocí přiložených elektrod, tak, jak se to děje například u běžné [[fotodioda|fotodiody]]. Ta proto po dopadu světla vyrábí elektrický proud. Stejně fungují i [[fotočlánek|fotočlánky]], které se používají jako zdroj elektrické energie.
U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého '''SiO<sub>2</sub>''', který se chová jako dokonalý [[elektrický izolant]], takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč.

Činnost CCD se skládá ze tří fází:
=== Příprava CCD ===
Během této fáze jsou z CCD bez přístupu světla odebrány všechny volné elektrony, čímž je z něj smazán jakýkoliv zbytek předchozího nasnímaného obrazu.
=== Expozice obrazu ===
Na elektrody označené na obrázku číslem '''1''' se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo (například v [[digitální fotoaparát|digitálním fotoaparátu]] se otevře [[Závěrka (součást fotoaparátu)|závěrka]]). Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. [[díra|díry]], které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. '''Hranice [[pixel|pixelů]]''' jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.
[[Soubor:CCDexpo.png|Expozice CCD světlem]]
=== Snímání obrazu ===
[[Soubor:CCDshift1.png]]
[[Soubor:CCDshift2.png]]
[[Soubor:CCDshift3.png]]
'''Animaci můžete shlédnout''' [http://www.umelevne.cz/picture/reference/flash/ccd.html ZDE]<br />
Po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět '''trojfázový hodinový signál''' (existují i CCD se čtyřfázovým nebo naopak dvoufázovým čtením).
To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2.
Následně se celý děj opakuje mezi elektrodami 2 a 3, dále mezi 3 a 1 a tak stále dokola. Shluky elektronů z jednotlivých pixelů se tak posouvají přes sousední pixely směrem k výstupnímu zesilovači (na obrázcích vpravo). Tento zesilovač pak zesílí malý [[elektrický proud|proud]] odpovídající počtu nachytaných elektronů v jednotlivých pixelech na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu.
== Konstrukce CCD ==
Od svého vynálezu prodělalo CCD mohutný technický vývoj a vlastnosti moderních CCD jsou samozřejmě oproti vlastnostem CCD, které poprvé drželi v ruce Boyle a Smith, výrazně lepší. CCD prvky dělíme do dvou základních kategorií, a to lineární a plošné CCD.
=== Lineární CCD ===
[[Soubor:barcode reader.png|Snímání čárového kódu lineárním CCD|framed|right]]Lineární CCD jsou vhodná všude tam, kde nám stačí snímat pouze jednorozměrný obraz nebo se snímání ve druhém rozměru zajišťuje nějakým jiným způsobem.
Příkladem snímání jednorozměrného obrazu je třeba čtečka [[čárový kód|čárového kódu]], která z čárového kódu sejme kteroukoliv řádku (nemusí být ani kolmá na čáry kódu) a na výstupu dá množinu pulzů odpovídající černým a bílým čarám v kódu. Ty se pak v počítači dále zpracují na odpovídající číslice.
Příkladem zařízení se snímáním dvourozměrného obrazu pomocí lineárního CCD je [[fax]] nebo [[scanner]].
U těchto zařízení je snímání druhého rozměru obrazu zajištěno buďto mikroposuvem snímaného obrazu nebo samotného snímače případně pomocné optiky.
Například lineární CCD ve faxu sejme jednu řádku papíru, papír se o zlomek milimetru posune, CCD sejme druhou řádku, papír se posune atd. V běžných scannerech je naopak papír s předlohou nehybný a pod sklem scanneru se pohybuje osvětlovací výbojka, optika a lineární snímač CCD
=== Plošné CCD ===
[[Soubor:plošné CCD.png|thumb|Základní konstukce CCD pro snímání dvourozměrného obrazu]]Ve většině zařízení (kamery, digitální fotoaparáty atd.) je ovšem třeba snímat dvojrozměrný obraz najednou.
Základní konstrukce dvojrozměrného CCD je pouhým spojením mnoha lineárních CCD na jediném čipu. Namísto toho, aby náboje na koncích řad vstupovaly do obrazových zesilovačů, vstupují ovšem do dalšího lineárního CCD, které je k řadám kolmé a tímto CCD teprve postupují k jedinému zesilovači na jeho konci.
Příklad takového uspořádání je na obrázku. Obraz se snímá tak, že se nejprve trojfázovým posuvem '''y''' vysune první pixel ze všech svislých CCD do spodního vodorovného. Z toho se pak opakovaným trojfázovým posuvem '''x''' celý řádek naposouvá k obrazovému zesilovači. Poté se dalším trojfázovým posuvem '''y''' posune druhý pixel ze všech sloupců do vodorovného CCD. Celý tento cyklus se opakuje dokud nejsou ze sloupců vyprázdněny všechny pixely.
Existuje ovšem celá řada daleko složitějších konstrukcí dvourozměrných CCD snímačů jejichž cílem je zlepšení užitných vlastností součástky (například zrychlení čtení).
== Snímání barevného obrazu ==
Až dosud byly popisovány černobílé CCD snímače. Barevný obraz se snímá pomocí CCD prvků v zásadě dvěma metodami. Buďto se použijí pro tři základní barvy R, G a B tři samostatné CCD snímače, před které se umístí barevné filtry, nebo se barevné filtry umístí v šachovnicovém vzoru přímo před jednotlivé pixely jediného CCD snímače.
=== Tříčipové uspořádání ===
Toto uspořádání se používá zejména v profesionálních a poloprofesionálních [[televizní kamera|TV kamerách]], kde tolik nevadí větší velikost a hmotnost kamery.
Vzhledem k nutnosti přesného mechanického seřízení jemné optiky a přítomnosti tří CCD snímačů jsou tříčipové kamery výrazně dražší než jednočipové. Obraz v tomto uspořádání prochází od [[objektiv]]u soustavou dvou [[polopropustné zrcadlo|polopropustných zrcadel]] s nanesenými barevnými filtry. Tato optická soustava ho rozdělí na obrazy pro tři CCD snímače.
=== Barevný CCD snímač (jednočipové snímání) ===
[[Soubor:Bayer_matrix.png|thumb|Rozmístění barevných filtrů v bayerově uspořádání]]V digitálních fotoaparátech, menších amatérských videokamerách a řadě dalších zařízení se používá snímání barevného obrazu jediným CCD, na jehož jednotlivých pixelech jsou naneseny barevné filtry.
Nejčastějším je takzvané bayerovské uspořádání těchto filtrů (nechal si ho v roce 1976 patentovat Bryce Bayer z firmy Eastman Kodak). Využívá toho, že lidské oko je nejcitlivější na žlutozelenou barvu a proto je informace o této barvě pro něj nejdůležitější. Proto také má bayerovský filtr dvojnásobný počet zelených buněk oproti buňkám červeným a modrým.
[[Soubor:bayer interpolace.png|thumb|Interpolace barev z bayerova filtru]]Obraz se z takovéhoto CCD načte běžným způsobem a teprve v dalších obvodech se plnohodnotné barvy jednotlivých pixelů interpolují z nejbližších pixelů jednotlivých barev RGB. Na obrázku žlutá kolečka představují plnobarevné pixely výsledného obrázku a šipky naznačují, ze kterých buněk bayerova filtru byly interpolovány.
== Moderní CCD součástky ==
=== Konstrukce ===
Buňky reálného CCD snímače jsou ve skutečnosti výrazně složitější než na výše uvedených nákresech. Základní polovodič musí mít v sobě pro správnou funkci vytvořeny oblasti dotované různými příměsemi, a buňky také musí být opatřeny dalšími pomocnými elektrodami. Některé slouží pro resetování CCD před vlastní expozicí, jiné mohou zajišťovat funkci [[elektronická závěrka|elektronické závěrky]]. Tradiční mechanická [[Závěrka (součást fotoaparátu)|závěrka]] je totiž výrobně velmi nákladná, proto většina spotřební elektroniky využívá u CCD pouze elektronickou závěrku.
Elektrody jsou na povrchu polovodiče většinou vytvořeny z [[napařování|napařeného]] [[hliník]]u, který se chová jako téměř dokonalé zrcadlo, a tedy většinu dopadajícího světla odráží. Tím se výrazně zmenšuje efektivní plocha buňky, protože na světlo citlivá jsou v polovodiči jen místa, nad nimiž nejsou elektrody. CCD tak má výrazně nižší citlivost než by umožňovala plocha křemíkového čipu, kdyby byla využita pro přeměnu světla na elektřinu celá. Z tohoto důvodu se v závěrečných fázích výroby přímo na čipu vytvářejí mikroskopické [[čočka (optika)|čočky]] (každá buňka má svojí), které alespoň trochu zvětšují efektivní plochu buněk.
=== Velikosti a rozlišení CCD prvků ===
Existuje celá řada používaných velikostí CCD snímačů, které se většinou udávají v palcových mírách. Tato konvence byla odvozena od [[snímací elektronka|snímacích elektronek]] používaných v televizních kamerách před vynálezem CCD snímačů – tzv. [[vidikon|vidikonů]]. U vidikonů udávala míra vnější průměr skleněného válečku [[elektronka|elektronky]]. Diagonála použitelné citlivé vrstvy pro snímání obrazu činila pouze cca 2/3 tohoto průměru. Tato konvence byla zachována i u CCD snímačů.

Základním měřítkem v běžné fotografii se stala velikost políčka tzv. [[kinofilm]]u, která je 36×24 mm.
Obrázek na kinofilmu má poměr stran 3:2. Oproti tomu poměr stran televizní obrazovky nebo počítačového monitoru je 4:3. Televizní kamery a amatérské digitální fotoaparáty proto používají většinou poměr stran snímače 4:3 (novější kamery 16:9), zatímco profesionální digitální fotoaparáty používají převážně poměr stran 3:2. Některé fotoaparáty mají poměr stran přepínatelný.
Počet použitelných buněk CCD prvku je vždy o něco menší než je jejich faktický počet. Jednak u barevného snímače jsou buňky v krajních řadách nepoužitelné kvůli Bayerově interpolaci, a jednak výrobci digitální elektroniky často nechávají na okrajích snímačů z různých konstrukčních důvodů ochranná pásma. Tabulka a obrázek ukazují velikosti běžně používaných CCD snímačů.
[[Soubor:velikosti CCD.png|thumb|Poměr velikostí běžných CCD]]
{| class="wikitable"
! Název
! diagonála
! šířka
! výška
! š:v
|-
| '''1/3,6"'''
| 5 mm
| 4 mm
| 3 mm
| 4:3
|-
| '''1/3"'''
| 6 mm
| 4,8 mm
| 3,6 mm
| 4:3
|-
| '''1/2,7"'''
| 6,592 mm
| 5,270 mm
| 3,960 mm
| 4:3
|-
| '''1/2"'''
| 8 mm
| 6,4 mm
| 4,8 mm
| 4:3
|-
| '''1/1,8"'''
| 8,933 mm
| 7,176 mm
| 5,319 mm
| 4:3
|-
| '''2/3"'''
| 11 mm
| 8,8 mm
| 6,6 mm
| 4:3
|-
| '''1"'''
| 16 mm
| 12,8 mm
| 9,6 mm
| 4:3
|-
| '''4/3"'''
| 22,5 mm
| 18 mm
| 13,5 mm
| 4:3
|-
| '''APS-C'''
| 30,1 mm
| 25,1 mm
| 16,7 mm
| 3:2
|-
| '''35mm'''
| 43,3 mm
| 36 mm
| 24 mm
| 3:2
|-
| '''645'''
| 69,7 mm
| 56 mm
| 41,5 mm
| 4:3
|}
=== Rozlišení snímače ===
Rozlišení se udává v [[megapixel]]ech (neboli milionech obrazových bodů). Běžné CCD snímače dnešních [[digitální fotoaparát|digitálních fotoaparátů]] a [[digitální kamera|kamer]] mají rozlišení od 1 do 12 Mpx, ale existují i snímače s rozlišením výrazně nižším (používané například v optických [[počítačová myš|myších]]) nebo i vyšším (snímače typu 645 nebo snímače v různých vědeckých přístrojích, například astronomických dalekohledech, na družicích atd.).
CCD snímače mají ovšem i další vlastnosti (viz níže), a proto neplatí vžitý názor, že čím vyšší je rozlišení, tím je CCD prvek kvalitnější.
== Vlastnosti a vady CCD snímačů ==
=== Dynamický rozsah ===
[[Soubor:dynamický rozsah.png|thumb|Dynamický rozsah snímače při základní a zvýšené citlivosti]]Dynamický rozsah udává rozsah odstínů od nejčernější černé k nejbělejší bílé, kterou je ještě CCD snímač schopen rozlišit. Dynamický rozsah je z jedné strany limitován kapacitou každé buňky CCD (kolik elektronů vzniklých interakcí fotonů je schopna pojmout) a z druhé strany hladinou vlastního [[šum]]u buňky.
'''Šum''' vzniká z mnoha různých příčin, ale tou základní je tepelný pohyb [[krystalová mřížka|krystalové mřížky]] polovodiče. Při něm se občas uvolní elektron bez jakéhokoliv působení fotonu. Takový elektron je pochopitelně přitažen k expoziční elektrodě, a přičítá se tak k hodnotě světelné expozice dané buňky. Protože okamžitá hodnota šumu se liší buňku od buňky a expozici od expozice, je nemožné z obrázků tento šum stoprocentně odstranit.
Dynamický rozsah běžných CCD snímačů odpovídá proto pouze 4 – 5 [[expoziční stupeň|expozičním stupňům]], zatímco kvalitní filmový materiál má tento rozsah okolo 6 – 7 expozičních stupňů.
K dosažení velkého dynamického rozsahu při přijatelné šumové úrovni je potřeba aby buňky snímače byly co největší (dosáhne se tak velké kapacity buňky a tím i zvětšení odstupu signálu od šumu). Proto malé formáty snímačů a/nebo snímače s vysokým rozlišením mají vždy výrazně horší šumové vlastnosti než snímače větší a s nižším rozlišením.
U vědeckých přístrojů se šum CCD snižuje chlazením prvku (obvykle tekutým [[dusík]]em).
Mezi základní vlastnosti CCD snímače, které zajímají uživatele, patří mimo rozlišení také jeho základní citlivost. Udává se zpravidla jako tzv. [[Citlivost|ISO]] citlivost, což je veličina používaná v klasické fotografii pro citlivost filmového materiálu.
Digitální fotoaparáty jsou většinou vybaveny přepínačem citlivosti, který funguje jako zesilovač obrazového signálu s přepínatelným zesílením. Vzhledem k tomu, že hladina šumu je u CCD prvku konstantní, zvýšením citlivosti zesílením se zvyšuje mimo užitečného obrazového signálu i šum (na obrázku modrou barvou).
=== Vinětace ===
Protože jednotlivé buňky CCD jsou vybaveny [[čočka]]mi, dopadá na ně maximum světla pouze ze směru kolmého k rovině snímače. Jakmile dopadají paprsky jen mírně šikmo, je jejich účinnost zmenšená. Bohužel u běžného [[objektiv]]u dopadají paprsky kolmo jen v prostředku obrazu a směrem ke krajům obrázku se jejich úhel zvětšuje. To se projeví jako postupné ztmavování obrazu směrem k okrajům. Z tohoto důvodu jsou na optiku pro digitální fotoaparáty kladeny, co se kolmosti paprsků týká, nároky daleko vyšší než na optiku filmových aparátů.
=== Blooming ===
K tomuto jevu dochází při použití elektronické závěrky, pokud na některé [[pixel]]y dopadne tolik světla, že přeteče jejich kapacita. Přebytečné elektrony se pak roztečou do okolních pixelů v řadě, takže okolo silného světla vzniknou na fotografii rovnoběžné čárky nepravidelných délek.

== Reference ==
<references />
== Externí odkazy ==
* [http://ccd.mii.cz/art?id=303&lang=405 Úvod do techniky CCD čipů] CCD kamery pro astronomii , ccd.mii.cz
* [http://www.sbig.com/sbwhtmls/quantum%20efficiency.htm Kvantová efektivita CCD vzhledem k vlnové délce dopadajícího světla]
* [http://www.jyi.org/volumes/volume3/issue1/features/peterson.html Journal Article On Basics of CCDs]
* [http://www.kodak.com/global/en/service/professional/tib/tib4131.jhtml Eastman Kodak Primer on CCDs]
* [http://www.microscopyu.com/articles/digitalimaging/ccdintro.html Nikon microscopy introduction to CCDs]
* [http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.html Concepts in Digital Imaging Technology]
* [http://zebu.uoregon.edu/ccd.html CCDs for Material Scientists]
* [http://www.dalsa.com/markets/ccd_vs_cmos.asp CCD vs. CMOS technical comparison]
* [http://public.fotki.com/ROBERT1010/scitech/photosensor_array.html Micrograph of the photosensor array of a webcam.]
* [http://www.ing.iac.es/~smt/LLLCCD/marcl3.htm A general L3CCD page with many links]
* [http://www.mpia.de/homes/tubbs/papers/lllccd/sern_main.html Paper discussing the performance of L3CCDs]
* [http://www.mrao.cam.ac.uk/telescopes/coast/theses/rnt/node72.html Statistical properties of multiplication registers including derivation of the equation above]
* [http://arxiv.org/abs/astro-ph/0407315 More statistical properties]
* [http://www.ast.cam.ac.uk/~optics/Lucky_Web_Site/guide_to_l3ccds.htm L3CCDs used in astronomy]

{{Commonscat|CCD}}{{Článek z Wikipedie}}
[[Kategorie:Integrované obvody]]
[[Kategorie:Digitální fotografie]]