Hogyan működik az elektronikus optikai zár a modern CCD kamerákban?
Nagyon elemi szinten már tisztában vagyok a CCD képszenzorok működési elvével, de az még mindig rejtély a számomra, hogy mi van akkor, ha egy ilyen szenzor előtt nincs semmilyen optikai zárszerkezet.
Addig világos a téma, hogy a fény töltéseket szabadít fel a félvezető anyagában, melyek a pozitívan előfeszített, de elektromosan elszigetelt elektródamezők alá gyűlnek. A kép kiolvasásakor pedig elektródáról elektródára vannak mozgatva ezek a megvilágítással arányos töltéscsomagok, míg végül az AD átalakító bemenetén végzik, vagy a magasabb paraméterekkel bíró digitalizálás és a holtidő-csökkentés érdekében előtte átmeneti tárolómezőre helyeződnek át.
Nyilván az átmeneti tárolómezőre kivonás is eléggé időigényes ahhoz, hogy az állandó expozíciónak kitett lapkán jelentős elmosódás alakuljon ki. Nyilvánvaló, hogy a töltések kiolvasása előtt valahogy érzéketlenné kell tenni a szenzormezőt.
A kérdésem tehát az, hogy minimum a kiolvasás ideje alatt szükséges optikai érzéktelenítés hogyan van megoldva?
A kérdésedre válaszolva, a CCD szenzorok esetében az optikai érzéketlenítés és a zárfunkció megvalósítása elektronikusan történik, mechanikai alkatrészek nélkül. Íme, hogyan működik ez a folyamat:
-Töltés "kiürítés" (charge dumping):
-Az elektronikus zár lényegében egy olyan mechanizmus, amely "kiüríti" vagy "eldobja" az összegyűjtött töltéseket minden egyes CCD pixelből3. Ez úgy történik, hogy a szubsztrát feszültségét annyira megemelik, hogy minden elektron elhagyja a pixelt.
-Integrációs periódus kezdete:
Az expozíció (vagy integrációs periódus) akkor kezdődik, amikor abbahagyják a töltések eltávolítását. Ekkor a pixelek ismét érzékennyé válnak a fényre, és kezdik gyűjteni a töltéseket.
Töltések átvitele:
Az integrációs periódus végén az összes összegyűjtött töltés egyidejűleg átvitelre kerül a szenzor fénytől védett területeire. Ez a folyamat nagyon gyorsan zajlik le, gyakorlatilag egyidejűleg az összes pixelre vonatkozóan.
Kiolvasás:
Ezután a töltések a fénytől védett területekről kerülnek kiolvasásra és feldolgozásra.
Ez a módszer lehetővé teszi, hogy a CCD szenzor "virtuális zárként" működjön, anélkül, hogy bármilyen fizikai alkatrészre lenne szükség1. A CCD egyszerűen eldobja a felületét érő fényt, szimulálva egy zárt zárat. A virtuális zár "nyitásához" a CCD-nek megengedik, hogy elkezdje gyűjteni a fényenergiát. Amikor itt az ideje, hogy abbahagyja a fény gyűjtését, a CCD-t egyszerűen leállítják, és a virtuális zár "bezárul"1.
Ez a folyamat rendkívül gyors lehet - akár 1/10 000 másodperc vagy még rövidebb idő alatt is végbemehet1, ami lehetővé teszi a gyors mozgások rögzítését is elmosódás nélkül.
Összefoglalva, a modern CCD kamerákban nincs szükség fizikai zárszerkezetre. Az elektronikus zár funkciót maga a CCD szenzor látja el, a töltések gyűjtésének és eltávolításának precíz időzítésével és vezérlésével.
Elolvastam ezt a kissé ChatGPT stílusára emlékeztető szöveget, melyben ez a mondat állít számomra valami lényegesen újat:
"Az integrációs periódus végén az összes összegyűjtött töltés egyidejűleg átvitelre kerül a szenzor fénytől védett területeire. Ez a folyamat nagyon gyorsan zajlik le, gyakorlatilag egyidejűleg az összes pixelre vonatkozóan."
Világos, hogy vannak olyan típusú szenzorok, melyek egy fénytől védett tárolómezőre vonják ki a képet, de erős expozíció esetén ez már elkenődéssel járhat, hisz fényérzékeny felületen vannak léptetve a már előzőleg összegyűjtött, tehát képi információt hordozó töltéscsomagok. Ez esetleg a hosszú exponálást használó csillagászati fényképezéseknél lehet alkalmas, nem pedig erős fénnyel dolgozó gyors kameráknál.
Az pedig elképzelni sem tudom, hogy az aktív felülettel egyben lennének az árnyékolt sorok, mert egyfelől így kevesebb mint a felére csökkenne a fényérzékeny felület mérete, de másfelől meg a kiolvasási irányra merőleges töltésléptetést kéne csinálni.
Nem tudom elképzelni, hogy hogyan lehetne egy ilyen két dimenzióban működő töltésléptető rendszert egy lapka felületére kiépíteni - persze én nem zárom ki, hogy ez lehetséges - de ha van ilyen, akkor kéne róla egy szemléletes ábra!
Az 1es vagyok.
Az általad említett folyamat az interline-transfer CCD-kre jellemző, ami egy speciális típusa a CCD szenzoroknak.
Az interline-transfer CCD-k esetében a fényérzékeny pixelek mellett közvetlenül találhatók árnyékolt töltéstároló és -átviteli csatornák. Ez lehetővé teszi a töltések rendkívül gyors átvitelét a fényérzékeny területről az árnyékolt területre, gyakorlatilag egyidejűleg minden pixelre vonatkozóan.
Igazad van abban, hogy ez a kialakítás csökkenti a fényérzékeny felület méretét. Valóban, az interline-transfer CCD-k hátránya, hogy az árnyékolt csatornák miatt csökken a fényérzékeny terület. Ezt részben kompenzálják mikrolencse-tömbök használatával, amelyek növelik a fotodiódák kitöltési tényezőjét4.
A kétdimenziós töltésléptető rendszer működését szemléltető ábrát találhatsz a Hamamatsu Photonics technikai leírásában.( Ha gondolod elküldöm privátban a pdf file-t) Az ábra bemutatja, hogyan történik a töltések átvitele a fényérzékeny területről az árnyékolt csatornákba, majd onnan a vízszintes léptetőregiszterbe.
Ez a kialakítás lehetővé teszi a nagyon gyors képrögzítést és minimalizálja az elmosódást, ami különösen hasznos lehet gyors mozgások rögzítésénél. Ugyanakkor, ahogy említetted, más típusú CCD-k, például a frame-transfer CCD-k, jobban alkalmasak lehetnek hosszú expozíciós idejű csillagászati felvételekhez.
Hamarosan majd utánaolvasok az itt megemlített dolgoknak, addig is köszönöm szépen a hasznos válaszokat!
😊
Kapcsolódó kérdések:
Minden jog fenntartva © 2024, www.gyakorikerdesek.hu
GYIK | Szabályzat | Jogi nyilatkozat | Adatvédelem | Cookie beállítások | WebMinute Kft. | Facebook | Kapcsolat: info(kukac)gyakorikerdesek.hu
Ha kifogással szeretne élni valamely tartalommal kapcsolatban, kérjük jelezze e-mailes elérhetőségünkön!