Matryca CCD - Polski Serwis Naukowy

Matryca CCD używana do detekcji obrazów w zakresie promieniowania ultrafioletowego

Sensor CCD zamontowany w kamerze cyfrowej

Zasada działania CCD

CCD pod mikroskopem, obraz 30x30 μm AFM HR 5120 lines. CCD z Canon A75.

Matryca CCD (ang. Charge Coupled Device) – układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do ilości padającego na niego światła. W cyfrowych aparatach fotograficznych najczęściej stosowane są filtry barwne, dające możliwość rejestracji natężenia określonej szerokości spektrum światła w danym punkcie matrycy.

Foveon – firma, która w 2002 roku opracowała matrycę X3 potrafiącą zarejestrować każdą z trzech składowych koloru w każdym punkcie. Obecnie matryca ta, jest wykorzystywana w niektórych aparatach cyfrowych Sigmy – lustrzance SD14 oraz aparacie kompaktowym DP-1.

Willard Sterling Boyle (ur. 19 sierpnia 1924 w Amherst) – amerykański fizyk kanadyjskiego pochodzenia, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2009 roku.

Konstrukcja matrycy została przeprowadzona głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze zastosowania obejmowały astronomię, gdzie do dziś pozostaje podstawowym narzędziem badawczym, wypierając w zasadzie klisze fotograficzne. Obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD o coraz wyższej rozdzielczości w aparatach cyfrowych, gdzie otrzymane dane po przetworzeniu przez jednostkę centralną aparatu mogą zostać zapisane w postaci plików graficznych. Obecnie stosowane są powszechnie w aparatach fotograficznych matryce o rozdzielczościach rzędu od kilku do kilkunastu megapikseli. Największe matryce stosowane w obserwatoriach astronomicznych mają od 65 do ponad 100 megapikseli.

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10-8 do 106 S/m (simensa na metr)) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie badź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.

Barwa – wrażenie psychiczne wywoływane w mózgu człowieka (i zwierząt), gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła, a pisząc dokładniej, z widzialnej części fal świetlnych. Główny wpływ na to wrażenie ma skład widmowy promieniowania świetlnego, w drugiej kolejności ilość energii świetlnej, jednak niebagatelny udział w odbiorze danej barwy ma również obecność innych barw w polu widzenia obserwatora, oraz jego cechy osobnicze, jak zdrowie, samopoczucie, nastrój, a nawet doświadczenie i wiedza w posługiwaniu się zmysłem wzroku.

Historia

Pierwszy egzemplarz CCD został zbudowany w 1969 roku przez dwóch naukowców, laureatów Nagrody Nobla: Willarda S. Boyle'a i George E. Smitha z Bell Telephone Laboratories. Szukali oni nowego sposobu rejestracji obrazu, który miał znaleźć zastosowanie w projektowanym wideotelefonie. Urządzenie miało być tanie, a jego technologia oparta na krzemie. Pierwsza kamera złożona była z ośmiu pikseli ułożonych w jeden rząd. Większy model o rozmiarach 100x100 pikseli powstał dopiero w 1973 roku. Początkowo technologia była rozwijana w celach obserwacji kosmosu.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Wideofon - skrócona nazwa wideotelefonu. Jest to aparat telefoniczny wyposażony w mały monitor telewizyjny. W czasie prowadzenia rozmowy, rozmówcy widzą się nawzajem na monitorach znajdujących się przy aparatach telefonicznych. W ten sposób mogą również przekazywać sobie wzajemnie informacje wizualne.

Działanie

Kiedy foton uderzy w atom, może spowodować przeskoczenie elektronu na wyższą powłokę, a w niektórych przypadkach uwolnienie nośnika ładunku (dziur lub elektronów, w zależności od użytego materiału półprzewodnikowego) – jest to tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Kiedy powierzchnia matrycy CCD jest oświetlona, uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Nośniki te zostają przesunięte w miarowych impulsach elektrycznych oraz zostają "przeliczone" przez obwód, który wyłapuje nośniki z każdego elementu światłoczułego, przekazuje je do kondensatorów, mierzy, wzmacnia napięcie i ponownie opróżnia kondensatory. Ilość nośników zebranych w ten sposób w pewnym przedziale czasu zależy od natężenia światła. W efekcie otrzymujemy dla każdego elementu światłoczułego informację o wartości natężenia padającego na nie światła, czyli w praktyce informację o jasności obserwowanej w danym punkcie barwy.

Ultrafiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, nadfiolet) – . Słowo "ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym. Dawniej było nazywane promieniowaniem "pozafiołkowym".

Informacja (łac. informatio – przedstawienie, wizerunek; informare – kształtować, przedstawiać) - termin interdyscyplinarny, definiowany różnie w różnych dziedzinach nauki; najogólniej - właściwość pewnych obiektów, relacja między elementami zbiorów pewnych obiektów, której istotą jest zmniejszanie niepewności (nieokreśloności).

Zazwyczaj poszczególne elementy matrycy mierzą ilość światła dla jednej ze składowych RGB, dlatego też na każdy piksel wynikowego obrazu w postaci bitmapy przypada pomiar z kompletu elementów światłoczułych. W 2002 roku firma Foveon opracowała matrycę X3, która potrafi zarejestrować każdą z trzech składowych koloru w każdym punkcie. Obecnie nie jest jednak ona szeroko wykorzystywana.

RGB – jeden z modeli przestrzeni barw, opisywanej współrzędnymi RGB. Jego nazwa powstała ze złożenia pierwszych liter angielskich nazw barw: R – red (czerwonej), G – green (zielonej) i B – blue (niebieskiej), z których model ten się składa. Jest to model wynikający z właściwości odbiorczych ludzkiego oka, w którym wrażenie widzenia dowolnej barwy można wywołać przez zmieszanie w ustalonych proporcjach trzech wiązek światła o barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej (zob.promieniowanie elektromagnetyczne).

3CCD – przetwornik (matryca), odpowiedzialny za pobieranie obrazu, używana w video kamerach. W odróżnieniu od CCD, przy pobieraniu obrazu korzysta nie z jednej, ale z trzech oddzielnych matryc, z których każda wyłapuje inną długość fali promieniowania widzialnego (czerwoną, zieloną, niebieską) – RGB.

Rozmiary

Kolumna "Typ" zawiera oznaczenia wywodzące się od stosowanych dawniej lamp analizujących. Liczby te określały średnicę zewnętrzną lampy. Pole obrazowe lampy o średnicy 1 cala miało przekątną 16 mm, co stanowi podstawę do dalszych obliczeń.

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
CCD

Zobacz też

matryca CMOS

fotografia cyfrowa

3CCD

Przypisy

Aleksy Kordiukiewicz: Kamery telewizji dozorowej. [dostęp 2009-08-21].