Ugrás a tartalomhoz

Fotogrammetria 16., Digitális kamerák

Dr. Engler Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

16.2 Digitális kamerák felépítése és jellemzői

16.2 Digitális kamerák felépítése és jellemzői

A digitális kamerák alapelvét a 70’-es években fejlesztették ki. Olyan eszközöket fejlesztettek ki, amelyek az ún. MOS (Metal Oxide Semiconductor = fém-oxid félvezető) alapú kondenzátorokat használtak fel analóg jelek, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolására. Ezekből a kis tárolókból több ezer darabot tudtak elhelyezni parányi félvezető lapocskán, s ezeket egy kiolvasó áramkörrel összekötve memóriaegységeket, optikai érzékelőket alkottak.

16.2.1 CCD alapismeretek

Egy tároló egység három alapvető részből áll: félvezető alapréteg, szigetelő réteg és elektróda (16-1. ábra).

16-1. ábra Tároló egység

A szilícium alapréteg vezetési tulajdonságát a tiszta Si kristály szennyezésével lehet befolyásolni. A szennyezésre azért van szükség, hogy a kristályrácson belül elektromos vezetés jöhessen létre. Ha egy P-típusú egységet veszünk, s az elektródára pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor a félvezető rétegben eltávolodnak a pozitív lyukak az elektródára kapcsolt pozitív feszültség taszítása miatt. Ezt a zónát nevezzük kiürített rétegnek, vagy potenciálgödörnek. Ilyenkor elektron-lyuk párok keletkeznek, amelyek szétválasztódnak az elektromos mező hatására, s az elektronok fölgyülemlenek közvetlen az elektróda "alatt", az ún. inverziós rétegben. Ez előbb-utóbb egy egyensúlyi állapotot eredményez. Az ezt kialakító effektust sötétáramnak nevezünk, mely néhány másodperc vagy néhányszor tíz másodperc alatt zajlik le. A kiegyenlítődési idő erősen függ a hőmérséklettől, és a félvezető anyagi minőségétől.

A fotóeffektus hatására a beérkezett fény mennyiségével arányos nagyságú töltés halmozódik fel az inverziós rétegben. Az összegyűlt töltés nagyságát megmérve következtethetünk a beérkezett fény mennyiségére. Azonban a mérés csak akkor lesz pontos, ha a megvilágítás ideje alatt (ez az ún. integrációs idő, ami a hagyományos expozíció megfelelője) a töltéscsomaghoz hozzáadódó sötétáram-elektronok száma elhanyagolható. Ezért szükséges a kiegyenlítődési idő elnyújtása, azaz a sötétáram csökkentése, melynek legjobb módja a hűtés.

Az integráció alatt összegyűlt töltés megméréséhez az elektronokat el kell juttatni egy megfelelő kiolvasó-egységhez. Ha azonban az elektródára kapcsolt feszültséget megszüntetjük, akkor az elektronok re-kombinálódnak a pozitív lyukakkal. Ezt a problémát oldja meg a töltéscsatolás.

A CCD rövidítés mögött is ennek a folyamatnak az angol elnevezése bújik meg. CCD = Charge Coupled Device, azaz töltéscsatolt eszköz. Ha egymás mellé több elektródát helyezünk el, s megfelelően változtatjuk az ezekre kapcsolt feszültséget, úgy a töltéscsomag mozgathatóvá válik [6.].

Jellemző megoldás a háromfázisú töltéscsatolás. Ennél a megoldásnál minden harmadik elektróda van összekötve, s ezeken a feszültségeket a 16-2. ábra jobboldali diagramja szerint változtatva az egyes töltéscsomagok balról jobbra mozognak.

16-2. ábra Háromfázisú töltéscsatolás [6.]

A t1 időpillanatban a töltések csak az A jelű elektródák alatt találhatók, mivel mellettük, B és C elektródákon alacsonyabb feszültség van. t2 időpont eléréséig B-re is fokozatosan a magasabb feszültséget kapcsoljuk. Így az elektronokat tartalmazó "potenciálgödör" kiszélesedik, majd A-n csökkentve a feszültséget ismét csak egy elektródányi területen helyezkednek el a töltések, de ekkor már B alatt (t3). Ezt a folyamatot ismételve a töltések elléptethetőek a kiolvasó egységig, lépésenként 99.9990 %-os hatásfokkal.

A kiolvasás úgy történik, hogy egy nagyon pontos referenciafeszültséggel kalibrált kondenzátorra léptetnek egy töltéscsomagot, majd annak kisütése során megkapják az analóg jelet, mely arányos a beérkezett fotonok számával. Gyakran alkalmazzák az "egybeolvasást", amikor is 2-5 töltéscsomagot léptetnek föl egymásután a kiolvasó kondenzátorra, s azok együttes töltésmennyiségét mérik.

16.2.2 A CCD chip felépítése

Az érzékelőkben a tároló egységeket sorban vagy mátrixszerűen rendezik el egymástól elszigetelten. Ha így mozaikszerűen "kitöltünk" egy kis téglalap (négyzet) alakú szilíciumlapkát, és hozzákapcsolunk egy kiolvasó áramkört, máris készen van a CCD chipünk (16-3. ábra).

16-3. ábra CCD chip [6.]

A mozaik egy elemét, ami végül számítógép segítségével megjelenített kép egy pontja lesz, nevezzük pixelnek (az angol picture x element, képelem szavak rövidítése). A töltések, vagyis az egyes képelemeknek megfelelő világosságértékek kiolvasása szekvenciálisan, a töltések egymás utáni kiléptetésével történik

A kép kiolvasásakor a 16-3. ábra szerint történik az összegyűlt töltések léptetése. Egy léptetés során minden sor eggyel lejjebb kerül, a legalsó sor pedig a kiolvasó regiszterbe. Ez egy olyan speciális sor, melyben oldalirányban lehet mozgatni a töltéseket a kiolvasó egységig. Miután a kiolvasó regiszter kiürült, jöhet a következő sorléptetés. A közben eltelt idő alatt azonban a még ki nem olvasott sorok továbbra is fényt kapnak. Ennek elkerülésére sok chipet dupla mozaikfelülettel készítenek (vagy mechanikus zárszerkezetet építenek a kamerába). Ennél a megoldásnál az érzékelő-felület egyik részét egy alumínium-maszkkal takarják el, s az integráció végén erre a fénytől védett tárolóra léptetik a töltéseket (frame transfer). Mivel a sorokat egyszerre lehet léptetni, ez viszonylag rövid időt vesz igénybe, s eztán történhet a kiolvasás. (Egy n sorból és m oszlopból álló chipnél ha egy léptetés t ideig tart, a teljes kiolvasás (n*m)*t időt vesz igénybe, míg ha van egy tároló, akkor n*t idő alatt fénymentes részre vihetők a töltések.)

Nagyobb chipeknél, melyek több millió pixelt tartalmaznak, előfordul több kiolvasó regiszter és elektróda alkalmazása a kiolvasási idő csökkentésére, ami különben akár egy perc is lehet.

16.2.3 A digitális érzékelők fajtái

Két fő csoportot különbözetünk meg [7.]:

  • CCD (Charge Coupled Device = töltéscsatolt eszköz), ahol az érzékelők értékeit sorosan kell kiolvasni, így egy pixel megcímzésére nincs lehetőség az érzékelőn belül

- CMOS (Complemetary Metal Oxide Semiconductor = kiegészítő fémoxid félvezető), ahol minden képponthoz elhelyezhető az elektron-feszültég átalakító, ennek köszönhetően sor- és oszlopcímzéssel rendelkezik, vagyis az érzékelő minden egyes képpontja külön címezhető

A pixelek alakja és mérete változó. A négyzetes pixelek előnyösebbek, azonban kicsit nehezebb ezek előállítása. Általában a pixelméret 9x9 mikrométer és 30x30 mikrométer közötti. Az alsó határt a gyártási technológia szabja meg, illetve az, hogy egy adott méretű elem nem képes végtelen sok elektron tárolására. Ha túl kicsire választjuk a pixeleket, azok rövid megvilágítás után telítődnek, s az elektronok átáramlanak egyikből a másikba. Az értelmes fölső határt általában az elérni kívánt felbontás adja.

A mozaik mérete, alakja a pixelek számától (és azok nagyságától) függ. Alkalmaznak olyan chipeket, melyek csak egy sorból, és több száz - néhány ezer elemből állnak. Ezeket lineáris érzékelőknek nevezzük (16-4. ábra) és jellemzően szkennerekben, fénymásolókban és elmozdulás érzékelőkben alkalmazzák.

16-4. ábra Lineáris érzékelő

A másik típusa az érzékelőknek a kétdimenziós vagy mátrix rendszerű érzékelők csoportja, amelyek képérzékelés, kétdimenziós helyzetérzékelésre használhatók (16-5. ábra). Az ilyen érzékelők több száz vagy ezer sorból és oszlopból állnak.

16-5. ábra Mátrix rendszerű érzékelő

16.2.4 A CCD spektrális jellemzői

Egyik nagyon fontos jellemző a spektrális érzékenységi tartomány [6.]. Az elölről, az elektródák felől megvilágított CCD-k érzékenyebbek a kék tartományban, mivel a rövid hullámhosszú fotonok által keltett elektron-lyuk párok így közvetlen az elektródák közelében keletkeznek. Itt még sokkal erősebb az elektromos tér szétválasztó hatása, mint 500 mikrométerrel távolabb, ahol a vörös fotonok lépnek kölcsönhatásba a szilíciummal. Előny ennél a megoldásnál, hogy a Si alapréteg lehet vastag, ami nagyobb mechanikai szilárdságot biztosít és könnyebben előállítható. Hátrány viszont, hogy a fénynek át kell hatolni az elektródákon és a szigetelő rétegen, így nagy a veszteség. A kvantumhatásfok, ami a detektált és beérkezett fotonok aránya, "csak" 50% körüli csúcsértéket ér el. (Az emberi szem érzékenysége így kifejezve 1, a fotóanyagoké 3-4%) A hátulról, vagyis a Si alapréteg felől megvilágított CCD-k viszont a fent említett okok miatt inkább vörös-érzékenyek. Az alapréteg néhányszor 10 mikrométeresre vékonyításával bizonyos mértékig kiegyenlíthető a spektrális érzékenység, ami nehéz technikai feladat, de megoldható. Ezek az elvékonyított érzékelők viszont - mivel a beérkező fénynek semmi sem állja útját - a 80%-os kavantum hatásfokot is elérhetik a legkedvezőbb hullámhosszon. Ez utóbbi megoldás az elterjedtebb.

16-6. ábra A CCD (a) és az emberi szem (b) spektrális érzékenységi tartományai

A 16-6. ábrán a függőleges tengelyeken a kvantumhatásfok, a vízszintes tengelyeken a hullámhossz van feltüntetve. Az ábrán jól látható, hogy a CCD (16-6. a ábra) jellemzően érzékenyebbek a vörös tartományban, mint az emberi szem (16-6. b ábra). Egy pánkromatikus fotoemulzióval szemben pedig még nagyobb eltérés tapasztalható. Megjegyzendő, hogy léteznek olyan eljárások, melyekkel a CCD chip érzékenysége kiterjeszthető a kék tartományban is. Ez úgy érhető el, hogy egy nagyon vékony rétegben olyan anyagot visznek fel az érzékelő felületére, mely a 300 nm-es tartomány környékén elnyel, s az elnyelt fotonokat valahol 500-600 nm környékén sugározza vissza. Az így megváltoztatott érzékenységet jelöli a bal oldali ábra szaggatott vonala.

Nagyon fontos szempont egy detektornál, hogy pl. kétszer akkora megvilágítás hatására kétszer akkora jelet adjon. Ezt a linearitás fejezi ki, ami teljesül a CCD teljes működési tartományára, míg a fotoemulzióknál csak annak egy harmadára. Ez jól látható az alábbi két görbén (16-7. ábra), ahol a CCD-k és a fotóanyagok "jelleggörbéje" van ábrázolva. Előbbinél a kiolvasott, analóg jel nagysága (I), utóbbinál a feketedés, az ún. denzitás (D) van feltüntetve a megvilágítás (h) függvényében.

16-7. ábra Linearitás

Az egyszerre intenzitáshelyesen megjelenített legfényesebb és leghalványabb képpontok fényességaránya a fotográfiában 100 körüli érték, ellenben a CCD-k esetében ugyanez mintegy 10000. Utóbbi esetben felső határt szab a pixelek telítődése, vagyis az, hogy csak véges számú elektront tartalmazhat egy képelem. Ha ezt a határt túlléptük, a töltések "átfolynak" a szomszédos pixelekbe. Léteznek olyan technikai megoldások, ahol ezt a jelenséget csökkenteni tudják a pixelek közötti "elvezető csatornákkal".

16.2.5 Színes fényképezés

Mint a hagyományos fotográfiában, itt sincs különleges, színes érzékelő. A színes film elvéhez hasonlóan, színszűrőkkel állíthatjuk elő a színes képeket. (A színes filmek három emulziórétegből állnak, köztük megfelelő színszűrők. Így az egyes rétegekben csak a "vörös", "kék", illetve "zöld" képek keletkeznek, természetesen szürkeárnyalatokban rögzítve, mindhárom esetben ezüstbromid kristályok által.) A CCD érzékelő „színvak”, ezért a három alapszínnek megfelelő színcsatornákat külön kell rögzíteni. A színes felvételek készítésére többféle megoldást dolgoztak ki:

A, Prizmarendszerrel a fénysugarakat prizmákkal felbontják a három alapszínre bontva külön-külön CCD érzékelőre osztják fel (16-8. ábra)

16-8. ábra Prizmarendszer

B, Foveon X3 szűrésnél (16-9. ábra) a képérzékelő lapkán a szilíciumban három külön rétegben helyezkednek el az érzékelők. Mivel a különböző hullámhosszú fény különböző mélységig hatol be a szilíciumba, minden réteg külön színt rögzít. Így egyedül a Foveon X3 érzékelő lapka rögzíti külön a piros, a zöld és a kék színeket minden pixelhelyen.

16-9. ábra Foveon X3 szűrés [8]

C, Mozaik elrendezésnél (16-10. ábra) a hagyományos rendszerekben a színszűrőt egy rétegben, mozaikszerűen teszik az érzékelőre. A szűrők csak egy-egy színű fényt engednek át, így minden pixelben csak egy színadat rögzíthető. A színek aránya: R/G/B=1/2/1 arány. Így általában az ilyen érzékelő lapkák felületének 50%-a csak zöld, 25-25%-a pedig csak piros, vagy csak kék szín rögzíthető. Ezt Bayer-féle elrendezésnek is nevezzük.

16-10. ábra Mozaik elrendezés [8]

16.2.6 A CCD képérzékelők jellemzői

A CCD képérzékelőket jellemezhetjük:

a, a felbontás,

b, érzékenység,

c, a képzaj és

d, a hibás pixelek szerint.

A, A pixelek méretétől függő felbontás sok esetben elmarad a fotoemulziók felbontásától. Ráadásul a valódi felbontás ennél rosszabb, mert a kép legkisebb rögzíteni kívánt részleteinek legalább két-két pixelre kell esni, különben ezek egybemosódhatnak.

Az érzékelő felületének nagyságát a pixelméret és a pixelszám határozza meg.

A Mp-ben megadott felbontás érték a sorok és a oszlopok számának szorzata. Megkülönböztetünk teljes vagy effektív pixelszámot. Ez általában néhány tized és pár cm2 között mozog, a legnagyobbaké is csak 36 cm2, ami szintén elmarad az óriási, több száz cm2-es fotólemezekétől. Szinte csak ezen a két területen van hátránya a CCD-knek a hagyományos technikával szemben.

B, A digitális gépek érzékenységét a nemzetközi szabványoknak megfelelő ISO értéket adják meg (értéke megegyezik az amerikai ASA értékeivel). Általában ISO 50 és ISO 200 közötti, de van ISO 400, ISO 800, ISO 1600. Az érzékenység analóg erősítéssel (vagyis még az A/D átalakítás előtt) megnövelhető.

C, Az elektronok nem csak fotonok hatására, hanem a hőmozgás során is elszabadulhatnak, s ez a filmeknél ismert "alapfátyol"-hoz hasonlóan jelenik meg a képen. Ennek értéke, eloszlása azonban teljesen véletlenszerű, erősen függ a hőmérséklettől, s az integrációs idő alatt folyamatosan gyűlnek ezek a "zavaró" elektronok is. Az egyes pixelek érzékenysége is különböző, így a rögzített kép egyes pontjainak relatív fényessége is megváltozik. Gyakran találkozunk a gyártás során keletkezett pixelhibákkal. Ezek együttes hatása a képzaj (16-11. ábra). Minél nagyobb az érzékenység, annál nagyobb a „képzaj” (ami egyébként nő az expozíciós idő növelésével is).

16-11. ábra Képzaj

D, Gyakran előfordulnak hibás vagy érzéketlen pixelek (16-12. ábra). Ezek lehetnek halott képelemek (fekete), beégett pixelek (fehér) és forró pixelek (kék, zöld, vagy piros). Ezek legrosszabb esetben az egész chipet használhatatlanná tehetik.

16-12. ábra Hibás pixelek

16.2.7 A CCD kamera felépítése

A képalkotáshoz a CCD chipen kívül még sok más kiegészítő egység is szükséges. Ezek együttesét nevezzük CCD kamerának (16-13. ábra), mely a következő főbb elemekből áll:

  • objektív,

  • CCD chip,

  • erősítő,

  • A/D átalakító,

  • interface,

  • kiegészítő egységek.

16-13. ábra CCD kamera felépítése [6]

Az erősítő feladata a chipből érkező igen gyenge jelek fölerősítése, ami feltétlen szükséges azok továbbításához, hisz a legkisebb zavaró tényezők, zajok hatására elveszhet az információ. Ennek elkerülésére a speciálisan kialakított, ún. "alacsony zajú" erősítőt közvetlen a chip közelébe kell helyezni. Így a későbbiekben keletkező zavarok nagysága jelentősen csökkenthető a hasznos jelhez képest. Nem javíthatók viszont az integrálás és a kiolvasás során keletkezett hibák, melynek okai a következők: a sötétáram pixelenkénti eloszlásának véletlenszerűsége, ennek időbeli változása; a léptetések során elmaradó töltések; a kiolvasó kondenzátor referencia-feszültségének apró változásai.

A számítógéppel való kapcsolat miatt szükség van az A/D átalakítóra, az analóg jel digitalizálására. Az egyes pixelek fényességértékével arányos feszültségjelek bináris számokká történő átalakítását végzi az Analóg/Digitál konverter. Jellemzője a kamerának, hogy ez az egység hány szintet képes megkülönböztetni a chipből érkező jelben. Pl. egy 12 bites A/D átalakító esetén 4096, 16 bit esetén 65536 különböző fényességérték, illetve szürkeárnyalat lehet a képen.

Nem megfelelő felbontású A/D átalakító esetén a rögzíteni kívánt kép finom részletei eltűnnek amiatt, hogy a kis fényességkülönbségű képpontokhoz ugyanazt a digitális egységet (ADU, Analog Digital Unit) rendeli az átalakító. A szükséges felbontást a chip, az elektronika tulajdonságai, a megfigyelés körülményei és az objektum együttesen határozzák meg.

Itt kell még említeni az átviteli sebesség kérdését is. Egy kb. 100 kép/sec. átviteli sebességű rendszernél egy viszonylag nagy felbontású CCD esetén igen nagy átviteli sebességigény merül fel az A/D átalakítóval szemben ( pl. 1024*1024 pixeles színes CCD 50 kép/másodperc esetén már 1024*1024*3*50 = 157 286 400 byte/s adódik, ami nagyon komoly igényeket támaszt a további feldolgozó eszközökkel szemben).

Az interface feladata csupán az illesztés, azaz a kamera elektronikájának és a számítógép jeleinek megfelelő összekapcsolása. Egyes kameráknál az A/D átalakító és az interface külön dobozban, vagy egy, a számítógépbe szerelhető kártyán kap helyet. Utóbbi megoldás jelentősen gyorsítja az adatátvitelt a gép és kamera között.

Tulajdonképpen az eddig felsorolt egységek jelentik a kamera elektronikáját. Ezek apró hibái együttesen eredményezik a jelben megjelenő zajt, aminek nagysága szintén egy fontos jellemzője a kamerának.

Fontos része a kamerának a tápegység és a hűtőrendszer is. A számítógép is elengedhetetlen kellék, mégsem tekinthető teljesen a kamera részének.

A tápegység a kamera elektronikájának, és termoelektromos hűtés esetén annak az áramellátását végzi.

A sötétáram szobahőmérsékleten akár néhány másodperc alatt telítésbe viheti a pixeleket. A jelenség csökkenthető, szinte teljesen meg is szüntethető a chip hűtésével. A chip, a hűtőrendszer és az erősítő kap helyet (egyes esetekben az A/D konverter és az interface is) a kamerafejben. Ennek feladata a chip hermetikus elzárása a környezettől, a megfelelő mechanikai csatlakozás biztosítása az objektívhez. A kamerafej - amatőrök által is használt kameráknál - általában a "kézbe fogható" kategóriába tartozik, s ehhez járul a tápegység és elektronika doboza.

A számítógép is elengedhetetlen kellék. Feladata a kamera vezérlése (ill. a megfelelő jelek továbbítása a vezérlést ténylegesen elvégző kamera-elektronikához), a kép megjelenítése, annak tárolása, ill. rögzítése. Ezek elvégzésére egy egyszerűbb PC is megfelel, azonban a chip és az elektronika megszabnak bizonyos követelményeket.

A hatalmas iramú fejlődés miatt a hagyományos CCD is lassan elavultnak tekinthető, hiszen megjelent a CCD-k egy újabb generációja, mely CMOS technikával készül, s így elérhető az, hogy egyetlen chip tartalmazza az érzékelőt, az analóg-digitális konvertert, a jelerősítőt, a kamera vezérlő funkcióit ellátó elektronikai egységeket. S nem csak a kis méret jelent előnyt, hisz több más kedvező tulajdonsággal is rendelkeznek ezek az eszközök. Például a dinamikai tartományuk 200-szor akkora, mint egy átlagos CCD-nek. Ezekkel a kamerákkal igen nagy fényességkülönbségek jeleníthetők meg intenzitáshelyesen, s pl. egy hegesztési eljárás, vagy egy lézeres interferenciakép esetében a fényes részek "beégés" nélkül tanulmányozhatók a halványabb struktúrákkal együtt. Meg kell említeni, hogy ugyanakkor a képek „zajosabbak”.