Jak funguje CCD čidlo

Princip CCD čidla byl vymyšlen již v roce 1969 v Bellových laboratořích v USA. V roce 1970 zde rovněž vyrobili první videokameru založenou na snímání obrazu světlocitlivým křemíkovým polovodičovým čidlem. V současné době se tato technologie používá k optickému snímání v nejrůznějších přístrojích. Asi nejznámějším je Hubbleův teleskop, jehož supercitlivá CCD čidla chlazená kapalným dusíkem zachycují světlo ze vzdálených galaxií.

Elementární buňka CCD čidla

Čidlo se dnes skládá z několika miliónů navzájem oddělených světlocitlivých buněk. Buňka je malá ploška křemíku. Součástí jsou dvě elektrody, které slouží odvedení elektrického náboje. V důsledku fotoelektrického jevu se po osvětlení křemíkové plošky uvolní z krystalové mřížky volný elektron. V místě elektronu vzniká tzv. díra. Množství uvolněných elektronů, které představují záporné elementární náboje, je přímo úměrné intenzitě osvětlení. Vlastnosti takovéto křemíkové fotodiody jsou závislé na elektro-optických vlastnostech křemíku. Proto se například před každé čidlo musí vložit infračervený filtr. Jinak by záření mimo oblast viditelného světla rušilo snímání viditelného světla.

Ploška buňky se chová jako kamínek mozaiky. Jako taková je schopna změřit intenzitu dopadajícího světla, nikoliv jeho barvu. Pokud chceme změřit, kolik zeleného (G), červeného® a modrého (B) světla dopadá na buňku, musíme před ní vložit filtr příslušné barvy. To znamená, že filtrem z červeného skla projde pouze červené světlo, z modrého pouze modré atd.

Elementární buňky mají nejčastěji čtvercový tvar. Výjimkou jsou čidla vyráběná firmou Fuji nazývaná Super CCD, která mají tvar včelích plástů. Jejich výhodou jsou menší vzdálenosti mezi jednotlivými buňkami, což je předpokladem lepšího rozlišení takového čidla.

Jak pracuje CCD čidlo

Zkratka CCD pochází z anglického Charge Coupled Device neboli obvod vázaný nábojem. Nejprve v průběhu osvětlení světlem se na každé buňce nashromáždí náboj tvořený určitým počtem elektronů, úměrný intenzitě světla. Náboje z buněk musí být po ukončení expozice vyvedeny do CCD obvodů, kde je třeba odečíst jejich hodnoty. Postupně se posouvají do registrů. Elektrický signál, který vytvářejí, se pak zesílí a pomocí A/D převodníku se jeho hodnota převede do digitální podoby. Následuje uložení této hodnoty do paměti.

Podle uspořádání buněk se CCD čidla dělí na jednořádková a plošná (matricová).

Jednořádková (liniová) čidla

Jednořádková čidla se nejčastěji používá ve skenerech nebo ateliérových kamerách určených pro statickou fotografii. Buňky (fotodiody) jsou uspořádány v jedné řádce. Čidlo se krokově posouvá po ploše obrazu, který postupně snímá. Schéma jednořádkového systému je na následujícím obrázku.

Plošná čidla

Plošná CCD čidla se dnes používají ve většině digitálních fotoaparátů. Podobně jako u liniového čidla jsou před expozicí všechny buňky vynulované. Po expozici jsou všechny náboje přesunuty do sousedních vertikálních registrů. Sloupce nábojů jsou postupně z vertikálního posuvného registru přesouvány do horizontálního registru. Tento posun probíhá po celých řádcích. Odtud pochází název technologie – náboje jsou svázány (coupled). Měření nábojů v buňkách nelze provádět po řádcích, ale po jednotlivých registrech. Ty se postupně posouvají na výstup, kde jsou změřeny. Tento proces je ukázán na následujícím obrázku.

Procesy na CCD čidle probíhají s vysokou přesností, ztratí se maximálně jeden náboj (electron) z 100000.

Předchozí lekce:

Lekce 1: Jak funguje digitální fotoaparát?
Lekce 2: Co je digitální fotografie
Lekce 3: Barvy v digitální fotografii
Lekce 4: Počítáme pixely

Digitální fotoškola na FotoAparátu.cz vzniká za podpory společnosti Olympus. Olympus je nejprodávanější značka digitálních fotoaparátů v ČR. Olympus na www.olympus.cz.