Tutto sui sensori CCD

 

Gik25

 
Tratto dal sito: http://www.hyperreview.com

 
 
 

Introduzione

Nelle macchine fotografiche digitali la pellicola è sostituita da un sensore. Questo sensore non è altro che un chip su cui l’immagine è catturata in analogico e convertita in digitale.

Il sensore è diviso in milioni di piccole aree chiamate pixel, ognuna delle quali registra l’informazione di colore relativa a un’area molto piccola. Oggi i sensori raggiungono facilmente risoluzioni enormi come tre milioni di pixel (il massimo è 14 milioni). In fotografia il numero di pixel si misura in Megapixel/Mp (milioni di pixel). Il numero totale di pixel è calcolabile anche come prodotto della massima risoluzione verticale per la massima risoluzione orizzontale. Ad es. se la macchina riprende 1280x1024 = 1,3 Mp. Per eseguire l’operazione contraria (massima risoluzione a partire dai Megapixel) dobbiamo ricordarci che il rapporto standard tra la risoluzione orizzontale e quella verticale è di 1,25:1. Quindi per prima cosa dobbiamo dividere il numero di Mp per 1,25 poi calcolare la radice quadrata (otterremo la misura minore: 1024) infine calcolare l’altra misura moltiplicando nuovamente per 1,25.

Quanto conta il numero di Mp

È importante notare che la “definizione” aggiuntiva catturata da un CCD con più Mp potrebbe deludere chi si aspetta un nettissimo cambiamento. Mi spiego meglio: passando da 2 MP a 5Mp potreste pensare che un oggetto fotografato raddoppi (e oltre) la sua dimensione e sia quindi stampabile a grandezza più che doppia. Es. potreste pensare che un’immagine a 2Mp sia stampabile agevolmente a 9x12 e quella da 5Mp a 18x24. (Le cifre non sono accurate, sono scelte solo per dare un’idea tangibile). Invece no. Infatti linearmente la risoluzione del CCD è aumentata solo della radice quadrata di 5/2 e cioè di 1,6 volte! Ben meno che 2,5 che ci saremmo aspettati a occhio.

Dunque se per definizione intendiamo l’aumento di dettagli in entrambe le direzioni, i Mp sono effettivamente un parametro utile che misura l’aumento di nitidezza nell’immagine. Ma se ci interessa notare un particolare o stampare la foto più che i Megapixel ci interessa la risoluzione orizzontale (o verticale) e passando da un ccd all’altro quello che conta è la radice quadrata del rapporto tra le dimensioni dei sensori in Mp.

Rapporti teorici e Rapporti reali

Sensori

1 Mp

2 Mp

3 Mp

5 Mp

10 Mp

14 Mp

1 Mp

1

1

2

1,4

3

1,7

5

2,2

10

3,1

14

3,7

2 Mp

 

 

1

1

1,5

1,2

2,5

1,6

5

2,2

7

2,6

3 Mp

 

 

 

 

1

1

1,7

1,3

3,3

1,8

4,7

2,2

5 Mp

 

 

 

 

 

 

1

1

2

1,4

2,8

1,7

10 Mp

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1,4

1,2

14 Mp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

Come vedete i rapporti reali (tra risoluzioni orizzontali) sono molto deludenti rispetto all’aumento di Megapixel e sono tanto più deludenti (in percentuale) quanto più l’aumento è forte. In altre parole se l’aumento dovrebbe essere del doppio in realtà è di 1,4 volte. Ma se “dovrebbe” essere di 14 volte è di appena 3,7!

Grandezza dei sensori CCD

Un'altra caratteristica molto importante per i sensori CCD è la grandezza: la grandezza dei singoli pixel (più che del ccd) influisce moltissimo sulla capacità di catturare luce. Sensori grandi (e quindi pixel più grandi) di norma hanno una resa dinamica maggiore dei sensori piccoli. I valori più diffusi in ordine crescente di grandezza sono 1/2.7", 1/1.8", 2/3", 23x15mm circa, 35x23mm (FF). La grandezza effettiva del ccd si calcola esattamente come è facile ipotizzare. Es 1/1.8" = 0.55" quindi 1/1.8 è più piccolo di 1/1.3.
Grandezze di ccd da 23x15mm circa a 35x23mm o superiori sono le più usate dai professionisti.

Funzionamento

Il funzionamento fisico di un ccd è qualcosa di complesso e poco interessante per un fotografo, vi basta sapere che grazie all’elettronica è stato possibile costruire strutture microscopiche in grado di rilevare l’intensità di luce che le colpisce attraverso variazioni della corrente elettrica prodotta (o lasciata passare). Il passo successivo è quello di convertire l’intensità di corrente elettrica in un segnale digitale attraverso un convertitore AD (Analogico-Digitale) a grande risoluzione di colore (12 bit, 16 bit).

Pixel Monocromatici

La cosa che è importante notare però, è che ogni pixel cattura un solo colore. Esatto i pixel sono monocromatici. In pratica i CCD attuali vengono “verniciati” pixel per pixel con una vernice trasparente che permette a ogni pixel di catturare la luce solo nella componente di colore di cui è verniciato. Per capire meglio questa tecnica basta pensare all’effetto che si ha guardano attraverso un filtro colorato. In pratica vediamo solo quel colore nelle sue diverse intensità.

Lo schema più usato consiste nel dipingere i pixel adiacenti secondo lo schema GRGB Green (verde), Red (rosso), Blue (blu), Green (verde) (si noti che il verde è il colore a cui l’occhio umano percepisce la maggior parte di dettagli). I colori appena citati sono i colori primari, da questi è possibile ottenere qualsiasi altro colore.

In pratica l’effetto che si ottiene attraverso questa tecnica è quello di avere tre fotografie dello stesso oggetto, ognuna leggermente spostata rispetto all’altra di una certa misura angolare (che corrisponde a pochi millimetri o meno a distanze di pochi metri). Il calcolo si effettua così: larghezza area fotografata alla distanza X (ad es. circa 5 metri di larghezza a 5 di distanza)/risoluzione orizzontale. Per un sensore a 3Mp abbiamo = 5 m / 1550 = 3mm.

Queste immagini vengono fuse insieme attraverso un procedimento molto complesso che richiede, per dare un’idea, circa 100 operazione per singolo pixel. Nonostante ciò il procedimento produce artefatti abbastanza vistosi come una risoluzione “reale” inferiore a quella dichiarata e raggiunta solo grazie all’interpolazione, un certo livello di sfocatura necessario per evitare artefatti di colore che si verificano comunque su superfici a mosaico (es. una camicia).

Il sensore X3 della Foveon è l’unico a non utilizzare questa tecnica e a catturare le immagini senza artefatti di sorta.

Range Dinamico

Il Range Dinamico è il rapporto tra la più forte e la più debole luce catturabile dal sensore ccd una volta fissati tempo di otturazione, apertura diaframma e sensibilità iso. Il range dinamico è quindi un sinonimo di contrasto massimo tra luce e ombra che viene reso correttamente dal ccd. Anche l’occhio umano e la pellicola hanno un range dinamico limitato, il fatto è evidente se si pensa all’effetto che si ha guardando una pila che ci viene puntata in faccia o fotografando con qualunque macchina in controluce. In pratica un range dinamico troppo limitato ci porterà ad avere immagini con parti troppo chiare (sovraesposte), troppo scure (sottoesposte) o addirittura entrambe. In queste aree perdiamo completamente (o quasi) i dettagli e anche i migliori software faticano a recuperarli (e se ci riescono spesso l’immagine non è certo gradevole).

Sotto, esempio di range dinamico troppo basso.

Il range dinamico non viene dichiarato dai costruttori, ma può essere misurato attraverso alcuni test, la misura è espressa in ev (equivalent value) o in rapporti di contrasto (es. 400:1). Questo range varia inoltra al variare della sensibilità iso impostata, avendo il valore massimo per iso bassi (100) e calando rapidamente per valori alti (a iso 800 è in media 4 volte più basso che a iso 100). Nella maggior parte degli apparecchi il range dinamico a iso 100 spazia tra 100 e 400, a secondo del modello.

Il nuovo sensore inventato da Fujifilm (il superCCD S3) è il migliore in questo campo sebbene guadagni solo il 25/30% in più rispetto ai migliori ccd tradizionali. La tecnologia è comunque ancora giovane e il range dinamico è una delle caratteristiche più importanti per un fotografo (anche e soprattutto per quelli alle prime erbe)

Convertitore AD

Come ho detto i pixel sono misuratori analogici e la misura da loro prodotta è un segnale elettrico misurabile in volt. Tale segnale deve essere convertito in digitale. La conversione introduce un fenomeno di perdita d’informazione chiamato “quantizzazione”. Questo fenomeno è dovuto al fatto che il numero di bit usati per ogni pixel è molto piccolo e il numero di informazioni codificabili con N pixel è 2N. Nella maggior parte delle fotocamere abbiamo N = 8 e di conseguenza 2N= 256. Ciò significa che qualsiasi immagine fotografiamo dovremo descriverla con “solo” 256 gradazioni di luminosità (per ogni colore). Le ultime fotocamere professionali hanno 10 o addirittura 12 bit che corrispondono rispettivamente a 1024 e 4096 gradazioni.

È utile? Beh diciamo di sì ma molto, molto meno delle altre caratteristiche. Sarà più utile in futuro, quando le macchine avranno range dinamici molto superiori a quelli attuali e si potrà scegliere l’esposizione migliore dopo aver scattato la foto (il range sarà così ampio da equivalere a due foto con due esposizioni diverse). Si noti infatti che avere un buon range dinamico e soli 8 bit significa comprimere le informazioni aggiuntive rinunciando a buona parte delle informazioni guadagnate (in pratica la forte perdita di dettagli presente nelle zone scure o chiare si distribuisce ovunque ma molto, molto attenuata). Si noti inoltre che il Jpeg non supporta risoluzione di colore superiori a 8 bit (ecco il perché dei formati Raw o proprietari)

Tipi di ccd:

Ci sono essenzialmente due tipi di ccd: “interline transfer” e “full frame”. Il primo tipo è quello più diffuso. Non necessita di un otturatore fisico, permette di utilizzare la macchina fotografica per realizzare brevi filmati e permette inoltre l’utilizzo del display lcd. Per contro però richiede un’elettronica molto ingombrante (dovuta alla presenza di registri a scorrimento) riducendo così la dimensione della parte sensibile del pixel a 1/3 dell’area totale. Il secondo non ha i registri a scorrimento ma richiede un otturatore fisico (tempi di otturazione molto bassi saranno quindi difficili da raggiungere) e non permette l’utilizzo dello schermo lcd (richiede quindi una struttura reflex o un viewfinder non allineato) in compenso l’area sensibile riempie circa il 70% dell’area del pixel. Ovviamente non è possibile registrare minifilm con questo tipo di sensore.

Riassumendo, vediamo di elencare i pro e i contro:

Interline Transfer

Full Frame

Possibilità di usare il display lcd

Possibilità di girare filmati

Possibilità di usare l’otturatore elettronico

Basso livello di “rumore”

Maggior grandezza del ccd

Miglior qualità dell’immagine

Miglior Range Dinamico

 


 

 

 

An introduction to CCD operation

Tratto dal sito: http://www.mssl.ucl.ac.uk/www_detector/ccdgroup/optheory/ccdoperation.html


 
 

The basics

A Charge Coupled Device (CCD) is a highly sensitive photon detector. The CCD is divided up into a large number of light-sensitive small areas (known as pixels) which can be used to build up an image of the scene of interest. A photon of light which falls within the area defined by one of the pixels will be converted into one (or more) electrons and the number of electrons collected will be directly proportional to the intensity of the scene at each pixel. When the CCD is clocked out, the number of electrons in each pixel are measured and the scene can be reconstructed.

The picture here shows a "typical" CCD. The CCD itself is primarily made of silicon and the structure has been altered so that some of the silicon atoms have been replaced with impurity atoms.


 

The figure below shows a very simplified cross section through a CCD. It can be seen that the Silicon itself is not arranged to form individual pixels.  In fact, the pixels are defined by the position of electrodes above the CCD itself. If a positive voltage is applied to the electrode, then this positive potential will attract all of the negatively charged electrons close to the area under the electrode. In addition, any positively charged holes will be repulsed from the area around the electrode. Consequently a "potential well" will form in which all the electrons produced by incoming photons will be stored.
 


 

As more and more light falls onto the CCD, then the potential well surrounding this electrode will attract more and more electrons until the potential well is full (the amount of electrons that can be stored under a pixel is known as the full well capacity). To prevent this happening the light must be prevented from falling onto the CCD for example, by using a shutter as in a camera. Thus, an image can be made of an object by opening the shutter, "integrating" for a length of time to fill up most of the electrons in the potential well, and then closing the shutter to ensure that the full well capacity is not exceeded.
 
 

An actual CCD will consist of a large number of pixels (i.e, potential wells), arranged horizontally in rows and vertically in columns. The number of rows and columns defines the CCD size, typical sizes are 1024 pixels high by 1024 pixels wide. The resolution of the CCD is defined by the size of the pixels, also by their separation (the pixel pitch). In most astronomical CCDs the pixels are touching each other and so the CCD resolution will be defined by the pixel size, typically 10-20µm. Thus, a 1024x1024 sized CCD would have a physical area image size of about 10mm x 10mm.


 
 

How is a CCD clocked out ?

The figure below shows a cross section through a row of a CCD. Each pixel actually consists of three electrodes IØ1, IØ2, and IØ3. Only one of these electrodes is required to create the potential well, but other electrodes are required to transfer the charge out of the CCD. The upper section of the figure (section 1) shows charge being collected under one of the electrodes. To transfer the charge out of the CCD, a new potential well can be created by holding IØ3 high, the charge is now shared between IØ2 and IØ3 (section 2). If IØ2 is now taken low, the charge will be fully transferred under electrode IØ3 (section 3). To continue clocking out the CCD, taking IØ1 high and then taking IØ3 low will ensure that the charge cloud now drifts across under the IØ1 electrodes. As this process is continued, the charge cloud will progress either down the column, or across the row, depending upon the orientation of the electrodes.


 

The figure below (called a clocking diagram) shows the progression under which each electrode is held high and low to ensure that charge is transferred through the CCD.


 
 

Initially, IØ2 is high - usually to around 12V, and the charge is held under that electrode as in (1) previously. When IØ3 is held high, and IØ2 is taken low (usually 0 V), the charge migrates under the IØ3 electrode (as in (2)). Finally, taking IØ1 high and IØ3 low transfers the charge under IØ1 (as in (3)). This process is repeated in transfer 2 and transfer 3, the charge has now been moved three pixels along. This process is known as charge coupling (hence CCD).

For most of the CCD, the electrodes in each pixel are arranged so that the charge is transferred downwards along the columns. Hence, during the CCD clocking operation, rows are transferred downwards to the final row (the readout register) which is used to transfer the charge in each pixel out of the CCD so it can be measured.

In the read out register, the electrodes are arranged so that the charge is transferred in the horizontal direction, along the readout register.
 

How the charge is measured

The final process on the CCD is the reading of each pixel so that the size of the associated charge cloud can be measured. At the end of the readout register is an amplifier which measure the value of each charge cloud and converts it into a voltage, a typical conversion factor being around 5-10µV per electron with "typical" full well values being about 100,000 electrons or so.

A CCD camera will consist of the CCD chip, and associated electronics, which is used at this point to amplify the small voltage on the CCD, remove noise components, digitise the pixel values and output the values of each pixel for example, to a PC, where the image can be processed in software and the image displayed. The CCD is an analogue device, and the analogue voltage values are converted into a digital form by the camera electronics.
 
 
 



 

Some aspects of CCD behaviour
 

Quantum Efficiency

Not every photon falling onto a detector will actually be detected and converted into an electrical impulse. The percentage of photons that are actually detected is known as the Quantum Efficiency (QE). For example, the human eye only has a QE of about 20%, photographic film has a QE of around 10%, and the best CCDs can achieve a QE of over 80%. Quantum efficiency will vary with wavelength.
 

Wavelength range

CCDs can have a wide wavelength range ranging from about 400nm (blue) to about 1050nm (Infra-red) with a peak sensitivity at around 700nm. However, using a process known as backthinning, it is possible to extend the wavelength range of a CCD down into shorter wavelengths such as the Extreme Ultraviolet and X-ray.
 

Dynamic Range

The ability to view bright and faint sources correctly in the same image is a very useful property of a detector. The difference between a brightest possible source and the faintest possible source that the detector can accurately see in the same image is known as the dynamic range. When light falls onto a CCD the photons are converted into electrons. Consequently, the dynamic range of a CCD is usually discussed in terms of the minimum and maximum number of electrons that can be imaged. As more light falls onto the CCD, more and more electrons are collected in a potential well, and eventually no more electrons can be accommodated within the potential well and the pixel is said to be saturated. For a typical scientific CCD this may occur at around 150,000 electrons or so. The minimum signal that can be detected is not necessarily one electron (corresponding to one photon at visible wavelengths). In fact, there is a minimum amount of electronic noise which is associated with the physical structure of the CCD and is usually around 2-4 electrons for each pixel. Thus, the minimum signal that can be detected is determined by this readout noise.

In the example above, the CCD would have a dynamic range of 150,000:4 (taking the upper noise level). But - this dynamic range is also dependent on the ability of the electronics to be able fully digitise all of this dynamic range (see the more detailed CCD information for discussions on electronics resolution).

Linearity

On the whole, the eye is not a linear detector (except over very small variations in intensity) and has a logarithmic response. An important consideration in a detector is its ability to respond linearly to any image it views. By this we mean that if it detects 100 photons it will convert these to 100 electrons (if we had 100% QE) and if it detects 10000 photons, it will convert these to 10000 electrons. In such a situation, we say that the detector has a linear response. Such a response is obviously very useful as there is no need for any additional processing on the image to determine the 'true' intensity of different objects in an image.
 

Noise

One of the most important aspects of CCD performance is its noise response. There are a number of contributions to the noise performance of a CCD, these are briefly listed here:

When the CCD is used as part of a camera for astronomical imaging, other sources of noise must also be included such as the random (shot) noise present on the image itself, along with noise introduced by the camera electronics. However, these noise sources are discussed elsewhere.

Power

CCDs themselves consume very little power. During integration, only a very small current is flowing and the CCD consumes only 50mW or so. Whilst the CCD is being clocked out more power can be consumed but this is typically only several Watts or so. Of course, the electronics required to operate the CCD and process images can consume much more power.
 

 


 
 


 

Why are scientific CCDs so expensive ?
 

 

A Video camera using a CCD can be bought for as little as 400-500 pounds. However, a scientific grade CCD may cost up to 100 times this price, sometimes more. Some of the reasons why scientific CCDs are much more expensive than CCDs in consumer electronics are outlined below:
 

Cost and complexity

Scientific grade CCDs are much more expensive than the basic type of CCDs that are usually found in devices such as commercially available Video cameras. Commercially available video cameras normally have a number of disadvantages that make them unsuitable for scientific use. For example:

 

Prepared by Chris McFee

 

 

 

Noise sources in a CCD
 

Tratto dal sito: http://www.mssl.ucl.ac.uk/www_detector/ccdgroup/optheory/darkcurrent.html

Types of noise in a CCD


  Basics

When a CCD image is taken, noise will appear as well as the main CCD image. Noise can be thought of as unwanted signal which doesn't improve the quality of the image. In fact, it will degrade it. The main problem with noise is that most noise is essentially random, and so cannot be completely removed from the image. For example, if we know that a noise source contributes 10 units on each image we can subtract those 10 units from the image. If we only know that the noise is 'around' 10 units, then we can't completely remove all of this noise (as we don't know its exact value).

The main contributions to CCD noise are:

Noise on the image itself ("shot noise")
The detection of photons by the CCD is a statistical process. If images are taken over several (equal) time periods, then the intensity (the number of photons recorded) will not be the same for each image but will vary slightly. If enough images are taken, it will be seen that the deviation in intensity found for each image follows the well known Poisson distribution.  In effect, we cannot be sure that the intensity we have measured in a particular image represents the "true" intensity as we know that this value will deviate from the average. It is this deviation which is considered to be the noise associated with the image. As the deviation is known to follow a Poisson distribution, we know that the likely deviation will be plus or minus the square root of the signal intensity measured. Thus, if we measure a signal intensity of one hundred photons, then the noise on this signal will be ten photons. If we measure a signal intensity of one thousand photons in the image, then the noise on this signal will be about thirty one photons.

Thermally generated noise:
Additional electrons will be generated within the CCD not by the absorption of photons (i.e the signal) but by physical processes within the CCD itself. The number of electrons generated in a second will be dependent on the operating temperature of the CCD and hence this noise is known as thermal noise (sometimes also known as dark noise).  As with the detection of the signal, the same number of electrons will not be generated in equivalent periods of time as the thermal noise will also have a Poisson distribution.
 

Other noise contributions also affect image quality. A very good description of how noise can affect the quality of CCD images can be found on the Sky and Telescope CCD imaging pages.

Some of the Physics behind the generation of various types of noise within a CCD are explained below.
 

 


 


 

Some Physical Principles behind CCD noise
 

Dark current

Even in the absence of light, thermally generated electrons will be collected in the CCD and will contribute to the overall signal measured. There are three main contributions to dark current:

The vast majority of the thermally generated electrons are generated at the surface states. Interface states can exist in the forbidden energy gap between the valence and conduction bands (such states do not exist in a perfect lattice and are caused by the change in energy within the lattice due to the introduction of an impurity atom or lattice defect). An electron can be excited by absorption of a phonon with insufficient energy to excite the electron into the conduction band but with sufficient energy to excite it into the mid-band interface state. A second phonon can then excite the electron into the conduction band.

However, if the interface states are filled up by free carriers then the dark current will be drastically reduced. Such a process can be achieved by operating the CCD in inversion which is a technique used by all modern CCDs. When the CCD is operated in inverted mode, holes from the channel stops migrate to fill the interface states. Two of the three electrodes defining a pixel are driven into inversion to drastically reduce the dark current (it is not possible to invert all three electrodes as a potential well is still required to collect charge). If a CCD is not inverted, then the dark current generation rate may be as high as several hundreds of thousands of electrons per pixel per second (at room temperature) whereas an inverted CCD will have a much lower generation rate of about ten thousand electrons per pixel per second.

If such a CCD is read out a number of times per second (for example in a video camera) then the dark current at room temperature is low enough not to significantly interfere with image quality. However, if the CCD is only read out once a second (or less frequently) then the number of thermally generated electrons will be to high for adequate image quality. Hence, additional measures need to be taken.

The simplest way to reduce the dark current is to cool the CCD as dark current generation is temperature related.
 

The figure below shows the variation in dark current with temperature for a CCD with a room temperature dark current of 10,000 electrons/pixel/s. There are a number of ways in which a CCD can be cooled, the easiest is to use liquid Nitrogen but thermoelectric coolers (Peltier coolers) can be used, and in space the CCD can be cooled with a direct connection to a passive radiator.
 


 

A second way of reducing the dark noise in a CCD is to use a Multi-Pinned Phase (MPP) device. In an MPP device, it is possible to operate the CCD with all three electrode phases driven into inversion. This is accomplished by adding a suitable dopant under one of the phases during CCD fabrication. The presence of the additional dopant under one of the phases alters the potential under that phase so that there is still a potential well present during integration when all the electrode phases are at clock low level (usually zero volts). Dark current is now only generated in the bulk silicon reducing the dark current to about 300 electrons/pixel/signal.

 


 

Readout noise

The ultimate noise limit of the CCD is determined by the readout noise. The readout noise is the noise of the on-chip amplifier which converts the charge (i.e the electrons) into a change in analogue voltage using:
Q= CV where Q is the charge on the output node, and C is the output node capacitance. V is the voltage sensed by the on-chip amplifier operating as a source follower.


 

The figure above shows a schematic of a typical CCD output section. The charge in a pixel is transferred onto the output node where the change in voltage caused by this charge is sensed by the on-chip amplifier.
The on-chip amplifier will have an associated noise performance which is typically 1/f at low sampling frequencies with a white noise floor at higher sampling frequencies. The sampling frequency corresponds to the rate at which each pixel is read by the CCD.
 

The figure above shows the readout noise response versus the sampling frequency for a typical CCD. It can be seen that as the sampling frequency increases, the root mean square value of the read out noise increases.

 

 

Prepared by Chris McFee