www.digimanie.cz
>
>

Fotomobily: snímací čipy CMOS vs. CCD

Fotomobily: snímací čipy CMOS vs. CCD
, , článek
Dnes se v rámci tématu o fotomobilech podíváme na technologii snímacích čipů, zejména na srovnání CMOS a CCD. Na své si tak přijdou fanoušci digitálních kompaktů a zrcadlovek, jelikož tyto čipy jsou v nich také. Proč se v mobilech tak moc využívá CMOS a kdy se vlastně s fotomobily začalo?
reklama
V dnešní době už nikoho nepřekvapí mobilní telefon s integrovaným fotoaparátem, větším zázrakem je spíše mobilní telefon bez fotoaparátu. Cesta k těmto přístrojům ale byla zdlouhavá, překážkou byly rozměry, spotřeba i další problémy. V tomto článku se podívejme na historii vývoje CCD a CMOS čipů obecně a jejich nasazení do fotomobilů.


Vývoj snímacích čipů


Možná to pro některé z vás bude znít trochu nepravděpodobně, ale CMOS technologie je s námi již od roku 1963. Používá se k výrobě různých polovodičů, na příklad i procesorů. Využití ve snímací technice ale na sebe nechalo čekat poněkud déle, a tak prvními digitálními snímači byly čipy CCD (Charged Coupled Device). Za jejich vznikem stojí pánové Dr. Willard Boyle a Dr. George Smith, kteří takový čip vyvinuli v laboratořích Bell Laboratories v roce 1969. Za tento objev byli odměněni 21. února 2006 cenou Charlese Starka Drapera udělovanou Národní akademií věd.


Dr.Willard Boyle (vlevo) a Dr. George Smith (vpravo)

CCD čipy se začaly v roce 1975 používat v televizních kamerách a později v různých čtečkách čárových kódů, skenerech a dnes především digitálních fotoaparátech. Naproti tomu s CMOS čipy pro snímání se sice začalo experimentovat již v 70. letech 20. století, ale teprve počátkem 90. let se začal vývoj takových čipů pro běžné použití ve snímací technice. Prsty v tom měla ale původně NASA, která zjistila, že CMOS čipy by mohly být ve vesmíru výhodnější díky menší náchylnosti k záření a také menší spotřebě. A je zajímavé, že vývoj CMOS čipů opět probíhal u Bell Laboratories, konstruktora CCD čipu.


Snímací čipy CCD


Protože CCD čipy jsou k snímání obrazu používány již desítky let, jde o značně propracovanou technologii. Má tak spoustu výhod, ale stále zůstávají některé nevýhody. Čip se skládá z mnoha světlocitlivých buněk, které při reakci se světlem produkují elektrický náboj. Čím více světla dopadne, tím větší náboj vznikne. Data jsou čtena po řádcích, mimo samotné světlocitlivé buňky čipu je tedy posuvný registr, kam se nejprve přesune náboj z prvního řádku (v tomto případě řádku A). Ten projde přes zesilovač do A/D převodníku, ze kterého už vypadnou digitální data. Protože je zesílení aplikováno na celý řádek, nemají CCD čipy příliš velký šum (resp. v celém obraze je téměř stejný, pokud jde o šum přidaný tímto zesilovačem).



Poté se všechny řádky přesunou (B do A, C do B,...) a do posuvného registru se načte řádek B, zesílí, převede na digitální data, a tak to pokračuje, dokud se nepřečtou všechny řádky. Tento způsob je poněkud pomalý a nedovoluje číst např. jen výřez střední části obrazu, vždy se musí načíst celý snímek.

Je však jasné, že mimo samotného snímače musí být čip doplněn o další obvody zajišťující zesílení, digitální převod, což jednak výrazně zvyšuje rozměry celého ústrojí, jednak také cenu a spotřeba čipu také není nejnižší. To je dáno zejména vyšším napětím v řádu jednotek voltů a také tím, že k napájení je třeba několik fází o různých velikostech napětí (zpravidla jsou potřeba tři různé úrovně napětí). Nicméně CCD čipy nabízí velmi dobrou kvalitu obrazu a v porovnání s CMOS čipy nízký šum.

U CCD i CMOS čipů je důležitá kvantová efektivita QE, která říká, jak moc světla je ve skutečnosti převedeno na náboj. To záleží na charakteru každého pixelu i na vlnové délce světla. Vznikají zde absorpční ztráty, ztráty odrazem (křemík světlo do jisté míry odráží, což je také důvod toho, proč není dobré u digitálních zrcadlovek používat starší objektivy z analogové doby - digitální čip do nich světlo zpátky odráží) a převodové ztráty zejména u krátkých a naopak dlouhých vlnových délek, kdy světlo nevygeneruje žádný náboj. CCD čipy mohou mít QE zhruba v určitých vlnových délkách až skoro k 90 %, typické je ale spíše kolem 60 %. U CMOS je to jen kolem 25 %.

Full-frame CCD čipy (neplést s full frame velikostí 36×24 mm) mají 100% využitelnost plochy snímače, tzv. fill faktor. Takový čip vyžaduje mechanickou závěrku, jinak je náchylný na smear efekt (při posunu jednotlivých řádků je nutno zabránit průchodu světla na tyto posouvající se řádky). Frame transfer CCD pak využívá druhé pole pixelů jako odkládací prostor, fill faktor je stále 100 %. Výhodou je, že zpracování a zesílení se může udělat později po rychlém nakopírování do mezipaměti.

Posledním typem je Interline Transfer CCD (ITL CCD), který má u každého sloupce pixelů malý kanál stíněný před světlem. Tím pádem je možno zde náboj schovat a pokračovat v klasickém CCD čtení, zatímco fotodioda sbírá světlo pro další snímek. Nevýhodou je nižší fill faktor, který může klesnout až na 30 - 50 %, s využitím mikročoček může stoupnout na cca 70 %. S nízkým fill faktorem stoupá náchylnost k vinětaci, přelévání náboje a dalším chybám.


Snímací čipy CMOS


Ani čipy CMOS nejsou bez chyby, ale mají několik nepřekonatelných nevýhod, které je přímo předurčují pro fotomobily. Jak jste jistě zaznamenali, že CMOS snímače se s velkým úspěchem začaly používat i u digitálních zrcadlovek, kde výrobci zapracovali, potlačili chyby CMOS snímačů, přičemž si ponechali jejich výhody. Předně je to mnohem nižší spotřeba, ta může být o jeden desítkový řád lepší než u CCD. U vyspělejších CMOS čipů fotomobilů se pohybuje jen kolem desítek mW (u vysokých rozlišení do 200 mW). Aby CMOS čip dosahoval rozumné zobrazovací kvality, musí mít spoustu různých optimalizací, které spotřebu nakonec zvýší, stále je ale mnohem lepší než u CCD.

Další výhodou CMOS jsou výrobní náklady. Protože jsou vyráběny jednoduchou technologií jako procesory, je cena jednoho waferu čipů (zpravidla 200mm kruhová deska s čipy) asi třetinová. Ruku v ruce s tím je také rychlost výroby. CMOS čipů lze vyrobit na desítky až stovky milionů ročně, zatímco u CCD čipů je to díky náročnější výrobě jen několik milionů. A protože CMOS čipy pro fotomobily jsou díky přítomnosti všech důležitých obvodů na čipu často produkovány jako SoC (System on Chip), z výrobní linky v čipu vypadne v podstatě téměř kompletní "fotoaparát".



CMOS čipy se dělí na pasivní (Passive Pixel Sensor) a aktivní (Active Pixel Sensor). U pasivních čipů se v podstatě nic neřeší a je tvořen pouze fotodiodami. Aktivní čipy dnes hojně používané mají u každé buňky rovněž zesilovač a obvod odstraňující šum. Mají méně šumu než pasivní čipy, na druhou stranu, každý tento zesilovač může trošku jinak zesilovat, čímž dosahuje vyššího šumu než CCD.

CMOS čipy jsou také podstatně náchylnější na šum při dlouhých expozicích. Tzv. "dark current" šum (šum, který vzniká, i když je snímač neosvětlen) má u CMOS čipů hodnoty kolem 100 až 2000 pA/cm2, kdežto u lepších CCD čipů se pohybuje jen kolem 2-10 pA/cm2 (proto také zrcadlovky tak rády při dlouhých expozicích odšumují). Další důvod, proč mají CMOS čipy větší šum, je v tom, že ony zesilovače jsou velmi blízko samotné fotodiody. U CCD jsou zesilovače mimo samotný snímací čip, tedy vzniká menší rušení i šum. Dalším problémem CMOS je ve srovnání s CCD větší přetékání náboje do sousedních buněk, další zdroj šumu, se kterým je nutno bojovat.

Malá citlivost CMOS čipů je způsobená právě těmito obvody, díky čemuž je činná plocha čipu může být u horších čipů dokonce jen kolem 30 %, zbytek jsou obvody. U moderních čipů je situace lepší a další body k dobru mají na svědomí malinké mikročočky před každým pixelem, které se snaží nasměrovat více světla do snímací části pixelu a poměr činné plochy čipu k celkové ploše (již zmíněný fill faktor) pak vzroste zhruba na 60 až 70 %, což už odpovídá běžným ITL CCD čipům.

Jak již bylo řečeno, u Full-frame a Frame Transfer CCD čipu je v podstatě téměř celých 100 % věnováno "sběru světla", záleží ovšem na technologii. Pokud sledujete nové trendy, jistě vám neušly tzv. back-illuminated" CMOS čipy, se kterými už přišla společnost Sony (u kompaktů Cyber-shot WX1, TX1), údajně bude mít takový čip i nový Panasonic Lumix LX4 na začátku příštího roku. Přesunutím elektroniky za světlocitlivou část i u těchto čipů vzroste činná plocha na téměř 100 %. I CMOS tak nyní využijí technologii, kterou CCD používá už léta, a výrazně opět zlepší kvalitu obrazu.

Když se dobře podíváte na charakter CMOS čipu, vidíte adresovací vodiče pro každý řádek a sloupec. Díky tomu je možné číst jen tu buňku, kterou chcete a není nutno např. kvůli výřezu načítat celý obraz jako u CCD čipu. Jistě jste si tedy všimli, že kompakty i zrcadlovky s CMOS čipy dokáží nabídnout podstatně lepší sekvenční snímání než jejich konkurence s CCD čipy. Další výhodou je snadnější návrh CMOS čipů a zejména tzv. time-to-market, doba od začátku vývoje po uvedení na trh. Přehled vlastností najdete v následující tabulce.

Rozdíly CCD versus CMOS
Snímací čip
CCD
CMOS
Cena
vysoká
nízká
Rozměry řešení
vyšší
nízké
Spotřeba
vysoká
nízká
Kvalita obrazu
vysoká
nižší až nízká
Rozlišení
vysoké
střední
Komplexnost čipu
vysoká
nižší až nízká
Fill faktor (činná plocha)
vysoký
nízký až střední
Digitální šum
nízký
vysoký
Rychlost
nižší až vysoká
vysoká
Dynamický rozsah
vysoký
nižší
Možnost výřezu
nativně žádná
ano

Jak je vidět, CMOS čipy mají opravdu spoustu výhod, které ocení zejména výrobci fotomobilů, a těmi jsou nízká spotřeba, cena i rozměry řešení. Kvalita snímků u fotomobilů není tak kritická, a proto se nelze divit tomu, že se zde CCD čipy příliš často nepoužívají. Na druhou stranu to vysvětluje, proč se v digitálních fotoaparátech masivně používají CCD čipy a CMOS je spíše výjimkou. S příchodem back-illuminated CMOS čipů lze ale očekávat masivní rozmach CMOS i v kompaktech, takže CCD čipům téměř hrozí zánik.


Jak ten čip vlastně vypadá?


Už víme jaké typy čipů se používají, nyní se podívejme, jak ten "fotoaparát" ve fotomobilu vlastně vypadá. Protože mobily obecně jsou velmi tenká zařízení, je nutno vyrábět i tenké fotografické moduly. Na následujícím obrázku je vlastně celý "fotoaparát", který se vloží do mobilu. Jedná se o trochu postarší model Sharp s megapixelovým rozlišením 1144×880 pixelů z roku 2003. Jeho rozměry jsou 14×12×9,8 milimetru. Vevnitř je CCD čip se spotřebou 650 mW (při 7,5 fps), takže je vidět, že CCD opravdu není nejúspornější (CMOS mají spotřebu spíše v desítkách mW, a navíc i při vyšší snímkovací frekvenci 15 fps až 30 fps). Úhlopříčka čipu je 1/4", objektiv má světelnost F2,8.


Sharp LZ0P3721, 1MPx modul s CCD čipem a objektivem F2,8 (2003)

Když už jsem zmínil velikost úhlopříčky, jistě vás zajímá, jaké úhlopříčky se ve fotomobilech obecně používají. Překvapivě se od klasických kompaktů příliš neliší, v průměru je při stejném rozlišení asi o jeden rozměr menší. U 2MPx a 3MPx fotomobilů se tedy zpravidla používají 1/4" čipy, u kompaktů 1/3,2". U 5MPx a 8MPx fotomobilů pak 1/3,2" (nebo 1/3") čipy, u kompaktů 1/2,5".

Existují ale samozřejmě i fotomobily s čipy většími. Např. OmniVision, největší výrobce CMOS čipů na světě, přišel s 1/2,5" modulem o rozlišení 5 megapixelů a rozměry 14×14×8,75 mm, dalším příkladem může být fotomobil Nokia N86, která má 8megapixelový CMOS snímač rovněž s větší 1/2,5" úhlopříčkou. Obecně se dá říci, že moduly s 1/4" čipy (většinou tak do 3 MPx) mohou mít velikost 8×8× cca 6 mm. Základna 8×8 mm je u malých čipů docela standardní, u větších rozlišení s většími čipy mohou moduly zabírat značnou část fotomobilu.


Sharp LZ0P3738, 2MPx rozlišení a 2× optický zoom (2004)

Na obrázku výše vidíte např. modul rovněž od společnosti Sharp, který byl patrně použit ve fotomobilu Sharp V602SH. Obsahuje už trochu větší 1/3" CCD snímač s rozlišením 2 megapixely a 2× optickým zoomem. Celý modul měří 18,9×9,2×19,2 mm. Světelnost objektivu činí F3,3-F4,9. Cena tohoto modulu činila v roce 2004 přes 26000 japonských jenů, což je zhruba 5000 Kč.


8 megapixelů od Samsungu

Jak šel vývoj dál, zvyšovalo se rozlišení, velikost čipů, a přestože se technika zmenšuje, samotné moduly jsou čím dál tím větší. Např. tento miniaturní modul od Samsungu je nejtenčím na světě s 8megapixelovým rozlišením, přesto má rozměry 28×15,3×8,5 mm. Podporuje citlivost až ISO 1600, detekci tváří i mrknutí. Nyní jsou tyto vymoženosti již standardem, stejně jako autofokus (a nikoli pevné zaostření na hyperfokální vzdálenost), stabilizátor obrazu. Zároveň se objevuje i detekce úsměvu Smile Shutter.

Objektivy fotomobilů mají zpravidla pevné ohnisko, ale najdou se i zoomovací objektivy (zpravidla 2× nebo 3× zoom). Vzhledem k tomu, že je nutno šetřit náklady i rozměry, mají objektivy většinou jen tři nebo čtyři čočky, zpravidla plastové, případně jedna z nich je skleněná pro vylepšení optické kvality a potlačení některých optických vad. Ty se zde odstraňují spíše tím, že většina čoček nebo dokonce všechny povrchy čoček jsou asférické. Poněvadž jsou čočky plastové, je podstatně jednodušší asférické čočky vyrobit, na rozdíl od kompaktních fotoaparátů, kde se častěji používá sklo místo plastu. Kompakty mívají obvykle více čoček (6 až 8 v základní třídě), počet asférických povrchů je ale menší.


Modul s 5MPx rozlišením a interním 3× optickým zoomem

Vzhledem k malým čipům, velmi krátkým ohniskům objektivů a poměrně dlouhým ostřícím vzdálenostem autofokus není ani tak kriticky potřeba. Nicméně jak se tyto parametry pořád zlepšují (zejména nejkratší ostřící vzdálenost - makro), hloubka ostrosti se už může snižovat a autofokus občas může přijít vhod. Dobré je to také ve spojení s detekci tváří, kdy objektiv zaostří na obličeje, a nikoli za ně (což je typické pro snímky dvou lidí, kdy fotoaparáty ostří doprostřed, kde je obvykle mezera právě mezi oběma obličeji). Detekce úsměvu a mrknutí jsou další zajímavá zpestření.

Co se týče stabilizace, ta je zpravidla pouze digitální, probíhá tedy pomocí navyšování ISO citlivosti, čímž dojde ke zkrácení expozičního času, a tedy i většímu zmrazení pohybu. Optická stabilizace se může také objevovat. Ta nenavyšuje ISO citlivost (zachovává tedy lepší kvalitu snímku), nemění expoziční čas, takže k pohybovému rozmazání při pohybu objektů na scéně může stále dojít. Ve výsledku je ale rozhodně lepší variantou, neboť snímky jsou podstatně ostřejší při lepší obrazové kvalitě. Výrobci stále představují nové gyroskopy, které jsou menší a menší než předchozí generace, a tedy i vhodnější pro fotomobily.


Závěr


Nyní už víte, proč se ve fotomobilech používají zejména CMOS čipy a proč je kvalita snímků poněkud horší než u digitálních kompaktů. Většinou trochu menší čipy s vyšší hustotou pixelů a jednoduché objektivy se na kvalitě projeví. Příště se podíváme na technologii blesků.

Zdroje:
Nicolas Blanc - CCD versus CMOS - has CCD imaging come to end?
Micron - The Evolution of Digital Imaging: From CCD to CMOS
Avago Technologies - CCD vs. CMOS Imagers: How They Work in Camera Phones
James Janesick - Dueling detectors, CCD or CMOS?
DALSA - Image Sensor Architectures for Digital Cinematography
Wikipedia - Camera phone
Image Sensors 2009: Camera Phones Continue to Dominate Shipments Worldwide
Sensor Comparison II: Interline Scan, Frame Transfer & Full Frame


Nejnovější články
Námořník ze slavné fotografie zemřel ve věku 95 let Námořník ze slavné fotografie zemřel ve věku 95 let
Slavná fotografie "V-J Day in Times Square" Alfreda Eisenstaedta zobrazuje námořníka George Mendonsu, který z radosti nad koncem války políbil okolo jdoucí sestřičku. Ten zemřel ve věku 95 let těsně před svými dalšími narozeninami.
Dnes, aktualita, Milan Šurkala
Šrotovné u Panasonicu: Lumix S1/S1R s objektivy až o 15600 Kč levněji Šrotovné u Panasonicu: Lumix S1/S1R s objektivy až o 15600 Kč levněji
Pokud si děláte zálusk na nový full frame CSC fotoaparát Panasonic Lumix S1 nebo S1R a některé objektivy, tak má pro vás Panasonic připravenu akci typu "šrotovné". Za odkup starého CSC nebo DSLR můžete dostat slevu až 15600 Kč.
Dnes, aktualita, Milan Šurkala
Lensrentals si vyrobili šílený objektiv s 270° úhlem záběru Lensrentals si vyrobili šílený objektiv s 270° úhlem záběru
Společnost Lensrentals je známá především jako půjčovna objektivů v USA. Zdejší zaměstnanci si ale i rádi hrají a tak se rozhodli vytvořit doslova šílený objektiv C-4 Optics 4.9mm, f/3.5 Hyper Fish-Eye, který vidí i daleko za sebe.
Dnes, aktualita, Milan Šurkala5 komentářů
Panasonic Lumix TZ95 dostává lepší EVF a Bluetooth Panasonic Lumix TZ95 dostává lepší EVF a Bluetooth
Druhou dnes představenou fotografickou novinkou společnosti Panasonic je kapesní ultrazoom Lumix TZ95. Ten má 20MPx senzor, 30× optický zoom a nově dostává podporu Bluetooth a např. i lepší elektronický hledáček s vyšším rozlišením.
Včera, aktualita, Milan Šurkala
Panasonic uvádí inovovaný ultrazoom Lumix FZ1000 II Panasonic uvádí inovovaný ultrazoom Lumix FZ1000 II
I když je na trhu už dlouhou domu Lumix FZ2000, společnost Panasonic aktualizovala i jeho předchůdce Lumix FZ1000. Ten dostal dvojku do názvu, přináší např. vyšší rozsah clon, Bluetooth a další změny.
Včera, aktualita, Milan Šurkala16 komentářů