Matryca CCD

Matryca CCD (od 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. Matryce CCD stosuje się również w skanerach^[1].

Matrycę skonstruowano głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze zastosowania były związane z astronomią, gdzie do dziś pozostaje podstawowym narzędziem badawczym, wypierając w zasadzie błony 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. W aparatach fotograficznych stosowane są matryce o rozdzielczościach rzędu od kilku do kilkunastu megapikseli, do ponad 30 megapikseli w pełnoformatowych aparatach profesjonalnych i nawet 80 megapikseli w cyfrowych aparatach średnioformatowych. Największe matryce stosowane w obserwatoriach astronomicznych mają od 65 do ponad 100 megapikseli.

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 100 × 100 pikseli powstał dopiero w 1973 roku. Początkowo technologia była rozwijana w celach obserwacji kosmosu.

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.

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.

• większa światłoczułość w porównaniu z matrycą CMOS
• możliwe osiąganie obrazów o większej rozdzielczości
• brak efektu rolling shutter
• lepsze odwzorowanie barw przy niskiej światłoczułości

• Matryce CCD są wolniejsze od CMOS (co może mieć znaczenie przy wykonywaniu zdjęć seryjnych).
• wyższe zużycie energii w porównaniu z matrycą CMOS
• większy koszt produkcji niż w przypadku matrycy CMOS
• gorsza jakość odwzorowania barw

Typ	Proporcje	Długość (mm)	Szerokość (mm)	Przekątna (mm)	Powierzchnia (mm²)	Powierzchnia względna
1/6″	4:3	2,30	1,73	2,88	3,98	1,00
1/4″	4:3	3,20	2,40	4,00	7,68	1,93
1/3.6″	4:3	4,00	3,00	5,00	12,0	3,02
1/3.2″	4:3	4,54	3,42	5,68	15,5	3,89
1/3″	4:3	4,80	3,60	6,00	17,3	4,34
1/2.7″	4:3	5,27	3,96	6,59	20,9	5,24
1/2″	4:3	6,40	4,80	8,00	30,7	7,72
1/1.8″	4:3	7,18	5,32	8,93	38,2	9,59
2/3″	4:3	8,80	6,60	11,0	58,1	14,6
1″	4:3	12,8	9,60	16,0	123	30,9
4/3″	4:3	18,0	13,5	22,5	243	61
APS-C	3:2	25,1	16,7	30,1	419	105
35MM	3:2	36,0	24,0	43,3	864	217
645	4:3	56,0	41,5	69,7	2324	5845

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^[4].

Zobacz multimedia związane z tematem: CCD

• 3CCD
• fotografia cyfrowa
• matryca CMOS
• matryca światłoczuła

• Optyczne.pl: CCD vs CMOS
• The Chips That See: Rise of the Image Sensor. Asianometry 2023-03-23. [dostęp 2025-01-06].