Sensores CCD e CMOS CCD - aif.estt.ipt.pt · alterações necessárias de fabrico e de funcionamento, os CMOS podem ser ... sensor. Este novo sensor de fraca sensibilidade e pequeno

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Sensores CCD e CMOSSensores CCD e CMOS

Desde a sua invenção noslaboratórios Bell (EUA), nos anos70 do século XX, que os sensoresdo estado sólido têm sido do tipoCCD. O seu desenvolvimento esucesso deve-se em grande medidaao seu excelente desempenho quer

CCDCCD

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ao seu excelente desempenho quernas aplicações científicas(astronomia, física, etc) quer nasaplicações comerciais (scanners,

camcorders). Assistimosactualmente ao surgimento de umnovo sensor – o CMOS – quepromete tornar-se o detector deeleição num vasto segmento domercado.

Willard Boyle (esquerda) e George Smith,

inventores do sensor CCD.

1975 – primeira camera video de qualidade

SensitometriaSensitometria


Como já sabemos, os nossos sensores CCDcolectam luz nos seus elementos fotosensores(través do efeito fotoeléctrico). A leitura da“imagem digital” é realizada por transferênciasequencial das cargas eléctricas armazenadasem cada um dos pixeis, linha a linha para alinha de leitura do registo, onde apósamplificação é digitalizada num conversor

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amplificação é digitalizada num conversoranalógico-digital.

Bolacha de sensores CCD


DALSA

111 Megapixeis CCD


Embora seja tecnicamente possível, não éeconomicamente rentável incluir no processode fabrico dos CCD, mais funçõeselectrónicas necessárias para a obtenção finaldas imagens, embutidas no sensor. Funçõesde relógio, amplificação e processamento dede sinal são exemplos de operações

CMOSCMOS

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de sinal são exemplos de operaçõesrealizadas por outros componenteselectrónicos adjacentes ao próprio sensor. Onúmero de chips varia de circuito/modelopara circuito/modelo, mas nunca é inferior a3 e podem ser tantos como 8 elementosadicionais.

D30 CMOS

EOS D30 Canon



O maior problema dos CCD é não poderem ser obtidos numa escala de economia. Oseu fabrico é especializado, isto é, a tecnologia só permite a construção de CCD.Entretanto na industria electrónica existe desde à muito uma classe deelementos/componentes do tipo CMOS (Complementary Metal Oxide

Semiconductor) que são usados nas memórias e processadores dos nossos

CMOSCMOS

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Semiconductor) que são usados nas memórias e processadores dos nossoscomputadores. Este processo de fabrico é sem dúvida o processo actual maisabrangente, com muitos e muitos milhões de componentes fabricados. Por exemplo,o processador Pentium III contêm cerca de 10 milhões de transístores. Com asalterações necessárias de fabrico e de funcionamento, os CMOS podem serconvertidos em fotosensores, e assim sendo é praticamente a mesma linha demontagem que os produz. Desta forma devido ao seu elevado número e consequentebaixo preço (cerca de 1/3 dos CCD), o CMOS começa a ser um sensor concorrencialdo CCD.



A qualidade de imagem dos sensores CMOS é já quase igual aos dos sensores CCD, pelo menos nos pequenos e médios formatos. Nos formatos maiores o sensor CCD continua a ser muito superior.

Os sensores de imagem CMOS incorporam outros circuitos no mesmo chip,

CMOS CMOS –– CaracterísticasCaracterísticas

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Os sensores de imagem CMOS incorporam outros circuitos no mesmo chip, eliminando a necessidade de juntar mais elementos/funções separadas, como no caso do CCD. Isto implica adicionar mais funções a custo pouco superior. Esta vantagem permite obter um número menor de peças, ficando a máquina mais compacta e leve, requerendo no final menos potência eléctrica, o que prolonga a duração das nossas baterias.

A mudança entre a função de fotografia e video é instantânea nestes sensores CMOS.



A sensibilidade dos sensores CMOS é inferior aos dos CCD, pelo que as imagensem ambientes de pouca luz devem ser obtidas com luz articial. Esta menorsensibilidade é devida ao factor de preenchimento dos CMOS ser menor do que osdos CCD. Tal facto deriva de cada elementos do CMOS ter, para além da função decolector de fotões, circuitos electrónicos que realizam as demais funções. Destaforma parte da área do elemento é ocupada por elementos não fotossensíveis. Para amesma imagem o CMOS ter de integrar por mais tempo do que o sensor CCD.Podemos melhorar a sensibilidade – com introdução das micro-lentes. O maior

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Podemos melhorar a sensibilidade – com introdução das micro-lentes. O maiortempo de integração faz com que o ruído na imagem seja maior, aliado ao maiorruído intrínseco do próprio CMOS comparativamente ao CCD, as imagens finaistêm sempre mais ruído.

CMOS

CCD



Comparação CCD vs CMOS

Tipo: CMOS CCD

Sensibilidade: Alta Alta

Alcance dinâmico: Moderado Alto

Uniformidade: Baixa a média Alta

24SensitometriaSensitometria

Uniformidade: Baixa a média Alta

“velocidade”: Alta Média a alta

Antiblooming: Alto de nenhum a alto

Consumo energético: Baixo Alto

Relógio: Um Vários




Desde a sua forma clássica matricial, os CCD e CMOS têm vindo a evoluirpara tamanhos maiores e pixéis menores (quantidade) e para geometriasdiversas, de modo a registarmos as melhores imagens (qualidade).


Super CCD da FujiFilmSuper CCD da FujiFilm

A Tecnologia Super CCD (HR)simula o que acontece com o olhohumano. Isso ocorre, pois os pixelstêm formato octogonal, isto é,ficam entrelaçados de forma adiminuir os espaços entre ospixeis. Esse resultado permitemaior eficiência na captura da luz.Num CCD convencional, para


Num CCD convencional, paramelhorar a resolução de umaimagem, aumentava-se o númerode pixeis, o que provoca umaumento no tamanho do arquivogravado no cartão de memória epode diminuir a proporção SNR(Relação Sinal/Ruído) já que otamanho de cada pixel se tornamenor.

O Super CCD oferece solução para este tipode problema pois sem aumentar o númerode pixels gera mais definição na imagem.

4ª Geração do Super CCD da FujiFilm4ª Geração do Super CCD da FujiFilm

A nova tecnologia “sacrifica” resolução por alcance dinâmico,oferecendo um ganho de quatro vezes em relação ao CCD normais.

A evolução rápida nos sensores digitais leva-noscada vez mais perto da resolução espacial donosso filme convencional. Este no entanto aindaoferece a vantagem do seu alcance dinâmico - a

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A resposta linear do CCD e o seu limite físico(tamanho e capacidade de armazenamento dopixel) acabem por ser uma barreira ao nossoregisto quando estamos na presença de umagrande variação luminosa.

oferece a vantagem do seu alcance dinâmico - acapacidade de registar fielmente um leque deintensidades luminosas muito diferentes.

Estrutura de Duplo-Pixel

SuperCCD "SR"


Esta resposta linear dos CCD, (umadas suas características funcionaismais importantes, principalmenteem aplicações científicas),representa uma limitação face aosnossos filmes convencionais.Tudo o que fazemos na obtenção deuma imagem digital, quando na


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uma imagem digital, quando napresença de grandes intensidadesluminosas (sobre-exposição) terácertamente efeitos nocivos na nossaimagem. Nestes casos em que ofilme convencional apresenta umaresposta tonal satisfatória, no nossoCCD a “cura é pior que o remédio”.

Curva Característica - comparação

Filme Diapositivo (Sensia 100) / CCD


O sensor superCCD “SR” da Fuji incorpora uma nova aproximação aoproblema de tentar alcançar uma maior dinâmica, pela adição de um segundosensor. Este novo sensor de fraca sensibilidade e pequeno tamanho, integraconjuntamente com o sensor primário o pixel do superCCD “SR”, comopodemos ver na figura abaixo.


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Estrutura de Duplo-Pixel

SuperCCD "SR"

Estrutura do Pixel

SuperCCD “HR"


A Fuji, no que parece ser um retrocesso(pela junção de um fotoelemento menossensível), acrescenta um comportamentosemelhante ao nosso filme convencional.

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Os de grãos de halogénetos de prata sãodepositados em camadas distintas, e em cadauma destas de maneira diferente. Grãos comgrande superfície e altamente sensíveis, pararesponder a fracas quantidades de luz, e grãosde pouca sensibilidade e pequenas áreas pararesponder a grandes quantidades de iluminação.

O SuperCCD “SR” simula essas duas funções num único pixel.


O fotosensor de baixa sensibilidadefoi desenhado para ter umsensibilidade quatro vezes inferior aoelemento fotosensor primário.Significa isto que estes fotosensoressecundários toleram intensidadesluminosas 4 vezes superiores semsaturar. Fuji chama a estes sensores debaixa sensibilidade – os pixeis "R" eaos sensores maiores – os pixeis "S".

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aos sensores maiores – os pixeis "S".

O SuperCCD “SR” simula essasduas funções num único pixel.Com o processamento adequado, o sinalcombinado dos pixeis “R” e “S”, permiteum resultado que simula a respostacaracterística do filme convencional.


Como resultado, estes superCCD“SR” obtêm um resultado melhor facea condições de iluminação adversas,de iluminação em excesso e altocontraste.

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É de notar no exemplo o detalhe no tecto,preservado pelos sub-pixeis "S“, enquanto odetalhe nas zonas mais luminosas da imagemsão registadas nos sub-pixeis "R".


4ª Geração SuperCCD

Super CCD SR- camera

Pixeis Efectivos

6.2 milhões (3.1 milhões S-pixeis +3.1 milhões R-pixeis)Sensor CCD

1/1.7" Super CCD SR 6.7 milhões (3.35 milhões S-pixeis +3.35 milhões R-pixeis) total de pixeis

Número de pixeis usados

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Número de pixeis usadosMáximo 2832 x 2128 (6.03 milhões)

Sensibilidade

ISO 200 - 1600 (a ISO 1600, em modo 1280 x 960 pixeis)Conversor A/D 14 bits

Dinâmica

Aproximadamente 4 vezes o “normal” superCCD da FujiFilme

30 imagens/segundo em modo VGA


Cor e ResoluçãoCor e Resolução

Como sabemos já, a construção da cor podeser realizada de vários modos, um deles porsobreposição directa de filtros (RGBalternados) sobre os fotosensores (pixeis).Mas a obtenção de imagem a cores nãopode ser feita de um modo directo e

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pode ser feita de um modo directo esimplesmente baseada no valor de cadapixel/cor, sob pena termos uma fracadescrição tonal a baixa resolução de apenasum terço do possível no modo a preto ebranco (tons de cinzento).

Obtenção de cor em pixeis filtrados

(típica matriz de Bayer)



Interpolação complexa

para obtenção de cor

Interpolação simples

para obtenção de cor

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Cada pixel regista um valor de cor (por exemplo a 8-bit). Para termos os usuais 24-bit de cor e todaa resolução geométrica que o sensor nos possibilita, temos de usar a informação de cor dos pixeisvizinhos/adjacentes, usando então para isso técnicas de interpolação. O que queremos obter emcada pixel são as duas cores ausentes, pois o pixel só vê apenas uma das três. Com a informação decor dos pixeis vizinhos/adjacentes e do próprio – a cor original é construída."I'm bright red and the

green and blue pixels around me are also bright so that must mean I'm really a white pixel.“

Este processo de calculo de interpolação é muito intensivo, pois compara os valores de cor emmuitos pixeis vizinhos do próprio, aumentando o tempo de processamento e o tamanho efectivo doficheiro final da imagem.



Soluções possíveis para “construir”a cor das nossas imagens, partindodo tradicional filtro Bayer (1975),até uma matriz de 7 filtros


até uma matriz de 7 filtros(incluindo IR e UV).

CFA (color filter array)


Possível solução para suprir pixéisdefeituosos. “Célula” de 4x4, com 5pixéis R, 5 G, 5 B e 1 de luminância.

Actuais CFA empregues nas máquinas digitais


Actuais CFA empregues nas máquinas digitais

1 - Bayer RGB 2 - Bayer CYM 3 – RGB + “esmeralda” 4 – CMYG (video) e 5 – YCG e luminância (video)

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1 – sensibilidade cromática - olho humano.

2 – típico conjunto RGB usado pela Philips.

3 – típico conjunto RGB usado pela Kodak.

4 – conjunto RGO da Intel.

5 – conjunto RGO usado nos Foveon.


5 – conjunto RGO usado nos Foveon.

O conjunto mais usado actualmente.

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