A kamerákkal szinte mindannyian lépten-nyomon találkozhatunk, ez ma már kezd olyan lenni, mint a labdarúgás, mindenki ért hozzá, azonban kevesen ismerik, mi rejlik a dobozon belül.
Digitális korban élünk, azonban a képérzékelők a mai napig analóg alkatrészek, melyek kimenő jelét digitalizáljuk, így kapva meg a digitális képet. Mára gyakorlatilag két fő csoport maradt: a töltéscsatolt érzékelők (CCD: Charge Coupled Device) és a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) érzékelők.
A CCD chip-ben és a CMOS chip-ben egyetlen dolog közös, mindkettőben a fotoelektromos effektus alakítja át a fényt elektromos jellé, ezen kívül semmi közük egymáshoz. Ez így igaz a felhasználási lehetőségeikben is. A CCD fényérzékelő chippel ellátott ipari kamerákat az ipari képfeldolgozásban mérésekre (metrológiára) alkalmazzuk, míg a CMOS chippel ellátott kamerák szó szerint nem sok mindenre alkalmasak. Nem tartozik az ipari képfeldolgozáshoz, így különösen nem is kívánunk foglalkozni vele, de egy 50e Ft-os családi fényképezőgép és egy több millió forintos professzionális fényképezőgép között az optikát és a többi csecsebecsét leszámítva a lényegi különbség a fényérzékelő chip. Míg az általános körben használt eszközökben CMOS chip van (ettől olcsó) a professzionális eszközökben CCD chip, így függetlenül a szaktudástól a profi fényképezőgépekkel készített képek minőségét egy családi fényképezőgép soha meg sem közelítheti. Gondolom sokan vannak úgy mint ezen sorok írója, hogy a kattintgatós digitális családi fényképezőgép a célfeladatra tökéletesen megfelel, az ipari képfeldolgozásban a méréseket (metrológiát) végző számítógépek azonban ezzel nem így vannak. Itt szeretnénk megjegyezni, hogy a digitális fényképezőgépek fényérzékelő chipjei és a digitális kamerák fényérzékelő chipjei között működésbeli különbség nincs (feltéve ha ugyanabba a fent említett családba tartoznak), a különbség a sebességben van.
Ahhoz hogy egy fényérzékelő chipből kamera váljon, még szükség van néhány fontos részegységre.
Erősítő
Feladata a chipből érkező igen gyenge jelek fölerősítése, ami feltétlen szükséges azok továbbításához, hisz a legkisebb zavaró tényezők, zajok* hatására elveszhet az információ. Ennek elkerülésére a speciálisan kialakított, ún. “alacsony zajú” erősítőt közvetlen a chip közelébe kell helyezni. Így a későbbiekben keletkező zavarok nagysága jelentősen csökkenthető a hasznos jelhez képest.
A/D átalakító
A számítógéppel való kapcsolat miatt szükség van az analóg jel digitalizálására. Az egyes pixelek fényességértékével arányos feszültségjelek bináris számokká történő átalakítását végzi az Analóg/Digital konverter. Jellemzője a kamerának, hogy ez az egység hány szintet képes megkülönböztetni a chipből érkező jelben. Pl. egy 12 bites A/D átalakító esetén 212=4096, 8 bit esetén 256 különböző fényességérték, illetve szürkeárnyalat lehet a képen.
Nagyon fontos az A/D átalakító linearitása, vagyis az, hogy a feszültségjellel arányos-e a digitalizált jel. Nem megfelelő felbontású A/D átalakító esetén a rögzíteni kívánt kép finom részletei eltűnnek amiatt, hogy a kis fényességkülönbségű képpontokhoz ugyanazt a digitális egységet rendeli az átalakító. A felbontás sokkal nagyobb jelentőségű mint első olvasásra tűnhet. Ma még mindig a 8 bites felbontású kamerák vannak túlsúlyban az áruk miatt, a 10, 12 bites kamerák, már relatív elérhető áron míg a 16 bites kamerák még valóban csillagászati áron vannak. Értelemszerűen egy 8 bites kamerával nem lehet olyan pontosan mérni mint egy 12 bites kamerával, az időbeli mérési stabilitásuk között azonban még nagyobb a különbség. Gyakorlatilag az A/D átalakítónál fejeződik be az analóg eszközök sora, érdemes kicsit visszanézni milyen kihívásoknak vannak kitéve ezen analóg eszközök az ipari képfeldolgozásnak szánt kamerákban. A kis-zajú erősítő valóban kis-zajú, sokszor mikrovoltos jeleket kell erősítsenek, úgy hogy az A/D átalakító hibáját is beleszámítva a legkisebb helyértékű bit nem változhat. Némi rálátással az elektronikára ez óriási kihívás, és ráadásul az A/D átalakító felbontásának növekedésével az erősítőnek is mind zajtalanabbnak kell legyen. Az ipari képfeldolgozás kameráiban fel sem merülhet, hogy az A/D átalakító nem lineáris. A hibák összessége nem befolyásolhatja a legkisebb helyértékű bitet. Ez minden csak nem egyszerű, talán még nagyobb feladat, mint fényérzékelő chip előállítása.
Interface : Ennek az egységnek a feladata csupán az illesztés, azaz a kamera elektronikájának és a számítógép jeleinek megfelelő összekapcsolása. Az ipari képfeldolgozásban erre különböző szabványok léteznek. Néhányat megemlítve. Az ipari képfeldolgozásban is megjelent az olcsó USB. Nincs is vele különösebb probléma amíg a képek relatív lassan követik egymást, az GiGe interfész már gyorsabb az ára is magasabb, azonban gyors valós idejű képtovábbításra ő sem alkalmas az ipari képfeldolgozásban. A ma általánosan használt és valós idejű képtovábbításra alkalmas interface a Cameralink 2-es szabvány.
CCD
A CCD chip-et, mint a legtöbb nagy felfedezést a véletlen szülte, pályafutása kezdetén még köze sem volt a fényérzékeléshez. A CCD-t 1969-ben fejlesztették ki a Bell Laboratóriumnál, analóg léptetőregiszternek. Működésének lényege, hogy adott órajel hatására a bemeneti oldalon levő töltést mozgásra lehet bírni, azaz léptetni lehet a kimeneti oldal fele. Véletlenül kiderült, hogy nem csak elektronikusan lehet feltölteni a regisztereket, hanem a fény fotonjaival is. 1970-re képesek voltak képet létrehozni az új eszközzel, s így megszületett a ma ismert CCD. A neve mint örökség a korai korszakból maradt Charge Coupled Device, azaz töltés csatolt eszköz. A CCD gyakorlatilag azt jelenti, hogy egy töltés mennyiséget léptetünk, egyik helyről a másikra, vagyis az eszköz működését jelenti.
Addig is amíg képet alkotunk, nézzük hogyan működik a CCD, vagyis az analóg léptetőregiszter.
Mindenek előtt létre kell hozni tárolóegységeket, amelyek egy ideig képesek tárolni a töltéseket, amiket majd a CCD továbbléptet.
Nagyon a fizika mélyére kellene hatolni a tárolóegységek működésének pontos megértéséhez, ezért csak nagyvonalakban. MOS (Metal Oxide Semi-conductor, Fém-Oxid Félvezető) alapú félvezetőket használnak fel analóg jelek, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolására (A MOS működéséből adódóan kondenzátorként is viselkedik, a MOS egy széles körben alkalmazott félvezető technológia, sok egyéb célú elektronikai alkatrész is ezen technológiával készül/készülhet, pl. egyes tranzisztorok, valamint az IC-k egy része, elektronikában jártasak a bal oldali képről rögtön láthatják nagyon hasonlít egy J-FET-re). Ezekből a kis tárolókból többezer darabot lehet elhelyezni egy parányi félvezető-lapocskán.
Egy ilyen kis tároló három alapvető részből áll: szennyezett félvezető alapréteg, szigetelő zóna (általában szilícium-dioxid), elektróda (lásd ábra). Aki mélyebben szeretne elmerülni a MOS technológia rejtelmeibe bőven talál róla információt.
A MOS tárolóegységekből és az azokhoz kapcsolódó töltésléptető elektródákból helyezzünk most egymás mellé egy síkra több darabot. Ha így mozaikszerűen “kitöltünk” egy kis téglalap (négyzet) alakú szilíciumlapkát, és hozzákapcsolunk egy kiolvasó áramkört, máris készen van a CCD chipünk. (lásd lenti ábra)
A mozaik egy elemét, ami a -végül számítógép segítségével megjelenített- kép egy pontja lesz, nevezzük pixelnek (az angol picture element, kép elem szavak rövidítése). Egy oszlopon belül a pixelek nincsenek egymástól ténylegesen elszigetelve, mint ahogy az egyes oszlopok egymástól SiO2 réteggel, hiszen ekkor lehetetlen lenne a töltésléptetés. Az egymás “alatti” pixeleket ezért elektromos tér segítségével választják el egymástól. Vegyünk egy háromfázisú példát, a bal oldali ábra kinagyított részletén látható az egy képelemhez tartozik három elektróda. Ezek közül az A jelűn pozitívabb feszültség van, mint B-n és C-n. Így az elektronok A felé áramlanak az integráció (megvilágítás ideje) alatt, a másik két elektróda szigetelőként szolgál.
A kép kiolvasásakor a következő ábra szerint történik az összegyűlt töltések léptetése. (Az említett ábra egy oszlop keresztmetszeteként képzelhető el.) Egy léptetés során minden sor eggyel lejjebb kerül, a legalsó sor pedig a kiolvasó regiszterbe. Ez egy olyan speciális sor, melyben a már ismert módon, de oldalirányban lehet mozgatni a töltéseket a kiolvasó egységig.
Miután a kiolvasó regiszter kiürült, jöhet a következő sorléptetés. A közben eltelt idő alatt azonban a még ki nem olvasott sorok továbbra is fényt kapnak, de már nem azon a helyen, ahol az információ tárolódik! Ennek elkerülésére sok chipet dupla mozaikfelülettel készítenek (vagy mechanikus zárszerkezetet építenek a kamerába). Ennél a megoldásnál az érzékelőfelület egyik részét egy alumínium-maszkkal takarják el, s az integráció végén erre a fénytől védett tárolóra léptetik a töltéseket (frame transfer). Mivel a sorokat egyszerre lehet léptetni, ez viszonylag rövid időt vesz igénybe, s eztán történhet a kiolvasás. (Egy n sorból és m oszlopból álló chipnél ha egy léptetés t ideig tart, a teljes kiolvasás (n*m)*t időt vesz igénybe, míg ha van egy tároló, akkor n*t idő alatt fénymentes részre vihetők a töltések.) Kissé tudományosan hangzik, az n*t idő de maradjunk annyiban, ez manapság nagyon gyorsan történik, nincs ok aggodalomra. A teljes kép kiolvasási idejére már érdemes odafigyelni ez egy fő kamera paraméter. A matrix kameráknál ezt frame rate-nek nevezik vagyis, hány képet képes készíteni és továbbítani másodpercenként a kamera. Be kell valljam a 70.000 kép/másodpercnél már nem követtem tovább a kamerák sebességét, mivel nem volt rá szükségünk, manapság már valószínűleg nagyobb sebességeknél járnak. A kamerák sebességei nagyon függnek a kamera felbontásától, az általánosan használt kamerák közül egy kb 2200 x 1600 pixeles kamera Cameralink 2-es interfésszel kb. 20-30 kép/ másodpercre képes. A sorkameráknál a képkészítési sebességet KHz-ben mérik, vagyis azt a sebességet ahogyan az egy sorban elhelyezkedő sokezer pixelből milyen sebességgel áramoltatható ki az adat.
Nagyobb chipeknél, melyek több millió pixelt tartalmaznak, vagy nagyobb sebességű kameráknál, előfordul több kiolvasó regiszter és több elektróda alkalmazása a kiolvasási idő csökkentésére. Ez interfész szinten is folytatódhat ahol több kábelen keresztül érkezik az adat, vagyis egyes képrészletek más kábelen jönnek, amelyeket majd a számítógép állít össze ismét egyetlen képpé.
A pixelek alakja és mérete változó. A négyzetes pixelek előnyösebbek, azonban kicsit nehezebb ezek előállítása. Az ipari képfeldolgozásban manapság kizárólag négyzetes pixelű kamerákat alkalmazunk, mivel így a tárgyak X és Y irányú kiterjedése egyforma a képen. Ez nem volt mindig így, a múltban sok esetben matematikai eljárásokkal kellet átszámolni a pixelek X,Y értékeit. A pixelek alsó méretét a gyártási technológia szabja meg, illetve az, hogy egy adott méretű elem nem képes végtelen sok elektron tárolására. Ha túl kicsire választjuk a pixeleket, azok rövid megvilágítás után telítődnek, s az elektronok átáramlanak egyikből a másikba. Az értelmes fölső határt általában az elérni kívánt felbontás adja, mint ezt majd később megvizsgáljuk. A kis pixel méret tehát nem jelent előnyt, az átlagos pixelméret néhány mikrontól század mm-es tartományig terjedhet. A nagyobb felbontás, ám a kis pixel méret okozta hátrányok kiküszöbölésére nagyobb sziliciumlapkán helyezik el a pixeleket. Az ipari képfeldolgozásban ma 1″ (col)-os átmérőjű lapkák számítanak a legnagyobb általánosan használt méretnek a matrix kamerák területén, és kb. 60-70mm hosszú lapkák a sorkamerák területén. (speciális esetekben van nagyobb is)
A mozaik mérete, alakja a pixelek számától (és azok nagyságától) függ. Léteznek olyan chipek, melyek csak néhány sorból, és több száz – több ezer oszlopból állnak (linear array CCD), vagyis ezek a sorkamerák chipjei. Működésük azonos a fenti matrix kamera elrendezés működésével, azonban kevesebbet kell léptetni a töltéseket, így a kiolvasás sokkal gyorsabb. A sorkamerák igaz, hogy egyszerre egy (vagy néhány) sort fényképeznek azonban a következő sor ismét nagyon gyorsan érkezik, amelyeket a számítógép folyamatos képpé állít össze. Ez lehetőséget ad folyamatosan érkező termékek vagy hosszú tárgyak fényképezésére és azok egyetlen folyamatos képpé történő alakítására, vagyis folyamatában láthatóak ,mérhetők és értékelhetők a termék különböző paraméterei. Erre a feladatra matrix kamerák alkalmatlanok, egyrészt Ők egyszerre egy területet látnak, és a beolvasási idő miatt a következő kép készítésekor az utolsó lefényképezett képrészlet már messze jár, és ha feltételezzük, hogy lassú a folyamat és sikerül elcsípni az előző képrészlet utolsó sorait, a következő képen akkor sem lehet őket összefűzni. A matrix kamerák sokezer pixele egy téglalapban helyezkedik el, míg a sorkameráké egyetlen sorban, ebből következik, hogy a matrix kamerák soha nem tudják a termék szélességében azt a felbontást elérni mint a sorkamerák. Lehetne folytatni a sort sok egyéb dologgal, pl. a matrix kamerák síkra történő vetületének torzulásával ami a sorkameránál nem létezik stb. Ebből semmi más nem következik, mint hogy minden eszközt a számára megfelelő helyen kell alkalmazni, vagy fordítva minden folyamathoz a megfelelő eszközt kell választani. A sorkamerák területe a hosszú tárgyak ellenőrzése , pl. papírtekercs, textil tekercs, hengerelt lemezek, húzott anyagok stb. ők nagyon hosszú tárgyakról is képesek folyamatos képet készíteni, és folyamatában látni a terméket, a folyamatot.
Visszatérve a chiphez. A mozaik vastagsága függ attól, hogy milyen hullámhossztartományban szeretnénk használni az érzékelőt. A vörös fotonok ugyanis 500 um-t is képesek megtenni a félvezető rétegben, azonban a kék fotonok pár um után elnyelődnek. Az elölről, (lásd fent a MOS ábra a fény az elektróda felől érkezik) az elektródák felől megvilágított (frontside) CCD-k érzékenyebbek a kék tartományban, mivel a rövid hullámhosszú fotonok által keltett elektron-lyuk párok így közvetlen az elektródák közelében keletkeznek. Itt még sokkal erősebb az elektromos tér szétválasztó hatása, mint 500 um-nél, ahol a vörös fotonok lépnek kölcsönhatásba a szilíciummal. Előny ennél a megoldásnál, hogy a Si alapréteg lehet vastag, ami nagyobb mechanikai szilárdságot biztosít és könnyebben előállítható. Hátrány viszont, hogy a fénynek át kell hatolni az elektródákon és a szigetelő rétegen, így nagy a veszteség. A kvantumhatásfok, ami a detektált és beérkezett fotonok aránya, “csak” 50% körüli csúcsértéket ér el. (Az emberi szem érzékenysége így kifejezve 1, a fotoanyagoké 3-4%!!!) A hátulról, vagyis a Si alapréteg felől megvilágított (backside) CCD-k (lásd fent MOS ábra a fény a szennyezett félvezető oldaláról érkezik) viszont a fent említett okok miatt inkább vörösérzékenyek. Az alapréteg néhányszor 10 um-re vékonyításával bizonyos mértékig kiegyenlíthető a spektrálérzékenység, ami nehéz technikai feladat, de megoldható. Ezek az elvékonyított érzékelők (thinned CCD) viszont -mivel a beérkező fénynek semmi sem állja útját- a 80%-os kvantumhatásfokot is elérhetik a legkedvezőbb hullámhosszon! Az ipari képfeldolgozás döntően ilyen vékonyított CCD-vel ellátott kamerákat használ.
A fenti rész talán kissé bonyolultan hangzik, érthetőbben azt jelenti, hogy a MOS tárolóegységet mindkét oldaláról meg lehet világítani. A fény különböző színei, más és más mélységekben lépnek kapcsolatba a félvezetővel és szakítanak ki elektronokat a kristályból (a kiszakított elektron szabad elektronná válik ,ő negatív töltésű, a helyén elektron hiány marad, vagy másnéven lyuk, ő pozitív töltésűvé válik) ez a fotoelektromos hatás, vagy fotoeffektus. (Érdekességként a fotoeffektus felfedezésért kapott Nobel díjat Albert Einstein.) Mivel a fény különböző színei más és más mélységekben szakítanak ki elektronokat a kristályból, értelemszerűen a fizikai kialakítás függvényében egyes színekre érzékenyebb másokra kevésbé érzékeny lesz a chip, ezt nevezzük spektrál érzékenységnek. Tudományosan hangzik, ám hétköznapi alkalmazása nagyon egyszerű. Egy vörösre inkább érzékeny kamerát, kék színnel megvilágítva nagy energiára van szükség, míg piros színnel megvilágítva sokkal kisebb lehet a megvilágításunk teljesítménye. Ezen különbség akár több ezer Euro-t is jelenthet, tehát érdemes vele foglalkozni.
A CCD Spektrálérzékenysége
Az ábrán a függőleges tengelyeken a kvantumhatásfok, a vízszintes tengelyeken a hullámhossz van feltüntetve. Már említettük a kvantumhatásfokot, aminek kimagasló értéke az egyik legfontosabb tulajdonsága ezeknek az érzékelőknek, hiszen a fotoelektronsokszorozó-csövek 20-40%-os hatásfokát is túlszárnyalják.
Az ábrán jól látható, hogy a CCD sokkal érzékenyebb a vörös tartományban, mint az emberi szem. Ezért vörös nagyobbrészt az ipari képfeldolgozás kameráinak megvilágítása. Egy pankromatikus fotoemulzióval szemben pedig még nagyobb eltérés tapasztalható. Megjegyzendő, hogy léteznek olyan eljárások, melyekkel a CCD chip érzékenysége kiterjeszthető a kék tartományban is. Ez úgy érhető el, hogy egy nagyon vékony rétegben olyan anyagot visznek fel az érzékelő felületére, mely a 300 nm-es tartomány környékén elnyel, s az elnyelt fotonokat valahol 500-600 nm környékén sugározza vissza. Az így megváltoztatott érzékenységet jelöli a bal oldali ábra szaggatott vonala.
Linearitás
Nagyon fontos szempont egy detektornál, hogy pl. kétszer akkora megvilágítás hatására kétszer akkora jelet adjon. Ez teljesül a CCD teljes működési tartományára, míg a fotoemulzióknál csak annak egy harmadára. Ez jól látható az alábbi két görbén, ahol a CCD-k és a fotoanyagok “jelleggörbéje” van ábrázolva. Előbbinél a kiolvasott, analóg jel nagysága (I), utóbbinál a feketedés, az un. denzitás (D) van feltüntetve a megvilágítás (h) függvényében.
Dinamika tartomány
Az egyszerre intenzitáshelyesen megjelenített legfényesebb és leghalványabb képpontok fényességaránya a fotográfiában 100 körüli érték (ez kb. 5 magnitúdónak felel meg), ellenben a CCD-k esetében ugyanez mintegy 10000 (ami 10 mg)! Utóbbi esetben fölső határt szab a pixelek telítődése, vagyis az, hogy csak véges számú elektront tartalmazhat egy képelem (lásd pixel méret). Ha ezt a határt túlléptük, a töltések “átfolynak” a szomszédos pixelekbe (blooming). (Léteznek olyan technikai megoldások, ahol ezt a jelenséget csökkenteni tudják a pixelek közötti “elvezető csatornákkal”, ez az un. antiblooming gate technika. Az ipari képfeldolgozás kamerái ilyen technikákat használnak)
Felbontás
10 um-os, átlagos pixelmérettel számolva a felbontás 100 vonal/mm, ami elmarad néhány, akár 300-400 vonal/mm-es felbontást elérő fotoemulzióktól. Ráadásul a valódi felbontás ennél rosszabb. A kép legkisebb rögzíteni kívánt részleteinek ugyanis legalább két-két pixelre kell esni (Shannon-féle mintavételezési tétel), különben ezek egybemosódhatnak. Az érzékelő felületének nagyságát a pixelméret és a pixelszám határozza meg. Ez általában néhány tized és pár cm2 között mozog, a legnagyobbaké is csak 36 cm2, ami szintén elmarad az óriási, több száz cm2-es fotolemezekétől. Szinte csak ezen a két területen van hátránya a CCD-knek a hagyományos technikával szemben.
A hétköznapi gyakorlat az esetek döntő részében ezen hiányosságok körül forog. Mindenek előtt a felbontás. A felbontásból szinte soha nem lehet elég, (lás a szülő menü alatt található felbontás fejezetet), igaz ma már 10.000×10.000 pixeles kamerák is könnyedén beszerezhetőek, azonban a kamerák ára a felbontással együtt aránytalanul nő. Ez több ezer EURO árkülönbséget is jelenthet, és ráadásul itt van a Shanon féle mintavételezési tétel amely kimondja, hogy legalább két-két pixelen kell elhelyezkednie a legkisebb megkívánt méretnek ahhoz hogy az egyáltalán biztonsággal detektálható legyen. (Vagyis ha 0,01mm-es mérési pontosságra van szükségünk akkor a minimális kamera felbontás a látómező (lásd optika fejezet) osztva 0,01.el vagyis a megkívánt mérési pontossággal szorozva 2-vel a Shenon tétel alapján. Pontosabb méréshez nagyobb felbontás szükséges és ez sajnos pénzbe kerül, mivel a kamera fizikai adottságán múlik.
Az emberi hiszékenységet kihasználva ma már szinte szállóigének számít a kis felbontású kamerák nagypontosságú mérését “lehetővé tévő” u.n. subpixeles módszer (ezen kívül még több ilyen van, azonban ez a legelterjedtebb magyarázat). Már halottunk olyat, hogy egy vállakozó a pixelek számának 256 szoros subpixel általi megnövelésével magyarázta miért lenne jó az ő olcsó kamerás rendszere, a kívánt paraméterek teljesítésére. Tanácsoljuk mindenkinek, ha valaki a subpixeles magyarázattal áll elő a józan ész által diktált szükséges kamera felbontás helyett, nagyon óvatosan kezelje az elhangzottakat. Hozzáértő ember számára azonnal kiderül a turpisság, de a felhasználók döntő része alkalmazni kívánja a technológiát és nem annak rejtelmeit vizsgálni. Sok olyan technika van amellyel a kis felbontás okozta problémák ideig óráig elrejthetők. Mire a felhasználó olyan szinten megismeri a berendezést hogy kezd furcsállni néhány dolgot, már késő. Ezek után jön a szenvedés, a kamera kikapcsolása, a vállalkozó magyarázkodása (már halottunk olyat magyarázatot hogy túl érzékeny a berendezés, ami persze nem igaz, lásd szülő menüben mérések normál eloszlás szerinti viselkedése), és mindenki a pokolba kívánja az egész kamerát. Ezzel szemben nem a kamera a hibás. Ha a felhasználó a józan eszére hallgat akkor ilyen nem fordulhat elő. Az eset pikantériája, hogy a subpixelek mint matematikai módszer valóban létezik (lásd szülőmenüben leírást) és kivétel nélkül minden kamerás rendszer alkalmazza, azonban egészen más formában. Mindenki számára javasoljuk, aki kamerás rendszerben gondolkodik, értse meg, a Shanon féle mintavételezési tételt nem lehet kijátszani semmilyen trükkel inkább áldozzon többet egy megfelelő felbontású kamerára, minthogy később bosszankodjon és egy hasznavehetetlen kamerás rendszere legyen, ami úgyis csak azt a pontosságot fogja tudni biztonsággal, amit a Shenon féle mintavételezési törvény megenged számára.
Sötétáram, hibák
Semmi sem tökéletes, a CCD chip sem. Szó volt már róla, hogy az elektronok nem csak fotonok hatására, hanem a hőmozgás során is elszabadulhatnak, s ez a filmeknél ismert “alapfátyol”-hoz hasonlóan jelenik meg a képen. Ennek értéke, eloszlása azonban teljesen véletlenszerű, erősen függ a hőmérséklettől, s az integrációs idő alatt folyamatosan gyűlnek ezek a “zavaró” elektronok is. Az egyes pixelek érzékenysége is különböző, így a rögzített kép egyes pontjainak relatív fényessége is megváltozik. Ez a két hatás azonban, mint látni fogjuk, nagyon egyszerű eljárásokkal csökkenthető, sőt, majdnem meg is szüntethető. Nem küszöbölhetők ki azonban a gyártás során keletkezett pixelhibák. Gyakran előfordulnak érzéketlen, “halott” képelemek, s ezek legrosszabb esetben az egész chipet használhatatlanná tehetik. (A hibák száma alapján osztályozzák az elkészített chipeket és ettől függően szabják meg azok árát.) Ma már túlzás lenne kijelenteni, hogy az ipari képfeldolgozásban csupán a legmagasabb elérhető osztályba sorolt kamerákat alkalmazzák (Pontosabban: haditechnika, csillagászat, ipari képfeldolgozás a sorrend), mivel mindennel próbálkoznak már lásd fent bevezetőt, azonban az egyértelműen kijelenthető a jól működő kamerás rendszerek kivétel nélkül a legjobb minőségű kamerákat használják.
A sötétáram hibákat egyrészt a kamera gyártója próbálja minimalizálni, a maradékot a kamerarendszer megfelelő tervezése során tüntetjük el, vagy szorítjuk a már elhanyagolható szint alá. A gyártási hibákból adódó halott pixeleket már a gyártó teszi láthatatlanná. (módszer lásd szülő menü alatt, pixelek tulajdonságai). A halott pixelek, nagyon fontos minőségi tulajdonsága egy kamerának. Nincs a kamerák műszaki leírásában, nem lehet a képet nézve megállapítani, semmilyen külső jele nincs, csak annyit érzékelni hogy valami nincs rendben. (természetesen be lehet mérni, de nem egyszerűen) Az egyedüli garancia, hogy a kameránk halott pixelei nem lépik túl a megengedett számot, hogy a megfelelő kategóriájú kamerát használjuk a feladathoz. Ipari képfeldolgozás az ipari képfeldolgozásnak szánt kamerát.
Láthattuk, számtalan dologtól függ egy CCD kamera minősége. Önmagában a CCD kamera kifejezés nem biztosíték semmire. Ezért is fontos a kamerák különböző felhasználási besorolása, pl. az ipari képfeldolgozás számára, mint legmagasabb minőségi szint, vagy ipari ám nem feldolgozott, hanem vizuális folyamatkövetés számára, stb. ami egyben minőségi megfelelőséget is jelent. Ez sajnos az árban is megjelenik. A jó minőségű ipari képfeldolgozás számára készült ipari kamerák drágák, a minőség csökkenésével együtt a kamerák ára is csökken. Minden feladathoz a megfelelő eszközt, és akkor nem lehet probléma, mindenki biztos lehet benne, kivételek nincsenek.
CMOS
A CCD chipnél a név a működésre utalt, a CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) chipnél egyszerűen a gyártástechnológiát jelenti.
A ma használt CMOS szenzorok ún. Active Pixel Sensor felépítést használnak, melyet először az Olympus cég fejlesztett ki 1993-ban. Korábban is léteztek CMOS technológiára épülő szenzorok, 1968-tól lehet velük számolni, azonban a nagy különbség, hogy ezek Passive Pixel Sensorok voltak.
A CMOS chip megpróbálja egyszerűvé és olcsóvá tenni a nem csupán a fényérzékelő részt hanem a CCD-hez szükséges precíz nagypontosságú és költséges áramköröket ,az erősítőt és az A/D átalakítót. Aktív pixelekről beszélünk, azaz minden egyes képpont saját erősítővel rendelkezik (töltés-feszültség konverter, amely a CCD-nél a kiolvasó egységben volt megtalálható). A kiolvasás mátrix elven történik, minden képpontot külön-külön meg lehet címezni. Mivel minden egyes pixel külön címezhető, illetve a vezetékhálózaton keresztül bármilyen sorrendben összekapcsolható a chip további erősítőfokozataival, nagyon könnyű a kép egy részletét, vagy éppen egy alacsonyabb felbontású képet is kiolvasni.
A CMOS érzékelőre nagyon könnyű integrálni egyéb áramköri elemeket. Általában a CMOS érzékelők tartalmazzák az analóg-digitális átalakítókat is (míg ez a CCD-nél külön áramkör volt), sőt egyes esetben elő-feldolgozást is végeznek (szenzor szintű zajszűrés például). Nagyon könnyen integrálható, nagyon könnyen gyártható, kevesebb energiát fogyaszt és rendkívül olcsó.
Ezzel el is mondtuk a CMOS chip összes előnyét, és nem véletlen, hogy egy sem szólt a képminőségről. Első hallásra igen nehezen elfogadható hogy a CMOS chip rossz minőségű képet állít elő, hisz mi emberek mégis inkább a szemünknek hiszünk és látjuk milyen szép képet állít elő a CMOS chip-el szerelt fényképezőgépünk. A jó hír, hogy a szemünknek is igaza van, a rossz hír hogy az itt leírtak is igazak. Ezzel a témában a kamerák második fejezetében még bőven fogunk foglalkozni, addig is jó ha belenyugszunk ,mi emberek szebb világot látunk, mint a valóság, a számítógépek, akik az ipari képfeldolgozásban a képeket elemzik azonban a valóságot látják.
A CMOS kamerákat ugyan használja az ipari képfeldolgozás pl. színérzékelésre, (ha belegondolunk teljesen abszurd dolog egy színes képet adó igaz ipari kivitelű és akár többezer pixeles CMOS kamera ára, kb. negyede egy fele akkora felbontású fekete fehér képet adó ipari CCD kamerának, tömegtermékek esetén az árkülönbség még nagyobb), vagy szó szerint értendően nagyobb mértékű forma ellenőrzésre. A nagyobb forma ellenőrzést úgy kell érteni, hogy pl. egy labdát megkülönböztetünk egy golyóstolltól, vagy ha nem akarunk ennyire gonoszak lenni, egy almát egy körtétől (feltéve ha a körte nem hasonlít túlságosan az almára). Mérésre (metrológiára) teljes mértékben alkalmatlan.
Igaz hogy a CMOS az ipari képfeldolgozásban gyakorlatilag nem sok mindenre alkalmas, azonban a hétköznapi tárgyainkban webkamerák, telefonok, fényképezőgépek, kamerák, biztonsági kamerák sőt még az optikai egerünkben is ilyen chip működik, ezért szenteljünk neki néhány szót.
Active Pixel Sensor
Az Active Pixel Sensor-t nevezzük az egyszerűség kedvéért APS-nek. A CCD-vel szemben itt nem szükséges a fizika mélyére hatolni a megértéséhez, mivel elektronikai szinten értelmezhető a chip. Ugyanúgy, mint a CCD-nél, itt is egyedi képpontok, (tárolók) azaz pixelek vannak, azonban itt egy pixel egy komplett elektronikai áramkör. A tipikus áramköri felállítást a fenti ábrán láthatjuk. Itt szeretnénk megjegyezni, különböző áramköri kapcsolású APS -ek léteznek, akár több tranzisztorral. Az itt bemutatott kapcsolás egy általánosan elfogadott áramkör. Az itt bemutatott kapcsolásban szinte minden benne van az A/D-n kívül, bár vannak olyan kapcsolások amelyekbe azt is beleintegrálják. Adott egy fényérzékelő, a fotodióda amely a fényt alakítja át elektromos jellé, vagyis ott zajlik a fotoelektromos effektus, a dióda cseréjével egyszerűen változtatható a chip spektrál érzékenysége. A fotodiódában keletkező feszültséget egy MOS-FET-ekkel felépített erősítő erősíti tovább. Adott továbbá az információ matrix rendszerű kiolvasásához szükséges 2 db elektróda, a reset elektróda és a tápellátást biztosító elektróda.
A pixelek a CCD-hez hasonlóan sorokba és oszlopokba vannak szervezve itt is, és ezzel már kezdődik is a problémák sora. Amennyiben a az APS-eket együtt vizsgáljuk, márpedig egyetlen pixelből nem lehet képet készíteni ahhoz több ezer pixelre van szükség. A MOS-FET-ek legnagyobb előnye az egyszerű , olcsó, könnyen integrálhatóság vagyis a szilicium lapkán ezért fér el egy pixel méretbe egy egész áramkör míg a CCD-nél csupán egyetlen “tranzisztor”. A MOS-FET-ek hátránya viszont a környezetükre való elektromágneses érzékenység. Egyszerűen fogalmazva, ez azt jelenti, hogy a környezeti érzékenység miatt két finom részleteiben egyforma képet készíteni soha nem lehet, mivel a környezeti elektromágnesesség folyamatosan változik. Ez nem más, mint környezeti zaj, ami rátevődik a mindenkori képre, e hasznos jelhez képest. A másik probléma a nem tökéletes kisütésből, reset-ből adódó, az előző képből ottmaradt információ. Erre a Canon elvileg talált megoldást, bár ez megnöveli a chip árát. A másik erősítővel kapcsolatos probléma, hogy minden chip külön erősítőt tartalmaz, és a sokezer erősítőt teljesen egyformára gyártani egyszerűen képtelenség, vagyis egyes pixelek ugyanakkora fénymennyiségre sötétebbek, másik világosabbak lesznek, és ráadásul ez változó, különböző mértékű fénymennyiségre különböző módon viselkednek.
Tehát a pixelek is zavarják egymást a környezet is zavarja a pixeleket, a különböző pixelek fotodiódáiban keletkező fény erősítése nem egyforma, illetve pixelen belül az erősítés sem lineáris.
A kis-zajú erősítők létrehozása APS-en belül egyelőre megoldhatatlan feladat, bár a világ jó része 15 éve többek között ezt próbálja megoldani. Gondoljunk csak bele mire képes a CCD kamera kiszajú erősítője. A kérdés miért nem alkalmazzák a CCD erősítőjét, azért mert drága, és azon technológia amivel azon erősítő készül nem integrálható ilyen kis területre.
Az erősítőn kívül van más gond is, a pixelenkénti címzés. A rengeteg vezeték és a pixelenkénti címzés további zaj forrása, a kiolvasás nem egy időben történik, az információ addig gyűlik az egyes pixeleken belül amíg azt az elektronika ki nem olvasta. Érthetőbben ha az első pixel kiolvasása a “0″ időpont az utolsó pixel kiolvasása a n*t ahol t az egy pixel kiolvasásának ideje “n” a pixelek száma. Az első pixel kiolvasása a 0 időpontban történik, azonban, mivel a pixel egész addig gyűjti a fényt, amíg az ki nem lesz olvasva az utolsó pixel már nem a “0″ időpontbeli információt tartalmazza, hanem a 0 időponttól az n*t időpontig ami elmosódott képet okoz, más szóval az utolsó pixel integrációs ideje n*t-vel nagyobb, mint az első kiolvasott pixel integrációs ideje. Ha belegondolunk, hogy az ipari képfeldolgozásban az átlag integrációs idő néhány mikroszekundum és egy teljes kép kiolvasási ideje 20-30 miliszekudum, láthatjuk a probléma nagyságát. Ezen problémát gyorsabb kiolvasással próbálják enyhíteni a CMOS chipeknél, amivel enyhíteni lehet a problémát, megoldani nem. A másik probléma a pixelenként nem egyenlő referencia feszültségek, amik eleve nem ugyanolyan működési feltételeket teremtenek minden pixelnek.
Az APS és a CMOS chip egyelőre ezer sebből vérző alkatrész, annak ellnére, hogy olcsó előállíthatósága és széles felhasználási lehetőségei miatt óriási üzlet, és milliárdokat emészt fel a fejlesztése. Érdekességként történtek már olyan módosítások, hogy az eredeti MOS-FET-eket a CCD-ben alkalmazott J-FET-re cserélték, az eredmény határozottan pozitív volt, azonban a chip drága lett, viszont így sem érte el a CCD minőségét. Történtek olyan kísérletek, hogy az APS-ek mátrix kiolvasását a CCD léptetős kiolvasási mechanizmusára cserélték, az eredmény szintén pozitív volt, azonban ismét drága.
Az olcsó és jó képminőséget nyújtó képalkotó chip-ek még váratnak magukra, egyelőre vagy olcsó vagy jó, a kettő együtt nem működik. A remény azonban megvan, hogy egyszer megvalósul az olcsó és jó minőségű képalkotó eszköz, azonban már szinte biztos, ez nem a rengeteg fejlesztést felemésztő CMOS lesz. A világon számos kutatás folyik napjainkban is, új képalkotó eszközök kifejlesztésére. Egyelőre még nem érkezett el az a véletlen, amely létrehozta a CCD-t azonban ez bármikor bekövetkezhet.
