Desarrollo de tecnología CCD para dispositivos de acoplamiento de carga
A medida que los requisitos de los usuarios siguen aumentando, la tecnología CCD tradicional ya no es capaz de satisfacer las necesidades de imágenes digitales de los usuarios actuales. Para satisfacer las necesidades de los usuarios y ocupar el mercado, algunos fabricantes han lanzado varias tecnologías CCD nuevas en los últimos años:
(1) y CCD DE TRANSFERENCIA INTERLINE
Típico digital de consumo Las cámaras generalmente utilizan CCD DE TRANSFERENCIA INTERLINEA. Su estructura es la que se muestra a continuación. Integrar un semiconductor en un dispositivo fotosensible: un fotodiodo y algunos circuitos. Cada unidad está organizada en una matriz ordenada con tantas filas como columnas. El número de filas multiplicado por el número de columnas es el número de píxeles de este CCD. En cada unidad de píxel (imagen pequeña en la esquina inferior izquierda), aproximadamente el 30% del área se utiliza para fabricar el fotodiodo (parte roja). En el área restante disponible, se colocará un REGISTRO DE TURNO (parte morada, registro de turno). Después de recibir un comando, la intensidad de la luz que siente el fotodiodo se colocará en este REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO y se mantendrá. Esta es una cantidad analógica.
El siguiente paso es convertir el valor de intensidad de la luz en cada píxel en una cantidad digital y luego combinarlo en una imagen digital mediante el procesador de la cámara. Primero, el reloj paralelo inicia la primera fila; el reloj en serie inicia la primera, segunda, tercera... columnas en secuencia. De esta manera, cada píxel de la primera fila sale del CCD en secuencia y entra en el CONVERTIDOR A/D (convertidor analógico/digital, este dispositivo se utiliza especialmente para convertir cantidades analógicas en cantidades digitales). Luego, el reloj paralelo inicia la segunda fila; el reloj en serie inicia la primera, segunda, tercera... columnas en secuencia. De esta manera, cada píxel de la primera fila sale del CCD en orden y entra en el CONVERTIDOR A/D. De esta forma, los píxeles de cada fila y columna se convierten en señales digitales de forma ordenada. Luego, el procesador de la cámara combina estos píxeles digitalizados en una imagen digital.
El REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO en cada unidad de píxel está cuidadosamente dispuesto en filas, intercalando el fotodiodo que en realidad actúa como un sensor de luz. Por eso este dispositivo se llama: CCD DE TRANSFERENCIA INTERLINEA. Dado que el área fotosensible real de cada unidad de píxel solo representa alrededor del 30%, su eficiencia fotosensible es relativamente baja. Por lo tanto, en el producto terminado real, se construirá una MICROLENTE (microespejo) encima de cada unidad de píxel. El diagrama esquemático de MICROLENTE se encuentra en la esquina inferior izquierda de la imagen. La lente óptica está directamente encima del fotodiodo y tiene un área relativamente grande, de modo que se puede concentrar más luz incidente en el fotodiodo, haciendo que el área fotosensible equivalente alcance aproximadamente el 70% del área de píxeles.
Debido a la existencia de SHIFT REGISTER, INTERLINE TRANSFER CCD no requiere obturador mecánico. Utilice una señal eléctrica para indicarle a SHIFT REGISTER que mantenga la señal de salida del fotodiodo y el proceso de muestreo se habrá completado. Este es el obturador electrónico. La existencia de SHIFT REGISTER también permite que INTERLINE TRANSFER CCD emita señales de vídeo. El hecho de que podamos ver imágenes en movimiento en el visor LCD en color también es resultado de SHIFT REGISTER.
El CCD utilizado en los productos profesionales KODAK es FULL FRAME TRANSFER. En cada unidad de píxel, el 70% del área se utiliza para fabricar fotodiodos. Todo el marco de píxeles es casi en su totalidad un área fotosensible. No hay necesidad ni forma de colocar una mayor superficie de MICROLENTES para aumentar su iluminación. Su secuencia de lectura es la misma que la del CCD de TRANSFERENCIA INTERLINEA. La ventaja de esta estructura es que se puede obtener el fotodiodo más grande posible para lograr una mejor calidad de imagen. Se puede decir que con la misma área CCD, FULL FRAME definitivamente tendrá un mejor rendimiento. Desventajas: Este CCD no puede introducir imágenes de VIDEO. No puede utilizar la pantalla LCD como visor.
Debe funcionar con persiana mecánica. Y el obturador mecánico limita su velocidad máxima de obturación.
NIKON D100 utiliza un CCD de fotograma completo (FULL FRAME TRANSFER) En comparación con un CCD de transmisión de columna intermedia (INTERLINE TRANSFER), el CCD de transmisión de fotograma completo tiene un píxel efectivo más pequeño de cada fotodiodo en el dispositivo fotosensible. El área es más grande, lo que permite capturar más datos de imagen. En términos generales, los datos de imagen efectivos que puede capturar un CCD de transmisión de fotograma completo son aproximadamente el doble que los de un CCD de transmisión de columna media, por lo que tiene las ventajas de un mayor rango dinámico, menor ruido y mayor sensibilidad de nivel de grises, mejorando así el rendimiento detallado. en sombras y luces.
(2) SUPER CCD
De los artículos anteriores, podemos entender que la disposición de los puntos fotosensibles del CCD es la clave para afectar el rango fotosensible y las capacidades dinámicas del CCD. Los primeros CCD tenían todos una forma "agrícola" ordenada. Cuando la tecnología CCD llegó a manos de la japonesa Fujifilm, los ingenieros comenzaron a preguntarse si el CCD debía organizarse así. Para combinar el diseño económico del CCD INTERLINE TRANSFER con la gran área fotosensible del CCD FULL FRAME, Fujifilm propuso una solución intermedia, el SUPER CCD, que estaba por debajo de las gafas para expertos. SUPER CCD es actualmente el único CCD en el mercado que utiliza una estructura de panal. Se basa en una estructura geométrica octogonal y una disposición discontinua, basada en el enfoque CCD INTERLINE TRANSFER, para maximizar la utilización efectiva del área del CCD. Sin embargo, la tecnología anterior llenaba demasiado los canales y producía ruidos indeseables. Hoy en día, SUPER CCD se ha convertido en la tercera generación y se han mejorado casi todas las deficiencias indeseables.
A principios de 2002, Fujifilm lanzó el Super CCD de tercera generación. A principios de 2003, Fuji lanzó el Super CCD de cuarta generación. (Ver imagen a continuación). La nueva generación de SuperCCD tiene dos especificaciones: Super CCD HR y SR. Super CCD HR (alta resolución) enfatiza la tecnología patentada de Fuji para mejorar aún más la resolución en un chip CCD de área fija. La tecnología HR puede crear elementos fotosensibles de 6,63 millones de píxeles en un CCD de 1/1,7 pulgadas. Las cámaras digitales equipadas con una nueva generación de fotorreceptores HR podrán generar fotografías con 12,3 millones de píxeles de grabación (al igual que el antiguo SuperCCD de 3 millones de píxeles). El efecto de salida de este CCD HR será comparable al efecto de calidad de imagen del actual buque insignia de Fujifilm, el S2PRO.
El otro Super CCD SR es una nueva estructura de CCD. Al igual que el HR, el CCD SR utiliza una nueva tecnología de miniaturización y puede crear 6,7 millones de elementos de píxeles en un CCD de 1/1,7 pulgadas (HR es 6,63 millones. ). La diferencia es que SR enfatiza un rango dinámico más alto (Dynamic Range), que se afirma que es más de 4 veces mayor que el de los productos anteriores. La clave principal de esta diferencia es que CCD SR adopta una nueva estructura diferente a la del pasado: SR integra píxeles S responsables de la alta sensibilidad (ver imagen: área más grande) y píxeles R (ver figura: área más grande) que pueden operar en exteriores. el rango dinámico general). Al integrar los cálculos de estos dos píxeles diferentes, SuperCCD SR logrará una mayor sensibilidad y un rango dinámico más amplio que los CCD anteriores con una única estructura fotosensible. En el pasado, los originales fotosensibles de arquitectura única eran sensibles a áreas fuera del rango dinámico, es decir, las zonas más iluminadas y oscuras. Debido a que la sensibilidad no se puede ajustar para adaptarse (se debe tener en cuenta la calidad de visualización en el rango medio), es doloroso perder esta parte de los detalles. Los negativos tradicionales pueden superar este problema recubriendo partículas fotosensibles sensibles al color más finas. Por lo tanto, cuando se comparan las imágenes digitales con las tradicionales, el rango dinámico suele ser la clave de la victoria tradicional.
La nueva tecnología de Fuji obviamente supera la interferencia de ruido causada cuando los originales son más densos. La tecnología SR utiliza 3,35 millones de píxeles S y 3,35 millones de píxeles R para integrarse en un rendimiento de 6,7 millones. Este método de división del trabajo y cooperación todavía se utiliza en la industria. caso.
En febrero de 2002, la empresa estadounidense Foveon lanzó la tecnología CCD multicapa sensible al color. Antes de que Foveon lanzara la tecnología X3, la estructura de un CCD era generalmente similar a una placa de filtro de color en forma de panal (vea la imagen a continuación), con un fotorreceptor debajo para determinar cuál de los tres colores primarios RGB era la luz incidente.
Sin embargo, las desventajas de la tecnología celular (también conocida como tecnología de mosaico en Estados Unidos) son: la resolución no se puede mejorar, la capacidad de discriminación de colores es pobre y el costo de producción es alto. Por esta razón, Japón ha monopolizado la producción de CCD de alta gama a lo largo de los años. La nueva tecnología X3 permite que la tecnología electrónica imite con éxito el principio de detección de color de la "película real" (vea la imagen a continuación), detectando el color capa por capa de acuerdo con la longitud de onda de absorción de la luz, lo que corresponde a las deficiencias de la tecnología celular que puede tener un píxel. Solo detecta un color, X3 tiene el mismo Un píxel puede detectar tres colores diferentes, lo que mejora enormemente la calidad de la imagen y el rendimiento del color.
X3 también tiene otra característica, es decir, es compatible con VPS (Variable Pixel Aize), una tecnología informática CCD más potente. Mediante la combinación de "píxeles de grupo" (ver la imagen a continuación). X3 puede alcanzar valores ISO ultra altos (se debe reducir la resolución) y grabación de animaciones VGA de alta velocidad. Lo que es más poderoso que Super CCD es que cada píxel de X3 puede detectar tres valores de color. En teoría, la captura de animación de X3 puede ser más refinada que SuperCCD III en las mismas condiciones de velocidad. La característica de esta invención es que las cámaras digitales tradicionales utilizan principalmente 3 matrices de filtros de colores primarios para producir 3 intensidades de color diferentes para cada punto de luz (o píxel PÍXEL): datos de color rojo (R), verde (G) y azul (B). , que luego se integran con un televisor o monitor en color para formar la imagen que vemos. Sin embargo, según experimentos, se señala que el sistema visual humano es más sensible al verde que otros colores rojo y azul, lo que también hace que la matriz CCD tradicional adopte una proporción de color del 25% rojo y 50% azul, y 50% verde. Sin embargo, las diferencias de color no se pueden corregir en esa proporción. La razón es que la visión humana está más cerca de los efectos analógicos que de los niveles digitales. Para hacer que los colores del paisaje sean más realistas, esta tecnología de SONY guía y muestra eficazmente el verde oscuro y el verde claro respectivamente. Es de gran ayuda para la fiel regeneración del verde.