Willard Boyle (esquerda) e George Smith, inventores do sensor CCD primeira camera video de qualidade

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1 Sensores CCD e CMOS CCD Willard Boyle (esquerda) e George Smith, inventores do sensor CCD primeira camera video de qualidade Desde a sua invenção nos laboratórios Bell (EUA), nos anos 70 do século XX, que os sensores do estado sólido têm sido do tipo CCD. O seu desenvolvimento e sucesso deve-se em grande medida ao seu excelente desempenho quer nas aplicações científicas (astronomia, física, etc) quer nas aplicações comerciais (scanners, camcorders). Assistimos actualmente ao surgimento de um novo sensor o CMOS que promete tornar-se o detector de eleição num vasto segmento do mercado. 18

2 Sensores CCD e CMOS Como já sabemos, os nossos sensores CCD colectam luz nos seus elementos fotosensores (través do efeito fotoeléctrico). A leitura da imagem digital é realizada por transferência sequencial das cargas eléctricas armazenadas em cada um dos pixeis, linha a linha para a linha de leitura do registo, onde após amplificação é digitalizada num conversor analógico-digital. Bolacha de sensores CCD DALSA 111 Megapixeis CCD 19

3 Sensores CCD e CMOS Embora seja tecnicamente possível, não é economicamente rentável incluir no processo de fabrico dos CCD, mais funções electrónicas necessárias para a obtenção final das imagens, embutidas no sensor. Funções de relógio, amplificação e processamento de de sinal são exemplos de operações realizadas por outros componentes electrónicos adjacentes ao próprio sensor. O número de chips varia de circuito/modelo para circuito/modelo, mas nunca é inferior a 3 e podem ser tantos como 8 elementos adicionais. CMOS D30 CMOS EOS D30 Canon 20

4 CMOS Sensores CCD e CMOS O maior problema dos CCD é não poderem ser obtidos numa escala de economia. O seu fabrico é especializado, isto é, a tecnologia só permite a construção de CCD. Entretanto na industria electrónica existe desde à muito uma classe de elementos/componentes do tipo CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) que são usados nas memórias e processadores dos nossos computadores. Este processo de fabrico é sem dúvida o processo actual mais abrangente, com muitos e muitos milhões de componentes fabricados. Por exemplo, o processador Pentium III contêm cerca de 10 milhões de transístores. Com as alterações necessárias de fabrico e de funcionamento, os CMOS podem ser convertidos em fotosensores, e assim sendo é praticamente a mesma linha de montagem que os produz. Desta forma devido ao seu elevado número e consequente baixo preço (cerca de 1/3 dos CCD), o CMOS começa a ser um sensor concorrencial do CCD. 21

5 Sensores CCD e CMOS CMOS Características 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, 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. 22

6 Sensores CCD e CMOS A sensibilidade dos sensores CMOS é inferior aos dos CCD, pelo que as imagens em ambientes de pouca luz devem ser obtidas com luz articial. Esta menor sensibilidade é devida ao factor de preenchimento dos CMOS ser menor do que os dos CCD. Tal facto deriva de cada elementos do CMOS ter, para além da função de colector de fotões, circuitos electrónicos que realizam as demais funções. Desta forma parte da área do elemento é ocupada por elementos não fotossensíveis. Para a mesma 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 tempo de integração faz com que o ruído na imagem seja maior, aliado ao maior ruído intrínseco do próprio CMOS comparativamente ao CCD, as imagens finais têm sempre mais ruído. CCD CMOS 23

7 Sensores CCD e CMOS Comparação CCD vs CMOS Tipo: CMOS CCD Sensibilidade: Alta Alta Alcance dinâmico: Moderado Alto Uniformidade: Baixa a média Alta velocidade : Alta Média a alta Antiblooming: Alto de nenhum a alto Consumo energético: Baixo Alto Relógio: Um Vários 24

8 Sensores CCD e CMOS 25

9 Sensores CCD e CMOS Desde a sua forma clássica matricial, os CCD e CMOS têm vindo a evoluir para tamanhos maiores e pixéis menores (quantidade) e para geometrias diversas, de modo a registarmos as melhores imagens (qualidade). 26

10 Super CCD da FujiFilm A Tecnologia Super CCD (HR) simula o que acontece com o olho humano. Isso ocorre, pois os pixels têm formato octogonal, isto é, ficam entrelaçados de forma a diminuir os espaços entre os pixeis. Esse resultado permite maior eficiência na captura da luz. Num CCD convencional, para melhorar a resolução de uma imagem, aumentava-se o número de pixeis, o que provoca um aumento no tamanho do arquivo gravado no cartão de memória e pode diminuir a proporção SNR (Relação Sinal/Ruído) já que o tamanho de cada pixel se torna menor. O Super CCD oferece solução para este tipo de problema pois sem aumentar o número de pixels gera mais definição na imagem. 27

11 4ª 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-nos cada vez mais perto da resolução espacial do nosso filme convencional. Este no entanto ainda oferece a vantagem do seu alcance dinâmico - a capacidade de registar fielmente um leque de intensidades luminosas muito diferentes. Estrutura de Duplo-Pixel SuperCCD "SR" A resposta linear do CCD e o seu limite físico (tamanho e capacidade de armazenamento do pixel) acabem por ser uma barreira ao nosso registo quando estamos na presença de uma grande variação luminosa. 28

12 4ª Geração do Super CCD da FujiFilm Esta resposta linear dos CCD, (uma das suas características funcionais mais importantes, principalmente em aplicações científicas), representa uma limitação face aos nossos filmes convencionais. Tudo o que fazemos na obtenção de uma imagem digital, quando na presença de grandes intensidades luminosas (sobre-exposição) terá certamente efeitos nocivos na nossa imagem. Nestes casos em que o filme convencional apresenta uma resposta tonal satisfatória, no nosso CCD a cura é pior que o remédio. Curva Característica - comparação Filme Diapositivo (Sensia 100) / CCD 29

13 4ª Geração do Super CCD da FujiFilm O sensor superccd SR da Fuji incorpora uma nova aproximação ao problema de tentar alcançar uma maior dinâmica, pela adição de um segundo sensor. Este novo sensor de fraca sensibilidade e pequeno tamanho, integra conjuntamente com o sensor primário o pixel do superccd SR, como podemos ver na figura abaixo. Estrutura do Pixel SuperCCD HR" Estrutura de Duplo-Pixel SuperCCD "SR" 30

14 A Fuji, no que parece ser um retrocesso (pela junção de um fotoelemento menos sensível), acrescenta um comportamento semelhante ao nosso filme convencional. Os de grãos de halogénetos de prata são depositados em camadas distintas, e em cada uma destas de maneira diferente. Grãos com grande superfície e altamente sensíveis, para responder a fracas quantidades de luz, e grãos de pouca sensibilidade e pequenas áreas para responder a grandes quantidades de iluminação. O SuperCCD SR simula essas duas funções num único pixel. 31

15 O fotosensor de baixa sensibilidade foi desenhado para ter um sensibilidade quatro vezes inferior ao elemento fotosensor primário. Significa isto que estes fotosensores secundários toleram intensidades luminosas 4 vezes superiores sem saturar. Fuji chama a estes sensores de baixa sensibilidade os pixeis "R" e aos sensores maiores os pixeis "S". O SuperCCD SR simula essas duas funções num único pixel. Com o processamento adequado, o sinal combinado dos pixeis R e S, permite um resultado que simula a resposta característica do filme convencional. 32

16 Como resultado, estes superccd SR obtêm um resultado melhor face a condições de iluminação adversas, de iluminação em excesso e alto contraste. É de notar no exemplo o detalhe no tecto, preservado pelos sub-pixeis "S, enquanto o detalhe nas zonas mais luminosas da imagem são registadas nos sub-pixeis "R". 16

17 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 milhões R-pixeis) total de pixeis Número de pixeis usados Máximo 2832 x 2128 (6.03 milhões) Sensibilidade ISO (a ISO 1600, em modo 1280 x 960 pixeis) Conversor A/D 14 bits Dinâmica Aproximadamente 4 vezes o normal superccd da Fuji Filme 30 imagens/segundo em modo VGA 34

18 Cor e Resolução Como sabemos já, a construção da cor pode ser realizada de vários modos, um deles por sobreposição directa de filtros (RGB alternados) sobre os fotosensores (pixeis). Mas a obtenção de imagem a cores não pode ser feita de um modo directo e simplesmente baseada no valor de cada pixel/cor, sob pena termos uma fraca descrição tonal a baixa resolução de apenas um terço do possível no modo a preto e branco (tons de cinzento). Obtenção de cor em pixeis filtrados (típica matriz de Bayer) 35

19 Cor e Resolução Interpolação simples para obtenção de cor Interpolação complexa para obtenção de cor Cada pixel regista um valor de cor (por exemplo a 8-bit). Para termos os usuais 24-bit de cor e toda a resolução geométrica que o sensor nos possibilita, temos de usar a informação de cor dos pixeis vizinhos/adjacentes, usando então para isso técnicas de interpolação. O que queremos obter em cada pixel são as duas cores ausentes, pois o pixel só vê apenas uma das três. Com a informação de cor 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 em muitos pixeis vizinhos do próprio, aumentando o tempo de processamento e o tamanho efectivo do ficheiro final da imagem. 36

20 Cor e Resolução Soluções possíveis para construir a cor das nossas imagens, partindo do tradicional filtro Bayer (1975), até uma matriz de 7 filtros (incluindo IR e UV). CFA (color filter array) 37

21 Cor e Resolução Possível solução para suprir pixéis defeituosos. Célula de 4x4, com 5 pixéis R, 5 G, 5 B e 1 de luminância. Actuais CFA empregues nas máquinas digitais Bayer RGB 2 - Bayer CYM 3 RGB + esmeralda 4 CMYG (video) e 5 YCG e luminância (video) 38

22 Cor e Resolução 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. O conjunto mais usado actualmente. 39

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