Sensoren 5

Geschreven door Willy De Boeck.

Momenteel komt er aan een tv-camera geen glas meer aan te pas, behalve voor de lenzen. Niet te verwonderen dat die duurder en groter zijn dan de camera zelf, opnames in HD en UHD zijn zeer veeleisend voor de objectieven. Dertig jaar geleden begon de opmars van de 'solid state'-sensors. Maar tot diep in de 21e eeuw bleven er buizencamera's in dienst. Nu niet meer, er worden trouwens al enige tijd geen opneembuizen meer gemaakt. Gelukkig zijn er nog musea ....

 

Halfgeleider beeldopnemers

In de jaren 1970 werd er veel opzoekingswerk gedaan en verschenen de eerste halfgeleidersystemen voor beeldopname op de markt.

Allereerst waren het lichtgevoelige diodes, opgesteld in een rij o.a. voor kopieermachines, maar al snel volgden delijnarray tweedimensionale matrixen, hoewel met een beperkt aantal ”pixels”.  De eerste tweedimensionale halfgeleiderbeeldopnemer bestond uit een matrix van 100 x 100 pixels en werd door de NASA gebruikt in één van de ruimtevluchten. De eerste
omroeptoepassing kwam met de filmafaster Bosch FDL60 in 1979. Hij was uitgerust met een eendimensionale ‘array’ van 1024 beeldpunten, zie de afbeelding (foto Bosch).

Snel verbeterde de techniek van de geïntegreerde schakelingen en verspreidde zich dit type van beeldopnemer in allerlei toepassingen, onder meer voor amateur fotocamera’s.  Voor omroepdoeleinden was de definitie ver van voldoende.  Ook dat veranderde snel en meer en meer firma’s ontwierpen professionele camera’s.  In de omroepwereld kwam de introductie van halfgeleidercamera’s maar langzaam op gang.  Dergelijke camera’s moesten eerst hun meerwaarde bewijzen t.o.v. buis-opneemsystemen.  Maar ook het feit dat er moest geïnvesteerd worden in nieuw materiaal daar de “oude” techniek obsoleet werd.

LDK90De voordelen van halfgeleidercamera’s waren echter zo groot dat het toch niet lang heeft geduurd voor de buisopneemsystemen werden verdrongen door de halfgeleider-camera’s. De eerste toepassingen kwamen bij draagbare en ENG-camera’s, zie bijvb. De BTS LDK90 uit onze collectie (1987).

CCD-beeldopnemers

CCD is de afkorting van Charge-Coupled Devices of “Lading-gekoppelde cellen”.  Concreet betekent dit, dat elektrische ladingen van de ene cel naar de andere kunnen worden overgebracht.  Die cellen zijn in het geval van camera’s zgn. “MOS-cellen” (MOS = Metal Oxyde Semiconductor).  Die cellen vormen de lichtgevoelige elementen die als een matrix georganiseerd zijn op een drager met ten minste zoveel horizontale rijen als er lijnen zijn in het beschouwde televisiesysteem.  Elke rij bestaat uit evenveel cellen als er actieve pixels nodig zijn in een TV-lijn.  Dit systeem verschilt dus in hoofdzaak van alle vorige systemen doordat de fotokathode geen homogene structuur meer heeft, maar samengesteld is uit afzonderlijke beeldpunten.  Bijvoorbeeld, voor de 625 lijnenstandaard kan dat 720 x 576 punten zijn (720 pixels per lijn en 576 actieve lijnen in dit geval).

De elementaire structuur van een dergelijk MOS-element is hierna getekend.

Op een substraat dat uit P-gedopeerd silicium bestaat, ligt een isolerende laag bestaande uit siliciumoxyde.  Daar bovenop is deimage002 geleider van licht N-gedopeerd silicium geplaatst.  Het geheel vormt een fotodiode.

Wordt een spanning aan de cel gelegd zo dat ze invers gepolariseerd is d.w.z. geblokkeerd is, dan worden alle elektronen in het P-substraat aangetrokken door de positieve potentiaal van de geleider en worden de zgn. gaten in het P-silicium opgevuld.  Hierdoor ontstaat een verarmingsgebied waar geen vrije elektronen of gaten meer aanwezig zijn en er geen stroom kan vloeien.

image004Als er licht op die fotodiode valt zal bv. een foton een elektron losslaan zodat er een paar gat/elektron ontstaat.  Ook dit vrije elektron wordt door de positieve potentiaal van de geleider aangetrokken, terwijl het gat wordt opgevangen door de negatieve pool van de bron.

Er blijft dus een negatieve lading over in het P-substraat.  Hoe groter het aantal inslaande fotonen, hoe groter de lading zal zijn.  Die lading is een beeld van de hoeveelheid opgevangen licht.  Dit geldt voor alle fotodioden van een matrix waarop de scène wordt geprojecteerd.  Het ladingsbeeld komt dus overeen met het licht uit de scène.

image007

Het komt er nu op aan die ladingen om te zetten in een spanning die het beeldsignaal zal vormen.

Daarom krijgen de fotocellen een tweede functie, namelijk die van schuifregister.

De volgende figuur toont het principe van een dergelijke rij fotodioden die de beide functies vervullen.

image009

Op het P-substraat zijn alle fotodioden in een rij geplaatst.  In dit voorbeeld is slechts één op de drie cellen belicht.  De andere twee zijn afgedekt.  De belichte fotodiode krijgt een positieve spanning toegevoerd aan de geleider.  Gedurende de belichtingstijd wordt een lading opgebouwd onder de belichte cellen.  De niet-belichte cellen liggen aan een negatieve spanning zodat de ladingen van de belichte cellen niet kunnen wegvloeien.  Om de ladingen over te brengen naar de naburige cellen, wordt daaraan een hogere spanning gelegd dan die aan de belichte cellen.  Dan ontstaat de toestand van de volgende figuur.

image011

Die positievere spanning trekt de negatieve lading aan uit de belichte cel zodat de lading van de belichte cel overspringt naar de buurcel en de negatieve lading gevangen zit onder de naburige onbelichte cel.  Dit schema herhaalt zich in een volgende cyclus waarna de lading twee cellen is opgeschoven, enz. 

image013

De hele zich herhalende cyclus wordt geregeld door klokimpulsen die de lading telkens één cel doet verschuiven tot aan het einde van de rij.  Daar verschijnt achtereenvolgens een bepaalde lading, dan twee keren niets, opnieuw een lading, enz.  De schakeling aan het einde van de rij zet dan die ladingen om in een spanning, bvb. door een condensator waarin een spanning ontstaat overeenkomstig de formule V = Q/C (Q de lading C de capaciteit.

Die schuifoperatie voor het gehele beeld moet plaatsvinden tijdens de rasteronderdrukking, waarna de fotodiodes opnieuw kunnen worden opgeladen.

Voor de uitlezing van alle rijen in een matrix kunnen verschillende methoden worden toegepast, waar hier niet wordt op ingegaan.

Voor sommige uitleesmethodes dient een mechanische sluiter aanwezig te zijn om te vermijden dat de fotodiodes een lading zouden opslaan tijdens de schuifoperatie, hetgeen het opgewekte beeld zou verstoren.

Voor het gebruik in kleurencamera’s kunnen er, zoals bij camera’s met beeldopneembuizen, drie CCDs worden geplaatst die dan rechtstreeks op de optische kleurensplitser worden gelijmd, respectievelijk voor de kanalen rood, groen en blauw.  Dat is niets nieuws.

De volgende foto toont een dergelijke CCD met aansluitingen, losgemaakt van de kleurensplitser.  Er zijn nog duidelijke sporen van de zwarte lijm.

 image019

De donkere rechthoek binnen de cirkel is de werkelijke lichtgevoelige beeld-opnemer.  De meer heldere zone bovenaan herbergt
een beeldgeheugen, elektronische kringen en de schuif-registers (interline-rastertransfer-methode).

Voor fotocamera’s, miniatuur of niet-professionele videocamera’s en de meeste camera’s voor UHD-opnames, ja sinds 2016 zelfs voor de buitenopnames van de familiereeks 'Thuis' gebruikt men evenwel één enkele CCD.  Deze laatste soort camera’s gebruikt een zeer grote sensor. Om de kleurenscheiding te realiseren, worden er kleurenfilters geplaatst op de CCD-beeldopnemers, respectievelijk een rode, groene en een blauwe volgens een matrix waarvan de volgende figuur een beeld geeft.  Dit heet een “Bayerfilter”.

 image021

Er zijn tweemaal meer groene dan rode of blauwe pixels.  Dit komt min of meer overeen met de eigenschappen van het menselijke oog.  Groen is inderdaad meer aanwezig in wit dan blauw of rood.  De definitie van groen is in dit filter tweemaal hoger dan die van blauw en rood.

Als er door de firma’s geschermd wordt met fototoestellen van 24 megapixels, moet die verklaring wel wat gemilderd worden, want om één beeldelement te vormen zijn er 3 pixels nodig.

 

Vooral de eerste CCD-camera's vertoonden een storende fout : bij overstuurden beeldpunten stroomde het teveel aan ladingen over naar dezelfde pixels op de andere beeldlijnen. Dit leverde een vertikale streep op. Zie onderstaand optreden van Blur op Top of the Pops 1984.

Een tweede manier om het scènelicht te splitsen in drie bestanddelen is door de Amerikaanse firma FOVEON ontworpen in 2008.  Het octrooi werd gekocht door SIGMA die het uitgebreid exploiteert.

Het systeem bestaat erin drie lagen fotogevoelige cellen boven elkaar te plaatsen, waarbij elke laag voorafgegaan wordt door een kleurenfilter in de volgorde blauw, groen en rood.  De dikte van elke laag staat in verhouding tot de op te vangen golflengte.  De volgende figuur is een schematische voorstelling van één drieledige fotogevoelige cel.  Als we aannemen dat de golflengten van blauw, groen en rood overeenstemmen met respectievelijk 0,44 µm; 0,525 µm en 0,600 µm en de dikte van de lagen 3 maal de golflengte moet zijn, dan verkrijgen we voor de verschillende laagdikten, respectievelijk 1,32; 1,575 en 1,8 µm.  De som daarvan bedraagt 4,695 µm, wat nagenoeg overeenkomt met de figuur hierna.

 image023

De “blauwe” golflengten dringen niet diep door in het silicium en worden door de bovenlaag omgezet.  De “groene” golflengten gaan iets dieper en worden door de middenlaag geabsorbeerd, terwijl de “rode” golflengten die het diepste doordringen in het silicium de onderste laag fotodioden zullen activeren. Op die manier krijgt men drie parallelle primaire beeldsignalen wat de verwerking ervan eenvoudiger maakt.

Wat zijn nu eigenlijk de voordelen van halfgeleiderbeeldopnemers?

Wat onmiddellijk in het oog springt, is dat er geen glazen buis meer aanwezig is, zodat de breekbaarheid duidelijk verminderd is.  Er zijn geen hoge en lage spanningen meer nodig.  De voeding is dus eenvoudiger geworden en bovendien, door de afwezigheid van een gloeidraad, is het verbruik sterk gedaald, waardoor de batterijen voor draagbare camera’s ook kleiner mogen zijn.  Focusseer- en afbuigspoelen zijn niet meer aanwezig zodat het gewicht ook een stuk lager wordt.  Er is helemaal geen opwarmtijd meer vereist.  De camera’s kunnen onmiddellijk aan het werk gaan, afgezien van een eventuele aanpassing aan de omgevingstemperatuur.  De gevoeligheid is groter dan bij buizen; de beeldkwaliteit is uniform over het gehele beeld; de dynamiek is normaal groter dan in buiscamera’s en de signaal/ruisverhouding is beter.

Nadelen

Eventuele lensfouten kunnen niet worden verbeterd door aanpassing van de afbuiging.

CMOS-beeldopnemers

CMOS = Complementary Metal Oxyde Semiconductor.

De laatste telgen in de opneemsystemen bestaan al sinds een aantal jaren en in gewone toepassingen hebben zij de CCDs verdrongen.

CMOS-cellen bestaan ook uit CCD-cellen, maar zonder de schuifregisterfunctie.  De nadelen van het verschuiven van de ladingen achtereenvolgens door alle lichtgevoelige cellen van de CCD-rij worden omzeild door in de geïntegreerde schakeling aan elke CCD-cel een versterker te koppelen zodat het signaal van elke cel onmiddellijk ter plaatse wordt versterkt.  De versterkte signalen lopen vervolgens door een schuifregister en aangezien het signaalniveau hoger is, zijn ze minder gevoelig voor storingen en toegevoegde ruis.  Maar daar hangt een prijskaartje aan; voor wat hoort wat.  Die versterkers nemen plaats in op de beschikbare oppervlakte van de beeldopnemer, waardoor er minder plaats is voor de lichtgevoelige cellen.  Het gevolg is een dalende gevoeligheid omdat een kleinere cel ook minder licht opvangt en een lagere lading opwekt.

Sommige fabrikanten hebben dit probleem opgelost door de versterkers in een tweede laag onder de lichtgevoelige cellen te plaatsen, zodat er meer plaats vrijkomt voor de actieve lichtopnemers.

De laatste jaren zijn er beeldopnemers verschenen waarin boven elke lichtgevoelige cel een microlensje is geplaatst waardoor er meer licht wordt opgevangen en de gevoeligheid stijgt.

Ook de meeste CMOS-sensoren hebben een storend effect : door de wijze van uitlezen van de pixels ('rolling  shutter') worden snel bewegende voorwerpen vervormd zoals bij spleetsluiters : zie deze iconische foto; dat uit zich vooral bij draaiende vliegtuigpropellers, die veranderen in kromzwaarden. Zie onderstaand filmpje voor een extreme vorm.

 

Besluit

Er is een lange weg afgelegd sinds het begin van de twintigste eeuw.  Wie weet wat er nog allemaal op stapel staat in de laboratoria.  Voorspellingen over meer dan vijf jaar zijn altijd onjuist gebleken en het is beter zich er niet aan te wagen.  Met een beetje geluk kan er aan deze tekst over enkele jaren nog een vervolg gebreid worden.  Vandaag de dag is de miniaturisering zover gekomen dat men hogedefinitiecamera’s met potloodformaat kan vervaardigen voor het goede of het slechte doel.  Alles zal afhangen van het gebruik.

Of televisie een uitstekend of tijdverspillend systeem uitmaakt, zal iedereen voor zichzelf moeten beslissen.

__________________________________________________________