Matryca CCD

Podstawowym składnikiem każdego aparaty cyfrowego, czy też cyfrowej kamery jest matryca CCD (Charge-Coupled Device). Została ona wynaleziona w 1970 roku przez W. S. Boylei i G. G. Amelio. Cyfrowy zapis obrazu pomału wypiera dotąd powszechnie stosowaną fotografię klasyczną, czyli zapis na błonie światłoczułej. Zamiast standardowej kliszy fotograficznej stosuje się tu specjalne detektory CCD.

Matryca, bo o niej mowa - jest to specjalnie spreparowana płytka wykonana z półprzewodnika, która potrafi rozpoznawać natężenie padającego na nią światła. Punkty światłoczułe (piksele) rozmieszczone są bardzo blisko siebie i jest ich ogromna ilość. Ich zadaniem jest zamiana natężenia światła na sygnał napięciowy rozpoznawany przez oprogramowanie aparatu cyfrowego, który pozostanie zapisany na karcie pamięci. Im więcej takich punktów posiada matryca aparatu, (czyli im większa jest jej rozdzielczość), tym bardziej szczegółowy obraz może ona zarejestrować. Mówiąc ściślej matryca zamienia padające światło, tak zwane fotony na sygnał wyjściowy. Fotony uderzając w elektrony półprzewodnika, z którego zrobiona jest matryca, wybijają je ze swoich \"miejsc\" (przenoszone są z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia). Następnie poprzez zliczanie wybitych elektronów wiemy ile światła padło na detektor.


Oprócz matryc CCD są też starsze matryce CMOS, które jednak charakteryzują się mniejszą czułością na światło. Ważne jest to, iż matryca jest bardzo czuła na światło.skanie Aby uzyskać taki sam efekt - czas jaki zajmowało naświetlanie zwykłej kliszy fotograficznej ulega wyraźnemu skróceniu. Kolejną zaletą jest to, iż ruchomy obraz możemy rejestrować z ekspozycją.
Zapis koloru
Typowe matryce CCD (i CMOS) zapisują kolor w dość skomplikowany sposób. Jeden punkt matrycy CCD rejestruje wyłącznie jasność padającego światła i nie posiada pełnej informacji o barwie. Dane o kolorze pojawią się dopiero wtedy, gdy punkt ten zostanie przesłonięty filtrem barwnym. Spowoduje to jednocześnie wykasowanie informacji o kolorach innych, niż aktualnie wyznaczany. Zgodnie ze stosowanym standardem stosuje się elementy światłoczułe w trzech kolorach:
• R (Red) - czerwony
• G (Green) - zielony
• B (Blue) - niebieski
Powstaje stąd znany nam schemat RGB. Bliższe zapoznanie się z budową matrycy spowoduje zapewne, że zorientujemy się o pewnym \"oszustwie\" zapisu koloru. Bo np. w 2 milionowej matrycy CCD będziemy mieli:
• 500 elementów czerwonych
• 1000 elementów zielonych
• 500 elementów niebieskich
Co powoduje, że często standard ten określa się mianem RGBG. Łatwo zauważyć, że w standardzie tym kolor zielony jest zapisywany gęściej, niż pozostałe, a poza tym, informacja o jasności jest rejestrowana 4 razy dokładniej niż dane o kolorze, (ponieważ dane o jasności posiada każdy piksel, a dane o konkretnym kolorze, tylko, „co któryś\"). Teoretycznie, więc powinniśmy mieć nadmiar zieleni na zdjęciach cyfrowych i rozmyte kolory. Na szczęście tak nie jest i opisane \"oszustwo\" nie ma szczególnie silnych negatywnych efektów dla jakości zapisywanych fotografii. Wynika to z dwóch faktów:
• ludzki mechanizm odbioru barw (związany z budową oka) jest znacznie mniej czuły na barwę, niż na jasność. Dzięki temu owe niedostatki zapisu koloru są słabo zauważalne.
• aparat cyfrowy posiada malutki komputer, który przelicza informacje z różnych pikseli na tyle inteligentnie, że ostatecznie każdy piksel zapisywanego zdjęcia zawiera informacje o składowych koloru czerpanych z sąsiednich elementów światłoczułych.
Jednak fakt niedokładnego zapisu koloru w standardowych matrycach spowodował też pojawienie się specjalnej matrycy, w której każdy piksel zawiera pełną informację o kolorze. Niestety, aparaty cyfrowe z matrycami w tym systemie są znacznie droższe niż tradycyjne, a różnica w jakości zdjęć nie jest tak wielka, aby się w je zaopatrywać, tym bardziej, że za zwiększonymi możliwościami zapisania koloru kryje się zmniejszenie rozdzielczości (liczonej jako odczyt z jednego punktu światłoczułego).

Na jakość odwzorowania ujęcia mają wpływ następujące parametry matrycy CCD:
• dokładność odwzorowania kolorów i jasności - czyli umiejętność odczytania przez matrycę głębokiej czerwieni, czerni, czy też fragmentów o bardzo dużej jasności.
• rozdzielczość (podawana w megapikselach, czyli milionach pikseli)
• poziom szumów (widoczny na zdjęciach jako jako nieregularne jasne i ciemne plamki pojawiające podczas fotografowania jednolitych barwowo powierzchni)
Zatem urządzenia cyfrowe bardzo różnią się jakością wykonanych zdjęć, a głównym elementem który je różni jest zastosowana matryca. Oczywiste jest to, że za „dobry”, czy też profesjonalny sprzęt cyfrowy zapłacimy sporą sumę pieniędzy, a to z powodów wysokich parametrów odczytu przez matrycę. Kamerki cyfrowe wbudowane w telefony komórkowe, mimo, że są już w zasięgu każdego z nas i kosztują nas nie wiele, pozostawiają wiele do życzenia.