2017.10.22. 05:00:39
Látogatások száma eddig:6040897
Utolsó frissítés: 2008. 03. 02.
Ha értesülni szeretne újdonságainkról, híreinkről, iratkozzon fel hírlevelünkre!
 
Ajánlja honlapunkat barátainak, ismerőseinek!
 
Szerkesztők: info@greenfoto.hu
A Canon CMOS-szenzor története
[2004. 03. 02.]
A Canon CMOS-szenzor története

Az elektronikus képbontó elem, a CCD története igen korai idôkre nyúlik vissza. Sokféle gyártástechnológia és sokféle kapcsolási módozat kínálkozik az áramkör vezérlésére. A Canonnál ezek a problémák az autofókusz hajnala óta a fejlesztôlaborok kûzdelmeinek célpontjai. Ezért mondhatjuk azt, hogy a CMOS-szenzor bevezetése a digitális fényképezésbe egy tizenötéves csata nagyobb gyôzelme.

A háború természetesen folytatódik tovább a kvantummechanika és a szilárdtestfizika határmesgyéjén. Számunkra az eddig megtett mérföldkövek az érdekesek. Az elsô és talán legnagyobb az EOS rendszer megszületése volt. Eos a görög mitológiában a hajnal istennôje volt, aki titáni szülôkkel dicsekedhetett. A Canon elnevezése Electro-Optical System, azaz elektronikus-optikai rendszer, ugyancsak titáni erôforrásokat foglalt magában ez elsô, azonnal nagysikerû Canon autofókuszos kamerában, az EOS 650-esben (1987). Az elsô titán az EF, azaz Electro Focus bajonet, amivel az EOS rendszer objektívjei és gépvázai fel vannak szerelve. Errôl Korbely Attila kollegám már többször írt. A második titán Luigi Colani volt, a formatervezés mestere, aki több Canon gépet „öltöztetett” fel. A Canon EOS 650-es váz olyannyira szépen sikeredett, hogy letisztult, ergonómikus, enyhén futurisztikus vonásait reklámfotók tömkelege is megôrizte. Sok fotóscég katalógusképein büszkélkedik, tessék csak megnézni pl. az 1988-as Culmann katalógust. A Colaninak köszönhetô ergonómia az EOS-1 modellekben máig továbbél: egy vagy két léptetôtárcsa, több, kesztyûben is kezelhetô választógomb, valamint néhány ritkábban használt nyomógomb rejtekajtóval fedve. Egyszerû, de nagyszerû. Ugyancsak titáni erôforrás a gépvázakban, objektívekben, vakukban, dátumozó hátlapokban elhelyezett számítógépek összessége és a 650-essel egyidôben bevezetett USM motor is. A legnagyobb titán azonban az autofókusz-szenzor: az elsô CMOS képérzékelô és az adatait feldolgozó külön matematikai segédprocesszor, mely már a 650-esben is megtalálható volt.
Itt kezdôdik a CMOS sztori. A gyors autofókusznak szüksége van egy gyorsan számoló komputerre: ez a matematikai segédprocesszor. Szüksége van egy nagy nyomatékkal forgó, igen jól vezérelhetô motorra, ez az ultrahangmotor. Végül egy nagy fényérzékenységû, gyors elektronikus „szem”-et is fel kell használnunk, hogy az élességet egyáltalán detektálni tudjuk. Az akkori konkurrensek - Minolta 7000, Nikon F-501 - mind egyszerû kapcsolású, MOS vagy NMOS gyártástechnológiájú CCD-t használtak. Ezeknek az érzékelôknek nagy hibájuk volt - és ma is az -, hogy a képkiolvasás, azaz a digitalizálás sebessége igen lassú. Ez meggátolta a megfelelôen gyors AF konstruálását. Emiatt gyártástechnológiát váltott a Canon és a CMOS áramköri felépítés mellett döntött annak ellenére, hogy a CMOS áramkörök sokkal zajosabb, nehezen kiértékelhetô jelet adnak egyéb, vitathatatlan elônyeik mellett (pl. olcsóbbak, kevesebb áramot fogyasztanak). Itt kezdôdött tehát az a hosszú harc, hogy a CMOS szenzorok zaját csökkentsék. A CMOS azonban meglepô elônyökkel is szolgált. Nemcsak gyorsabb volt a MOS és NMOS technológiánál, de lehetôvé tette azt is, hogy a szenzorra integráljanak egy átmeneti tárat, valamint a teljes kiolvasó elektronikát. Az átmeneti tár segítségével a CMOS-CCD kiolvasása több nagyságrenddel gyorsabb lett, ugyanis a soronkénti kiolvasáshoz képest így mindegyik képpontnak saját kiolvasó áramköre lett. Az átmeneti tár geometriailag az képérzékelô pixelek alatt helyezkedik el, ezért az ilyen felépítésû AF szenzorok a BASIS (BAse Stored Image Sensor) elnevezést kapták. A képkiolvasás párhuzamossága az egyes pixeleken okozza, hogy a felsô pixelsor alatt az átmeneti tárolóban még megtalálható az elôzô kép, mikor a következôt - relatíve a másodikat - exponáljuk a felsô rétegben. Ezt az áramköri felépítést SIR betûszóval (Secondary Image Registration) jellemezte a Canon. Az EOS 650 és a késôbbi modellek tehát BASIS áramköri elemet használnak az autofókusz-modulban, mely az elektronika világában az igen arisztokratikus CMOS-CCD-SIR névvel büszkélkedhet. Ha a Canon történetét tárgyaló forrásokat olvassuk, a betûszavak tehát ezekre a tényekre utalnak. Figyeljünk arra is, hogy napjainkban a gyártók és a reklámbrossúrák CCD névvel a helyesen NMOS-CCD-nek nevezett áramköri elemet illetik, míg a CMOS szenzor a CMOS-CCD áramköri elemet jelenti. Tudjunk errôl és a Canon nomenklatúrájának megfelelôen mindig „CMOS szenzor”-t használjunk kommunikáció közben.
A CMOS szenzorok ára olyannyira csökkenthetô volt, fényérzékenységüket pedig annyira meg lehetett növelni, hogy egyre több AF-mérômezô kaphatott helyet az EOS fényképezôgépekben. Ezen mérômezôk egy része cross-szenzor tipusú, azaz mind vízszintes, mind függôleges vonalakra érzékeny. Ráadásul, alig több, mint tíz évvel az EOS 650-es megjelenése után, a világon elôször olyan AF modul látott napvilágot az EOS 3-ban, mely F8 rekeszértéknél is képes az élességet elbírálni. Ráadásul az EOS 3 AF modulja 45 mérômezôt tartalmaz. A fejlôdés azonban itt nem áll meg. Prototipus szinten léteznek már olyan CMOS szenzorok, melyek nemcsak az automatikus élességállítást, hanem az automatikus kiértékelô fénymérést is képesek elvégezni. Az ilyen szenzorok által a Canon fényképezôgépek olcsóbbak és kisebbek lesznek a kevesebb alkatrész alkalmazása folytán, ill. kevesebb áramot fognak fogyasztani. Az amatôrgépek gyártási és használati tapasztalatainak megszerzése után pedig a professzionális gépekben is megjelennek az ilyen új tipusú CMOS szenzorok.
További fordulópontot jelentett 2000-ben az EOS D30-as digitális fényképezôgép megjelenése. A benne alkalmazott 3.3 megapixeles CMOS szenzor volt az elsô olyan képbontó eszköz, melynek zaját olyannyira csökkentették, hogy nemcsak mérésre, hanem képrögzítésre is alkalmas volt. Mindezek mellett maximális fényérzékenysége ISO 1600/33°-ig volt növelhetô. 2002-ben az új tipus a 6.3 megapixeles EOS D60-as volt, melynek képe még tisztább még szebb, és csúcsérzékenysége ISO 1000/31°. Természetesen a professzionális szférában is gôzerôvel folyik a felylesztés, így az EOS 1V vázra épült, 4.15 megapixeles EOS 1D-t (2001) felválthatja napjainkban a most rendezett Photokinán bemutatott EOS 1Ds, mely 11.1 megapixeles felbontásával minden, kisfilmre alapuló professzionális igényt kielégít. Szenzora ráadásul 24x36 mm-es, azaz teljes képet ad. Megszûnt tehát a korábbi gépekre jellemzô, oly sok kényelmetlenséget okozó gyujtótávolság-szorzófaktor használata.
Hogyan sikerült a CMOS technológiát jellemzô fizikai paramétereket befolyásolni? Az elsô probléma a már sokat említett nagy elektronikus zaj volt. Az egyes pixelekhez tartozó individuális erôsítôáramkörök nem azonos faktorral mûködnek, illetve az egyes pixelek fototranzisztorai sem adnak azonos jelet azonos fénymennyiség esetén. A kalibrálás így két lépésben történik. Expozíció után a kisütés ideje alatt az egyes erôsítôk által generált zaj mérhetô ezt „kivonva” az elkészült elektronikus képbôl a kép zajtalanítható. Ezután a jelfeldolgozó áramkör az egyes fototranziszorok kalibrációs adatait felhasználva tovább zajtalanítja a képet. A végeredmény a tökéletesen zajmentes kép.
Nemcsak a CMOS szenzor inhomogenitása volt probléma. A CMOS szenzor hajlamos volt arra, hogy expozíció és kiovasás után maradék töltésképet hagyjon az egyes pixeleken. Az erre a képre exponálódó töltéskép így kettôs expozíciót okoz. Ennek kiküszöbölésére a CMOS szenzort olyan áramkörrel látta el a Canon, amelyik expozíció után kisüti a pixeleket, ezzel mintegy törli a töltésképet. Az így elért alacsony zaj tette lehetôvé, hogy a Canon EOS D sorozatban az erôsítés növelésével nagy fényérzékenységgel is fotózhassunk.
A CMOS gyártástechnológia további elônyét a figyelmes olvasó már észrevehette. Minden kiolvasó, erôsítô és jelfeldolgozó áramkör egyetlen lapkán foglal helyet. Ez csak akkor lehetséges, ha kicsi az áramfogyasztás, mert a melegedés az áramfogyasztás függvénye és egy bizonyos melegedési ráta felett már csak a hûtôventillátor a megoldás, ami egy fényképezôgépben el sem helyezhetô. Ez bizony igaz, a CMOS szenzor akár 1/10-nyi energiával is beéri az NMOS-CCD-khez képest. Ezáltal a szükséges akkumulátorok mérete és ára is csökken. Az ilyen integráltság további elônye, hogy a fényképezôgép áramköri lapja is kisebb és olcsóbb elôállítású lehet, ezzel pénztárcánkat kímélve. Az sem elhanyagolható tény, hogy a felhasználó által kapott végtermék - esetünkben elektronikus kép - minôsége nemcsak a CCD, hanem a kiszolgálóáramkörök minôségétôl és összehangoltságától is nagyban függ. Ha mindezt egy lapkára integrálják, a lehetô legoptimálisabb képminôséget lehet elérni.
Ha pedig saját szemszögünkbôl - a felhasználó szemével - tekintünk a Canon CMOS projektre, biztosak lehetünk abban, hogy ez az ígéretes fejlesztés tovább folyik. Mivel a Canon digitális fényképezôgépeihez, videokameráihoz nem vásárolja, hanem gyártja a szükséges CMOS szenzorokat, mindig világelsô fejlesztést vásárolhatunk meg termékeiben.
Török György fotográfus