Matryca CCD (od ang.charge-coupled device) – układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać, sygnał elektryczny proporcjonalny do ilości padającego na niego światła.
W cyfrowych aparatach fotograficznych najczęściej stosowane są filtry barwne, dające możliwość rejestracji natężenia określonej szerokości spektrum światła w danym punkcie matrycy.
Matrycę skonstruowano głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze zastosowania były związane z astronomią, gdzie do dziś pozostaje podstawowym narzędziem badawczym, wypierając w zasadzie błony fotograficzne. Obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD o coraz wyższej rozdzielczości w aparatach cyfrowych, gdzie otrzymane dane po przetworzeniu przez jednostkę centralną aparatu mogą zostać zapisane w postaci plików graficznych. W aparatach fotograficznych stosowane są matryce o rozdzielczościach rzędu od kilku do kilkunastu megapikseli, do ponad 30 megapikseli w pełnoformatowych aparatach profesjonalnych i nawet 80 megapikseli w cyfrowych aparatach średnioformatowych. Największe matryce stosowane w obserwatoriach astronomicznych mają od 65 do ponad 100 megapikseli.
Historia
Pierwszy egzemplarz CCD został zbudowany w 1969 roku przez dwóch naukowców, laureatów Nagrody Nobla: Willarda S. Boyle’a i George E. Smitha z Bell Telephone Laboratories. Szukali oni nowego sposobu rejestracji obrazu, który miał znaleźć zastosowanie w projektowanym wideotelefonie. Urządzenie miało być tanie, a jego technologia oparta na krzemie. Pierwsza kamera złożona była z ośmiu pikseli ułożonych w jeden rząd. Większy model o rozmiarach 100 × 100 pikseli powstał dopiero w 1973 roku. Początkowo technologia była rozwijana w celach obserwacji kosmosu.
Działanie
Kiedy foton uderzy w atom, może spowodować przeskoczenie elektronu na wyższą powłokę, a w niektórych przypadkach uwolnienie nośnika ładunku (dziur lub elektronów, w zależności od użytego materiału półprzewodnikowego) – jest to tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Kiedy powierzchnia matrycy CCD jest oświetlona, uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Nośniki te zostają przesunięte w miarowych impulsach elektrycznych oraz zostają „przeliczone” przez obwód, który wyłapuje nośniki z każdego elementu światłoczułego, przekazuje je do kondensatorów, mierzy, wzmacnia napięcie i ponownie opróżnia kondensatory. Ilość nośników zebranych w ten sposób w pewnym przedziale czasu zależy od natężenia światła. W efekcie otrzymujemy dla każdego elementu światłoczułego informację o wartości natężenia padającego na nie światła, czyli w praktyce informację o jasności obserwowanej w danym punkcie barwy.
Zazwyczaj poszczególne elementy matrycy mierzą ilość światła dla jednej ze składowych RGB, dlatego też na każdy piksel wynikowego obrazu w postaci bitmapy przypada pomiar z kompletu elementów światłoczułych. W 2002 roku firma Foveon opracowała matrycę X3, która potrafi zarejestrować każdą z trzech składowych koloru w każdym punkcie. Obecnie nie jest jednak ona szeroko wykorzystywana.
lepsze odwzorowanie barw przy niskiej światłoczułości
Wady
Matryce CCD są wolniejsze od CMOS (co może mieć znaczenie przy wykonywaniu zdjęć seryjnych).
wyższe zużycie energii w porównaniu z matrycą CMOS
większy koszt produkcji niż w przypadku matrycy CMOS
gorsza jakość odwzorowania barw
Rozmiary
Typ
Proporcje
Długość
(mm)
Szerokość
(mm)
Przekątna
(mm)
Powierzchnia
(mm²)
Powierzchnia
względna
1/6″
4:3
2,30
1,73
2,88
3,98
1,00
1/4″
4:3
3,20
2,40
4,00
7,68
1,93
1/3.6″
4:3
4,00
3,00
5,00
12,0
3,02
1/3.2″
4:3
4,54
3,42
5,68
15,5
3,89
1/3″
4:3
4,80
3,60
6,00
17,3
4,34
1/2.7″
4:3
5,27
3,96
6,59
20,9
5,24
1/2″
4:3
6,40
4,80
8,00
30,7
7,72
1/1.8″
4:3
7,18
5,32
8,93
38,2
9,59
2/3″
4:3
8,80
6,60
11,0
58,1
14,6
1″
4:3
12,8
9,60
16,0
123
30,9
4/3″
4:3
18,0
13,5
22,5
243
61
APS-C
3:2
25,1
16,7
30,1
419
105
35MM
3:2
36,0
24,0
43,3
864
217
645
4:3
56,0
41,5
69,7
2324
5845
Kolumna „Typ” zawiera oznaczenia wywodzące się od stosowanych dawniej lamp analizujących. Liczby te określały średnicę zewnętrzną lampy. Pole obrazowe lampy o średnicy 1 cala miało przekątną 16 mm, co stanowi podstawę do dalszych obliczeń[3].