ไขความลับเรื่อง CCD
ทุกครั้งที่เราอ่านเรื่องราวเกี่ยวกับกล้องวิดีโอ นอกจากเรื่องของฟอร์แมต เลนส์ และโหมดในการถ่ายแบบต่าง ๆ แล้ว มีอีกสิ่งหนึ่งที่ ต้องเกี่ยวข้องด้วยเสมอและถือว่ามีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่ากันก็คือเรื่องของ CCD เมื่อเราพบคำว่า Pixel Shift Technology, HAD หรือ Hyper HAD ในกล้องแต่ละรุ่น หลายท่านอาจไม่รู้ว่ามันคืออะไร มีผลข้างเคียงกับภาพที่จะถ่ายจา ก CCD เหล่านี้อย่างไร ฉบับนี้เราจะพาท่านไปไขปัญหาเรื่องราวของ CCD ว่าจริง ๆ คืออะไร มีด้วยกันกี่ชนิด และมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันอย่างไร เริ่มกันที่กล้องกล้องวิดีโอ หรือที่นิยมเรียกกันว่า Camcorder (Camera + Recorder) นั้น เป็นอุปกรณ์ตัวแรกที่จะต้องเกี่ยวข้องในกระบว นการผลิต คุณภาพของวิดีโอจะดีมากน้อยเพียงไรก็จะขึ้นอยู่กับการเลือกใช้กล้องและการจัดองค์ประกอบของการถ่ายทำเป็นหลัก ห ากวิดีโอที่เราได้มาตั้งแต่เริ่มต้นไม่ดี โอกาสที่จะแก้ไขในขั้นตอนต่อมาจะเป็นสิ่งที่ยากและเสียเวลา CCD เป็นส่วนสำคัญที่สุดส่วนหนึ่งของกล้อง เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องราวของมันจึงต้องรู้ว่ามันทำอะไรและอยู่ส่วนไหนของกล้องถ่ายวิดีโอเสียก่อน รูปแสดงส่วนตัดของกล้องวิดีโอ DMM 52จากรูป เราจะเห็นแสงสะท้อนจากวัตถุวิ่งผ่านเลนส์เข้ามาในกล้องแล้วถูกแยกออกเป็นสีพื้นฐานสามสีโดยปริซึม แสงของสีทั้งสามจะถูกส่งไปยังตัวแปลงสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งในอดีตก็คือหลอดถ่ายภาพโทรทัศน์นั่นเอง ต่อมาหลอดภาพนี้ก็ถูกแทนท ี่โดยสารกึ่งตัวนำที่เรียกว่า Charge-Coupled Device หรือ CCD ที่เรากำลังจะกล่าวถึงนั่นเองCCD มีพัฒนาการมาจากตัวเก็บประจุแบบ MOS ซึ่งเกิดจากการนำแผ่นโลหะอีเล็กโทรดเล็ก ๆ มาวางประกบอยู่บนพื้นซิลิกอนชนิ ด P-Type โดยมีชั้นซิลิกอนไดออกไซด์บาง ๆ คั่นกลางอยู่ หากปล่อยศักดาไฟฟ้าบวกให้กับแผ่นอีเล็กโทรดก็จะเกิดเป็นบ่อพลังงาน ต่ำ (Low-energy well) ใกล้กับจุดต่อระหว่างซิลิกอนไดออกไซด์กับพื้นซิลิกอนนั้น อีเล็กตรอนอิสระก็จะถูกดึงดูดมาเก็บไว้ในบ่อ นี้ มันสามารถเคลื่อนไปได้ถ้าบ่อข้างเคียงมีระดับพลังงานต่ำกว่า ความสามารถในการเก็บและส่งผ่านประจุนี้คือพื้นฐานการทำงานเบื้องต้นของ Charge-Coupled Deviceรูป อธิบายการเคลื่อนอีเล็กตรอนภายในแถวของตัวเก็บประจุแบบ MOS1. หลังจากศักดาไฟฟ้าบวก (5V) ถูกจ่ายให้กับแผ่นอีเล็กโทรด บ่อพลังงานต่ำก็จะเกิดขึ้นใต้แผ่นออกไซด์/สารกึ่งตัวนำ เป็นการดึงเอาอีเล็กตรอนอิสระเข้ามา2. หากศักดาที่สูงกว่า (10V) ถูกจ่ายไปยังอีเล็กโทรดข้างเคียงที่อยู่ติดกัน บ่อพลังงานต่ำที่ลึกกว่าก็จะเกิดขึ้นและจะไปดึงเอาอิเล็กตรอนอิสระจากบ่อที่สูงกว่าลงมา3. ถ้าศักดาที่จ่ายให้กับอีเล็กโทรดแผ่นแรกถูกปลดออกและศักดาที่จ่ายให้กับแผ่นที่สองปรับลดลงเท่ากับศักดาของแผ่นแรกเดิม (5V) อีเล็กตรอนก็จะค้างอยู่ที่แผ่นที่สองนี้เท่านั้น เมื่อทำซ้ำขั้นตอนนี้กับแผ่นที่สาม สี่ และต่อ ๆ ไป ประจุก็จะเคลื่อนตัวไปตามสายของตัวเก็บประจุ4. โดยการเปลี่ยนแผ่นอีเล็กโทรดเหล่านี้ด้วยสารไวแสงที่เรียกว่า "Photosensor" ประจุที่เกิดขึ้นจากแสงที่มาตกกระทบสารไวแสงเหล่านี้ก็จะถูกส่งออกไปด้วยวิธีการเดียวกันCharge-coupled deviceถ้าเราแทนที่แผ่นโลหะอีเล็กโทรดที่อยู่ด้านบนด้วย Photosenser ซึ่งผลิตจาก Polysilicon หรือ Stannic oxide ที่มีควา มโปร่งใส แล้วนำมาจัดเป็นกลุ่มไปวางเป็นอุปกรณ์รับภาพไว้ด้านหลังปริซึมหรือเลนส์ เราก็จะได้โครงสร้าง CCD เบื้องต้นของกล้ องวิดีโอ จุดแต่ละจุด (อยู่ระหว่าง 500-800 จุดต่อหนึ่งเส้นภาพ) จะสร้างประจุเป็นสัดส่วนกับความสว่างของภาพที่ถูกรวมลงไป ที่ตัวของมัน ดังนั้นจึงต้องหาวิธีที่จะอ่านค่าความแตกต่างของประจุจำนวนกว่าครึ่งล้านหรือมากกว่านี้ ให้เป็นตามลำดับของการกราดที่พอดีกับเส้นสแกนและอัตราการแสดงภาพของระบบโทรทัศน์ เพื่อจะส่งไปใช้งานภายนอกได้ต่อไป ปัจจุบันเราแบ่งประเภทขอ ง CCD จากชนิดของสารกึ่งตัวนำที่ใช้ ตำแหน่งหน่วยความจำชั่วคราว (Register) และวิธีการโยกย้ายข้อมูลของมัน ประเภทของ CCD เหล่านี้ได้แก่ Frame transfer(FT), Interline transfer(IT), และ Frame interline transfer (FIT)- Frame transfer: เป็น CCD ชนิดแรกที่พัฒนาขึ้นมา ประกอบไปด้วยพื้นที่ของ Photosensor ที่เหมือนกันสองส่วน ส่วนแรกเป็นพื้นที่รับภาพ อีกส่วนหนึ่งเป็นพื้นที่เก็บข้อมูล พื้นที่รับภาพจะประกอบด้วยชุดแถวของ Photosensor สำหรับรับแส งที่ส่งมาจากเลนส์ ส่วนพื้นที่เก็บข้อมูลจะถูกปิดไว้ไม่ให้แสงเข้า ภาพที่เกิดจากประจุไฟฟ้าจะสะสมขึ้นบนพื้นที่รับภาพในช่วงเวลา 1 ฟิลด์สแกน (20ms:PAL) และจะถูกย้ายอย่างรวดเร็วไปสู่พื้นที่เก็บข้อมูลในช่วงสัญญาณมืด (Blanking) ระหว่างฟิลด์ เนื่องจ ากขณะที่ข้อมูลกำลังเลื่อนลงมา ส่วนรับภาพก็ยังรับแสงจากเลนส์อยู่ ดังนั้นชัตเตอร์แบบกลไกจึงต้องนำมาใช้เปิดช่องแสงเพื่อรักษา ข้อมูลเดิมไว้ในระหว่างการเคลื่อนย้าย พื้นที่เก็บข้อมูลจะถูกลบข้อมูลออกทีละเส้นในการส่งไปยัง Read Out รีจิสเตอร์ ดังนั้นในช่วงเวลา 1 เส้นสแกน ภาพวิดีโอก็จะถูกส่งผ่านรีจิสเตอร์ออกมาเพื่อสร้างเป็นสัญญาณวิดีโอหนึ่งเส้นเช่นกัน- Interline transfer: พัฒนาขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาการใช้ชัตเตอร์แบบกลไก โดยการวางตัวเก็บข้อมูลไว้ชิดกับตัวรับภาพ ประจุจะถูกส่งให้ตัวเก็บข้อมูลทันทีในช่วงของสัญญาณมืดโดยไม่ต้องผ่านตัวรับภาพตัวอื่น ข้อมูลที่ส่งให้ตัวเก็บข้อมูลจึงเป็นข้อมูลของ ตัวรับภาพที่อยู่ติดกันโดยไม่มีการรบกวน การอ่านจาก Read Out รีจิสเตอร์ยังคงใช้วิธีเดียวกันกับแบบ Frame transfer ปัญหาของ Interline transfer ในระยะแรก ๆ ก็คืออาการที่เรียกว่าการเปื้อนทางแนวตั้ง (Vertical Smear) ซึ่งมีสาเหตุมาจากกา รที่ CCD รับแสงที่มีความสว่างมาก (Highlight) เกินไป จนเป็นเหตุให้รุกล้ำเข้าไปในส่วนของสารกึ่งตัวนำจนเกิดการรั่วของปร ะจุจากตัวรับภาพไปยังตัวเก็บข้อมูลที่อยู่ติดกัน ประจุที่ส่งผ่านชิฟท์รีจิสเตอร์ลงมาเป็นทอด ๆ จึงเกิดการผิดเพี้ยนได้ โดยปกติแสง ที่มีความยาวคลื่นยาว (ความถี่ต่ำ) เท่านั้นจึงจะทะลุลึกลงไปในซิลิกอนได้ เราจึงเห็นรอยเลอะเปื้อนเป็นสีแดงหรือชมพูเท่านั้น อย่า งไรก็ตาม CCD รุ่นใหม่ ๆ ได้ลดการรั่วของประจุลงได้มากทำให้การเลอะเปื้อนทางแนวตั้งนี้ลดลง (Interline transfer จะใช้พื้นที่ CCD น้อยกว่าแบบ Frame transfer เกือบครึ่งหนึ่งแต่ก็ทำให้ความไวแสงน้อยกว่าแบบแรกไปด้วย)- Frame interline transfer: เป็นการพัฒนาเพื่อลดปัญหาการเลอะเปื้อนของ Interline transfer โดยการนำวิธีเคลื่อน ย้ายข้อมูลของทั้งสองแบบข้างต้นมารวมกัน ในช่วงสัญญาณมืด ประจุภาพจะถูกย้ายไปยังตัวเก็บที่อยู่ติดกัน (เพื่อไม่ต้องใช้ชัตเตอ ร์แบบกลไก) อย่างไรก็ตามการเลื่อนลงมาเพื่อไปยังพื้นที่เก็บข้อมูลแบบ Frame interline transfer นั้นจะใช้เวลาเร็วมากคือประ มาณ 60 เท่าของความเร็วฟิลด์สแกน ดังนั้นการรั่วไหลใด ๆ ที่จะเกิดขึ้นในเวลาอันสั้นจึงน้อยมาก ทำให้ลดการเลอะเปื้อนทางแนวตั้งลงได้ผลของความละเอียดหากต้องการความละเอียดของภาพสูง ๆ จะต้องใช้ CCD ที่มีจำนวนจุดภาพมาก อย่างไรก็ตามการเพิ่มจุดภาพโดยไม่เพิ่มขนาดพื้นที่ของ CCD (ปกติ 2/3") ก็จะทำให้ความไวแสงลดลงได้เช่นกันAliasingจุดแต่ละจุดก็คือตัวอย่างของภาพที่ต่อเนื่องกันเพื่อจะให้เกิดเป็นความสว่างของภาพ มันคล้ายกับการแปลงจากอะนาลอกไปเป็นดิจิต อล ซึ่งจะเป็นไปตามกฎทางคณิตศาสตร์ที่ตั้งขึ้นโดยไนควิสท์ ที่ระบุว่า "ถ้าสัญญาณที่นำเข้ามาจะถูกนำมาสร้างใหม่ย่างถูกต้อง มั นจะต้องสุ่มออกมาโดยใช้ความถี่ที่มากกว่าสองเท่าของความถี่สูงสุดของสัญญาณนั้น" Aliasing หรือรอยหยัก ซึ่งแสดงออกมาใ นแบบภาพของมัวร์ (Moire) ที่เจาะจงไปยังวัตถุที่เคลื่อนที่ซึ่งมีสาเหตุมาจากความถี่สูงทางอินพุทไปรบกวนความถี่ต่ำ มันสามาร ถกดให้ลดลงโดยการเลื่อน CCD สีเขียว (เป็นสีที่ไวต่อสายตาและอยู่ในสีขาวมากที่สุดถึง 59%) ออกไปอีกครึ่งจุดเมื่อเทียบกับสีน้ำเงินและสีแดง เทคนิคนี้ได้ถูกนำไปปรับปรุงใช้ในระบบ CCD ของ Canon เรียกว่า Pixel Shift Technology เพื่อเพิ่มควา มละเอียดของ CCD จากเดิม 270000 จุดให้ใกล้เคียงกับ 410000 จุด พร้อมกับการลดการเปื้อนเลอะทางแนวตั้ง เพิ่มความไวแสงและไดนามิคของภาพให้ดีขึ้นอีกด้วยHADมาจากคำว่า The hold accumulated diode (HAD) sensor ที่ให้ความละเอียดถึง 750 จุดต่อเส้น HAD เกิดจากการปรับปรุงพื้นที่การรับแสงของตัวรับแสง เป็นการเพิ่มสัดส่วนของผิวหน้าของ Photosensor ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความไวโดยไม่ต้อ งลดความละเอียด HAD ยังช่วยในการลดการเปื้อนเลอะทางแนวตั้งได้อีกด้วย Hyper HAD Sensor จะเพิ่มความไวแสงของกล้องโดยการวางเลนส์รวมแสงเล็ก ๆ ไว้บนตัวรับแสงแต่ละตัวเพื่อเพิ่มพื้นที่ในการรวบรวมแสงให้มากขึ้นPower HAD Sensor จะปรับปรุงอัตราสัญญาณต่อสิ่งรบกวนให้สูงขึ้นทำให้เพิ่มความไวได้มากขึ้นกว่าครึ่งสต๊อปSwitched Output Integrationโทรทัศน์ในระบบ PAL ประกอบด้วยเส้นจำนวน 625 เส้น ในหลอภาพ เส้นฟิลด์คี่จะถูกกราดออกมาก่อนจากซ้ายไปขวา และจากบ นลงล่าง จากนั้นก็สะบัดกลับไปสู่ด้านบนเพื่อกราดเส้นฟิลด์คู่อีกครั้ง มันต้องใช้ทั้งสองฟิลด์นี้ประกอบภาพที่สมบูรณ์ขึ้นมาหนึ่งเฟรมโดยใช้ความถี่หลัก 50Hz จึงจะได้ภาพจำนวนขนาด 25 เฟรมต่อวินาทีCCD แบบ Frame transfer จะใช้จุดภาพเดิมสำหรับทั้งสองฟิลด์ ในขณะที่แบบ Interline transfer และ Frame interline transfer จะใช้จุดภาพแยกกันซึ่งทำให้รายละเอียดสูงขึ้น มีวิธีการสองแบบในการอ่านภาพที่เป็นประจุอีเล็กตรอนออกจากพื้นที่เก็บ- Field integration: เป็นการอ่านจุดทุกจุดออกมาแต่สัญญาณจากเส้นที่อยู่ติดกันจะถูกเฉลี่ยค่า วิธีนี้ถึงแม้ว่าจะลดรายละเอียดทางแนวตั้งลงแต่จะลดการเลือนจากการเคลื่อนไหว (Motion blur) ให้น้อยลงได้Field 1 - (line 1 and line 2), (line 3 and line 4), etcField 2 - (line 2 and line 3), (line 4 and line 5), etc- Frame integration: วิธีการนี้จะอ่านทั้งสองฟิลด์มาในครั้งเดียว ดังนั้นการเลือนจากการเคลื่อนไหวจะมากเพระสัญญาณถูกเฉ ลี่ยภายในช่วงเวลาที่นานกว่าแบบ Field integration แต่ก็จะทำให้ได้รายละเอียดทางแนวตั้งสูงกว่าสำหรับภาพที่อยู่คงที่ การใช้ระบบเพิ่มความคมชัดทางแนวนอน (Enhanced vertical definition system) จะทำให้ได้รายละเอียดที่สูงขึ้นโดยไม่มีกา รเลือนจากการเคลื่อนไหวเหมือนเช่นเดิม ระบบนี้จะใช้วิธีปิดฟิลด์หนึ่งไว้ก่อนขณะอ่านอีกฟิลด์หนึ่งด้วยชัตเตอร์อีเล็กทรอนิกส์ แน่นอนมันจะทำให้ความไวแสงลดลงไปหนึ่งสต็อปColorimeterPolysilicon ที่โปร่งใสที่ใช้ครอบ Photosensor ของ Interline transfer CCD จะเป็นตัวกรองเอาแสงสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นต่ำออกไป ดังนั้นมันจะมีความไวต่อแสงที่ปลายของสเป็กตรัมสีน้ำเงินต่ำเมื่อเทียบกับการตอบสนองของแสงสีแดง สำหรับบ น HAD sensor จะไม่มีการใช้ Polysilicon นี้ ดังนั้นการตอบสนองต่อสเป็กตรัมจึงเป็นรูปแบบกว่าสรุปที่กล่าวมาทั้งหมดก็เป็นเรื่องราวพอสังเขปของ CCD ซึ่งถือว่าเป็นส่วนสำคัญที่สุดส่วนหนึ่งของกล้อง บางครั้งเราจึงเรียกมันว่า Camera Chip อย่างไรก็ตามดูเหมือนเราจะเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับมันไม่ได้มากนักเนื่องจากมันเป็นเทคโนโลยีที่ผลิตสำเร็จมาจากโรงง าน สิ่งที่ทำได้ในฐานะของคนในวงการและผู้อ่าน DVM ก็คือ การติดตามวิวัฒนาการของมัน อย่างน้อยที่สุดเพื่อจะได้อธิบายให้คนอื่นฟังได้อย่างสมศักดิ์ศรี เมื่อมีคำถาม "CCD คืออะไร ?"ReferencesKG Jackson, "TV & Video Engineer's reference book", Butterworth HeinemannPerter ward, "Digital Video Camerawork", Focal PressPerter ward, "Multiskilling for television production", Focal Press
ขอขอบคุณ
สุชาติ พรหมปัญญาบรรณาธิการ DVM
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น