Beelden uit de Ruimte

Veel beelden uit de ruimte zijn vanaf het prille begin van de ruimtevaart gemaakt met de vidicon camera buis. De resultaten waren goed, maar de vidicon had wel enkele nadelen. Hij was kwetsbaar en zeker de start van een raket vormde een grote belasting voor de onderdelen van de buis. Verder moest de kathode van de buis verhit worden, wat een flinke energie consumptie betekende aan boord van een ruimtevaartuig.
In de jaren '70 kwam er iets nieuws: de Charge Coupled Device of CCD. Dit is een plaatje silicium waarop miljoenen fotodioden geplaatst zijn: de pixels. Dit woord komt van PICture ELement, ofwel: beeldelement. Voor het mooie is de C een X geworden. De CCD gebruikt heel weinig elektrische energie en is ongevoelig voor mechanische trillingen. De licht-gevoeligheid loopt doorgaans van nabij infrarood via het voor ons zichtbare licht tot iets in het ultraviolette gebied. Koeling van de CCD chip maakt hem gevoeliger voor zwakke lichtbronnen.

ontstaan
De eerste CCD werd in 1969 gedemonstreerd in de AT&T Bell Laboratories door Willard Boyle en George E. Smith. Eigenlijk werkten beide heren aan een "bubble" geheugen, maar ontdekten dat hun vinding ook beelden kon vastleggen. Die eerste CCD was maar 8 pixels groot. Alle 8 dioden lagen op één rij en dat was ook de uitvoering die door de sterrenwachten omarmd werd toen er meer pixels op één rij kwamen. De CCD is veel gevoeliger dan fotografische film. Dat alle fotodioden op één rij lagen, was wel een nadeel, maar kon opgelost worden door de hemel te scannen. Willard Boyle en George E. Smith kregen in 2009 de Nobelprijs voor natuurkunde vanwege hun werk aan de CCD

Vanaf 1974 hield NASA's Jet Propulsion Laboratory zich bezig met het vergroten van het aantal beeldpunten.In 1978 kwam men al tot een chip met 500 x 500 fotodioden; een kwart megapixel dus. De Galileo had in 1989 al een sensor van 800 x 800 beeldpunten (0,64 Megapixel). Dit was gelijk aan de resolutie van de vidicon camera's uit de Voyagers.

Elke fotodiode van de CCD zet fotonen (licht) om in elektronen. Hoe meer licht, hoe meer elektronen. En geen licht betekent geen elektronen, uiteraard.
Wie de ontwikkelingen in de digitale fotografie volgt, weet misschien dat er ook nog CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor ) beeldchips bestaan. Het belangrijkste verschil is, dat de CCD alleen uit fotodioden bestaat en elektronische schakelingen om de rijen met fotodioden "uit te lezen" en om aan het eind de aparte ladingen in een spanning om te zetten. De CCD is dus een analoge schakeling. Alle andere elektronica bevindt zich op een print buiten de CCD beeldchip.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is gemaakt voor de eenvoudiger camera's en webcams, die in grote aantallen geproduceerd worden. Alle elektronica bevindt zich op de chip. Het is dus moeilijker om met een CMOS de bewerkings-elektronica snel aan te passen. En omdat het in de ruimtevaart altijd om zeer kleine oplagen gaat, kiest men dus nog steeds voor een CCD. Bovendien is de CCD nog steeds beter en heeft ook minder last van ruis.
De CMOS is een digitale schakeling.Elke fotodiode heeft zijn eigen schakelingetje om de lading van de sensor meteen om te zetten in een elektrische spanning. Hierdoor is de CMOS veel sneller, omdat al die spanninkjes heel snel door de registers uit de CMOS geschoven kunnen worden. Als ze eruit komen dan worden die spanninkjes meteen omgezet in een digitale waarde. (Zie daarvoor hieronder).

Zo'n CMOS kan door zijn snelheid veel opnamen achter elkaar maken. Maar natuurlijk zijn er ook nadelen. Bijvoorbeeld de lagere gevoeligheid en meer ruis. Ook is de gevoeligheid over de hele fotodiode (pixel) niet uniform. De contrastomvang is ook lager dan bij een CCD, evenals de gevoeligheid over het geheel van beeldsensor. De elektronica kan de tekortkomingen van de CMOS sensors wel maskeren, maar wat beeld betreft is de CCD superieur.

verschillen
De vroege digitale camera's hadden nog echte CCD. Je kon daarmee wel een foto maken, maar daarna moest je even wachten tot de informatie op het geheugenkaartje was geschreven. Nu hebben ze vrijwel altijd een CMOS chip, die zo snel zijn dat ze een filmpje kunnen opnemen. Het belangrijkste verschil tussen de consumenten camera's en de ruimtevaart zit in de manier van het maken van kleurenfoto's.

De ruimtevaart CCD gebruikt net als bij de vidicon camera kleurenfilters die opnamen maken in de kleuren rood, groen en blauw en eventueel nog andere spectrale banden, om zo kleurenonamen te kunnen maken. De CCD en CMOS voor consumentencamera's hebben microscopisch kleine kleurenfilters die op de beeldchip zijn aangebracht. Dat systeem is ontworpen door Bryce Bayer van Kodak. Voor elke kleuren pixel zijn vier beeldsensors nodig -met elk hun eigen filtertje. Een rood filter, een blauw filter en twee groene filters, omdat de kleur groen anders niet goed weergegeven wordt. Dit betekent wel dat je 10 megapixel camera eigenlijk maar 2,5 megapixels heeft. Maar hier komt de elektronica goed van pas. Die gaat interpoleren en uiteindelijk ontstaat er weer een beeld van 10 megapixel.

Hoewel het mogelijk is om een elektronische sluiter op de beeldchips te maken (deze vindt men o.a. in videocamera's en eenvoudige camera's zoals in mobiele telefoons) gebruikt men in de ruimtevaart mechanische sluiters, zoals ook bij de Mariners en Voyagers werden toegepast. Een nadeel van zo'n elektronische sluiter is het feit dat er minder licht op de beeldchip valt.
Een niet onbelangrijk verschil met een gewone digitale camera is dat de CCD's in de ruimtevaart beschermd zijn tegen kosmische straling. Voor kosmische straling hoef je nog niet eens de ruimte in te gaan. Die straling kan ook al elektronica beïnvloeden op een vlucht met een straalvliegtuig. Zo'n 11 km boven de aarde is er al meer kosmische straling dan op het aardoppervlak. Ik heb de gevolgen daarvan aan den lijve ondervonden. Een aantal malen waren in mijn digitale camera de instellingen van datum en tijd gereset naar fabriekswaarden en eenmaal was ik een aantal foto's kwijt van een geheugenkaart. Piloten van luchtvaartmaatschappijen dragen ook allemaal dosimeters, om de totaal opgedane straling te kunnen meten.


Een CCD uit de ruimtevaart	Een foton wordt in de sensor omgezet in een elektrische spanning. Vergeet de lens en het kleurfilter. Die komen in de ruimtevaart niet voor.	Dit is een filterpatroon zoals dat bij een normale digitale camera over de fotodioden van de CCD en CMOS chip ligt. Dit soort filters wordt in de ruimtevaart vrijwel niet gebruikt. De twee camera's van de nieuwe Marsrover Curiosity zijn een uitzondering.

Op deze manier worden de kleuren op de CCD en CMOS beeldsensor chip vastgelegd. Dat betekent dat voor elke kleurenpixel 1 rode, 2 groene en 1 blauwe pixel op de chip nodig zijn. En waarom twee groene? Dan komt de kleur groen beter overeen met hoe wij die kleur zien.	Je krijgt dan eigenlijk het beeld zoals dat onderaan. In feite is je mooie 10 megapixel camera maar 2,5 megapixel. Wat er niet is wordt geïnterpoleerd, ofwel erbij verzonnen!

De fotonen in een CCD maken dus elektronen vrij en die geven de sensor (een pixel) een lading. Die lading wordt vastgehouden, net zoals in een condensator. Alle sensors zijn van elkaar geïsoleerd, zodat de lading niet zomaar kan wegstromen.
Er zijn wel elektronische schakelaartjes aanwezig tussen de sensors, die gebruikt worden als de lading doorgeschoven moet worden. De lading gaat pas verdwijnen als de beeldchip wordt uitgelezen. Dat gaat volgens het principe van de emmertjes.
Stel je dat zo voor:

Er staan vijf personen op een rij: 1 2 3 4 5.
Alle emmertjes zijn niet even vol. Er zijn volle, halfvolle, enz.
Nummer 5 giet zijn emmertje leeg. Daarna leegt 4 zijn emmer in 5. 3 leegt zijn emmer in 4 en ondertussen leegt 5 zijn emmer weer, zodat hij weer het water van nummer 4 kan ontvangen.
Op die manier wordt het water uit alle emmertjes doorgegeven tot alle emmertjes leeg zijn.

Links is een gedeelte van de CCD beeldsensor weergegeven. De fotodioden zijn gerangschikt volgens een matrix, of een tabel. Er zijn rijen (liggend) en kolommen (staand), als we hierbij even aan een tabel denken. De lading in de kolommen wordt door de elektronica van de CCD chip doorgegeven naar de onderste rij. Alle kolommen zijn eigenlijk schuifregisters en de onderste rij ook. Schuifregisters zijn onderdelen die al in het prille begin van het computer tijdperk voorkwamen.

De tabellen schuiven hun lading naar het laatste schuifregister. Dit betekent dat de informatie van de pixels serieel uit de beeldchip komt. In het voorbeeld lijkt het langzaam te gaan, maar in werkelijkheid kan zo'n chip veel sneller worden uitgelezen.

De informatie die uit de beeldsensor chip komt is eigenlijk een serie kleine elektrische ladingen, dus analoge informatie. Het eerste dat gebeurt in de bijbehorende elektronica is het omzetten van deze ladingen in analoge voltages. En die worden op hun beurt weer omgezet naar een digitale waarde met een Analoog/Digitaal omzetter.

Onder is te zien hoe een CCD chip is opgebouwd. Image area is het gedeelte met de fotodioden waarin het beeld gevormd wordt. Gouden draadjes verbinden de chip met het metalen of keramische gedeelte waarin de verbindingspinnen zitten die de chip verbinden met de bijbehorende elektronica. Het serial register is het schuifregister dat de ladinkjes van de pixels doorschuift naar de on-chip amplifier, die de ladinkjes omzet naar een voltage en vervolgens versterkt. Het resultaat is een variërende spanning.

Voor de liefhebbers:
Net als elke chip is de beeldchip opgebouwd uit een plaatje silicium waarop laagjes oxiden en halfgeleidermetalen zijn aangebracht. Door middel van afdekken, etsen en opdampen verkrijgt men veel elektronische schakelingen op zo'n plaatje silicium. Zo is elke pixel 12 micron -of 0,012 mm- groot bij de camera's van de Cassini missie.
Links is te zien hoe de ladinkjes worden doorgeschoven in de halfgeleider chip.
Elke pixel heeft een ladingpakketje dat bestaat uit elektronen, die in een bron (geel) aanwezig zijn.
De drie vierkante elektroden zijn poorten. Als daar een positieve spanning op wordt gezet, trekken die de negatief geladen elektronen aan. Op die manier schuift de lading door. Het is knap dat er geen elektronen verloren gaan bij dit proces.


CCD schema. Eenvoudige stuctuur op de beeldchip.	CMOS schema. Behalve de pixels er er veel andere elektronica aanwezig op de chip.


Schematische opbouw CCD chip	Een sterke vergroting van een CCD chip.