Ce este o matrice CCD? Senzori CCD și CMOS pentru camere foto digitale și video

Informații generale despre matricele CCD.

În prezent, majoritatea sistemelor de captură de imagini utilizează matrice CCD (dispozitiv cuplat cu încărcare) ca dispozitiv fotosensibil.

Principiul de funcționare al unei matrice CCD este următorul: o matrice de elemente fotosensibile (secțiunea de acumulare) este creată pe baza de siliciu. Fiecare element fotosensibil are proprietatea de a acumula sarcini proporționale cu numărul de fotoni care îl lovesc. Astfel, de-a lungul unui timp (timp de expunere) secțiunea de acumulare produce o matrice bidimensională de sarcini proporționale cu luminozitatea imaginii originale. Încărcăturile acumulate sunt inițial transferate în secțiunea de stocare, apoi linie cu linie și pixel cu pixel la ieșirea matricei.

Mărimea secțiunii de depozitare în raport cu secțiunea de acumulare variază:

• per cadru (matrici cu transfer de cadre pentru scanare progresivă);
• pe jumătate de cadru (matrici cu transfer de cadre pentru scanare întrețesată);

Există, de asemenea, matrice în care nu există secțiune de stocare, iar apoi transferul de rând se realizează direct prin secțiunea de acumulare. Evident, pentru ca astfel de matrice să funcționeze, este necesar un obturator optic.

Calitatea matricelor CCD moderne este de așa natură încât sarcina rămâne practic neschimbată în timpul procesului de transfer.

În ciuda varietății aparente a camerelor de televiziune, matricele CCD utilizate în ele sunt practic aceleași, deoarece masa și producție pe scară largă Matricele CCD sunt produse doar de câteva companii. Acestea sunt SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Principalii parametri ai matricelor CCD sunt:

• dimensiunea în pixeli;
• dimensiunea fizică în inci (2/3, 1/2, 1/3 etc.). Mai mult decât atât, numerele în sine nu determină dimensiunea exactă a zonei sensibile, ci mai degrabă determină clasa dispozitivului;
• sensibilitate.

Rezoluția camerelor CCD.

Rezoluția camerelor CCD este determinată în principal de dimensiunea matricei CCD în pixeli și de calitatea lentilei. Într-o oarecare măsură, acest lucru poate fi influențat de electronica camerei (dacă este prost făcută, poate înrăutăți rezoluția, dar rareori fac ceva sincer rău în zilele noastre).

Este important să faceți o notă aici. În unele cazuri, filtrele spațiale de înaltă frecvență sunt instalate în camere pentru a îmbunătăți rezoluția aparentă. În acest caz, o imagine a unui obiect obținută de la o cameră mai mică poate apărea chiar mai clară decât o imagine a aceluiași obiect obținută în mod obiectiv de la o cameră mai bună. Desigur, acest lucru este acceptabil atunci când camera este utilizată în sisteme de supraveghere vizuală, dar este complet nepotrivit pentru construirea de sisteme de măsurare.

Rezoluția și formatul matricelor CCD.

În prezent, diverse companii produc matrice CCD acoperire cea mai largă gamă dimensiuni de la câteva sute la câteva mii. Așa a fost raportată o matrice cu dimensiunea de 10000x10000, iar acest mesaj a remarcat nu atât problema costului acestei matrice, cât problema stocării, procesării și transmiterii imaginilor rezultate. După cum știm, matricele cu dimensiuni de până la 2000x2000 sunt acum utilizate mai mult sau mai puțin pe scară largă.

Cele mai larg, sau mai precis, masiv utilizate matrice CCD ar trebui să includă cu siguranță matrici cu o rezoluție axată pe standard de televiziune. Acestea sunt matrice în principal de două formate:

• 512*576;
• 768*576.

Matricele 512*576 sunt de obicei folosite în sistemele de supraveghere video simple și ieftine.

Matricele 768*576 (uneori puțin mai mult, alteori puțin mai puțin) vă permit să obțineți rezolutie maxima pentru un semnal de televiziune standard. Mai mult decât atât, spre deosebire de matricele de format 512*576, acestea au un aranjament în grilă de elemente fotosensibile aproape de un pătrat și, prin urmare, rezoluție orizontală și verticală egală.

Adesea, producătorii de camere indică rezoluția în liniile de televiziune. Aceasta înseamnă că camera vă permite să vedeți N/2 linii verticale întunecate pe un fundal deschis, dispuse într-un pătrat înscris în câmpul imaginii, unde N este numărul declarat de linii de televiziune. În raport cu o masă de televiziune standard, aceasta presupune următoarele: prin selectarea distanței și focalizarea imaginii mesei, este necesar să se asigure că marginile superioare și inferioare ale imaginii mesei de pe monitor coincid cu conturul exterior al mesei, marcat de vârfurile prismelor alb-negru; apoi, după subfocalizarea finală, numărul se citește în locul panei verticale unde liniile verticale pentru prima dată încetează să se rezolve. Ultima remarcă este foarte importantă pentru că... iar în imaginea câmpurilor de testare ale unui tabel cu 600 sau mai multe linii sunt adesea vizibile dungi alternante, care, de fapt, sunt moiré formate prin bătaia frecvențelor spațiale ale liniilor tabelului și grila elementelor sensibile ale matricea CCD. Acest efect este deosebit de pronunțat la camerele cu filtre spațiale de înaltă frecvență (vezi mai sus)!

Aș dori să remarc că, toate celelalte lucruri fiind egale (acest lucru poate fi influențat în principal de obiectiv), rezoluția camerelor alb-negru este determinată în mod unic de dimensiunea matricei CCD. Deci o cameră în format 768*576 va avea o rezoluție de 576 de linii de televiziune, deși în unele prospecte puteți găsi o valoare de 550, iar în altele 600.

Obiectiv.

Dimensiunea fizică a celulelor CCD este parametrul principal care determină cerința pentru rezoluția lentilei. Un alt astfel de parametru poate fi cerința de a asigura funcționarea matricei în condiții de suprasarcină ușoară, care va fi discutată mai jos.

Pentru o matrice SONY ICX039 de 1/2 inch, dimensiunea pixelilor este de 8,6 µm*8,3 µm. Prin urmare, obiectivul trebuie să aibă o rezoluție mai bună decât:

1/8,3*10e-3= 120 de linii (60 de perechi de linii pe milimetru).

Pentru lentilele realizate pentru matrice de 1/3-inch, această valoare ar trebui să fie și mai mare, deși acest lucru, destul de ciudat, nu afectează costul și un astfel de parametru precum diafragma, deoarece aceste lentile sunt realizate ținând cont de necesitatea formării unei imagini. pe un câmp mai mic sensibil la lumină al matricei. De asemenea, rezultă că lentilele pentru matrice mai mici nu sunt potrivite pentru matrice mari din cauza caracteristicilor care se deteriorează semnificativ la marginile matricelor mari. În același timp, lentilele pentru senzori mari pot limita rezoluția imaginilor obținute de la senzori mai mici.

Din păcate, cu toată abundența modernă de lentile pentru camerele de televiziune, este foarte greu să obții informații despre rezoluția acestora.

În general, nu selectăm adesea lentile, deoarece aproape toți Clienții noștri instalează sisteme video pe optice existente: microscoape, telescoape etc., astfel încât informațiile noastre despre piața lentilelor sunt de natura notelor. Putem spune doar că rezoluția obiectivelor simple și ieftine este în intervalul 50-60 de perechi de linii pe mm, ceea ce în general nu este suficient.

Pe de altă parte, avem informații că lentilele speciale produse de Zeiss cu o rezoluție de 100-120 de perechi de linii pe mm costă mai mult de 1000 USD.

Deci, atunci când cumpărați un obiectiv, este necesar să efectuați teste preliminare. Trebuie să spun că majoritatea vânzătorilor din Moscova furnizează lentile pentru testare. Aici este din nou adecvat să ne amintim efectul moire, a cărui prezență, așa cum sa menționat mai sus, poate induce în eroare în ceea ce privește rezoluția matricei. Deci, prezența moireului în imaginea secțiunilor tabelului cu linii de peste 600 de linii de televiziune în raport cu obiectivul indică o anumită rezervă a rezoluției acestuia din urmă, care, desigur, nu doare.

Încă un lucru poate nota importanta pentru cei interesați de măsurători geometrice. Toate lentilele au distorsiuni într-un grad sau altul (distorsiune în formă de pernuță a geometriei imaginii), iar cu cât obiectivul este mai scurt, cu atât aceste distorsiuni sunt, de regulă, mai mari. În opinia noastră, obiectivele cu distanțe focale mai mari de 8-12 mm au o distorsiune acceptabilă pentru camerele de 1/3" și 1/2". Deși nivelul de „acceptabilitate”, desigur, depinde de sarcinile pe care trebuie să le rezolve camera de televiziune.

Rezoluția controlerelor de intrare a imaginii

Rezoluția controlerelor de intrare a imaginii trebuie înțeleasă ca frecvența de conversie a convertorului analog-digital (ADC) al controlerului, ale cărui date sunt apoi înregistrate în memoria controlerului. Evident, există o limită rezonabilă pentru creșterea frecvenței de digitizare. Pentru dispozitivele care au o structură continuă a stratului fotosensibil, de exemplu vidicon-urile, frecvența optimă de digitizare este egală cu de două ori frecvența superioară a semnalului util al vidicon-ului.

Spre deosebire de astfel de detectoare de lumină, matricele CCD au o topologie discretă, astfel încât frecvența optimă de digitalizare pentru acestea este determinată ca frecvența de deplasare a registrului de ieșire al matricei. În acest caz, este important ca ADC-ul controlerului să funcționeze sincron cu registrul de ieșire al matricei CCD. Numai în acest caz se poate realiza cea mai buna calitate transformări atât din punctul de vedere al asigurării geometriei „rigide” a imaginilor rezultate, cât și din punctul de vedere al minimizării zgomotului din impulsurile de ceas și procesele tranzitorii.

Sensibilitatea camerelor CCD

Din 1994, folosim camere cu card SONY bazate pe matricea CCD ICX039 în dispozitivele noastre. ÎN descriere SONY Acest dispozitiv este specificat a avea o sensibilitate de 0,25 lux pe un obiect cu o deschidere a obiectivului de 1,4. Am întâlnit deja de câteva ori camere cu parametri similari (dimensiune 1/2 inch, rezoluție 752*576) și cu o sensibilitate declarată de 10 sau chiar de 100 de ori mai mare decât cea a „nostru” SONY.

Am verificat aceste numere de mai multe ori. În cele mai multe cazuri, în camerele de la diferite companii, am găsit aceeași matrice CCD ICX039. Mai mult decât atât, toate microcircuitele „de conducte” au fost, de asemenea, fabricate de SONY. Și testele comparative au arătat identitatea aproape completă a tuturor acestor camere. Deci care este întrebarea?

Și întreaga întrebare este la ce raport semnal-zgomot (s/n) este determinată sensibilitatea. În cazul nostru, compania SONY a arătat cu conștiință sensibilitate la s/n = 46 dB, în timp ce alte companii fie nu au indicat acest lucru, fie au indicat-o în așa fel încât nu este clar în ce condiții au fost făcute aceste măsurători.

Acesta este, în general, un flagel comun al majorității producătorilor de camere - nespecificând condițiile pentru măsurarea parametrilor camerei.

Faptul este că, pe măsură ce cerința pentru raportul S/N scade, sensibilitatea camerei crește invers proporțional cu pătratul raportului S/N necesar:

Unde:
I - sensibilitate;
K - factor de conversie;
raportul s/n - s/n în unități liniare,

Prin urmare, multe companii sunt tentate să indice sensibilitatea camerei la un raport S/N scăzut.

Putem spune că capacitatea matricelor de a „vedea” mai bine sau mai rău este determinată de numărul de sarcini convertite de la fotonii incidenti pe suprafața sa și de calitatea livrării acestor încărcături la ieșire. Cantitatea de încărcături acumulate depinde de zona elementului fotosensibil și de eficiența cuantică a matricei CCD, iar calitatea transportului este determinată de mulți factori, care adesea se reduc la un singur lucru - zgomotul de citire. Zgomotul de citire pentru matricele moderne este de ordinul a 10-30 de electroni sau chiar mai puțin!

Zonele elementelor matricelor CCD sunt diferite, dar valoarea tipică pentru matricele de 1/2 inch pentru camerele de televiziune este de 8,5 µm * 8,5 µm. O creștere a dimensiunii elementelor duce la o creștere a dimensiunii matricelor în sine, ceea ce crește costul acestora nu atât din cauza creșterii efective a prețului de producție, cât din cauza faptului că producția în serie a unor astfel de dispozitive este cu câteva ordine de mărime mai mici. În plus, zona zonei fotosensibile este afectată de topologia matricei în măsura în care procentul din suprafața totală a cristalului este ocupat de zona sensibilă (factor de umplere). În unele matrice speciale, factorul de umplere este de 100%.

Eficiența cuantică (cât de mult se modifică în medie sarcina unei celule sensibile în electroni când un foton cade pe suprafața sa) pentru matricele moderne este de 0,4-0,6 (pentru unele matrice fără anti-înflorire ajunge la 0,85).

Astfel, se poate observa că sensibilitatea camerelor CCD, legată de o anumită valoare s/sh, s-a apropiat de limita fizică. Conform concluziei noastre, valorile tipice ale sensibilității camerelor pentru uz general la s/w = 46 se află în intervalul 0,15-0,25 lux de iluminare a obiectului cu o deschidere a obiectivului de 1,4.

În acest sens, nu recomandăm să ai încredere orboasă în cifrele de sensibilitate indicate în descrierile camerelor de televiziune, mai ales când nu sunt date condițiile pentru determinarea acestui parametru și, dacă vezi în pașaportul unei camere care costă până la 500 USD o sensibilitate de 0,01-0,001 lux în modul de televiziune, atunci înainte de a fi un exemplu de, pentru a spune ușor, informații incorecte.

Despre modalități de a crește sensibilitatea camerelor CCD

Ce faci dacă trebuie să imaginezi un obiect foarte slab, cum ar fi o galaxie îndepărtată?

O modalitate de a rezolva acest lucru este acumularea imaginilor în timp. Implementarea acestei metode poate crește semnificativ sensibilitatea CCD. Desigur, această metodă poate fi aplicată obiectelor staționare de observație sau în cazurile în care mișcarea poate fi compensată, așa cum se face în astronomie.

Fig1 Nebuloasa planetara M57.

Telescop: 60 cm, expunere - 20 sec., temperatura în timpul expunerii - 20 C.
În centrul nebuloasei se află un obiect stelar cu magnitudinea 15.
Imaginea a fost obținută de V. Amirkhanyan la Observatorul Special de Astrofizică al Academiei Ruse de Științe.

Se poate afirma cu o acuratețe rezonabilă că sensibilitatea camerelor CCD este direct proporțională cu timpul de expunere.

De exemplu, sensibilitatea la o viteză a obturatorului de 1 secundă față de 1/50s inițial va crește de 50 de ori, adică. va fi mai bine - 0,005 lux.

Desigur, există probleme pe această cale și acesta este, în primul rând, curentul întunecat al matricelor, care aduce sarcini care se acumulează simultan cu semnalul util. Curentul de întuneric este determinat, în primul rând, de tehnologia de fabricație a cristalului, în al doilea rând, de nivelul de tehnologie și, desigur, în foarte mare măsură de temperatura de funcționare a matricei în sine.

De obicei, pentru a realiza timpi mari de acumulare, de ordinul minutelor sau zecilor de minute, matricele sunt racite la minus 20-40 de grade. C. Problema răcirii matricelor la astfel de temperaturi a fost rezolvată, dar este pur și simplu imposibil de spus că acest lucru nu se poate face, deoarece există întotdeauna probleme de proiectare și operaționale asociate cu aburirea. sticla de protectieși degajarea de căldură din joncțiunea fierbinte a frigiderului termoelectric.

În același timp, progresul tehnologic în producția de matrice CCD a afectat și un parametru precum curentul întunecat. Aici realizările sunt foarte semnificative și curentul întunecat al unor matrici moderne bune este foarte mic. Din experiența noastră, camerele fără răcire permit expunerea la temperatura camerei în decurs de zeci de secunde și cu compensarea fundalului întunecat de până la câteva minute. Ca exemplu, iată o fotografie a nebuloasei planetare M57, obținută cu sistemul video VS-a-tandem-56/2 fără răcire cu o expunere de 20 s.

A doua modalitate de a crește sensibilitatea este utilizarea convertoarelor electron-optice (EOC). Amplificatoarele de imagine sunt dispozitive care sporesc fluxul luminos. Amplificatoarele moderne de imagine pot avea valori de câștig foarte mari, totuși, fără a intra în detalii, putem spune că utilizarea intensificatoarelor de imagine nu poate decât să îmbunătățească sensibilitatea pragului camerei și, prin urmare, câștigul acestuia nu trebuie făcut prea mare.

Sensibilitatea spectrală a camerelor CCD

Fig.2 Caracteristicile spectrale ale diferitelor matrici

Pentru unele aplicații, sensibilitatea spectrală a CCD este un factor important. Deoarece toate CCD-urile sunt realizate pe baza de siliciu, în forma lor „golă” sensibilitatea spectrală a CCD corespunde acestui parametru de siliciu (vezi Fig. 2).

După cum puteți vedea, cu toată varietatea de caracteristici, matricele CCD au sensibilitate maximă în domeniul roșu și în infraroșu apropiat (IR) și nu văd absolut nimic în partea albastru-violet a spectrului. Sensibilitatea aproape IR a CCD-urilor este utilizată în sistemele de supraveghere ascunse iluminate de surse de lumină IR, precum și atunci când se măsoară câmpurile termice ale obiectelor cu temperatură ridicată.

Orez. 3 Caracteristici spectrale tipice ale matricelor alb-negru SONY.

SONY produce toate matricele sale alb-negru cu următoarele caracteristici spectrale (vezi Fig. 3). După cum puteți vedea din această figură, sensibilitatea CCD în IR apropiat este semnificativ redusă, dar matricea a început să perceapă regiunea albastră a spectrului.

Pentru diverse scopuri speciale, sunt dezvoltate matrici sensibile în domeniul ultraviolet și chiar în raze X. De obicei, aceste dispozitive sunt unice și prețul lor este destul de mare.

Despre scanarea progresivă și întrețesată

Standard semnal de televiziune, a fost dezvoltat pentru un sistem de televiziune de difuzare, iar din punctul de vedere al sistemelor moderne de intrare și procesare a imaginii are un mare dezavantaj. Deși semnalul TV conține 625 de linii (dintre care aproximativ 576 conțin informații video), sunt afișate secvențial 2 jumătăți de cadru, constând din linii pare (semi-cadru par) și linii impare (semi-cadru impar). Acest lucru duce la faptul că, dacă este introdusă o imagine în mișcare, atunci analiza nu poate utiliza o rezoluție Y mai mare decât numărul de linii dintr-o jumătate de cadru (288). În plus, în sistemele moderne, atunci când o imagine este redată monitorul computerului(care are scanare progresivă), imaginea introdusă de la o cameră întrețesată în timp ce obiectul de observație este în mișcare provoacă un efect vizual neplăcut de dublare.

Toate metodele de combatere a acestui neajuns duc la o deteriorare a rezoluției verticale. Singura modalitate de a depăși acest dezavantaj și de a obține o rezoluție care se potrivește cu rezoluția CCD-ului este trecerea la scanarea progresivă în CCD. Producătorii de CCD produc astfel de matrici, dar din cauza volumului redus de producție, prețul unor astfel de matrici și camere este mult mai mare decât cel al celor convenționale. De exemplu, prețul unei matrice SONY cu scanare progresivă ICX074 este de 3 ori mai mare decât ICX039 (scanare intercalată).

Alte opțiuni pentru cameră

Acestea includ un astfel de parametru precum „înflorirea”, adică. răspândirea sarcinii pe suprafața matricei atunci când elementele sale individuale sunt supraexpuse. În practică, un astfel de caz poate apărea, de exemplu, la observarea obiectelor cu strălucire. Acesta este un efect destul de neplăcut al CCD-urilor, deoarece câteva puncte luminoase pot distorsiona întreaga imagine. Din fericire, mulți matrici moderne conțin dispozitive anti-înflorire. Așadar, în descrierile unora dintre cele mai recente matrice SONY, am găsit 2000, care caracterizează supraîncărcarea ușoară permisă a celulelor individuale, ceea ce nu duce încă la răspândirea sarcinii. Este suficient valoare mare, mai ales că acest rezultat poate fi atins, după cum ne-a arătat experiența, doar cu reglaje speciale ale driverelor care controlează direct matricea și canalul de preamplificare a semnalului video. În plus, obiectivul își aduce, de asemenea, contribuția la „împrăștierea” punctelor luminoase, deoarece cu supraîncărcări de lumină atât de mari, chiar și împrăștierea mică dincolo de punctul principal oferă un suport de lumină vizibil pentru elementele învecinate.

De asemenea, este necesar să remarcăm aici că, conform unor date, pe care nu le-am verificat noi înșine, matricele cu anti-înflorire au o eficiență cuantică de 2 ori mai mică decât matricele fără anti-înflorire. În acest sens, în sistemele care necesită o sensibilitate foarte mare, poate avea sens să se utilizeze matrice fără anti-înflorire (de obicei acestea sunt sarcini speciale precum cele astronomice).

Despre camerele color

Materialele din această secțiune depășesc oarecum sfera de aplicare a sistemelor de măsurare pe care le-am stabilit, totuși, utilizarea pe scară largă a camerelor color (chiar mai mult decât alb-negru) ne obligă să clarificăm această problemă, mai ales că Clienții încearcă adesea să folosească camere alb-negru cu camerele noastre de televiziune color cu dispozitive de captare a cadrelor albe și sunt foarte surprinși când găsesc unele pete în imaginile rezultate, iar rezoluția imaginilor se dovedește a fi insuficientă. Să explicăm ce se întâmplă aici.

Există 2 moduri de a genera un semnal de culoare:

• 1. utilizarea unei singure camere matrice.
• 2. utilizarea unui sistem de 3 matrice CCD cu un cap de separare a culorilor pentru a obține componentele R, G, B ale semnalului de culoare pe aceste matrici.

A doua modalitate oferă cea mai bună calitate și doar îți permite să obții sisteme de măsurare, cu toate acestea, camerele care funcționează pe acest principiu sunt destul de scumpe (mai mult de 3000 USD).

În cele mai multe cazuri, sunt folosite camere CCD cu un singur cip. Să ne uităm la principiul lor de funcționare.

După cum reiese din caracteristicile spectrale destul de largi ale matricei CCD, aceasta nu poate determina „culoarea” unui foton care lovește suprafața. Prin urmare, pentru a introduce o imagine color, în fața fiecărui element al matricei CCD este instalat un filtru de lumină. În acest caz, numărul total de elemente ale matricei rămâne același. SONY, de exemplu, produce exact aceleași matrici CCD pentru versiunile alb-negru și color, care diferă doar prin prezența unei grile de filtre de lumină în matricea de culoare, aplicate direct pe zonele sensibile. Există mai multe scheme de colorare a matricei. Iată una dintre ele.

Aici sunt utilizate 4 filtre diferite (vezi Fig. 4 și Fig. 5).

Figura 4. Distribuția filtrelor pe elementele matricei CCD

Figura 5. Sensibilitatea spectrală a elementelor CCD cu diverse filtre.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

În linia A1 semnalul de diferență de culoare „roșu” se obține astfel:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

iar pe linia A2 se obține un semnal de diferență de culoare „albastru”:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Din aceasta rezultă clar că rezoluția spațială a unei matrice CCD color, în comparație cu aceeași matrice alb-negru, este de obicei de 1,3-1,5 ori mai slabă pe orizontală și pe verticală. Datorită utilizării filtrelor, sensibilitatea unui CCD color este, de asemenea, mai slabă decât cea a unuia alb-negru. Astfel, putem spune că dacă aveți un receptor cu o singură matrice 1000 * 800, atunci puteți obține de fapt aproximativ 700 * 550 pentru semnalul de luminozitate și 500 * 400 (700 * 400 este posibil) pentru semnalul de culoare.

Luând o pauză de la probleme tehnice Aș dori să observ că, în scopuri publicitare, mulți producători de camere electronice raportează date complet de neînțeles despre echipamentele lor. De exemplu, compania Kodak anunță rezoluția camerei sale electronice DC120 ca 1200*1000 cu o matrice de 850x984 pixeli. Dar domnilor, informațiile nu apar de nicăieri, deși vizual arată bine!

Se poate spune că rezoluția spațială a unui semnal de culoare (un semnal care transportă informații despre culoarea imaginii) este de cel puțin 2 ori mai slabă decât rezoluția unui semnal alb-negru. În plus, culoarea „calculată” a pixelului de ieșire nu este culoarea elementului corespunzător al imaginii sursă, ci doar rezultatul procesării luminozității diferitelor elemente ale imaginii sursă. Aproximativ vorbind, din cauza diferenței puternice de luminozitate a elementelor învecinate ale unui obiect, poate fi calculată o culoare care nu există deloc, în timp ce o ușoară schimbare a camerei va duce la o schimbare bruscă a culorii de ieșire. De exemplu: granița unui câmp întunecat și luminos gri va arăta ca și cum ar fi format din pătrate multicolore.

Toate aceste considerații se referă doar la principiul fizic al obținerii de informații asupra matricelor CCD color, în timp ce trebuie avut în vedere că de obicei semnalul video la ieșirea camerelor color este prezentat într-unul dintre formatele standard PAL, NTSC sau mai rar. S-video.

Lucrul bun despre formatele PAL și NTSC este că pot fi redate imediat monitoare standard cu o intrare video, dar trebuie să ne amintim că aceste standarde prevăd o bandă semnificativ mai îngustă pentru semnalul de culoare, deci este mai corect să vorbim aici despre o imagine colorată mai degrabă decât despre o imagine color. O altă caracteristică neplăcută a camerelor cu semnale video care poartă o componentă de culoare este apariția dungilor menționate mai sus în imaginea obținută de dispozitivele de captare de cadre alb-negru. Iar ideea aici este că semnalul de crominanță este situat aproape în mijlocul benzii de semnal video, creând interferențe la intrarea într-un cadru de imagine. Nu vedem această interferență pe un monitor de televiziune, deoarece faza acestei „interferențe” se schimbă în sens invers după patru cadre și este mediată de ochi. De aici nedumerirea Clientului, care primește o imagine cu interferență pe care nu o vede.

Rezultă de aici că, dacă trebuie să efectuați unele măsurători sau să descifrați obiecte după culoare, atunci această problemă trebuie abordată ținând cont atât de cele de mai sus, cât și de alte caracteristici ale sarcinii dumneavoastră.

Despre matricele CMOS

În lumea electronicii, totul se schimbă foarte repede și, deși domeniul fotodetectorilor este unul dintre cele mai conservatoare, noi tehnologii s-au apropiat de aici recent. În primul rând, aceasta se referă la apariția matricelor de televiziune CMOS.

Într-adevăr, siliciul este un element sensibil la lumină și orice produs semiconductor poate fi folosit ca senzor. Utilizare Tehnologia CMOS oferă câteva avantaje evidente față de cel tradițional.

În primul rând, tehnologia CMOS este bine stăpânită și permite producerea de elemente cu un randament ridicat de produse utile.

În al doilea rând, tehnologia CMOS vă permite să plasați pe matrice, pe lângă zona fotosensibilă, diverse dispozitive de încadrare (până la ADC), care au fost instalate anterior „în exterior”. Acest lucru face posibilă producerea camerelor cu ieșire digitală „pe un singur cip”.

Datorită acestor avantaje, devine posibil să se producă camere de televiziune semnificativ mai ieftine. În plus, gama de companii producătoare de matrice se extinde semnificativ.

În acest moment, producția de matrice de televiziune și camere folosind tehnologia CMOS abia începe. Informațiile despre parametrii unor astfel de dispozitive sunt foarte puține. Nu putem decât să remarcăm că parametrii acestor matrici nu depășesc ceea ce se realizează în prezent în ceea ce privește prețul, avantajele lor sunt incontestabile;

Permiteți-mi să dau ca exemplu o cameră color cu un singur cip de la Photobit PB-159. Camera este realizată pe un singur cip și are următorii parametri tehnici:

• rezoluție - 512*384;
• dimensiunea pixelilor - 7,9 µm*7,9 µm;
• sensibilitate - 1 lux;
• ieșire - SRGB digital de 8 biți;
• corp - 44 picioare PLCC.

Astfel, camera pierde de patru ori din sensibilitate, in plus, din informatiile de pe o alta camera este clar ca aceasta tehnologie are probleme cu un curent intunecat relativ mare.

Despre camerele digitale

Recent, un nou segment de piață a apărut și crește rapid folosind CCD și Matrice CMOS s - camere digitale. Mai mult, în prezent există o creștere bruscă a calității acestor produse, simultan cu o scădere bruscă a prețului. Într-adevăr, în urmă cu doar 2 ani, o matrice cu o rezoluție de 1024*1024 costa doar aproximativ 3000-7000 USD, dar acum camerele cu astfel de matrici și o grămadă de clopote și fluiere (ecran LCD, memorie, lentilă variabilă, corp convenabil etc. .) poate fi cumpărat cu mai puțin de 1000 USD. Acest lucru poate fi explicat doar prin trecerea la producția pe scară largă de matrice.

Deoarece aceste camere se bazează pe matrice CCD și CMOS, toate discuțiile din acest articol despre sensibilitate și principiile formării semnalului de culoare sunt valabile pentru ele.

În loc de o concluzie

Experiența practică pe care am acumulat-o ne permite să tragem următoarele concluzii:

• Tehnologia de producție a matricelor CCD în ceea ce privește sensibilitatea și zgomotul este foarte aproape de limitele fizice;
• pe piata camerelor de televiziune gasesti camere calitate acceptabilă, deși pot fi necesare ajustări pentru a obține parametri mai mari;
• Nu vă lăsați păcăliți de cifrele de sensibilitate ridicate date în broșurile camerei;
• Și totuși, prețurile pentru camerele care sunt absolut identice în calitate și chiar și pentru camerele pur și simplu identice de la diferiți vânzători pot diferi de mai mult de două ori!

Matricea este principalul element structural al camerei și unul dintre parametrii cheie luați în considerare de utilizator atunci când alege o cameră. Matricele camerelor digitale moderne pot fi clasificate după mai multe semne, dar principalul și cel mai comun este încă împărțirea matricelor în funcție de metoda de citire a încărcăturii, pe: matrice CCD tip și CMOS matrici. În acest articol ne vom uita la principiile de funcționare, precum și la avantajele și dezavantajele acestor două tipuri de matrice, deoarece acestea sunt cele care sunt utilizate pe scară largă în echipamentele fotografice și video moderne.

matricea CCD

Matrice CCD numit si matricea CCD(Dispozitive cuplate de încărcare). CCD matricea este o placă dreptunghiulară de elemente fotosensibile (fotodiode) situată pe un cristal de siliciu semiconductor. Principiul funcționării sale se bazează pe mișcarea linie cu linie a sarcinilor care s-au acumulat în găurile formate de fotonii din atomii de siliciu. Adică, la ciocnirea cu o fotodiodă, un foton de lumină este absorbit și un electron este eliberat (are loc un efect fotoelectric intern). Ca rezultat, se formează o încărcare care trebuie să fie într-un fel stocată pentru procesare ulterioară. În acest scop, în substratul de siliciu al matricei este construit un semiconductor, deasupra căruia se află un electrod transparent din siliciu policristalin. Și ca urmare a aplicării unui potențial electric acestui electrod, se formează un așa-numit puț de potențial în zona de epuizare de sub semiconductor, în care este stocată sarcina primită de la fotoni. La citirea din matrice sarcina electrica Sarcinile (depozitate în puțurile de potențial) sunt transferate de-a lungul electrozilor de transfer la marginea matricei (registru de deplasare în serie) și către amplificator, care amplifică semnalul și îl transmite la un convertor analog-digital (ADC), de unde semnalul convertit este trimis procesorului, care procesează semnalul și salvează imaginea rezultată pe un card de memorie .

Fotodiodele din polisiliciu sunt folosite pentru a face matrice CCD. Astfel de matrici sunt de dimensiuni mici și permit obținerea suficiente fotografii de înaltă calitate când fotografiați în lumină normală.

Avantajele CCD-urilor:

1. Designul matricei prevede densitate mare plasarea fotocelulelor (pixeli) pe substrat;
2. Eficiență ridicată (raportul dintre fotonii detectați și lor număr total, este de aproximativ 95%);
3. Sensibilitate ridicată;
4. Redare bună a culorilor (cu iluminare suficientă).

Dezavantajele CCD-urilor:

1. Nivel ridicat de zgomot la ISO ridicat (la ISO scăzut, nivelul de zgomot este moderat);
2. Viteză mică lucru în comparație cu matricele CMOS;
3. Consum mare de energie;
4. Mai mult tehnologie complexă citirea semnalului, deoarece sunt necesare multe cipuri de control;
5. Producția este mai scumpă decât matricele CMOS.

matrice CMOS

Matrice CMOS, sau matrice CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) utilizează senzori de punct activ. Spre deosebire de CCD, senzorii CMOS conțin un tranzistor separat în fiecare element sensibil la lumină (pixel), drept urmare conversia de încărcare se realizează direct în pixel. Încărcarea rezultată poate fi citită de la fiecare pixel în mod individual, eliminând necesitatea transferului de încărcare (cum se întâmplă cu CCD-urile). Pixelii senzorului CMOS sunt integrați direct cu convertor analog-digital sau chiar cu un procesor. Ca urmare a utilizării unei astfel de tehnologii raționale, se produc economii de energie datorită reducerii lanțurilor de acțiuni în comparație cu matrici CCD, precum și reducerea costului dispozitivului datorită unui design mai simplu.

Scurt principiu de funcționare al unui senzor CMOS: 1) Înainte de fotografiere, un semnal de resetare este aplicat tranzistorului de resetare. 2) În timpul expunerii, lumina pătrunde prin lentilă și se filtrează către fotodiodă și, ca urmare a fotosintezei, în puțul de potențial se acumulează o sarcină. 3) Se citește valoarea tensiunii primite. 4) Procesarea datelor și salvarea imaginilor.

Avantajele senzorilor CMOS:

1. Consum redus de energie (mai ales în modurile de așteptare);
2. Performanță ridicată;
3. Necesită costuri de producție mai mici datorită asemănării tehnologiei cu producția de microcircuite;
4. Unitatea tehnologiei cu alte elemente digitale, care vă permite să combinați părți analogice, digitale și de procesare pe un singur cip (adică, pe lângă captarea luminii într-un pixel, puteți converti, procesa și șterge semnalul de zgomot).
5. Posibilitatea de acces aleatoriu la fiecare pixel sau grup de pixeli, ceea ce vă permite să reduceți dimensiunea imaginii capturate și să creșteți viteza de citire.

Dezavantajele matricelor CMOS:

1. Fotodioda ocupă o zonă mică de pixeli, rezultând o sensibilitate scăzută la lumină a matricei, dar în matricele CMOS moderne acest dezavantaj a fost practic eliminat;
2. Prezența zgomotului termic de la încălzirea tranzistorilor în interiorul pixelului în timpul procesului de citire.
3. Relativ dimensiuni mari, echipamentul foto cu acest tip de matrice este diferit greutate mare si dimensiuni.

Pe lângă tipurile de mai sus, există și matrici cu trei straturi, fiecare strat fiind un CCD. Diferența este că celulele pot percepe simultan trei culori, care sunt formate din prisme dicroice atunci când un fascicul de lumină le lovește. Fiecare fascicul este apoi direcționat către o matrice separată. Ca urmare, luminozitatea culorilor albastru, roșu și verde este determinată imediat pe fotocelula. Matricele cu trei straturi sunt utilizate în camerele video nivel înalt care au denumire specială - 3CCD.

Pentru a rezuma, aș dori să remarc că odată cu dezvoltarea tehnologiilor pentru producerea matricelor CCD și CMOS, caracteristicile acestora se schimbă și ele, așa că este din ce în ce mai greu de spus care dintre matrice este cu siguranță mai bună, dar în același timp în ultima vreme Matricele CMOS devin din ce în ce mai populare în producția de camere SLR. Pe baza trăsăturilor caracteristice diverse tipuri matrice, vă puteți face o idee clară de ce echipament fotografic profesional care oferă calitate superioară filmare, destul de voluminoasă și grea. Aceste informații ar trebui cu siguranță reținute atunci când alegeți o cameră - adică luați în considerare dimensiuni fizice matrice, nu numărul de pixeli.

matricea CCD(prescurtat din " n ribor cu h aryadova Cu ligatură") sau matricea CCD(abreviat din engleză CCD, „Charge-Coupled Device”) - analog specializat circuit integrat, constând din fotosensibile fotodiode, realizat pe baza siliciu folosind tehnologia CCD- dispozitive cu cuplaj de încărcare.

Matricele CCD sunt produse și utilizate în mod activ de companii Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips si multi altii. În Rusia, matricele CCD sunt astăzi dezvoltate și produse de NPP ELAR CJSC, St. Petersburg.

1 Istoria CCD 2 Structura generală și principiul de funcționare 2.1 Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n 3 Clasificare prin metoda tamponării 3.1 Senzori de transfer full frame 3.2 Matrici cu cadru tampon 3.3 Matrici cu tampon de coloană 4 Clasificare după tipul de măturare 4.1 Matrice pentru camere video 5 Dimensiunile matricelor fotografice 6 Unele tipuri speciale matrici 6.1 Rigle fotosensibile 6.2 Senzori de coordonate și unghi 6.3 Matrici retro-iluminate 7 Fotosensibilitate 8 Vezi de asemenea 9 Note

Istoria CCD

Dispozitivul cuplat cu încărcare a fost inventat în 1969 Willard BoyleŞi George Smith la Laboratoarele Bell (AT&T Laboratoarele Bell). Laboratoarele lucrau la video telefonie ( engleză imagine telefon) și dezvoltarea „memoriei cu bule semiconductoare” ( engleză semiconductor bule memorie ). Dispozitivele cuplate cu încărcare și-au început viața ca dispozitive de memorie în care o încărcare putea fi plasată doar în registrul de intrare al dispozitivului. Cu toate acestea, capacitatea elementului de memorie al dispozitivului de a primi o taxă datorită efect fotoelectric a făcut ca această aplicație a dispozitivelor CCD să fie cea principală.

ÎN 1970 cercetători Laboratoarele Bell a învățat să capteze imagini folosind dispozitive liniare simple.

Ulterior, sub conducerea lui Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama) companie Sony s-a implicat activ în CCD-uri, investind masiv în ele și a reușit să producă în masă CCD-uri pentru camerele sale video.

Iwama a murit în august 1982. Chip CCD a fost pus pe piatra funerară a lui pentru a comemora contribuțiile sale.

În ianuarie 2006 pentru lucrul la CCD W. BoyleŞi J. Smith au fost premiate Academia Națională de Inginerie din SUA (engleză Naţional Academie de Inginerie).

ÎN 2009 aceşti creatori CCD au fost premiaţi Premiul Nobel pentru Fizică.

Structura generală și principiul de funcționare

Matricea CCD este formată din polisiliciu, separat de substratul de siliciu, în care, atunci când se aplică tensiune prin porți din polisiliciu, potențialele electrice din vecinătate se modifică electrozi.

Înainte de expunere, de obicei prin aplicarea unei anumite combinații de tensiuni la electrozi, toate sarcinile formate anterior sunt resetate și toate elementele sunt aduse într-o stare identică.

În continuare, combinația de tensiuni pe electrozi creează un puț de potențial în care se pot acumula electronii formați într-un anumit pixel al matricei ca urmare a expunerii la lumină în timpul expunerii. Cu cât fluxul luminos este mai intens în timpul expunere, cu atât se acumulează mai mult electroniiîntr-un put potențial, în consecință, cu atât sarcina finală a unui dat este mai mare pixel.

După expunere, modificările succesive ale tensiunii pe electrozi formează o distribuție de potențial în fiecare pixel și alături de acesta, care duce la fluxul de sarcină într-o direcție dată, către elementele de ieșire ale matricei.

Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n

Producătorii au arhitecturi de pixeli diferite.

Diagrama subpixelilor unei matrice CCD cu un buzunar de tip n (folosind exemplul unui fotodetector roșu)

Simboluri pe diagrama subpixeli CCD:

1 - Fotonii luminii care trec prin obiectivul camerei;

2 - Microlens subpixel;

3 - R - filtru subpixel roșu, fragment filtru Bayer;

4 - Electrod transparent din policristalin siliciu sau oxid de staniu;

5 - Izolator (oxid de siliciu);

6 - Canal de siliciu de tip N. Zona de generare a purtătorului (zonă cu efect fotoelectric intern);

7 - Zona sondei de potențial (buzunar de tip n), unde sunt colectați electronii din zona de generare a purtătorului;

8 - substrat de siliciu de tip p;

Clasificare prin metoda tamponării

[Senzori de transfer full frame

Matrici cu cadru tampon

Matrici cu tampon de coloană

Dimensiunile matricelor fotografice

Senzori de coordonate și unghi

Matrici retro-iluminate

În circuitul clasic CCD, care utilizează electrozi de siliciu policristalin, sensibilitatea la lumină este limitată datorită împrăștierii parțiale a luminii de către suprafața electrodului. Prin urmare, atunci când fotografiați în condiții speciale care necesită o fotosensibilitate crescută în regiunile albastre și ultraviolete ale spectrului, se folosesc matrici retroiluminate ( engleză spate- iluminat matrice). La senzorii de acest tip, se înregistrează aprinde cade pe substrat, dar pentru efectul foto intern necesar, substratul este măcinat la o grosime de 10-15 µm. Această etapă de procesare a crescut semnificativ costul matricei, dispozitivele s-au dovedit a fi foarte fragile și au necesitat îngrijire sporită în timpul asamblarii și al funcționării. Și atunci când folosiți filtre care slăbesc fluxul de lumină, toate operațiunile costisitoare de creștere a sensibilității devin lipsite de sens. Prin urmare, matricele retroiluminate sunt utilizate în principal în fotografie astronomică.

Fotosensibilitate

Sensibilitatea matricei constă în fotosensibilitatea tuturor ei senzori foto(pixeli) și, în general, depinde de:

fotosensibilitate integrală, care este raportul dintre cantitate efect fotoelectric La aprinde flux (în lumeni) de la o sursă de radiație cu compoziție spectrală normalizată;

fotosensibilitate monocromatică"- raportul de mărime efect fotoelectric la dimensiune aprinde energia radiației (în milielectronvolți) corespunzătoare unei anumite lungimi de undă;

set de toate valorile ISO monocromatice pentru piesa selectată spectru lumina este fotosensibilitatea spectrală- dependența fotosensibilității de lungimea de undă a luminii;

Convertoarele fotoelectrice în stare solidă (SPEC) ale imaginilor sunt analoge ale CRT-urilor de transmisie.

TFEC-urile datează din 1970, cu așa-numitele CCD și sunt formate pe baza celulelor individuale, care sunt condensatoare ale structurii MIS sau MOS. Una dintre plăcile unui astfel de condensator elementar este o peliculă metalică M, a doua este un substrat semiconductor P ( p- sau n-conductivitate), dielectricul D este un semiconductor depus sub forma unui strat subtire pe substratul P. Substratul P este siliciu dopat cu acceptor ( p-tip) sau donator ( n-tip) impuritate, iar ca D – oxid de siliciu SiO 2 (vezi Fig. 8.8).

Orez. 8.8. Condensator MOS

Orez. 8.9. Mișcarea sarcinilor sub influența unui câmp electric

Orez. 8.10. Principiul de funcționare al sistemului CCD trifazat

Orez. 8.11. Mișcarea sarcinilor într-un sistem CCD în două faze

Când se aplică tensiune unui electrod metalic, sub acesta se formează un „buzunar” sau un puț de potențial, în care purtătorii minoritari (în cazul nostru electroni) se pot „acumula”, iar purtătorii majoritari, găurile, vor fi respinși din M. La la o anumită distanță de suprafață, concentrația de purtători minoritari poate fi mai mare decât concentrația de purtători majori. În apropierea dielectricului D, în substratul P apare un strat de inversiune, în care tipul de conductivitate se schimbă în sens opus.

Pachetul de încărcare din CCD poate fi introdus electric sau folosind generarea de lumină. În timpul generării luminii, procesele fotoelectrice care au loc în siliciu vor duce la acumularea de purtători minoritari în puțurile potențiale. Sarcina acumulată este proporțională cu iluminarea și timpul de acumulare. Transferul direcțional al încărcăturii în CCD este realizat prin plasarea condensatoarelor MOS atât de aproape unul de celălalt încât regiunile lor de epuizare se suprapun și puțurile de potențial sunt conectate. În acest caz, taxa de telefonie mobilă a transportatorilor minoritari se va acumula în locul unde potențialul put este mai adânc.

Lasă o sarcină să se acumuleze sub electrod sub influența luminii U 1 (vezi Fig. 8.9). Dacă acum la electrodul adiacent U 2 aplicați tensiune U 2 >U 1, apoi va apărea o altă gaură potențială în apropiere, mai adâncă ( U 2 >U 1). Între ele va apărea o regiune de câmp electric, iar purtătorii minoritari (electroni) vor deriva (curge) într-un „buzunar” mai adânc (vezi Fig. 8.9). Pentru a elimina bidirecționalitatea în transferul sarcinilor, se utilizează o secvență de electrozi, combinați în grupuri de 3 electrozi (vezi Fig. 8.10).

Dacă, de exemplu, o sarcină s-a acumulat sub electrodul 4 și este necesar să o transferați la dreapta, atunci mai mult înaltă tensiune (U 2 >U 1) și sarcina curge către ea etc.

Aproape întregul set de electrozi este conectat la trei magistrale:

I – 1, 4, 7, …

II – 2, 5, 8, …

III – 3, 6, 9, …

În cazul nostru, tensiunea de „recepție” ( U 2) va fi pe electrozii 2 și 5, dar electrodul 2 este separat de electrodul 4, unde este stocată sarcina, de electrodul 3 (care

U 3 = 0), deci nu va exista nici un flux spre stânga.

Funcționarea CCD în trei cicluri implică prezența a trei electrozi (celule) per element de imagine TV, ceea ce reduce suprafața utilizabilă utilizată de fluxul luminos. Pentru a reduce numărul de celule CCD (electrozi), electrozi metalici și un strat dielectric sunt formați în formă în trepte (vezi Fig. 8.11). Acest lucru permite, atunci când pulsurile de tensiune sunt aplicate electrozilor, să se creeze puțuri de potențial de diferite adâncimi sub diferite părți ale electrozilor. Majoritatea sarcinilor din celula vecină curg în gaura mai adâncă.

Cu un sistem CCD cu două faze, numărul de electrozi (celule) din matrice este redus cu o treime, ceea ce are un efect benefic asupra citirii potențialului relief.

CCD-urile au fost propuse inițial pentru a fi utilizate în calcul ca dispozitive de stocare și registre de deplasare. La începutul lanțului s-a plasat o diodă de injecție, introducând o sarcină în sistem, iar la sfârșitul lanțului s-a instalat o diodă de ieșire, de obicei aceasta n-p- sau p-n- tranziții ale structurilor MOS care formează tranzistori cu efect de câmp cu primul și ultimul electrod (celule) ai unui lanț CCD.

Dar curând a devenit clar că CCD-urile sunt foarte sensibile la lumină și, prin urmare, sunt mai bune și mai eficiente de utilizat ca detectoare de lumină, mai degrabă decât ca dispozitive de stocare.

Dacă o matrice CCD este utilizată ca fotodetector, atunci acumularea de încărcare sub unul sau altul electrod poate fi efectuată folosind metoda optică (injecție de lumină). Putem spune că matricele CCD sunt în esență analoge fotosensibile registre de deplasare. Astăzi, CCD-urile nu sunt folosite ca dispozitive de stocare (dispozitive de memorie), ci doar ca fotodetectoare. Acestea sunt utilizate în aparate de fax, scanere (matrice CCD) și camere și camere video (matrice CCD). De obicei, camerele TV folosesc așa-numitele cipuri CCD.

Am presupus că 100% din taxe sunt transferate în buzunarul adiacent. Cu toate acestea, în practică trebuie să luăm în calcul pierderile. Una dintre sursele de pierderi sunt „capcanele” care pot captura și reține acuzații pentru o perioadă de timp. Aceste taxe nu au timp să curgă în buzunarul vecin dacă viteza de transmisie este mare.

Al doilea motiv este mecanismul de curgere în sine. În primul moment, transferul de sarcină are loc într-un câmp electric puternic - deriva în interior E. Cu toate acestea, pe măsură ce sarcinile curg, puterea câmpului scade și procesul de derive se estompează, astfel încât ultima porțiune se mișcă din cauza difuziei, de 100 de ori mai lent decât derivea. Așteptarea ultimei porțiuni înseamnă reducerea performanței. Drift asigură mai mult de 90% din transfer. Dar ultimul procent este cel mai important în determinarea pierderilor.

Fie coeficientul de transmisie al unui ciclu de transfer egal cu k= 0,99, presupunând că numărul de cicluri este egal N= 100, determinăm coeficientul total de transmisie:

0,99 100 = 0,366

Devine evident că, cu un număr mare de elemente, chiar și pierderi minore pe un element devin mare valoare pentru lanțul în ansamblu.

Prin urmare, problema reducerii numărului de transferuri de taxe în matricea CCD este deosebit de important. În acest sens, o matrice CCD cu două faze va avea un coeficient de transfer de sarcină puțin mai mare decât un sistem trifazat.

Introducere

În acest curs de lucru voi lua în considerare Informații generale despre dispozitivele cuplate la încărcare, parametrii, istoria creației, caracteristicile camerelor moderne cu infraroșu mediu CCD.

Ca urmare a finalizării lucrărilor de curs, am studiat literatura despre creație, principiul de funcționare, specificatii tehniceși utilizarea camerelor CCD mid-IR.

CCD. Principiul fizic al funcționării CCD. matricea CCD

Un dispozitiv de cuplare de sarcină (CCD) este o serie de structuri simple MIS (metal-dielectric-semiconductor) formate pe un substrat semiconductor comun, astfel încât benzile de electrozi metalici să formeze un sistem regulat liniar sau matricial în care distanța dintre adiacente electrozii este suficient de mic (Fig. 1). Această împrejurare determină faptul că factorul determinant în funcționarea dispozitivului este influența reciprocă a structurilor MIS învecinate.

Figura 1 - Structura CCD

Principalele scopuri funcționale ale CCD-urilor fotosensibile sunt conversia imaginilor optice într-o secvență de impulsuri electrice (formarea unui semnal video), precum și stocarea și procesarea informațiilor digitale și analogice.

CCD-urile sunt fabricate din siliciu monocristalin. Pentru a face acest lucru, pe suprafața unei plachete de siliciu este creată o peliculă dielectrică subțire (0,1-0,15 microni) de dioxid de siliciu prin oxidare termică. Acest proces este realizat în așa fel încât să asigure perfecțiunea interfeței semiconductor-dielectric și să minimizeze concentrația de centre de recombinare la interfață. Electrozii elementelor individuale MIS sunt fabricați din aluminiu, lungimea lor este de 3-7 microni, distanța dintre electrozi este de 0,2-3 microni. Numărul tipic de elemente MIS este de 500-2000 într-un CCD liniar și matricial; zona plăcii Sub electrozii cei mai exteriori ai fiecărui rând se realizează joncțiuni p-n, destinate introducerii și ieșirii porțiunilor de sarcini (pachete de încărcare) electrice. metoda (injectie prin jonctiune p-n). Cu fotovoltaic La introducerea pachetelor de încărcare, CCD-ul este iluminat din față sau din spate. Când este iluminat din față, pentru a evita efectul de umbrire al electrozilor, aluminiul este de obicei înlocuit cu filme de siliciu policristalin puternic dopat (polisiliciu), transparente în regiunile vizibile și aproape IR ale spectrului.

Principiul de funcționare al CCD

Principiul general de funcționare al CCD este următorul. Dacă se aplică o tensiune negativă oricărui electrod metalic al CCD, atunci sub acțiunea câmpului electric rezultat, electronii, care sunt principalii purtători ai substratului, se îndepărtează de suprafață adânc în semiconductor. În apropierea suprafeței se formează o regiune epuizată, care în diagrama energetică reprezintă un potențial put pentru purtătorii minoritari - găuri. Găurile care intră cumva în această regiune sunt atrase de interfața dielectric-semiconductor și sunt localizate într-un strat îngust aproape de suprafață.

Dacă o tensiune negativă de amplitudine mai mare este acum aplicată electrodului adiacent, se formează un puț de potențial mai adânc și găurile se deplasează în el. Prin aplicarea tensiunilor de control necesare la diverși electrozi CCD, este posibil să se asigure atât stocarea sarcinilor în anumite regiuni apropiate de suprafață, cât și mișcarea dirijată a sarcinilor de-a lungul suprafeței (de la structură la structură). Introducerea unui pachet de încărcare (scriere) poate fi realizată fie printr-o joncțiune p-n, situată, de exemplu, în apropierea elementului CCD cel mai exterior, fie prin generarea de lumină. Cel mai simplu mod de a elimina sarcina din sistem (citire) este, de asemenea, să utilizați o joncțiune p-n. Astfel, un CCD este un dispozitiv în care informatii externe(semnale electrice sau luminoase) este transformată în pachete de încărcare ale operatorilor de telefonie mobilă, într-un anumit fel plasate în regiuni apropiate de suprafață, iar prelucrarea informațiilor se realizează prin mișcarea controlată a acestor pachete de-a lungul suprafeței. Este evident că sistemele digitale și analogice pot fi construite pe baza CCD-urilor. Pentru sisteme digitale Tot ceea ce contează este prezența sau absența unei încărcături de găuri într-un anumit element CCD în procesarea analogică, ne ocupăm de mărimea sarcinilor în mișcare;

Dacă un flux de lumină care poartă o imagine este direcționat către un CCD cu mai multe elemente sau matrice, atunci fotogenerarea perechilor electron-gaură va începe în volumul semiconductorului. Odată ajuns în regiunea epuizată a CCD, purtătorii sunt separați și găurile se acumulează în puțurile potențiale (și cantitatea de încărcare acumulată este proporțională cu iluminarea locală). După un timp (de ordinul a câteva milisecunde), suficient pentru perceperea imaginii, în matricea CCD va fi stocat un model de pachete de încărcare corespunzător distribuției iluminării. Când impulsurile de ceas sunt pornite, pachetele de încărcare se vor muta către cititorul de ieșire, care le transformă în semnale electrice. Ca rezultat, ieșirea va fi o secvență de impulsuri cu amplitudini diferite, a căror anvelopă o dă semnalul video.

Principiul de funcționare al unui CCD este ilustrat în Figura 2 folosind exemplul unui fragment de linie FPCD controlat de un circuit cu trei cicluri (trifazate) În timpul ciclului I (percepție, acumulare și stocare a informațiilor video), așa -a sunat tensiunea de stocare Uxp, împingând purtătorii majoritari - găuri în cazul siliciului de tip p - în adâncurile semiconductorului și formând straturi de epuizare adânci de 0,5-2 μm - puțuri de potențial pentru electroni. Iluminarea suprafeței FPCD generează perechi electron-gauri în exces în volumul de siliciu, în timp ce electronii sunt atrași în godeuri de potențial și localizați într-un strat de suprafață subțire (0,01 μm) sub electrozii 1, 4, 7, formând pachete de încărcare de semnal.

cuplare încărcare cameră infraroșu

Figura 2 - diagrama funcționării unui dispozitiv trifazat cuplat cu sarcină - un registru de deplasare

Cantitatea de încărcare din fiecare pachet este proporțională cu expunerea suprafeței din apropierea unui electrod dat. În structurile MIS bine formate, sarcinile rezultate în apropierea electrozilor pot persista o perioadă relativ lungă de timp, dar treptat, datorită generării de purtători de sarcină de către centrii de impurități, defecte în vrac sau la interfață, aceste sarcini se vor acumula în potențial. puțurile până când depășesc încărcăturile de semnal și chiar umplu complet puțurile.

În timpul ciclului II (transfer de sarcină), electrozii 2, 5, 8 și așa mai departe se aplică o tensiune de citire mai mare decât tensiunea de stocare. Prin urmare, sub electrozii 2, 5 și 8 apar potențiale mai profunde. puțuri decât sub electronii 1, 4 și 7 și datorită apropierii electrozilor 1 și 2, 4 și 5, 7 și 8, barierele dintre ei dispar și electronii curg în puțurile de potențial învecinate, mai adânci.

În timpul ciclului III, tensiunea de pe electrozii 2, 5, 8 este redusă la și de la electrozii 1, 4, 7 este îndepărtată.

Că. toate pachetele de încărcare sunt transferate de-a lungul liniei CCD la pasul din dreapta, egal cu distantaîntre electrozii adiacenți.

Pe parcursul întregii operațiuni, se menține o tensiune de polarizare mică (1-3 V) pe electrozii care nu sunt conectați direct la potențiale, asigurându-se că întreaga suprafață a semiconductorului este epuizată de purtători de sarcină și efectele de recombinare asupra acestuia sunt slăbite.

Prin repetarea procesului de comutare a tensiunilor de mai multe ori, toate pachetele de încărcare excitate, de exemplu, de lumina dintr-o linie, sunt scoase succesiv prin joncțiunea r-h cea mai exterioară. În acest caz, în circuitul de ieșire apar impulsuri de tensiune proporționale cu cantitatea de încărcare a acestui pachet. Modelul de iluminare este transformat într-un relief de sarcină de suprafață, care, după ce se deplasează de-a lungul întregii linii, este convertit într-o secvență de impulsuri electrice. Cum număr mai mare elemente pe rând sau matrice (numărul 1 - receptoare IR; 2 - elemente tampon; 3 - CCD, are loc transferul incomplet al pachetului de încărcare de la un electrod la cel adiacent și se amplifică distorsiunea rezultată a informațiilor. Pentru a evita distorsiunea semnal video acumulat datorită iluminării care continuă în timpul transferului, pe cristalul FPCD creează zone separate spațial de percepție - acumulare și stocare - citire, iar în primele asigură fotosensibilitate maximă, iar cele din urmă, dimpotrivă, feresc de lumină. într-un FPCD liniar (Fig. 3, a) sarcinile acumulate în rândul 1 la un timp, sunt transferate în registrul 2 (din elementele pare) și în registrul 3 (din elementele impare). pentru a semnala circuitul de combinare 5, se acumulează un nou cadru video pe linia 1. transferul (Figura 3) informația percepută de matricea de acumulare 7 este rapid „deversată” în matricea de stocare 2, din care este citită secvențial de registrul CCD 3; în același timp, matricea 1 acumulează un nou cadru.

Figura 3 - acumularea și citirea informațiilor într-un dispozitiv liniar (a), matrice (b) fotosensibil cuplat la sarcină și într-un dispozitiv cu injecție de încărcare.

Cu excepția CCD cea mai simplă structură(Figura 1) s-au răspândit și alte soiuri, în special dispozitive cu electrozi suprapusi din polisiliciu (Figura 4), care asigură fotoexpunere activă pe întreaga suprafață a semiconductorului și un mic spațiu între electrozi și dispozitive cu asimetrie a proprietăților suprafeței ( de exemplu, un strat dielectric cu grosime variabilă - Figura 4), care funcționează în modul push-pull. Structura unui CCD cu un canal volumetric (Figura 4) format prin difuzia impurităților este fundamental diferită. Acumularea, stocarea și transferul de sarcină au loc în cea mai mare parte a semiconductorului, unde există mai puțină recombinare a centrelor decât la suprafață și o mobilitate mai mare a purtătorilor. Consecința acestui lucru este o creștere a valorii cu un ordin de mărime și o scădere în comparație cu toate tipurile de CCD-uri cu un canal de suprafață.

Figura 4 - Varietăți de dispozitive cuplate cu încărcare cu canale de suprafață și de volum.

Pentru a percepe imagini color, se utilizează una din două metode: împărțirea fluxului optic folosind o prismă în roșu, verde, albastru, percepând fiecare dintre ele cu un cristal FPCD special, amestecând impulsurile din toate cele trei cristale într-un singur semnal video; crearea pe suprafața FPCD a unei linii de film sau a unui filtru de lumină de codificare mozaic, formând un raster de triade multicolore.