Discuții despre camerele de televiziune. Ce este o matrice 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) în secțiunea de acumulare, se obține 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 linie 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 de camere de televiziune, matricele CCD utilizate în ele sunt practic aceleași, deoarece producția în masă și la scară largă de matrice CCD este realizată de doar 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 matrici CCD care acoperă o gamă largă de 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, matrice CCD utilizate în masă cu siguranță includ matrici cu o rezoluție orientată către standardul de televiziune. Acestea sunt matrice în principal de două formate:

• 512*576;
• 768*576.

Matricele 768*576 (uneori puțin mai mult, alteori puțin mai puțin) vă permit să obțineți rezoluția maximă pentru un semnal de televiziune standard. În același timp, 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 o notă, poate importantă pentru cei care sunt interesați de măsurătorile 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 digitizare 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 obține cea mai bună calitate a conversiei atât din punctul de vedere al asigurării unei geometrii „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 carduri SONY în dispozitivele noastre bazate pe matricea CCD ICX039. Descrierea SONY pentru acest dispozitiv indică 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, raportată la o anumită valoare S/N, 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

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 funcționare asociate cu aburirea ochelarilor de protecție și degajarea de căldură din joncțiunea fierbinte a un frigider 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. Tuburile intensificatoare de imagine moderne pot avea valori de câștig foarte mari, totuși, fără a intra în detalii, putem spune că utilizarea tuburilor intensificatoare 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

Pentru unele aplicații, sensibilitatea spectrală a CCD este un factor important. Deoarece toate CCD-urile sunt realizate pe baza de siliciu, în forma lor „goldă” 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.

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

Semnalul de televiziune standard 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 rezoluția Y nu poate fi utilizată în analiză mai mult decât numărul de linii dintr-o jumătate de cadru (288). În plus, în sistemele moderne, atunci când imaginea este vizualizată pe un monitor de computer (care are scanare progresivă), intrarea imaginii de la camera intercalată atunci când obiectul se mișcă determină 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, multe matrice 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. Aceasta este o valoare destul de mare, mai ales că acest rezultat poate fi atins, după cum a arătat experiența noastră, 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.camere de televiziune color cu dispozitive de captare a cadrelor albe, si sunt foarte surprinsi cand gasesc niste pete in imaginile rezultate, iar rezolutia imaginilor se dovedeste a fi insuficienta. 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 este singura modalitate de a obține sisteme de măsurare; totuși, 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 diferite filtre.

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

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

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

iar în 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.

Lăsând deoparte problemele 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 vecine 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: marginea unui câmp gri închis și deschis va arăta ca fiind formată 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.

Formatele PAL și NTSC sunt bune pentru că pot fi reproduse imediat pe monitoare standard cu intrare video, dar trebuie să ne amintim că aceste standarde asigură o bandă semnificativ mai îngustă pentru semnalul de culoare, deci este mai corect să vorbim despre o imagine colorată, mai degrabă. decât una de culoare. 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” este inversată 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. Utilizarea tehnologiei CMOS oferă câteva avantaje evidente față de tehnologia tradițională.

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 acestora 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 este în creștere rapidă, folosind matrice CCD și CMOS - 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 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 de o calitate acceptabila, desi pot fi necesare ajustari pentru realizarea unor 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 ca 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 sarcinii electrice din matrice, sarcinile (stocate în puțurile de potențial) sunt transferate de-a lungul electrozilor de transfer către marginea matricei (registru de deplasare în serie) și către amplificator, care amplifică semnalul și îl transmite la un analog-to- convertor digital (ADC), de unde semnalul convertit este trimis într-un procesor care procesează semnalul și salvează imaginea rezultată pe un card de memorie .

Fotodiodele din polisiliciu sunt folosite pentru a produce matrice CCD. Astfel de matrici sunt de dimensiuni mici și vă permit să obțineți fotografii de înaltă calitate atunci când fotografiați în lumină normală.

Avantajele CCD-urilor:

1. Designul matricei asigură o densitate mare de plasare a fotocelulelor (pixeli) pe substrat;
2. Eficiență ridicată (raportul fotonii înregistrați la numărul lor total este de aproximativ 95%);
3. Sensibilitate crescută;
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 scăzută de operare în comparație cu matricele CMOS;
3. Consum mare de energie;
4. Tehnologie de citire a semnalului mai complexă, 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-urile, senzorii CMOS conțin un tranzistor separat în fiecare element sensibil la lumină (pixel), ca urmare a cărui conversie a sarcinii 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 convertorul analog-digital sau chiar cu procesorul. Ca urmare a utilizării unei astfel de tehnologii raționale, se produc economii de energie datorită unei reduceri a lanțurilor de acțiuni în comparație cu matricele CCD, precum și a unei reduceri a 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. Performanta ridicata;
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. Dimensiuni relativ mari, echipamentele foto cu acest tip de matrice se caracterizează prin greutate și dimensiune mare.

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 de nivel înalt, care au o 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, CMOS matricele au devenit recent din ce în ce mai populare în producția de camere SLR. Pe baza trăsăturilor caracteristice ale diferitelor tipuri de matrice, se poate face o idee clară despre motivul pentru care echipamentul fotografic profesional care oferă fotografiere de înaltă calitate este destul de voluminos și greu. Aceste informații ar trebui cu siguranță reținute atunci când alegeți o cameră - adică luați în considerare dimensiunile fizice ale matricei și nu numărul de pixeli.

Introducere

În acest curs, voi lua în considerare informații generale despre dispozitivele cuplate la sarcină, parametrii, istoria creării și caracteristicile camerelor moderne cu infraroșu mijlociu CCD.

Ca urmare a lucrărilor de curs, am studiat literatura despre crearea, principiul de funcționare, caracteristicile tehnice și aplicarea camerelor CCD cu infraroșii medii.

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 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 unui CCD, atunci sub acțiunea câmpului electric rezultat, electronii, care sunt principalii purtători ai substratului, se îndepărtează de suprafață în adâncimea semiconductorului. În apropierea suprafeței se formează o regiune epuizată, care în diagrama energetică reprezintă un put potențial 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 informațiile externe (semnale electrice sau luminoase) sunt convertite în pachete de încărcare ale purtătorilor de telefonie mobilă, plasate într-un anumit mod în regiuni apropiate de suprafață, iar procesarea informațiilor se realizează prin deplasarea controlată a acestor pachete de-a lungul suprafata. Este evident că sistemele digitale și analogice pot fi construite pe baza CCD-urilor. Pentru sistemele digitale, doar faptul prezenței sau absenței unei încărcături de gaură într-un anumit element CCD este important; în procesarea analogică, acestea se ocupă 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, un model de pachete de încărcare corespunzător distribuției de iluminare va fi stocat în matricea CCD. 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 dintr-o linie FPCD controlată de un circuit cu trei cicluri (trifazate).În timpul ciclului I (percepție, acumulare și stocare a informațiilor video), astfel -a sunat tensiune 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 - schema de funcționare a unui dispozitiv trifazat cuplat cu sarcină - 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. godeuri decât sub electronii 1, 4 și 7, iar 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.

Acea. toate pachetele de încărcare sunt transferate de-a lungul liniei CCD spre dreapta cu un pas egal cu distanța dintre 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.

Repetând procesul de comutare a tensiunii de multe ori, toate pachetele de încărcare excitate, de exemplu, de lumina din linie, sunt scoase succesiv prin joncțiunea exterioară din dreapta. 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. Cu cât este mai mare numărul de elemente într-un 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 alăturat, iar distorsiunea rezultată a informațiilor este sporită Pentru a evita distorsiunea semnalului video acumulat din cauza continuării transferului de iluminare, pe cristalul FPCD creează zone separate spațial de percepție - acumulare și stocare - citire, iar în primele asigură fotosensibilitate maximă, iar cele din urmă, pe dimpotrivă, scut de lumină.Într-un FPCD liniar (Fig. 3, a) sarcinile acumulate în linia 1 într-un ciclu sunt transferate în registrul 2 (din elemente pare) și în registrul 3 (din elemente impare). din aceste registre este transmisă prin ieșirea 4 către circuitul de combinare a semnalului 5, un nou cadru video este acumulat în linia 1. În FPCD cu transfer de cadru (Figura 3) informația percepută de matricea de acumulare 7 este rapid „deversată” în matricea de stocare 2, din care este citită secvenţial de către 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.

În plus față de CCD-urile cu 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 de 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.

Ce este un CCD?

Puțină istorie

Anterior, materialele fotografice erau folosite ca receptori de lumină: plăci fotografice, folie fotografică, hârtie fotografică. Mai târziu, au apărut camerele de televiziune și tuburile fotomultiplicatoare (PMT).
La sfârșitul anilor 60 și începutul anilor 70, așa-numitele „Dispozitive cuplate de încărcare”, prescurtate ca CCD-uri, au început să fie dezvoltate. În engleză arată ca „dispozitive cuplate de încărcare” sau abreviat ca CCD. Principiul din spatele matricelor CCD a fost faptul că siliciul este capabil să răspundă la lumina vizibilă. Și acest fapt a condus la ideea că acest principiu poate fi folosit pentru a obține imagini ale obiectelor luminoase.

Astronomii au fost printre primii care au recunoscut capacitățile extraordinare ale CCD-urilor pentru înregistrarea imaginilor. În 1972, un grup de cercetători de la JPL (Jet Propulsion Laboratory, SUA) a fondat un program de dezvoltare a CCD-urilor pentru astronomie și cercetare în spațiu. Trei ani mai târziu, împreună cu oamenii de știință de la Universitatea din Arizona, echipa a obținut prima imagine astronomică CCD. O imagine în infraroșu apropiat a lui Uranus folosind un telescop de un metru și jumătate a dezvăluit pete întunecate în apropierea polului sudic al planetei, indicând prezența metanului...

Utilizarea matricelor CCD astăzi și-a găsit o aplicație largă: camere digitale, camere video; A devenit posibil să se integreze o matrice CCD ca o cameră chiar și în telefoanele mobile.

Dispozitiv CCD

Un dispozitiv CCD tipic (Fig. 1): pe suprafața semiconductorului există un strat subțire (0,1-0,15 μm) de dielectric (de obicei oxid), pe care sunt amplasate benzi de electrozi conductori (din metal sau siliciu policristalin). Acești electrozi formează un sistem regulat liniar sau matricial, iar distanțele dintre electrozi sunt atât de mici încât efectele influenței reciproce a electrozilor vecini sunt semnificative. Principiul de funcționare al CCD-urilor se bazează pe apariția, stocarea și transmiterea direcțională a pachetelor de sarcină în puțurile de potențial formate în stratul apropiat de suprafață al unui semiconductor atunci când electrozilor li se aplică tensiuni electrice externe.

Orez. 1. Proiectarea de bază a unei matrice CCD.

În fig. 1, simbolurile C1, C2 și C3 indică condensatori MOS (metal-oxid-semiconductor).

Dacă o tensiune pozitivă U este aplicată oricărui electrod, atunci în structura MIS apare un câmp electric, sub influența căruia purtătorii majoritari (găurile) se îndepărtează foarte repede (în câteva picosecunde) de suprafața semiconductorului. Ca rezultat, la suprafață se formează un strat epuizat, a cărui grosime este fracțiuni sau unități de micrometru. Purtătorii minoritari (electroni) generați în stratul de epuizare sub influența unor procese (de exemplu, termice) sau ajungând acolo din regiunile neutre ale semiconductorului sub influența difuziei se vor deplasa (sub influența câmpului) către semiconductor. -interfata izolatoare si sa fie localizata intr-un strat invers ingust. Astfel, la suprafață apare un puț de potențial pentru electroni, în care se rostogolesc din stratul de epuizare sub influența câmpului. Purtătorii majoritari (găuri) generați în stratul de epuizare sunt ejectați în partea neutră a semiconductorului sub influența câmpului.
Într-o anumită perioadă de timp, fiecare pixel este umplut treptat cu electroni proporțional cu cantitatea de lumină care intră în el. La sfârșitul acestui timp, sarcinile electrice acumulate de fiecare pixel sunt transferate pe rând către „ieșirea” dispozitivului și măsurate.

Dimensiunea pixelului fotosensibil al matricelor variază de la unul sau doi până la câteva zeci de microni. Dimensiunea cristalelor de halogenură de argint din stratul fotosensibil al filmului fotografic variază de la 0,1 (emulsii pozitive) la 1 micron (negativ foarte sensibil).

Unul dintre principalii parametri ai matricei este așa-numita eficiență cuantică. Acest nume reflectă eficiența conversiei fotonilor absorbiți (quanta) în fotoelectroni și este similar cu conceptul fotografic de fotosensibilitate. Deoarece energia cuantelor de lumină depinde de culoarea lor (lungimea de undă), este imposibil să se determine fără ambiguitate câți electroni se vor naște într-un pixel de matrice atunci când acesta absoarbe, de exemplu, un flux de o sută de fotoni eterogene. Prin urmare, eficiența cuantică este de obicei dată în fișa de date pentru matrice în funcție de lungimea de undă, iar în anumite părți ale spectrului poate ajunge la 80%. Aceasta este mult mai mult decât cea a emulsiei fotografice sau a ochiului (aproximativ 1%).

Ce tipuri de CCD-uri există?

Dacă pixelii sunt aliniați pe un rând, atunci receptorul se numește matrice CCD, dar dacă suprafața este umplută cu rânduri uniforme, atunci receptorul se numește matrice CCD.

Matricea CCD a avut o gamă largă de aplicații în anii 80 și 90 pentru observații astronomice. A fost suficient să muți imaginea de-a lungul liniei CCD și a apărut pe monitorul computerului. Dar acest proces a fost însoțit de multe dificultăți și, prin urmare, în prezent, matricele CCD sunt din ce în ce mai mult înlocuite de matrice CCD.

Efecte nedorite

Un efect secundar nedorit al transferului de sarcină pe un CCD care poate interfera cu observațiile sunt dungile verticale luminoase (stâlpii) în locul zonelor luminoase ale unei imagini cu suprafață mică. Posibilele efecte nedorite ale matricelor CCD includ, de asemenea: zgomot întunecat ridicat, prezența pixelilor „orbi” sau „fierbinți”, sensibilitate neuniformă în câmpul matricei. Pentru a reduce zgomotul întunecat, răcirea autonomă a matricelor CCD este utilizată la temperaturi de -20°C și mai mici. Sau este luată o ramă întunecată (de exemplu, cu lentila închisă) cu aceeași durată (expunere) și temperatură precum a fost luată cadrul precedent. Ulterior, un program special de pe computer scade cadrul întunecat din imagine.

Lucrul bun despre camerele de televiziune bazate pe CCD este că pot captura imagini cu până la 25 de cadre pe secundă cu o rezoluție de 752 x 582 pixeli. Însă nepotrivirea unor camere de acest tip pentru observațiile astronomice constă în faptul că în ele producătorul implementează preprocesarea internă a imaginii (a se citi: distorsiune) pentru o mai bună percepție a cadrelor rezultate prin viziune. Aceasta include AGC (ajustarea automată a controlului) și așa-numita. efectul „granițelor ascuțite” și altele.

Progres…

În general, utilizarea receptoarelor CCD este mult mai convenabilă decât utilizarea receptoarelor de lumină non-digitale, deoarece datele primite sunt imediat într-o formă adecvată pentru procesare pe un computer și, în plus, viteza de obținere a cadrelor individuale este foarte mare. mare (de la câteva cadre pe secundă la minute).

În prezent, producția de matrice CCD se dezvoltă și se îmbunătățește rapid. Numărul de „megapixeli” de matrice crește - numărul de pixeli individuali pe unitatea de suprafață a matricei. Se îmbunătățește calitatea imaginilor obținute folosind matrice CCD etc.

Surse folosite:
1. 1. Victor Belov. Precizie la zecimi de micron.
2. 2. S.E. Guryanov. Faceți cunoștință cu CCD.

Pentru prima dată, principiul CCD cu ideea de a stoca și apoi de a citi încărcările electronice a fost dezvoltat de doi ingineri ai corporației BELL la sfârșitul anilor ’60, în timpul căutării de noi tipuri de memorie de computer care ar putea înlocui memoria pe inele de ferită ( da, da, a existat o astfel de amintire). Această idee s-a dovedit a fi nepromițătoare, dar a fost observată capacitatea siliciului de a răspunde la spectrul vizibil al radiațiilor și a fost dezvoltată ideea de a utiliza acest principiu pentru procesarea imaginilor.

Să începem cu descifrarea termenului.

Abrevierea CCD înseamnă „Charge-Coupled Devices” - acest termen este derivat din engleza „Charge-Coupled Devices” (CCD).

Acest tip de dispozitiv are în prezent o gamă foarte largă de aplicații într-o mare varietate de dispozitive optoelectronice pentru înregistrarea imaginilor. În viața de zi cu zi, acestea sunt camere digitale, camere video și diverse scanere.

Ce diferențiază un receptor CCD de o fotodiodă semiconductoare convențională, care are un tampon fotosensibil și două contacte electrice pentru captarea unui semnal electric?

in primul rand, există o mulțime de astfel de zone sensibile la lumină (numite adesea pixeli - elemente care primesc lumina și o transformă în sarcini electrice) într-un receptor CCD, de la câteva mii la câteva sute de mii și chiar câteva milioane. Dimensiunile pixelilor individuali sunt aceleași și pot varia de la unități la zeci de microni. Pixelii pot fi aliniați pe un rând - atunci receptorul se numește matrice CCD sau pot umple o zonă a suprafeței în rânduri egale - atunci receptorul se numește matrice CCD.

Amplasarea elementelor de recepție a luminii (dreptunghiuri albastre) în matricea CCD și matricea CCD.

În al doilea rând, într-un receptor CCD, care arată ca un microcircuit obișnuit, nu există un număr mare de contacte electrice pentru ieșirea semnalelor electrice, care, se pare, ar trebui să provină de la fiecare element de recepție a luminii. Dar un circuit electronic este conectat la receptorul CCD, ceea ce face posibilă extragerea din fiecare element fotosensibil a unui semnal electric proporțional cu iluminarea acestuia.

Funcționarea unui CCD poate fi descrisă astfel: fiecare element sensibil la lumină - un pixel - funcționează ca o pușculiță pentru electroni. Electronii sunt creați în pixeli sub influența luminii provenite de la o sursă. Într-o anumită perioadă de timp, fiecare pixel este umplut treptat cu electroni proporțional cu cantitatea de lumină care intră în el, ca o găleată plasată afară în timpul ploii. La sfârșitul acestui timp, sarcinile electrice acumulate de fiecare pixel sunt transferate pe rând către „ieșirea” dispozitivului și măsurate. Toate acestea sunt posibile datorită structurii specifice a cristalului, unde sunt amplasate elementele sensibile la lumină, și a circuitului de control electric.

O matrice CCD funcționează aproape exact în același mod. După expunere (iluminarea imaginii proiectate), circuitul electronic de control al dispozitivului îl alimentează cu un set complex de tensiuni de impuls, care încep să deplaseze coloanele cu electroni acumulați în pixeli către marginea matricei, unde o măsurătoare similară Este localizat registrul CCD, sarcinile în care sunt deplasate în direcția perpendiculară și cad pe elementul de măsurare, creând în acesta semnale proporționale cu sarcinile individuale. Astfel, pentru fiecare moment ulterior de timp putem obține valoarea încărcăturii acumulate și putem da seama cărui pixel din matrice (numărul rândului și numărul coloanei) îi corespunde.

Pe scurt despre fizica procesului.

Pentru început, observăm că CCD-urile aparțin produselor așa-numitei electronice funcționale.Nu pot fi imaginate ca o colecție de elemente radio individuale - tranzistoare, rezistențe și condensatoare. Funcționarea se bazează pe principiul cuplării sarcinii. Principiul cuplarii sarcinii folosește două prevederi cunoscute din electrostatică:

1. ca niște încărcături se resping reciproc
2. sarcinile tind să se stabilească acolo unde energia lor potențială este minimă. Acestea. aproximativ - „peștele arată unde este mai adânc”.

În primul rând, să ne imaginăm un condensator MOS (MOS este o abreviere pentru metal-oxid-semiconductor). Acesta este ceea ce rămâne din tranzistorul MOS dacă îndepărtați drenajul și sursa din acesta, adică doar un electrod separat de siliciu printr-un strat dielectric. Pentru certitudine, vom presupune că semiconductorul este de tip p, adică concentrația găurilor în condiții de echilibru este mult (mai multe ordine de mărime) mai mare decât cea a electronilor. În electrofizică, o „găură” este sarcina care este opusă sarcinii unui electron, adică. sarcină pozitivă.

Ce se întâmplă dacă unui astfel de electrod i se aplică un potențial pozitiv (se numește poartă)? Câmpul electric creat de poartă, pătrunzând în siliciu prin dielectric, respinge găurile în mișcare; apare o regiune de epuizare - un anumit volum de siliciu lipsit de purtători majoritari. Cu parametrii substraturilor semiconductoare tipice pentru CCD, adâncimea acestei regiuni este de aproximativ 5 μm. Dimpotrivă, electronii generați aici sub influența luminii vor fi atrași de poartă și se vor acumula la interfața oxid-siliciu direct sub poartă, adică vor cădea în puțul de potențial (Fig. 1).

Orez. 1
Formarea unui puț de potențial atunci când se aplică tensiune pe poartă

În acest caz, electronii, pe măsură ce se acumulează în puț, neutralizează parțial câmpul electric creat în semiconductor de către poartă și, în cele din urmă, îl pot compensa complet, astfel încât întregul câmp electric va cădea numai pe dielectric și totul va reveni la starea inițială - cu excepția faptului că la interfață se formează un strat subțire de electroni.

Acum să fie amplasată o altă poartă lângă poartă și i se aplică și un potențial pozitiv, în plus, mai mare decât la prima (Fig. 2). Dacă doar porțile sunt suficient de aproape, puțurile lor de potențial sunt combinate, iar electronii dintr-un puț de potențial se mută în cel învecinat, dacă este „mai adânc”.
Orez. 2
Puțuri potențiale suprapuse a două porți strâns amplasate. Sarcina curge în locul în care putul potențial este mai adânc.

Acum ar trebui să fie clar că, dacă avem un lanț de porți, atunci este posibil, prin aplicarea unor tensiuni de control adecvate acestora, să transmitem un pachet de încărcare localizat de-a lungul unei astfel de structuri. O proprietate remarcabilă a CCD-urilor - proprietatea de auto-scanare - este că pentru a controla un lanț de porți de orice lungime, sunt suficiente doar trei linii de ceas. (Termenul magistrală în electronică este un conductor de elemente de conectare a curentului electric de același tip; o magistrală de ceas sunt conductoare prin care se transmite o tensiune defazată.) Într-adevăr, pentru a transmite pachete de încărcare, sunt necesari și suficienți trei electrozi: unul transmisor, unul care primește și unul izolator, separând perechile care primesc și transmit unul de celălalt, iar electrozii cu același nume din astfel de tripleți pot fi conectați unul la altul într-o singură magistrală de ceas, necesitând o singură ieșire externă (Fig. 3). ).

Orez. 3
Cel mai simplu registru CCD trifazat.
Încărcarea în fiecare puț potențial este diferită.

Acesta este cel mai simplu registru cu deplasare trifazată de pe un CCD. Diagramele de ceas ale funcționării unui astfel de registru sunt prezentate în Fig. 4.

Orez. 4
Diagramele de ceas pentru controlul unui registru trifazat sunt trei meandre deplasate cu 120 de grade.
Când potențialele se schimbă, sarcinile se mișcă.

Se poate observa că pentru funcționarea sa normală în fiecare moment de timp, cel puțin o magistrală de ceas trebuie să aibă un potențial ridicat, iar cel puțin una trebuie să aibă un potențial scăzut (potențial de barieră). Când potențialul crește pe o magistrală și îl scade pe cealaltă (anterior), toate pachetele de încărcare sunt transferate simultan către porțile adiacente, iar pentru un ciclu complet (un ciclu pe fiecare magistrală de fază), pachetele de încărcare sunt transferate (deplasate) la una. element de registru.

Pentru a localiza pachetele de încărcare în direcția transversală, se formează așa-numitele canale de oprire - benzi înguste cu o concentrație crescută a dopantului principal, care rulează de-a lungul canalului de transfer (Fig. 5).

Orez. 5.
Vedere de sus a registrului.
Canalul de transfer în direcția laterală este limitat de canale de oprire.

Faptul este că concentrația impurității de dopaj determină la ce tensiune specifică de poartă se formează o regiune de epuizare sub ea (acest parametru nu este altceva decât tensiunea de prag a structurii MOS). Din considerente intuitive, este clar că, cu cât concentrația de impurități este mai mare, adică cu cât mai multe găuri în semiconductor, cu atât este mai dificil să le antrenezi mai adânc, adică cu cât tensiunea de prag este mai mare sau, la o tensiune, cu atât potențialul este mai mic. în putul potenţial.

Probleme

Dacă în producția de dispozitive digitale împrăștierea parametrilor peste plachetă poate ajunge de mai multe ori fără un efect vizibil asupra parametrilor dispozitivelor rezultate (deoarece lucrul se face cu niveluri de tensiune discrete), atunci într-un CCD o schimbare a, să zicem , concentrația de dopant cu 10% este deja vizibilă în imagine. Dimensiunea cristalului și imposibilitatea redundanței, ca în memoria LSI, adaugă propriile probleme, astfel încât zonele defecte duc la inutilizarea întregului cristal.

Concluzie

Diferiții pixeli ai matricei CCD au sensibilitate diferită la lumină din punct de vedere tehnologic și această diferență trebuie corectată.

În KMA digital, această corecție se numește sistem Auto Gain Control (AGC).

Cum funcționează sistemul AGC

Pentru simplitatea luării în considerare, nu vom lua nimic specific. Să presupunem că există anumite niveluri potențiale la ieșirea ADC-ului nodului CCD. Să presupunem că 60 este nivelul mediu de alb.

1. Pentru fiecare pixel al liniei CCD, se citește o valoare atunci când este iluminat cu lumină albă de referință (și în dispozitivele mai serioase se citește și „nivelul negru”).
2. Valoarea este comparată cu un nivel de referință (de exemplu, media).
3. Diferența dintre valoarea de ieșire și nivelul de referință este stocată pentru fiecare pixel.
4. Ulterior, în timpul scanării, această diferență este compensată pentru fiecare pixel.

Sistemul AGC este inițializat de fiecare dată când este inițializat sistemul de scanare. Probabil ați observat că atunci când porniți aparatul, după un timp, căruciorul scanerului începe să facă mișcări înainte-întoarcere (târâind de-a lungul dungilor albe și negre). Acesta este procesul de inițializare a sistemului AGC. Sistemul ține cont și de starea lămpii (îmbătrânire).

Probabil ați observat, de asemenea, că MFP-urile mici echipate cu un scanner color „aprind lampa” cu trei culori pe rând: roșu, albastru și verde. Apoi, doar lumina de fundal originală devine albă. Acest lucru se face pentru a corecta mai bine sensibilitatea matricei separat pentru canalele RGB.

Test de semitonuri (TEST DE Umbrire) vă permite să inițiați această procedură la solicitarea inginerului și să aduceți valorile de ajustare la condiții reale.

Să încercăm să luăm în considerare toate acestea pe o mașinărie reală, „de luptă”. Să luăm ca bază un dispozitiv binecunoscut și popular. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Trebuie menționat că în cazul nostru, CCD devine CIS (Contact Image Sensor), dar esența a ceea ce se întâmplă nu se schimbă fundamental. Pur și simplu, liniile de LED-uri sunt folosite ca sursă de lumină.

Asa de:

Semnalul de imagine de la CIS are un nivel de aproximativ 1,2 V și este furnizat secțiunii ADC (SADC) a controlerului dispozitivului (SADC). După SADC, semnalul analogic CIS va fi convertit într-un semnal digital de 8 biți.

Procesorul de imagine din SADC folosește mai întâi funcția de corecție a tonului și apoi funcția de corecție gamma. După aceasta, datele sunt furnizate diferitelor module în funcție de modul de funcționare. În modul Text, datele de imagine sunt trimise la modulul LAT, în modul Foto, datele de imagine sunt trimise la modulul „Difuzarea erorilor”, în modul PC-Scan, datele de imagine sunt trimise direct către un computer personal prin acces DMA.

Înainte de testare, așezați mai multe coli albe de hârtie albă pe geamul de expunere. Este de la sine înțeles că optica, banda alb/b și, în general, ansamblul scanerului din interior trebuie mai întâi „lings”

1. Selectați în MOD TEHNIC
2. Apăsați butonul ENTER pentru a scana imaginea.
3. După scanare, va fi tipărit un „CIS SHADING PROFILE”. Un exemplu de astfel de foaie este prezentat mai jos. Nu trebuie să fie o copie a rezultatului dvs., dar ar trebui să fie aproape în imagine.
4. Dacă imaginea imprimată este foarte diferită de imaginea prezentată în ilustrație, CIS-ul este defect. Vă rugăm să rețineți că în partea de jos a foii de raport scrie „Rezultate: OK”. Aceasta înseamnă că sistemul nu are plângeri serioase cu privire la modulul CIS. În caz contrar, vor fi date rezultate de eroare.

Exemplu de imprimare a profilului:

Multă baftă!!

Pe baza materialelor din articole și prelegeri susținute de profesori de la Universitatea de Stat din Sankt Petersburg (LSU), Universitatea Electrotehnică din Sankt Petersburg (LETI) și Axl. Datorită lor.

Material pregătit de V. Schelenberg