Thực đơn
trang chủTrình duyệt

Ma trận CCD là gì? Cảm biến CCD và CMOS cho máy ảnh kỹ thuật số và máy quay video

Thông tin chung về ma trận CCD.

Hiện nay, hầu hết các hệ thống chụp ảnh đều sử dụng ma trận CCD (thiết bị ghép điện tích) làm thiết bị cảm quang.

Nguyên lý hoạt động của ma trận CCD như sau: ma trận các phần tử cảm quang (phần tích lũy) được tạo ra trên cơ sở silicon. Mỗi phần tử cảm quang có đặc tính tích lũy điện tích tỷ lệ thuận với số lượng photon chạm vào nó. Do đó, theo một thời gian (thời gian phơi sáng) trong phần tích lũy, sẽ thu được ma trận điện tích hai chiều tỷ lệ với độ sáng của ảnh gốc. Các khoản phí tích lũy ban đầu được chuyển đến phần lưu trữ, sau đó theo từng dòng và từng pixel đến đầu ra của ma trận.

Kích thước của phần lưu trữ liên quan đến phần tích lũy khác nhau:

  • trên mỗi khung hình (ma trận có truyền khung hình để quét liên tục);
  • trên mỗi nửa khung hình (ma trận có truyền khung hình để quét xen kẽ);

Ngoài ra còn có các ma trận không có phần lưu trữ và việc chuyển dòng được thực hiện trực tiếp qua phần tích lũy. Rõ ràng, để những ma trận như vậy hoạt động, cần phải có màn trập quang học.

Chất lượng của ma trận CCD hiện đại sao cho điện tích hầu như không thay đổi trong quá trình truyền.

Bất chấp sự đa dạng rõ ràng của máy ảnh truyền hình, ma trận CCD được sử dụng trong chúng thực tế là giống nhau, vì việc sản xuất ma trận CCD hàng loạt và quy mô lớn chỉ được thực hiện bởi một số công ty. Đó là SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Các tham số chính của ma trận CCD là:

  • kích thước tính bằng pixel;
  • kích thước vật lý tính bằng inch (2/3, 1/2, 1/3, v.v.). Hơn nữa, bản thân các con số không xác định kích thước chính xác của vùng nhạy cảm mà chỉ xác định loại của thiết bị;
  • nhạy cảm.

Độ phân giải của camera CCD.

Độ phân giải của camera CCD chủ yếu được xác định bởi kích thước của ma trận CCD tính bằng pixel và chất lượng của ống kính. Ở một mức độ nào đó, điều này có thể bị ảnh hưởng bởi các thiết bị điện tử của máy ảnh (nếu nó được chế tạo kém, nó có thể làm giảm độ phân giải, nhưng ngày nay họ hiếm khi làm bất cứ điều gì xấu).

Điều quan trọng là phải thực hiện một lưu ý ở đây. Trong một số trường hợp, bộ lọc không gian tần số cao được cài đặt trong camera để cải thiện độ phân giải rõ ràng. Trong trường hợp này, hình ảnh của một vật thể thu được từ một máy ảnh nhỏ hơn có thể còn sắc nét hơn hình ảnh của cùng một vật thể thu được một cách khách quan từ một máy ảnh tốt hơn. Tất nhiên, điều này có thể chấp nhận được khi camera được sử dụng trong các hệ thống giám sát trực quan, nhưng nó hoàn toàn không phù hợp để xây dựng các hệ thống đo lường.

Độ phân giải và định dạng của ma trận CCD.

Hiện nay, có nhiều công ty sản xuất ma trận CCD với nhiều kích thước từ vài trăm đến vài nghìn. Đây là cách một ma trận có kích thước 10000x10000 được báo cáo và thông báo này không đề cập nhiều đến vấn đề chi phí của ma trận này mà là vấn đề lưu trữ, xử lý và truyền hình ảnh thu được. Như chúng ta đã biết, ma trận có kích thước lên tới 2000x2000 hiện nay ít nhiều được sử dụng rộng rãi.

Các ma trận CCD được sử dụng rộng rãi nhất, hay chính xác hơn, chắc chắn bao gồm các ma trận có độ phân giải hướng đến tiêu chuẩn truyền hình. Đây là các ma trận chủ yếu có hai định dạng:

  • 512*576;
  • 768*576.
Ma trận 512*576 thường được sử dụng trong các hệ thống giám sát video đơn giản và rẻ tiền.

Ma trận 768*576 (đôi khi nhiều hơn một chút, đôi khi ít hơn một chút) cho phép bạn có được độ phân giải tối đa cho tín hiệu truyền hình tiêu chuẩn. Đồng thời, không giống như ma trận có định dạng 512*576, chúng có sự sắp xếp dạng lưới gồm các phần tử cảm quang gần với hình vuông và do đó có độ phân giải ngang và dọc bằng nhau.

Thông thường, các nhà sản xuất camera chỉ ra độ phân giải trên các dòng tivi. Điều này có nghĩa là máy ảnh cho phép bạn nhìn thấy N/2 nét dọc tối trên nền sáng, được sắp xếp thành một hình vuông nội tiếp trong trường hình ảnh, trong đó N là số dòng truyền hình được khai báo. Liên quan đến một bàn truyền hình tiêu chuẩn, điều này giả định như sau: bằng cách chọn khoảng cách và tiêu điểm của hình ảnh bàn, cần đảm bảo rằng các cạnh trên và dưới của hình ảnh bàn trên màn hình trùng với đường viền bên ngoài của bàn, được đánh dấu bằng các đỉnh của lăng kính đen trắng; sau đó, sau lần lấy nét phụ cuối cùng, con số được đọc ở vị trí của nêm dọc nơi các nét dọc lần đầu tiên không còn được giải quyết. Nhận xét cuối cùng rất quan trọng vì... và trong hình ảnh các trường thử nghiệm của một bảng có 600 dòng trở lên, thường nhìn thấy các sọc xen kẽ, trên thực tế, chúng là những moiré được hình thành bằng cách đập các tần số không gian của các dòng trong bảng và lưới các phần tử nhạy cảm của ma trận CCD. Hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt ở các máy ảnh có bộ lọc không gian tần số cao (xem ở trên)!

Tôi muốn lưu ý rằng, tất cả những thứ khác đều như nhau (điều này chủ yếu có thể bị ảnh hưởng bởi ống kính), độ phân giải của máy ảnh đen trắng được xác định duy nhất bởi kích thước của ma trận CCD. Vì vậy, máy ảnh định dạng 768*576 sẽ có độ phân giải là 576 dòng truyền hình, mặc dù trong một số bản cáo bạch, bạn có thể tìm thấy giá trị 550 và ở những bản khác là 600.

Ống kính.

Kích thước vật lý của các tế bào CCD là tham số chính xác định yêu cầu về độ phân giải của ống kính. Một tham số khác có thể là yêu cầu đảm bảo hoạt động của ma trận trong điều kiện quá tải ánh sáng, điều này sẽ được thảo luận dưới đây.

Đối với ma trận SONY ICX039 1/2 inch, kích thước pixel là 8,6µm*8,3µm. Vì vậy, ống kính phải có độ phân giải tốt hơn:

1/8.3*10e-3= 120 dòng (60 cặp dòng trên mỗi milimet).

Đối với các ống kính được chế tạo cho ma trận 1/3 inch, giá trị này thậm chí còn cao hơn, mặc dù điều kỳ lạ là điều này không ảnh hưởng đến giá thành và các thông số như khẩu độ, vì những ống kính này được tạo ra có tính đến nhu cầu tạo thành hình ảnh trên trường nhạy sáng nhỏ hơn của ma trận. Cũng theo đó, thấu kính dành cho ma trận nhỏ hơn không phù hợp với ma trận lớn do đặc tính suy giảm đáng kể ở các cạnh của ma trận lớn. Đồng thời, ống kính dành cho cảm biến lớn có thể hạn chế độ phân giải của hình ảnh thu được từ cảm biến nhỏ hơn.

Thật không may, với sự phong phú hiện đại của ống kính dành cho máy ảnh truyền hình, rất khó để có được thông tin về độ phân giải của chúng.

Nói chung, chúng tôi không thường xuyên chọn ống kính, vì hầu hết tất cả Khách hàng của chúng tôi đều cài đặt hệ thống video trên các ống kính quang học hiện có: kính hiển vi, kính thiên văn, v.v., vì vậy thông tin của chúng tôi về thị trường ống kính chỉ mang tính chất ghi chú. Chúng ta chỉ có thể nói rằng độ phân giải của các ống kính đơn giản và rẻ tiền nằm trong khoảng 50-60 cặp đường trên mỗi mm, nhìn chung là không đủ.

Mặt khác, chúng tôi có thông tin rằng các ống kính đặc biệt do Zeiss sản xuất với độ phân giải 100-120 cặp đường trên mm có giá hơn 1000 USD.

Vì vậy, khi mua ống kính cần tiến hành kiểm tra sơ bộ. Tôi phải nói rằng hầu hết người bán ở Moscow đều cung cấp ống kính để thử nghiệm. Ở đây, một lần nữa cần nhớ lại hiệu ứng moire, sự hiện diện của hiệu ứng này, như đã lưu ý ở trên, có thể gây nhầm lẫn về độ phân giải của ma trận. Vì vậy, sự hiện diện của moire trong hình ảnh của các phần của chiếc bàn có nét trên 600 dòng truyền hình so với ống kính cho thấy mức độ dự trữ nhất định của độ phân giải sau này, tất nhiên, điều này không gây hại gì.

Một lưu ý nữa có lẽ là quan trọng đối với những ai quan tâm đến các phép đo hình học. Tất cả các ống kính đều có hiện tượng biến dạng ở mức độ này hay mức độ khác (biến dạng hình học của hình ảnh như hình gối kim) và ống kính càng ngắn thì những biến dạng này thường càng lớn. Theo quan điểm của chúng tôi, ống kính có tiêu cự lớn hơn 8-12 mm có độ méo chấp nhận được đối với máy ảnh 1/3" và 1/2". Tuy nhiên, mức độ “chấp nhận được” tất nhiên còn phụ thuộc vào nhiệm vụ mà camera truyền hình phải giải quyết.

Độ phân giải của bộ điều khiển đầu vào hình ảnh

Độ phân giải của bộ điều khiển đầu vào hình ảnh phải được hiểu là tần số chuyển đổi của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) của bộ điều khiển, dữ liệu sau đó được ghi vào bộ nhớ của bộ điều khiển. Rõ ràng, có một giới hạn hợp lý để tăng tần số số hóa. Đối với các thiết bị có cấu trúc liên tục của lớp cảm quang, ví dụ như vidicon, tần số số hóa tối ưu bằng hai lần tần số trên của tín hiệu hữu ích của vidicon.

Không giống như các máy dò ánh sáng như vậy, ma trận CCD có cấu trúc liên kết rời rạc, do đó tần số số hóa tối ưu cho chúng được xác định bằng tần số dịch chuyển của thanh ghi đầu ra của ma trận. Trong trường hợp này, điều quan trọng là ADC của bộ điều khiển phải hoạt động đồng bộ với thanh ghi đầu ra của ma trận CCD. Chỉ trong trường hợp này mới có thể đạt được chất lượng chuyển đổi tốt nhất cả từ quan điểm đảm bảo hình dạng “cứng nhắc” của hình ảnh thu được và từ quan điểm giảm thiểu nhiễu từ xung đồng hồ và các quá trình nhất thời.

Độ nhạy của camera CCD

Từ năm 1994, chúng tôi đã sử dụng máy ảnh thẻ SONY trong các thiết bị của mình dựa trên ma trận CCD ICX039. Mô tả của SONY cho thiết bị này cho biết độ nhạy 0,25 lux trên vật thể có khẩu độ ống kính là 1,4. Đã nhiều lần, chúng tôi bắt gặp những chiếc máy ảnh có thông số tương tự (kích thước 1/2 inch, độ phân giải 752*576) và có độ nhạy được công bố là lớn hơn 10 hoặc thậm chí 100 lần so với SONY “của chúng tôi”.

Chúng tôi đã kiểm tra những con số này nhiều lần. Trong hầu hết các trường hợp, trong các máy ảnh của các công ty khác nhau, chúng tôi tìm thấy cùng một ma trận CCD ICX039. Hơn nữa, tất cả các vi mạch “đường ống” cũng do SONY sản xuất. Và thử nghiệm so sánh đã cho thấy gần như hoàn toàn danh tính của tất cả các máy ảnh này. Vậy câu hỏi là gì?

Và toàn bộ câu hỏi là độ nhạy được xác định ở tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (s/n) nào. Trong trường hợp của chúng tôi, công ty SONY đã tận tâm thể hiện độ nhạy ở mức s/n = 46 dB, trong khi các công ty khác không chỉ ra điều này hoặc chỉ ra điều đó theo cách không rõ các phép đo này được thực hiện trong những điều kiện nào.

Nhìn chung đây là tai họa chung của hầu hết các nhà sản xuất máy ảnh - không nêu rõ điều kiện đo thông số máy ảnh.

Thực tế là khi yêu cầu về tỷ lệ S/N giảm, độ nhạy của máy ảnh sẽ tăng tỷ lệ nghịch với bình phương của tỷ lệ S/N yêu cầu:

Ở đâu:
Tôi - sự nhạy cảm;
K - hệ số chuyển đổi;
tỷ lệ s/n - s/n tính theo đơn vị tuyến tính,

Do đó, nhiều công ty muốn chỉ ra độ nhạy của máy ảnh ở tỷ lệ S/N thấp.

Chúng ta có thể nói rằng khả năng “nhìn” tốt hơn hay kém hơn của ma trận được xác định bởi số lượng điện tích được chuyển đổi từ các photon tới trên bề mặt của nó và chất lượng phân phối các điện tích này đến đầu ra. Lượng điện tích tích lũy phụ thuộc vào diện tích của phần tử cảm quang và hiệu suất lượng tử của ma trận CCD, đồng thời chất lượng vận chuyển được xác định bởi nhiều yếu tố, thường phụ thuộc vào một thứ - nhiễu khi đọc. Nhiễu đầu ra của ma trận hiện đại vào khoảng 10-30 electron hoặc thậm chí ít hơn!

Diện tích của các phần tử của ma trận CCD là khác nhau, nhưng giá trị tiêu biểu cho ma trận 1/2 inch đối với camera truyền hình là 8,5 µm * 8,5 µm. Việc tăng kích thước của các phần tử dẫn đến tăng kích thước của ma trận, điều này làm tăng giá thành của chúng không quá nhiều do giá sản xuất thực tế tăng mà do việc sản xuất hàng loạt các thiết bị đó bị trì hoãn. nhỏ hơn vài bậc. Ngoài ra, diện tích của vùng cảm quang bị ảnh hưởng bởi cấu trúc liên kết của ma trận đến mức tỷ lệ phần trăm trên tổng bề mặt của tinh thể bị chiếm bởi vùng nhạy cảm (hệ số lấp đầy). Trong một số ma trận đặc biệt, hệ số lấp đầy được cho là 100%.

Hiệu suất lượng tử (điện tích trung bình của một tế bào nhạy cảm trong các electron thay đổi bao nhiêu khi một photon rơi trên bề mặt của nó) đối với các ma trận hiện đại là 0,4-0,6 (đối với một số ma trận không có hiện tượng chống nở hoa, nó đạt tới 0,85).

Như vậy, có thể thấy rằng độ nhạy của camera CCD, liên quan đến một giá trị S/N nhất định, đã tiến gần đến giới hạn vật lý. Theo kết luận của chúng tôi, các giá trị độ nhạy điển hình của máy ảnh sử dụng thông thường ở mức s/w = 46 nằm trong khoảng 0,15-0,25 lux ánh sáng chiếu vào vật thể có khẩu độ ống kính là 1,4.

Về vấn đề này, chúng tôi khuyên bạn không nên tin tưởng một cách mù quáng vào các số liệu về độ nhạy được nêu trong mô tả của máy ảnh truyền hình, đặc biệt khi không đưa ra các điều kiện để xác định thông số này và nếu bạn thấy trong hộ chiếu của một chiếc máy ảnh có giá lên tới 500 đô la, độ nhạy của 0,01-0,001 lux ở chế độ tivi, thì trước mặt bạn là một ví dụ về, nói một cách nhẹ nhàng, thông tin không chính xác.

Về các cách tăng độ nhạy của camera CCD

Bạn sẽ làm gì nếu cần chụp ảnh một vật thể rất mờ, chẳng hạn như một thiên hà xa xôi?

Một cách để giải quyết vấn đề này là tích lũy hình ảnh theo thời gian. Việc thực hiện phương pháp này có thể làm tăng đáng kể độ nhạy của CCD. Tất nhiên, phương pháp này có thể được áp dụng cho các vật thể quan sát đứng yên hoặc trong trường hợp chuyển động có thể được bù lại, như được thực hiện trong thiên văn học.

Hình 1 Tinh vân hành tinh M57.

Kính thiên văn: 60 cm, phơi sáng - 20 giây, nhiệt độ khi phơi sáng - 20 C.
Ở trung tâm của tinh vân có một vật thể sao có cấp sao 15.
Hình ảnh được V. Amirkhanyan thu được tại Đài quan sát vật lý thiên văn đặc biệt của Viện Hàn lâm Khoa học Nga.

Có thể khẳng định với độ chính xác hợp lý rằng độ nhạy của camera CCD tỷ lệ thuận với thời gian phơi sáng.

Ví dụ: độ nhạy ở tốc độ màn trập 1 giây so với 1/50 ban đầu sẽ tăng 50 lần, tức là. nó sẽ tốt hơn - 0,005 lux.

Tất nhiên, có những vấn đề dọc theo con đường này, và trước hết, đây là dòng điện tối của ma trận, mang theo các điện tích tích lũy đồng thời với tín hiệu hữu ích. Dòng điện tối trước hết được xác định bởi công nghệ sản xuất tinh thể, thứ hai là bởi trình độ công nghệ và tất nhiên, ở mức độ rất lớn bởi nhiệt độ hoạt động của chính ma trận.

Thông thường, để đạt được thời gian tích tụ lâu, có thể từ vài phút đến hàng chục phút, nền được làm lạnh xuống âm 20-40 độ. C. Vấn đề làm mát ma trận đến nhiệt độ như vậy đã được giải quyết, nhưng không thể nói rằng điều này không thể thực hiện được, vì luôn có các vấn đề về thiết kế và vận hành liên quan đến hiện tượng mờ kính bảo vệ và thoát nhiệt từ điểm nóng của một tủ lạnh nhiệt điện.

Đồng thời, tiến bộ công nghệ trong việc sản xuất ma trận CCD cũng ảnh hưởng đến một tham số như dòng điện tối. Ở đây những thành tựu rất đáng kể và dòng tối của một số ma trận hiện đại tốt là rất nhỏ. Theo kinh nghiệm của chúng tôi, máy ảnh không có hệ thống làm mát cho phép phơi sáng ở nhiệt độ phòng trong vòng hàng chục giây và có khả năng bù nền tối lên đến vài phút. Ví dụ: đây là ảnh chụp tinh vân hành tinh M57, thu được bằng hệ thống video VS-a-tandem-56/2 không làm mát với độ phơi sáng 20 giây.

Cách thứ hai để tăng độ nhạy là sử dụng bộ chuyển đổi quang điện tử (EOC). Bộ tăng cường hình ảnh là thiết bị tăng cường quang thông. Các ống tăng cường hình ảnh hiện đại có thể có giá trị khuếch đại rất lớn, tuy nhiên, không đi sâu vào chi tiết, chúng ta có thể nói rằng việc sử dụng ống tăng cường hình ảnh chỉ có thể cải thiện độ nhạy ngưỡng của máy ảnh và do đó không nên để mức tăng quá lớn.

Độ nhạy quang phổ của camera CCD


Hình 2 Đặc tính quang phổ của các ma trận khác nhau

Đối với một số ứng dụng, độ nhạy quang phổ của CCD là một yếu tố quan trọng. Vì tất cả các CCD đều được chế tạo trên cơ sở silicon, nên ở dạng “trần” của chúng, độ nhạy quang phổ của CCD tương ứng với thông số này của silicon (xem Hình 2).

Như bạn có thể thấy, với tất cả các đặc điểm đa dạng, ma trận CCD có độ nhạy tối đa trong phạm vi màu đỏ và cận hồng ngoại (IR) và hoàn toàn không nhìn thấy gì trong phần xanh tím của quang phổ. Độ nhạy cận hồng ngoại của CCD được sử dụng trong các hệ thống giám sát bí mật được chiếu sáng bằng nguồn sáng hồng ngoại, cũng như khi đo trường nhiệt của các vật thể có nhiệt độ cao.


Cơm. 3 Đặc điểm phổ điển hình của ma trận đen trắng SONY.

SONY sản xuất tất cả các ma trận đen trắng với các đặc điểm quang phổ sau (xem Hình 3). Như bạn có thể thấy từ hình này, độ nhạy của CCD ở vùng IR gần giảm đáng kể, nhưng ma trận bắt đầu nhận biết vùng màu xanh lam của quang phổ.

Đối với nhiều mục đích đặc biệt khác nhau, các ma trận nhạy cảm trong phạm vi tia cực tím và thậm chí cả tia X đang được phát triển. Thông thường những thiết bị này là duy nhất và giá của chúng khá cao.

Giới thiệu về quét liên tục và quét xen kẽ

Tín hiệu truyền hình tiêu chuẩn được phát triển cho hệ thống truyền hình quảng bá và theo quan điểm của các hệ thống xử lý và đầu vào hình ảnh hiện đại, nó có một nhược điểm lớn. Mặc dù tín hiệu TV chứa 625 dòng (trong đó có khoảng 576 dòng chứa thông tin video), 2 nửa khung hình được hiển thị tuần tự, bao gồm các dòng chẵn (nửa khung hình chẵn) và các dòng lẻ (nửa khung hình lẻ). Điều này dẫn đến thực tế là nếu một hình ảnh chuyển động được đưa vào thì phân tích không thể sử dụng độ phân giải Y nhiều hơn số dòng trong một nửa khung hình (288). Ngoài ra, trong các hệ thống hiện đại, khi hình ảnh được hiển thị trên màn hình máy tính (có chức năng quét lũy tiến), hình ảnh đầu vào từ camera xen kẽ khi vật thể đang chuyển động sẽ gây ra hiệu ứng hình ảnh khó chịu gấp đôi.

Tất cả các phương pháp khắc phục nhược điểm này đều dẫn đến sự suy giảm độ phân giải dọc. Cách duy nhất để khắc phục nhược điểm này và đạt được độ phân giải phù hợp với độ phân giải của CCD là chuyển sang chế độ quét lũy tiến trong CCD. Các nhà sản xuất CCD sản xuất những ma trận như vậy, nhưng do số lượng sản xuất ít nên giá của những ma trận và camera như vậy cao hơn nhiều so với những ma trận thông thường. Ví dụ: giá của ma trận SONY có quét lũy tiến ICX074 cao gấp 3 lần ICX039 (quét xen kẽ).

Tùy chọn máy ảnh khác

Những cái khác bao gồm một tham số như "nở hoa", tức là Sự lan truyền điện tích trên bề mặt của ma trận khi các phần tử riêng lẻ của nó bị phơi sáng quá mức. Trong thực tế, trường hợp như vậy có thể xảy ra, chẳng hạn như khi quan sát các vật thể có ánh sáng chói. Đây là một hiệu ứng khá khó chịu của CCD, vì một vài điểm sáng có thể làm biến dạng toàn bộ hình ảnh. May mắn thay, nhiều ma trận hiện đại có chứa các thiết bị chống nở hoa. Vì vậy, trong phần mô tả của một số ma trận SONY mới nhất, chúng tôi đã tìm thấy 2000, đặc trưng cho tình trạng quá tải ánh sáng cho phép của từng ô riêng lẻ, chưa dẫn đến sự phân tán điện tích. Đây là một giá trị khá cao, đặc biệt là vì kết quả này có thể đạt được, như kinh nghiệm của chúng tôi đã chỉ ra, chỉ với sự điều chỉnh đặc biệt của các trình điều khiển trực tiếp điều khiển ma trận và kênh tiền khuếch đại tín hiệu video. Ngoài ra, ống kính còn góp phần vào việc “phân tán” các điểm sáng, vì với tình trạng quá tải ánh sáng lớn như vậy, ngay cả sự tán xạ nhỏ ngoài điểm chính cũng mang lại sự hỗ trợ ánh sáng đáng chú ý cho các phần tử lân cận.

Ở đây cũng cần lưu ý rằng theo một số dữ liệu mà chúng tôi chưa tự xác minh, ma trận chống nở hoa có hiệu suất lượng tử thấp hơn 2 lần so với ma trận không chống nở hoa. Về vấn đề này, trong các hệ thống đòi hỏi độ nhạy rất cao, có thể hợp lý khi sử dụng ma trận không chống hiện tượng nở hoa (thường đây là những nhiệm vụ đặc biệt như nhiệm vụ thiên văn).

Giới thiệu về máy ảnh màu

Các tài liệu trong phần này phần nào vượt ra ngoài phạm vi xem xét các hệ thống đo lường mà chúng tôi đã thiết lập, tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi máy ảnh màu (thậm chí nhiều hơn cả đen trắng) buộc chúng tôi phải làm rõ vấn đề này, đặc biệt khi Khách hàng thường cố gắng sử dụng máy ảnh đen trắng với máy ảnh của chúng tôi, máy ảnh truyền hình màu có bộ lấy khung màu trắng, và họ rất ngạc nhiên khi tìm thấy một số vết bẩn trong hình ảnh thu được và độ phân giải của hình ảnh không đủ. Hãy giải thích những gì đang xảy ra ở đây.

Có 2 cách để tạo tín hiệu màu:

  • 1. sử dụng máy ảnh ma trận đơn.
  • 2. Sử dụng hệ thống 3 ma trận CCD có đầu tách màu để thu được các thành phần R, G, B của tín hiệu màu trên các ma trận này.

Cách thứ hai mang lại chất lượng tốt nhất và là cách duy nhất để có được hệ thống đo lường; tuy nhiên, camera hoạt động theo nguyên tắc này khá đắt (hơn 3000 USD).

Trong hầu hết các trường hợp, camera CCD đơn chip được sử dụng. Hãy nhìn vào nguyên tắc hoạt động của họ.

Như đã thấy rõ từ các đặc tính phổ khá rộng của ma trận CCD, nó không thể xác định “màu” của một photon chạm vào bề mặt. Vì vậy, để nhập được ảnh màu, trước mỗi phần tử của ma trận CCD phải lắp một bộ lọc ánh sáng. Trong trường hợp này, tổng số phần tử ma trận vẫn giữ nguyên. Ví dụ, SONY tạo ra các ma trận CCD giống hệt nhau cho các phiên bản đen trắng và màu, chỉ khác nhau ở sự hiện diện của một lưới các bộ lọc ánh sáng trong ma trận màu, được áp dụng trực tiếp vào các vùng nhạy cảm. Có một số cách tô màu ma trận. Đây là một trong số chúng.

Ở đây có 4 bộ lọc khác nhau được sử dụng (xem Hình 4 và Hình 5).


Hình 4. Phân bố bộ lọc trên các phần tử ma trận CCD



Hình 5. Độ nhạy quang phổ của các phần tử CCD với các bộ lọc khác nhau.

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

Ở dòng A1, tín hiệu chênh lệch màu "đỏ" thu được là:

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

và ở dòng A2 thu được tín hiệu chênh lệch màu “xanh”:

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

Rõ ràng là độ phân giải không gian của ma trận CCD màu, so với cùng một màu đen trắng, thường kém hơn 1,3-1,5 lần theo chiều ngang và chiều dọc. Do sử dụng bộ lọc nên độ nhạy của CCD màu cũng kém hơn so với CCD đen trắng. Do đó, chúng ta có thể nói rằng nếu bạn có bộ thu ma trận đơn 1000 * 800, thì bạn thực sự có thể nhận được khoảng 700 * 550 cho tín hiệu độ sáng và 500 * 400 (có thể là 700 * 400) cho tín hiệu màu.

Bỏ qua vấn đề kỹ thuật, tôi muốn lưu ý rằng vì mục đích quảng cáo, nhiều nhà sản xuất máy ảnh điện tử báo cáo dữ liệu hoàn toàn khó hiểu trên thiết bị của họ. Ví dụ: công ty Kodak công bố độ phân giải của máy ảnh điện tử DC120 là 1200*1000 với ma trận 850x984 pixel. Nhưng thưa quý vị, thông tin không tự nhiên xuất hiện, mặc dù nhìn bề ngoài thì nó trông rất đẹp!

Độ phân giải không gian của tín hiệu màu (tín hiệu mang thông tin về màu sắc của hình ảnh) có thể nói là kém hơn ít nhất 2 lần so với độ phân giải của tín hiệu đen trắng. Ngoài ra, màu “được tính toán” của pixel đầu ra không phải là màu của phần tử tương ứng của ảnh nguồn mà chỉ là kết quả của việc xử lý độ sáng của các phần tử khác nhau của ảnh nguồn. Nói một cách đại khái, do sự chênh lệch rõ rệt về độ sáng của các phần tử lân cận của một vật thể, nên có thể tính toán được một màu hoàn toàn không có ở đó, trong khi một sự dịch chuyển camera nhỏ sẽ dẫn đến sự thay đổi rõ rệt về màu đầu ra. Ví dụ: đường viền của trường màu xám đậm và nhạt sẽ trông giống như bao gồm các hình vuông nhiều màu.

Tất cả những cân nhắc này chỉ liên quan đến nguyên tắc vật lý để thu thập thông tin về ma trận CCD màu, trong khi phải tính đến việc tín hiệu video ở đầu ra của máy ảnh màu thường được trình bày ở một trong các định dạng tiêu chuẩn PAL, NTSC hoặc ít thường xuyên hơn. S-video.

Các định dạng PAL và NTSC tốt vì chúng có thể được tái tạo ngay lập tức trên màn hình tiêu chuẩn có đầu vào video, nhưng chúng ta phải nhớ rằng các tiêu chuẩn này cung cấp dải hẹp hơn đáng kể cho tín hiệu màu, vì vậy sẽ đúng hơn khi nói ở đây về màu sắc, chứ không phải là một hình ảnh màu. Một đặc điểm khó chịu khác của máy ảnh có tín hiệu video mang thành phần màu là sự xuất hiện của các vệt nêu trên trong hình ảnh thu được bằng bộ lấy khung đen trắng. Và vấn đề ở đây là tín hiệu sắc độ nằm gần như ở giữa dải tín hiệu video, tạo ra hiện tượng nhiễu khi vào khung hình. Chúng ta không nhìn thấy hiện tượng giao thoa này trên màn hình tivi vì pha của “giao thoa” này chuyển sang hướng ngược lại sau bốn khung hình và được mắt thường tính trung bình. Do đó, Khách hàng hoang mang khi nhận được một hình ảnh có nhiễu mà anh ta không nhìn thấy.

Từ đó, nếu bạn cần thực hiện một số phép đo hoặc giải mã các vật thể theo màu sắc, thì vấn đề này phải được tiếp cận có tính đến cả các tính năng trên và các tính năng khác trong nhiệm vụ của bạn.

Giới thiệu về ma trận CMOS

Trong thế giới điện tử, mọi thứ đang thay đổi rất nhanh chóng, và mặc dù lĩnh vực bộ tách sóng quang là một trong những lĩnh vực bảo thủ nhất, nhưng các công nghệ mới gần đây đã tiếp cận ở đây. Trước hết, điều này liên quan đến sự xuất hiện của ma trận truyền hình CMOS.

Thật vậy, silicon là một nguyên tố nhạy sáng và bất kỳ sản phẩm bán dẫn nào cũng có thể được sử dụng làm cảm biến. Việc sử dụng công nghệ CMOS mang lại một số lợi thế rõ ràng so với công nghệ truyền thống.

Thứ nhất, công nghệ CMOS được làm chủ tốt và cho phép sản xuất các phần tử có năng suất cao cho các sản phẩm hữu ích.

Thứ hai, công nghệ CMOS cho phép bạn đặt trên ma trận, ngoài khu vực cảm quang, các thiết bị đóng khung khác nhau (lên đến ADC), đã được lắp đặt trước đó “bên ngoài”. Điều này giúp có thể sản xuất máy ảnh có đầu ra kỹ thuật số “trên một con chip”.

Nhờ những ưu điểm này, người ta có thể sản xuất máy ảnh truyền hình rẻ hơn đáng kể. Ngoài ra, phạm vi của các công ty sản xuất ma trận đang mở rộng đáng kể.

Hiện tại, việc sản xuất ma trận truyền hình và máy ảnh sử dụng công nghệ CMOS mới chỉ bắt đầu. Thông tin về các thông số của các thiết bị như vậy là rất khan hiếm. Chúng ta chỉ có thể lưu ý rằng các thông số của các ma trận này không vượt quá những gì hiện đạt được; về mặt giá cả, lợi thế của chúng là không thể phủ nhận.

Hãy để tôi lấy ví dụ về máy ảnh màu đơn chip của Photobit PB-159. Máy ảnh được chế tạo trên một con chip duy nhất và có các thông số kỹ thuật sau:

  • độ phân giải - 512*384;
  • kích thước pixel - 7,9µm*7,9µm;
  • độ nhạy - 1 lux;
  • đầu ra - SRGB 8 bit kỹ thuật số;
  • thân - 44 chân PLCC.

Như vậy, camera bị mất độ nhạy gấp 4 lần, ngoài ra, từ thông tin trên một camera khác, rõ ràng công nghệ này có vấn đề với dòng điện tối tương đối lớn.

Về máy ảnh kỹ thuật số

Gần đây, một phân khúc thị trường mới đã xuất hiện và phát triển nhanh chóng, sử dụng ma trận CCD và CMOS - máy ảnh kỹ thuật số. Hơn nữa, ở thời điểm hiện tại, chất lượng của các sản phẩm này đang tăng mạnh đồng thời với việc giá giảm mạnh. Thật vậy, chỉ 2 năm trước, chỉ riêng một ma trận có độ phân giải 1024*1024 đã có giá khoảng 3000-7000 USD, nhưng giờ đây, những chiếc máy ảnh có ma trận như vậy và một loạt chuông và còi (màn hình LCD, bộ nhớ, ống kính đa dạng, thân máy tiện lợi, v.v. .) có thể được mua với giá dưới $1000 . Điều này chỉ có thể được giải thích bằng việc chuyển sang sản xuất ma trận quy mô lớn.

Vì những máy ảnh này dựa trên ma trận CCD và CMOS nên tất cả các cuộc thảo luận trong bài viết này về độ nhạy và nguyên tắc hình thành tín hiệu màu đều có giá trị đối với chúng.

Thay vì một kết luận

Kinh nghiệm thực tế mà chúng tôi tích lũy được cho phép chúng tôi rút ra những kết luận sau:

  • Công nghệ sản xuất ma trận CCD về độ nhạy và độ ồn rất gần với giới hạn vật lý;
  • trên thị trường máy ảnh truyền hình, bạn có thể tìm thấy những chiếc máy ảnh có chất lượng chấp nhận được, mặc dù có thể cần phải điều chỉnh để đạt được các thông số cao hơn;
  • Đừng để bị đánh lừa bởi những con số về độ nhạy cao được nêu trong tài liệu quảng cáo về máy ảnh;
  • Chưa hết, giá của những chiếc máy ảnh hoàn toàn giống nhau về chất lượng và thậm chí đối với những chiếc máy ảnh đơn giản giống hệt nhau từ những người bán khác nhau có thể chênh lệch hơn hai lần!

Ma trận là thành phần cấu trúc chính của máy ảnh và là một trong những thông số chính được người dùng tính đến khi chọn máy ảnh. Ma trận của máy ảnh kỹ thuật số hiện đại có thể được phân loại theo nhiều dấu hiệu, nhưng ma trận chính và phổ biến nhất vẫn là chia ma trận theo phương pháp đọc phí, trên: ma trận CCD gõ và CMOS ma trận. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các nguyên tắc hoạt động, cũng như ưu điểm và nhược điểm của hai loại ma trận này, vì chúng là những loại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chụp ảnh và quay video hiện đại.

ma trận CCD

Ma trận CCD còn được gọi là ma trận CCD(Thiết bị ghép nối sạc). CCD Ma trận là một tấm hình chữ nhật gồm các phần tử cảm quang (photodiodes) nằm trên một tinh thể silicon bán dẫn. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự chuyển động từng dòng của các điện tích tích tụ trong các lỗ được hình thành bởi các photon trong nguyên tử silicon. Nghĩa là, khi va chạm với photodiode, một photon ánh sáng bị hấp thụ và một electron được giải phóng (xảy ra hiệu ứng quang điện bên trong). Kết quả là, một khoản phí được hình thành và phải được lưu trữ bằng cách nào đó để xử lý tiếp. Với mục đích này, một chất bán dẫn được tích hợp vào chất nền silicon của ma trận, phía trên có một điện cực trong suốt làm từ silicon đa tinh thể. Và là kết quả của việc đặt một điện thế vào điện cực này, cái gọi là giếng thế sẽ được hình thành trong vùng cạn kiệt bên dưới chất bán dẫn, trong đó điện tích nhận được từ các photon được lưu trữ. Khi đọc điện tích từ ma trận, các điện tích (được lưu trữ trong các giếng thế năng) được truyền dọc theo các điện cực chuyển đến cạnh của ma trận (thanh ghi dịch nối tiếp) và hướng tới bộ khuếch đại, khuếch đại tín hiệu và truyền nó đến một đầu nối analog-to- bộ chuyển đổi kỹ thuật số (ADC), từ đó tín hiệu đã chuyển đổi được gửi đến bộ xử lý xử lý tín hiệu và lưu hình ảnh thu được vào thẻ nhớ .

Điốt quang polysilicon được sử dụng để tạo ra ma trận CCD. Những ma trận như vậy có kích thước nhỏ và cho phép bạn có được những bức ảnh chất lượng khá cao khi chụp trong điều kiện ánh sáng bình thường.

Ưu điểm của CCD:

  1. Thiết kế của ma trận cung cấp mật độ bố trí cao của các tế bào quang điện (pixel) trên đế;
  2. Hiệu suất cao (tỷ lệ photon đăng ký trên tổng số của chúng là khoảng 95%);
  3. Độ nhạy cao;
  4. Khả năng hiển thị màu sắc tốt (có đủ ánh sáng).

Nhược điểm của CCD:

  1. Độ nhiễu cao ở ISO cao (ở ISO thấp, độ nhiễu ở mức vừa phải);
  2. Tốc độ hoạt động thấp so với ma trận CMOS;
  3. Tiêu thụ điện năng cao;
  4. Công nghệ đọc tín hiệu phức tạp hơn vì cần nhiều chip điều khiển;
  5. Sản xuất đắt hơn ma trận CMOS.

Ma trận CMOS

Ma trận CMOS, hoặc Ma trận CMOS(Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung) sử dụng cảm biến điểm hoạt động. Không giống như CCD, cảm biến CMOS chứa một bóng bán dẫn riêng biệt trong mỗi phần tử nhạy sáng (pixel), do đó quá trình chuyển đổi điện tích được thực hiện trực tiếp trong pixel. Điện tích thu được có thể được đọc từ từng pixel riêng lẻ, loại bỏ nhu cầu truyền điện tích (như xảy ra trong CCD). Các pixel của cảm biến CMOS được tích hợp trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số hoặc thậm chí là bộ xử lý. Nhờ sử dụng công nghệ hợp lý như vậy, việc tiết kiệm năng lượng xảy ra do giảm chuỗi hành động so với ma trận CCD, cũng như giảm giá thành của thiết bị do thiết kế đơn giản hơn.


Nguyên lý hoạt động ngắn gọn của cảm biến CMOS: 1) Trước khi chụp, tín hiệu đặt lại được cấp cho bóng bán dẫn đặt lại. 2) Trong quá trình phơi sáng, ánh sáng xuyên qua thấu kính và lọc đến photodiode và do quá trình quang hợp, một điện tích sẽ tích tụ trong giếng thế năng. 3) Giá trị của điện áp nhận được được đọc. 4) Xử lý dữ liệu và lưu ảnh.

Ưu điểm của cảm biến CMOS:

  1. Tiêu thụ điện năng thấp (đặc biệt ở chế độ chờ);
  2. Hiệu suất cao;
  3. Đòi hỏi chi phí sản xuất ít hơn do công nghệ tương tự như sản xuất vi mạch;
  4. Sự thống nhất của công nghệ với các yếu tố kỹ thuật số khác, cho phép bạn kết hợp các bộ phận tương tự, kỹ thuật số và xử lý trên một chip (tức là ngoài việc thu ánh sáng trong pixel, bạn có thể chuyển đổi, xử lý và xóa tín hiệu khỏi nhiễu).
  5. Khả năng truy cập ngẫu nhiên vào từng pixel hoặc nhóm pixel, cho phép bạn giảm kích thước của hình ảnh được chụp và tăng tốc độ đọc.

Nhược điểm của ma trận CMOS:

  1. Photodiode chiếm một vùng pixel nhỏ, dẫn đến độ nhạy sáng của ma trận thấp, nhưng trong ma trận CMOS hiện đại, nhược điểm này trên thực tế đã được loại bỏ;
  2. Sự hiện diện của nhiễu nhiệt từ các bóng bán dẫn đốt nóng bên trong pixel trong quá trình đọc.
  3. Kích thước tương đối lớn, thiết bị quang với loại ma trận này có đặc điểm là trọng lượng và kích thước lớn.

Ngoài các loại trên còn có ma trận ba lớp, mỗi lớp là một CCD. Sự khác biệt là các tế bào có thể đồng thời cảm nhận được ba màu được hình thành bởi lăng kính lưỡng sắc khi một chùm ánh sáng chiếu vào chúng. Mỗi chùm tia sau đó được dẫn tới một ma trận riêng biệt. Kết quả là độ sáng của các màu xanh lam, đỏ và xanh lục được xác định ngay trên tế bào quang điện. Ma trận ba lớp được sử dụng trong các máy quay video cấp cao, có ký hiệu đặc biệt - 3CCD.

Tóm lại, tôi muốn lưu ý rằng với sự phát triển của công nghệ sản xuất ma trận CCD và CMOS, đặc tính của chúng cũng thay đổi, do đó ngày càng khó để nói ma trận nào chắc chắn tốt hơn, nhưng đồng thời, CMOS ma trận gần đây ngày càng trở nên phổ biến trong sản xuất máy ảnh SLR. Dựa trên các đặc điểm đặc trưng của các loại ma trận khác nhau, người ta có thể hiểu rõ lý do tại sao thiết bị chụp ảnh chuyên nghiệp mang lại chất lượng chụp ảnh cao lại khá cồng kềnh và nặng nề. Thông tin này chắc chắn phải được ghi nhớ khi chọn máy ảnh - nghĩa là phải tính đến kích thước vật lý của ma trận chứ không phải số lượng pixel.

ma trận CCD(viết tắt từ “ P xương sườn với h aryadova Với chữ ghép") hoặc ma trận CCD(viết tắt từ Tiếng Anh CCD, "Thiết bị ghép nối sạc") - analog chuyên dụng mạch tích hợp, bao gồm cảm quang điốt quang, được thực hiện trên cơ sở silic, sử dụng công nghệ CCD- thiết bị có khớp nối điện tích.

Ma trận CCD được các công ty sản xuất và sử dụng tích cực Nikon, Canon, Sony, Phú Sĩ, Kodak, Matsushita, Philips và nhiều người khác. Ở Nga, ma trận CCD ngày nay được phát triển và sản xuất bởi NPP ELAR CJSC, St. Petersburg.

    1 Lịch sử của CCD

    2 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động

    • 2.1 Ví dụ về pixel con CCD có túi loại n

    3 Phân loại theo phương pháp đệm

    • 3.1 Cảm biến chuyển khung hình đầy đủ

      3.2 Ma trận đệm khung

      3.3 Ma trận đệm cột

    4 Phân loại theo kiểu quét

    • 4.1 Ma trận cho máy quay video

    5 Kích thước của ma trận ảnh

    6 Một số loại ma trận đặc biệt

    • 6.1 Thước đo cảm quang

      6.2 Cảm biến tọa độ và góc

      6.3 Ma trận chiếu sáng ngược

    7 Nhạy cảm với ánh sáng

    8 Xem thêm

    9 Ghi chú

Lịch sử của CCD

Thiết bị ghép điện tích được phát minh vào năm 1969 Willard Boyle Và George Smith tại Phòng thí nghiệm Bell (AT&T Phòng thí nghiệm Bell). Các phòng thí nghiệm đang nghiên cứu về điện thoại video ( Tiếng Anh hình ảnh điện thoại) và sự phát triển của “bộ nhớ bong bóng bán dẫn” ( Tiếng Anh chất bán dẫn bong bóng ký ức ). Các thiết bị kết hợp điện tích bắt đầu hoạt động như các thiết bị bộ nhớ trong đó điện tích chỉ có thể được đặt vào thanh ghi đầu vào của thiết bị. Tuy nhiên, khả năng phần tử bộ nhớ của thiết bị nhận được điện tích do hiệu ứng quang điệnđã biến ứng dụng này của thiết bị CCD thành ứng dụng chính.

TRONG 1970 Các nhà nghiên cứu Phòng thí nghiệm Bellđã học cách chụp ảnh bằng các thiết bị tuyến tính đơn giản.

Sau đó, dưới sự lãnh đạo của Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama) công ty Sonyđã tích cực tham gia vào CCD, đầu tư mạnh vào nó và cố gắng thiết lập việc sản xuất hàng loạt CCD cho máy quay video của mình.

Iwama qua đời vào tháng 8 1982. Chip CCDđược đặt trên bia mộ của ông để ghi nhớ những đóng góp của ông.

Trong tháng Một 2006 cho công việc về CCD W. Boyle Và J. SmithĐã được trao Học viện Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (Tiếng Anh Quốc gia Học viện của Kỹ thuật).

TRONG 2009 những người sáng tạo CCD này đã được trao giải Giải Nobel Vật lý.

Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động

Ma trận CCD bao gồm đa silic, được tách ra khỏi đế silicon, trong đó, khi điện áp được đặt qua các cổng polysilicon, điện thế ở vùng lân cận sẽ thay đổi điện cực.

Trước khi tiếp xúc, thông thường bằng cách áp một tổ hợp điện áp nhất định vào các điện cực, tất cả các điện tích hình thành trước đó sẽ được đặt lại và tất cả các phần tử được đưa về trạng thái giống hệt nhau.

Tiếp theo, sự kết hợp của các điện áp trên các điện cực tạo ra một giếng điện thế trong đó các electron hình thành trong một pixel nhất định của ma trận do tiếp xúc với ánh sáng trong quá trình tiếp xúc có thể tích tụ. Quang thông càng mạnh trong thời gian sự trình bày, nó càng tích lũy điện tử trong một giếng tiềm năng, theo đó, điện tích cuối cùng của một giếng nhất định càng cao điểm ảnh.

Sau khi tiếp xúc, những thay đổi liên tiếp về điện áp trên các điện cực tạo thành sự phân bố điện thế trong mỗi pixel và bên cạnh nó, dẫn đến dòng điện tích theo một hướng nhất định đến các phần tử đầu ra của ma trận.

Ví dụ về pixel con CCD có túi loại n

Các nhà sản xuất có kiến ​​trúc pixel khác nhau.

Sơ đồ các pixel con của ma trận CCD có túi loại n (sử dụng ví dụ về bộ tách sóng quang màu đỏ)

Các ký hiệu trên sơ đồ pixel phụ CCD:

    1 – Photon ánh sáng truyền qua thấu kính máy ảnh;

    2 - Ống kính micro pixel phụ;

    3 - R - bộ lọc pixel phụ màu đỏ, đoạn Bộ lọc Bayer;

    4 - Điện cực trong suốt làm bằng đa tinh thể silic hoặc oxit thiếc;

    5 - Chất cách điện (silicon oxit);

    6 - Kênh silicon loại N. Vùng tạo sóng mang (vùng hiệu ứng quang điện bên trong);

    7 - Vùng giếng tiềm năng (túi loại n), nơi thu thập các electron từ vùng tạo sóng mang;

    8 - chất nền silicon loại p;

Phân loại theo phương pháp đệm

[Cảm biến chuyển khung hình đầy đủ

Ma trận đệm khung

Ma trận đệm cột

Kích thước của ma trận ảnh

Cảm biến tọa độ và góc

Ma trận chiếu sáng ngược

Trong mạch CCD cổ điển sử dụng các điện cực silicon đa tinh thể, độ nhạy sáng bị hạn chế do sự tán xạ một phần ánh sáng bởi bề mặt điện cực. Do đó, khi chụp trong các điều kiện đặc biệt đòi hỏi độ nhạy sáng cao hơn ở vùng xanh lam và tia cực tím của quang phổ, ma trận chiếu sáng ngược được sử dụng ( Tiếng Anh mặt sau- chiếu sáng ma trận). Trong các cảm biến loại này, dữ liệu được ghi lại ánh sáng rơi xuống bề mặt, nhưng để đạt được hiệu ứng quang học bên trong cần thiết, lớp nền được mài đến độ dày 10-15 ừm. Giai đoạn xử lý này làm tăng đáng kể chi phí của ma trận; các thiết bị trở nên rất dễ vỡ và cần được chăm sóc nhiều hơn trong quá trình lắp ráp và vận hành. Và khi sử dụng các bộ lọc làm suy yếu luồng ánh sáng, mọi thao tác tốn kém để tăng độ nhạy đều trở nên vô nghĩa. Vì vậy, ma trận chiếu sáng ngược chủ yếu được sử dụng trong nhiếp ảnh thiên văn.

Nhạy cảm với ánh sáng

Độ nhạy của ma trận bao gồm độ nhạy sáng của tất cả các cảm biến ảnh(pixel) và thường phụ thuộc vào:

    độ nhạy sáng tích hợp, đó là tỉ số của số lượng hiệu ứng quang điệnĐẾN ánh sáng thông lượng (tính bằng lumen) từ nguồn bức xạ có thành phần quang phổ chuẩn hóa;

    cảm quang đơn sắc"- tỷ lệ độ lớn hiệu ứng quang điệnđến kích thước ánh sáng năng lượng bức xạ (tính bằng milielectronvolt) tương ứng với một bước sóng nhất định;

    tập hợp tất cả các giá trị ISO đơn sắc cho phần được chọn quang phổánh sáng là độ nhạy quang phổ- sự phụ thuộc của độ nhạy sáng vào bước sóng ánh sáng;

Bộ chuyển đổi quang điện trạng thái rắn (SPEC) của hình ảnh tương tự như CRT truyền.

TFEC có từ năm 1970, với cái gọi là CCD và được hình thành trên cơ sở các tế bào riêng lẻ, là các tụ điện có cấu trúc MIS hoặc MOS. Một trong những bản của tụ điện cơ bản như vậy là màng kim loại M, bản thứ hai là chất nền bán dẫn P ( P- hoặc N-có tính dẫn điện), chất điện môi D là chất bán dẫn lắng đọng dưới dạng một lớp mỏng trên đế P. Chất nền P là silicon có pha tạp chất nhận ( P-type) hoặc nhà tài trợ ( N-type) tạp chất và dưới dạng D – silicon oxit SiO 2 (xem Hình 8.8).

Cơm. 8,8. tụ điện MOS

Cơm. 8,9. Sự chuyển động của điện tích dưới tác dụng của điện trường

Cơm. 8.10. Nguyên lý làm việc của hệ thống CCD ba pha

Cơm. 8.11. Chuyển động của điện tích trong hệ thống CCD hai pha

Khi đặt điện áp vào một điện cực kim loại, một “túi” hoặc giếng thế sẽ được hình thành bên dưới nó, trong đó các hạt mang điện thiểu số (trong trường hợp của chúng ta là các electron) có thể “tích lũy” và các hạt mang điện đa số, lỗ trống, sẽ bị đẩy ra khỏi M. Ở một khoảng cách nào đó so với bề mặt, nồng độ chất mang thiểu số có thể cao hơn nồng độ chất mang chính. Gần chất điện môi D, một lớp nghịch đảo xuất hiện trong chất nền P, trong đó loại độ dẫn điện thay đổi theo hướng ngược lại.

Gói sạc trong CCD có thể được đưa vào bằng điện hoặc sử dụng nguồn sáng. Trong quá trình tạo ra ánh sáng, các quá trình quang điện xảy ra trong silicon sẽ dẫn đến sự tích tụ thiểu số chất mang trong các giếng thế. Điện tích tích lũy tỷ lệ thuận với độ chiếu sáng và thời gian tích lũy. Việc truyền điện tích có hướng vào CCD đạt được bằng cách đặt các tụ điện MOS gần nhau đến mức các vùng cạn kiệt của chúng chồng lên nhau và các giếng điện thế được kết nối. Trong trường hợp này, điện tích di động của các nhà mạng thiểu số sẽ tích lũy ở nơi có giếng tiềm năng sâu hơn.

Để một điện tích tích tụ dưới điện cực dưới tác dụng của ánh sáng bạn 1 (xem Hình 8.9). Nếu bây giờ đến điện cực liền kề bạn 2 áp dụng điện áp bạn 2 >Bạn 1, thì một lỗ tiềm năng khác sẽ xuất hiện gần đó, sâu hơn ( bạn 2 >Bạn 1). Một vùng điện trường sẽ xuất hiện giữa chúng và các hạt mang thiểu số (electron) sẽ trôi dạt (dòng) vào một “túi” sâu hơn (xem Hình 8.9). Để loại bỏ hiện tượng hai chiều trong quá trình truyền điện tích, một chuỗi các điện cực được sử dụng, kết hợp thành nhóm 3 điện cực (xem Hình 8.10).

Ví dụ, nếu một điện tích đã tích tụ dưới điện cực 4 và cần phải chuyển nó sang bên phải, thì điện áp cao hơn sẽ được đặt vào điện cực bên phải 5 ( bạn 2 >Bạn 1) và điện tích chảy vào nó, v.v.


Hầu như toàn bộ bộ điện cực được kết nối với ba bus:

Tôi – 1, 4, 7,…

II – 2, 5, 8,…

III – 3, 6, 9,…

Trong trường hợp của chúng tôi, điện áp “tiếp nhận” ( bạn 2) sẽ nằm trên điện cực 2 và 5, nhưng điện cực 2 được tách khỏi điện cực 4, nơi điện tích được lưu trữ, bằng điện cực 3 (mà

bạn 3 = 0), do đó sẽ không có dòng chảy sang trái.

Hoạt động CCD ba chu kỳ liên quan đến sự hiện diện của ba điện cực (tế bào) trên mỗi phần tử hình ảnh TV, làm giảm diện tích sử dụng được của luồng ánh sáng. Để giảm số lượng tế bào CCD (điện cực), các điện cực kim loại và lớp điện môi được tạo thành theo hình bậc thang (xem Hình 8.11). Điều này cho phép, khi các xung điện áp được áp vào các điện cực, sẽ tạo ra các giếng tiềm năng có độ sâu khác nhau dưới các phần khác nhau của điện cực. Hầu hết điện tích từ tế bào lân cận chảy vào lỗ sâu hơn.

Với hệ thống CCD hai pha, số lượng điện cực (tế bào) trong ma trận giảm đi một phần ba, điều này có tác dụng hữu ích trong việc đọc mức giảm điện thế.

CCD ban đầu được đề xuất sử dụng trong điện toán làm thiết bị lưu trữ và thanh ghi dịch chuyển. Ở đầu chuỗi, một diode phun được đặt, đưa điện tích vào hệ thống và ở cuối chuỗi - một diode đầu ra, thường là n-p- hoặc p-n- sự chuyển tiếp của các cấu trúc MOS hình thành các bóng bán dẫn hiệu ứng trường với các điện cực (tế bào) đầu tiên và cuối cùng của chuỗi CCD.

Nhưng người ta nhanh chóng nhận ra rằng CCD rất nhạy cảm với ánh sáng, và do đó chúng được sử dụng làm máy dò ánh sáng tốt hơn và hiệu quả hơn là làm thiết bị lưu trữ.

Nếu ma trận CCD được sử dụng làm bộ tách sóng quang, thì việc tích lũy điện tích dưới điện cực này hoặc điện cực khác có thể được thực hiện bằng phương pháp quang học (tiêm ánh sáng). Chúng ta có thể nói rằng CCD về cơ bản là các thanh ghi dịch chuyển tương tự nhạy sáng. Ngày nay, CCD không được sử dụng làm thiết bị lưu trữ (thiết bị bộ nhớ) mà chỉ được sử dụng làm bộ tách sóng quang. Chúng được sử dụng trong máy fax, máy quét (mảng CCD), máy ảnh và máy quay video (mảng CCD). Thông thường, camera TV sử dụng cái gọi là chip CCD.

Chúng tôi giả định rằng 100% phí sẽ được chuyển sang túi liền kề. Tuy nhiên, trên thực tế chúng ta phải tính đến tổn thất. Một trong những nguồn gây tổn thất là “bẫy” có thể bắt và giữ điện tích trong một thời gian. Những điện tích này không có thời gian để chảy vào túi lân cận nếu tốc độ truyền cao.

Nguyên nhân thứ hai chính là cơ chế dòng chảy. Tại thời điểm đầu tiên, sự truyền điện tích xảy ra trong điện trường mạnh - trôi dạt vào E. Tuy nhiên, khi các điện tích di chuyển, cường độ trường giảm xuống và quá trình trôi dạt mờ dần, do đó phần cuối cùng di chuyển do khuếch tán, chậm hơn 100 lần so với sự trôi dạt. Chờ đợi phần cuối cùng đồng nghĩa với việc giảm hiệu suất. Drift cung cấp hơn 90% chuyển khoản. Nhưng tỷ lệ phần trăm cuối cùng mới là yếu tố chính quyết định tổn thất.

Đặt hệ số truyền của một chu kỳ truyền bằng k= 0,99, giả sử số chu kỳ bằng nhau N= 100, ta xác định được hệ số truyền tổng:

0,99 100 = 0,366

Rõ ràng là với một số lượng lớn các phần tử, ngay cả những tổn thất nhỏ trên một phần tử cũng trở nên có tầm quan trọng lớn đối với toàn bộ chuỗi.

Vì vậy, vấn đề giảm số lần truyền điện tích trong ma trận CCD là đặc biệt quan trọng. Về vấn đề này, hệ số truyền điện tích của ma trận CCD hai pha sẽ cao hơn một chút so với hệ thống ba pha.

Giới thiệu

Trong khóa học này, tôi sẽ xem xét thông tin chung về các thiết bị ghép điện tích, các thông số, lịch sử hình thành và đặc điểm của camera CCD hồng ngoại giữa hiện đại.

Kết quả của khóa học là tôi đã nghiên cứu tài liệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng của camera CCD tầm trung IR.

CCD. Nguyên lý vật lý hoạt động của CCD. ma trận CCD

Thiết bị ghép điện tích (CCD) là một chuỗi các cấu trúc MIS (kim loại-điện môi-bán dẫn) đơn giản được hình thành trên nền bán dẫn thông thường theo cách mà các dải điện cực kim loại tạo thành một hệ thống tuyến tính hoặc ma trận đều đặn, trong đó khoảng cách giữa các điện cực liền kề điện cực đủ nhỏ (Hình 1). Tình huống này xác định thực tế rằng yếu tố quyết định hoạt động của thiết bị là sự ảnh hưởng lẫn nhau của các cấu trúc MIS lân cận.

Hình 1 - Cấu trúc CCD

Mục đích chức năng chính của CCD cảm quang là chuyển đổi hình ảnh quang học thành chuỗi xung điện (hình thành tín hiệu video), cũng như lưu trữ và xử lý thông tin kỹ thuật số và tương tự.

CCD được làm từ silicon đơn tinh thể. Để làm được điều này, một màng điện môi silicon dioxide mỏng (0,1-0,15 micron) được tạo ra trên bề mặt của tấm wafer silicon bằng quá trình oxy hóa nhiệt. Quá trình này được thực hiện theo cách đảm bảo sự hoàn hảo của giao diện bán dẫn-điện môi và giảm thiểu sự tập trung của các trung tâm tái hợp tại giao diện. Các điện cực của các phần tử MIS riêng lẻ được làm bằng nhôm, chiều dài của chúng là 3-7 micron, khoảng cách giữa các điện cực là 0,2-3 micron. Số lượng phần tử MIS điển hình là 500-2000 trong CCD tuyến tính và ma trận; khu vực tấm Dưới các điện cực bên ngoài của mỗi hàng, các mối nối p-n được tạo ra, dành cho đầu vào và đầu ra của các phần điện tích (gói điện tích). phương pháp (tiêm qua tiếp giáp p-n). Với quang điện Khi nhập các gói sạc, CCD sẽ được chiếu sáng từ phía trước hoặc phía sau. Khi được chiếu sáng từ phía trước, để tránh hiệu ứng che bóng của các điện cực, nhôm thường được thay thế bằng các màng silicon đa tinh thể pha tạp nặng (polysilicon), trong suốt ở vùng khả kiến ​​và gần IR của quang phổ.

Nguyên lý làm việc của CCD

Nguyên lý hoạt động chung của CCD như sau. Nếu một điện áp âm được đặt vào bất kỳ điện cực kim loại nào của CCD, thì dưới tác dụng của điện trường tạo ra, các electron, là hạt tải điện chính trong chất nền, sẽ di chuyển ra khỏi bề mặt vào độ sâu của chất bán dẫn. Một vùng cạn kiệt được hình thành gần bề mặt, trong sơ đồ năng lượng biểu thị một giếng tiềm năng cho các hạt mang thiểu số - các lỗ trống. Các lỗ trống bằng cách nào đó đi vào vùng này sẽ bị thu hút bởi giao diện chất điện môi-bán dẫn và được định vị trong một lớp hẹp gần bề mặt.

Nếu bây giờ đặt một điện áp âm có biên độ lớn hơn vào điện cực liền kề, một giếng thế sâu hơn sẽ được hình thành và các lỗ sẽ di chuyển vào trong đó. Bằng cách áp dụng các điện áp điều khiển cần thiết cho các điện cực CCD khác nhau, có thể đảm bảo cả việc lưu trữ điện tích ở các vùng gần bề mặt nhất định và chuyển động có hướng của điện tích dọc theo bề mặt (từ cấu trúc này sang cấu trúc khác). Việc đưa gói điện tích (ghi) có thể được thực hiện bằng điểm nối p-n, ví dụ, nằm gần phần tử CCD ngoài cùng hoặc bằng cách tạo ra ánh sáng. Cách dễ nhất để loại bỏ điện tích khỏi hệ thống (đọc) cũng là sử dụng tiếp giáp p-n. Do đó, CCD là một thiết bị trong đó thông tin bên ngoài (tín hiệu điện hoặc ánh sáng) được chuyển đổi thành các gói điện tích của sóng mang di động, được đặt theo một cách nhất định ở các vùng gần bề mặt và việc xử lý thông tin được thực hiện bằng chuyển động có kiểm soát của các gói này dọc theo bề mặt. Rõ ràng là các hệ thống số và tương tự có thể được xây dựng trên cơ sở CCD. Đối với các hệ thống kỹ thuật số, chỉ có sự hiện diện hay vắng mặt của điện tích lỗ trong một phần tử CCD cụ thể là quan trọng trong xử lý tương tự, chúng liên quan đến độ lớn của điện tích chuyển động.

Nếu một luồng ánh sáng mang hình ảnh được hướng vào một CCD đa nguyên tố hoặc ma trận thì quá trình quang hóa của các cặp electron-lỗ trống sẽ bắt đầu trong thể tích của chất bán dẫn. Khi ở trong vùng cạn kiệt của CCD, các hạt mang được tách ra và các lỗ tích tụ trong các giếng tiềm năng (và lượng điện tích tích lũy tỷ lệ thuận với độ chiếu sáng cục bộ). Sau một thời gian (theo thứ tự vài mili giây), đủ để nhận biết hình ảnh, một mẫu gói điện tích tương ứng với phân bố độ sáng sẽ được lưu trữ trong ma trận CCD. Khi xung đồng hồ được bật, các gói sạc sẽ di chuyển đến đầu đọc đầu ra, chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện. Kết quả là, đầu ra sẽ là một chuỗi xung có biên độ khác nhau, đường bao mà tín hiệu video tạo ra.

Nguyên lý hoạt động của CCD được minh họa trong Hình 2 bằng cách sử dụng ví dụ về một đoạn của dòng FPCD được điều khiển bởi mạch ba chu kỳ (ba pha). Trong chu kỳ I (nhận thức, tích lũy và lưu trữ thông tin video), như vậy. -gọi điện điện áp lưu trữ Uxp, đẩy phần lớn các hạt mang điện - lỗ trống trong trường hợp silicon loại p - vào độ sâu của chất bán dẫn và hình thành các lớp suy giảm sâu 0,5-2 μm - giếng tiềm năng cho các electron. Sự chiếu sáng bề mặt FPCD tạo ra các cặp lỗ electron dư thừa trong thể tích silicon, trong khi các electron bị kéo vào các giếng tiềm năng và định vị trong một lớp bề mặt mỏng (0,01 μm) dưới các điện cực 1, 4, 7, tạo thành các gói điện tích tín hiệu.

sạc ghép camera hồng ngoại

Hình 2 - sơ đồ hoạt động của thiết bị ghép điện tích ba pha - thanh ghi dịch chuyển

Lượng điện tích trong mỗi gói tỷ lệ thuận với mức độ tiếp xúc của bề mặt gần một điện cực nhất định. Trong các cấu trúc MIS được hình thành tốt, các điện tích thu được gần các điện cực có thể tồn tại trong một thời gian tương đối dài, nhưng dần dần, do sự tạo ra các hạt mang điện bởi các tâm tạp chất, các khuyết tật trong khối hoặc tại bề mặt phân cách, các điện tích này sẽ tích tụ ở điện thế. giếng cho đến khi chúng vượt quá điện tích tín hiệu và thậm chí lấp đầy hoàn toàn các giếng.

Trong chu kỳ II (truyền điện tích), điện áp đọc cao hơn điện áp lưu trữ được áp dụng cho các điện cực 2, 5, 8, v.v. Do đó, điện thế sâu hơn phát sinh dưới các điện cực 2, 5 và 8. giếng hơn so với các điện cực 1, 4 và 7, và do các điện cực 1 và 2, 4 và 5, 7 và 8 ở gần nhau nên các rào cản giữa chúng biến mất và các electron chảy vào các giếng tiềm năng lân cận, sâu hơn.

Trong chu kỳ III, điện áp trên các điện cực 2, 5, 8 giảm xuống và từ các điện cực 1, 4, 7 bị loại bỏ.

Cái đó. tất cả các gói điện tích được truyền dọc theo đường CCD sang phải một bước bằng khoảng cách giữa các điện cực liền kề.

Trong toàn bộ quá trình hoạt động, một điện áp phân cực nhỏ (1-3 V) được duy trì trên các điện cực không được kết nối trực tiếp với điện thế, đảm bảo rằng toàn bộ bề mặt chất bán dẫn đã cạn kiệt các hạt mang điện và hiệu ứng tái hợp trên nó bị suy yếu.

Bằng cách lặp lại quá trình chuyển đổi điện áp nhiều lần, tất cả các gói điện tích được kích thích, chẳng hạn như bởi ánh sáng trong đường dây, sẽ được xuất ra lần lượt qua đường nối r-h bên ngoài. Trong trường hợp này, các xung điện áp xuất hiện ở mạch đầu ra, tỷ lệ thuận với lượng điện tích của gói này. Kiểu chiếu sáng được chuyển thành sự giảm điện tích bề mặt, sau khi di chuyển dọc theo toàn bộ đường dây, nó sẽ được chuyển thành một chuỗi các xung điện. Số lượng phần tử trong một hàng hoặc ma trận càng lớn (số 1 - bộ thu IR; 2 - phần tử đệm; 3 - CCD), việc truyền gói điện tích từ điện cực này sang điện cực liền kề xảy ra không hoàn toàn và dẫn đến sự biến dạng thông tin được tăng cường Để tránh làm biến dạng tín hiệu video tích lũy do liên tục trong quá trình truyền ánh sáng, trên tinh thể FPCD, chúng tạo ra các vùng nhận thức - tích lũy và lưu trữ - đọc tách biệt về mặt không gian, và trước đây chúng cung cấp độ nhạy sáng tối đa, và vùng sau, trên . ngược lại, che chắn khỏi ánh sáng trong FPCD tuyến tính (Hình 3, a) các điện tích tích lũy trong dòng 1 trong một chu kỳ được chuyển sang thanh ghi 2 (từ các phần tử chẵn) và sang thanh ghi 3 (từ các phần tử lẻ). được truyền qua đầu ra 4 đến mạch kết hợp tín hiệu 5, một khung hình video B mới được tích lũy ở dòng 1. FPCD với khả năng truyền khung (Hình 3) thông tin mà ma trận tích lũy 7 nhận được sẽ nhanh chóng được “đổ” vào ma trận lưu trữ 2, từ được đọc tuần tự bởi thanh ghi CCD 3; đồng thời ma trận 1 tích lũy khung mới.

Hình 3 - sự tích lũy và đọc thông tin trong thiết bị ghép điện tích tuyến tính (a), ma trận (b) và trong thiết bị có tích điện.

Ngoài các CCD có cấu trúc đơn giản nhất (Hình 1), các loại khác đã trở nên phổ biến, đặc biệt là các thiết bị có điện cực polysilicon chồng lên nhau (Hình 4), cung cấp khả năng tiếp xúc quang hoạt động trên toàn bộ bề mặt chất bán dẫn và một khe hở nhỏ giữa các điện cực, và các thiết bị có đặc tính bề mặt không đối xứng (ví dụ: lớp điện môi có độ dày thay đổi - Hình 4), hoạt động ở chế độ kéo đẩy. Cấu trúc của CCD với kênh thể tích (Hình 4) được hình thành do sự khuếch tán tạp chất về cơ bản là khác nhau. Sự tích lũy, lưu trữ và truyền điện tích xảy ra trong phần lớn chất bán dẫn, nơi có ít sự tái hợp của các trung tâm hơn so với trên bề mặt và tính di động cao hơn của các chất mang. Hậu quả của việc này là giá trị tăng lên theo một bậc độ lớn và giảm so với tất cả các loại CCD có kênh bề mặt.

Hình 4 - Các loại thiết bị ghép điện tích có kênh bề mặt và âm lượng.

Để cảm nhận hình ảnh màu, một trong hai phương pháp được sử dụng: phân chia luồng quang bằng lăng kính thành màu đỏ, lục, lam, nhận biết từng tia bằng một tinh thể FPCD đặc biệt, trộn các xung từ cả ba tinh thể thành một tín hiệu video duy nhất; tạo ra trên bề mặt FPCD một dòng phim hoặc bộ lọc ánh sáng mã hóa khảm, tạo thành một raster gồm các bộ ba nhiều màu.