Cảm biến CCD và CMOS cho máy ảnh kỹ thuật số và máy quay video. Các thiết bị ghép điện tích (CCD). Nguyên lý làm việc của CCD

Cảm biến là thành phần chính của máy ảnh kỹ thuật số

Trái tim của bất kỳ máy quay video hoặc máy ảnh kỹ thuật số nào (ranh giới giữa các loại thiết bị này hiện đang dần mờ đi) là cảm biến nhạy sáng. Nó chuyển đổi ánh sáng khả kiến ​​thành tín hiệu điện được sử dụng để xử lý thêm bằng các mạch điện tử. Từ môn vật lý phổ thông, chúng ta biết rằng ánh sáng có thể được coi là một dòng hạt cơ bản - photon. Các photon chạm vào bề mặt của một số vật liệu bán dẫn có thể dẫn đến sự hình thành các electron và lỗ trống (hãy nhớ rằng lỗ trống trong chất bán dẫn thường được gọi là chỗ trống cho electron, được hình thành do sự đứt gãy liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử của chất bán dẫn chất). Quá trình tạo ra các cặp electron-lỗ trống dưới tác dụng của ánh sáng chỉ có thể thực hiện được trong trường hợp năng lượng photon đủ để “tách” một electron khỏi hạt nhân “bản địa” và chuyển nó sang vùng dẫn. Năng lượng của photon liên quan trực tiếp đến bước sóng của ánh sáng tới, nghĩa là nó phụ thuộc vào cái gọi là màu của bức xạ. Trong phạm vi bức xạ khả kiến ​​(nghĩa là mắt người cảm nhận được), năng lượng photon đủ để tạo ra các cặp electron-lỗ trống trong vật liệu bán dẫn, chẳng hạn như silicon.

Vì số lượng quang điện tử được tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của luồng ánh sáng nên về mặt toán học, có thể liên hệ giữa lượng ánh sáng tới với lượng điện tích mà nó tạo ra. Nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm quang dựa trên hiện tượng vật lý đơn giản này. Cảm biến thực hiện năm hoạt động cơ bản: hấp thụ photon, chuyển đổi chúng thành điện tích, lưu trữ, truyền tải và chuyển đổi thành điện áp. Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất, các cảm biến khác nhau thực hiện nhiệm vụ lưu trữ và tích lũy quang điện tử theo những cách khác nhau. Ngoài ra, nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để chuyển đổi các electron được lưu trữ thành điện áp (tín hiệu tương tự), từ đó được chuyển đổi thành tín hiệu số.

cảm biến CCD

Trong lịch sử, cái gọi là ma trận CCD là ma trận đầu tiên được sử dụng làm phần tử cảm quang cho máy quay video, việc sản xuất hàng loạt bắt đầu vào năm 1973. CCD viết tắt là viết tắt của thiết bị ghép điện tích; trong tài liệu tiếng Anh thuật ngữ CCD (Thiết bị ghép điện tích) được sử dụng. Cảm biến CCD đơn giản nhất là một tụ điện có thể tích điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Một tụ điện thông thường, bao gồm hai tấm kim loại được ngăn cách bởi một lớp điện môi, sẽ không hoạt động ở đây nên người ta gọi là tụ điện MOS. Xét về cấu trúc bên trong, các tụ điện như vậy là một lớp bánh sandwich gồm kim loại, oxit và chất bán dẫn (chúng lấy tên từ các chữ cái đầu tiên của các thành phần được sử dụng). Silicon loại p pha tạp được sử dụng làm chất bán dẫn, nghĩa là chất bán dẫn trong đó các lỗ thừa được hình thành do bổ sung các nguyên tử tạp chất (pha tạp). Phía trên chất bán dẫn là một lớp điện môi mỏng (silicon oxit) và trên cùng là một lớp kim loại đóng vai trò như một cổng, nếu bạn tuân theo thuật ngữ của bóng bán dẫn hiệu ứng trường (Hình 1).

Như đã lưu ý, dưới tác dụng của ánh sáng, các cặp electron-lỗ trống được hình thành trong chất bán dẫn. Tuy nhiên, cùng với quá trình tạo ra, quá trình ngược lại cũng xảy ra - sự tái hợp giữa lỗ trống và electron. Do đó, phải thực hiện các bước để tách các electron và lỗ trống thu được và lưu trữ chúng trong thời gian cần thiết. Suy cho cùng, chính số lượng quang điện tử được hình thành mang thông tin về cường độ ánh sáng bị hấp thụ. Đây chính là mục đích mà cổng và lớp điện môi cách điện được thiết kế. Giả sử rằng một điện thế dương được áp dụng cho cổng. Trong trường hợp này, dưới tác động của điện trường tạo ra xuyên qua chất điện môi vào chất bán dẫn, các lỗ, là vật mang điện chính, sẽ bắt đầu dịch chuyển ra khỏi chất điện môi, tức là đi vào độ sâu của chất bán dẫn. Tại giao diện của chất bán dẫn với chất điện môi, một vùng đã cạn kiệt các hạt tải điện đa số, tức là các lỗ trống, được hình thành và kích thước của vùng này phụ thuộc vào độ lớn của điện thế ứng dụng. Chính vùng cạn kiệt này chính là nơi “lưu trữ” các quang điện tử. Thật vậy, nếu một chất bán dẫn tiếp xúc với ánh sáng, thì các electron và lỗ trống tạo thành sẽ di chuyển theo hướng ngược nhau - các lỗ đi vào độ sâu của chất bán dẫn và các electron hướng về lớp cạn kiệt. Vì không có lỗ trống trong lớp này nên các electron sẽ vẫn ở đó mà không cần quá trình tái hợp trong thời gian cần thiết. Đương nhiên, quá trình tích lũy electron không thể tiếp tục vô thời hạn. Khi số lượng electron tăng lên, một điện trường cảm ứng được tạo ra giữa chúng và các lỗ tích điện dương, hướng ngược lại với trường do cổng tạo ra. Kết quả là, trường bên trong chất bán dẫn giảm xuống 0, sau đó quá trình phân tách không gian giữa lỗ trống và electron trở nên không thể thực hiện được. Kết quả là, sự hình thành cặp electron-lỗ trống đi kèm với sự tái hợp của nó, nghĩa là số lượng electron “thông tin” trong lớp cạn kiệt không ngừng tăng lên. Trong trường hợp này, chúng ta có thể nói về việc dung lượng cảm biến bị quá tải.

Cảm biến mà chúng tôi xem xét có khả năng thực hiện hai nhiệm vụ quan trọng - chuyển đổi photon thành electron và tích lũy chúng. Vẫn còn phải giải quyết vấn đề chuyển các electron thông tin này sang các khối chuyển đổi tương ứng, tức là vấn đề truy xuất thông tin.

Hãy tưởng tượng không phải một mà là nhiều cổng đặt gần nhau trên bề mặt của cùng một chất điện môi (Hình 2). Hãy để các electron tích lũy dưới một trong các cổng do quá trình quang hóa. Nếu đặt một điện thế dương cao hơn vào cổng liền kề, thì các electron sẽ bắt đầu chảy vào vùng có trường mạnh hơn, nghĩa là di chuyển từ cổng này sang cổng khác. Bây giờ đã rõ rằng nếu chúng ta có một chuỗi cổng thì bằng cách áp dụng điện áp điều khiển thích hợp cho chúng, chúng ta có thể di chuyển gói điện tích cục bộ dọc theo cấu trúc như vậy. Các thiết bị ghép điện tích dựa trên nguyên tắc đơn giản này.

Một đặc tính đáng chú ý của CCD là để di chuyển điện tích tích lũy, chỉ có ba loại cổng là đủ - một cổng truyền, một cổng thu và một cổng cách ly, tách các cặp thu và truyền khỏi nhau và các cổng cùng tên của bộ ba đó. có thể được kết nối với nhau thành một bus đồng hồ duy nhất chỉ cần một chân bên ngoài (Hình 3). Đây là thanh ghi dịch chuyển ba pha đơn giản nhất trên CCD.

Cho đến nay, chúng ta chỉ xem xét cảm biến CCD trên một mặt phẳng - dọc theo mặt bên. Những gì còn lại bên ngoài tầm nhìn của chúng ta là cơ chế giam giữ các electron theo hướng ngang, trong đó cổng giống như một dải dài. Xét rằng độ chiếu sáng của chất bán dẫn là không đồng đều trong một dải như vậy, tốc độ tạo ra electron dưới tác động của ánh sáng sẽ thay đổi dọc theo chiều dài của cổng. Nếu các biện pháp không được thực hiện để định vị các electron gần khu vực hình thành của chúng, thì do sự khuếch tán, nồng độ electron sẽ cân bằng và thông tin về sự thay đổi cường độ ánh sáng theo hướng dọc sẽ bị mất. Đương nhiên, có thể làm cho kích thước cổng giống nhau theo cả hướng dọc và hướng ngang, nhưng điều này đòi hỏi phải sản xuất quá nhiều cổng trên ma trận CCD. Do đó, để định vị các electron thu được theo hướng dọc, cái gọi là kênh dừng được sử dụng (Hình 4), là một dải bán dẫn hẹp có hàm lượng tạp chất cao. Nồng độ tạp chất càng lớn thì càng có nhiều lỗ được hình thành bên trong vật dẫn như vậy (mỗi nguyên tử tạp chất sẽ dẫn đến sự hình thành lỗ). Nhưng nồng độ của các lỗ quyết định mức điện áp cổng cụ thể mà vùng cạn kiệt được hình thành bên dưới nó. Bằng trực giác, rõ ràng là mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn càng lớn thì càng khó đưa chúng vào sâu hơn.

Cấu trúc của ma trận CCD mà chúng ta đang xem xét được gọi là CCD có kênh truyền bề mặt, vì kênh truyền điện tích tích lũy nằm trên bề mặt chất bán dẫn. Phương pháp truyền bề mặt có một số nhược điểm đáng kể liên quan đến tính chất của ranh giới bán dẫn. Thực tế là giới hạn của chất bán dẫn trong không gian vi phạm tính đối xứng lý tưởng của mạng tinh thể của nó với tất cả những hậu quả sau đó. Không đi sâu vào sự phức tạp của vật lý chất rắn, chúng tôi lưu ý rằng hạn chế như vậy dẫn đến sự hình thành bẫy năng lượng đối với các electron. Kết quả là các electron tích lũy dưới tác động của ánh sáng có thể bị bắt giữ bởi các bẫy này thay vì được chuyển từ cổng này sang cổng khác. Trong số những thứ khác, những cái bẫy như vậy có thể giải phóng các electron một cách khó lường và không phải lúc nào chúng cũng thực sự cần thiết. Hóa ra chất bán dẫn bắt đầu “tạo ra tiếng ồn” - nói cách khác, số lượng electron tích lũy dưới cổng sẽ không tương ứng chính xác với cường độ của bức xạ bị hấp thụ. Có thể tránh được hiện tượng như vậy nhưng để làm được điều này, bản thân kênh truyền phải được di chuyển sâu hơn vào trong dây dẫn. Giải pháp này được các chuyên gia của Philips thực hiện vào năm 1972. Ý tưởng là trong vùng bề mặt của chất bán dẫn loại p, một lớp bán dẫn loại n mỏng được tạo ra, tức là một chất bán dẫn trong đó hạt mang điện chính là electron (Hình 5).

Người ta biết rằng sự tiếp xúc của hai chất bán dẫn với các loại độ dẫn khác nhau dẫn đến sự hình thành lớp suy giảm ở ranh giới tiếp giáp. Điều này xảy ra do sự khuếch tán của lỗ trống và electron theo các hướng ngược nhau và sự tái hợp của chúng. Việc áp dụng một điện thế dương vào cổng sẽ làm tăng kích thước của vùng cạn kiệt. Điều đặc biệt là hiện nay bản thân vùng cạn kiệt, hay khả năng của các quang điện tử, không có trên bề mặt, và do đó không có bẫy bề mặt cho các electron. Kênh truyền như vậy được gọi là kênh ẩn và tất cả các CCD hiện đại đều được sản xuất với kênh truyền ẩn.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến CCD mà chúng ta đã xem xét được sử dụng để xây dựng các ma trận CCD có kiến ​​trúc khác nhau. Về mặt cấu trúc, có thể phân biệt hai sơ đồ ma trận chính: truyền theo từng khung và truyền giữa các dòng.

Trong một ma trận truyền từng khung hình, có hai phần tương đương với cùng số hàng: tích lũy và lưu trữ. Mỗi hàng trong các phần này được hình thành bởi ba cổng (truyền, nhận và cách ly). Ngoài ra, như đã lưu ý ở trên, tất cả các dòng được ngăn cách bởi nhiều kênh dừng tạo thành các ô tích lũy theo hướng ngang. Do đó, phần tử cấu trúc nhỏ nhất của ma trận CCD (pixel) được tạo từ ba cổng ngang và hai kênh dừng dọc (Hình 6).

Trong quá trình phơi sáng, các quang điện tử được hình thành trong phần tích lũy. Sau đó, các xung đồng hồ áp vào các cổng sẽ chuyển điện tích tích lũy từ phần tích lũy sang phần lưu trữ được tô bóng, nghĩa là toàn bộ khung thực sự được chuyển. Vì vậy, kiến ​​trúc này được gọi là CCD truyền khung. Sau khi truyền, phần lưu trữ sẽ bị xóa và có thể tích lũy lại các khoản phí, trong khi các khoản phí từ phần bộ nhớ sẽ chảy vào thanh ghi đọc ngang. Cấu trúc của thanh ghi ngang tương tự như cấu trúc của cảm biến CCD - ba cổng giống nhau để truyền điện tích. Mỗi phần tử của thanh ghi ngang có kết nối điện tích với cột tương ứng của phần bộ nhớ và đối với mỗi xung đồng hồ từ phần tích lũy, toàn bộ hàng sẽ đi vào thanh ghi đọc, sau đó được chuyển đến bộ khuếch đại đầu ra để xử lý tiếp.

Mạch ma trận CCD được xem xét có một lợi thế chắc chắn - hệ số lấp đầy cao. Thuật ngữ này thường được sử dụng để chỉ tỷ lệ diện tích cảm quang của ma trận trên tổng diện tích của nó. Đối với các ma trận có truyền từng khung hình, hệ số lấp đầy đạt gần như 100%. Tính năng này cho phép tạo ra các thiết bị rất nhạy cảm dựa trên chúng.

Ngoài những ưu điểm đã nêu, ma trận truyền từng khung hình cũng có một số nhược điểm. Trước hết, chúng tôi lưu ý rằng bản thân quá trình chuyển giao không thể được thực hiện ngay lập tức. Chính hoàn cảnh này đã dẫn đến một số hiện tượng tiêu cực. Trong quá trình chuyển điện tích từ phần tích lũy sang phần lưu trữ, phần đầu tiên vẫn được chiếu sáng và quá trình tích lũy quang điện tử tiếp tục trong đó. Điều này dẫn đến thực tế là các vùng sáng của hình ảnh có thời gian đóng góp vào gói điện tích nước ngoài ngay cả trong khoảng thời gian ngắn mà nó đi qua chúng. Kết quả là, các biến dạng đặc trưng xuất hiện trong khung hình dưới dạng các sọc dọc kéo dài trên toàn bộ khung hình từ các vùng sáng của hình ảnh. Tất nhiên, có thể sử dụng nhiều thủ thuật khác nhau để chống lại những hiện tượng như vậy, nhưng phương pháp triệt để nhất là tách phần tích lũy và phần chuyển giao để việc chuyển giao diễn ra trong khu vực bóng mờ. Ma trận của kiến ​​trúc này được gọi là CCD có truyền liên dòng (Hình 7).

Không giống như ma trận truyền từng khung hình được mô tả trước đó, điốt quang đóng vai trò là phần tử lưu trữ điện tích ở đây (điốt quang sẽ được thảo luận chi tiết hơn sau). Điện tích được tích lũy bởi các điốt quang được chuyển tới các phần tử CCD được tô bóng, chúng thực hiện quá trình truyền điện tích tiếp theo. Xin lưu ý rằng việc truyền toàn bộ khung từ điốt quang sang thanh ghi truyền CCD dọc xảy ra trong một chu kỳ đồng hồ. Một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: tại sao kiến ​​trúc này lại có tên là dấu gạch nối xen kẽ (thuật ngữ “dấu gạch nối xen kẽ” cũng được sử dụng)? Để hiểu nguồn gốc tên của interline cũng như truyền từng khung hình, chúng ta hãy nhớ lại nguyên tắc cơ bản của việc hiển thị hình ảnh trên màn hình tạo tín hiệu video. Tín hiệu khung bao gồm các tín hiệu đường được phân tách bằng một khoảng cách dòng, nghĩa là thời gian cần thiết để chùm tia điện tử quét qua màn hình di chuyển từ cuối dòng này sang đầu dòng tiếp theo. Ngoài ra còn có các khoảng trống giữa các khung - thời gian cần thiết để di chuyển chùm tia từ cuối dòng cuối cùng đến đầu dòng đầu tiên (chuyển sang khung mới).

Nếu chúng ta nhớ lại kiến ​​trúc của ma trận CCD với truyền liên khung, thì rõ ràng là việc truyền khung từ phần tích lũy sang phần lưu trữ xảy ra trong khoảng cách giữa các khung của tín hiệu video. Điều này cũng dễ hiểu vì việc chuyển toàn bộ khung hình sẽ cần một khoảng thời gian đáng kể. Trong kiến ​​trúc truyền liên tuyến, việc truyền khung xảy ra trong một chu kỳ đồng hồ và một khoảng thời gian ngắn là đủ cho việc này. Tiếp theo, hình ảnh đi vào thanh ghi dịch chuyển ngang và quá trình truyền xảy ra từng dòng trong các khoảng thời gian xen kẽ của tín hiệu video.

Ngoài hai loại ma trận CCD đã thảo luận, còn có các sơ đồ khác. Ví dụ: có được sơ đồ kết hợp các cơ chế giữa các khung và giữa các dòng (truyền khung theo dòng) bằng cách thêm phần lưu trữ vào ma trận CCD truyền giữa các dòng. Trong trường hợp này, quá trình truyền khung từ các phần tử cảm quang xảy ra trong một chu kỳ đồng hồ trong khoảng thời gian giữa các dòng và trong khoảng thời gian giữa các khung, khung được chuyển đến phần lưu trữ (truyền liên khung); Từ phần lưu trữ, khung được chuyển sang thanh ghi dịch ngang trong quá trình giãn dòng (truyền liên khung).

Gần đây, cái gọi là siêu CCD (Super CCD) đã trở nên phổ biến, sử dụng kiến ​​trúc tế bào gốc được hình thành bởi các pixel hình bát giác. Do đó, bề mặt làm việc của silicon tăng lên và mật độ điểm ảnh (số lượng pixel CCD) tăng lên. Ngoài ra, hình dạng bát giác của các pixel làm tăng diện tích bề mặt nhạy sáng.

Cảm biến CMOS

Một loại cảm biến khác về cơ bản được gọi là cảm biến CMOS (CMOS - chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung; theo thuật ngữ tiếng Anh - CMOS).

Kiến trúc bên trong của cảm biến CMOS có thể khác nhau. Do đó, điốt quang, bóng bán dẫn quang hoặc cổng quang có thể hoạt động như một phần tử cảm quang. Bất kể loại phần tử cảm quang nào, nguyên lý phân tách lỗ trống và electron thu được trong quá trình phát quang vẫn không thay đổi. Chúng ta hãy xem xét loại photodiode đơn giản nhất, từ đó có thể dễ dàng hiểu được nguyên lý hoạt động của tất cả các tế bào quang điện.

Photodiode đơn giản nhất là sự tiếp xúc giữa chất bán dẫn loại n và loại p. Tại giao diện của các chất bán dẫn này, một vùng cạn kiệt được hình thành, nghĩa là một lớp không có lỗ trống và electron. Một vùng như vậy được hình thành do sự khuếch tán của các hạt mang điện chính theo các hướng ngược nhau. Các lỗ trống di chuyển từ chất bán dẫn p (nghĩa là từ vùng có lượng dư chúng) đến chất bán dẫn n (nghĩa là đến vùng có nồng độ của chúng thấp) và các electron di chuyển theo hướng ngược lại, đó là là, từ chất bán dẫn n đến chất bán dẫn p. chất bán dẫn. Kết quả của sự tái hợp này là các lỗ trống và electron biến mất và tạo ra một vùng cạn kiệt. Ngoài ra, các ion tạp chất lộ ra ở ranh giới của vùng cạn kiệt và ở vùng n, các ion tạp chất có điện tích dương và ở vùng p chúng có điện tích âm. Các điện tích này, phân bố dọc theo ranh giới của vùng cạn kiệt, tạo thành một điện trường tương tự như điện trường được tạo ra trong một tụ điện bản song song gồm hai bản. Chính trường này thực hiện chức năng phân tách không gian của các lỗ trống và các electron được hình thành trong quá trình quang hóa. Sự hiện diện của trường cục bộ như vậy (còn gọi là rào cản tiềm năng) là điểm cơ bản trong bất kỳ cảm biến cảm quang nào (không chỉ trong điốt quang).

Giả sử rằng photodiode được chiếu sáng bởi ánh sáng và ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn n và điểm nối p-n vuông góc với các tia sáng (Hình 8). Các quang điện tử và lỗ quang sẽ khuếch tán sâu vào tinh thể và một số trong chúng không có thời gian để kết hợp lại sẽ chạm tới bề mặt của lớp tiếp giáp pn. Tuy nhiên, đối với các electron, điện trường hiện hữu là một chướng ngại vật không thể vượt qua - một rào cản thế năng nên các electron sẽ không thể vượt qua tiếp giáp p-n. Ngược lại, các lỗ được gia tốc bởi điện trường và thâm nhập vào vùng p. Do sự tách biệt về không gian của lỗ trống và electron, vùng n được tích điện âm (các quang điện tử dư thừa) và vùng p được tích điện dương (các lỗ quang dư thừa).

Sự khác biệt chính giữa cảm biến CMOS và cảm biến CCD không nằm ở phương pháp tích lũy điện tích mà nằm ở phương pháp truyền tiếp của nó. Công nghệ CMOS, không giống như CCD, cho phép thực hiện số lượng thao tác lớn hơn trực tiếp trên chip chứa ma trận cảm quang. Ngoài việc giải phóng các electron và truyền chúng, cảm biến CMOS còn có thể xử lý hình ảnh, làm nổi bật các cạnh của hình ảnh, giảm nhiễu và thực hiện chuyển đổi từ analog sang kỹ thuật số. Hơn nữa, có thể tạo ra các cảm biến CMOS có thể lập trình, do đó có thể thu được một thiết bị đa chức năng rất linh hoạt.

Một loạt các chức năng như vậy được thực hiện bởi một con chip duy nhất là ưu điểm chính của công nghệ CMOS so với CCD. Điều này làm giảm số lượng các thành phần bên ngoài cần thiết. Việc sử dụng cảm biến CMOS trong máy ảnh kỹ thuật số cho phép bạn cài đặt các chip khác trong không gian trống - ví dụ: bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và bộ chuyển đổi tương tự sang số.

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ CMOS bắt đầu vào năm 1993, khi các cảm biến pixel hoạt động được tạo ra. Với công nghệ này, mỗi pixel có bộ khuếch đại bóng bán dẫn đọc riêng, cho phép điện tích được chuyển đổi trực tiếp thành điện áp tại pixel. Ngoài ra, có thể truy cập ngẫu nhiên vào từng pixel của cảm biến (tương tự như cách hoạt động của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên). Điện tích được đọc từ các pixel hoạt động của cảm biến CMOS bằng mạch song song (Hình 9), cho phép bạn đọc tín hiệu trực tiếp từ từng pixel hoặc từ một cột pixel. Truy cập ngẫu nhiên cho phép cảm biến CMOS đọc không chỉ toàn bộ ma trận mà còn cả các khu vực được chọn (phương pháp đọc cửa sổ).

Bất chấp những ưu điểm rõ ràng của ma trận CMOS so với CCD (ưu điểm chính là giá thấp hơn), chúng cũng có một số nhược điểm. Sự hiện diện của các mạch bổ sung trên chip ma trận CMOS dẫn đến sự xuất hiện của một số nhiễu, chẳng hạn như tán xạ bóng bán dẫn và điốt, cũng như ảnh hưởng của điện tích dư, tức là ma trận CMOS ngày nay ồn hơn. Do đó, trong tương lai gần, máy ảnh kỹ thuật số chuyên nghiệp sẽ sử dụng ma trận CCD chất lượng cao và cảm biến CMOS đang gia nhập thị trường các thiết bị rẻ hơn, đặc biệt là máy ảnh Web.

Làm thế nào có được màu sắc

Các cảm biến quang được thảo luận ở trên chỉ có khả năng phản ứng với cường độ ánh sáng được hấp thụ - cường độ càng cao thì điện tích tích tụ càng lớn. Một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: làm thế nào để thu được hình ảnh màu?

Để cho phép máy ảnh phân biệt màu sắc, một mảng bộ lọc màu (CFA, mảng bộ lọc màu) được áp dụng trực tiếp cho pixel hoạt động. Nguyên lý của bộ lọc màu rất đơn giản: nó chỉ cho ánh sáng có màu nhất định đi qua (hay nói cách khác là chỉ ánh sáng có bước sóng nhất định). Nhưng sẽ cần bao nhiêu bộ lọc như vậy nếu số lượng sắc thái màu khác nhau thực tế là không giới hạn? Hóa ra có thể thu được bất kỳ sắc thái màu nào bằng cách trộn một số màu cơ bản (cơ bản) theo tỷ lệ nhất định. Trong mô hình phụ gia phổ biến nhất là RGB (Đỏ, Xanh lục, Xanh lam), có ba màu như vậy: đỏ, lục và lam. Điều này có nghĩa là chỉ cần ba bộ lọc màu. Lưu ý rằng mô hình màu RGB không phải là mô hình duy nhất mà phần lớn các máy ảnh Web kỹ thuật số đều sử dụng nó.

Phổ biến nhất là mảng lọc mẫu của Bayer. Trong hệ thống này, các bộ lọc màu đỏ, xanh lục và xanh lam được đặt so le và số lượng bộ lọc màu xanh lá cây nhiều gấp đôi so với màu đỏ hoặc xanh lam. Sự sắp xếp sao cho các bộ lọc màu đỏ và xanh lam nằm giữa các bộ lọc màu xanh lá cây (Hình 10).

Tỷ lệ bộ lọc màu xanh lá cây, đỏ và xanh lam này được giải thích là do đặc thù nhận thức thị giác của con người: mắt chúng ta nhạy cảm hơn với màu xanh lục.

Trong camera CCD, việc kết hợp ba kênh màu được thực hiện trong thiết bị tạo ảnh sau khi chuyển đổi tín hiệu từ analog sang kỹ thuật số. Trong cảm biến CMOS, sự kết hợp này cũng có thể xảy ra trực tiếp trên chip. Trong cả hai trường hợp, màu cơ bản của từng bộ lọc được nội suy toán học dựa trên màu của các bộ lọc lân cận. Do đó, để có được màu sắc trung thực của một pixel hình ảnh, không chỉ cần biết cường độ ánh sáng đi qua bộ lọc ánh sáng của pixel này mà còn cả các giá trị cường độ ánh sáng đi qua các bộ lọc ánh sáng của các pixel xung quanh.

Như đã lưu ý, mô hình màu RGB sử dụng ba màu cơ bản mà bạn có thể thu được bất kỳ sắc thái nào của quang phổ khả kiến. Máy ảnh kỹ thuật số có thể phân biệt được bao nhiêu sắc thái? Số lượng sắc thái màu khác nhau tối đa được xác định bởi độ sâu màu, do đó được xác định bởi số bit được sử dụng để mã hóa màu. Mẫu RGB 24 phổ biến, có độ sâu màu 24 bit, phân bổ 8 bit cho mỗi màu. Với 8 bit, 256 màu khác nhau có thể được chỉ định tương ứng cho màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Mỗi màu sắc được gán một giá trị từ 0 đến 255. Ví dụ: màu đỏ có thể có 256 cấp độ chuyển màu: từ đỏ thuần (255) đến đen (0). Giá trị mã tối đa tương ứng với một màu thuần khiết và mã cho mỗi màu thường được đặt theo thứ tự sau: đỏ, lục và lam. Ví dụ: mã cho màu đỏ thuần được viết là (255, 0, 0), mã cho màu xanh lá cây là (0, 255, 0) và mã cho màu xanh lam là (0, 0, 255). Màu vàng có thể thu được bằng cách trộn màu đỏ và xanh lục và mã của nó được viết là (255, 255, 0).

Ngoài mô hình RGB, các mô hình YUV và YСrCb, tương tự nhau và dựa trên sự phân tách tín hiệu độ sáng và màu sắc, cũng đã được sử dụng rộng rãi. Tín hiệu Y là tín hiệu độ chói được xác định bằng cách trộn màu đỏ, xanh lục và xanh lam. Tín hiệu U và V (Cr, Cb) có sự khác biệt về màu sắc. Do đó, tín hiệu U gần với chênh lệch giữa thành phần xanh lam và vàng của ảnh màu và tín hiệu V gần với chênh lệch giữa thành phần đỏ và xanh lục của ảnh màu.

Ưu điểm chính của mô hình YUV (YCrCb) là phương pháp mã hóa này tuy phức tạp hơn RGB nhưng lại yêu cầu ít băng thông hơn. Thực tế là độ nhạy của mắt người đối với thành phần độ sáng Y và thành phần chênh lệch màu là không giống nhau, do đó, có vẻ khá chấp nhận được việc thực hiện phép biến đổi này bằng cách làm mỏng (xen kẽ) các thành phần chênh lệch màu, khi Y -các thành phần được tính cho một nhóm gồm bốn pixel liền kề (2×2) và các thành phần chênh lệch màu được sử dụng chung (cái gọi là sơ đồ 4:1:1). Thật dễ dàng để tính toán rằng sơ đồ 4:1:1 cho phép bạn giảm một nửa luồng đầu ra (thay vì 12 byte cho bốn pixel liền kề, sáu pixel là đủ). Trong mã hóa YUV 4:2:2, tín hiệu độ chói được truyền cho mỗi dấu chấm, nhưng tín hiệu sắc độ U và V chỉ được truyền cho mỗi dấu chấm thứ hai trong đường thẳng.

Những cái kỹ thuật số hoạt động như thế nào

Máy ảnh web

Nguyên lý hoạt động của tất cả các loại máy ảnh kỹ thuật số gần như giống nhau. Hãy xem xét sơ đồ điển hình của máy ảnh Web đơn giản nhất, điểm khác biệt chính của nó so với các loại máy ảnh khác là sự hiện diện của giao diện USB để kết nối với máy tính.

Ngoài hệ thống quang học (thấu kính) và cảm biến CCD hoặc CMOS cảm quang cần phải có bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự của cảm biến quang thành mã số. Ngoài ra, hệ thống tạo hình ảnh màu cũng rất cần thiết. Một yếu tố quan trọng khác của máy ảnh là mạch chịu trách nhiệm nén dữ liệu và chuẩn bị truyền theo định dạng được yêu cầu. Ví dụ: trong máy ảnh web được đề cập, dữ liệu video được truyền đến máy tính thông qua giao diện USB, do đó phải có bộ điều khiển giao diện USB ở đầu ra của nó. Sơ đồ khối của một máy ảnh kỹ thuật số được thể hiện trong hình. mười một .

Bộ chuyển đổi tương tự sang số được thiết kế để lấy mẫu tín hiệu tương tự liên tục và được đặc trưng bởi tần số lấy mẫu xác định khoảng thời gian đo tín hiệu tương tự cũng như độ sâu bit của nó. Độ rộng ADC là số bit được sử dụng để biểu diễn từng mẫu tín hiệu. Ví dụ: nếu sử dụng ADC 8 bit thì 8 bit được sử dụng để biểu thị tín hiệu, cho phép phân biệt 256 mức tăng dần của tín hiệu gốc. Khi sử dụng ADC 10 bit, có thể phân biệt được 1024 cấp độ khác nhau của tín hiệu tương tự.

Do băng thông của USB 1.1 thấp (chỉ 12 Mbit/s, trong đó Web camera sử dụng không quá 8 Mbit/s) nên dữ liệu phải được nén trước khi truyền sang máy tính. Ví dụ: với độ phân giải khung hình là 320x240 pixel và độ sâu màu là 24 bit, kích thước khung hình không nén sẽ là 1,76 Mbit. Với băng thông USB 8 Mbps, tốc độ truyền tín hiệu không nén tối đa chỉ 4,5 khung hình/giây và để video chất lượng cao cần tốc độ truyền từ 24 khung hình/giây trở lên. Vì vậy, rõ ràng là nếu không nén phần cứng đối với thông tin được truyền đi thì máy ảnh sẽ không thể hoạt động bình thường.

Theo tài liệu kỹ thuật, cảm biến CMOS này có độ phân giải 664x492 (326.688 pixel) và có thể hoạt động với tốc độ lên tới 30 khung hình/giây. Cảm biến hỗ trợ cả kiểu quét liên tục và quét ngang, đồng thời cung cấp tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm lớn hơn 48 dB.

Như có thể thấy từ sơ đồ khối, khối hình thành màu (bộ xử lý tín hiệu tương tự) có hai kênh - RGB và YСrCb, và đối với mô hình YСrCb, tín hiệu độ sáng và độ lệch màu được tính bằng các công thức:

Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 × (B – Y).

Tín hiệu RGB và YCrCb tương tự do bộ xử lý tín hiệu tương tự tạo ra được xử lý bởi hai ADC 10 bit, mỗi ADC hoạt động ở tốc độ 13,5 MSPS, cung cấp khả năng đồng bộ hóa tốc độ pixel. Sau khi được số hóa, dữ liệu sẽ được gửi đến bộ chuyển đổi kỹ thuật số tạo ra dữ liệu video ở định dạng 16-bit YUV 4:2:2 hoặc 8-bit Y 4:0:0, được gửi đến cổng đầu ra thông qua cổng 16-bit hoặc xe buýt 8 bit.

Ngoài ra, cảm biến CMOS được đề cập còn có nhiều khả năng chỉnh sửa hình ảnh: cân bằng trắng, kiểm soát độ phơi sáng, hiệu chỉnh gamma, hiệu chỉnh màu sắc, v.v. Hoạt động của cảm biến có thể được điều khiển thông qua giao diện SCCB (Bus điều khiển camera nối tiếp).

Vi mạch OV511+, sơ đồ khối được thể hiện trong hình. 13, là bộ điều khiển USB.

Bộ điều khiển cho phép bạn truyền dữ liệu video qua bus USB với tốc độ lên tới 7,5 Mbit/s. Có thể dễ dàng tính toán rằng băng thông như vậy sẽ không cho phép truyền luồng video ở tốc độ chấp nhận được nếu không nén sơ bộ. Trên thực tế, nén là mục đích chính của bộ điều khiển USB. Cung cấp khả năng nén cần thiết trong thời gian thực lên tới tỷ lệ nén 8:1, bộ điều khiển cho phép bạn truyền luồng video với tốc độ 10-15 khung hình mỗi giây ở độ phân giải 640x480 và tốc độ 30 khung hình mỗi giây ở độ phân giải 320x240 trở xuống.

Khối OmniCE, thực hiện thuật toán nén độc quyền, chịu trách nhiệm nén dữ liệu. OmniCE không chỉ cung cấp tốc độ truyền phát video cần thiết mà còn cung cấp khả năng giải nén nhanh với tải CPU tối thiểu (ít nhất là theo các nhà phát triển). Tỷ lệ nén do khối OmniCE cung cấp thay đổi từ 4 đến 8 tùy thuộc vào tốc độ luồng video được yêu cầu.

Máy TínhPress 12"2001

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 các 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 sản xuất ma trận CCD. Các 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 có 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 với 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 hướng 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.

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 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 cách sử dụng 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 phí, 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 bề mặt 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), do đó -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 thế 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 trong 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 diễn ra 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, còn vùng sau, trên ngược lại, che chắn khỏi ánh sáng. Trong FPCD tuyến tính (Hình 3, a), các điện tích tích lũy ở 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). từ các thanh ghi này được truyền qua đầu ra 4 đến mạch kết hợp tín hiệu 5, một khung hình video mới được tích lũy ở dòng 1. Trong FPCD với truyền khung (Hình 3), thông tin được nhận bởi ma trận tích lũy 7 nhanh chóng được “đổ” vào ma trận lưu trữ 2, từ đó nó 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 tâm hơn so với trên bề mặt và tính di động cao hơn của các hạt tải điện. 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: chia luồng quang bằng lăng kính thành màu đỏ, xanh lục, xanh lam, cảm nhận từng màu 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.

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.

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. Do đó, 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;