a videokamera családnak való kiválasztásáról a mátrixokról írtunk. Ott könnyen érintettük ezt a kérdést, de ma megpróbáljuk részletesebben leírni mindkét technológiát.

Mi a mátrix a kamerában? Ez egy mikroáramkör, amely a fényjelet elektromos árammá alakítja. Ma 2 technológia létezik, vagyis 2 típusú érzékelő - CCD (CCD) és CMOS (CMOS)... Különböznek egymástól, mindegyiknek megvan a maga előnye és hátránya. Nem lehet biztosan megmondani, melyik a jobb és melyik a rosszabb. Párhuzamosan fejlődnek. A technikai részletekbe nem bocsátkozunk, mert triviálisan érthetetlenek lesznek, de általánosságban meghatározzuk a fő előnyeiket és hátrányaikat.

CMOS technológia (CMOS)

CMOS mátrixok elsősorban alacsony energiafogyasztással büszkélkedhet, ami plusz. Az ezzel a technológiával rendelkező kamera egy kicsit tovább tart (az akkumulátor kapacitásától függően). De ezek apróságok.

A fő különbség és előny a cellák véletlenszerű leolvasása (a CCD -ben az olvasás egyidejűleg történik), ami miatt a kép elmosódása kizárt. Láttál már "függőleges fényoszlopokat" fényes pontú tárgyakról? Tehát a CMOS-mátrixok kizárják megjelenésük lehetőségét. És az ezeken alapuló kamerák is olcsóbbak.

Vannak hátrányai is. Az első a fényérzékeny elem kis mérete (a képpont méretéhez viszonyítva). Itt a pixelterület nagy részét az elektronika foglalja el, ezért a fényérzékeny elem területe csökken. Ennek következtében a mátrix érzékenysége csökken.

Mivel az elektronikus feldolgozás egy képponton történik, ekkor megnő a képzaj. Ez is hátrány, csakúgy, mint az alacsony beolvasási idő. Emiatt a "redőny" hatása keletkezik: amikor a kezelő mozog, a keretben lévő objektum torzulhat.

CCD technológia (CCD)

A CCD-mátrixú videokamerák kiváló minőségű képeket biztosítanak. Vizuálisan könnyen észrevehető, hogy kevesebb a zaj a CCD videokamerával rögzített videókban, mint a CMOS kamerával készített videókban. Ez a legelső és legfontosabb előny. És még valami: a CCD-mátrixok hatékonysága egyszerűen elképesztő: a kitöltési tényező megközelíti a 100%-ot, a regisztrált fotonok aránya 95%. Vegyük a normál emberi szemet - itt ez az arány körülbelül 1%.

Ezeknek a mátrixoknak a hátránya a magas ár és a magas energiafogyasztás. A helyzet az, hogy a felvételi folyamat hihetetlenül nehéz itt. A kép rögzítését számos további mechanizmusnak köszönheti, amelyek nem állnak rendelkezésre a CMOS mátrixokban, ezért a CCD technológia lényegesen drágább.

A CCD-mátrixokat olyan eszközökben használják, amelyekből színes és kiváló minőségű képet kell készíteni, és amelyek esetleg dinamikus jeleneteket készítenek. Ezek nagyrészt professzionális videokamerák, bár háztartási is. Ezek is megfigyelő rendszerek, digitális fényképezőgépek stb.

A CMOS -mátrixokat ott használják, ahol nincsenek különösen magas követelmények a képminőség tekintetében: mozgásérzékelők, olcsó okostelefonok ... Ez azonban korábban is így volt. A modern CMOS mátrixok különböző módosításokkal rendelkeznek, ami nagyon jó minőségűvé és méltóvá teszi őket a CCD mátrixokkal való versengés szempontjából.

Most nehéz megítélni, melyik technológia jobb, mert mindkettő kiváló eredményeket mutat. Ezért legalább butaság a mátrix típusát egyetlen kiválasztási kritériumként feltüntetni. Sok jellemzőt kell figyelembe venni.

Kérjük, értékelje a cikket:

Az előző rész elolvasása után olvasónknak az a benyomása támadhat, hogy a CCD egyfajta "fekete doboz", amely "elektronikus negatívot" bocsát ki, miután az objektív által létrehozott fényképet a felvételi felületére vetítették, és hogy a minőség A kép méretét kizárólag az érzékelő mérete befolyásolja.

A digitális fényképészeti berendezések eladói ugyanazon állásponthoz ragaszkodnak, és óvatosan, de kitartóan arra ösztönzik a potenciális vevőt, hogy vásároljon a lehető legnagyobb érzékelővel rendelkező modellt, még akkor is, ha nincs objektív oka a vásárlásnak. Még gyakrabban, a mátrix létrehozásához használt különféle „egyedi fejlesztések”, amelyeket furcsa módon más gyártók nem használnak, „csaliként” szolgálnak az ügyfél számára.

Egy kezdő amatőr fotósnak nehéz megkülönböztetni a hirdetési ígéreteket a valóban hatékony mérnöki eredményektől. Ez a cikk megpróbálja "elválasztani a búzát a pelyvától", de először meg kell ismernie a digitális fényképezés alapvető definícióit.

Hogyan lesz a fotonból elektron

A töltéssel összekapcsolt eszközökben a foton elektronmá alakítása belső fotoelektromos hatás eredményeként történik: egy fénykvantum elnyelése a félvezető kristályrács által a töltéshordozók felszabadításával. Ez lehet egy pár "elektron + lyuk", vagy egyetlen töltéshordozó - ez akkor fordul elő, ha donor vagy akceptor szennyeződéseket használnak egy félvezetőben. Nyilvánvaló, hogy a kialakult töltéshordozókat valahogy meg kell őrizni az olvasás pillanatáig.

Ehhez a CCD mátrix fő anyaga, egy p típusú szilícium hordozó, egy n típusú félvezető csatornákkal van felszerelve, amelyeken a fotonok számára átlátszó elektródák polikristályos szilíciumból készülnek. Az ilyen elektródára elektromos potenciál alkalmazása után az n-típusú csatorna alatti kimerülési zónában potenciálkút jön létre, amelynek célja a belső fotoelektromos hatás segítségével "kivett" töltés tárolása. Minél több foton esik a CCD elemre (pixel) és elektronokká alakul, annál nagyobb lesz a kút által felhalmozott töltés.

CCD elem

CCD pixel keresztmetszet

Az "elektronikus negatív" megszerzéséhez meg kell számolni a mátrix minden potenciális lyukának töltését. Ezt a töltést fotoáramnak nevezik, értéke meglehetősen kicsi, és olvasás után kötelező erősítést igényel.

A töltést a mátrix legkülső sorához csatlakoztatott eszköz olvassa le, amelyet soros eltolású regiszternek neveznek. Ez a regiszter CCD -cellák sorozata, amelyek töltéseit egyenként olvassuk le. A töltés leolvasásakor a CCD elemek azon képességét használják, hogy mozgatni tudják a potenciális kutak töltéseit - valójában ezért is nevezik ezeket az eszközöket CCD -eszközöknek. Ehhez transzferkapu elektródákat használnak, amelyek a PSG elemek közötti résen helyezkednek el. Potenciálokat alkalmaznak ezekre az elektródákra, "elcsábítják" a töltést az egyik potenciális kútból, és átviszik a másikba.

Az átviteli elektródák szinkron potenciál -ellátásával az összes hálózati töltés egyidejű átvitele jobbról balra (vagy balról jobbra) egy munkaciklus alatt biztosított. A "felesleges" töltés a CCD-mátrix kimenetére megy. Így a soros eltolódás regisztere a bemenetére párhuzamos "láncok" formájában belépő töltéseket a kimeneten különböző nagyságú elektromos impulzusok sorozatává alakítja át. Ezeknek a párhuzamos "láncoknak" a soros regiszter bemenetére történő táplálásához ismét egy shift regisztert használunk, de ezúttal párhuzamosan.

CCD

CCD pixel keresztmetszet

Valójában a párhuzamos regiszter maga a CCD, amely a fényáram elektronikus kombinációját hozza létre a fényképről. A mátrix egy sor szekvenciális regiszter halmaza, amelyeket oszlopoknak neveznek és egymással szinkronizálnak. Ennek eredményeként a munkaciklus során a fényáramok szinkron "csúszása" történik lefelé, és a mátrix alsó sorának "feleslegesnek" bizonyult töltései a szekvenciális regiszter bemenetére kerülnek.

Amint a fentiekből következik, elegendő számú vezérlő mikroáramkörre van szükség ahhoz, hogy szinkronizálni lehessen a potenciál -ellátást a párhuzamos és a soros váltóregiszterekkel. Nyilvánvaló, hogy a soros regiszternek teljesen mentesnek kell lennie a töltésektől a párhuzamos regiszter óra ciklusai közötti intervallumban, ezért szükség van egy mikroáramkörre, amely szinkronizálja a két regisztert egymással.

Miből áll egy pixel

A fenti séma szerint az úgynevezett teljes képkockás CCD-mátrix működik, működési módja bizonyos korlátozásokat ír elő a kamera kialakításában: ha az expozíció nem áll le a fényáram leolvasása során, akkor a a képpontokra eső fotonok "kenődnek" a keretre. Ezért mechanikus redőnyre van szükség, amely blokkolja a fényáramlást az érzékelőhöz az összes pixel töltésének leolvasásához szükséges ideig. Nyilvánvaló, hogy a fotoáramok olvasására szolgáló ilyen séma nem teszi lehetővé a videofolyam kialakulását a mátrix kimenetén, ezért csak fényképészeti berendezésekben használják.

A túlzott töltés azonban felhalmozódhat a potenciális kútban a fényképezés során - például, ha az expozíció túl „hosszú”. Az "extra" elektronok hajlamosak "elterjedni" a szomszédos pixelekre, ami a képen fehér foltokként jelenik meg, amelyek mérete a túlcsordulási értékhez kapcsolódik. Ezt a hatást virágzásnak nevezik (angolul virágzó - "elmosódás"). A virágzás elleni küzdelem elektronikus vízelvezetéssel (lefolyó) történik - a felesleges töltés eltávolítása a potenciális gödörből. A vízelvezetésnek két fő típusa van: függőleges (függőleges túlfolyó leeresztés, VOD) és oldalsó (oldalsó túlfolyó leeresztés, LOD).

CCD oldali lefolyó

Oldalsó vízelvezető rendszer

A függőleges vízelvezetés megvalósításához potenciált alkalmaznak az EOT hordozóra, amely a potenciális kútmélység túltöltése esetén biztosítja a felesleges elektronok kiáramlását az aljzaton keresztül. Az ilyen rendszer fő hátránya a potenciális gödör mélységének csökkenése, aminek következtében a dinamikatartomány szűkül. A hátsó megvilágítású mátrixokban (ezekben a fotonok nem a potenciálkút elektródáján, hanem az aljzat oldaláról jutnak be az érzékelőbe) a függőleges elvezetés általában nem alkalmazható.

Az oldalsó vízelvezetést speciális "vízelvezető hornyokkal" végezzük, amelyekbe a felesleges elektronok "lefolynak". Ezeknek a hornyoknak a kialakításához speciális elektródákat fektetnek le, amelyekhez potenciált szolgáltatnak, ami a vízelvezető rendszert képezi. Más elektródák akadályt képeznek, amely megakadályozza az elektronok idő előtti távozását a potenciális kútból.

Amint a leírásból következik, oldalsó vízelvezetés esetén a potenciálkút mélysége nem csökken, azonban a pixel fényérzékeny területének területe csökken. Ennek ellenére lehetetlen a vízelvezetés nélkül, mivel a virágzás jobban torzítja a képet, mint az összes többi interferencia. Ezért a gyártók kénytelenek bonyolítani a mátrixok kialakítását.

Így bármelyik pixel "pántolása" legalább a töltésátadó elektródákból és a vízelvezető rendszer elemeiből áll. A legtöbb CCD -t azonban elemeik összetettebb szerkezete jellemzi.

Pixel optika

A videokamerákban és a legtöbb amatőr digitális fényképezőgépben használt CCD -k folyamatos impulzusokat biztosítanak a kimenetükön, miközben az optikai útvonal nem fed át. A kép elmosódásának elkerülése érdekében interline CCD-mátrixot használnak.

Oszloppufferelt CCD

Oszloppufferelt mátrixszerkezet

Az ilyen érzékelőkben minden oszlop mellett (amely szekvenciális eltolásregiszter) van egy pufferoszlop (szintén szekvenciális eltolásregiszter), amely átlátszatlan (általában fém) csíkokkal borított CCD elemekből áll. A puffer oszlopok halmaza egy puffer párhuzamos regisztert képez, és ennek a regiszternek az oszlopai "keverednek" a fényt regisztráló oszlopokkal.

Egy munkaciklus során a fényérzékeny párhuzamos eltolódás regisztere minden töltőáramát a puffer párhuzamos regiszterhez adja a töltések "vízszintes eltolása" segítségével, majd a fényérzékeny rész ismét készen áll az expozícióra. Ezután következik a puffer párhuzamos regiszter töltéseinek soronkénti "függőleges eltolódása", amelynek alsó sora a soros mátrix eltolás regiszter bemenete.

Nyilvánvaló, hogy a mátrix töltésének átvitele a puffer párhuzamos eltolódás regiszterébe rövid időintervallumot vesz igénybe, és nincs szükség a fényáram mechanikus zárral történő blokkolására - a gödröknek nem lesz idejük túlcsordulni. Másrészt a szükséges expozíciós idő általában összehasonlítható a teljes puffer párhuzamos regiszter olvasási idejével. Emiatt az expozíciók közötti intervallum minimálisra csökkenthető - ennek eredményeképpen a modern videokamerákban a videójel 30 kép / másodperc vagy annál magasabb frekvenciával jön létre.

Az oszloppufferelt érzékelők viszont két kategóriába sorolhatók. Ha egy óra ciklus összes sorát olvassuk, akkor progresszív letapogatású mátrixról beszélhetünk. Amikor az első ciklusban páratlan sorokat olvasunk, a másodikban pedig páros sorokat (vagy fordítva), akkor egy soros szkennelési mátrixról beszélünk. Egyébként az angol "interline matrix" és "interlaced" kifejezések hangjának hasonlósága miatt a hazai szakirodalomban a sorpufferelésű érzékelőket gyakran tévesen interlacednek nevezik.

Furcsa módon töltéskenetek is előfordulnak oszloppufferelt mátrixokban. Ennek oka az elektronok részleges áramlása a fényérzékeny CCD -elem potenciálkútjából a közeli pufferelem potenciálkútjába. Ez különösen gyakran fordul elő, ha a fényáram szintje közel van a maximumhoz, amit a pixel nagyon magas megvilágítása okoz. Ennek eredményeként egy fénycsík húzódik felfelé és lefelé a kép ezen fényes pontjától, ami elrontja a keretet.

Ennek ellensúlyozására növeljük a fényérzékeny és a puffer CCD elemek közötti távolságot. Ennek eredményeképpen a töltéscsere bonyolultabbá válik, és az erre fordított idő nő, de a keret "elkenődés" okozta torzulása még mindig túlságosan észrevehető ahhoz, hogy elhanyagoljuk.

Az oszloppufferelés lehetővé teszi egy elektronikus redőny megvalósítását is, amely kiküszöböli a fényáram mechanikus blokkolásának szükségességét. Az elektronikus zárszerkezettel ultragyors (akár a másodperc 1/10 000. része) zársebességet érhet el, amely mechanikus zárral nem érhető el. Ez a funkció különösen fontos sportok, természeti jelenségek stb. Fényképezésekor.

Az elektronikus redőny megvalósításához virágzásgátló vízelvezetés szükséges. Nagyon rövid expozíciók esetén, amelyek időtartama rövidebb, mint a töltés átvitelének ideje a fényérzékeny CCD -elem potenciális kútjából a puffer potenciális lyukába, a vízelvezetés "levágás" szerepet játszik. Ez a "levágás" megakadályozza, hogy az expozíciós idő után a fényérzékeny elem lyukában keletkező elektronok belépjenek a CCD pufferelem lyukába.

Pixel szerkezet - mikrolencsék és hagyományos

A mikrolencséken áthaladó fényáram koncentrációjának mértéke a mátrixgyártó technológiai szintjétől függ. Vannak meglehetősen bonyolult tervek, amelyek maximális hatékonyságot biztosítanak ezeknek a miniatűr eszközöknek.

A mikrolencsék használata azonban jelentősen csökkenti annak valószínűségét, hogy a normálhoz képest nagy szögben eső fénysugarak behatolnak a fényérzékeny területre. Nagy rekesznyílásnál pedig az ilyen sugarak aránya meglehetősen nagy. Így csökken a fényáram mátrixra gyakorolt ​​hatásának intenzitása, vagyis az a fő hatás, amelyre a rekeszizom kinyílik.

Az ilyen sugarak ártalma azonban nem kevesebb, mint a haszon. A tény az, hogy nagy szögben behatolva a szilíciumba, egy foton beléphet a mátrixba az egyik pixel felületén, és kiüthet egy elektronot a másik testében. Ez a kép torzulásához vezet. Ezért az ilyen "páncéltörő" fotonok hatásának gyengítése érdekében a mátrix felületét-a fényérzékeny területek kivételével-átlátszatlan (általában fémből készült) maszk borítja, ami tovább bonyolítja a kialakítást a mátrixból.

Ezenkívül a mikrolencsék bizonyos torzulásokat vezetnek be a rögzített képbe, elmosva a vonalak széleit, amelyek vastagsága az érzékelő felbontásának határán van. De még ez a negatív hatás is részben előnyös lehet. Az ilyen vékony vonalak a kép másolásához vezethetnek, ami egy adott színnek a pixelhez való hozzárendeléséből adódik, függetlenül attól, hogy a kép egy része teljesen vagy csak egy része lefedi. A szaggatás a képen szaggatott vonalakat eredményez.

A lépések miatt a nagyméretű, teljes képkockás érzékelőkkel rendelkező kamerákat elhárító szűrővel látják el, és ezeknek az eszközöknek az ára meglehetősen magas. Nos, a mikrolencsés mátrixokhoz nincs szükség erre a szűrőre.

A különböző képminőségi követelmények miatt az oszloppufferelt mátrixokat elsősorban az amatőr technológiában használják, míg a teljes képkockás szenzorok a professzionális és stúdió kamerákban helyezkedtek el.

Folytatjuk

Ez a cikk leírást ad, ha mondhatom, a pixelgeometriáról. A regisztráció, a tárolás és a díj olvasása során lejátszódó folyamatok további részleteit a következő cikk írja le.

Egyetlen elem érzékeny a teljes látható spektrális tartományban, ezért a színes CCD -mátrixok fotodiódái felett fényszűrőt használnak, amely lehetővé teszi a három szín közül csak az egyik áthaladását: piros (piros), zöld (zöld), kék ( Kék) vagy sárga (sárga), bíbor (bíbor), türkiz (cián). És viszont nincsenek ilyen szűrők a fekete-fehér CCD-ben.

A PIXEL ESZKÖZE ÉS MŰKÖDÉSI ELVE

Egy pixel egy p-szubsztrátumból áll, amelyet egy átlátszó dielektrikum borít, és amelyre fényáteresztő elektródát helyeznek, amely potenciálkutat képez.

A pixel felett fényszűrő (színmátrixokban használatos) és konvergáló lencse (olyan mátrixokban használható, ahol az érzékeny elemek nem foglalják el teljesen a felületet).

Pozitív potenciált alkalmaznak a kristály felületén található fényáteresztő elektródára. A pixelre eső fény mélyen behatol a félvezető szerkezetbe, elektron-lyuk párt alkotva. A kapott elektronot és lyukat az elektromos mező széthúzza: az elektron a hordozó tárolóterületére (potenciálkút) mozog, és a lyukak az aljzatba áramlanak.

Egy pixel a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

• A potenciális kút kapacitása az elektronok száma, amelyeket a potenciális kút be tud tartani.
• Spektrális pixelérzékenység - az érzékenység (a fényáram és a fényáram aránya) függ a sugárzás hullámhosszától.
• A kvantumhatékonyság (százalékban mérve) egy fizikai mennyiség, amely egyenlő a fotonok számával, amelyek elnyelése kvázi részecskék képződését okozta, az elnyelt fotonok teljes számához viszonyítva. A modern CCD mátrixokban ez az érték eléri a 95%-ot. Ehhez képest az emberi szem kvantumhatékonysága nagyjából 1%.
• A dinamikus tartomány a telítési feszültség vagy áram aránya az effektív feszültséghez vagy a sötét zajhoz. DB -ben mérve.

CCD- ÉS TÖLTÉSI ÁTMENETI KÉSZÜLÉK

A CCD vonalakra van osztva, és minden sor képpontokra oszlik. A vonalakat stop rétegek választják el (p +), amelyek nem teszik lehetővé a töltések túlcsordulását közöttük. Az adatcsomagok áthelyezéséhez párhuzamos, függőleges (VCCD) és szekvenciális, vízszintes (HCCD) eltolási regisztereket használnak.

A háromfázisú eltolásregiszter legegyszerűbb működési ciklusa azzal kezdődik, hogy az első kapura pozitív potenciált alkalmaznak, aminek eredményeként egy kút keletkezik, feltöltve a képződött elektronokkal. Ezután a második kapura olyan potenciált alkalmazunk, amely magasabb, mint az első, ennek eredményeként a második kapu alatt mélyebb potenciálkút keletkezik, amelybe elektronok fognak áramlani az első kapu alól. A töltés mozgásának folytatásához csökkentse a második kapun lévő potenciál értékét, és nagyobb potenciált alkalmazzon a harmadikra. Elektronok áramlanak a harmadik kapu alatt. Ez a ciklus az akkumulációs ponttól a közvetlenül leolvasott vízszintes ellenállásig folytatódik. A vízszintes és függőleges eltolásregiszterek összes elektródája fázisokat képez (1. fázis, 2. fázis és 3. fázis).

A CCD -k színosztályozása:

• Fekete és fehér
• Színezett

A CCD -k architektúrális besorolása:

A fényérzékeny sejtek zöld színűek, az átlátszatlan területek szürke színűek.

A CCD a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• A töltésátvitel hatékonysága az eltolásregiszter mentén lévő út végén lévő töltésben lévő elektronok számának és a kezdeti számnak az aránya.
• A kitöltési tényező a fényérzékeny elemekkel töltött terület és a CCD-mátrix fényérzékeny felületének teljes területéhez viszonyított aránya.
• A sötét áram olyan elektromos áram, amely fényérzékeny elemen áramlik beeső fotonok hiányában.
• A leolvasási zaj az a zaj, amely a kimeneti jel átalakító és erősítő áramköreiben fordul elő.

Keretátviteli mátrixok. (Angol keretátvitel).

Előnyök: Az a képesség, hogy a felület 100% -át fényérzékeny elemekkel foglalja el; A kiolvasási idő rövidebb, mint a teljes képkocka-átviteli érzékelőé; Foltosabb, mint a teljes képkocka-átviteli CCD; Előnyös a teljes ciklusú architektúrával szemben: a keretátviteli CCD folyamatosan gyűjt fotonokat. Hátrányok: Az adatok olvasásakor takarja le a fényforrást a zsaluval, hogy elkerülje az elmosódást; A töltésmozgás útja megnövekedett, ami negatívan befolyásolja a töltésátvitel hatékonyságát; Ezeknek a mátrixoknak a gyártása és gyártása drágább, mint a teljes képkocka-átvitellel rendelkező eszközök.

Mátrixok interline átvitellel vagy mátrix oszloppuffereléssel (angol Interline-transfer).
	Előnyök: Nincs szükség redőny használatára; Nincs kenés. Hátrányok: Az a képesség, hogy a felületet érzékeny elemekkel legfeljebb 50%-ban töltse fel. Az olvasási sebességet a váltóregiszter sebessége korlátozza; A felbontás alacsonyabb, mint a keretes és teljes képátvitellel rendelkező CCD -ké.

Interline vagy line-wrap mátrixok.

Előnyök: A töltés felhalmozódásának és átadásának folyamatai térben elkülönülnek; A tárolóelemekből származó töltés átkerül a CCD mátrix fényétől lezárt átviteli nyilvántartásokba; A teljes kép töltésének átvitele 1 óra ciklusban történik; Nincs kenés; Az expozíciók közötti intervallum minimális, és alkalmas videofelvételre. Hátrányok: A felület érzékeny elemekkel való feltöltésének képessége legfeljebb 50%; A felbontás alacsonyabb, mint a keretes és teljes képátvitellel rendelkező CCD -ké; A töltésmozgás útja megnövekedett, ami negatívan befolyásolja a töltésátvitel hatékonyságát.

A CCD -MATRIXOK ALKALMAZÁSA

	TUDOMÁNYOS ALKALMAZÁS spektroszkópiához; mikroszkópiához; kristálytani célokra; fluoroszkópiához; a természettudományok számára; a biológiai tudományok számára.
	TÉR ALKALMAZÁS teleszkópokban; csillagérzékelőkben; műholdak követésében; bolygók szondázásakor; fedélzeti és kézi személyzet felszerelése.
	IPARI ALKALMAZÁSOK a hegesztések minőségének ellenőrzése; a festett felületek egyenletességének szabályozása; a mechanikai termékek kopásállóságának tanulmányozása; vonalkódok olvasásához; a termékcsomagolás minőségének ellenőrzésére.
	KÉRELEM TÁRGYAK VÉDELMÉRE lakólakásokban; a repülőtereken; építkezéseken; munkahelyeken; "okos" kamerákban, amelyek felismerik az ember arcát.
	ALKALMAZÁS FOTÓZÁSBAN professzionális kamerákban; amatőr kamerákban; mobiltelefonokban.
	ORVOSI ALKALMAZÁS fluoroszkópiában; a kardiológiában; a mammográfiában; a fogászatban; mikrosebészetben; az onkológiában.
	AUTO ROAD ALKALMAZÁS automatikus rendszámfelismeréshez; sebességszabályozáshoz; a forgalomirányításhoz; a parkolóba való belépéshez; rendőrségi felügyeleti rendszerekben.

Hogyan fordul elő torzítás, ha mozgó tárgyakat lineáris zárérzékelővel fényképez:

(lang: ‘ru’)

Folytatom az előző kiadványban megkezdett beszélgetést a készülékről.

A digitális fényképezőgép egyik fő eleme, amely megkülönbözteti a filmkameráktól, egy fényérzékeny elem, az úgynevezett képerősítő cső vagy fényérzékeny digitális kamera... Már beszéltünk a kamera mátrixairól, de most nézzük meg részletesebben az eszközt és a mátrixművelet elvét, bár inkább felületesen, hogy ne fárasztjuk túl az olvasót.

Manapság a legtöbb digitális fényképezőgép fel van szerelve CCD mátrixok.

CCD-mátrix. Eszköz. Működés elve.

Nézzük a készüléket CCD érzékelők.

A félvezetőkről ismert, hogy n- és p-típusú félvezetőkre oszthatók. Egy n típusú félvezetőben többlet szabad elektron van, egy p típusú félvezetőben pedig pozitív töltések, "lyukak" (és ebből adódóan az elektronok hiánya). Minden mikroelektronika e két félvezető kölcsönhatásán alapul.

Szóval, az elem Digitális kamera CCD a következőképpen van elrendezve. Lásd az 1. ábrát:

1. ábra

Anélkül, hogy a részletekbe belemennénk, egy CCD-elem vagy töltéskapcsolt eszköz, angol fordításban: charge-coupled-device-CCD, egy MIS (fém-dielektromos-félvezető) kondenzátor. P -típusú hordozóból - szilíciumrétegből, szilícium -dioxid szigetelőből és elektródalemezekből áll. Amikor pozitív potenciált alkalmazunk az egyik elektródára, alatta az alapvető hordozókban - lyukakban - kimerült zóna alakul ki, mivel azokat az elektromos mező félretolja az elektródától mélyen az aljzatba. Így ezen elektród alatt potenciálkút keletkezik, vagyis az energiazóna kedvező a kisebbségi hordozók - elektronok - mozgásához. Ebben a gödörben negatív töltés halmozódik fel. Ebben a kútban sokáig tárolható, mivel nincsenek benne lyukak, és ezért az elektronok rekombinációjának okai.

Fényérzékenyben mátrixok az elektródák polikristályos szilícium filmek, átlátszóak a spektrum látható tartományában.

A mátrixra eső fény fotonjai a szilícium hordozóba esnek, lyuk-elektron párt alkotva benne. A furatok, amint fentebb említettük, mélyen az aljzatba szorulnak, és az elektronok felhalmozódnak a potenciálkútban.

A felhalmozott töltés arányos az elemre eső fotonok számával, azaz a fényáram intenzitásával. Így a mátrixon az optikai képnek megfelelő töltéscsökkentés jön létre.

Mozgó töltések a CCD -ben.

Minden CCD -elem több elektródával rendelkezik, amelyekre különböző potenciálok vonatkoznak.

Amikor egy adott elektródánál nagyobb potenciált alkalmazunk a szomszédos elektródára (lásd 3. ábra), alatta mélyebb potenciálkút keletkezik, amelybe a töltés az első potenciálkútból mozog. Így a töltés mozoghat az egyik CCD cellából a másikba. A 3. ábrán látható CCD elemet háromfázisúnak nevezik, vannak 4 fázisú elemek is.

4. ábra Háromfázisú, töltéssel kapcsolt eszköz működési sémája - műszakregiszter.

A töltések áramimpulzusokká alakításához (fotoáram) soros eltolódás regisztereket használnak (lásd 4. ábra). Az ilyen eltolódásregiszter a CCD elemek sorozata. Az áramimpulzusok amplitúdója arányos az átadott töltés mennyiségével, és így arányos a beeső fényárammal. A töltéssorozat leolvasásával generált áramimpulzusok sorozata ezután az erősítő bemenetére kerül.

A szorosan elhelyezett CCD -elemek sorait egyesítik CCD... Az ilyen mátrix munkája helyi töltés létrehozásán és átvitelén alapul az elektromos mező által létrehozott potenciális kutakban.

5. ábra.

A regiszter összes CCD -elemének töltései szinkronban kerülnek át a szomszédos CCD -elemekre. Az utolsó cellában lévő töltés a regiszter kimenetére kerül, majd az erősítő bemenetére.

A soros váltásregiszter merőlegesen elhelyezett műszakregiszterekre van feltöltve, amelyeket együttesen párhuzamos eltolásregiszternek neveznek. A párhuzamos és szekvenciális eltolásregiszterek alkotják a CCD mátrixot (lásd 4. ábra).

A soros regiszterre merőleges eltolásregisztereket oszlopoknak nevezzük.

A töltések mozgása a párhuzamos regiszterben szigorúan szinkronban van. Az egyik sor összes töltése egyidejűleg a másikra kerül. Az utolsó sor díjai szekvenciális regiszterbe kerülnek. Így egy munkaciklus alatt a párhuzamos regiszter töltésvonala belép a szekvenciális regiszter bemenetébe, és helyet szabadít fel az újonnan kialakított töltéseknek.

A soros és párhuzamos regiszterek működését egy óra generátor szinkronizálja. Rész digitális fényképezőgép mátrixa magában foglal egy olyan mikroáramkört is, amely potenciálokat szolgáltat a regiszter átviteli elektródákhoz és szabályozza azok működését.

Az ilyen típusú képerősítőt teljes képkockás CCD-mátrixnak nevezik. Működéséhez átlátszatlan burkolatra van szükség, amely először megnyitja a képerősítőt a fénynek való kitettség érdekében, majd amikor megkapja a fotonok számát, amely szükséges ahhoz, hogy elegendő töltést halmozzon fel a mátrix elemeiben, elzárja azt a fénytől. Az ilyen burkolat mechanikus redőny, mint a filmkamerákban. Az ilyen redőny hiánya azt eredményezi, hogy amikor a töltések elmozdulnak a műszakregiszterben, a cellákat továbbra is fénysugárral sugározzák, és minden elektron pixel töltéséhez extra elektronokat adnak hozzá, amelyek nem felelnek meg az adott fényáramnak. pont. Ez a töltés "elkenődéséhez", illetve a kapott kép torzulásához vezet.

Bevezetés

Ebben a kurzusban általános információkat fogok figyelembe venni a CCD-eszközökről, a paraméterekről, a létrehozás történetéről, a modern CCD-kamerák jellemzőiről a közepes infravörös tartományban.

A tanfolyam eredményeként tanulmányoztam a CCD-kamerák létrehozására, működési elvére, műszaki jellemzőire és alkalmazására vonatkozó szakirodalmat a közép-IR tartományban.

CCD. A CCD fizikai elve. CCD

A töltéssel összekapcsolt eszköz (CCD) egyszerű MIS szerkezetek (fém-dielektromos-félvezető) sorozata, amely egy közös félvezető szubsztrátumon van kialakítva oly módon, hogy a fém-elektródák csíkjai lineáris vagy mátrix szabályos rendszert alkotnak, amelyben a szomszédos az elektródák elég kicsik (1. ábra). Ez a körülmény határozza meg azt a tényt, hogy a szomszédos MIS struktúrák kölcsönös befolyása meghatározó az eszköz működésében.

1. ábra - CCD szerkezet

A fényérzékeny CCD -k fő funkcionális célja az optikai képek elektromos impulzusokká alakítása (videó jel létrehozása), valamint a digitális és analóg információk tárolása és feldolgozása.

A CCD -ket monokristályos szilícium alapján gyártják. Ehhez egy vékony (0,1-0,15 μm) szilícium-dioxid dielektromos fóliát hoznak létre a szilícium ostya felületén termikus oxidációval. Ezt a folyamatot úgy hajtják végre, hogy biztosítsák a félvezető -szigetelő interfész tökéletességét, és minimalizálják a központok rekombinációjának koncentrációját az interfészen. Az egyes MIS elemek elektródái alumíniumból készülnek, hossza 3-7 mikron, az elektródák közötti rés 0,2-3 mikron. A MIS elemek tipikus száma 500-2000 lineáris és mátrixos CCD-ben; a lemez területe Minden sor szélső elektródái alatt p -n - csomópontokat készítenek, amelyek a töltések (töltéscsomagok) egy részének bemenetére - kimenetére szolgálnak. módszer (injektálás p-n-elágazással). Fotoelektromos a töltőcsomagok bemenete, a CCD elölről vagy hátulról világít. Az elülső megvilágítás alatt az elektródák árnyékoló hatásának elkerülése érdekében az alumíniumot általában erősen adalékolt polikristályos szilícium (poliszilícium) fóliákkal helyettesítik, amelyek átlátszóak a spektrum látható és infravörös közelében.

Hogyan működik a CCD?

A CCD működésének általános elve a következő. Ha negatív feszültséget alkalmaznak a CCD bármely fémelektródájára, akkor a keletkező elektromos mező hatására az elektronok, amelyek a hordozó fő hordozói, mélyen a félvezetőbe távoznak. A felszínen kimerülési régió képződik, amely az energiadiagramon a kisebbségi hordozók - lyukak - potenciális kútját képviseli. Az ebbe a régióba bármilyen módon eső lyukak vonzódnak a szigetelő - félvezető interfészhez, és keskeny felszín alatti rétegben helyezkednek el.

Ha most nagyobb amplitúdójú negatív feszültséget alkalmazunk a szomszédos elektródára, akkor mélyebb potenciálkút keletkezik, és a lyukak áthaladnak benne. A szükséges vezérlőfeszültségeket különböző CCD-elektródákra alkalmazva lehetőség van a töltések bizonyos felszínközeli régiókban történő tárolására, valamint a töltések irányított mozgására a felület mentén (szerkezetről szerkezetre). A töltési csomag bevezetése (rögzítés) végrehajtható vagy pn-csomóponttal, például a szélső CCD-elem közelében, vagy fénygenerálással. A töltés eltávolítása a rendszerből (leolvasás) szintén a legegyszerűbb pn csomópont segítségével. Így a CCD olyan eszköz, amelyben a külső információkat (elektromos vagy fényjeleket) mobilhordozók töltési csomagjaivá alakítják át, amelyek bizonyos módon a felszín közeli régiókban helyezkednek el, és az információfeldolgozást ezek szabályozott mozgása végzi. csomagokat a felület mentén. Nyilvánvaló, hogy digitális és analóg rendszereket lehet építeni CCD -k alapján. Digitális rendszerek esetében csak az a tény fontos, hogy lyukak vannak -e vagy nincsenek a CCD adott elemében, analóg feldolgozásnál a mozgó töltések értékeivel foglalkoznak.

Ha egy képet hordozó fényáramot egy többelemű vagy mátrixos CCD-hez irányítunk, akkor az elektron-lyuk párok fotogenerálása a félvezető térfogatában kezdődik. A CCD kimerülési régiójába kerülve a hordozókat elválasztják, és lyukak halmozódnak fel a potenciális lyukakban (ráadásul a felhalmozott töltés értéke arányos a helyi megvilágítással). Egy bizonyos idő elteltével (több ezredmásodperc nagyságrendben), amely elegendő a kép észleléséhez, a megvilágítás eloszlásának megfelelő töltéscsomagok képe tárolásra kerül a CCD mátrixban. Az óra bekapcsolásakor a töltési csomagok a kimeneti olvasóba kerülnek, amely elektromos jelekké alakítja át őket. Ennek eredményeként a kimenet különböző amplitúdójú impulzusok sorozata lesz, amelyek burkolólapját a videó jel adja.

A CCD működési elvét a CCD vonalának egy háromciklusú (háromfázisú) áramkör által vezérelt töredékének példáján a 2. ábra szemlélteti. , az úgynevezett. tárolási feszültség Uxp, a fő hordozók - p -típusú szilícium esetén lyukak - visszaszorítása a félvezető mélyére, és kimerült rétegek kialakítása 0,5-2 mikron mélységben - potenciális lyukak az elektronok számára. A PCCD felület megvilágítása felesleges elektron-lyuk párokat hoz létre a szilícium tömegen, míg az elektronokat potenciális lyukakba húzzák, vékony (0,01 μm) felszín közeli rétegben, az 1, 4,7 elektródák alatt, ami jel töltési csomagokat képez.

töltő link kamera infravörös

2. ábra - háromfázisú töltéssel kapcsolt eszköz - műszakregiszter működési diagramja

Az egyes csomagokban lévő töltés mennyisége arányos az adott elektróda közelében lévő felület expozíciójával. Jól kialakított MIS struktúrákban az elektródák közelében keletkező töltések viszonylag sokáig fennmaradhatnak, de fokozatosan, a töltéshordozók szennyező központok általi generálása, a tömeges vagy az interfész hibái miatt ezek a töltések felhalmozódnak potenciális kutakat, amíg meg nem haladják a jelző töltéseket, sőt teljesen meg nem töltik a kutakat.

A II. Ciklus (töltésátvitel) során a tárolási feszültségnél magasabb leolvasási feszültséget alkalmaznak a 2, 5, 8 elektródákra és így tovább. Ezért mélyebb potenciálok keletkeznek a 2, 5 és 8 elektródák alatt. lyukakban, mint az 1., 4. és 7. elektronok alatt, és az 1. és 2., 4. és 5., 7. és 8. elektróda közelsége miatt a köztük lévő akadályok eltűnnek, és az elektronok a szomszédos, mélyebb potenciálú kutakba áramlanak.

A III. Ciklus során a 2, 5, 8 elektródák feszültsége a -ra csökken, az 1, 4, 7 elektródákról eltávolítják.

Hogy. minden töltéscsomagot a CCD vonal mentén jobbra továbbítunk egy lépéssel, amely megegyezik a szomszédos elektródák közötti távolsággal.

A teljes működés során egy kis előfeszítő feszültséget (1-3 V) tartanak fenn az elektródákon, amelyek nincsenek közvetlenül csatlakoztatva a potenciálokhoz, ami biztosítja a töltéshordozók kimerülését a teljes félvezető felületen és a rá gyakorolt ​​rekombinációs hatások gyengülését.

A feszültségváltás folyamatát sokszor megismételve, az összes töltéscsomagot, például a vonalban lévő fény által gerjesztve, egymás után adják ki a szélső r-h-csomóponton keresztül. Ebben az esetben a kimeneti áramkörben feszültségimpulzusok jelennek meg, arányosak az adott csomag töltési mennyiségével. A megvilágítási minta felszíni töltésmentessé alakul, amely a teljes vonal mentén történő elmozdulás után elektromos impulzusok sorozatává alakul. Minél nagyobb az elemek száma egy sorban vagy mátrixban (az 1 - IR vevők száma; 2 - a pufferelemek száma; 3 - a CCD a töltéscsomag hiányos átvitele az egyik elektródáról a szomszédosra, és az ebből eredő információ torzulása felerősödik . a fényátadás ideje, az észlelés térben elkülönített területei - felhalmozódása és tárolása - leolvasása az FPCD kristályon jön létre, és az elsőben maximális fényérzékenységet biztosít, az utóbbi pedig éppen ellenkezőleg, a fényt. , átkerülnek a 2. regiszterbe (páros elemekből) és a 3. regiszterbe (páratlan elemekből). Míg ezeken a regisztereken keresztül az információ a 4. kimeneten keresztül továbbítódik az 5. jelkombináló áramkörbe, egy új videokeret halmozódik fel az 1. sorban. FPSS kerettel átvitelhez (3. ábra), a 7 felhalmozási mátrix által kapott információt gyorsan "bedobják" a 2 tárolómátrixba, ahonnan az egymást követő de a CCD -regiszter 3 olvassa; ugyanakkor az 1. mátrix új keretet halmoz fel.

3. ábra - az információ felhalmozódása és olvasása egy lineáris (a), mátrix (b) töltéssel kapcsolt fényérzékeny eszközben és töltésbefecskendező eszközben.

A legegyszerűbb felépítésű CCD -k mellett (1. ábra) ezek más típusai is elterjedtek, különösen az átfedő poliszilícium elektródákkal rendelkező eszközök (4. ábra), amelyekben aktív fotoelektromos hatás érhető el a teljes félvezető felületen és egy kis rés az elektródák és a felszín közeli tulajdonságok aszimmetriájú eszközök között (például. változó vastagságú dielektromos réteggel-4. ábra), kétütemű üzemmódban. A szennyeződések diffúziója által kialakított térfogatcsatornás CCD szerkezete (4. ábra) alapvetően eltérő. A felhalmozódás, tárolás és töltésátvitel a félvezető nagy részében történik, ahol a központok rekombinációja kisebb, mint a felszínen, és a hordozó mobilitása nagyobb. Ennek következménye nagyságrendi növekedés és csökkenés a felszíni csatornával rendelkező minden típusú CCD -hez képest.

4. ábra - Felületi és térfogatcsatornás CCD -eszközök.

A színes képek észleléséhez a két módszer egyikét alkalmazzák: az optikai áramlást prizmával vörösre, zöldre, kékre osztják, mindegyiket egy speciális FPCD - kristály segítségével érzékelik, és mindhárom kristályból származó impulzusokat egyetlen videojellé keverik; filmsor vagy mozaik kódoló szűrő létrehozása az FPZS felületén, amely többszínű hármasok raszterét képezi.