despre alegerea unei camere video pentru o familie, am scris despre matrici. Acolo am atins cu ușurință această problemă, dar astăzi vom încerca să descriem ambele tehnologii mai detaliat.

Ce este o matrice într-o cameră video? Acesta este un microcircuit care transformă un semnal luminos într-unul electric. Astăzi există 2 tehnologii, adică 2 tipuri de matrice - CCD (CCD) și CMOS (CMOS)... Ele sunt diferite între ele, fiecare are propriile sale argumente pro și contra. Este imposibil să spunem cu siguranță care dintre ele este mai bun și care dintre ele este mai rău. Se dezvoltă în paralel. Nu vom intra în detalii tehnice, pentru că vor fi de neînțeles, dar în termeni generali le vom defini principalele argumente pro și contra.

Tehnologie CMOS (CMOS)

Matrici CMOS se laudă în primul rând cu un consum redus de energie, ceea ce este un plus. O cameră video cu această tehnologie va dura puțin mai mult (în funcție de capacitatea bateriei). Dar acestea sunt fleacuri.

Principala diferență și avantaj este citirea aleatorie a celulelor (în CCD, citirea se efectuează simultan), din care cauză este exclusă estomparea imaginii. Ați văzut vreodată „stâlpi verticali de lumină” din obiecte cu punct luminos? Deci matricile CMOS exclud posibilitatea apariției lor. Și camerele bazate pe ele sunt, de asemenea, mai ieftine.

Există și dezavantaje. Primul este dimensiunea mică a elementului fotosensibil (în raport cu dimensiunea pixelilor). Aici, cea mai mare parte a suprafeței pixelilor este ocupată de electronică, prin urmare, aria elementului fotosensibil este redusă. În consecință, sensibilitatea matricei scade.

pentru că procesarea electronică se efectuează pe un pixel, apoi cantitatea de zgomot din imagine crește. Acesta este, de asemenea, un dezavantaj, la fel și timpul scăzut de scanare. Din această cauză, apare efectul unui „obturator rulant”: atunci când operatorul se mișcă, obiectul din cadru poate fi distorsionat.

Tehnologie CCD (CCD)

Camerele cu matrice CCD oferă imagini de înaltă calitate. Din punct de vedere vizual, este ușor să observați mai puțin zgomot în videoclipurile capturate cu o cameră video CCD comparativ cu videoclipurile capturate cu o cameră CMOS. Acesta este primul și cel mai important avantaj. Și încă ceva: eficiența matricilor CCD este pur și simplu uimitoare: factorul de umplere se apropie de 100%, raportul fotonilor înregistrați este de 95%. Luați ochiul uman normal - aici raportul este de aproximativ 1%.

Prețul ridicat și consumul mare de energie sunt dezavantajele acestor matrice. Problema este că procesul de înregistrare este incredibil de dificil aici. Fixarea imaginii se realizează datorită multor mecanisme suplimentare care nu sunt disponibile în matricile CMOS, prin urmare, tehnologia CCD este semnificativ mai scumpă.

Matricile CCD sunt utilizate în dispozitivele de la care este necesară obținerea unei imagini color și de înaltă calitate și care, eventual, va înregistra scene dinamice. Acestea sunt camerele video profesionale în cea mai mare parte, deși sunt și cele de uz casnic. Acestea sunt, de asemenea, sisteme de supraveghere, camere digitale etc.

Matricile CMOS sunt utilizate acolo unde nu există cerințe deosebit de mari pentru calitatea imaginii: senzori de mișcare, smartphone-uri ieftine ... Totuși, acesta a fost cazul înainte. Matricile moderne CMOS au modificări diferite, ceea ce le face foarte calitative și demne în ceea ce privește concurența cu matricile CCD.

Acum este dificil să se judece ce tehnologie este mai bună, deoarece ambele demonstrează rezultate excelente. Prin urmare, este cel puțin o prostie să punem tipul de matrice ca singurul criteriu de selecție. Există multe caracteristici de luat în considerare.

Vă rugăm să evaluați articolul:

După ce ați citit partea anterioară, cititorul nostru ar putea avea impresia că CCD este un fel de „cutie neagră” care produce un „negativ electronic” după ce imaginea luminoasă creată de obiectiv a fost proiectată pe suprafața sa de înregistrare și că calitatea a imaginii este influențată exclusiv de dimensiunea senzorului.

Vânzătorii de echipamente fotografice digitale aderă la același punct de vedere, împingând ușor, dar persistent, un potențial cumpărător să cumpere un model cu cel mai mare senzor posibil, chiar dacă nu există motive obiective pentru o astfel de achiziție. Chiar mai des, „momeala” pentru client constă în diferite tipuri de „dezvoltări unice” utilizate pentru a crea matricea, care, în mod ciudat, nu sunt utilizate de niciun alt producător.

Este dificil pentru un fotograf amator începător să distingă promisiunile publicitare de descoperirile tehnice cu adevărat eficiente. Acest articol va încerca să „separe grâul de pleavă”, dar mai întâi trebuie să vă familiarizați cu definițiile de bază ale fotografiei digitale.

Cum un foton devine un electron

În dispozitivele cuplate la încărcare, conversia unui foton într-un electron se efectuează ca rezultat al unui efect fotoelectric intern: absorbția unei cuante de lumină de către o rețea de cristal semiconductor cu eliberarea purtătorilor de sarcină. Poate fi fie o pereche „electron + gaură”, fie un singur purtător de sarcină - acesta din urmă apare atunci când impuritățile donatorului sau acceptorului sunt utilizate într-un semiconductor. Este evident că purtătorii de încărcare formați trebuie păstrați cumva până în momentul citirii.

Pentru aceasta, materialul principal al matricei CCD, un substrat de siliciu de tip p, este echipat cu canale ale unui semiconductor de tip n, peste care electrozii transparenți la fotoni sunt fabricați din siliciu policristalin. După aplicarea unui potențial electric unui astfel de electrod, se creează un puț potențial în zona de epuizare sub canalul de tip n, al cărui scop este stocarea încărcăturii „extrase” prin intermediul efectului fotoelectric intern. Cu cât fotonii cad pe elementul CCD (pixel) și se transformă în electroni, cu atât va fi mai mare sarcina acumulată de fântână.

Element CCD

Secțiunea transversală a pixelilor CCD

Pentru a obține un „negativ electronic”, este necesar să se numere încărcătura fiecărei sonde potențiale a matricei. Această încărcare se numește fotocurent, valoarea ei este destul de mică și după citire necesită amplificare obligatorie.

Încărcarea este citită de un dispozitiv conectat la rândul cel mai exterior al matricei, care se numește registru de deplasare în serie. Acest registru este un șir de celule CCD, ale căror taxe sunt citite una câte una. La citirea sarcinii, se folosește capacitatea elementelor CCD de a muta sarcinile potențialelor fântâni - de fapt, acesta este motivul pentru care aceste dispozitive sunt numite dispozitive CCD. Pentru aceasta, se utilizează electrozi de poartă de transfer, situați în spațiul dintre elementele PSG. Potențialilor li se aplică acești electrozi, „atrăgând” încărcătura dintr-un puț potențial și transferând-o în alta.

Odată cu alimentarea sincronă a potențialului către electrozii de transfer, transferul simultan al tuturor sarcinilor de linie de la dreapta la stânga (sau de la stânga la dreapta) este asigurat într-un singur ciclu de lucru. Sarcina care s-a dovedit a fi „superfluă” merge la ieșirea matricei CCD. Astfel, registrul de schimbare serial convertește sarcinile care intră în intrarea sa sub formă de „lanțuri” paralele într-o succesiune de impulsuri electrice de magnitudine diferită la ieșire. Pentru a alimenta aceste „lanțuri” paralele la intrarea registrului serial, din nou se folosește un registru de schimbare, dar de această dată în paralel.

CCD

Secțiunea transversală a pixelilor CCD

De fapt, registrul paralel este însuși CCD-ul, care, printr-o combinație de fotocurenți, creează o „distribuție” electronică a imaginii luminoase. O matrice este un set de registre secvențiale numite coloane și sincronizate între ele. Ca rezultat, în timpul ciclului de lucru, există o „alunecare” sincronă a fotocurenților în jos, iar încărcăturile din rândul inferior al matricei care s-au dovedit a fi „inutile” sunt alimentate la intrarea registrului secvențial.

După cum urmează din cele de mai sus, este necesar un număr suficient de mare de microcircuite de control pentru a sincroniza furnizarea potențialelor atât la registrele de schimbare paralele, cât și la cele seriale. Evident, registrul serial trebuie să fie complet lipsit de taxe în intervalul dintre ciclurile de ceas ale registrului paralel, prin urmare, este necesar un microcircuit care să sincronizeze ambele registre între ele.

Din ce este format un pixel

Conform schemei de mai sus, așa-numita matrice CCD full-frame funcționează, modul său de funcționare impune o anumită limitare a proiectării camerei: dacă expunerea nu se oprește în timpul citirii fotocurentului, taxa „suplimentară” generată de fotonii care cad pe pixeli, „Mănuși” peste cadru. Prin urmare, este nevoie de un obturator mecanic, care blochează fluxul de lumină către senzor pentru timpul necesar citirii încărcărilor tuturor pixelilor. Evident, o astfel de schemă pentru citirea fotocurenților nu permite formarea unui flux video la ieșirea din matrice, prin urmare este utilizată numai în echipamente fotografice.

Cu toate acestea, excesul de încărcare se poate acumula în puțul potențial în timpul fotografierii - de exemplu, dacă expunerea este prea „lungă”. Electronii „extra” tind să se „răspândească” peste pixeli învecinați, care este afișat în imagine ca pete albe, a căror dimensiune este legată de valoarea de revărsare. Acest efect se numește blooming (din engleză blooming - „blurring”). Lupta împotriva înfloririi se realizează prin drenaj electronic (drenaj) - îndepărtarea excesului de sarcină dintr-o groapă potențială. Există două tipuri principale de drenaj: vertical (Vertical Overflow Drain, VOD) și lateral (Lateral Overflow Drain, LOD).

Scurgere laterală CCD

Schema de drenaj lateral

Pentru implementarea drenajului vertical, se aplică un potențial pe substratul EOT, care, atunci când adâncimea potențială a puțului este supraumplută, asigură scurgerea excesului de electroni prin substrat. Principalul dezavantaj al unei astfel de scheme este o scădere a adâncimii gropii potențiale, în urma căreia gama dinamică este restrânsă. Și în matricile cu iluminare din spate (în ele fotonii pătrund în senzor nu prin electrodul puțului potențial, ci din partea laterală a substratului), drenajul vertical este în general inaplicabil.

Drenajul lateral se realizează folosind „caneluri de drenaj” speciale în care „drenează” excesul de electroni. Pentru a forma aceste caneluri, sunt așezați electrozi speciali, la care este furnizat un potențial, care formează sistemul de drenaj. Alți electrozi creează o barieră care împiedică evacuarea prematură a electronilor din fântâna potențială.

După cum urmează din descriere, cu drenaj lateral, adâncimea puțului potențial nu scade, cu toate acestea, aria zonei fotosensibile a pixelului este redusă. Cu toate acestea, este imposibil să se facă fără drenaj, deoarece înflorirea distorsionează imaginea mai mult decât toate celelalte tipuri de interferențe. Prin urmare, producătorii sunt obligați să complice proiectarea matricilor.

Astfel, „legarea” oricărui pixel constă în cel puțin electrozii de transfer de sarcină și componentele sistemului de drenaj. Cu toate acestea, majoritatea CCD-urilor se caracterizează printr-o structură mai complexă a elementelor lor.

Optica pixelilor

CCD-urile utilizate în camerele video și în majoritatea camerelor digitale amatoare oferă un flux continuu de impulsuri la ieșirea lor, în timp ce calea optică nu se suprapune. Pentru a preveni estomparea imaginii, se utilizează matricea CCD între linii.

Coloana tamponată CCD

Structura matricei tamponate a coloanei

În astfel de senzori, lângă fiecare coloană (care este un registru de deplasare secvențială) este o coloană tampon (de asemenea, un registru de deplasare secvențială), constând din elemente CCD acoperite cu dungi opace (de obicei metalice). Setul de coloane tampon constituie un registru paralel tampon, iar coloanele acestui registru sunt „amestecate” cu coloanele de înregistrare a luminii.

Într-un ciclu de lucru, registrul de deplasare paralelă fotosensibilă dă toate curenții săi la registrul paralel tampon prin intermediul „deplasării orizontale” a sarcinilor, după care partea fotosensibilă este din nou gata pentru expunere. Apoi vine „deplasarea verticală” linie cu linie a încărcărilor registrului paralel tampon, a cărui linie de jos este intrarea registrului de deplasare a matricei seriale.

Este evident că transferul încărcării matricei în registrul de deplasare paralel tampon durează un interval scurt de timp și nu este necesar să se blocheze fluxul de lumină cu un obturator mecanic - gropile nu vor avea timp să se revărseze. Pe de altă parte, timpul de expunere necesar este de obicei comparabil cu timpul de citire al întregului registru paralel tampon. Datorită acestui fapt, intervalul dintre expuneri poate fi redus la minimum - ca urmare, semnalul video din camerele video moderne este format la o frecvență de 30 de cadre pe secundă și mai mare.

La rândul lor, senzorii cu tampon de coloană se împart în două categorii. Când citim toate liniile dintr-un singur ciclu de ceas, putem vorbi despre o matrice cu o scanare progresivă. Când liniile impare sunt citite în primul ciclu de ceas și liniile pare în al doilea (sau invers), vorbim despre o matrice de scanare întrețesută. Apropo, datorită similitudinii sunetului termenilor englezi „interlined matrix” și „interlaced” în literatura internă, senzorii cu tamponare de rânduri sunt adesea numiți în mod eronat interlaced.

În mod ciudat, „frotiul” apare și în matricele tamponate cu coloane. Acest lucru este cauzat de fluxul parțial de electroni din fântâna potențială a elementului CCD fotosensibil în fântâna potențială a elementului tampon din apropiere. Acest lucru se întâmplă mai ales atunci când nivelurile de fotocurent sunt aproape de maxim, cauzate de iluminarea foarte mare a pixelului. Ca rezultat, o bandă de lumină se extinde în sus și în jos din acest punct luminos din imagine, care strică cadrul.

Pentru a contracara acest fenomen, distanța dintre elementele CCD fotosensibile și tampon este mărită. Drept urmare, schimbul de încărcare devine mai complicat și timpul petrecut pe acest lucru crește, dar distorsiunea cadrului cauzată de „pătarea” este încă prea vizibilă pentru a fi neglijată.

Tamponarea coloanei permite, de asemenea, implementarea unui obturator electronic, care elimină necesitatea blocării mecanice a fluxului luminos. Cu declanșatorul electronic, puteți obține viteze de declanșare ultra-rapide (până la 1/10.000 de secundă) care nu pot fi atinse cu un declanșator mecanic. Această caracteristică este deosebit de relevantă atunci când fotografiați sporturi, fenomene naturale etc.

Pentru a implementa un obturator electronic, este necesar un drenaj anti-înflorire. La expuneri foarte scurte, care au o durată mai scurtă decât timpul de transfer al încărcăturii de la fântâna potențială a elementului CCD fotosensibil la fântâna potențială a tamponului, drenajul joacă rolul de „cutoff”. Această „tăiere” împiedică electronii generați în puțul elementului fotosensibil după timpul de expunere să pătrundă în puțul elementului tampon CCD.

Structura pixelilor - microlentilă și convențională

Gradul de concentrație a fluxului de lumină care trece prin microlentile depinde de nivelul tehnologic al producătorului matricei. Există modele destul de complexe care oferă o eficiență maximă pentru aceste dispozitive miniaturale.

Cu toate acestea, utilizarea microlentilelor reduce semnificativ probabilitatea ca razele de lumină incidente la un unghi mare față de normal să pătrundă în zona sensibilă la lumină. Și cu o deschidere mare, procentul acestor raze este destul de mare. Astfel, intensitatea efectului fluxului de lumină asupra matricei scade, adică efectul principal pentru care diafragma este deschisă.

Cu toate acestea, răul cauzat de astfel de raze nu este mai puțin decât beneficiul. Faptul este că, pătrunzând în siliciu la un unghi mare, un foton poate intra în matrice pe suprafața unui pixel și poate scoate un electron în corpul altuia. Acest lucru duce la distorsiunea imaginii. Prin urmare, pentru a slăbi influența unor astfel de fotoni care „perforează armura”, suprafața matricei, cu excepția zonelor sensibile la lumină, este acoperită cu o mască opacă (de obicei una metalică), care complică și mai mult proiectarea a matricei.

În plus, microlentilele introduc anumite distorsiuni în imaginea înregistrată, estompând marginile liniilor, a căror grosime este pe punctul de a rezolva senzorul. Dar chiar și acest efect negativ poate fi parțial benefic. Astfel de linii subțiri pot duce la aliasarea imaginii, care rezultă din atribuirea unei anumite culori unui pixel, indiferent dacă este acoperită complet de o parte a imaginii sau doar o parte a acestuia. Jaggingul rezultă în linii zimțate cu margini zimțate în imagine.

Datorită pasului, camerele cu senzori mari de cadru complet sunt echipate cu filtre anti-aliasing, iar prețul acestor dispozitive este destul de ridicat. Ei bine, matricile cu microlentile nu au nevoie de acest filtru.

Datorită cerințelor diferite de calitate a imaginii, matricele tamponate pe coloane sunt utilizate în principal în tehnologia amatorilor, în timp ce senzorii full-frame s-au instalat în camerele profesionale și de studio.

Va urma

Acest articol oferă o descriere, dacă aș putea spune, a geometriei pixelilor. Mai multe detalii despre procesele care au loc în timpul înregistrării, stocării și citirii taxei vor fi descrise în articolul următor.

Un element separat este sensibil în întreaga gamă spectrală vizibilă, prin urmare, un filtru de lumină este utilizat deasupra fotodiodelor matricilor CCD color, care transmite doar una din cele trei culori: roșu (roșu), verde (verde), albastru (albastru) sau galben (Galben), magenta (Magenta), turcoaz (Cyan). Și, la rândul său, nu există astfel de filtre în CCD alb-negru.

DISPOZITIV ȘI PRINCIPIU DE FUNCȚIONARE AL PIXELULUI

Un pixel constă dintr-un substrat p acoperit cu un dielectric transparent, pe care se aplică un electrod de transmitere a luminii, care formează un puț potențial.

Deasupra pixelului poate exista un filtru de lumină (utilizat în matricile de culoare) și un obiectiv convergent (utilizat în matrici în care elementele sensibile nu ocupă complet suprafața).

Un potențial pozitiv este aplicat electrodului care transmite lumina situat pe suprafața cristalului. Lumina care cade pe un pixel pătrunde adânc în structura semiconductoare, formând o pereche electron-gaură. Electronul și gaura rezultate sunt îndepărtate de câmpul electric: electronul se deplasează în zona de stocare a purtătorului (fântâna potențială), iar găurile curg în substrat.

Un pixel are următoarele caracteristici:

• Capacitatea unui puț potențial este numărul de electroni pe care puțul potențial îl poate deține.
• Sensibilitate spectrală a pixelilor - dependența sensibilității (raportul dintre fotocurent și fluxul luminos) de lungimea de undă a radiației.
• Eficiența cuantică (măsurată procentual) este o cantitate fizică egală cu raportul dintre numărul de fotoni, a cărui absorbție a determinat formarea cvasiparticulelor, la numărul total de fotoni absorbiți. În matricile CCD moderne, această cifră atinge 95%. În comparație, ochiul uman are o eficiență cuantică de ordinul 1%.
• Gama dinamică este raportul dintre tensiunea sau curentul de saturație la tensiunea RMS sau curentul de zgomot întunecat. Măsurat în dB.

DISPOZITIV DE TRANSFER CCD ȘI ÎNCĂRCARE

CCD-ul este împărțit în linii și, la rândul său, fiecare linie este împărțită în pixeli. Liniile sunt separate prin straturi de oprire (p +), care nu permit revărsarea sarcinilor între ele. Pentru a muta un pachet de date, se utilizează registre de deplasare paralele, verticale (VCCD) și secvențiale, orizontale (HCCD).

Cel mai simplu ciclu de funcționare a unui registru de deplasare trifazat începe cu faptul că se aplică un potențial pozitiv la prima poartă, ca urmare a căruia se formează un puț, umplut cu electronii formați. Apoi, aplicăm un potențial pentru a doua poartă care este mai mare decât prima, ca urmare a căruia se formează un puț de potențial mai profund sub a doua poartă, în care electronii vor curge de sub prima poartă. Pentru a continua mișcarea sarcinii, ar trebui să reduceți valoarea potențialului la a doua poartă și să aplicați un potențial mai mare la a treia. Electronii curg sub a treia poartă. Acest ciclu continuă de la punctul de acumulare la rezistorul orizontal citit direct. Toți electrozii registrelor de deplasare orizontală și verticală formează faze (faza 1, faza 2 și faza 3).

Clasificarea culorilor CCD-urilor:

• Alb-negru
• Colorat

Clasificarea arhitecturii CCD-urilor:

Celulele fotosensibile sunt prezentate în verde, zonele opace sunt în gri.

CCD are următoarele caracteristici:

• Eficiența transferului de încărcare este raportul dintre numărul de electroni din sarcină la sfârșitul căii de-a lungul registrului de deplasare la numărul de la început.
• Factorul de umplere este raportul dintre zona umplută cu elemente sensibile la lumină și aria totală a suprafeței sensibile la lumină a matricei CCD.
• Curentul întunecat este un curent electric care curge printr-un element fotosensibil în absența fotonilor incidenți.
• Zgomotul de citire este zgomotul care apare în circuitele de conversie și amplificare ale semnalului de ieșire.

Matrici de transfer de cadre. (Transfer cadru în engleză).

Avantaje: Capacitatea de a ocupa 100% din suprafață cu elemente fotosensibile; Timpul de citire este mai mic decât cel al unui senzor de transfer full-frame; Smudge mai puțin decât CCD de transfer full-frame; Are un avantaj al ciclului de funcționare față de arhitectura cadru complet: CCD-ul de transfer de cadre colectează fotoni tot timpul. Dezavantaje: Când citiți date, acoperiți sursa de lumină cu obturatorul pentru a evita estomparea; Calea mișcării sarcinii a fost mărită, ceea ce afectează negativ eficiența transferului de sarcină; Fabricarea și producerea acestor matrice este mai scumpă decât dispozitivele cu transfer full-frame.

Matrici cu transfer interline sau matrice cu buffering de coloane (English Interline-transfer).
	Avantaje: Nu este nevoie să folosiți un obturator; Fără lubrifiere. Dezavantaje: Capacitatea de a umple suprafața cu elemente sensibile nu mai mult de 50%. Viteza de citire este limitată de viteza registrului de schimbare; Rezoluția este mai mică decât cea a CCD-urilor cu transfer de cadre și cadru complet.

Matrici cu transfer linie-cadru sau matrice cu tamponare coloană (interline engleză).

Avantaje: Procesele de acumulare și transfer de sarcină sunt separate spațial; Încărcarea din elementele de stocare este transferată în registrele de transfer care sunt închise din lumina matricei CCD; Transferul încărcării întregii imagini se efectuează într-un ciclu de ceas; Fără lubrifiere; Intervalul dintre expuneri este minim și este potrivit pentru înregistrarea video. Dezavantaje: Capacitatea de a umple suprafața cu elemente sensibile nu mai mult de 50%; Rezoluția este mai mică decât cea a CCD-urilor cu transfer de cadre și cadru complet; Calea mișcării de încărcare a fost mărită, ceea ce afectează negativ eficiența transferului de încărcare.

APLICAREA MATRIZELOR CCD

	APLICARE ȘTIINȚIFICĂ pentru spectroscopie; pentru microscopie; pentru cristalografie; pentru fluoroscopie; pentru științele naturii; pentru științele biologice.
	APLICAREA SPAȚIULUI în telescoape; în senzori de stele; în urmărirea sateliților; atunci când sondează planete; echipament de bord și echipaj manual.
	APLICAȚII INDUSTRIALE pentru a verifica calitatea sudurilor; pentru a controla uniformitatea suprafețelor vopsite; să studieze rezistența la uzură a produselor mecanice; pentru citirea codurilor de bare; pentru a controla calitatea ambalajului produsului.
	CERERE DE PROTECȚIE A OBIECTELOR în apartamente rezidențiale; la aeroporturi; la șantierele de construcții; la locurile de muncă; în camerele „inteligente” care recunosc fața unei persoane.
	APLICARE ÎN FOTOGRAFIE în camerele profesionale; în camerele de amatori; în telefoanele mobile.
	APLICARE MEDICALĂ în fluoroscopie; în cardiologie; în mamografie; în stomatologie; în microchirurgie; în oncologie.
	APLICARE AUTO RUTIERĂ pentru recunoașterea automată a plăcuțelor de înmatriculare; pentru controlul vitezei; pentru gestionarea traficului; pentru admitere în parcare; în sistemele de supraveghere a poliției.

Cum se produce distorsiunea la fotografierea obiectelor în mișcare cu un senzor de declanșare liniar:

(lang: „ru”)

Continu conversația despre dispozitiv începută în publicația anterioară.

Unul dintre elementele principale ale unei camere digitale care o distinge de camerele cu film este un element fotosensibil, așa-numitul tub intensificator de imagine sau fotosensibil camera digitala... Am vorbit deja despre matricele camerei, dar acum să analizăm dispozitivul și principiul funcționării matricei mai detaliat, deși destul de superficial pentru a nu obosi prea mult cititorul.

Majoritatea camerelor digitale din zilele noastre sunt echipate cu Matrici CCD.

CCD-matrice. Dispozitiv. Principiul de funcționare.

Să aruncăm o privire la dispozitiv Senzori CCD.

Se știe că semiconductorii sunt împărțiți în semiconductori de tip n și de tip p. Într-un semiconductor de tip n există un exces de electroni liberi, iar într-un semiconductor de tip p există un exces de sarcini pozitive, „găuri” (și, prin urmare, o lipsă de electroni). Toată microelectronica se bazează pe interacțiunea acestor două tipuri de semiconductori.

Deci, elementul Aparat foto digital CCD este aranjat după cum urmează. Vezi Figura 1:

Fig. 1

Fără a intra în detalii, un element CCD sau un dispozitiv cuplat cu sarcină, în transcriere în limba engleză: charge-coupled-device - CCD, este un condensator MIS (metal-dielectric-semiconductor). Se compune dintr-un substrat de tip p - un strat de siliciu, un izolator de dioxid de siliciu și plăci de electrod. Când un potențial pozitiv este aplicat la unul dintre electrozi, sub aceasta se formează o zonă sărăcită în purtători de bază - găuri, deoarece acestea sunt împinse de câmpul electric de la electrod adânc în substrat. Astfel, sub acest electrod se formează un puț potențial, adică zona energetică este favorabilă mișcării purtătorilor minoritari - electroni în el. O sarcină negativă se acumulează în această groapă. Poate fi depozitat în acest puț pentru o lungă perioadă de timp datorită absenței găurilor în el și, prin urmare, motivelor recombinării electronilor.

În fotosensibil matrici electrozii sunt pelicule de siliciu policristalin, transparente în regiunea vizibilă a spectrului.

Fotonii luminii incidente pe matrice cad în substratul de siliciu, formând o pereche gaură-electron în el. Găurile, așa cum s-a menționat mai sus, sunt deplasate adânc în substrat, iar electronii se acumulează în puțul potențial.

Sarcina acumulată este proporțională cu numărul de fotoni care cad pe element, adică cu intensitatea fluxului de lumină. Astfel, pe matrice se creează o descărcare a sarcinii corespunzătoare imaginii optice.

Mișcări de încărcare în CCD.

Fiecare element CCD are mai mulți electrozi cărora li se aplică potențiale diferite.

Când un potențial mai mare decât cel al unui electrod dat este aplicat unui electrod învecinat (vezi Fig. 3), se formează un puț de potențial mai profund sub acesta, în care sarcina se deplasează din primul puț de potențial. Astfel, încărcătura se poate deplasa de la o celulă CCD la alta. Elementul CCD prezentat în Fig. 3 se numește trifazat, există și elemente cu 4 faze.

Fig. 4. Schema de funcționare a unui dispozitiv trifazat cu o sarcină cuplată - un registru de schimbare.

Pentru a converti sarcinile în impulsuri de curent (fotocurent), se utilizează registre de deplasare secvențiale (vezi Fig. 4). Acest registru de deplasare este un șir de elemente CCD. Amplitudinea impulsurilor de curent este proporțională cu cantitatea de încărcare transferată și este astfel proporțională cu fluxul luminos incident. Secvența impulsurilor de curent generate de citirea secvenței de încărcări este apoi alimentată la intrarea amplificatorului.

Rândurile de elemente CCD distanțate sunt combinate în CCD... Lucrarea unei astfel de matrice se bazează pe crearea și transferul unei sarcini locale în puțuri potențiale create de un câmp electric.

Fig. 5.

Încărcările tuturor elementelor CCD ale registrului sunt mutate sincron către elementele CCD adiacente. Sarcina care a fost în ultima celulă este alimentată la ieșirea din registru și apoi alimentată la intrarea amplificatorului.

Registrul de deplasare serial este încărcat cu registre de deplasare distanțate perpendicular, denumite în mod colectiv un registru de deplasare paralel. Registrele de deplasare paralele și secvențiale alcătuiesc matricea CCD (vezi Fig. 4).

Registrele de deplasare perpendiculare pe registrul secvențial se numesc coloane.

Mișcarea sarcinilor în registrul paralel este strict sincronizată. Toate încărcările dintr-un rând sunt mutate simultan pe următorul. Taxele ultimei linii intră într-un registru secvențial. Astfel, într-un ciclu de lucru, linia de sarcini din registrul paralel intră în intrarea registrului secvențial, eliberând spațiu pentru sarcinile nou formate.

Funcționarea registrelor seriale și paralele este sincronizată de un generator de ceas. Parte matricea camerei digitale include, de asemenea, un microcircuit care furnizează potențial electrozilor de transfer de registre și controlează funcționarea acestora.

Acest tip de intensificator de imagine se numește matrice CCD cu cadru complet. Pentru funcționarea sa, este necesar să aveți un capac opac, care deschide mai întâi intensificatorul de imagine pentru expunerea la lumină, apoi, când primește numărul de fotoni necesar pentru a acumula o încărcare suficientă în elementele matricei, îl închide de la lumină. Un astfel de capac este un obturator mecanic, ca și în camerele cu film. Absența unui astfel de obturator duce la faptul că atunci când sarcinile se mișcă în registrul de schimbare, celulele continuă să fie iradiate cu lumină, adăugând electroni suplimentari la încărcarea fiecărui pixel, care nu corespund fluxului luminos al unui anumit punct. Acest lucru duce la „murdărirea” sarcinii, respectiv la distorsionarea imaginii rezultate.

Introducere

În această lucrare de curs voi lua în considerare informații generale despre dispozitivele CCD, parametrii, istoricul creației, caracteristicile camerelor CCD moderne din gama infraroșu mediu.

Ca rezultat al activității de curs, am studiat literatura cu privire la crearea, principiul de funcționare, caracteristicile tehnice și aplicarea camerelor CCD în gama IR medie.

CCD. Principiul fizic al CCD. CCD

Un dispozitiv cuplat cu sarcină (CCD) este o serie de structuri MIS simple (metal - dielectric - semiconductor) formate pe un substrat semiconductor comun în așa fel încât benzile de electrozi metalici formează un sistem regulat liniar sau matricial în care distanța dintre adiacente electrozii sunt suficient de mici (Fig. 1). Această circumstanță determină faptul că influența reciprocă a structurilor MIS învecinate este decisivă în funcționarea dispozitivului.

Figura 1 - Structura CCD

Principalele scopuri funcționale ale CCD-urilor fotosensibile sunt convertirea imaginilor optice într-o secvență de impulsuri electrice (formând un semnal video), precum și stocarea și prelucrarea informațiilor digitale și analogice.

CCD-urile sunt fabricate pe bază de siliciu monocristalin. Pentru aceasta, pe suprafața unei napolitane de siliciu se creează prin oxidare termică o peliculă dielectrică subțire (0,1-0,15 μm) de dioxid de siliciu. Acest proces este realizat în așa fel încât să asigure perfecțiunea interfeței semiconductor - izolator și să minimizeze concentrația de recombinare a centrelor la interfață. Electrozii elementelor individuale MIS sunt fabricate din aluminiu, lungimea lor este de 3-7 microni, decalajul dintre electrozi este de 0,2-3 microni. Număr tipic de elemente MIS 500-2000 în CCD liniar și matricial; zona plăcii Sub electrozii extremi ai fiecărui rând, se realizează joncțiuni p-n, destinate intrării - ieșirii unei porțiuni de încărcări (pachete de încărcare) electrice. metoda (injectarea prin joncțiunea p-n). Cu fotoelectric la intrarea pachetelor de încărcare, CCD-ul este iluminat din față sau din spate. Sub iluminare frontală, pentru a evita efectul de umbrire al electrozilor, aluminiul este de obicei înlocuit cu pelicule de siliciu policristalin puternic dopat (polisilicon), transparent în regiunile vizibile și aproape IR ale spectrului.

Cum funcționează CCD

Principiul general al funcționării CCD este după cum urmează. Dacă se aplică o tensiune negativă oricărui electrod metalic al CCD-ului, atunci sub acțiunea câmpului electric care apare, electronii, care sunt principalii purtători din substrat, lasă suprafața adânc în semiconductor. La suprafață, se formează o regiune de epuizare, care pe diagrama energetică reprezintă un puț potențial pentru purtătorii minoritari - găuri. Găurile care cad în această regiune în orice mod sunt atrase de interfața izolator - semiconductor și sunt localizate într-un strat subteran îngust.

Dacă acum se aplică o tensiune negativă de amplitudine mai mare electrodului vecin, atunci se formează un puț de potențial mai profund și găurile trec în el. Aplicând tensiunile de control necesare diferiților electrozi CCD, este posibil să se asigure atât stocarea sarcinilor în anumite regiuni de suprafață apropiată, cât și mișcarea direcționată a sarcinilor de-a lungul suprafeței (de la structură la structură). Introducerea unui pachet de încărcare (înregistrare) poate fi efectuată fie printr-o joncțiune pn situată, de exemplu, în apropierea elementului CCD extrem, fie prin generarea de lumină. Îndepărtarea încărcării din sistem (citire) este, de asemenea, cel mai ușor de realizat folosind o joncțiune pn. Astfel, un CCD este un dispozitiv în care informațiile externe (semnale electrice sau luminoase) sunt transformate în pachete de încărcare ale operatorilor de telefonie mobilă, situate într-un anumit mod în regiunile apropiate de suprafață, iar prelucrarea informațiilor se efectuează prin mișcarea controlată a acestor pachete de-a lungul suprafeței. Este evident că sistemele digitale și analogice pot fi construite pe baza CCD-urilor. Pentru sistemele digitale, este important doar prezența sau absența unei încărcări de găuri într-un anumit element al CCD; în procesarea analogică, acestea se ocupă de valorile sarcinilor în mișcare.

Dacă un flux de lumină care transportă o imagine este direcționat către un CCD multielement sau matricial, atunci fotogenerarea perechilor electron-gaură va începe în volumul semiconductorului. La intrarea în regiunea de epuizare a CCD, purtătorii sunt separați și găurile se acumulează în puțurile potențiale (în plus, valoarea încărcăturii acumulate este proporțională cu iluminarea locală). După un anumit timp (de ordinul a câteva milisecunde), suficient pentru percepția imaginii, imaginea pachetelor de încărcare corespunzătoare distribuției iluminării va fi stocată în matricea CCD. Când ceasul este pornit, pachetele de încărcare se vor deplasa la cititorul de ieșire, care le transformă în semnale electrice. Ca rezultat, ieșirea va fi o secvență de impulsuri cu amplitudini diferite, al căror anvelopă dă semnalul video.

Principiul funcționării CCD pe exemplul unui fragment al liniei FCD, controlat de un circuit cu trei cicluri (trifazat), este ilustrat în Figura 2. În timpul ciclului I (percepția, acumularea și stocarea videoclipului) informații), așa-numitul tensiunea de stocare Uxp, împingând înapoi purtătorii principali - găuri în cazul siliciului de tip p - adânc în semiconductor și formând straturi epuizate cu o adâncime de 0,5-2 microni - godeuri potențiale pentru electroni. Iluminarea suprafeței PCCD generează perechi exces de electroni-găuri în volumul de siliciu, în timp ce electronii sunt atrași în puțuri potențiale, localizate într-un strat subțire (0,01 μm) aproape de suprafață sub electrozii 1, 4,7, formând pachete de încărcare a semnalului.

camera de încărcare în infraroșu

Figura 2 - diagrama de funcționare a unui dispozitiv cuplat cu sarcină trifazat - un registru de schimbare

Cantitatea de încărcare din fiecare pachet este proporțională cu expunerea suprafeței din apropierea electrodului dat. În structurile MIS bine formate, sarcinile generate lângă electrozi pot persista o perioadă relativ lungă de timp, dar treptat, datorită generării de purtători de sarcină de către centrele de impurități, defecte în vrac sau la interfață, aceste sarcini se vor acumula în potențiale fântâni până când depășesc sarcinile de semnal și chiar umple complet fântânile.

În timpul ciclului II (transfer de încărcare), o tensiune de citire mai mare decât tensiunea de stocare este aplicată electrozilor 2, 5, 8 și așa mai departe. Prin urmare, potențialii mai adânci apar sub electrozii 2, 5 și 8. fântâni decât sub electronii 1, 4 și 7 și datorită apropierii electrozilor 1 și 2, 4 și 5,7 și 8, barierele dintre ele dispar și electronii curg în fântâni vecine, cu potențial mai adânc.

În timpul ciclului III, tensiunea pe electrozii 2, 5, 8 scade la a din electrozii 1, 4, 7 este eliminată.

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

Pe parcursul întregii operațiuni, o mică tensiune de polarizare (1-3 V) este menținută pe electrozii care nu sunt conectați direct la potențial, ceea ce asigură epuizarea purtătorilor de sarcină pe întreaga suprafață semiconductoare și slăbirea efectelor de recombinare asupra acesteia.

Repetând procesul de comutare a tensiunilor de mai multe ori, toate pachetele de încărcare, excitate, de exemplu, de lumina într-o linie, sunt transmise secvențial prin joncțiunea r-h-extremă. În acest caz, impulsurile de tensiune apar în circuitul de ieșire, proporțional cu cantitatea de încărcare a pachetului dat. Modelul de iluminare este transformat într-un relief de suprafață, care, după deplasarea de-a lungul întregii linii, este transformat într-o succesiune de impulsuri electrice. Cu cât este mai mare numărul de elemente dintr-un rând sau matrice (numărul de 1 - receptoare IR; 2 - elemente tampon; 3 - CCD este un transfer incomplet al pachetului de încărcare de la un electrod la cel vecin și distorsiunea informațiilor rezultate este amplificată timpul de transfer al luminii, zonele de percepție separate spațial - acumulare și stocare - citire sunt create pe cristalul FPCD, iar în prima oferă o fotosensibilitate maximă, iar cea din urmă, dimpotrivă, ecranul de la lumină. 1 într-un singur ciclu , sunt transferate la înregistrarea 2 (din elemente pare) și la înregistrarea 3 (din elemente impare). În timp ce informațiile sunt transferate prin aceste registre prin ieșirea 4 pentru a semnaliza combinarea circuitului 5, un nou cadru video se acumulează în linia 1. FPSS cu cadru (Figura 3), informațiile primite de matricea de acumulare 7 sunt rapid „aruncate” în matricea de stocare 2, din care dar citit de registrul CCD 3; în același timp, matricea 1 acumulează un nou cadru.

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

În plus față de CCD-urile cu cea mai simplă structură (Figura 1), s-au răspândit și alte tipuri de ele, în special dispozitivele cu electrozi din polisilicon suprapuse (Figura 4), care oferă efect fotoelectric activ pe întreaga suprafață semiconductoare și un mic spațiu între electrozii și dispozitivele cu asimetrie a proprietăților aproape de suprafață (de exemplu., cu un strat dielectric cu grosime variabilă - Figura 4), care funcționează în modul în doi timpi. Structura unui CCD cu un canal volumetric (Figura 4) format prin difuzia impurităților este fundamental diferită. Acumularea, stocarea și transferul de încărcare au loc în cea mai mare parte a semiconductorului, unde recombinarea centrelor este mai mică decât la suprafață și mobilitatea purtătorului este mai mare. Consecința este o creștere și scădere a ordinii de mărime în comparație cu toate tipurile de CCD cu un canal de suprafață.

Figura 4 - Soiuri de dispozitive CCD cu canale de suprafață și volum.

Pentru a percepe imaginile color, se utilizează una dintre cele două metode: împărțirea fluxului optic folosind o prismă în roșu, verde, albastru, perceperea fiecăreia dintre ele printr-un FPCD special - un cristal, amestecarea impulsurilor din toate cele trei cristale într-un singur semnal video; crearea unei linii de film sau a unui filtru de codificare a mozaicului pe suprafața FPZS, care formează un raster de triade multicolore.