bir aile için video kamera seçimi hakkında, matrisler hakkında yazdık. Orada bu konuya kolayca değindik, ancak bugün her iki teknolojiyi de daha ayrıntılı olarak açıklamaya çalışacağız.

Bir kameradaki matris nedir? Bu, bir ışık sinyalini elektrik sinyaline dönüştüren bir mikro devredir. Bugün 2 teknoloji var, yani 2 tip matris - CCD (CCD) ve CMOS (CMOS)... Birbirlerinden farklıdırlar, her birinin kendi artıları ve eksileri vardır. Hangisinin daha iyi, hangisinin daha kötü olduğunu kesin olarak söylemek mümkün değil. Paralel olarak gelişirler. Teknik ayrıntılara girmeyeceğiz, çünkü önemsiz derecede anlaşılmaz olacaklar, ancak genel olarak ana artılarını ve eksilerini tanımlayacağız.

CMOS teknolojisi (CMOS)

CMOS matrisleriöncelikle bir artı olan düşük güç tüketimine sahiptir. Bu teknolojiye sahip bir video kamera biraz daha uzun süre dayanır (pil kapasitesine bağlı olarak). Ama bunlar önemsiz şeyler.

Ana fark ve avantaj, resmin bulanıklaşmasının hariç tutulması nedeniyle hücrelerin rastgele okunmasıdır (CCD'de okuma aynı anda gerçekleştirilir). Hiç parlak nokta nesnelerinden "dikey ışık sütunları" gördünüz mü? Dolayısıyla CMOS matrisleri, görünümlerinin olasılığını dışlar. Ve bunlara dayalı kameralar da daha ucuzdur.

Dezavantajları da var. Birincisi, ışığa duyarlı elemanın küçük boyutudur (piksel boyutuna göre). Burada piksel alanının çoğu elektronik tarafından işgal edilir, bu nedenle ışığa duyarlı elemanın alanı azalır. Sonuç olarak, matrisin duyarlılığı azalır.

Çünkü elektronik işlem bir piksel üzerinde gerçekleştirilir, ardından resimdeki gürültü miktarı artar. Düşük tarama süresi gibi bu da bir dezavantajdır. Bu nedenle, bir "sarmal kepenk" etkisi ortaya çıkar: operatör hareket ettiğinde çerçevedeki nesne bozulabilir.

CCD teknolojisi (CCD)

CCD matrisli video kameralar yüksek kaliteli görüntüler sağlar. Görsel olarak, bir CMOS kamera ile çekilen videoya kıyasla bir CCD video kamera ile çekilen videoda daha az parazit olduğunu fark etmek kolaydır. Bu ilk ve en önemli avantajdır. Ve bir şey daha: CCD matrislerinin verimliliği tek kelimeyle şaşırtıcı: doldurma faktörü %100'e yaklaşıyor, kayıtlı fotonların oranı %95. Normal insan gözünü alın - burada oran yaklaşık %1'dir.

Yüksek fiyat ve yüksek güç tüketimi bu matrislerin dezavantajlarıdır. Mesele şu ki, burada kayıt işlemi inanılmaz derecede zor. Görüntü sabitleme, CMOS matrislerinde bulunmayan birçok ek mekanizma sayesinde gerçekleştirilir, bu nedenle CCD teknolojisi önemli ölçüde daha pahalıdır.

CCD matrisleri, renkli ve yüksek kaliteli bir görüntü elde etmek için gerekli olan ve muhtemelen dinamik sahneler çekecek cihazlarda kullanılır. Bunlar çoğunlukla profesyonel video kameralardır, ancak aynı zamanda ev tipi kameralardır. Bunlar aynı zamanda gözetleme sistemleri, dijital kameralar vb.

CMOS matrisleri, görüntü kalitesi için özellikle yüksek gereksinimlerin olmadığı yerlerde kullanılır: hareket sensörleri, ucuz akıllı telefonlar ... Ancak bu daha önce de böyleydi. Modern CMOS matrislerinin farklı modifikasyonları vardır, bu da onları CCD matrisleriyle rekabet etme açısından çok kaliteli ve değerli kılmaktadır.

Şimdi hangi teknolojinin daha iyi olduğuna karar vermek zor çünkü ikisi de mükemmel sonuçlar veriyor. Bu nedenle, tek seçim kriteri olarak matris tipini koymak en azından saçmadır. Dikkate alınması gereken birçok özellik vardır.

Lütfen makaleyi değerlendirin:

Bir önceki bölümü okuduktan sonra okuyucumuz, CCD'nin lens tarafından oluşturulan ışık görüntüsünün kayıt yüzeyine yansıtılmasından sonra "elektronik negatif" veren bir tür "kara kutu" olduğu ve kalitesinin yüksek olduğu izlenimini edinebilir. görüntünün boyutu yalnızca sensör boyutundan etkilenir.

Dijital fotoğraf ekipmanı satıcıları, böyle bir satın alma için nesnel nedenler olmasa bile, potansiyel bir alıcıyı olası en büyük sensöre sahip bir modeli satın almaya nazikçe ama ısrarla zorlayarak aynı bakış açısına bağlı kalırlar. Daha da sıklıkla, matrisi oluşturmak için kullanılan ve garip bir şekilde başka hiçbir üretici tarafından kullanılmayan çeşitli “benzersiz gelişmeler” müşteri için “yem” görevi görür.

Acemi bir amatör fotoğrafçı için reklam vaatlerini gerçekten etkili mühendislik bulgularından ayırt etmek zordur. Bu makale "buğdayı samandan ayırmaya" çalışacak, ancak önce dijital fotoğrafçılığın temel tanımlarına aşina olmanız gerekiyor.

Bir foton nasıl elektron olur

Yük-bağlı cihazlarda, bir fotonun elektrona dönüştürülmesi, bir iç fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak gerçekleştirilir: yük taşıyıcıların serbest bırakılmasıyla yarı iletken kristal kafes tarafından bir ışık kuantumunun emilmesi. Bir çift "elektron + delik" veya tek bir yük taşıyıcı olabilir - ikincisi, bir yarı iletkende verici veya alıcı safsızlıklar kullanıldığında meydana gelir. Oluşan yük taşıyıcıların okuma anına kadar bir şekilde korunması gerektiği açıktır.

Bunun için, p tipi bir silikon substrat olan CCD matrisinin ana malzemesi, üzerinde fotonlara şeffaf elektrotların polikristal silikondan yapıldığı n tipi bir yarı iletken kanalları ile donatılmıştır. Böyle bir elektrota bir elektrik potansiyeli uygulandıktan sonra, n-tipi kanalın altındaki tükenme bölgesinde, amacı dahili fotoelektrik etki vasıtasıyla "çıkarılan" yükü depolamak olan bir potansiyel kuyusu oluşturulur. CCD elemanına (piksel) ne kadar fazla foton düşer ve elektronlara dönüşürse, kuyu tarafından biriken yük o kadar yüksek olacaktır.

CCD öğesi

CCD piksel kesiti

Bir "elektronik negatif" elde etmek için matrisin her potansiyel kuyusunun yükünü saymak gerekir. Bu yüke fotoakım denir, değeri oldukça küçüktür ve okuduktan sonra zorunlu amplifikasyon gerektirir.

Yük, seri kaydırma yazmacı olarak adlandırılan matrisin en dış satırına bağlı bir cihaz tarafından okunur. Bu kayıt, ücretleri tek tek okunan bir dizi CCD hücresidir. Yükü okurken, CCD elemanlarının potansiyel kuyuların yüklerini hareket ettirme yeteneği kullanılır - aslında, bu nedenle bu cihazlara CCD cihazları denir. Bunun için PSG elemanları arasındaki boşluğa yerleştirilmiş transfer kapısı elektrotları kullanılır. Bu elektrotlara, bir potansiyel kuyusundan gelen yükü "çekerek" ve diğerine aktaran potansiyeller uygulanır.

Transfer elektrotlarına potansiyelin senkron beslemesi ile, tüm hat yüklerinin aynı anda sağdan sola (veya soldan sağa) aktarımı tek bir çalışma döngüsünde sağlanır. "Gereksiz" olduğu ortaya çıkan ücret, CCD matrisinin çıktısına gider. Böylece, seri kaydırma yazmacı, girişine paralel "zincirler" biçiminde giren yükleri, çıkışta farklı büyüklükteki bir dizi elektriksel darbeye dönüştürür. Bu paralel "zincirleri" seri kaydın girişine beslemek için yine bir kaydırma kaydı kullanılır, ancak bu sefer paraleldir.

CCD

CCD piksel kesiti

Aslında paralel kayıt, fotoakımların bir kombinasyonu aracılığıyla ışık görüntüsünün elektronik bir "dökümünü" oluşturan CCD'nin kendisidir. Bir matris, sütun adı verilen ve birbirleriyle senkronize edilmiş bir dizi sıralı kayıttır. Sonuç olarak, çalışma döngüsü sırasında, fotoakımların aşağı doğru senkronize bir "kayması" vardır ve matrisin alt sırasının "gereksiz" olduğu ortaya çıkan yükler, sıralı kaydın girişine beslenir.

Yukarıdakilerden takip edildiği gibi, potansiyel beslemesini hem paralel hem de seri kaydırma yazmaçlarına senkronize etmek için yeterince büyük sayıda kontrol mikro devresi gereklidir. Açıkçası, seri kayıt, paralel kaydın saat döngüleri arasındaki aralıkta tamamen ücretsiz olmalıdır, bu nedenle, her iki kaydı da birbiriyle senkronize eden bir mikro devre gereklidir.

Bir piksel neyden yapılır

Yukarıdaki şemaya göre, sözde tam çerçeve CCD matrisi çalışır, çalışma modu kameranın tasarımına bazı sınırlamalar getirir: fotoakım okuması sırasında pozlama durmazsa, üretilen "ekstra" ücret. piksellerin üzerine düşen fotonlar, çerçevenin üzerine "bulaşır". Bu nedenle, tüm piksellerin yüklerini okumak için gereken süre boyunca sensöre ışık akışını engelleyen mekanik bir deklanşöre ihtiyaç vardır. Açıkçası, foto akımları okumak için böyle bir şema, matristen çıktıda bir video akışının oluşumuna izin vermez, bu nedenle sadece fotoğraf ekipmanında kullanılır.

Bununla birlikte, aşırı şarj, fotoğrafçılık sırasında potansiyel kuyuda birikebilir - örneğin, pozlama çok "uzun" ise. "Ekstra" elektronlar, görüntüde boyutu taşma değeriyle ilgili olan beyaz noktalar olarak görüntülenen komşu pikseller üzerinde "yayılma" eğilimindedir. Bu etkiye çiçeklenme denir (İngilizce çiçeklenmeden - "bulanıklaşma"). Çiçeklenmeye karşı mücadele, elektronik drenaj (drenaj) aracılığıyla gerçekleştirilir - potansiyel bir çukurdan fazla yükün çıkarılması. İki ana drenaj türü vardır: dikey (Dikey Taşma Tahliyesi, VOD) ve yanal (Yan Taşma Tahliyesi, LOD).

CCD yan tahliye

Yan drenaj şeması

Dikey drenaj uygulamak için, potansiyel kuyu derinliği aşırı dolduğunda, fazla elektronların substrattan dışarı akmasını sağlayan EOT substratına bir potansiyel uygulanır. Böyle bir şemanın ana dezavantajı, dinamik aralığın daralması sonucu potansiyel çukurun derinliğinde bir azalmadır. Ve arka aydınlatmalı matrislerde (içlerinde fotonlar sensöre potansiyel kuyu elektrotundan değil, alt tabakanın yanından girer), dikey drenaj genellikle uygulanamaz.

Yanal drenaj, fazla elektronların "boşaltıldığı" özel "drenaj olukları" kullanılarak gerçekleştirilir. Bu olukları oluşturmak için, drenaj sistemini oluşturan bir potansiyelin sağlandığı özel elektrotlar döşenir. Diğer elektrotlar, elektronların potansiyel kuyusundan erken kaçışını önleyen bir bariyer oluşturur.

Açıklamadan aşağıdaki gibi, yanal drenaj ile potansiyel kuyunun derinliği azalmaz, ancak pikselin ışığa duyarlı alanının alanı azalır. Bununla birlikte, çiçeklenme, görüntüyü diğer tüm girişim türlerinden daha fazla bozduğundan, drenaj olmadan yapmak imkansızdır. Bu nedenle, üreticiler matris tasarımını karmaşık hale getirmek zorunda kalıyor.

Bu nedenle, herhangi bir pikselin "çemberlenmesi", en azından yük transfer elektrotlarından ve drenaj sisteminin bileşenlerinden oluşur. Bununla birlikte, çoğu CCD, elemanlarının daha karmaşık bir yapısı ile karakterize edilir.

Piksel optik

Video kameralarda ve çoğu amatör dijital kamerada kullanılan CCD'ler, optik yol çakışmazken çıkışlarında sürekli bir darbe akışı sağlar. Görüntünün bulanıklaşmasını önlemek için interline CCD matrisi kullanılır.

Sütun Tamponlu CCD

Sütun tamponlu matris yapısı

Bu tür sensörlerde, her sütunun yanında (sıralı bir kaydırma yazmacı olan), opak şeritlerle (genellikle metal) kaplı CCD elemanlarından oluşan bir tampon sütun (aynı zamanda bir sıralı kaydırma yazmacı) bulunur. Tampon sütunları seti, bir arabellek paralel kaydı oluşturur ve bu kaydın sütunları, ışığı kaydeden sütunlarla "karıştırılır".

Bir çalışma döngüsünde, ışığa duyarlı paralel kaydırma yazmacı, yüklerin "yatay kaydırma" yoluyla tüm fotoakımlarını tampon paralel yazmacına verir, ardından ışığa duyarlı kısım tekrar maruz kalmaya hazırdır. Ardından, alt satırı seri matris kaydırma yazmacının girişi olan arabellek paralel kaydının yüklerinin satır satır "dikey kayması" gelir.

Matris yükünün arabellek paralel kaydırma yazmacına transferinin kısa bir zaman aralığı aldığı ve ışık akısının mekanik bir örtücü ile bloke edilmesine gerek olmadığı açıktır - çukurların taşması için zaman olmayacaktır. Öte yandan, gerekli maruz kalma süresi genellikle tüm tampon paralel kaydının okuma süresiyle karşılaştırılabilir. Bu nedenle, pozlamalar arasındaki aralık en aza indirilebilir - sonuç olarak, modern video kameralardaki video sinyali saniyede 30 kare ve daha yüksek bir frekansta oluşturulur.

Buna karşılık, sütun tamponlu sensörler iki kategoriye ayrılır. Tüm satırları bir saat döngüsünde okurken, aşamalı taramalı bir matristen bahsedebiliriz. İlk döngüde tek satırlar ve ikinci döngüde çift satırlar (veya tam tersi) okunduğunda, geçmeli tarama matrisinden bahsediyoruz. Bu arada, yerli literatürde "interlined matrix" ve "interlaced" İngilizce terimlerinin sesinin benzerliği nedeniyle, satır arabelleğe almalı sensörler genellikle yanlışlıkla interlaced olarak adlandırılır.

İşin garibi, sütun tamponlu matrislerde de yük yaymaları meydana gelir. Bu, ışığa duyarlı CCD elemanının potansiyel kuyusundan yakındaki tampon elemanın potansiyel kuyusuna elektronların kısmi akışından kaynaklanır. Bu, özellikle pikselin çok yüksek aydınlatmasından kaynaklanan fotoakım seviyeleri maksimuma yakın olduğunda meydana gelir. Sonuç olarak, resimdeki bu parlak noktadan yukarı ve aşağı uzanan bir ışık şeridi çerçeveyi bozar.

Bu fenomene karşı koymak için ışığa duyarlı ve tampon CCD elemanları arasındaki mesafe arttırılır. Sonuç olarak, yük alışverişi daha karmaşık hale gelir ve bunun için harcanan zaman artar, ancak "bulaşmanın" neden olduğu çerçevenin bozulması hala ihmal edilemeyecek kadar belirgindir.

Sütun arabelleğe alma, ışık akısının mekanik olarak bloke edilmesi ihtiyacını ortadan kaldıran bir elektronik deklanşörün uygulanmasına da izin verir. Elektronik obtüratör ile, mekanik bir obtüratör ile ulaşılamayan ultra yüksek (saniyenin 1/10.000'ine kadar) enstantane hızlarına ulaşabilirsiniz. Bu özellik özellikle spor, doğa olayları vb. fotoğraflarken geçerlidir.

Elektronik bir deklanşör uygulamak için çiçeklenme önleyici drenaj gereklidir. Süre olarak ışığa duyarlı CCD elemanının potansiyel kuyusundan tamponun potansiyel kuyusuna yük aktarımı zamanından daha kısa olan çok kısa maruz kalmalarda, drenaj bir "kesme" rolü oynar. Bu "kesme", maruz kalma süresinden sonra ışığa duyarlı elemanın kuyusunda üretilen elektronların CCD tampon elemanının kuyusuna girmesini önler.

Piksel yapısı - mikrolens ve geleneksel

Mikrolenlerden geçen ışık akısının konsantrasyon derecesi, matris üreticisinin teknolojik düzeyine bağlıdır. Bu minyatür cihazlar için maksimum verim sağlayan oldukça karmaşık tasarımlar bulunmaktadır.

Bununla birlikte, mikro merceklerin kullanılması, normale geniş bir açıyla gelen ışık ışınlarının ışığa duyarlı alana nüfuz etme olasılığını önemli ölçüde azaltır. Ve geniş bir diyafram açıklığı ile, bu tür ışınların yüzdesi oldukça büyüktür. Böylece, ışık akısının matris üzerindeki etkisinin yoğunluğu, yani diyaframın açıldığı ana etki azalır.

Ancak, bu tür ışınların zararı faydadan daha az değildir. Gerçek şu ki, silikona geniş bir açıyla nüfuz eden bir foton, bir pikselin yüzeyindeki matrise girebilir ve diğerinin gövdesindeki bir elektronu vurabilir. Bu görüntü bozulmasına yol açar. Bu nedenle, bu tür "zırh delici" fotonların etkisini zayıflatmak için, ışığa duyarlı alanlar hariç matrisin yüzeyi, tasarımı daha da karmaşıklaştıran opak bir maske (genellikle metal olan) ile kaplanır. matrislerden oluşur.

Ek olarak, mikro lensler, kaydedilen görüntüye belirli bozulmalar getirerek, kalınlığı sensör çözünürlüğünün eşiğinde olan çizgilerin kenarlarını bulanıklaştırır. Ancak bu olumsuz etki bile kısmen faydalı olabilir. Bu tür ince çizgiler, görüntünün bir kısmı veya yalnızca bir kısmı tarafından tamamen kaplanıp kaplanmadığından bağımsız olarak, bir piksele belirli bir renk atanmasından kaynaklanan görüntünün örtüşmesine yol açabilir. Pürüzlülük, görüntüde pürüzlü kenarları olan pürüzlü çizgilerle sonuçlanır.

Büyük tam kare sensörlere sahip kameraların kenar yumuşatma filtreleri ile donatılmasının nedeni adımlamadır ve bu cihazların fiyatı oldukça yüksektir. Mikrolensli matrislerin bu filtreye ihtiyacı yoktur.

Farklı görüntü kalitesi gereksinimleri nedeniyle, amatör teknolojide kolon tamponlu matrisler kullanılırken, tam kare sensörler profesyonel ve stüdyo kameralarına yerleşmiştir.

Devam edecek

Bu makale, eğer söyleyebilirsem, piksel geometrisinin bir tanımını verir. Kayıt, depolama ve ücretin okunması sırasında meydana gelen işlemler hakkında daha fazla ayrıntı bir sonraki makalede açıklanacaktır.

Tek bir eleman tüm görünür spektral aralıkta hassastır, bu nedenle renkli CCD matrislerinin fotodiyotlarının üzerinde bir ışık filtresi kullanılır, bu da üç renkten yalnızca birinin geçmesine izin verir: kırmızı (Kırmızı), yeşil (Yeşil), mavi ( Mavi) veya sarı (Sarı), macenta ( Macenta), turkuaz (Cyan). Ve sırayla, siyah beyaz CCD'de böyle bir filtre yoktur.

CİHAZ VE PİKSEL ÇALIŞMA PRENSİBİ

Bir piksel, üzerine bir potansiyel kuyusu oluşturan ışık ileten bir elektrotun uygulandığı şeffaf bir dielektrik ile kaplanmış bir p-substrattan oluşur.

Pikselin üzerinde bir ışık filtresi (renk matrislerinde kullanılır) ve yakınsak bir mercek (hassas elemanların yüzeyi tamamen işgal etmediği matrislerde kullanılır) olabilir.

Kristalin yüzeyinde bulunan ışık ileten elektrota pozitif bir potansiyel uygulanır. Bir piksele düşen ışık, yarı iletken yapının derinliklerine nüfuz ederek bir elektron-delik çifti oluşturur. Ortaya çıkan elektron ve delik, elektrik alanı tarafından ayrılır: elektron, taşıyıcı depolama alanına (potansiyel kuyu) hareket eder ve delikler alt tabakaya akar.

Bir piksel aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• Bir potansiyel kuyunun kapasitesi, potansiyel kuyunun tutabileceği elektron sayısıdır.
• Spektral piksel duyarlılığı - duyarlılığın (foto akımın ışık akısına oranı) radyasyon dalga boyuna bağımlılığı.
• Kuantum verimliliği (yüzde olarak ölçülür), absorplanması kuasipartiküllerin oluşumuna neden olan foton sayısının, absorbe edilen toplam foton sayısına oranına eşit fiziksel bir miktardır. Modern CCD matrislerinde bu rakam %95'e ulaşmaktadır. Karşılaştırıldığında, insan gözünün kuantum verimliliği %1 düzeyindedir.
• Dinamik aralık, doyma voltajı veya akımının rms voltajı veya karanlık gürültü akımına oranıdır. dB cinsinden ölçülür.

CCD VE ŞARJ TRANSFER CİHAZI

CCD satırlara bölünür ve sırayla her satır piksellere bölünür. Çizgiler, aralarında yüklerin taşmasına izin vermeyen durdurma katmanları (p +) ile ayrılır. Bir veri paketini taşımak için paralel, dikey (VCCD) ve sıralı, yatay (HCCD) kaydırmalı yazmaçlar kullanılır.

Üç fazlı bir kaydırma yazmacının en basit çalışma döngüsü, ilk kapıya pozitif bir potansiyel uygulanması gerçeğiyle başlar, bunun sonucunda oluşan elektronlarla doldurulmuş bir kuyu oluşur. Daha sonra ikinci kapıya birinci kapıdan daha yüksek bir potansiyel uygularız, bunun sonucunda ikinci kapının altında daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve elektronlar birinci kapının altından akacaktır. Yükün hareketine devam etmek için ikinci kapıdaki potansiyelin değerini düşürmeli ve üçüncü kapıya daha büyük bir potansiyel uygulamalısınız. Elektronlar üçüncü kapının altından akar. Bu döngü, birikim noktasından doğrudan okunan yatay dirence kadar devam eder. Yatay ve dikey kaydırma yazmaçlarının tüm elektrotları fazlar oluşturur (faz 1, faz 2 ve faz 3).

CCD'lerin renk sınıflandırması:

• Siyah ve beyaz
• Renkli

CCD'lerin mimari sınıflandırması:

Işığa duyarlı hücreler yeşil, opak alanlar gri olarak gösterilmiştir.

CCD aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• Yük transfer verimliliği, kaydırma yazmacı boyunca yolun sonundaki yükteki elektron sayısının başlangıçtaki sayıya oranıdır.
• Doldurma faktörü, ışığa duyarlı elemanlarla dolu alanın CCD matrisinin ışığa duyarlı yüzeyinin toplam alanına oranıdır.
• Karanlık akım, gelen fotonların yokluğunda ışığa duyarlı bir elemandan geçen bir elektrik akımıdır.
• Okuma gürültüsü, çıkış sinyalinin dönüştürme ve amplifikasyon devrelerinde meydana gelen gürültüdür.

Çerçeve transfer matrisleri. (İngilizce çerçeve aktarımı).

Avantajlar: Işığa duyarlı elemanlarla yüzeyin% 100'ünü işgal etme yeteneği; Okuma süresi, tam çerçeve aktarım sensörününkinden daha düşüktür; Tam çerçeve transfer CCD'sinden daha az leke; Tam çerçeve mimarisine göre bir görev döngüsü avantajına sahiptir: çerçeve transfer CCD'si her zaman fotonları toplar. Dezavantajları: Verileri okurken, bulanıklığı önlemek için ışık kaynağını deklanşörle kapatın; Yük hareketinin yolu artırıldı, bu da yük transferinin verimliliğini olumsuz yönde etkiliyor; Bu matrislerin üretimi ve üretimi, tam çerçeve aktarımı olan cihazlardan daha pahalıdır.

Satırlar arası aktarımlı matrisler veya sütun arabelleğe almalı matris (İngilizce Interline-transfer).
	Avantajlar: Deklanşör kullanmaya gerek yoktur; Yağlama yok. Dezavantajları: Yüzeyi %50'den fazla olmayan hassas elemanlarla doldurma yeteneği. Okuma hızı, kaydırma yazmacının hızı ile sınırlıdır; Çözünürlük, çerçeve ve tam çerçeve aktarımlı CCD'lerden daha düşüktür.

Satır çerçevesi aktarımlı matris veya sütun arabelleğe almalı matris (İngilizce ara satır).

Avantajlar: Yükün biriktirilmesi ve aktarılması süreçleri mekansal olarak ayrılmıştır; Depolama elemanlarından gelen yük, CCD matrisinin ışığında kapatılan transfer kayıtlarına aktarılır; Tüm görüntünün yükünün aktarımı 1 saat döngüsünde gerçekleştirilir; Yağlama yok; Pozlamalar arasındaki aralık minimumdur ve video kaydı için uygundur. Dezavantajları: Yüzeyi %50'den fazla olmayan hassas elemanlarla doldurma yeteneği; Çözünürlük, çerçeve ve tam çerçeve aktarımlı CCD'lerden daha düşüktür; Yük hareketinin yolu artırıldı, bu da yük transferinin verimliliğini olumsuz yönde etkiledi.

CCD MATRİSLERİN UYGULAMASI

	BİLİMSEL UYGULAMA spektroskopi için; mikroskopi için; kristalografi için; floroskopi için; doğa bilimleri için; Biyolojik bilimler için.
	UZAY UYGULAMASI teleskoplarda; yıldız sensörlerinde; uydu takibinde; gezegenleri incelerken; gemide ve manuel mürettebat ekipmanı.
	ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR kaynakların kalitesini kontrol etmek için; boyalı yüzeylerin homojenliğini kontrol etmek; mekanik ürünlerin aşınma direncini incelemek; barkod okumak için; ürün ambalajının kalitesini kontrol etmek.
	EŞYA KORUMA BAŞVURUSU konut dairelerinde; havaalanlarında; şantiyelerde; işyerlerinde; bir kişinin yüzünü tanıyan "akıllı" kameralarda.
	FOTOĞRAFTA UYGULAMA profesyonel kameralarda; amatör kameralarda; cep telefonlarında.
	TIBBİ UYGULAMA floroskopide; kardiyolojide; mamografide; diş hekimliğinde; mikrocerrahide; onkolojide.
	OTO YOL UYGULAMASI otomatik plaka tanıma için; hız kontrolü için; trafik yönetimi için; otoparka giriş için; polis gözetim sistemlerinde.

Doğrusal deklanşör sensörüyle hareketli nesneleri çekerken bozulma nasıl oluşur:

(lang: 'ru')

Bir önceki yayında başladığım cihazla ilgili sohbete devam ediyorum.

Dijital kamerayı film kameralarından ayıran ana unsurlardan biri, görüntü yoğunlaştırıcı tüp veya ışığa duyarlı olarak adlandırılan ışığa duyarlı bir unsurdur. dijital kamera... Kamera matrisleri hakkında zaten konuştuk, ancak şimdi okuyucuyu çok fazla yormamak için yüzeysel de olsa cihazı ve matris işleminin prensibini daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Günümüzde çoğu dijital kamera aşağıdakilerle donatılmıştır: CCD matrisleri.

CCD matrisi. Cihaz. Çalışma prensibi.

Hadi cihaza bir göz atalım CCD sensörleri.

Yarı iletkenlerin n-tipi ve p-tipi yarı iletkenler olarak ikiye ayrıldığı bilinmektedir. n-tipi bir yarı iletkende fazla miktarda serbest elektron vardır ve p-tipi bir yarıiletkende fazla miktarda pozitif yük, "delikler" (ve dolayısıyla elektron eksikliği) vardır. Tüm mikroelektronik, bu iki tür yarı iletkenin etkileşimine dayanır.

Yani, eleman Dijital kamera CCD'si aşağıdaki gibi düzenlenmiştir. Şekil 1:

1

Ayrıntılara girmeden, İngilizce transkripsiyonda bir CCD elemanı veya şarj bağlantılı bir cihaz: şarj bağlantılı cihaz - CCD, bir MIS (metal-dielektrik-yarı iletken) kondansatörüdür. P tipi bir substrattan oluşur - bir silikon tabakası, bir silikon dioksit yalıtkanı ve elektrot plakaları. Elektrotlardan birine pozitif bir potansiyel uygulandığında, ana taşıyıcılarda - deliklerde tükenmiş bir bölge oluşur, çünkü bunlar elektrik alanı tarafından elektrottan alt tabakanın derinliklerine itilir. Böylece, bu elektrot altında potansiyel bir kuyu oluşur, yani enerji bölgesi azınlık taşıyıcıların - elektronların içine hareketi için uygundur. Bu çukurda negatif bir yük birikir. İçinde deliklerin olmaması ve dolayısıyla elektronların rekombinasyonunun sebepleri nedeniyle bu kuyuda uzun süre saklanabilir.

ışığa duyarlı matrisler elektrotlar, spektrumun görünür bölgesinde şeffaf olan polikristal silikondan filmlerdir.

Matris üzerine düşen ışığın fotonları, silikon substratın içine düşer ve içinde bir delik-elektron çifti oluşturur. Delikler, yukarıda bahsedildiği gibi, substratın derinliklerine yer değiştirir ve elektronlar potansiyel kuyusunda birikir.

Biriken yük, elemente düşen fotonların sayısıyla, yani ışık akısının yoğunluğuyla orantılıdır. Böylece matris üzerinde optik görüntüye karşılık gelen bir yük tahliyesi oluşturulur.

CCD matrisinde hareketli yükler.

Her CCD elemanı, farklı potansiyellerin uygulandığı birkaç elektrota sahiptir.

Belirli bir elektrottakinden daha yüksek bir potansiyel komşu bir elektrota uygulandığında (bkz. Şekil 3), altında daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve bu kuyu, ilk potansiyel kuyusundan gelen yükün içine hareket eder. Böylece yük bir CCD hücresinden diğerine geçebilir. Şekil 3'te gösterilen CCD elemanına üç fazlı denir, ayrıca 4 fazlı elemanlar da vardır.

4. Üç fazlı şarj bağlantılı bir cihazın çalışma şeması - bir vardiya kaydı.

Yükleri akım darbelerine (fotoakım) dönüştürmek için sıralı kaydırma yazmaçları kullanılır (bkz. Şekil 4). Böyle bir kaydırma yazmacı, bir CCD öğeleri dizisidir. Akım darbelerinin genliği, aktarılan yük miktarıyla orantılıdır ve dolayısıyla gelen ışık akısı ile orantılıdır. Yük dizisini okuyarak üretilen akım darbelerinin dizisi daha sonra amplifikatörün girişine beslenir.

Yakın aralıklı CCD öğelerinin satırları birleştirilir. CCD... Böyle bir matrisin çalışması, bir elektrik alanı tarafından oluşturulan potansiyel kuyularda yerel bir yükün oluşturulmasına ve aktarılmasına dayanır.

Şekil 5.

Kayıttaki tüm CCD öğelerinin ücretleri, eşzamanlı olarak bitişik CCD öğelerine taşınır. Son hücrede bulunan yük, kayıttan çıkışa beslenir ve ardından amplifikatörün girişine beslenir.

Seri kaydırma yazmacı, topluca paralel kaydırma yazmacı olarak anılan, dikey olarak aralıklı kaydırma yazmaçları ile yüklenir. Paralel ve sıralı kaydırma kayıtları CCD matrisini oluşturur (bkz. Şekil 4).

Sıralı yazmaçlara dik olan kaydırma yazmaçlarına sütun denir.

Paralel kayıttaki yüklerin hareketi kesinlikle senkronize edilir. Bir satırın tüm yükleri aynı anda diğerine kaydırılır. Son satırın ücretleri sıralı bir kayıt defterine gider. Böylece, bir çalışma döngüsünde, paralel kayıttan gelen yüklerin satırı sıralı kaydın girişine girerek yeni oluşan yükler için yer boşaltır.

Seri ve paralel yazmaçların çalışması bir saat üreteci tarafından senkronize edilir. Bölüm dijital kamera matrisi ayrıca register transfer elektrotlarına potansiyel sağlayan ve bunların çalışmasını kontrol eden bir mikro devre içerir.

Bu tür görüntü yoğunlaştırıcıya tam çerçeve CCD matrisi denir. Çalışması için, önce görüntü yoğunlaştırıcıyı ışığa maruz bırakmak için açan, ardından matris elemanlarında yeterli bir yük biriktirmek için gerekli sayıda foton aldığında ışıktan kapatan opak bir kapağa sahip olmak gerekir. Böyle bir kapak, film kameralarında olduğu gibi mekanik bir deklanşördür. Böyle bir deklanşörün olmaması, yükler kaydırma yazmacında hareket ettiğinde, hücrelerin ışıkla ışımaya devam etmesine ve her pikselin yüküne belirli bir ışık akısına karşılık gelmeyen ekstra elektronlar eklemesine yol açar. puan. Bu, sırasıyla yükün "bulaşmasına", sonuçta ortaya çıkan görüntünün bozulmasına yol açar.

Tanıtım

Bu derste CCD cihazları, parametreleri, yaratılış tarihi, modern CCD kameraların orta-kızılötesi menzildeki özellikleri hakkında genel bilgileri ele alacağım.

Ders çalışmasının sonucunda CCD kameraların orta IR aralığında oluşturulması, çalışma prensibi, teknik özellikleri ve uygulaması ile ilgili literatürü inceledim.

CCD. CCD'nin fiziksel prensibi. CCD

Yük-bağlı cihaz (CCD), ortak bir yarı iletken alt tabaka üzerinde, metal elektrot şeritlerinin, bitişik arasındaki mesafenin doğrusal veya matris düzenli bir sistem oluşturacağı şekilde oluşturulan bir dizi basit MIS yapısıdır (metal-dielektrik-yarı iletken). elektrotlar yeterince küçüktür (Şekil 1). Bu durum, cihazın çalışmasında komşu MIS yapılarının karşılıklı etkisinin belirleyici olduğu gerçeğini belirler.

Şekil 1 - CCD yapısı

Işığa duyarlı CCD'lerin temel işlevsel amaçları, optik görüntüleri bir dizi elektrik darbesine (bir video sinyali oluşturan) dönüştürmek ve ayrıca dijital ve analog bilgileri depolamak ve işlemektir.

CCD'ler monokristal silikon temelinde üretilir. Bunun için, bir silikon gofret yüzeyinde termal oksidasyon ile ince (0,1-0,15 μm) bir silikon dielektrik dielektrik filmi oluşturulur. Bu işlem yarı iletken - yalıtkan ara yüzünün mükemmelliğini sağlayacak ve ara yüzeydeki merkezlerin rekombinasyon konsantrasyonunu en aza indirecek şekilde gerçekleştirilir. Bireysel MIS elemanlarının elektrotları alüminyumdan yapılmıştır, uzunlukları 3-7 mikron, elektrotlar arasındaki boşluk 0,2-3 mikrondur. Tipik MIS-eleman sayısı lineer ve matris CCD'de 500-2000'dir; plakanın alanı Her sıranın aşırı elektrotlarının altında, elektrik yükünün (yük paketleri) bir kısmının giriş - çıkışı için amaçlanan p-n - bağlantıları yapılır. yöntem (p-n-bağlantısı ile enjeksiyon). fotovoltaik ile şarj paketlerinin girişi, CCD ön veya arka taraftan aydınlatılır. Ön aydınlatma altında, elektrotların gölgeleme etkisinden kaçınmak için alüminyum, genellikle spektrumun görünür ve IR'ye yakın bölgelerinde şeffaf olan yoğun katkılı polikristal silikondan (polisilikon) filmler ile değiştirilir.

CCD nasıl çalışır?

CCD çalışmasının genel prensibi aşağıdaki gibidir. CCD'nin herhangi bir metal elektroduna negatif bir voltaj uygulanırsa, ortaya çıkan elektrik alanının etkisi altında, alt tabakadaki ana taşıyıcılar olan elektronlar, yüzeyi yarı iletkenin derinliklerinde bırakır. Yüzeyde, enerji diyagramında azınlık taşıyıcılar - delikler için potansiyel bir kuyuyu temsil eden bir tükenme bölgesi oluşur. Bu bölgeye herhangi bir şekilde düşen delikler, yalıtkan - yarı iletken arayüzüne çekilir ve dar bir yüzey altı tabakasında lokalize olur.

Şimdi komşu elektrota daha büyük genlikli bir negatif voltaj uygulanırsa, daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve delikler bunun içine geçer. Çeşitli CCD elektrotlarına gerekli kontrol voltajlarını uygulayarak, hem yüklerin belirli yüzeye yakın bölgelerde depolanmasını hem de yüklerin yüzey boyunca (yapıdan yapıya) yönlendirilmiş hareketini sağlamak mümkündür. Bir şarj paketinin (kayıt) eklenmesi, örneğin aşırı CCD elemanının yakınında bulunan bir pn-bağlantısı ile veya ışık üretimi ile gerçekleştirilebilir. Yükün sistemden çıkarılması (okuma) ayrıca bir pn bağlantısı kullanılarak gerçekleştirilmesi en kolay olanıdır. Bu nedenle, bir CCD, harici bilgilerin (elektrik veya ışık sinyalleri), yüzeye yakın bölgelerde belirli bir şekilde bulunan mobil taşıyıcıların şarj paketlerine dönüştürüldüğü ve bilgi işlemenin bu cihazların kontrollü hareketi ile gerçekleştirildiği bir cihazdır. yüzey boyunca paketler. Dijital ve analog sistemlerin CCD'ler temelinde oluşturulabileceği açıktır. Dijital sistemler için, yalnızca CCD'nin belirli bir elemanında delik yükünün varlığı veya yokluğu önemlidir; analog işlemede, hareketli yüklerin değerleri ile ilgilenirler.

Bir görüntü taşıyan bir ışık akısı çok elemanlı veya matris CCD'ye yönlendirilirse, yarı iletkenin hacminde elektron-delik çiftlerinin fotojenerasyonu başlayacaktır. CCD'nin tükenme bölgesine girerken, taşıyıcılar ayrılır ve potansiyel kuyularda delikler birikir (ayrıca, biriken yükün değeri yerel aydınlatma ile orantılıdır). Görüntünün algılanması için yeterli olan belirli bir süre sonra (birkaç milisaniye düzeyinde), aydınlatma dağılımına karşılık gelen yük paketlerinin resmi CCD matrisinde saklanacaktır. Saat açıldığında, şarj paketleri, onları elektrik sinyallerine dönüştüren çıkış okuyucusuna hareket edecektir. Sonuç olarak, çıktı, zarfı video sinyalinin verdiği farklı genliklere sahip bir darbe dizisi olacaktır.

Üç döngülü (üç fazlı) bir devre tarafından kontrol edilen FCD hattının bir parçası örneğinde CCD'nin çalışma prensibi Şekil 2'de gösterilmektedir. Döngü I sırasında (videonun algılanması, toplanması ve depolanması). bilgi), sözde depolama voltajı Uxp, ana taşıyıcıları geri iter - p-tipi silikon durumunda delikler - yarı iletkenin derinliklerinde ve 0,5-2 mikron derinliğinde tükenmiş katmanlar oluşturur - elektronlar için potansiyel kuyular. PCCD yüzeyinin aydınlatılması, silikon yığınında fazla elektron-delik çiftleri üretirken, elektronlar, elektrotlar 1, 4,7 altında ince (0.01 um) yüzeye yakın bir katmanda lokalize olan potansiyel kuyulara çekilir ve sinyal şarj paketleri oluşturur.

şarj bağlantısı kamera kızılötesi

Şekil 2 - üç fazlı şarj bağlantılı bir cihazın çalışma şeması - bir kaydırma yazmacı

Her paketteki yük miktarı, verilen elektrotun yakınındaki yüzeyin maruz kalmasıyla orantılıdır. İyi biçimlendirilmiş MIS yapılarında, elektrotların yakınında üretilen yükler nispeten uzun bir süre devam edebilir, ancak safsızlık merkezleri tarafından yük taşıyıcıların üretilmesi, yığındaki veya arayüzdeki kusurlar nedeniyle kademeli olarak bu yükler içinde birikecektir. potansiyel kuyuları sinyal yüklerini aşana ve hatta kuyuları tamamen doldurana kadar.

Döngü II (yük aktarımı) sırasında, elektrot 2, 5, 8 ve benzerlerine depolama voltajından daha yüksek bir okuma voltajı uygulanır. Bu nedenle, elektrot 2, 5 ve 8 altında daha derin potansiyeller ortaya çıkar. kuyular elektron 1, 4 ve 7 altındaki kuyulardan daha iyidir ve elektrotlar 1 ve 2, 4 ve 5,7 ve 8'in yakınlığı nedeniyle, aralarındaki bariyerler ortadan kalkar ve elektronlar komşu, daha derin potansiyel kuyulara akar.

Döngü III sırasında, elektrot 2, 5, 8 üzerindeki voltaj a'ya düşer, elektrot 1, 4, 7'den çıkarılır.

O. tüm şarj paketleri, bitişik elektrotlar arasındaki mesafeye eşit bir adımla CCD hattı boyunca sağa aktarılır.

Tüm işlem sırasında, potansiyellere doğrudan bağlı olmayan elektrotlarda küçük bir ön gerilim (1-3 V) korunur, bu da tüm yarı iletken yüzeyindeki yük taşıyıcılarının tükenmesini ve üzerindeki rekombinasyon etkilerinin zayıflamasını sağlar.

Voltaj anahtarlama işleminin birçok kez tekrarlanmasıyla, örneğin bir hattaki ışıkla uyarılan tüm şarj paketleri, sıralı olarak aşırı r-h-bağlantısı yoluyla çıktılanır. Bu durumda, çıkış devresinde verilen paketin şarj miktarıyla orantılı olarak voltaj darbeleri görünür. Aydınlatma modeli, tüm hat boyunca hareket ettikten sonra bir dizi elektriksel darbeye dönüştürülen bir yüzey yükü tahliyesine dönüştürülür. Bir satırdaki veya matristeki eleman sayısı arttıkça (1 - IR alıcılarının sayısı; 2 - tampon elemanları; 3 - CCD, şarj paketinin bir elektrottan komşu olana eksik transferidir ve sonuçta ortaya çıkan bilgi bozulması güçlendirilir. FPCD kristalinde ışık transfer süresi, mekansal olarak ayrılmış algı - birikim ve depolama - okuma alanları oluşturulur ve ilkinde maksimum ışığa duyarlılık sağlar ve ikincisi, tam tersine ışıktan ekran. , kayıt 2'ye (çift elemanlardan) ve kayıt 3'e (tek elemanlardan) aktarılır.Bu kayıtlar üzerinden çıkış 4 üzerinden sinyal birleştirme devresi 5'e bilgi aktarılırken, satır 1'de yeni bir video karesi toplanır Çerçeveli FPSS transferinde (Şekil 3), biriktirme matrisi (7) tarafından alınan bilgi, hızlı bir şekilde depolama matrisine (2) "dökülür", buradan art arda gelen ancak CCD kaydı 3 tarafından okunur; aynı zamanda, matris 1 yeni bir çerçeve biriktirir.

Şekil 3 - doğrusal (a), matris (b) yük bağlantılı ışığa duyarlı cihazda ve yük enjeksiyonlu bir cihazda bilgilerin toplanması ve okunması.

En basit yapıya sahip CCD'lere (Şekil 1) ek olarak, diğer türleri de yaygınlaşmıştır, özellikle, tüm yarı iletken yüzeyi üzerinde aktif fotoelektrik etki sağlayan ve aralarında küçük bir boşluk sağlayan üst üste binen polisilikon elektrotlu (Şekil 4) cihazlar. elektrotlar ve iki zamanlı modda çalışan, yüzeye yakın özelliklerin asimetrisine sahip cihazlar (örneğin, değişken kalınlıkta bir dielektrik katman - Şekil 4). Safsızlıkların difüzyonu ile oluşturulan hacimsel kanallı bir CCD'nin yapısı (Şekil 4) temelde farklıdır. Birikme, depolama ve yük transferi, merkezlerin yeniden birleştirilmesinin yüzeydekinden daha az olduğu ve taşıyıcı hareketliliğinin daha yüksek olduğu yarı iletken yığınında meydana gelir. Bunun sonucu, bir yüzey kanalına sahip tüm CCD türlerine kıyasla, büyüklük sırasına göre bir artış ve azalmadır.

Şekil 4 - Yüzey ve hacim kanallarına sahip CCD cihaz çeşitleri.

Renkli görüntüleri algılamak için iki yöntemden biri kullanılır: bir prizma kullanarak optik akışı kırmızı, yeşil, maviye bölmek, her birini özel bir FPCD ile algılamak - bir kristal, üç kristalden gelen darbeleri tek bir video sinyaline karıştırmak; çok renkli üçlülerden oluşan bir raster oluşturan FPZS'nin yüzeyinde bir film çizgisi veya mozaik kodlama filtresinin oluşturulması.