про вибір відеокамери для сім'ї ми писали про матрицях. Там ми торкнулися цього питання легко, проте сьогодні постараємося більш детально описати обидві технології.

Що ж таке матриця в відеокамері? Це мікросхема, яка перетворює світловий сигнал в електричний. На сьогоднішній день існує 2 технології, тобто 2 типу матриць - CCD (ПЗС) і CMOS (КМОП). Вони відрізняються один від одного, кожна має свої плюси і мінуси. Не можна точно сказати, яка з них краще, а яка - гірше. Вони розвиваються паралельно. Вдаватися з технічні деталі ми не будемо, тому що вони будуть банально незрозумілі, але загальними словами визначимо їх головні плюси і мінуси.

Технологія CMOS (КМОП)

CMOS-матриців першу чергу хваляться низьким енергоспоживанням, що плюс. Відеокамера з цією технологією буде працювати трохи довше (залежить від ємності акумулятора). Але це дрібниці.

Головна відмінність і перевага - це довільне зчитування осередків (в CCD зчитування здійснюється одночасно), завдяки чому виключається розмазування картинки. Можливо, ви коли-небудь бачили «вертикальні стовпи світла» від точкових яскравих об'єктів? Так ось CMOS-матриці виключають можливість їх появи. І ще камери на їх основі дешевше.

Недоліки також є. Перший з них - невеликий розмір світлочутливого елемента (в співвідношенні до розміру пікселя). Тут велика частина площі пікселя зайнята під електроніку, тому і площа світлочутливого елемента зменшена. Отже, чутливість матриці зменшується.

Оскільки електронна обробка здійснюється на пікселі, то і кількість перешкод на зображенні зростає. Це також є недоліком, як і низький час сканування. Через це виникає ефект «біжить затвора»: при русі оператора може призвести до шумів об'єкта в кадрі.

Технологія CCD (ПЗС)

Відеокамери з CCD-матрицями дозволяють отримати високоякісне зображення. Візуально легко помітити меншу кількість шумів на відео, знятому за допомогою відеокамери на основі CCD-матриці в порівнянні з відео, знятим на камеру CMOS. Це найперше і важлива перевага. І ще: ефективність CCD-матриць просто приголомшлива: коефіцієнт заповнення наближається до 100%, співвідношення зареєстрованих фотонів дорівнює 95%. Візьміть звичайний людське око - тут співвідношення дорівнює приблизно 1%.

Висока ціна і велика енергоспоживання - це недоліки даних матриць. Справа в тому, що тут процес запису неймовірно важкий. Фіксація зображення здійснюється завдяки багатьом додатковим механізмам, яких немає в CMOS-матрицях, тому технологія CCD істотно дорожче.

CCD-матриці використовуються в пристроях, від яких вимагається отримання кольорового і якісного зображення, і якими, можливо, зніматимуть динамічні сцени. Це професійні відеокамери в своїй більшості, хоча і побутові теж. Це також системи спостереження, цифрові фотоапарати і т.д.

CMOS-матрицями застосовуються там, де немає особливо високих вимог до якості картинки: датчики руху, недорогих смартфонах ... Втім, так було раніше. Сучасні матриці CMOS мають різні модифікації, що робить їх дуже якісними і гідними з точки зору складання конкуренції матрицями CCD.

Зараз складно судити про те, яка технологія краще, адже обидві демонструють прекрасні результати. Тому ставити тип матриці як єдиний критерій вибору, як мінімум, нерозумно. Важливо враховувати багато характеристик.

Будь ласка, оцініть цю статтю:

Після прочитання попередній частині у нашого читача могло скластися враження, що ПЗС-матриця - це якийсь «чорний ящик», що видає «електронний негатив» після того, як на його реєструє поверхню було спроектовано створене об'єктивом світлове зображення, і що на якість знімка впливає виключно розмір сенсора.

Тієї ж точки зору дотримуються продавці цифрової фототехніки, м'яко, але наполегливо підштовхують потенційного покупця до придбання моделі з якомога більш великогабаритної матрицею, навіть якщо об'єктивних причин для такої покупки немає. Ще частіше в якості «наживки» для клієнта виступають різного роду «унікальні розробки», використані при створенні матриці, які, як не дивно, ніким з інших виробників не застосовуються.

Початківцю фотолюбителеві важко відрізнити рекламні обіцянки від дійсно ефективних інженерних знахідок. У цій статті буде зроблена спроба «відокремити зерна від плевел», однак для початку необхідно ознайомитися з базовими визначеннями цифрової фотографії.

Як фотон стає електроном

У приладах із зарядним зв'язком перетворення фотона в електрон проводиться в результаті внутрішнього фотоефекту: поглинання світлового кванта кристалічною решіткою напівпровідника з виділенням носіїв заряду. Це може бути або пара «електрон + дірка», або одиничний носій заряду - останнє відбувається при використанні донорних або акцепторних домішок в напівпровіднику. Очевидно, що утворилися носії заряду до моменту зчитування необхідно якось зберегти.

Для цього основний матеріал ПЗС-матриці - кремнієва підкладка p-типу - оснащується каналами з напівпровідника n-типу, над якими з полікристалічного кремнію виготовляються прозорі для фотонів електроди. Після подачі на такий електрод електричного потенціалу в збідненої зоні під каналом n-типу створюється потенційна яма, призначення якої - зберігати заряд, «видобувається» за допомогою внутрішнього фотоефекту. Чим більше фотонів впаде на ПЗС-елемент (піксель) і перетвориться в електрони, тим вище буде заряд, накопичений ямою.

Елемент ПЗЗ-матриці

Перетин пікселя ПЗЗ-матриці

Щоб отримати «електронний негатив», необхідно вважати заряд кожної потенційної ями матриці. Даний заряд отримав назву фототок, його значення досить мало і після зчитування вимагає обов'язкового посилення.

Зчитування заряду проводиться пристроєм, підключеним до самої крайньої рядку матриці, яке називається послідовним регістром зсуву. Даний регістр представляє собою рядок з ПЗС-елементів, заряди якої зчитуються по черзі. При зчитуванні заряду використовується здатність ПЗС-елементів до переміщення зарядів потенційних ям - власне, саме тому ці пристрої називаються приладами із зарядовим зв'язком. Для цього використовуються електроди перенесення (transfer gate), розташовані в проміжку між ПСЗ-елементами. На ці електроди подаються потенціали, «виманюють» заряд з однієї потенційної ями і передають його в іншу.

При синхронної подачі потенціалу на електроди перенесення забезпечується одночасний перенесення всіх зарядів рядки справа наліво (або зліва направо) за один робочий цикл. Який виявився «зайвим» заряд надходить на вихід ПЗС-матриці. Таким чином, послідовний регістр зсуву перетворює заряди, що надходять на його вхід у вигляді паралельних «ланцюжків», в послідовність електричних імпульсів різної величини на виході. Щоб подати ці паралельні «ланцюжка» на вхід послідовного регістра, знову-таки використовується регістр зсуву, але на цей раз паралельний.

ПЗС-матриця

Перетин пікселя ПЗЗ-матриці

Фактично паралельним регістром є сама ПЗС-матриця, що створює за допомогою сукупності фотострумів електронний «зліпок» світлового зображення. Матриця являє собою безліч послідовних регістрів, званих стовпцями і синхронізованих між собою. В результаті за робочий цикл відбувається синхронне «сповзання» фотострумів вниз, а опинилися «зайвими» заряди нижнього рядка матриці надходять на вхід послідовного регістра.

Як випливає з вищесказаного, необхідно досить велика кількість керуючих мікросхем, що синхронізують подачу потенціалів як на паралельний, так і на послідовний регістри зсуву. Очевидно, що послідовний регістр повинен повністю звільнитися від зарядів в проміжку між тактами паралельного регістра, тому потрібно мікросхема, синхронізуюча між собою обидва регістра.

З чого складається піксель

За згаданою вище схемою працює так звана повнокадрова ПЗС-матриця (full-frame CCD-matrix), її режим роботи накладає певне обмеження на конструкцію камери: якщо в процесі зчитування фотострумів експонування не припиняється, «зайвий» заряд, що генерується потрапляють на пікселі фотонами, «розмазується» по кадру. Тому необхідний механічний затвор, який перекриває надходження світла до сенсора на час, необхідний для зчитування зарядів всіх пікселів. Очевидно, що така схема зчитування фотострумів не дозволяє формувати відеопотік на виході з матриці, тому застосовується вона тільки в фототехніку.

Втім, надмірне зарядження накопичитися в потенційній ямі і при фотографуванні - наприклад, при занадто «довгою» витримці. «Зайві» електрони прагнуть «розтектися» по сусіднім пікселям, що на знімку відображається у вигляді білих плям, розмір яких пов'язаний з величиною переповнення. Даний ефект іменується блюмінг (від англійського blooming - «розмивання»). Боротьба з блюмінг здійснюється за допомогою електронного дренажу (drain) - відведення з потенційної ями надлишкового заряду. Існує два основних види дренажу: вертикальний (Vertical Overflow Drain, VOD) і бічний (Lateral Overflow Drain, LOD).

Бічний дренаж ПЗС-матриці

Схема бокового дренажу

Для реалізації вертикального дренажу на підкладку ЕОП подається потенціал, який при переповненні глибини потенційної ями забезпечує витікання надлишкових електронів крізь підкладку. Основний мінус такої схеми - зменшення глибини потенційної ями, в результаті чого звужується динамічний діапазон. А в матрицях зі зворотним засвіченням (в них фотони проникають всередину сенсора НЕ крізь електрод потенційної ями, а з боку підкладки) вертикальний дренаж взагалі непридатний.

Бічний дренаж здійснюється за допомогою спеціальних «дренажних канавок», в які «стікають» надлишкові електрони. Для формування цих канавок прокладаються спеціальні електроди, на які подається потенціал, формує дренажну систему. Інші електроди створюють бар'єр, що перешкоджає передчасному «втечі» електронів з потенційної ями.

Як випливає з опису, при бічному дренажі глибина потенційної ями не зменшується, проте при цьому урізається площа світлочутливої ​​області пікселя. Проте без дренажу обійтися не можна, так як квітучий спотворює знімок більше, ніж всі інші види перешкод. Тому виробники змушені йти на ускладнення конструкції матриць.

Таким чином, «обв'язування» будь-якого пікселя складається як мінімум з електродів переносу заряду і з компонентів дренажної системи. Однак більшість ПЗС-матриць відрізняється більш складною структурою своїх елементів.

Оптика для пікселя

ПЗС-матриці, що використовуються у відеокамерах і в більшості аматорських цифрових фотоапаратів, забезпечують безперервний потік імпульсів на свій вихід, при цьому перекриття оптичного тракту не відбувається. Щоб при цьому не стати жертвою «змазування» зображення, використовуються ПЗС-матриці з буферизацією стовпців (interline CCD-matrix).

ПЗС-матриця з буферизацією стовпців

Структура матриці з буферизацією стовпців

У таких сенсорах поруч з кожним стовпцем (який являє собою послідовний регістр зсуву) розташовується буферний стовпець (теж послідовний регістр зсуву), що складається з ПЗС-елементів, покритих непрозорими смужками (частіше металевими). Сукупність буферних стовпців становить буферний паралельний регістр, причому стовпці даного регістра «перемішані» з реєструючими світло стовпцями.

За один робочий цикл світлочутливий паралельний регістр зсуву віддає всі свої фотоструми буферного паралельного регістру за допомогою «зсуву по горизонталі» зарядів, після чого світлочутлива частина знову готова до експонування. Потім йде порядковий «зрушення по вертикалі» зарядів буферного паралельного регістра, нижня рядок якого є входом послідовного регістра зсуву матриці.

Очевидно, що перенесення заряду матриці в буферний паралельний регістр зсуву займає малий інтервал часу і перекривати світловий потік механічним затвором немає необхідності - ями не встигнуть переповниться. З іншого боку, необхідний час експонування, як правило, порівняно з часом зчитування всього буферного паралельного регістра. За рахунок цього інтервал між експонуванням можна довести до мінімуму - в результаті відеосигнал в сучасних відеокамерах формується з частотою від 30 кадрів в секунду і вище.

У свою чергу, сенсори з буферизацією стовпців поділяються на дві категорії. При зчитуванні за один такт всіх рядків можна говорити про матрицю з прогресивною розгорткою (progressive scan). Коли за перший такт зчитуються непарні рядки, а за другий - парні (або навпаки), мова йде про матриці з чергуванням розгортку (interlace scan). До речі, за рахунок подібності звучання англійських термінів «матриця з буферизацією стовпців» (interlined) і «чересстрочная матриця» (interlaced) у вітчизняній літературі сенсори з буферизацією рядків нерідко помилково називають чересстрочную.

Як не дивно, «розмазування» заряду (smear) відбувається і в матрицях з буферизацією стовпців. Викликано це частковим перетіканням електронів з потенційної ями світлочутливого ПЗС-елемента в потенційну яму розташованого поруч буферного елемента. Особливо часто це відбувається при близьких до максимального рівнях фотоструму, викликаних дуже високою освітленістю пікселя. В результаті на знімку вгору і вниз від цієї яскравої точки простягається світла смуга, яка псує кадр.

Для протидії цьому явищу збільшують відстань між світлочутливим і буферним ПЗС-елементами. В результаті ускладнюється обмін зарядом і збільшується витрачається на цей час, однак спотворення кадру, що викликаються «розмазування», все ж занадто помітні, щоб ними нехтувати.

Буферизація стовпців дозволяє також реалізувати електронний затвор, за допомогою якого можна відмовитися від механічного перекриття світлового потоку. За допомогою електронного затвора можна отримати сверхмалі (до 1/10000 секунди) значення витримки, недосяжні для механічного затвора. Ця можливість особливо актуальна при фотографуванні спортивних змагань, природних явищ і т. П.

Для реалізації електронного затвора обов'язково необхідний антіблюмінговий дренаж. При дуже коротких витримках, які по тривалості менше, ніж час переносу заряду з потенційної ями світлочутливого ПЗС-елемента в потенційну яму буферного, дренаж грає роль «відсічення». Ця «відсічення» запобігає потраплянню в яму буферного ПЗС-елемента електронів, що виникли в ямі світлочутливого елемента після закінчення часу витримки.

Структура пікселів - з мікролінз і звичайного

Ступінь концентрації світлового потоку при проходженні крізь мікролінз залежить від технологічного рівня виробника матриці. Зустрічаються досить складні конструкції, що забезпечують максимальну ефективність цим мініатюрним пристроїв.

Однак при використанні мікролінз значно скорочується вірогідність того, що промені світла, що падають під великим кутом до нормалі, проникнуть в світлочутливу область. А при великому отворі діафрагми відсоток таких променів досить великий. Таким чином, зменшується інтенсивність впливу світлового потоку на матрицю, тобто основний ефект, заради якого відкривають діафрагму.

Втім, шкоди від таких променів нітрохи не менше, ніж користі. Справа в тому, що, проникаючи в кремній під великим кутом, фотон може увійти в матрицю на поверхні одного пікселя, а вибити електрон в тілі іншого. Це призводить до спотворення зображення. Тому, щоб послабити вплив таких «бронебійних» фотонів, поверхня матриці, за винятком світлочутливих областей, покривається непрозорою маскою (частіше металевої), що додатково ускладнює конструкцію матриць.

Крім того, мікролінзи вносять певні спотворення в реєстроване зображення, розмиваючи краю ліній, товщина яких на межі дозволу сенсора. Але і цей негативний ефект може виявитися частково корисним. Такі найтонші лінії можуть привести до ступенчатости (aliasing) зображення, що виникає від присвоєння пікселя певного кольору незалежно від того, чи закритий він деталлю зображення цілком або тільки його частина. Ступінчастість призводить до появи в зображенні рваних ліній з «зазублинами» по краях.

Саме через ступенчатости камери з великогабаритними полнокадровими матрицями оснащуються фільтрами захисту від накладення спектрів (anti-aliasing filter), і ціна цих пристроїв досить висока. Ну а матрицями з мікролінзами цей фільтр не потрібен.

Внаслідок різних вимог до якості зображення матриці з буферизацією стовпців застосовуються в основному в аматорській техніці, тоді як повнокадрові сенсори влаштувалися в професійних і студійних камерах.

Далі буде

Ця стаття дає опис, якщо можна так сказати, геометрії пікселя. Більш докладно про процеси, що відбуваються при реєстрації, зберіганні та зчитуванні заряду, буде розказано в наступній статті.

Окремо взятий елемент чутливий у всьому видимому спектральному діапазоні, тому над фотодіодами кольорових ПЗС-матриць використовується світлофільтр, який пропускає тільки один з трьох кольорів: червоного (Red), зеленого (Green), синього (Blue) або жовтого (Yellow), пурпурного ( Magenta), бірюзового (Cyan). А в свою чергу в чорно-білій ПЗС-матриці таких фільтрів немає.

ПРИСТРІЙ І ПРИНЦИП РОБОТИ пікселів

Піксель складається з p-підкладки, покритої прозорим діелектриком, на який нанесений светопропускающий електрод, який формує потенційну яму.

Над пикселем може бути присутнім світлофільтр (використовується в кольорових матрицях) і збирає лінза (використовується в матрицях, де чутливі елементи не повністю займають поверхню).

На светопропускающий електрод, розташований на поверхні кристала, поданий позитивний потенціал. Світло, що падає на піксель, проникає вглиб напівпровідникової структури, утворюючи електрон-дірковий пару. Утворилися електрон і дірка розтаскуються електричним полем: електрон переміщаються в зону зберігання носіїв (потенційну яму), а дірки перетікають в підкладку.

Для пікселя притаманні такі характеристики:

• Ємність потенційної ями - це кількість електронів, яке здатна вмістити потенційна яма.
• Спектральна чутливість пікселя - залежність чутливості (відношення величини фотоструму до величини світлового потоку) від довжини хвилі випромінювання.
• Квантова ефективність (вимірюється у відсотках) - фізична величина, що дорівнює відношенню числа фотонів, поглинання яких викликало утворення квазичастиц, до загальної кількості поглинених фотонів. У сучасних ПЗС матриць цей показник досягає 95%. Для порівняння, людське око має квантову ефективність близько 1%.
• Динамічний діапазон - відношення напруги або струму насичення до середнього квадратичного напрузі або току темнового шуму. Вимірюється в дБ.

ПРИСТРІЙ ПЗС-МАТРИЦІ І ПЕРЕНЕСЕННЯ ЗАРЯДУ

ПЗС-матриця розділена на рядки, а в свою чергу кожен рядок розбита на пікселі. Рядки розділені між собою стоп шарами (p +), які не допускають перетікання зарядів між ними. Для переміщення пакета даних використовуються паралельний, він же вертикальний (англ. VCCD) і послідовний, він же горизонтальний (англ. HCCD) регістри зсуву.

Найпростіший цикл роботи трифазного регістразсуву починається з того, що на перший затвор подається позитивний потенціал, в результаті чого утворюється яма, заповнена утворилися електронами. Потім на другий затвор подамо потенціал, вище, ніж на першому, внаслідок чого під другим затвором утворюється більш глибока потенційна яма, в яку перетечуть електрони з під першого затвора. Щоб продовжити пересування заряду слід зменшити значення потенціалу на другому затворі, і подати більший потенціал на третій. Електрони перетікають під третій затвор. Даний цикл триває від місця накопичення до безпосередньо зчитує горизонтального резистора. Всі електроди горизонтального і вертикального регістрів зсуву утворюють фази (фаза 1, фаза 2 і фаза 3).

Класифікація ПЗС-матриць по кольоровості:

• Чорно-білі
• кольорові

Класифікація ПЗС-матриць з архітектури:

Зеленим кольором позначені фоточутливі осередку, сірим - непрозорі області.

Для ПЗС-матриці притаманні такі характеристики:

• Ефективність передачі заряду - відношення кількості електронів в заряді в кінці шляху по регістру зсуву до кількості на початку.
• Коефіцієнт заповнення - відношення площі заповненої світлочутливими елементами до повної площі світлочутливої ​​поверхні ПЗС-матриці.
• Темновий струм - електричний струм, який протікає по фоточутливий елемент, за відсутності падаючих фотонів.
• Шум зчитування - шум, що виникає в схемах перетворення і посилення вихідного сигналу.

Матриці з кадровим перенесенням. (Англ. Frame transfer).

переваги: Можливість зайняти 100% поверхні світлочутливими елементами; Час зчитування нижче, ніж у матриці з повнокадровим перенесенням; Змазування менше, ніж в ПЗС-матриці з повнокадровим перенесенням; Має перевагу робочого циклу в порівнянні полнокадровой архітектурою: ПЗС-матриця з кадровим перенесенням весь час збирає фотони. недоліки: При зчитуванні даних слід перекривати затвором джерело світла, щоб уникнути появи ефекту змазування; Збільшено шлях переміщення заряду, що негативно позначається на ефективності передачі заряду; Виготовлення та виробництво даних матриць дорожче, ніж пристроїв з повнокадровим переносом.

Матриці з міжрядковим перенесенням або матриці з буферизацією стовпців (англ. Interline-transfer).
	переваги: Немає необхідності застосовувати затвор; Відсутня змазування. недоліки: Можливість заповнити поверхню чутливими елементами не більше ніж на 50%. Швидкість зчитування обмежена швидкістю роботи регістра зсуву; Роздільна здатність нижче, ніж у ПЗС-матриць з кадровим і повнокадровим переносом.

Матриці з рядково-кадровим перенесенням або матриці з буферизацією стовпців (англ. Interline).

переваги: Процеси накопичення і перенесення заряду просторово розділені; Заряд з елементів накопичення передається в закриті від світла ПЗС-матриці регістри перенесення; Перенесення заряду всього зображення здійснюється за 1 такт; Відсутня змазування; Інтервал між експонуванням мінімальний і підходить для запису відео. недоліки: Можливість заповнити поверхню чутливими елементами не більше ніж на 50%; Роздільна здатність нижче, ніж у ПЗС-матриць з кадровим і повнокадровим перенесенням; Збільшено шлях переміщення заряду, що негативно позначається на ефективності передачі заряду.

ЗАСТОСУВАННЯ ПЗЗ-матриць

	НАУКОВЕ ЗАСТОСУВАННЯ для спектроскопії; для мікроскопії; для кристалографії; для рентгеноскопії; для природничих наук; для біологічних наук.
	КОСМІЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ в телескопах; в зоряних датчиках; в супутниках спостереження; при зондуванні планет; бортове і ручне обладнання екіпажу.
	ПРОМИСЛОВЕ ЗАСТОСУВАННЯ для перевірки якості зварних швів; для контролю рівномірності пофарбованих поверхонь; для дослідження зносостійкості механічних виробів; для зчитування штрих-кодів; для контролю якості упаковки продукції.
	ЗАСТОСУВАННЯ ДЛЯ ОХОРОНИ ОБ'ЄКТІВ в житлових квартирах; в аеропортах; на будівельних майданчиках; на робочих місцях; в «розумних» камерах, які розпізнають обличчя людини.
	ЗАСТОСУВАННЯ В фотографування в професійних фотоапаратах; в аматорських фотоапаратах; в мобільних телефонах.
	МЕДИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ в рентгеноскопії; в кардіології; в мамографії; в стоматології; в мікрохірургії; в онкології.
	АВТО-ШЛЯХОВЕ ЗАСТОСУВАННЯ для автоматичного розпізнавання номерних знаків; для контролю швидкості; для керування транспортним потоком; для пропуску на стоянку; в поліцейських системах спостереження.

Як виникають спотворення при зйомці рухомих об'єктів на сенсор зі строковим затвором:

(Lang: 'ru')

Продовжую розпочатий в попередній публікації розмова про пристрій.

Одним з головних елементів цифрового фотоапарата, що відрізняють його від фотоапаратів плівкових є світлочутливий елемент, так званий ЕОП або світлочутлива цифрового фотоапарата. Про матрицях фотоапаратів вже говорилося, тепер же розглянемо трохи докладніше пристрій і принцип роботи матриці, хоча і досить поверхово, щоб не надто втомлювати читача.

В даний час більшість цифрових фотоапаратів оснащені ПЗС-матрицями.

ПЗС-матриця. Пристрій. Принцип роботи.

Розглянемо в загальних рисах пристрій ПЗС- матриці.

Напівпровідники, як відомо, діляться на напівпровідники n-типу і p-типу. У напівпровіднику n-типу є надлишок вільних електронів, а в напівпровіднику p-типу надлишок позитивних зарядів, «дірок» (а отже недолік електронів). На взаємодії таких двох типів напівпровідників і заснована вся мікроелектроніка.

Так ось, елемент ПЗС-матриці цифрового фотоапаратавлаштований таким чином. Див. Рис.1:

рис.1

Якщо не вдаватися в подробиці, то ПЗС-елемент або прилад із зарядним зв'язком, в англійській транскрипції: charge-coupled-device - CCD, являє собою МДП (метал-діелектрик-напівпровідник) конденсатор. Він складається з підкладки p-типу - шару кремнію, ізолятора з двоокису кремнію і пластин-електродів. При подачі на один з електродів позитивного потенціалу, під ним утворюється зона збіднена основними носіями - дірками, т. К. Вони відтісняються електричним полем від електрода вглиб підкладки. Таким чином під даним електродом утворюється потенційна яма, т. Е. Енергетична зона сприятлива для переміщення в неї неосновних носіїв - електронів. У цій ямі накопичується негативний заряд. Він може зберігатися в даній ямі досить довго через відсутність в ній дірок і, отже, причин для рекомбінації електронів.

У світлочутливих матрицяхелектродами є плівки полікристалічного кремнію, прозорого у видимій області спектра.

Фотони падаючого на матрицю світла потрапляють в кремнієву підкладку, утворюючи в ній пару дірка-електрон. Дірки, як сказано вище зміщуються вглиб підкладки, а електрони накопичуються в потенційній ямі.

Накопичився заряд пропорційний кількості фотонів падаючих на елемент, т. Е. Інтенсивності світлового потоку. Таким чином на матриці створюється зарядовий рельєф, відповідний оптичному зображенню.

Переміщення зарядів в ПЗС-матриці.

У кожному ПЗС-елементі є кілька електродів, на які подаються різні потенціали.

При подачі на сусідній електрод (див. Рис. 3) потенціалу, більшого, ніж на даному електроді, під ним утворюється більш глибока потенційна яма, в яку переміщається заряд з першої потенційної ями. Таким чином заряд може переміщатися з однієї ПЗС-осередки в іншу. Показаний на рис.3 ПЗС-елемент називається трифазним, бувають ще й 4-х фазні елементи.

Рис.4. Схема роботи трифазного приладу з зарядовим зв'язком - зсувного регістру.

Для перетворення зарядів в імпульси струму (фотоструму) використовуються послідовні регістри зсуву (див. Рис.4). Такий регістр зсуву і є рядком ПЗС-елементів. Амплітуда імпульсів струму пропорційна величині переданого заряду, і пропорційна, таким чином, падаючого світлового потоку. Послідовність імпульсів струму, що утворюються при зчитуванні послідовності зарядів, потім подається на вхід підсилювача.

Лінійки близько розташованих один до одного ПЗС-елементів об'єднуються в ПЗС-матрицю. Робота такої матриці ґрунтується на створенні і передачі локального заряду в потенційних ямах, створюваних електричним полем.

Рис.5.

Заряди всіх ПЗС-елементів регістра синхронно переміщаються в сусідні ПЗС-елементи. Заряд, який знаходився в останній комірці, надходить на вихід з регістра, а потім подається на вхід підсилювача.

На вхід послідовного регістра зсуву подаються заряди перпендикулярно розташованих регістрів зсуву, які в сукупності називаються паралельним регістром зсуву. Паралельний і послідовний регістри зсуву і складають ПЗС-матрицю (див. Рис.4).

Перпендикулярні до послідовного регістру зсувні регістри звуться стовпців.

Переміщення зарядів паралельного регістра строго синхронізовано. Всі заряди одного рядка зміщуються одночасно в сусідню. Заряди останнього рядка потрапляють в послідовний регістр. Таким чином за один робочий цикл рядок зарядів з паралельного регістра потрапляє на вхід послідовного, звільняючи місце для знову утворених зарядів.

Робота послідовного і паралельного регістрів Сінхронізуется тактовим генератором. До складу матриці цифрового фотоапарататакож входить мікросхема, що подає потенціали на електроди перенесення регістрів і керуюча їх роботою.

ЕОП такого типу носить назву полнокадровой матриці (full-frame CCD-matrix). Для його роботи необхідна наявність світлонепроникної кришки, яка спочатку відкриває ЕОП для експонування світлом, потім, коли на нього потрапило кількість фотонів, необхідне для накопичення достатнього заряду в елементах матриці, закриває його від світла. Така кришка є механічним затвором, як в плівкових фотоапаратах. Відсутність такого затвора призводить до того, що при переміщенні зарядів в сдвиговом регістрі осередки продовжують опромінювати світлом, додаючи до заряду кожного пікселя зайві електрони, які не відповідають світлового потоку даної точки. Це призводить до «розмазування» заряду, відповідно до спотворення одержуваного зображення.

Вступ

У цій роботі я розгляну загальні відомості про прилади із зарядним зв'язком, параметри, історію створення, характеристики сучасних ПЗС-камер середнього інфрачервоного діапазону.

В результаті виконання курсової роботи вивчив літературу по створенню, принципу дії, технічні характеристики і застосуванні ПЗС-камер середнього ІЧ діапазону.

ПЗС. Фізичний принцип роботи ПЗС. ПЗС-матриця

Прилад із зарядним зв'язком (ПЗС) являє собою ряд простих МДП-структур (метал - діелектрік-- напівпровідник), сформовані на загальній напівпровідникової підкладці таким чином, що смужки металевих електродів утворюють лінійну або матричну регулярну систему, в якій відстані між сусідніми електродами досить малі (рис. 1). Ця обставина обумовлює той факт, що в роботі пристрою визначальним є взаємовплив сусідніх МДП-структур.

Малюнок 1 - Структура ПЗС

Основні функціональні призначення фото-чутливих ПЗС - перетворення оптичних зображень в послідовність електричних імпульсів (формування відеосигналу), а також зберігання і обробка цифрової та аналогової інформації.

ПЗС виготовляють на основі монокристалічного кремнію. Для цього на поверхні кремнієвої пластини методом термічного окислення створюється тонка (01-015 мкм) діелектрична плівка діоксиду кремнію. Цей процес здійснюється таким чином, щоб забезпечити досконалість кордону розділу напівпровідник - діелектрик і мінімізувати концентрацію рекомбінації центрів на кордоні. Електроди окремих МДП-елементів виробляються з алюмінію, їх довжина становить 3-7 мкм, зазор між електродами 0,2-3 мкм. Типове число МДП-елементів 500-2000 в лінійному і в матричному ПЗС; площа пластини Під крайніми електродами кожного рядка виготовляють p- n - переходи, призначені для введення - виведення порції зарядів (зарядових пакетів) електричні. способом (інжекція p- n-переходу). При фотоелектріч. введенні зарядових пакетів ПЗС висвітлюють з фронтальним або тильного боку. При фронтальному освітленні, щоб уникнути затеняющего дії електродів алюміній зазвичай заміняють плівками сильнолегованого полікристалічного кремнію (полікремнію), прозорого у видимій та ближній ІЧ-областях спектра.

Принцип роботи ПЗС

Загальний принцип роботи ПЗС полягає в наступному. Якщо до будь-якого металевого електрода ПЗС докласти негативна напруга, то під дією виникає електричного поля електрони, які є основними носіями в підкладці, йдуть від поверхні вглиб напівпровідника. У поверхні же утворюється збіднена область, яка на енергетичній діаграмі є потенційною яму для неосновних носіїв - дірок. Потрапляють якимось чином в цю область дірки притягуються до кордону розділу діелектрик - напівпровідник і локалізуються в вузькому поверхневому шарі.

Якщо тепер до сусіднього електроду докласти негативна напруга більшої амплітуди, то утворюється більш глибока потенційна яма і дірки переходять в неї. Прикладаючи до різних електродів ПЗС необхідні керуючі напруги, можна забезпечити як зберігання зарядів в тих чи інших приповерхневих областях, так і спрямоване переміщення зарядів уздовж поверхні (від структури до структури). Введення зарядового пакета (запис) може здійснюватися або p-n-переходом, розташованим, наприклад, поблизу крайнього ПЗС елемента, або светогенераціей. Висновок заряду з системи (зчитування) найпростіше також здійснити за допомогою p-n-переходу. Таким чином, ПЗС являє собою пристрій, в якому зовнішня інформація (електричні або світлові сигнали) перетворюється в зарядові пакети рухомих носіїв, певним чином розміщуються в приповерхневих областях, а обробка інформації здійснюється керованим переміщенням цих пакетів вздовж поверхні. Очевидно, що на основі ПЗС можна будувати цифрові і аналогові системи. Для цифрових систем важливий лише факт наявності або відсутності заряду дірок в тому чи іншому елементі ПЗС, при аналогової обробки мають справу з величинами переміщаються зарядів.

Якщо на багатоелементний або матричний ПЗЗ направити світловий потік, що несе зображення, то в обсязі напівпровідника почнеться фотогенерація електронно-доручених пар. Потрапляючи в обедненную область ПЗС, носії поділяються і в потенційних ямах накопичуються дірки (причому величина накопичується заряду пропорційна локальної освітленості). Після закінчення деякого часу (порядку декількох мілісекунд), достатнього для сприйняття зображення, в сенсорі буде зберігатися картина зарядових пакетів, відповідна розподілу освітленості. При включенні тактовихімпульсів зарядові пакети будуть переміщатися до вихідного пристрою зчитування, перетворюючого їх в електричні сигнали. В результаті на виході вийде послідовність імпульсів з різною амплітудою, що обгинає, яких дає відеосигнал.

Принцип дії ПЗС на прикладі фрагмента рядка ФПЗС, керованої трёхтактовой (трифазного) схемою, ілюструється на малюнку 2. Протягом такту I (сприйняття, накопичення і зберігання відеоінформації) до електродів 1, 4, 7 прикладається т. Н. напруга зберігання Uxp, відтісняє основні носії - дірки в разі кремнію р-типу - в глиб напівпровідника і утворює збіднені шари глибиною 0,5-2 мкм - потенційні ями для електронів. Освітлення поверхні ФПЗС породжує в обсязі кремнію надлишкові електронно-діркові пари, при цьому електрони стягуються в потенційні ями, локалізуються в тонкому (0,01 мкм) при поверхневому шарі під електродами 1, 4,7, утворюючи сигнальні зарядові пакети.

зарядовий зв'язок камера інфрачервоний

Малюнок 2 - схема роботи трифазного приладу з зарядовим зв'язком - зсувного регістру

Величина заряду в кожному пакеті пропорційна експозиції поверхні поблизу даного електрода. В добре сформованих МДП-структурах утворюються заряди поблизу електродів можуть відносно довго зберігатися, проте поступово внаслідок генерації носіїв заряду домішковими центрами, дефектами в обсязі або на кордоні розділу ці заряди будуть накопичуватися в потенційних ямах, поки не перевищать сигнальні заряди і навіть повністю заповнять ями.

Під час такту II (перенесення зарядів) до електродів 2, 5, 8 і так далі прикладається, напруга зчитування, більш високе, ніж напруга зберігання. Тому під електродами 2, 5 і 8 виникають більш глибокі потенц. ями, ніж під електронами 1, 4 і 7, і внаслідок близькості електродів 1 і 2, 4 і 5,7 і 8 бар'єри між ними зникають і електрони перетікають в сусідні, більш глибокі потенційні ями.

Під час такту III напруга на електродах 2, 5, 8 знижується до а з електродів 1, 4, 7 знімається.

Т. о. здійснюється перенесення всіх зарядових пакетів вздовж рядка ПЗС вправо на один крок, що дорівнює відстані між сусідніми електродами.

Під весь час роботи на електродах, безпосередньо не підключених до потенціалом або підтримується невелика напруга зсуву (1-3 В), що забезпечує збіднення носіями заряду всієї поверхні напівпровідника і ослаблення на ній рекомбінації ефектів.

Повторюючи процес комутації напружень багаторазово, виводять через крайній r- h-перехід послідовно всі зарядові пакети, збуджені, напр., Світлом в рядку. При цьому у вихідному ланцюзі виникають імпульси напруги, пропорційні величині заряду даного пакета. Картина освітленості трансформується в поверхневий зарядовий рельєф, який після просування уздовж всього рядка перетвориться в послідовність електричних імпульсів. Чим більше число елементів в рядку або матриці (число 1 ІК приймачі; 2 буферні елементи; 3 - ПЗС відбувається неповна передача зарядового пакета від одного електрода до сусіднього і посилюються обумовлені цим спотворенням інформації. Щоб запобігти цьому накопиченого відеосигналу через тривале під час перенесення освітлення, на кристалі ФПЗС створюють просторово розділені області сприйняття - накопичення і зберігання - зчитування, причому в перших забезпечують максимальну фоточутливість, а другі, навпаки, екранують від світла. у лінійному ФПЗС (рис. 3, а) заряди, накопичені в рядку 1 за один цикл, передаються в регістр 2 (з парних елементів) і в регістр 3 (з непарних). в той час, як по цих регістрів інформація передається через вихід 4 в схему об'єднання сигналів 5, в рядку 1 накопичується новий видеокадр. в ФПЗС з кадровим перенесенням (рисунок 3) інформація, сприйнята матрицею накопичення 7, швидко "скидається" в матрицю зберігання 2, з якої послідовність ьно зчитується ПЗС-регістром 3; в цей же час матриця 1 накопичує новий кадр.

Малюнок 3 - накопичення і зчитування інформації в лінійному (a), матричному (б) фоточутливому приладі із зарядним зв'язком і в приладі із зарядним инжекцией.

Крім ПЗС найпростішої структури (рисунок 1) набули поширення і інші їх різновиди, зокрема прилади з полікремнієвих перекриваються електродами (малюнок 4), в яких забезпечуються активну фотовоздействіе на всю поверхню напівпровідника і малий зазор між електродами, і прилади з асиметрією приповерхневих властивостей (напр ., шаром діелектрика змінної товщини - малюнок 4), що працюють в двухтактовая режимі. Принципово відмінна структура ПЗС з об'ємним каналом (малюнок 4), утвореним дифузією домішок. Накопичення, зберігання, перенесення заряду відбуваються в обсязі напівпровідника, де менше, ніж на поверхні, рекомбінація центрів і вище рухливість носіїв. Наслідком цього є збільшення на порядок значення і зменшення в порівнянні з усіма різновидами ПЗС з поверхневим каналом.

Малюнок 4 - Різновиди приладів із зарядним зв'язком з поверхневим і об'ємним каналами.

Для сприйняття кольорових зображень використовують один з двох способів: поділ оптичного потоку за допомогою призми на червоний, зелений, синій, сприйняття кожного з них спеціальним ФПЗС - кристалом, змішання імпульсів від всіх трьох кристалів в єдиний відеосигнал; створення на поверхні ФПЗС плівкового штрихового або музичного кодує світлофільтру, що утворює растр з різнокольорових тріад.