oila uchun videokamera tanlash haqida, biz matritsalar haqida yozdik. U erda biz bu masalani osonlik bilan hal qildik, lekin bugun biz ikkala texnologiyani ham batafsilroq tasvirlashga harakat qilamiz.

Videokameradagi matritsa nima? Bu yorug'lik signalini elektr signaliga aylantiradigan mikrosxemadir. Bugungi kunda 2 ta texnologiya mavjud, ya'ni 2 turdagi matritsa - CCD (CCD) va CMOS (CMOS)... Ular bir -biridan farq qiladi, har birining o'z ijobiy va salbiy tomonlari bor. Qaysi biri yaxshiroq, qaysi biri yomonligini aniq aytish mumkin emas. Ular parallel ravishda rivojlanadi. Biz texnik tafsilotlarga bormaymiz, chunki ular ahamiyatsiz darajada tushunarsiz bo'ladi, lekin umumiy ma'noda biz ularning asosiy ijobiy va salbiy tomonlarini aniqlaymiz.

CMOS texnologiyasi (CMOS)

CMOS matritsalari birinchi navbatda kam quvvat iste'moli bilan faxrlanadi, bu ortiqcha. Ushbu texnologiyaga ega videokamera biroz ko'proq xizmat qiladi (batareya quvvatiga qarab). Ammo bu mayda -chuyda narsalar.

Asosiy farq va ustunlik - bu hujayralarning tasodifiy o'qilishi (CCDda o'qish bir vaqtning o'zida amalga oshiriladi), buning natijasida rasmning xiralashuvi chiqarib tashlanadi. Siz yorqin nuqtali narsalardan "vertikal nur ustunlarini" ko'rganmisiz? Shunday qilib, CMOS-matritsalar ularning paydo bo'lish ehtimolini istisno qiladi. Va ularga asoslangan kameralar ham arzonroq.

Kamchiliklari ham bor. Birinchisi, fotosensitiv elementning kichik o'lchamlari (piksel o'lchamiga nisbatan). Bu erda piksel maydonining ko'p qismini elektronika egallaydi, shuning uchun fotosensitiv elementning maydoni kamayadi. Natijada matritsaning sezuvchanligi pasayadi.

Chunki elektron ishlov berish piksel ustida amalga oshiriladi, keyin rasmdagi shovqin miqdori ortadi. Bu, shuningdek, kam ko'rish vaqtining kamchiligi. Shu sababli, "aylanuvchi deklanşör" ning ta'siri paydo bo'ladi: operator harakat qilganda, freymdagi ob'ekt buzilishi mumkin.

CCD texnologiyasi (CCD)

CCD matritsali videokameralar yuqori sifatli tasvirlarni beradi. Vizual ravishda, CCD videokamera yordamida olingan videoda, shovqinni CMOS kamerasi bilan tasvirga qaraganda kamroq sezish oson. Bu birinchi va eng muhim afzallik. Va yana bir narsa: CCD-matritsalarning samaradorligi shunchaki hayratlanarli: to'ldirish koeffitsienti 100%ga yaqin, ro'yxatdan o'tgan fotonlar nisbati 95%. Oddiy odam ko'zini oling - bu erda bu nisbat taxminan 1%.

Yuqori narx va yuqori quvvat sarfi - bu matritsalarning kamchiliklari. Gap shundaki, bu erda yozib olish jarayoni nihoyatda qiyin. Tasvirni aniqlash CMOS matritsalarida mavjud bo'lmagan ko'plab qo'shimcha mexanizmlar yordamida amalga oshiriladi, shuning uchun CCD texnologiyasi ancha qimmat.

CCD matritsalari rangli va yuqori sifatli tasvirni olish uchun zarur bo'lgan va, ehtimol, dinamik sahnalarni suratga oladigan qurilmalarda ishlatiladi. Bu ko'p hollarda professional videokameralar, garchi uy xo'jaliklari ham. Bu shuningdek, kuzatuv tizimlari, raqamli kameralar va boshqalar.

CMOS matritsalari tasvir sifatiga ayniqsa yuqori talablar bo'lmagan joyda ishlatiladi: harakat sensorlar, arzon smartfonlar ... Biroq, oldin ham shunday bo'lgan. Zamonaviy CMOS matritsalari har xil modifikatsiyaga ega, bu ularni CCD matritsalari bilan raqobatlashish nuqtai nazaridan juda sifatli va munosib qiladi.

Endi qaysi texnologiya yaxshiroq ekanligini aniqlash qiyin, chunki ikkalasi ham ajoyib natijalarni ko'rsatmoqda. Shuning uchun, matritsa turini yagona tanlov mezoniga qo'yish hech bo'lmaganda ahmoqlikdir. Ko'p xususiyatlarni hisobga olish kerak.

Iltimos, maqolaga baho bering:

Oldingi qismni o'qib bo'lgach, bizning o'quvchimiz CCD "qora quti" degan taassurotga ega bo'lishi mumkin, bu ob'ektiv yaratgan yorug'lik tasviri uning yuzasiga tushganidan keyin "elektron manfiy" beradi. Rasm sifatiga faqat sensor o'lchami ta'sir qiladi.

Raqamli fotografiya uskunalari sotuvchilari xuddi shu nuqtai nazarga amal qilishadi, potentsial xaridorni, agar sotib olishning ob'ektiv sabablari bo'lmasa ham, eng katta sensorli modelni sotib olishga sekin, lekin qat'iyat bilan undaydilar. Ko'pincha, xaridor uchun "o'lja" - bu matritsani yaratish uchun ishlatiladigan, "g'alati", boshqa ishlab chiqaruvchilar tomonidan ishlatilmaydigan "noyob ishlanmalar".

Ajam havaskor fotograf uchun reklama va'dalarini haqiqiy samarali muhandislik topilmalaridan ajratish qiyin. Ushbu maqola "bug'doyni somondan ajratishga" harakat qiladi, lekin avval siz raqamli fotografiyaning asosiy ta'riflari bilan tanishishingiz kerak.

Qanday qilib foton elektronga aylanadi

Zaryadga ulangan qurilmalarda fotonni elektronga aylanishi ichki fotoelektr effekti natijasida amalga oshiriladi: zaryad tashuvchilarning bo'shatilishi bilan yarimo'tkazgichli kristalli panjara orqali yorug'lik kvantini yutish. Bu juft "elektron + teshik" yoki bitta zaryadlovchi bo'lishi mumkin - ikkinchisi yarimo'tkazgichda donor yoki akseptor aralashmalari ishlatilganda paydo bo'ladi. Ko'rinib turibdiki, hosil bo'lgan zaryad tashuvchilar o'qish paytigacha qandaydir tarzda saqlanishi kerak.

Buning uchun CCD matritsasining asosiy materiali, p-tipli kremniy substrat, n-tipli yarimo'tkazgichli kanallar bilan jihozlangan bo'lib, uning ustida fotonlarga shaffof elektrodlar polikristalli kremniydan yasalgan. Bunday elektrodga elektr potentsialini qo'llaganidan so'ng, n-tipli kanal ostidagi tushirish zonasida potentsial quduq hosil bo'ladi, uning maqsadi ichki fotoelektrik effekt yordamida "chiqarilgan" zaryadni saqlashdir. CCD elementiga (piksel) fotonlar qancha ko'p tushsa va elektronga aylansa, quduqda to'plangan zaryad shunchalik yuqori bo'ladi.

CCD elementi

CCD piksel kesimi

"Elektron manfiy" ni olish uchun matritsaning har bir potentsial qudug'ining zaryadini hisoblash kerak. Bu zaryad fototok deb ataladi, uning qiymati juda kichik va o'qiganidan keyin majburiy kuchaytirishni talab qiladi.

Zaryad matritsaning eng tashqi qatoriga ulangan qurilma tomonidan o'qiladi, bu ketma -ket siljish registri. Bu registr CCD -hujayralar qatori bo'lib, ularning zaryadlari birma -bir o'qiladi. Zaryadni o'qiyotganda, CCD elementlarining potentsial quduqlarning zaryadlarini siljitish qobiliyati ishlatiladi - aslida, shuning uchun ham bu qurilmalar zaryad bilan bog'langan qurilmalar deb ataladi. Buning uchun PSG elementlari orasidagi bo'shliqda joylashgan uzatuvchi eshik elektrodlari ishlatiladi. Ushbu elektrodlarga potentsiallar qo'llaniladi, ular zaryadni bir potentsial quduqdan "o'ziga tortadi" va boshqasiga o'tkazadi.

O'tkazish elektrodlariga potentsialni sinxron etkazib berish bilan, barcha ish haqi bir vaqtning o'zida o'ngdan chapga (yoki chapdan o'ngga) o'tkazilishi ta'minlanadi. "Ortiqcha" bo'lgan zaryad CCD-matritsaning chiqishiga to'g'ri keladi. Shunday qilib, ketma -ket siljish registri o'z kirishiga parallel "zanjirlar" shaklida kiruvchi zaryadlarni chiqishda har xil kattalikdagi elektr impulslari ketma -ketligiga aylantiradi. Bu parallel "zanjirlar" ni ketma -ket registrga kiritish uchun yana smenali registr ishlatiladi, lekin bu safar parallel ravishda.

CCD

CCD piksel kesimi

Aslida, parallel registr - bu CCD -ning o'zi, u fototoklarning kombinatsiyasi yordamida yorug'lik tasvirining elektron "quyilishi" ni yaratadi. Matritsa - bu ustunlar deb nomlangan va bir -biri bilan sinxronlashtirilgan ketma -ket registrlar to'plami. Natijada, ishchi tsikl davomida fototoklarning pastga qarab sinxron "siljishi" kuzatiladi va "keraksiz" bo'lib chiqqan matritsaning pastki qatoridagi zaryadlar ketma -ket registrning kirishiga beriladi.

Yuqoridagilardan kelib chiqqan holda, potentsiallarni parallel va ketma -ket siljish registrlariga sinxronlashtirish uchun etarli miqdordagi nazorat mikrosxemalari talab qilinadi. Shubhasiz, ketma -ket ro'yxatga olish kitobi parallel registrning soat tsikllari oralig'ida to'liq zaryadsiz bo'lishi kerak, shuning uchun ikkala registrni bir -biri bilan sinxronlashtiradigan mikrosxemalar talab qilinadi.

Piksel nimadan yasalgan

Yuqoridagi sxemaga ko'ra, to'liq o'lchamli CCD matritsasi ishlaydi, uning ishlash tartibi kamera dizayniga ba'zi cheklovlar qo'yadi: agar fototo'qish paytida ta'sir to'xtamasa, fotonlar tushishi natijasida hosil bo'lgan "qo'shimcha" zaryad ramka ustida "bulg'angan" piksellar. Shu sababli, barcha piksellarning zaryadlarini o'qish uchun zarur bo'lgan vaqt davomida sensorga yorug'lik oqimini to'sib qo'yadigan mexanik deklanşör kerak. Shubhasiz, fototoklarni o'qishning bunday sxemasi matritsadan chiqishda video oqim hosil bo'lishiga yo'l qo'ymaydi, shuning uchun u faqat fototexnikada ishlatiladi.

Biroq, suratga olish paytida potentsial quduqda ortiqcha zaryad to'planishi mumkin - masalan, ta'sir qilish "uzoq" bo'lsa. "Qo'shimcha" elektronlar qo'shni piksellar ustidan "tarqaladi", ular tasvirda oq dog'lar sifatida ko'rsatilgan, ularning kattaligi to'lib toshish qiymatiga bog'liq. Bu effekt gullash deb ataladi (ingliz tilidan gullash - "xiralashish"). Gullash bilan kurash elektron drenaj (drenaj) - potentsial chuqurdan ortiqcha zaryadni olib tashlash orqali amalga oshiriladi. Drenajning ikkita asosiy turi mavjud: vertikal (vertikal to'kish drenaji, VOD) va lateral (lateral to'kish drenaji, LOD).

CCD tomondan drenaj

Yon drenaj sxemasi

Vertikal drenajni amalga oshirish uchun EOT substratiga potentsial qo'llaniladi, bu potentsial quduq chuqurligi to'ldirilganda, ortiqcha elektronlarning substrat orqali chiqib ketishini ta'minlaydi. Bunday sxemaning asosiy kamchiligi - potentsial chuqur chuqurligining pasayishi, buning natijasida dinamik diapazon torayadi. Orqa yoritgichli matritsalarda (ularda fotonlar sensorga potentsial quduq elektrodidan emas, balki substrat tomondan kiradi) vertikal drenaj umuman qo'llanilmaydi.

Yanal drenaj maxsus "drenaj oluklari" yordamida amalga oshiriladi, uning ichiga ortiqcha elektronlar tushadi. Ushbu oluklarni hosil qilish uchun drenaj tizimini tashkil etuvchi potentsial ta'minlanadigan maxsus elektrodlar yotqiziladi. Boshqa elektrodlar potentsial quduqdan elektronlarning erta chiqib ketishiga to'sqinlik qiladigan to'siq hosil qiladi.

Ta'rifdan ko'rinib turibdiki, lateral drenaj bilan potentsial quduqning chuqurligi pasaymaydi, shu bilan birga pikselning fotosensitiv hududining maydoni kamayadi. Shunga qaramay, drenajsiz qilish mumkin emas, chunki gullash tasvirni boshqa aralashuv turlariga qaraganda ko'proq buzadi. Shuning uchun ishlab chiqaruvchilar matritsalar dizaynini murakkablashtirishga majbur.

Shunday qilib, har qanday pikselni "bog'lash" hech bo'lmaganda zaryad uzatish elektrodlari va drenaj tizimining komponentlaridan iborat. Biroq, ko'pchilik CCD -lar o'z elementlarining murakkab tuzilishi bilan ajralib turadi.

Piksel optikasi

Videokameralarda va ko'pchilik havaskor raqamli kameralarda ishlatiladigan CCD -lar ularning chiqishida doimiy impulslar oqimini ta'minlaydi, optik yo'l esa bir -biriga to'g'ri kelmaydi. Tasvirni xiralashishini oldini olish uchun CCD-matritsali interline ishlatiladi.

Buferli CCD ustunli

Ustun tamponlangan matritsa tuzilishi

Bunday sensorlarda har bir ustunning yonida (bu ketma -ket siljish registri) tiniq bo'lmagan chiziqlar (odatda metall) bilan qoplangan CCD elementlaridan iborat buferli ustun (shuningdek, ketma -ket siljish registri) joylashgan. Bufer ustunlar to'plami bufer parallel registrni tashkil qiladi va bu registrning ustunlari ro'yxatga oluvchi nurlar bilan "aralashtiriladi".

Bir ish tsiklida, fotosensitiv parallel siljish registri, uning barcha fototoklarini bufer parallel registrga zaryadlarning "gorizontal siljishi" orqali beradi, shundan so'ng fotosensitiv qism yana ta'sir qilish uchun tayyor bo'ladi. So'ngra, bufer parallel registr zaryadlarining chiziqli "vertikal siljishi" keladi, uning pastki chizig'i ketma-ket matritsali siljish registrining kiritilishi.

Ko'rinib turibdiki, matritsa zaryadini bufer parallel siljish registriga o'tkazish qisqa vaqt oralig'ini oladi va yorug'lik oqimini mexanik panjara bilan to'sib qo'yishning hojati yo'q - chuqurlarning toshib ketishiga vaqti bo'lmaydi. Boshqa tomondan, kerakli ta'sir qilish vaqti odatda bufer parallel registrining o'qish vaqti bilan taqqoslanadi. Shu tufayli ekspozitsiyalar orasidagi intervalni minimal darajaga tushirish mumkin - buning natijasida zamonaviy videokameralarda video signal sekundiga 30 kadr va undan yuqori chastotada hosil bo'ladi.

O'z navbatida, ustunli buferli sensorlar ikki toifaga bo'linadi. Bir satrda barcha satrlarni o'qiyotganda, biz progressiv skanerlash bilan matritsa haqida gapirishimiz mumkin. Birinchi tsiklda g'alati chiziqlar, ikkinchisida hatto chiziqlar (yoki aksincha) o'qilganda, biz interlayer skanerlash matritsasi haqida gapiramiz. Aytgancha, mahalliy adabiyotda inglizcha "interlize matritsa" va "interlaced" atamalarining ovozi o'xshashligi tufayli qatorlarni buferli sensorlar ko'pincha noto'g'ri deb nomlanadi.

G'alati, zaryad smearlari kolonli tamponlangan matritsalarda ham uchraydi. Bu fotosensitiv CCD elementining potentsial qudug'idan yaqin atrofdagi bufer elementining potentsial qudug'iga elektronlarning qisman oqishi natijasida yuzaga keladi. Bu, ayniqsa, tezlik bilan pikselning yuqori yoritilishidan kelib chiqadigan fototok darajasi maksimal darajaga yaqin bo'lganida ro'y beradi. Natijada, yorug'lik chizig'i rasmning bu yorqin nuqtasidan yuqoriga va pastga cho'zilib ketadi, bu esa ramkani buzadi.

Bu hodisaga qarshi turish uchun CCD sezgir va tampon CCD elementlari orasidagi masofa oshiriladi. Natijada, zaryad almashinuvi murakkablashadi va bunga sarflanadigan vaqt oshadi, lekin ramkaning "bulg'anish" oqibatida buzilishi hali ham e'tiborga olinmaydi.

Ustun tamponlanishi, shuningdek, yorug'lik oqimini mexanik blokirovkalash zaruratini bartaraf etadigan elektron deklanşörü amalga oshirishga imkon beradi. Elektron deklanşör yordamida, juda tez (sekundining 1/10000 gacha) tortishish tezligiga erishish mumkin, ular mexanik deklanşör bilan erishib bo'lmaydi. Bu xususiyat, ayniqsa, sport, tabiat hodisalari va boshqalarni suratga olishda dolzarbdir.

Elektron panjurni o'rnatish uchun gullashga qarshi drenaj kerak. Fotosensitiv CCD elementining potentsial qudug'idan buferning potentsial qudug'iga zaryad o'tkazish vaqtidan ko'ra qisqa bo'lgan juda qisqa ta'sir o'tkazilganda, drenaj "kesish" rolini o'ynaydi. Bu "kesish" ta'sir qilish vaqtidan keyin fotosensitiv element qudug'ida hosil bo'lgan elektronlarning CCD tampon elementi qudug'iga kirishiga to'sqinlik qiladi.

Piksel tuzilishi - mikrolens va an'anaviy

Mikrolens orqali o'tadigan yorug'lik oqimining kontsentratsiyasi darajasi matritsa ishlab chiqaruvchining texnologik darajasiga bog'liq. Ushbu miniatyura qurilmalari uchun maksimal samaradorlikni ta'minlaydigan juda murakkab dizaynlar mavjud.

Shu bilan birga, mikrolenslardan foydalanish yorug'lik nurlarining normal burchakka katta burchak ostida tushishi ehtimolini sezilarli darajada kamaytiradi. Va katta diafragma diafragma bilan bunday nurlarning ulushi juda katta. Shunday qilib, yorug'lik oqimining matritsaga ta'sirining intensivligi pasayadi, ya'ni diafragma ochiladigan asosiy effekt.

Biroq, bunday nurlarning zarari foydadan kam emas. Gap shundaki, silikonga katta burchak ostida kirib, foton bitta piksel yuzasida matritsaga kirib, boshqasining tanasida elektronni urib yuborishi mumkin. Bu tasvirning buzilishiga olib keladi. Shuning uchun, bunday "zirhli" fotonlarning ta'sirini kuchsizlantirish uchun matritsa yuzasi, nurga sezgir joylar bundan mustasno, shaffof bo'lmagan niqob bilan qoplangan (odatda metall), bu dizaynni yanada murakkablashtiradi. matritsalar haqida.

Bundan tashqari, mikrolenslar yozilgan tasvirga ma'lum bir buzilishlarni kiritib, qalinligi sensorlar aniqlanish arafasida turgan chiziqlarning qirralarini xiralashtiradi. Ammo bu salbiy ta'sir ham qisman foydali bo'lishi mumkin. Bunday ingichka chiziqlar tasvirning bir qismi yoki uning bir qismi bilan to'liq qoplanganligidan qat'i nazar, pikselga ma'lum bir rangni belgilashdan kelib chiqqan holda, tasvirni taxalluslashiga olib kelishi mumkin. Jagging natijasida rasmda qirralari qirrali chiziqlar paydo bo'ladi.

Katta qadamli sensorlar o'rnatilgan kameralar, siljishga qarshi filtrlar bilan jihozlangan va bu qurilmalarning narxi ancha yuqori. Xo'sh, mikrolensli matritsalarga bu filtr kerak emas.

Turli xil tasvir sifati talablari tufayli ustunli tamponlangan matritsalar asosan havaskor texnologiyada qo'llaniladi, to'liq kadrli sensorlar esa professional va studiya kameralariga joylashtirilgan.

Davomi bor

Maqolada piksel geometriyasi tasvirlangan. To'lovni ro'yxatdan o'tkazish, saqlash va o'qish paytida sodir bo'ladigan jarayonlar haqida batafsilroq ma'lumot keyingi maqolada tasvirlanadi.

Bitta element ko'rinadigan spektr diapazonida sezgir, shuning uchun rangli CCD matritsalarining fotodiodlari ustida yorug'lik filtri ishlatiladi, bu uchta rangdan faqat bittasini o'tishiga imkon beradi: qizil (qizil), yashil (yashil), ko'k ( Moviy) yoki sariq (Sariq), qizil (Magenta), turkuaz (Cyan). Va o'z navbatida, oq-qora CCD-da bunday filtrlar yo'q.

PIXELNING QURILMA VA FAOLIYAT PRINSIPI

Piksel shaffof dielektrik bilan qoplangan p-substratdan iborat bo'lib, uning ustida potentsial quduq hosil qiluvchi yorug'lik o'tkazuvchi elektrod qo'llaniladi.

Pikselning tepasida yorug'lik filtri (rangli matritsalarda ishlatiladi) va yaqinlashuvchi linzalar bo'lishi mumkin (sezgir elementlar sirtni to'liq egallamaydigan matritsalarda ishlatiladi).

Kristal yuzasida joylashgan nur o'tkazuvchi elektrodga ijobiy potentsial qo'llaniladi. Pikselga tushadigan yorug'lik yarimo'tkazgich tuzilishiga chuqur kirib, elektron-teshik juftini hosil qiladi. Olingan elektron va teshik elektr maydonidan ajralib chiqadi: elektron tashuvchining saqlash joyiga (potentsial quduq) o'tadi va teshiklar substratga oqadi.

Piksel quyidagi xususiyatlarga ega:

• Potentsial quduqning sig'imi - bu potentsial quduq tutishi mumkin bo'lgan elektronlar soni.
• Spektral piksel sezuvchanligi - sezuvchanlikning (yorug'lik oqimining yorug'lik oqimiga nisbati) nurlanish to'lqin uzunligiga bog'liqligi.
• Kvant samaradorligi (foiz bilan o'lchanadi) - bu fotonlar sonining, yutilishi kvazipartikullarning paydo bo'lishiga olib kelgan, yutilgan fotonlarning umumiy soniga nisbatiga teng bo'lgan fizik miqdor. Zamonaviy CCD matritsalarida bu ko'rsatkich 95%ga etadi. Taqqoslash uchun, inson ko'zining kvant samaradorligi 1%ni tashkil qiladi.
• Dinamik diapazon - to'yinganlik kuchlanishining yoki tokning rms kuchlanishiga yoki qorong'i shovqin oqimiga nisbati. JBda o'lchangan.

CCD va zaryadlash qurilmasi

CCD chiziqlarga bo'linadi va o'z navbatida har bir satr pikselga bo'linadi. Chiziqlar to'xtash qatlamlari bilan ajratilgan (p +), ular orasidagi zaryadlarning oshib ketishiga yo'l qo'ymaydi. Ma'lumotlar paketini ko'chirish uchun parallel, vertikal (VCCD) va ketma -ket, gorizontal (HCCD) siljish registrlari ishlatiladi.

Uch fazali smenali registrni ishlatishning eng oddiy tsikli birinchi darvozaga ijobiy potentsial qo'llanilishi bilan boshlanadi, buning natijasida hosil bo'lgan elektronlar bilan to'ldirilgan quduq hosil bo'ladi. Keyin biz ikkinchi eshikka birinchisidan yuqori bo'lgan potentsialni qo'llaymiz, buning natijasida ikkinchi darvoza ostida chuqurroq potentsial quduq vujudga keladi, unga elektronlar birinchi darvoza ostidan kiradi. Zaryadning harakatini davom ettirish uchun siz ikkinchi eshikdagi potentsial qiymatini kamaytirishingiz, uchinchisiga esa katta potentsialni qo'llashingiz kerak. Uchinchi eshik ostida elektronlar oqadi. Bu tsikl to'planish nuqtasidan to'g'ridan -to'g'ri o'qiladigan gorizontal rezistorgacha davom etadi. Gorizontal va vertikal siljish registrlarining barcha elektrodlari fazalarni tashkil qiladi (faza 1, faza 2 va faza 3).

CCDlarning rang tasnifi:

• Qora va oq
• Rangli

CCDlarning arxitektura tasnifi:

Fotosensitiv hujayralar yashil rangda, shaffof bo'lmagan joylar kul rangda ko'rsatilgan.

CCD quyidagi xususiyatlarga ega:

• Zaryad uzatish samaradorligi - bu yo'l registri bo'ylab yo'lning oxiridagi zaryaddagi elektronlar sonining boshidagi raqamga nisbati.
• To'ldirish koeffitsienti-yorug'lik sezgir elementlar bilan to'ldirilgan maydonning CCD matritsasining nurga sezgir yuzasining umumiy maydoniga nisbati.
• Qorong'u oqim - bu tushadigan fotonlar bo'lmagan taqdirda fotosensitiv element orqali o'tadigan elektr toki.
• O'qish shovqini - bu chiqish signalining konvertatsiya va kuchaytirish davrlarida paydo bo'ladigan shovqin.

Kadrlarni uzatish matritsalari. (Inglizcha ramka uzatish).

Afzalliklari: Sirtni 100% fotosensitiv elementlar bilan egallash qobiliyati; O'qish vaqti to'liq kadr uzatish sensorinikidan past; To'liq kadrli CCD-dan kamroq bulg'anish; To'liq kadrli arxitekturaga qaraganda, vazifa tsiklining ustunligi bor: CCD kadrlarni uzatish har doim fotonlarni yig'adi. Kamchiliklari: Ma'lumotni o'qiyotganda, xiralashmaslik uchun yorug'lik manbasini deklanşör bilan yoping; Zaryadning harakatlanish yo'li oshdi, bu zaryad uzatish samaradorligiga salbiy ta'sir qiladi; Ushbu matritsalarni ishlab chiqarish va ishlab chiqarish to'liq kadrli uzatmali qurilmalarga qaraganda qimmatroq.

Matritsalar interlinerli yoki matritsali ustunli buferli (inglizcha Interline-transfer).
	Afzalliklari: Panjurni ishlatishning hojati yo'q; Yog 'yo'q. Kamchiliklari: Sirtni sezgir elementlar bilan to'ldirish qobiliyati 50%dan oshmaydi. O'qish tezligi smenali registr tezligi bilan cheklangan; Ruxsat berish ramka va to'liq kadrli uzatishga ega CCD -larga qaraganda past.

Interline yoki chiziqli matritsalar.

Afzalliklari: Zaryadni to'plash va uzatish jarayonlari fazoviy ajratilgan; Saqlash elementlaridan zaryad CCD matritsasi nuridan yopilgan uzatish registrlariga o'tkaziladi; Butun tasvir zaryadini uzatish 1 soat tsiklida amalga oshiriladi; Yog 'yo'q; EHMlar orasidagi interval minimal va video yozish uchun mos. Kamchiliklari: Sirtni 50%dan ko'p bo'lmagan sezgir elementlar bilan to'ldirish qobiliyati; Ruxsat berish ramka va to'liq kadrli uzatishga ega CCD -larga qaraganda past; Zaryadning harakatlanish yo'li oshdi, bu zaryad uzatish samaradorligiga salbiy ta'sir qiladi.

CCD matritsalarini qo'llash

	Ilmiy qo'llanma spektroskopiya uchun; mikroskop uchun; kristallografiya uchun; fluoroskopiya uchun; tabiiy fanlar uchun; biologiya fanlari uchun.
	BOShQA QO'LLANILIShI teleskoplarda; yulduz sensorlarida; yo'ldoshlarni kuzatishda; sayyoralarni tekshirganda; bortda va qo'lda ekipaj uskunalari.
	SANOATI QO'LLANILIShI payvand choklarining sifatini tekshirish; bo'yalgan sirtlarning bir xilligini nazorat qilish; mexanik mahsulotlarning aşınmaya bardoshliligini o'rganish; shtrix -kodlarni o'qish uchun; mahsulotni qadoqlash sifatini nazorat qilish.
	Ob'ektlarni himoya qilish uchun ariza turar -joy kvartiralarida; aeroportlarda; qurilish maydonchalarida; ish joylarida; odamning yuzini taniy oladigan "aqlli" kameralarda.
	FOTOSURATDAN QO'LLANISH professional kameralarda; havaskor kameralarda; mobil telefonlarda.
	TIBBIY QO'LLANMA fluoroskopiyada; kardiologiyada; mamografiyada; stomatologiyada; mikroxirurgiyada; onkologiyada.
	AVTO YOLGA QO'LLANISh avtomobil raqamlarini avtomatik aniqlash uchun; tezlikni boshqarish uchun; transportni boshqarish uchun; to'xtash joyiga kirish uchun; politsiya kuzatuv tizimlarida.

Chiziqli deklanşör sensori bilan harakatlanayotgan narsalarni otishda qanday buzilish paydo bo'ladi:

(til: "ru")

Men oldingi nashrda boshlangan qurilma haqidagi suhbatni davom ettiraman.

Raqamli kameraning kino kameralaridan ajratib turadigan asosiy elementlaridan biri bu fotosensitiv element, ya'ni tasvirni kuchaytiruvchi naycha yoki fotosensitiv. Raqamli kamera... Biz allaqachon kamera matritsalari haqida gapirgan edik, lekin keling, o'quvchini ortiqcha charchatmaslik uchun, yuzaki bo'lsa ham, qurilma va matritsaning ishlash tamoyilini batafsil ko'rib chiqaylik.

Hozirgi kunda ko'pchilik raqamli kameralar bilan jihozlangan CCD matritsalari.

CCD matritsasi. Qurilma. Ish printsipi.

Keling, qurilmani ko'rib chiqaylik CCD sensorlari.

Ma'lumki, yarimo'tkazgichlar n tipli va p tipli yarimo'tkazgichlarga bo'linadi. N tipidagi yarimo'tkazgichda erkin elektronlar ko'p, p-tipli yarimo'tkazgichlarda esa musbat zaryadlar, "teshiklar" (va shuning uchun elektronlar etishmasligi) ortiqcha bo'ladi. Barcha mikroelektronika bu ikki turdagi yarimo'tkazgichlarning o'zaro ta'siriga asoslangan.

Shunday qilib, element CCD raqamli kamera quyidagicha tartibga solinadi. 1 -rasmga qarang:

Shakl.1

Tafsilotlarni tushuntirmasdan, CCD elementi yoki zaryadga ulangan qurilma, ingliz tilidagi transkripsiyada: zaryad bilan bog'langan qurilma-CCD-bu MIS (metall dielektrik-yarimo'tkazgichli) kondansatkichidir. U p tipidagi substratdan - kremniy qatlamidan, silikon dioksid izolyatoridan va elektrod plitalaridan iborat. Elektrodlardan biriga ijobiy potentsial qo'llanilganda, uning ostida asosiy tashuvchilarda bo'shliqlar - teshiklar paydo bo'ladi, chunki ular elektr maydonidan elektroddan substratga chuqur suriladi. Shunday qilib, bu elektrod ostida potentsial quduq vujudga keladi, ya'ni energiya zonasi ozchilik tashuvchilar - unga elektronlar harakati uchun qulaydir. Bu chuqurda manfiy zaryad to'planib qoladi. U bu quduqda uzoq vaqt saqlanishi mumkin, chunki unda teshiklar yo'q va shuning uchun elektronlarning rekombinatsiyasi sabablari.

Fotosuratga sezgir matritsalar elektrodlar - polikristalli kremniy plyonkalari, spektrning ko'rinadigan hududida shaffof.

Matritsaga tushgan yorug'lik fotonlari kremniyli substratga tushib, unda teshik-elektron juftini hosil qiladi. Teshiklar, yuqorida aytib o'tilganidek, substratning tubiga siljiydi va potentsial quduqda elektronlar to'planadi.

Yig'ilgan zaryad elementga tushadigan fotonlar soniga, ya'ni yorug'lik oqimining intensivligiga proportsionaldir. Shunday qilib, matritsada optik tasvirga mos keladigan zaryad relyefi yaratiladi.

CCD matritsasida harakatlanuvchi zaryadlar.

Har bir CCD elementida turli potentsiallar qo'llaniladigan bir nechta elektrodlar mavjud.

Qo'shni elektrodga berilgan elektroddagidan yuqori potentsial qo'llanilganda (3 -rasmga qarang), uning ostida zaryad birinchi potentsial quduqdan harakatlanadigan chuqurroq potentsial quduq hosil bo'ladi. Shunday qilib, zaryad bir CCD kamerasidan boshqasiga o'tishi mumkin. 3-rasmda ko'rsatilgan CCD elementi uch fazali deb ataladi, 4 fazali elementlar ham bor.

4 -rasm. Uch fazali zaryadli ulangan qurilmaning ishlash sxemasi - smenali registr.

Zaryadlarni tok impulslariga aylantirish uchun (fototok) ketma -ket siljish registrlari ishlatiladi (4 -rasmga qarang). Bunday siljish registri CCD elementlarining qatoridir. Hozirgi impulslarning amplitudasi uzatilgan zaryad miqdoriga mutanosib va ​​shu sababli tushayotgan yorug'lik oqimiga mutanosib. Zaryadlar ketma -ketligini o'qish natijasida hosil bo'ladigan oqim impulslarining ketma -ketligi kuchaytirgichning kirishiga beriladi.

Bir -biriga yaqin joylashgan CCD elementlari qatorlari birlashtirilgan CCD... Bunday matritsaning ishi elektr maydoni yaratgan potentsial quduqlarda mahalliy zaryadni yaratish va uzatishga asoslangan.

5 -rasm.

Registrning barcha CCD elementlarining zaryadlari sinxron ravishda qo'shni CCD elementlariga o'tkaziladi. Oxirgi katakchadagi zaryad registrdan chiqishga, so'ngra kuchaytirgichning kirishiga beriladi.

Ketma -ket siljish registri perpendikulyar ravishda joylashtirilgan smenali registrlar bilan to'ldiriladi, ular birgalikda parallel siljish registri deb ataladi. Parallel va ketma -ket siljish registrlari CCD matritsasini tashkil qiladi (4 -rasmga qarang).

Ketma -ket registrga perpendikulyar siljish registrlari ustunlar deyiladi.

Parallel registrda zaryadlar harakati qat'iy sinxronlashtiriladi. Bir qatorning barcha to'lovlari bir vaqtning o'zida boshqasiga o'tkaziladi. Oxirgi satrning to'lovlari ketma -ket registrga kiradi. Shunday qilib, bitta ish tsiklida parallel registrdan zaryadlar chizig'i ketma -ket registrning kirishiga kiradi va yangi hosil bo'lgan zaryadlar uchun joy bo'shatiladi.

Ketma -ket va parallel registrlarning ishlashi soat generatori yordamida sinxronlashtiriladi. Qism raqamli kamera matritsasi shuningdek, elektr uzatish registriga potentsial etkazib beradigan va ularning ishlashini nazorat qiluvchi mikrosxemani o'z ichiga oladi.

Ushbu turdagi tasvirni kuchaytirgich to'liq kadrli CCD matritsasi deb ataladi. Uning ishlashi uchun birinchi navbatda yorug'lik ta'sir qilish uchun tasvir kuchaytirgichini ochadigan shaffof bo'lmagan qopqoq bo'lishi kerak, so'ngra matritsa elementlarida etarli miqdorda zaryad to'plash uchun zarur bo'lgan fotonlar sonini olganda, uni nurdan yopadi. Bunday qopqoq kino kameralaridagi kabi mexanik panjur. Bunday deklanşörün yo'qligi, zaryadlar o'zgarish registrida harakat qilganda, hujayralar yorug'lik bilan nurlanishda davom etishiga olib keladi va har bir piksel zaryadiga ma'lum elektron yorug'lik oqimiga to'g'ri kelmaydigan qo'shimcha elektronlar qo'shiladi. nuqta Bu zaryadning "bulg'anishiga" olib keladi, natijada tasvirning buzilishiga olib keladi.

Kirish

Ushbu kurs ishida men CCD qurilmalari, parametrlari, yaratilgan tarixi, zamonaviy infraqizil diapazonidagi zamonaviy CCD kameralarning xususiyatlari haqida umumiy ma'lumotni ko'rib chiqaman.

Kurs ishi natijasida CCD kameralarini yaratish, ishlash printsipi, texnik tavsiflari va o'rta IR diapazonida qo'llanilishi haqidagi adabiyotlarni o'rganib chiqdim.

CCD. CCDning fizik printsipi. CCD

Zaryadga ulangan qurilma (CCD) - oddiy yarimo'tkazgichli substratda metall elektrodlar chiziqlari chiziqli yoki matritsali muntazam tizimni hosil qiladigan oddiy MIS tuzilmalari (metall - dielektrik - yarimo'tkazgich). qo'shni elektrodlar etarli kichik (1 -rasm). Bu holat qurilmaning ishlashida qo'shni MIS tuzilmalarining o'zaro ta'siri hal qiluvchi ahamiyatga ega ekanligini aniqlaydi.

1 -rasm - CCD tuzilishi

Fotosensitiv CCD -larning asosiy funktsional maqsadlari - optik tasvirlarni elektr impulslari ketma -ketligiga aylantirish (video signalni shakllantirish), shuningdek raqamli va analogli ma'lumotlarni saqlash va qayta ishlash.

CCD -lar monokristalli kremniy asosida ishlab chiqariladi. Buning uchun silikon gofret yuzasida termik oksidlanish natijasida ingichka (0,1-0,15 mkm) silikon dioksiddan iborat dielektrik plyonka hosil bo'ladi. Bu jarayon yarimo'tkazgich - izolyator interfeysining mukammalligini ta'minlaydigan va interfeysdagi markazlarning rekombinatsiyasi kontsentratsiyasini minimallashtiradigan tarzda amalga oshiriladi. Alohida MIS elementlarining elektrodlari alyuminiydan yasalgan, ularning uzunligi 3-7 mikron, elektrodlar orasidagi bo'shliq 0,2-3 mikron. MIS elementlarining tipik soni 500-2000 chiziqli va matritsali CCD; plastinka maydoni har bir satrning o'ta elektrodlari ostida, zaryadlarning bir qismini (zaryadli paketlarni) elektrni kiritish-chiqarish uchun mo'ljallangan p-n birikmalar yasaladi. usul (p-n-birikma orqali in'ektsiya). Fotovoltaik bilan zaryad paketlarining kiritilishi, CCD old yoki orqa tomondan yoritilgan. Old yorug'lik ostida, elektrodlarning soyalanish ta'sirini oldini olish uchun, alyuminiy odatda spektrning ko'rinadigan va IR yaqinidagi hududlarida shaffof, ko'p qatlamli polikristalli kremniy (polisilikon) plyonkalari bilan almashtiriladi.

CCD qanday ishlaydi

CCD ishlashining umumiy printsipi quyidagicha. Agar CCD har qanday metall elektrodiga manfiy kuchlanish qo'llanilsa, u holda paydo bo'ladigan elektr maydon ta'sirida substratning asosiy tashuvchisi bo'lgan elektronlar sirtni yarimo'tkazgichga chuqur qoldiradi. Tashqi tomondan, energiya diagrammasida ozchilik tashuvchilar uchun potentsial quduq - teshiklarni ifodalovchi kamayish maydoni hosil bo'ladi. Bu hududga har qanday yo'l bilan tushadigan teshiklar izolyator - yarimo'tkazgichli interfeysga jalb qilinadi va tor er osti qatlamida joylashgan.

Agar endi qo'shni elektrodga katta amplitudali manfiy kuchlanish qo'llanilsa, chuqurroq potentsial quduq vujudga keladi va unga teshiklar o'tadi. Har xil CCD elektrodlariga kerakli nazorat kuchlanishlarini qo'llagan holda, siz zaryadlarni er yuzasiga yaqin bo'lgan ba'zi hududlarda saqlashni, shuningdek zaryadlarning sirt bo'ylab yo'nalishini (strukturadan tuzilishga) ta'minlashingiz mumkin. Zaryad paketini kiritish (yozib olish) p-n-birikmasi orqali, masalan, o'ta CCD elementi yaqinida yoki yorug'lik ishlab chiqarishda amalga oshirilishi mumkin. Zaryadni tizimdan olib tashlash (o'qish), shuningdek, pn birikmasi yordamida amalga oshirishning eng oson yo'li. Shunday qilib, CCD-bu tashqi ma'lumot (elektr yoki yorug'lik signallari) ma'lum bir usulda yaqin hududlarda joylashgan mobil aloqa operatorlarining zaryadli paketlariga aylantiriladigan va axborotni qayta ishlash bu paketlarning boshqariladigan harakati orqali amalga oshiriladigan qurilma. sirt bo'ylab. Ma'lumki, raqamli va analog tizimlar CCD -lar asosida qurilishi mumkin. Raqamli tizimlar uchun faqat CCD -ning ma'lum bir elementida teshik zaryadining mavjudligi yoki yo'qligi muhim, analog ishlov berishda ular harakatlanuvchi zaryadlarning qiymatlari bilan shug'ullanadi.

Agar tasvirni olib yuradigan yorug'lik oqimi ko'p elementli yoki matritsali CCD ga yo'naltirilsa, yarimo'tkazgich hajmida elektron-teshik juftlarining fotogeneratsiyasi boshlanadi. CCD -ning pasayish hududiga kirganda, tashuvchilar ajratiladi va teshiklar potentsial quduqlarda to'planadi (to'plangan zaryadning qiymati mahalliy yoritishga mutanosib). Ma'lum vaqtdan so'ng (bir necha millisekundlik tartibda), tasvirni idrok etish uchun etarli bo'lsa, yorug'lik taqsimotiga mos keladigan zaryad paketlarining tasviri CCD matritsasida saqlanadi. Soat yoqilganda, zaryad paketlari ularni o'quvchiga o'tkazadi, bu ularni elektr signallariga aylantiradi. Natijada, chiqish har xil amplitudali impulslar ketma -ketligi bo'ladi, konvertda video signal beriladi.

Uch bosqichli (uch fazali) zanjir bilan boshqariladigan FCD chizig'ining bo'lagi misolida CCDning ishlash printsipi 2-rasmda ko'rsatilgan. I davrda (videoni idrok etish, to'plash va saqlash). ma'lumotlar), deb nomlangan saqlash kuchlanish Uxp, asosiy tashuvchilarni orqaga surish - p tipidagi kremniyli teshiklar - yarimo'tkazgichga chuqur kirib, 0,5-2 mikron chuqurlikdagi tugagan qatlamlarni hosil qilish - elektronlar uchun potentsial quduqlar. PCCD sirtining yoritilishi kremniyda ortiqcha elektron-teshik juftlarini hosil qiladi, elektronlar potentsial quduqlarga tortiladi, ular 1, 4,7 elektrodlari ostidagi ingichka (0,01 mkm) yaqin qatlamda joylashgan bo'lib, zaryad paketlarini hosil qiladi.

infraqizil ulanish kamerasi

2 -rasm - uch fazali zaryadli ulangan qurilmaning ishlash sxemasi - smenali registr

Har bir paketdagi zaryad miqdori berilgan elektrod yaqinidagi sirt ta'siriga mutanosib. Yaxshi shakllangan MIS tuzilmalarida elektrodlar yonida hosil bo'lgan zaryadlar nisbatan uzoq vaqt saqlanib turishi mumkin, lekin asta-sekin, nopoklik markazlari tomonidan zaryad tashuvchilarning paydo bo'lishi, asosiy yoki interfeys nuqsonlari tufayli, bu zaryadlar to'planib qoladi. potentsial quduqlar signal zaryadidan oshguncha va hatto quduqlarni to'liq to'ldirguncha.

II davrda (zaryadni uzatish) saqlash voltajidan yuqori o'qish kuchlanishi 2, 5, 8 va boshqalarga qo'llaniladi. Shuning uchun 2, 5 va 8 elektrodlar ostida chuqurroq potentsiallar paydo bo'ladi. quduqlar 1, 4 va 7 elektronlar ostiga qaraganda va 1 va 2, 4 va 5,7 va 8 elektrodlarning yaqinligi tufayli ular orasidagi to'siqlar yo'qoladi va elektronlar qo'shni, chuqurroq potentsial quduqlarga oqadi.

III davrda 2, 5, 8 elektrodlaridagi kuchlanish a ga kamayadi, 1, 4, 7 elektrodlardan chiqariladi.

Bu. barcha zaryad paketlari CCD chizig'i bo'ylab o'ngga qo'shni elektrodlar orasidagi masofaga teng ravishda uzatiladi.

Butun operatsiya davomida potentsialga to'g'ridan-to'g'ri ulanmagan yoki kichik o'tkazuvchanlik kuchlanishini (1-3 V) ushlab turuvchi elektrodlarda kichik o'tkazuvchan kuchlanish (1-3 V) saqlanib qoladi, bu esa butun yarimo'tkazgichda zaryad tashuvchilarning kamayishini ta'minlaydi. yuzasi va unga rekombinatsiya ta'sirini kuchsizlantirish.

Kuchlanishni o'zgartirish jarayonini ko'p marta takrorlagan holda, masalan, chiziqdagi yorug'lik bilan qo'zg'atilgan barcha zaryad paketlari ketma-ket haddan tashqari ulanish orqali chiqariladi. Bunday holda, chiqish pallasida berilgan paket zaryadiga mutanosib ravishda kuchlanish pulslari paydo bo'ladi. Yorug'lik sxemasi butun chiziq bo'ylab harakatlangach, elektr impulslari ketma -ketligiga aylanadigan sirt zaryadini yo'qotishga aylanadi. Qator yoki matritsadagi elementlar soni qancha ko'p bo'lsa (1 - IQ qabul qiluvchilar soni; 2 - bufer elementlari; 3 - CCD, bitta elektroddan qo'shni zaryad paketining to'liq bo'lmagan uzatilishi sodir bo'ladi va natijada axborot buziladi. yorug'lik uzatish vaqti, fazoviy ajratilgan sezish joylari - to'planish va saqlash - o'qish FPCD kristalida yaratiladi va birinchisida ular maksimal fotosensitivlikni ta'minlaydi, ikkinchisi esa aksincha, nurdan ekran. tsikl, 2 -registrga (juft elementlardan) va 3 -raqamga (toq elementlardan) o'tkaziladi. Ma'lumotlar ushbu registrlar orqali 4 -chiqish orqali 5 -kombinatsiyali sxemaga uzatilganda, 1 -qatorda yangi video kadr yig'iladi. ramka uzatish (3 -rasm), yig'ish matritsasi 7 tomonidan olingan ma'lumotlar tezda saqlash matritsasiga 2 "tashlanadi", undan ketma -ket lekin CCD 3 -registrda o'qiladi; Shu bilan birga, 1 -matritsa yangi ramka to'playdi.

3 -rasm - zaryad biriktirilgan chiziqli (a), matritsa (b) fotosensitiv qurilmada va zaryad quyish moslamasida ma'lumot to'plash va o'qish.

Eng oddiy tuzilishga ega CCD -lardan tashqari (1 -rasm), ularning boshqa turlari ham keng tarqaldi, xususan, polisilikon elektrodlari bir -birining ustiga chiqadigan qurilmalar (4 -rasm), ularda yarimo'tkazgichning butun yuzasida va kichik hajmda faol fotoelektr effekti ta'minlangan. elektrodlar va sirtga yaqin xususiyatlarning assimetriyasi bo'lgan qurilmalar orasidagi bo'shliq (masalan, qalinligi o'zgaruvchan dielektrik qatlam bilan-4-rasm), ikki zarbli rejimda ishlaydi. Nopokliklarning tarqalishi natijasida hosil bo'lgan hajmli kanalli CCD -ning tuzilishi (4 -rasm) tubdan farq qiladi. To'planish, saqlash va zaryadning o'tkazilishi yarimo'tkazgichning asosiy qismida sodir bo'ladi, bu erda markazlarning rekombinatsiyasi sirtga qaraganda kamroq va tashuvchining harakatchanligi yuqori bo'ladi. Buning natijasi - sirt kanali bo'lgan barcha turdagi CCD -larga nisbatan kattalikning oshishi va kamayishi.

4 -rasm - Yuzaki va tovushli kanalli CCD qurilmalarining turlari.

Rangli tasvirlarni idrok etish uchun ikkita usuldan biri qo'llaniladi: prizma yordamida optik oqimni qizil, yashil, ko'k rangga bo'lish, ularning har birini maxsus FPCD - kristal yordamida idrok qilish, har uch kristalli pulslarni bitta video signaliga aralashtirish; ko'p rangli uchburchaklar rasterini tashkil etuvchi FPZS yuzasida kino chizig'i yoki mozaikali kodlash filtrini yaratish.