Вперше принцип ПЗЗ з ідеєю зберігати і потім зчитувати електронні заряди було розроблено двома інженерами корпорації BELL наприкінці 60-х років під час пошуку нових типів пам'яті для ЕОМ, здатних замінити пам'ять на феритових кільцях (так – так, була й така пам'ять). Ця ідея виявилася безперспективною, але здатність кремнію реагувати на видимий спектр випромінювання була помічена і думка використати цей принцип для обробки зображень набула свого розвитку.

Почнемо з розшифровки терміна.

Абревіатура ПЗС означає "Прилади із зарядовим зв'язком" - цей термін утворився від англійського "Сharge-Сoupled Devices" (CCD).

Цей тип приладів в даний час має дуже широке колозастосувань у різних оптоелектронних пристроях для реєстрації зображення. У побуті це цифрові фотоапарати, відеокамери, сканери.

Що ж відрізняє ПЗЗ-приймач від звичайного напівпровідникового фотодіода, що має світлочутливий майданчик і два електричні контакти для знімання електричного сигналу?

По перше, таких світлочутливих майданчиків (часто їх називають пікселами - елементами, що приймають світло і перетворюють його на електричні заряди) в ПЗЗ-приймачі дуже багато, від кількох тисяч до кількох сотень тисяч і навіть кілька мільйонів. Розміри окремих пікселів однакові можуть бути від одиниць до десятків мікрон. Пікселі можуть бути вибудовані в один ряд - тоді приймач називається ПЗЗ-лінійкою, або рівними рядами заповнювати ділянку поверхні - тоді приймач називають ПЗЗ-матрицею.

Розташування світлоприймальних елементів (прямокутники синього кольору) у ПЗЗ-лінійці та ПЗЗ-матриці.

По-другеУ ПЗЗ-приймачі, зовні схожому на звичайну мікросхему, немає великої кількості електричних контактів для виведення електричних сигналів, які, здавалося б, повинні йти від кожного світлоприймального елемента. Зате до ПЗЗ-приймача підключається електронна схема, яка дозволяє вилучати з кожного світлочутливого елемента електричний сигнал, пропорційний його засвіченню.

Дію ПЗЗ можна описати так: кожен світлочутливий елемент - піксель - працює як скарбничка для електронів. Електрони з'являються у пікселях під впливом світла, що від джерела. Протягом заданого інтервалу часу кожен піксель поступово заповнюється електронами пропорційно кількості світла, що потрапило в нього, як відро, виставлене на вулицю під час дощу. Після закінчення цього часу електричні заряди, накопичені кожним пікселем, по черзі передаються на "вихід" приладу та вимірюються. Все це можливо за рахунок певної структури кристала, де розміщуються світлочутливі елементи та електричної схеми управління.

Практично так само працює і ПЗЗ-матриця. Після експонування (засвічування зображенням, що проектується) електронна схема управління приладом подає на нього складний набір імпульсних напруг, які починають зрушувати стовпці з накопиченими в пікселях електронами до краю матриці, де знаходиться аналогічний вимірювальний ПЗЗ-реєстр, заряди в якому зрушуються вже в перпендикулярному на вимірювальний елемент, створюючи у ньому сигнали, пропорційні до окремих зарядів. Таким чином, для кожного наступного моменту часу ми можемо отримати значення накопиченого заряду і збагнути, якого пікселя на матриці (номер рядка та номер стовпця) він відповідає.

Коротко про фізику процесу.

Для початку відзначимо, що ПЗС відносяться до виробів так званої функціональної електроніки, їх не можна уявити як сукупність окремих радіоелементів – транзисторів, опорів та конденсаторів. У основі лежить принцип зарядового зв'язку. Принцип зарядового зв'язку використовує два відомі з електростатики положення:

1. однойменні заряди відштовхуються,
2. заряди прагнуть розташуватися там, де їхня потенційна енергія мінімальна. Тобто. грубо - "риба шукає там, де глибше".

Для початку уявімо собі МОП-конденсатор (МОП - скорочення від слів метал-окис- напівпровідник). Це те, що залишається від МОП-транзистора, якщо прибрати з нього стік та витік, тобто просто електрод, відокремлений від кремнію шаром діелектрика. Для певності вважатимемо, що напівпровідник - p-типу, тобто концентрація дірок у рівноважних умовах багато (на кілька порядків) більше, ніж електронів. У електрофізиці «діркою» називають заряд, зворотний заряд електрона, тобто. позитивний заряд.

Що буде, якщо на такий електрод (його називають затвором) подати позитивний потенціал? Електричне поле, створюване затвором, проникаючи у кремній крізь діелектрик, відштовхує рухливі дірки; з'являється збіднена область - певний обсяг кремнію, вільний від основних носіїв. При параметрах напівпровідникових підкладок, типових ПЗЗ, глибина цієї області становить близько 5 мкм. Навпаки, електрони, що виникли тут під дією світла, притягнуться до затвора і накопичуватимуться на межі розділу оксид кремнію безпосередньо під затвором, тобто звалюються в потенційну яму (рис. 1).

Рис. 1
Утворення потенційної ями при додатку напруги до затвору

При цьому електрони в міру накопичення в ямі частково нейтралізують електричне поле, створюване в напівпровіднику затвором, і врешті-решт можуть повністю його компенсувати, так що все електричне поле падатиме тільки на діелектрику, і все повернеться у вихідний стан - за тим винятком, що межі розділу утворюється тонкий шар електронів.

Нехай тепер поруч із затвором розташований ще один затвор, і на нього теж подано позитивний потенціал, причому більший, ніж перший (рис. 2). Якщо затвори розташовані досить близько, їх потенційні ями об'єднуються, і електрони, що знаходяться в одній потенційній ямі, переміщуються в сусідню, якщо вона «глибша».
Рис. 2
Перекриття потенційних ям двох близько розташованих затворів. Заряд перетікає на те місце, де потенційна яма глибша.

Тепер вже має бути ясно, що якщо ми маємо ланцюжок затворів, то можна, подаючи на них відповідні напруги, що управляють, передавати локалізований зарядовий пакет уздовж такої структури. Чудова властивість ПЗЗ - властивість самосканування - полягає в тому, що для управління ланцюжком затворів будь-якої довжини достатньо трьох тактових шин. (Термін шина в електроніці - провідник електричного струму, що з'єднує однотипні елементи, тактова шина - провідники по яких передається зміщене по фазі напруга.) Дійсно, для передачі зарядових пакетів необхідно і достатньо трьох електродів: одного передавального, одного приймаючого та одного ізолюючого, що розділяє пари приймаючих і передавальних один від одного, причому однойменні електроди таких трійок можуть бути з'єднані один з одним в єдину тактову шину, що вимагає лише одного зовнішнього виведення (рис. 3).

Рис. 3
Найпростіший трифазний ПЗЗ-реєстр.
Заряд у кожній потенційній ямі різний.

Це і є найпростіший трифазний регістр зсуву на ПЗЗ. Тактові діаграми роботи такого регістру показано на рис. 4.

Рис. 4
Тактові діаграми управління трифазним регістром - це три меандри, зрушені на 120 градусів.
При зміні потенціалів відбувається пересування зарядів.

Видно, що для нього нормальної роботиу кожний момент часу принаймні на одній тактовій шині повинен бути високий потенціал, і принаймні на одній - низький потенціал (потенціал бар'єру). При підвищенні потенціалу на одній шині та зниженні його на інший (попередній) відбувається одночасна передача всіх зарядових пакетів під сусідні затвори, і за повний цикл (один такт на кожній фазній шині) відбувається передача (зсув) зарядових пакетів на один елемент регістру.

Для локалізації зарядових пакетів у поперечному напрямку формуються так звані стоп-канали – вузькі смужки з підвищеною концентрацією основної легуючої домішки, що йдуть уздовж каналу перенесення (рис. 5).

Рис. 5.
Вид на регістр "згори".
Канал перенесення у бічному напрямку обмежується стоп-каналами.

Справа в тому, що від концентрації легуючої домішки залежить, при якому конкретно напрузі на затворі під ним утворюється збіднена область (цей параметр є не що інше, як гранична напруга МОП-структури). З інтуїтивних міркувань зрозуміло, що чим більша концентрація домішки, тобто чим більше дірок у напівпровіднику, тим важче їх відігнати вглиб, тобто тим вище гранична напруга або ж, при одній напрузі, тим нижчий потенціал у потенційній ямі.

Проблеми

Якщо при виробництві цифрових приладів розкид параметрів по пластині може досягати декількох кратів без помітного впливу на параметри одержуваних приладів (оскільки робота йде з дискретними рівнями напруги), то в ПЗЗ зміна, скажімо, концентрації домішки, що легує, на 10% вже помітно на зображенні. Свої проблеми додає і розмір кристала, і неможливість резервування, як і БІС пам'яті, отже дефектні ділянки призводять до непридатності всього кристала.

Підсумок

Різні пікселі ПЗЗ матриці технологічно мають різну чутливість до світла, і цю різницю необхідно коригувати.

У цифрових КМА ця корекція називається системою Auto Gain Control (AGC)

Як працює система AGC

Для простоти розгляду не братимемо щось конкретне. Припустимо, що у виході АЦП вузла ПЗС є певні потенційні рівні. Припустимо, що 60 – середній рівень білого.

1. Для кожного пікселя лінійки ПЗЗ зчитується значення при освітленні його еталонним білим світлом (а більш серйозних апаратах – і зчитування «рівня чорного»).
2. Значення порівнюється з опорним рівнем (наприклад, середнім).
3. Різниця між вихідним значенням та опорним рівнем запам'ятовується для кожного пікселя.
4. Надалі, при скануванні ця різниця компенсується кожного піксела.

Ініціалізація системи AGC проводиться щоразу під час ініціалізації системи сканера. Напевно, ви помічали, що при включенні машини через якийсь час каретка сканера починає здійснювати поступально-поворотні рухи (їдять біля ч/б смужки). Це і є процес ініціалізації системи AGC. Система також враховує стан лампи (старіння).

Також Ви напевно звертали увагу, що малі МФУ, забезпечені кольоровим сканером, запалюють лампу трьома кольорами по черзі: червоним, синім і зеленим. Потім лише підсвічування оригіналу запалюється білим. Це зроблено для кращої корекції чутливості матриці окремо каналами RGB.

Тест півтонів (SHADING TEST)дозволяє ініціювати цю процедуру за бажанням інженера і привести значення коригування до реальних умов.

Спробуймо розглянути все це на реальній, «бойовій» машині. За основу візьмемо широковідомий та популярний апарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220)

Необхідно відзначити, що в нашому випадку CCD стає CIS (Contact Image Sensor), але суть того, що відбувається докорінно, від цього не змінюється. Просто як джерело світла використовуються лінійки світлодіодів.

Отже:

Сигнал зображення від CIS має рівень близько 1,2 і надходить на АЦП-секцію (САЦП) контролера апарату (САЦП). Після САЦП аналоговий сигнал CIS буде перетворено на 8-бітовий цифровий сигнал.

Процесор обробки зображення в САЦП спочатку використовує функцію корекції тону, а потім функцію гамма-корекції. Після цього дані подаються на різні модулі відповідно до режиму роботи. У режимі Text дані зображення надходять на модуль LAT, в режимі Photo дані надходять на модуль "Error Diffusion", в режимі PC-Scan дані зображення надходять прямо на персональний комп'ютер через доступ DMA.

Перед виконанням тестування покладіть на скло експонування кілька чистих аркушів білого паперу. Зрозуміло, що оптика, ч/б смуга і взагалі вузол сканера зсередини повинні бути попередньо «вилизані»

1. Виберіть у TECH MODE
2. Натисніть кнопку ENTER, щоб сканувати зображення.
3. Після сканування буде роздруковано CIS SHADING PROFILE (профіль півтонів CIS). Приклад такого листа наведено нижче. Не обов'язково, що він має бути копією Вашого результату, але близький до зображення.
4. Якщо роздруковане зображення сильно відрізняється від зображення, показаного на малюнку, то CIS несправний. Зверніть увагу – унизу аркуша звіту написано “Results: OK”. Це означає, що система серйозних претензій до модуля CIS немає. Інакше будуть дані результати помилок.

Приклад роздруківки профілю:

Удачі вам!!

За основу взято матеріали статей та лекцій викладачів СПбДУ (ЛДУ), СПбЕТУ (ЛЕТИ) та Axl. Дякуємо їм.

Матеріал підготовлений В. Шеленбергом

Твердотільні фотоелектричні перетворювачі (ТФЕП) зображень є аналогами передавальних ЕПТ.

ТФЭП ведуть початок з 1970 р., з про ПЗС і формуються з урахуванням окремих осередків, що становлять конденсатори МДП- чи МОП-структуры. Однією з обкладок такого елементарного конденсатора є металева плівка М, другий – напівпровідникова підкладка П ( p- або n-провідності), діелектриком Д служить напівпровідник, що наноситься у вигляді тонкого шару на підкладку П. Як підкладка П застосовується кремній, легований акцепторною ( p-типу) або донорної ( n-типу) домішкою, а як Д - окис кремнію SiO 2 (див. мал.8.8).

Рис. 8.8.Конденсатор МОП-структури

Рис. 8.9.Переміщення зарядів під дією електричного поля

Рис. 8.10.Принцип роботи трифазної системи ПЗЗ

Рис. 8.11.Переміщення зарядів у двофазній системі ПЗЗ

При подачі на металевий електрод напруги під ним утворюється «кишеня» або потенційна яма, в якій можуть «скупчуватися» неосновні носії (у нашому випадку електрони), а основні носії, дірки, будуть відштовхуватися від М. На якійсь відстані від поверхні , концентрування неосновних носіїв може бути вище концентрації основних. Поблизу діелектрика Д підкладці П виникає інверсійний шар, у якому тип провідності змінюється на зворотний.

Зарядовий пакет в ПЗЗ може бути введений електричним шляхом або світловою генерацією. При світловій генерації фотоелектричні процеси, що у кремнії, призведуть до накопичення неосновних носіїв у потенційних ямах. Накопичений заряд пропорційний освітленості та часу накопичення. Спрямована передача заряду в ПЗЗ забезпечується розташуванням МОП-конденсаторів настільки близької відстані один від одного, що їх збіднені області перекриваються і потенційні ями з'єднуються. При цьому рухливий заряд неосновних носіїв накопичуватиметься в тому місці, де глибша потенційна яма.

Нехай під впливом світла накопичений заряд під електродом U 1 (див. рис.8.9). Якщо тепер на сусідній електрод U 2 подати напругу U 2 > U 1 , то поруч з'явиться інша потенційна яма, глибша ( U 2 > U 1). Між ними виникне область електричного поля і неосновні носії (електрони) дрейфуватимуть (перетікатимуть) у глибшу «кишеню» (див. рис.8.9). Щоб виключити двоспрямованість передачі зарядів, використовують послідовність електродів, об'єднаних у групи по 3 електрода (див. рис.8.10).

Якщо, наприклад, накопичений заряд під електродом 4 і необхідно передати його вправо, то правий електрод 5 подається більш висока напруга ( U 2 > U 1) і заряд перетікає щодо нього і т.д.

Практично вся сукупність електродів приєднана до трьох шин:

I - 1, 4, 7, …

II – 2, 5, 8, …

III - 3, 6, 9, …

У нашому випадку напруга «прийому» ( U 2) буде на електродах 2 і 5, але електрод 2 відділений від електрода 4 де зберігається заряд, електродом 3 (у якого

U 3 = 0), тому перетікання вліво не буде.

Тритактна робота ПЗЗ передбачає наявність трьох електродів (осередків) на один елемент ТВ-зображення, що зменшує корисну площу, використовувану світловим потоком. Для скорочення кількості осередків (електродів) ПЗЗ металеві електроди та шар діелектрика формуються ступінчастою формою (див. рис.8.11). Це дозволяє при подачі електродів імпульсів напруги створювати під різними його ділянками потенційні ями різної глибини. У глибшу яму стікає більшість зарядів із сусіднього осередку.

При двофазної системі ПЗЗ скорочується число електродів (осередків) у матриці на одну третину, що сприятливо позначається на зчитуванні потенційного рельєфу.

ПЗЗ спочатку пропонували використовувати в обчислювальній техніці як запам'ятовуючі пристрої, регістрів зсуву. На початку ланцюжка ставили інжектуючий діод, що вводить в систему заряд, а в кінці ланцюга - вивідний діод, зазвичай це n-p-або p-n-переходи МОП структури, що утворюють з першим та останнім електродами (осередками) ланцюжки ПЗС польові транзистори.

Але незабаром з'ясувалося, що ПЗС дуже чутливі до світла, і тому їх краще і ефективніше використовувати як світлоприймачі, а не як пристрої, що запам'ятовують.

Якщо ПЗЗ-матриця використовується як фотоприймач, то накопичення заряду під тим чи іншим електродом може бути оптичним методом (інжекція світлом). Можна говорити, що ПЗЗ-матриці по суті є світлочутливими аналоговими зсувними регістрів. Сьогодні ПЗЗ не використовуються як запам'ятовуючі пристрої (ЗУ), а тільки як фотоприймачі. Вони використовуються у факсимільних апаратах, сканерах (лінійки ПЗЗ), у фотокамерах та відеокамерах (матриці ПЗЗ). Зазвичай у ТВ камерах використовуються так звані ПЗС-чіпи.

Ми припускали, що всі 100% зарядів передаються до сусідньої кишені. Однак на практиці доводиться зважати на втрати. Одним із джерел втрат є «пастки», здатні захоплювати та утримувати деякий час заряди. Ці заряди не встигають перетекти в сусідню кишеню, якщо швидкість передачі буде великою.

Другою причиною є сам механізм перетікання. У перший момент перенесення зарядів відбувається в сильному електричному полі - дрейф Е. Однак у міру перетікання зарядів напруженість поля падає і дрейфовий процес загасає, тому остання порція переміщається за рахунок дифузії, у 100 разів повільніше за дрейф. Дочекатися останньої порції означає знизити швидкодію. Дрейф дає понад 90% перенесення. Але саме останні відсотки є основними щодо втрат.

Нехай коефіцієнт передачі одного циклу перенесення дорівнює k= 0,99, вважаючи число циклів рівним N= 100, визначимо сумарний коефіцієнт передачі:

0,99 100 = 0,366

Стає очевидним, що при великій кількості елементів навіть незначні втрати на одному елементі набувають великого значення для ланцюжка в цілому.

Тому питання про скорочення кількості переносів зарядів у матриці ПЗЗ є особливо важливим. У цьому відношенні у матриці двофазної ПЗЗ коефіцієнт передачі зарядів буде дещо більшим, ніж у трифазній системі.

Сенсор - головний елементцифрової камери

ерцем будь-якої цифрової відео- або фотокамери (нині межі між цими типами пристроїв поступово стираються) є світлочутливий сенсор. Він перетворює видиме світло на електричні сигнали, що використовуються для подальшої обробки за допомогою електронних схем. Зі шкільного курсу фізики відомо, що світло можна розглядати як потік елементарних частинок - фотонів. Фотони, потрапляючи на поверхню деяких напівпровідникових матеріалів, здатні призводити до утворення електронів та дірок (нагадаємо, що діркою у напівпровідниках прийнято називати вакантне місце для електрона, що утворюється внаслідок розриву ковалентних зв'язків між атомами напівпровідникової речовини). Процес генерації електронно-діркових пар під впливом світла можливий тільки в тому випадку, коли енергії фотона достатньо, щоб відірвати електрон від рідного ядра і перевести його в зону провідності. Енергія фотона безпосередньо пов'язана з довжиною хвилі світла, що падає, тобто залежить від так званого кольору випромінювання. У діапазоні видимого (тобто сприймається людським оком) випромінювання енергії фотонів виявляється достатньо для того, щоб породжувати генерацію електронно-діркових пар таких напівпровідникових матеріалах, як, наприклад, кремній.

Оскільки кількість фотоелектронів, що утворюються, прямо пропорційно інтенсивності світлового потоку, з'являється можливість математично пов'язувати кількість падаючого світла з величиною заряду, що породжується ним. Саме на цьому простому фізичному явищі і ґрунтується принцип дії світлочутливих сенсорів. Сенсор виконує п'ять основних операцій: поглинає фотони, перетворює їх у заряд, накопичує його, передає та перетворює на напругу. Залежно від технології виготовлення різні сенсори здійснюють завдання зберігання та накопичення фотоелектронів по-різному. Крім того, можуть використовуватися різні методи перетворення накопичених електронів електрична напруга(аналоговий сигнал), яке, своєю чергою, перетворюється на цифровий сигнал.

ПЗЗ-сенсори

Історично першими як світлочутливі елементи для відеокамер були використані так звані ПЗС-матриці, масове виробництво яких почалося в 1973 році. Абревіатура ПЗЗ розшифровується як прилад із зарядним зв'язком; у англійській літературі використовується термін CCD (Charge-Coupled Device). Найпростіший ПЗЗ-сенсор є конденсатором, здатним під впливом світла накопичувати електричний заряд. Звичайний конденсатор, що складається з двох розділених шаром діелектрика металевих пластин, не підійде, тому використовують так звані МОП-конденсатори. За своєю внутрішньою структурою такі конденсатори є сандвіч з металу, оксиду і напівпровідника (від перших літер використовуваних компонентів вони і отримали свою назву). Як напівпровідник використовується легований кремній p-типу, тобто такий напівпровідник, в якому за рахунок додавання атомів домішки (легування) утворюються надлишкові дірки. Над напівпровідником розташований тонкий шар діелектрика (оксиду кремнію), а зверху - шар металу, що виконує функцію затвора, якщо дотримуватися термінології польових транзисторів (рис. 1).

Як уже зазначалося, під впливом світла у напівпровіднику утворюються електронно-діркові пари. Проте поряд із процесом генерації відбувається і зворотний процес – рекомбінація дірок та електронів. Тому слід вжити заходів, щоб розділити електрони і дірки, що утворюються, і зберігати їх протягом необхідного часу. Адже саме кількість освічених фотоелектронів містить інформацію про інтенсивність поглиненого світла. Для цього і призначені затвор та шар ізолюючого діелектрика. Припустимо, що на затвор подано позитивний потенціал. У цьому випадку під впливом створеного електричного поля, що проникає крізь діелектрик у напівпровідник, дірки, що є основними носіями заряду, почнуть зрушуватися у бік діелектрика, тобто в глиб напівпровідника. На межі напівпровідника з діелектриком утворюється збіднена основними носіями, тобто дірками область, причому розмір цієї області залежить від величини прикладеного потенціалу. Саме ця збіднена область є «сховищем» для фотоелектронів. Дійсно, якщо напівпровідник піддати впливу світла, то електрони і дірки, що утворюються, будуть рухатися в протилежних напрямках - дірки в глиб напівпровідника, а електрони до збідненого шару. Оскільки в цьому шарі немає дірок, то електрони зберігатимуться там без рекомбінації протягом необхідного часу. Природно, що накопичення електронів неспроможна відбуватися нескінченно. У міру збільшення кількості електронів між ними та позитивно зарядженими дірками виникає наведене електричне поле, спрямоване протилежно до поля, створюваного затвором. В результаті поле всередині напівпровідника зменшується до нуля, після чого процес просторового поділу дірок та електронів стає неможливим. Як наслідок – утворення електронно-діркової пари супроводжується її рекомбінацією, тобто кількість «інформаційних» електронів в збідненому шарі перестає збільшуватися. І тут можна говорити про переповнення ємності сенсора.

Розглянутий нами сенсор здатний виконувати дві важливі завдання - перетворювати фотони на електрони та накопичувати їх. Залишилося вирішити завдання передачі цих інформаційних електронів у відповідні блоки перетворення, тобто завдання знімання інформації.

Уявімо собі не один, а кілька близько розташованих затворів на поверхні того самого діелектрика (рис. 2). Нехай у результаті фотогенерації під одним із затворів накопичені електрони. Якщо сусідній затвор подати більш високий позитивний потенціал, то електрони почнуть перетікати в область сильнішого поля, тобто переміщатися від одного затвора до іншого. Тепер вже має бути ясно, що якщо ми маємо ланцюжок затворів, то, подаючи на них відповідні напруги, що управляють, можна переміщувати локалізований зарядовий пакет уздовж такої структури. Саме на цьому простому принципіта засновані прилади із зарядовим зв'язком.

Чудова властивість ПЗЗ полягає в тому, що для переміщення накопиченого заряду достатньо всього трьох типів затворів - одного передавального, одного приймаючого та одного ізолюючого, що розділяє пари приймаючих і передавальних один від одного, причому однойменні затвори таких трійок можуть бути з'єднані один з одним в єдину тактову шину, що вимагає лише одного зовнішнього виведення (рис. 3). Це і є найпростіший трифазний регістр зсуву на ПЗЗ.

Досі ми розглядали ПЗЗ-сенсор лише в одній площині – вздовж бокового розрізу. Поза полем нашого зору залишився механізм утримання електронів у поперечному напрямку, при якому затвор подібний до довгої смужки. Враховуючи, що освітлення напівпровідника неоднорідне в межах такої смужки, швидкість утворення електронів під впливом світла змінюватиметься довжиною затвора. Якщо не вжити заходів щодо локалізації електронів поблизу області їх утворення, то в результаті дифузії концентрація електронів вирівняється та інформація про зміну інтенсивності світла в поздовжньому напрямку буде втрачена. Звичайно, можна було б зробити розмір затвора однаковим як у поздовжньому, так і поперечному напрямку, але це вимагало б виготовлення занадто великої кількостізатворів на ПЗЗ-матриці. Тому для локалізації електронів, що утворюються, в поздовжньому напрямку використовують так звані стоп-канали (рис. 4), що являють собою вузьку смужку напівпровідника з підвищеним вмістом легуючої домішки. Чим більша концентрація домішки, тим більше дірок утворюється всередині такого провідника (кожен атом домішки призводить до утворення дірки). Але від концентрації дірок залежить, у якому саме напрузі на затворі під ним утворюється збіднена область. Інтуїтивно зрозуміло, що чим більша концентрація дірок у напівпровіднику, тим важче їх відігнати углиб.

Розглянута нами структура ПЗЗ-матриці зветься ПЗЗ з поверхневим каналом передачі, так як канал, яким передається накопичений заряд, знаходиться на поверхні напівпровідника. Поверхневий спосіб передачі має низку істотних недоліків, пов'язаних із властивостями межі напівпровідника. Справа в тому, що обмеження напівпровідника в просторі порушує ідеальну симетрію його кристалічної решітки з усіма наслідками, що звідси випливають. Не вникаючи у тонкощі фізики твердого тіла, зауважимо, що подібне обмеження призводить до утворення енергетичних пасток для електронів. В результаті накопичені під впливом світла електрони можуть захоплюватися цими пастками замість того, щоб передаватися від одного затвора до іншого. Крім того, такі пастки можуть непередбачено вивільняти електрони, причому не завжди, коли це дійсно потрібно. Виходить, що напівпровідник починає «шуміти» - інакше кажучи, кількість накопичених під затвором електронів не точно відповідатиме інтенсивності поглиненого випромінювання. Уникнути подібних явищ можна, але для цього сам канал перенесення потрібно відсунути углиб провідника. Таке рішення було реалізовано спеціалістами фірми Philips у 1972 році. Ідея полягала у тому, що у поверхневій області напівпровідника p-типу створювався тонкий шар напівпровідника n-типу, тобто напівпровідника, у якому основними носіями заряду є електрони (рис. 5).

Добре відомо, що контакт двох напівпровідників з різними типамипровідності призводить до утворення збідненого шару межі переходу. Відбувається це за рахунок дифузії дірок та електронів у взаємно протилежних напрямках та їх рекомбінації. Подача позитивного потенціалу затвор збільшує розмір збідненої області. Характерно, що тепер сама збіднена область або ємність для фотоелектронів знаходиться не на поверхні, а отже, відсутні і пастки для електронів. Такий канал переносу називається прихованим, і всі сучасні ПЗЗ виготовляються саме із прихованим каналом перенесення.

Розглянуті нами основні принципи функціонування ПЗЗ-сенсора використовуються для побудови різних за архітектурою ПЗЗ-матриць. Конструктивно можна виділити дві основні схеми матриць: з покадровим перенесенням та з міжрядковим перенесенням.

У матриці з покадровим переносом є дві рівнозначні секції з однаковим числом рядків: накопичення та зберігання. Кожен рядок у цих секціях утворено трьома затворами (передавач, приймаючий та ізолюючий). Крім того, як уже зазначалося вище, всі рядки розділені безліччю стоп-каналів, що формують комірки накопичення у горизонтальному напрямку. Таким чином, найменший структурний елемент ПЗЗ-матриці (піксел) створюється із трьох горизонтальних затворів та двох вертикальних стоп-каналів (рис. 6).

Під час експозиції у секції накопичення утворюються фотоелектрони. Після цього тактові імпульси, що подаються на затвори, переносять накопичені заряди з секції накопичення в затінену секцію зберігання, тобто відбувається передача всього кадру повністю. Тому така архітектура і отримала назву ПЗЗ із покадровим перенесенням. Після перенесення секція накопичення очищається і може повторно накопичувати заряди, тоді як із секції пам'яті заряди надходять у горизонтальний регістр зчитування. Структура горизонтального регістру аналогічна структурі ПЗЗ-сенсора - ті самі три затвори для перенесення заряду. Кожен елемент горизонтального регістру має зарядовий зв'язок з відповідним стовпцем секції пам'яті, і за кожен тактовий імпульс з секції накопичення в регістр зчитування надходить весь рядок, який після цього передається у вихідний підсилювач для подальшої обробки.

Розглянута схема ПЗЗ-матриці має одну безперечну перевагу - високий коефіцієнт заповнення (fill factor). Цим терміном прийнято називати відношення фоточутливої ​​площі матриці до загальної площі. У матриць з покадровим перенесенням коефіцієнт заповнення сягає майже 100%. Така особливість дозволяє створювати на основі дуже чутливі прилади.

Крім розглянутої переваги матриці з покадровим переносом мають і ряд недоліків. Насамперед зазначимо, що процес переносу неспроможна здійснюватися миттєво. Саме ця обставина призводить до низки негативних явищ. У процесі перенесення заряду з секції накопичення в секцію зберігання перша залишається освітленою і триває процес накопичення фотоелектронів. Це призводить до того, що яскраві ділянки зображення встигають зробити свій внесок у чужий зарядовий пакет навіть за той короткий час, протягом якого він проходить через них. У результаті кадрі з'являються характерні спотворення як вертикальних смуг, що тягнеться через весь кадр від яскравих ділянок зображення. Звичайно, для боротьби з подібними явищами можна застосовувати різні хитрощі, проте найбільш радикальним способом є поділ секції накопичення та секції переносу, щоб перенесення протікало в затіненій області. Матриці такої архітектури отримали назву ПЗЗ із міжрядковим перенесенням (рис. 7).

На відміну від описаної раніше матриці з покадровим переносом, як елементи накопичення заряду тут виступають фотодіоди (докладніше фотодіоди будуть розглянуті пізніше). Заряди, що накопичуються фотодіодами, передаються в затінені ПЗЗ-елементи, які здійснюють подальше перенесення заряду. Зазначимо, що перенесення всього кадру від фотодіодів у вертикальні ПЗЗ-регістри переносу відбувається за один такт. Виникає закономірне питання: чому така архітектура отримала назву міжрядкового перенесення (зустрічається також термін «черезрядкове перенесення»)? Щоб розібратися в походження назви міжрядкового, а також покадрового перенесення, згадаємо основний принцип виведення зображення на екран формування відеосигналу. Кадровий сигнал складається з сигналів рядків, розділених міжрядковим проміжком, тобто часом, необхідним для того, щоб електронний промінь, що сканує по екрану, встиг переміститися від кінця одного рядка на початок наступного. Є також міжкадрові проміжки - час, необхідне переміщення променя від кінця останнього рядка на початок першого рядка (перехід нового кадр).

Якщо згадати архітектуру ПЗС-матриці з міжкадровим перенесенням, стає зрозуміло, що перенесення кадру з секції накопичення в секцію зберігання відбувається під час міжкадрового проміжку відеосигналу. Це й зрозуміло, оскільки переносу всього кадру знадобиться значний інтервал часу. В архітектурі з міжрядковим перенесенням передача кадру відбувається за такт, і цього досить невеликого проміжку часу. Далі зображення надходить у горизонтальний регістр зсуву, причому передача відбувається рядками під час міжрядкових інтервалів відеосигналу.

Крім двох розглянутих типів ПЗЗ-матриць існують інші схеми. Наприклад, схема, що об'єднує міжкадровий та міжрядковий механізм (рядково-кадровий перенос), виходить при додаванні до ПЗЗ-матриці міжрядкового перенесення секції зберігання. При цьому перенесення кадру від фоточутливих елементів відбувається за один такт під час інтервалу міжрядкового, а під час міжкадрового інтервалу кадр передається в секцію зберігання (міжкадровий перенос); із секції зберігання кадр передається в горизонтальний регістр зсуву під час міжрядкових інтервалів (міжкадровий перенесення).

В Останнім часомнабули поширення так звані супер-ПЗС (Super CCD), що використовують оригінальну стільникову архітектуру, яку утворюють восьмикутні пікселі. За рахунок цього збільшується робоча поверхня кремнію та підвищується щільність пікселів (кількість пікселів ПЗЗ). Крім того, восьмикутна форма пікселів збільшує площу світлочутливої ​​поверхні.

КМОП-сенсори

Принципово іншим типом сенсора є так званий КМОП-сенсор (КМОП – компліментарний метал-оксид-напівпровідник; в англомовній термінології – CMOS).

Внутрішня архітектура КМОП-сенсорів може бути різною. Так, як фоточутливий елемент можуть виступати фотодіоди, фототранзистори або фотовентилі. Незалежно від типу фоточутливого елемента незмінним залишається принцип поділу дірок та електронів, одержуваних у процесі фотогенерації. Розглянемо найпростіший тип фотодіода, з прикладу якого легко зрозуміти принцип дії всіх фотоелементів.

Найпростіший фотодіод є контактом напівпровідників n- і p-типів. На межі контакту цих напівпровідників утворюється збіднена область, тобто бездирок і електронів. Така область формується внаслідок дифузії основних носіїв зарядів у взаємно протилежних напрямках. Дірки рухаються з p-напівпровідника (тобто з області, де їх перебуває в надлишку) в n-напівпровідник (тобто в область, де їхня концентрація мала), а електрони рухаються в протилежному напрямку, тобто з n-напівпровідника в p- напівпровідник. В результаті такої рекомбінації дірки та електрони зникають і створюється збіднена область. Крім того, на межах збідненої області оголюються іони домішки, причому в n-області іони домішки мають позитивний заряд, а в p-області - негативний. Ці заряди, розподілені по межі збідненої області, утворюють електричне поле, подібне до того, що створюється в плоскому конденсаторі, що складається з двох пластин. Саме це поле виконує функцію просторового поділу дірок та електронів, що утворюються у процесі фотогенерації. Наявність такого локального поля (його також називають потенційним бар'єром) є важливим моментом у будь-якому фоточутливому сенсорі (не лише у фотодіоді).

Припустимо, що фотодіод освітлюється світлом, причому світло падає на n-напівпровідник, а p-n-перехід перпендикулярний до променів світла (рис. 8). Фотоелектрони та фотодірки будуть дифундувати в глиб кристала, і деяка їхня частка, що не встигла рекомбінувати, досягне поверхні p-n-переходу. Однак для електронів існуюче електричне поле є непереборною перешкодою – потенційним бар'єром, тому електрони не зможуть подолати p-n-перехід. Дірки ж, навпаки, прискорюються електричним полем і проникають у p-область. В результаті просторового поділу дірок і електронів n-область заряджається негативно (надлишок фотоелектронів), а p-область - позитивно (надлишок фотодірок).

Основна відмінність КМОП-сенсорів від ПЗЗ-сенсорів полягає не в способі накопичення заряду, а в способі подальшого його перенесення. Технологія КМОП, на відміну від ПЗЗ, дозволяє здійснювати більшу кількість операцій прямо на кристалі, на якому розташована фоточутлива матриця. Крім вивільнення електронів та їх передачі, КМОП-сенсори можуть обробляти зображення, виділяти контури зображення, зменшувати перешкоди та виробляти аналого-цифрові перетворення. Більш того, є можливість створювати програмовані КМОП-сенсори, отже можна отримати дуже гнучке багатофункціональне пристрій.

Такий широкий набір функцій, що виконуються однією мікросхемою, - основна перевага технології КМОП над ПЗЗ. У цьому скорочується кількість необхідних зовнішніх компонентів. Використання в цифровій камері КМОП-сенсора дозволяє встановлювати на місце, що звільнилося, інші чіпи - наприклад, цифрові сигнальні процесори (DSP) і аналого-цифрові перетворювачі.

Бурхливий розвиток КМОП-технологій почався 1993 року, коли було створено активні піксельні сенсори. При цій технології кожен піксел має свій зчитуючий транзисторний підсилювач, що і дозволяє перетворювати заряд в напругу безпосередньо на пікселі. Крім того, з'явилася можливість для довільного доступу до кожного пікселя сенсора (подібно до того, як працює оперативна пам'ятьз довільним доступом). Зчитування заряду з активних пікселів КМОП-сенсора проводиться за паралельною схемою (рис. 9), що дозволяє зчитувати сигнал з кожного пікселя або колонки пікселів безпосередньо. Довільний доступ дозволяє КМОП-сенсору зчитувати не тільки всю матрицю повністю, а й вибіркові області (метод віконного зчитування).

Незважаючи на переваги КМОП-матриц перед ПЗЗ (основним з яких є нижча ціна), вони мають і ряд недоліків. Наявність додаткових схем на кристалі КМОП-матриці призводить до появи ряду перешкод, таких як транзисторні та діодні розсіювання, а також ефект залишкового заряду, тобто КМОП-матриці на сьогоднішній день є «шумнішими». Тому у професійних цифрових камерах найближчим часом будуть використовувати якісні ПЗЗ-матриці, а КМОП-сенсори освоюють ринок дешевших пристроїв, до якого, зокрема, відносяться Web-камери.

Як виходить колір

Розглянуті вище фоточутливі сенсори здатні реагувати лише інтенсивність поглинається світла - що стоїть інтенсивність, то більший заряд накопичується. Виникає закономірне питання: як виходить кольорове зображення?

Щоб камера могла розрізняти кольори, безпосередньо активний піксел накладається масив кольорових фільтрів (CFA, color filter arrays). Принцип дії кольорового фільтра дуже простий: він пропускає світло лише певного кольору (іншими словами, тільки світло з певною довжиною хвилі). Але скільки таких фільтрів знадобиться, якщо кількість різних колірних відтінків практично не обмежена? Виявляється, будь-який колірний відтінок можна отримати змішуванням у певних пропорціях кількох основних (базових) кольорів. У найбільш популярної адитивної моделі RGB (Red, Green, Blue) таких кольорів три: червоний, зелений та синій. Значить, і кольорових фільтрів потрібно лише три. Зазначимо, що колірна модель RGB не єдина, але у переважній більшості цифрових Web-камер використовується саме вона.

Найбільш популярними є масиви фільтрів колірної моделі Байєра (Bayer pattern). У цій системі червоні, зелені та сині фільтри розташовані у шаховому порядку, а кількість зелених фільтрів у два рази більша, ніж червоних або синіх. Порядок розташування такий, що червоні та сині фільтри розташовані між зеленими (рис. 10).

Таке співвідношення зелених, червоних та синіх фільтрів пояснюється особливостями зорового сприйняття людини: наші очі чутливіші до зеленого кольору.

У ПЗЗ-камерах суміщення трьох колірних каналів проводиться у пристрої формування зображення після перетворення сигналу з аналогового виду в цифровий. У КМОП-сенсорах це суміщення може відбуватися безпосередньо у чіпі. У будь-якому разі первинні кольори кожного фільтра математично інтерполуються з урахуванням кольору сусідніх фільтрів. Отже, для того, щоб отримати істинний колір пікселя зображення, необхідно знати не тільки інтенсивність світла, що пройшло через світлофільтр цього піксела, але і значення інтенсивностей світла, що пройшло через світлофільтри навколишніх пікселів.

Як уже зазначалося, у колірній моделі RGB використовується три основні кольори, за допомогою яких можна отримати будь-який відтінок видимого спектра. скільки ж відтінків дозволяють розрізняти цифрові камери? Максимальна кількість різних колірних відтінків визначається глибиною кольору, яка, своєю чергою, визначається кількістю бітів, що використовуються для кодування кольору. У популярній моделі RGB 24 з глибиною кольору 24 біти для кожного кольору відводиться по 8 бітів. За допомогою 8 бітів можна задати 256 різних колірних відтінків відповідно червоного, зеленого та синього кольорів. Кожному відтінку надається значення від 0 до 255. Наприклад, червоний колір може набувати 256 градацій: від чисто червоного (255) до чорного (0). Максимальне значеннякод відповідає чистому кольору, а код кожного кольору прийнято розташовувати в наступному порядку: червоний, зелений і синій. Наприклад, код чистого червоного кольору записується у вигляді (255, 0, 0), код зеленого кольору – (0, 255, 0), а код синього кольору – (0, 0, 255). Жовтий колір можна отримати змішуванням червоного та зеленого, і його код записується у вигляді (255, 255, 0).

Окрім моделі RGB широке застосування знайшли також моделі YUV та YСrCb, які схожі одна на одну та засновані на поділі сигналів яскравості та кольоровості. Сигнал Y – це сигнал яскравості, який визначається змішуванням червоного, зеленого та синього кольорів. Сигнали U та V (Cr, Cb) є кольоророзносними. Так, сигнал U близький до різниці між синіми та жовтими компонентами кольорового зображення, а сигнал V близький до різниці між червоними та зеленими компонентами кольорового зображення.

Основна перевага моделі YUV (YCrCb) полягає в тому, що цей метод кодування хоча і складніший, ніж RGB, проте вимагає меншої смуги пропускання. Справа в тому, що чутливість людського ока до яскравого Y-компонента і кольоророзносних компонентів неоднакова, тому цілком допустимим є виконання цього перетворення з проріджуванням (інтерлівінгом) кольоророзкладних компонентів, коли для групи з чотирьох сусідніх пікселів (2×2) обчислюються Y-компон а кольоророзносні компоненти використовуються загальні (так звана схема 4:1:1). Неважко підрахувати, що схема 4:1:1 дозволяє скоротити вихідний потік вдвічі (замість 12 байтів для чотирьох сусідніх пікселів досить шести). При кодуванні за схемою YUV 4:2:2 сигнал яскравості передається для кожної точки, а кольорові сигнали U і V - тільки для кожної другої точки в рядку.

Як працюють цифрові

Web-камери

ринцип роботи всіх типів цифрових камер приблизно однаковий. Розглянемо типову схему найпростішої Web-камери, основна відмінність якої від інших типів камер – наявність USB-інтерфейсу для підключення до комп'ютера.

Крім оптичної системи (об'єктиву) і світлочутливого ПЗЗ або КМОП-сенсора обов'язковою є наявність аналого-цифрового перетворювача (АЦП), який перетворює аналогові сигнали світлочутливого сенсора в цифровий код. Крім того, необхідна система формування кольорового зображення. Ще одним важливим елементом камери є схема, що відповідає за компресію даних та підготовку до передачі у потрібному форматі. Наприклад, в аналізованої Web-камере відеодані передаються в комп'ютер за інтерфейсом USB, тому на її виході повинен бути контролер USB-інтерфейсу. Структурна схемацифрова камера зображена на рис. 11 .

Аналого-цифровий перетворювач призначений для дискретизації безперервного аналогового сигналу та характеризується частотою відліків, що визначають проміжки часу, через які проводиться вимірювання аналогового сигналу, а також своєю розрядністю. Розрядність АЦП - це кількість бітів, які використовуються уявлення кожного відліку сигналу. Наприклад, якщо використовується 8-розрядний АЦП, для представлення сигналу використовується 8 бітів, що дозволяє розрізняти 256 градацій вихідного сигналу. При використанні 10-розрядного АЦП можна розрізняти вже 1024 різних градацій аналогового сигналу.

Через низьку пропускну здатність USB 1.1 (всього 12 Мбіт/с, з яких Web-камера використовує не більше 8 Мбіт/с) перед передачею в комп'ютер дані необхідно стискати. Наприклад, при роздільній здатності кадру 320×240 пікселів і глибині кольору 24 біта розмір кадру в несжатому вигляді становитиме 1,76 Мбіт. При ширині смуги пропускання каналу USB 8 Мбіт/с максимальна швидкість передачі стисненого сигналу становитиме лише 4,5 кадрів на секунду, а отримання якісного відео необхідна швидкість передачі 24 чи більше кадрів на секунду. Таким чином, стає зрозуміло, що без апаратного стиснення інформації, що передається, нормальне функціонування камери неможливо.

Відповідно до технічної документації дана КМОП-матриця має роздільну здатність 664×492 (326 688 пікселів) і може функціонувати зі швидкістю до 30 кадрів за секунду. Сенсор підтримує як прогресивний, так і малий тип розгортки та забезпечує відношення "сигнал/шум" більше 48 дБ.

Як видно з блок-схеми, блок кольороформування (аналоговий сигнальний процесор) має два канали - RGB і YСrCb, причому для моделі YСrCb яскравий і кольорові сигнали обчислюються за формулами:

Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 × (B – Y).

Аналогові сигнали RGB та YCrCb, що формуються аналоговим сигнальним процесором, обробляються двома 10-бітними АЦП, кожен з яких працює на швидкості 13,5 MSPS, що забезпечує синхронізацію з піксельною швидкістю. Після оцифровки дані надходять на цифровий перетворювач, який формує відео в 16-бітному форматі YUV 4:2:2 або 8-бітному форматі Y 4:0:0, які направляються у вихідний порт по 16-бітній або 8-бітній шині.

Крім того, КМОП-сенсор, що розглядається, володіє широким спектром можливостей з корекції зображення: передбачені установка балансу білого кольору, управління експозицією, гамма-корекцією, колірної корекції і т.д. Керувати роботою сенсора можна за інтерфейсом SCCB (Serial Camera Control Bus).

Мікросхема OV511+, блок-схема якої показано на рис. 13 являє собою USB-контролер.

Контролер дозволяє передавати відеодані по USB-шині зі швидкістю до 7,5 Мбіт/с. Неважко підрахувати, що така смуга пропускання не дозволить передавати відеопотік із прийнятною швидкістю без попереднього стиснення. Власне, компресія – це і є основне призначення USB-контролера. Забезпечуючи необхідну компресію в реальному часі аж до ступеня стиснення 8:1, контролер дозволяє передавати відеопотік зі швидкістю 10-15 кадрів в секунду при роздільній здатності 640х480 і зі швидкістю 30 кадрів в секунду при роздільній здатності 320х240 і менше.

За компресію даних відповідає блок OmniCE, що реалізує фірмовий алгоритм стиснення. OmniCE забезпечує не тільки необхідну швидкість відеопотоку, але й швидку декомпресію при мінімальному завантаженні центрального процесора(принаймні, за твердженням розробників). Ступінь стиснення, що забезпечується блоком OmniCE, варіюється від 4 до 8 залежно від необхідної швидкості відеопотоку.

Комп'ютерПрес 12"2001

Вступ

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

В результаті виконання курсової роботививчив літературу зі створення, принципу дії, технічні характеристикита застосування ПЗЗ-камер середнього ІЧ діапазону.

ПЗЗ. Фізичний принцип роботи ПЗЗ. ПЗЗ-матриця

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

Малюнок 1 - Структура ПЗЗ

Основні функціональні призначення фоточутливих ПЗЗ - перетворення оптичних зображеньу послідовність електричних імпульсів (формування відеосигналу), а також зберігання та обробка цифрової та аналогової інформації.

ПЗЗ виготовляють на основі монокристалічного кремнію. Для цього на поверхні кремнієвої пластини методом термічного окиснення створюється тонка (0,1-0,15 мкм) діелектрична плівка діоксиду кремнію. Цей процес здійснюється таким чином, щоб забезпечити досконалість межі розділу напівпровідник – діелектрик та мінімізувати концентрацію рекомбінацій центрів на кордоні. Електроди окремих МДП-елементів виробляються з алюмінію, їхня довжина становить 3-7 мкм, зазор між електродами 0,2-3 мкм. Типове число МДП-елементів 500-2000 в лінійному та матричному ПЗЗ; площа пластини Під крайніми електродами кожного рядка виготовляють p-n - переходи, призначені для введення - виведення порції зарядів (зарядових пакетів) електрич. способом (інжекція p-n-переходом). При фотоелектрич. введення зарядових пакетів ПЗЗ висвітлюють з фронтальної або тильної сторони. При фронтальному освітленні, щоб уникнути затіняючої дії електродів алюміній, зазвичай замінюють плівками сильнолегованого полікристалічного кремнію (полікремнію), прозорого у видимій та ближній ІЧ-областях спектру.

Принцип роботи ПЗС

Загальний принцип роботи ПЗЗ ось у чому. Якщо до будь-якого металевого електрода ПЗС прикласти негативну напругу, то під дією електричного поля електрони, що є основними носіями в підкладці, йдуть від поверхні вглиб напівпровідника. У поверхні ж утворюється збіднена область, яка на енергетичній діаграмі є потенційною ямкою для неосновних носіїв - дірок. Які попадають у цю область дірки притягуються до межі розділу діелектрик - напівпровідник і локалізуються у вузькому приповерхневому шарі.

Якщо тепер до сусіднього електрода прикласти негативну напругу більшої амплітуди, то утворюється глибша потенційна яма та дірки переходять до неї. Прикладаючи до різних електродів ПЗЗ необхідні керуючі напруги, можна забезпечити як зберігання зарядів у тих чи інших поверхневих областях, так і спрямоване переміщення зарядів вздовж поверхні (від структури до структури). Введення зарядового пакета (запис) може здійснюватися або p-n-переходом, розташованим, наприклад, поблизу крайнього ПЗЗ елемента, або світлогенерацією. Виведення заряду із системи (зчитування) найпростіше також здійснити за допомогою p-n-переходу. Таким чином, ПЗС є пристрій, в якому зовнішня інформація(електричні або світлові сигнали) перетворюється на зарядові пакети рухомих носіїв, які певним чином розміщуються в приповерхневих областях, а обробка інформації здійснюється керованим переміщенням цих пакетів уздовж поверхні. Очевидно, що на основі ПЗЗ можна будувати цифрові та аналогові системи. Для цифрових систем важливий лише факт наявності або відсутності заряду дірок у тому чи іншому елементі ПЗЗ, при аналоговій обробці мають справу з величинами зарядів, що переміщуються.

Якщо на багатоелементний або матричний ПЗЗ направити світловий потік, що несе зображення, то обсяг напівпровідника почнеться фотогенерація електронно-діркових пар. Потрапляючи в збіднену область ПЗЗ, носії поділяються і в потенційних ямах накопичуються дірки (причому величина заряду, що накопичується, пропорційна локальній освітленості). Після закінчення деякого часу (порядку кількох мілісекунд), достатнього для сприйняття зображення, у матриці ПЗЗ зберігатиметься картина зарядових пакетів, що відповідає розподілу освітленостей. При включенні тактових імпульсів зарядові пакети переміщатимуться до вихідного пристрою зчитування, що перетворює в електричні сигнали. В результаті на виході вийде послідовність імпульсів з різною амплітудою, що обгинає, яких дає відеосигнал.

Принцип дії ПЗЗ на прикладі фрагмента рядка ФПЗС, керованої тритактовою (трьохфазною) схемою, ілюструється на малюнку 2. Протягом такту I (сприйняття, накопичення та зберігання відеоінформації) до електродів 1, 4, 7 прикладається т.з. напруга зберігання Uxp, що відтісняє основні носії - дірки у 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) приповерхневому шарі під електродами 1, 4,7, утворюючи зарядні сигнальні пакети.

зарядний зв'язок камера інфрачервоний

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

Величина заряду в кожному пакеті пропорційна експозиції поверхні поблизу електрода. У добре сформованих МДП-структурах заряди поблизу електродів можуть відносно довго зберігатися, проте поступово внаслідок генерації носіїв заряду домішковими центрами, дефектами в обсязі або на межі 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 висока, ніж напруга зберігання. Тому під електродами 2, 5 і 8 виникають глибші потенці. 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 та електрони перетікають у сусідні, глибші потенційні ями.

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

Т. о. здійснюється перенесення всіх зарядових пакетів уздовж рядка ПЗЗ праворуч на один крок, що дорівнює відстані між сусідніми електродами.

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

Повторюючи процес комутації напруг багаторазово, виводять через крайній r-h-перехід послідовно всі зарядові пакети, збуджені, наприклад, світлом у рядку. При цьому у вихідному ланцюзі виникають імпульси напруги, пропорційні величині заряду даного пакета. Картина освітленості трансформується в поверхневий зарядовий рельєф, який після просування вздовж усього рядка перетворюється на послідовність електричних імпульсів. Чим більше число елементів у рядку або матриці (число 1 - ІЧ приймачі; 2 - буферні елементи; 3 - ПЗЗ відбувається неповна передача зарядового пакета від одного електрода до сусіднього і посилюються обумовлені цим спотворенням інформації. Щоб уникнути спотворень накопиченого відеосигналу через триває у час переносу освітлення, на кристалі ФПЗС створюють просторово розділені області сприйняття - накопичення та зберігання - зчитування, причому у перших забезпечують максимальну фоточутливість, а другі, навпаки, екранують від світла. 1 за один цикл, передаються в регістр 2 (з парних елементів) і в регістр 3 (з непарних). ФПЗЗ з кадровим переносом (рисунок 3) інформація, сприйнята матрицею накопичення 7, швидко "скидається" в матрицю зберігання 2, з якої послідовно ьно зчитується ПЗЗ-регістром 3; у цей час матриця 1 накопичує новий кадр.

Малюнок 3 - накопичення та зчитування інформації в лінійному (a), матричному (б) фоточутливому приладі із зарядовим зв'язком та в приладі із зарядовою інжекцією.

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

Рисунок 4 - Різновиди приладів із зарядним зв'язком з поверхневим та об'ємним каналами.

Для сприйняття кольорових зображень використовують один із двох способів: поділ оптичного потоку за допомогою призми на червоний, зелений, синій, сприйняття кожного з них спеціальним ФПЗС – кристалом, змішування імпульсів від усіх трьох кристалів у єдиний відеосигнал; створення на поверхні ФПЗС плівкового штрихового або мозаїчного світлофільтра, що кодує, утворює растр з різнокольорових тріад.

В останні роки в навколокомп'ютерній (і не тільки) пресі досить часто зустрічаються захоплені огляди, присвячені черговому "технологічному диву, покликаному революційним чином вплинути на майбутнє цифрової фотографії" - це узагальнений варіант фрази, в тій чи іншій формі, що зустрічається в кожній із подібних статей. . Але що характерно- всього рік початковий ажіотаж поступово сходить на «ні», а більшість виробників цифрової фототехніки замість «передової розробки» вважають за краще використовувати перевірені рішення.

Ризикну припустити, що причина такого розвитку подій досить проста – достатньо звернути увагу на «геніальну простоту» того чи іншого рішення. Насправді, дозволу матриці недостатньо? А давайте пікселі не стовпцями та рядками, а діагональними лініями розташовувати, а потім «повернемо» програмним шляхом «картинку» на 45 градусів - ось у нас дозвіл відразу вдвічі зросте! Неважливо, що таким чином підвищується чіткість тільки вертикальних і горизонтальних ліній, а похилі і криві (з яких і складається реальне зображення) залишаються без змін. Головне, що ефект спостерігається, отже, і голосно заявити про це можна.

На жаль, сучасний користувач«розпещений мегапікселями». Йому невтямки, що кожного разу при збільшенні дозволу розробникам «класичних» ПЗС-матриць доводиться вирішувати найскладніше завдання щодо забезпечення прийнятного динамічного діапазону та чутливості сенсора. А ось «рішення» на кшталт переходу з прямокутної на октагональну форму пікселів рядовому фотоаматору здаються цілком зрозумілими та обґрунтованими, адже про це так доступно написано в рекламних буклетах.

Мета цієї статті - спробувати на найпростішому рівні пояснити, від чого залежить якість зображення, що отримується на виході з ПЗЗ-матриці. При цьому від якості оптики цілком спокійно можна абстрагуватися; поява вже другої за рахунком «дзеркалки» вартістю менше 1000 доларів (Nikon D 70) дозволяє сподіватися, що подальше зростання дозволу сенсорів для камер є прийнятним. цінової категоріїне обмежуватиметься «мильничними» об'єктивами.

Внутрішній фотоефект

Отже, сформоване об'єктивом зображення потрапляє на ПЗЗ-матрицю, тобто промені світла падають на світлочутливу поверхню ПЗЗ-елементів, завдання яких - перетворити енергію фотонів на електричний заряд. Відбувається це приблизно в такий спосіб.

Для фотона, що впав на ПЗС-елемент, є три варіанти розвитку подій-він або «зрикошетує» від поверхні, або буде поглинений у товщі напівпровідника (матеріалу матриці), або «проб'є наскрізь» її «робочу зону». Очевидно, що від розробників потрібно створити такий сенсор, у якому втрати від «рикошету» та «прострілу навиліт» було б мінімізовано. Ті ж фотони, які були поглинені матрицею, утворюють пару електрон-дірка, якщо відбулася взаємодія з атомом кристалічної решітки напівпровідника, або тільки фотон (або дірку), якщо взаємодія була з атомами донорних або акцепторних домішок, а обидва перераховані явища називаються внутрішнім фотоефектом. Зрозуміло, внутрішнім фотоефектом робота сенсора не обмежується- необхідно зберегти «відібрані» у напівпровідника носії заряду в спеціальному сховищі, а потім їх рахувати.

Елемент ПЗЗ-матриці

У загальному вигляді конструкція ПЗС-елемента виглядає так: кремнієва підкладка p-типу оснащується каналами з напівпровідника n-типу. Над каналами створюються електроди з полікристалічного кремнію з ізолюючим прошарком з оксиду кремнію. Після подачі на такий електрод електричного потенціалу в збідненій зоні під каналом n-типу створюється потенційна яма, Призначення якої-зберігати електрони. Фотон, що проникає в кремній, призводить до генерації електрона, який притягується потенційною ямою та залишається в ній. Більшість фотонів (яскраве світло) забезпечує більший заряд ями. Потім треба вважати значення цього заряду, що називається також фотострумом, і посилити його.

Зчитування фотострумів ПЗЗ-елементів здійснюється так званими послідовними регістрами зсуву, які перетворюють рядок зарядів на вході серії імпульсів на виході. Дана серія є аналоговим сигналом, який надалі надходить на підсилювач.

Таким чином, за допомогою регістру можна перетворити на аналоговий сигнал заряди рядки з ПЗЗ-елементів. Фактично, послідовний регістр зсуву в ПЗЗ-матрицях реалізується за допомогою тих же ПЗЗ-елементів, об'єднаних у рядок. Робота такого пристрою базується на можливості приладів із зарядовим зв'язком(саме це означає абревіатура ПЗЗ) обмінюватися зарядами своїх потенційних ям. Обмін здійснюється завдяки наявності спеціальних електродів перенесення(transfer gate), розташованих між сусідніми ПЗЗ-елементами. При подачі на найближчий електрод підвищеного потенціалу заряд перетікає під нього з потенційної ями. Між ПЗЗ-елементами можуть розташовуватися від двох до чотирьох електродів переносу, від їхньої кількості залежить «фазність» регістру зсуву, який може називатися двофазним, трифазним або чотирифазним.

Подача потенціалів на електроди переносу синхронізована в такий спосіб, що переміщення зарядів потенційних ям всіх ПЗЗ-елементів регістру відбувається одночасно. І за один цикл перенесення ПЗС-елементи як би «передають по ланцюжку» заряди зліва направо (або справа наліво). Ну а ПЗС-елемент, що виявився «крайнім», віддає свій заряд пристрою, розташованому на виході реєстра-тобто підсилювачу.

В цілому, послідовний регістр зсуву є пристроєм з паралельним входом та послідовним виходом. Тому після зчитування всіх набоїв з регістру є можливість подати на його вхід новий рядок, потім наступний і таким чином сформувати безперервний аналоговий сигнал на основі двовимірного масиву фотострумів. У свою чергу, вхідний паралельний потік для послідовного регістру зсуву (тобто рядки двовимірного масиву фотострумів) забезпечується сукупністю вертикально орієнтованих послідовних регістрів зсуву, яка називається паралельним регістром зсуву, А вся конструкція в цілому якраз і є пристроєм, що називається ПЗЗ-матрицею.

«Вертикальні» послідовні регістри зсуву, що становлять паралельний, називаються стовпцями ПЗЗ-матриці, які робота повністю синхронізована. Двовимірний масив фотострумів ПЗЗ-матриці одночасно зміщується вниз на один рядок, причому відбувається це тільки після того, як заряди попереднього рядка з розташованого "в самому низу" послідовного регістру зсуву пішли на підсилювач. До звільнення послідовного регістру паралельний вимушений простоювати. Ну а сама ПЗЗ-матриця для нормальної роботи обов'язково повинна бути підключена до мікросхеми (або їх набору), що подає потенціали на електроди як послідовного, так і паралельного зсуву регістрів, а також синхронізує роботу обох регістрів. Крім того, потрібний тактовий генератор.

Повнокадрова матриця

Цей тип сенсора є найпростішим з конструктивної точки зору і називається повнокадровій ПЗЗ-матрицею(Full-frame CCD - matrix). Крім мікросхем «обв'язування», такий тип матриць потребує також механічного затвора, що перекриває світловий потік після закінчення експонування. До повного закриття затвора зчитування зарядів починати не можна-при робочому циклі паралельного регістру зсуву до фотоструму кожного з його пікселів додадуться зайві електрони, спричинені попаданням фотонів на відкриту поверхню ПЗС-матриці. Дане явище називається «розмазуванням» заряду у повнокадровій матриці(Full - frame matrix smear).

Таким чином, швидкість зчитування кадруу такій схемі обмежена швидкістю роботи як паралельного, так і послідовного регістрів зсуву. Також очевидно, що необхідно перекривати світловий потік, що йде з об'єктива, до завершення процесу зчитування, тому інтервал між експонуваннямтеж залежить від швидкості зчитування.

Існує вдосконалений варіант повнокадрової матриці, в якому заряди паралельного регістру не надходять рядково на вхід послідовного, а складуються в буферному паралельному регістрі. Цей регістр розташований під основним паралельним регістром зсуву, фотоструми рядково переміщуються в буферний регістр і вже з нього надходять на вхід послідовного регістру зсуву. Поверхня буферного регістру покрита непрозорою (частіше металевою) панеллю, а вся система отримала назву матриці з буферизацією кадру(frame - transfer CCD).

Матриця з буферизацією кадру

У цій схемі потенційні ями основного паралельного регістру зсуву «порожняються» помітно швидше, тому що при перенесенні рядків у буфер немає необхідності для кожного рядка чекати на повний цикл послідовного регістру. Тому інтервал між експонуванням скорочується, правда при цьому також падає швидкість зчитування-рядку доводиться «подорожувати» на вдвічі більшу відстань. Таким чином, інтервал між експонуванням скорочується тільки для двох кадрів, хоча вартість пристрою за рахунок буферного регістру помітно зростає. Однак найбільш помітним недоліком матриць з буферизацією кадру є «маршрут» фотострумів, що подовжився, який негативно позначається на збереженні їх величин. І в будь-якому разі між кадрами повинен спрацьовувати механічний затвор, так що про безперервний відеосигнал говорити не доводиться.

Матриці з буферизацією стовпців

Спеціально для відеотехніки був розроблений новий тип матриць, в якому інтервал між експонуванням був мінімізований не для кількох кадрів, а для безперервного потоку. Зрозуміло, задля забезпечення цієї безперервності довелося передбачити відмову від механічного затвора.

Фактично ця схема, що отримала назву матриці з буферизацією стовпців(interline CCD -matrix), у чомусь подібна до систем з буферизацією кадру; в ній також використовується буферний паралельний регістр зсуву, ПЗЗ-елементи якого приховані під непрозорим покриттям. Однак цей буфер не розташовується єдиним блоком під основним паралельним регістром- його стовпці «перетасовані» між стовпцями основного регістру. В результаті поряд з кожним стовпцем основного регістру знаходиться стовпець буфера, а відразу ж після експонування фотоструми переміщуються не «зверху вниз», а «зліва направо» (або «справа наліво») і всього за один робочий цикл потрапляють у буферний регістр, цілком і повністю звільняючи потенційні ями для наступного експонування.

Потрапили в буферний регістр заряди звичайному зчитуються через послідовний регістр зсуву, тобто «згори вниз». Оскільки скидання фотострумів у буферний регістр відбувається всього за один цикл, навіть за відсутності механічного затвора немає нічого схожого на «розмазування» заряду в повнокадровій матриці. А ось час експонування для кожного кадру здебільшого за тривалістю відповідає інтервалу, що витрачається на повне зчитування буферного паралельного регістру. Завдяки цьому з'являється можливість створити відеосигнал з високою частотою кадрів - не менше 30кад секунду.

Матриця з буферизацією стовпців

Найчастіше у вітчизняній літературі матриці з буферизацією стовпців помилково називають «черезстроковими». Викликано це, напевно, тим, що англійські найменування «interline» (буферизація рядків) та «interlaced» (черезрядкова розгортка) звучать дуже схоже. Насправді ж при зчитуванні за один такт всіх рядків можна говорити про матрицю з прогресивною розгорткою(progressive scan), а коли за перший такт зчитуються непарні рядки, а за другий-парні (або навпаки), мова йде про матриці з черезрядковою розгорткою(Interlace Scan).

Хоча фотоструми основного паралельного регістру зсуву відразу ж потрапляють у буферний регістр, який не піддається «фотонному бомбардуванню», "розмазування" заряду в матрицях з буферизацією стовпців(smear) також відбувається. Викликано це частковим перетіканням електронів з потенційної ями «світлочутливого» ПЗЗ-елемента в потенційну яму «буферного», особливо часто це відбувається за близьких до максимального рівня заряду, коли освітленість пікселя дуже висока. В результаті на знімку вгору і вниз від цієї яскравої точки простягається світла смуга, що псує кадр. Для боротьби з цим неприємним ефектом при проектуванні сенсора «світлочутливий» і буферний стовпці розташовують на більшій дистанції один від одного. Зрозуміло, це ускладнює обмін зарядом, а також збільшує часовий інтервал даної операції, проте шкода, що завдає зображенню «розмазування», не залишає розробникам вибору.

Як було зазначено раніше, для забезпечення відеосигналу необхідно, щоб сенсор не вимагав перекриття світлового потоку між експозиціями, так як механічний затвор в таких умовах роботи (близько 30 спрацьовувань в секунду) може швидко вийти з ладу. На щастя, завдяки буферним рядкам можна реалізувати електронний затвор, який, по-перше, дозволяє за необхідності обійтися без механічного затвора, а по-друге, забезпечує надмалі (до 1/10000 секунд) значення витримки, особливо критичні для зйомки швидкоплинних процесів (спорт, природа тощо). Однак електронний затвор вимагає також, щоб матриця мала систему надмірного заряду потенційної ями, втім, про все буде розказано по порядку.

За все доводиться платити, і за можливість сформувати відеосигнал теж. Буферні регістри зсуву «з'їдають» значну частину площі матриці, у результаті кожному пікселю дістається лише 30% світлочутливої ​​області від його загальної поверхні, тоді як пікселя повнокадрової матриці ця область становить 70%. Саме тому в більшості сучасних ПЗС_матриц поверх кожного піксела розташовується мікролінза. Такий найпростіший оптичний пристрій покриває велику частину площі ПЗС-елемента і збирає всю частину фотонів, що падає на цю частину, в концентрований світловий потік, який, у свою чергу, спрямований на досить компактну світлочутливу область піксела.

Мікролінзи

Оскільки за допомогою мікролінз вдається набагато ефективніше реєструвати світловий потік, що падає на сенсор, згодом цими пристроями стали постачати не тільки системи з буферизацією стовпців, але і повнокадрові матриці. Втім, мікролінзи також не можна назвати «рішенням без недоліків».

Будучи оптичним пристроєм, мікролінзи тією чи іншою мірою спотворюють реєстроване зображення найчастіше це виявляється у втраті чіткості у найдрібніших деталей кадру; їх краї стають злегка розмитими. З іншого боку, таке нерізке зображення аж ніяк не завжди небажано - у ряді випадків зображення, яке формується об'єктивом, містить лінії, розмір і частота розміщення яких близькі до габаритів ПЗС-елементу та міжпіксельної відстані матриці. У цьому випадку у кадрі часто спостерігається ступінчастість(aliasing)- призначення пікселя певного кольору, незалежно від цього, чи закритий він деталлю зображення цілком чи його частина. У результаті лінії об'єкта на знімку виходять рваними, із зубчастими краями. Для вирішення цієї проблеми в камерах із матрицями без мікролінз використовується дорогий фільтр захисту від накладання спектрів(anti-aliasing filter), а сенсор з мікролінзами такого фільтра не потребує. Втім, у будь-якому разі за це доводиться розплачуватися деяким зниженням роздільної здатності сенсора.

Якщо об'єкт зйомки освітлений недостатньо добре, рекомендується максимально відкрити діафрагму. Однак при цьому різко зростає відсоток променів, що падають на поверхню матриці під крутим кутом. Мікролінзи ж відсікають значну частку таких променів, тому ефективність поглинання світла матрицею (заради чого і відкривали діафрагму) сильно скорочується. Хоча треба зазначити, що падаючі під крутим кутом промені теж є джерелом проблем - входячи в кремній одного піксела, фотон з великою довжиною хвилі, що має високу проникаючу здатність, може поглинутися матеріалом іншого елемента матриці, що призведе до спотворення зображення. Для вирішення цієї проблеми поверхня матриці покривається непрозорою (наприклад, металевою) «решіткою», у вирізах якої залишаються лише світлочутливі зони пікселів.

Історично склалося так, що повнокадрові рецептори використовуються в основному в студійній техніці, а матриці з буферизацією стовпців - в аматорській. У професійних камерах зустрічаються рецептори обох типів.

У класичній схемі ПЗЗ-елемента, при якій використовуються електроди з полікристалічного кремнію, чутливість обмежена через часткове розсіювання світла поверхнею електрода. Тому при зйомці в особливих умовах, що вимагають підвищеної чутливості в синій та ультрафіолетовій областях спектру, застосовуються матриці зі зворотним засвіченням (back-illuminated matrix). У сенсорах такого типу реєструється світло падає на підкладку, а щоб забезпечити необхідний внутрішній фотоефект, підкладка шліфувалася до товщини 10-15 мікрометрів. Дана стадія обробки сильно подорожчала вартість матриці, крім того, пристрої виходили дуже крихкими і вимагали підвищеної обережності при складанні та експлуатації.

Матриця із зворотним засвіченням

Очевидно, що при використанні світлофільтрів, що послаблюють світловий потік, всі дорогі операції зі збільшення чутливості втрачають сенс, тому матриці зі зворотним засвіченням застосовуються здебільшого в астрономічній фотографії.

Чутливість

Однією з найважливіших характеристик реєструючого пристрою, будь то фотоплівка або ПЗС-матриця, є чутливість- Здатність певним чином реагувати на оптичне випромінювання. Чим вище чутливість, тим менше світла потрібне для реакції реєструючого пристрою. Для позначення чутливості застосовувалися різні величини (DIN, ASA), проте зрештою прижилася практика позначати цей параметр в одиницях ISO (International Standards Organization – Міжнародна організація стандартів).

Для окремого ПЗЗ-елемента під реакцією світ слід розуміти генерацію заряду. Очевидно, що чутливість ПЗЗ-матриці складається з чутливості всіх її пікселів і в цілому залежить від двох параметрів.

Перший параметр - інтегральна чутливість, що є відношенням величини фотоструму (в міліамперах) до світлового потоку (в люменах) від джерела випромінювання, спектральний склад якого відповідає вольфрамової лампи розжарювання. Цей параметр дозволяє оцінити чутливість сенсора загалом.

Другий параметр - монохроматична чутливість, тобто відношення величини фотоструму (у міліамперах) до величини світлової енергії випромінювання (у міліелектронвольтах), що відповідає певній довжині хвилі. Набір всіх значень монохроматичної чутливості для частини спектру, що цікавить, становить спектральну чутливість- Залежність чутливості від довжини хвилі світла. Таким чином, спектральна чутливість показує можливості сенсора реєстрації відтінків певного кольору.

Зрозуміло, що одиниці виміру як інтегральної, і монохромної чутливості відрізняються від популярних у фототехніці позначень. Саме тому виробники цифрової фототехніки у характеристиках виробу вказують еквівалентну чутливістьПЗЗ-матриці в одиницях ISO. А для того, щоб визначити еквівалентну чутливість, виробнику достатньо знати освітленість об'єкта зйомки, діафрагму та витримку, та використовувати пару формул. Згідно з першою, експозиційне число обчислюється як log 2 (L * S / C), де L – освітленість, S – чутливість, а C – експонометрична константа. Друга формула визначає експозиційне число рівним 2 * log 2 K - log 2 t., де K - діафрагмове число, а t -витримка. Неважко вивести формулу, що дозволяє при відомих L, C, K і t обчислити, чому дорівнює S.

Чутливість матриці є інтегральною величиною, яка залежить від чутливості кожного ПЗЗ-елемента. Ну а чутливість піксела матриці залежить, по-перше, від «підставленої під дощ фотонів» площі світлочутливої ​​області(fill factor), а по-друге, від квантової ефективності(quantum efficiency), тобто відношення числа зареєстрованих електронів до впалих на поверхню сенсора фотонів.

На квантову ефективність впливає ряд інших параметрів. По-перше, це коефіцієнт відбиття- величина, що відображає частку тих фотонів, які відрикошетують від поверхні сенсора. У разі зростання коефіцієнта відображення частка фотонів, що беруть участь у внутрішньому фотоефекті, зменшується.

Не відбиті від поверхні сенсора фотони поглинуться, утворюючи носії заряду, проте частина з них «застрягне» біля поверхні, а частина проникне надто глибоко в матеріал ПЗЗ-елемента. Очевидно, що в обох випадках вони не беруть жодної участі у процесі формування фотоструму. «Проникаюча здатність» фотонів у напівпровідник, що називається коефіцієнтом поглинання, Залежить як від матеріалу напівпровідника, так і від довжини хвилі падаючого світла - «довгохвильові» частинки проникають набагато глибше «короткохвильових». Розробляючи ПЗЗ-елемент, необхідно для фотонів з довжиною хвилі, що відповідає видимому випромінюванню, досягти такого коефіцієнта поглинання, щоб внутрішній фотоефект відбувався поблизу потенційної ями, підвищуючи тим самим шанс для електрона потрапити до неї.

Нерідко замість квантової ефективності використовують термін «Квантовий вихід»(quantum yield), але насправді цей параметр відображає кількість носіїв заряду, що вивільняються при поглинанні одного фотона. Зрозуміло, при внутрішньому фотоефекті основна маса носіїв заряду все ж таки потрапляє в потенційну яму ПЗС-елемента, проте певна частина електронів (або дірок) уникає «пастки». У чисельнику формули, що описує квантову ефективність, виявляється саме кількість носіїв заряду, яке потрапило в потенційну яму.

Важливою характеристикою ПЗЗ-матриці є поріг чутливості- параметр реєструючого світло пристрою, що характеризує мінімальну величину світлового сигналу, що може бути зареєстрований. Що менше цей сигнал, то вище поріг чутливості. Головним фактором, що обмежує поріг чутливості, є темновий струм(Dark current). Він є наслідком термоелектронної емісії та виникає у ПЗЗ-елементі при подачі потенціалу на електрод, під яким формується потенційна яма. «Темновим» цей струм називається тому, що складається з електронів, що потрапили в яму при повній відсутності світлового потоку. Якщо світловий потік слабкий, то величина фотоструму близька, а часом і менша, ніж величина темнового струму.

Існує залежність темнового струму від температури сенсора; при нагріванні матриці на 9 градусів за Цельсієм її темновий струм зростає вдвічі. Для охолодження матриці використовуються різні системи тепловідведення (охолодження). У польових камерах, масогабаритні характеристики яких обмежують застосування систем охолодження, іноді в якості теплообмінника використовується металевий корпус камери. У студійній техніці обмежень за масою та габаритами практично немає, більше того, допускається досить високе енергоспоживання системи охолодження, які, у свою чергу, діляться на пасивні та активні.

Пасивні системи охолодженнязабезпечують лише "скидання" надлишкового тепла охолоджуваного пристрою в атмосферу. При цьому система охолодження грає роль максимум провідника тепла, що забезпечує ефективніше його розсіювання. Очевидно, що температура пристрою, що охолоджується, не може стати нижче, ніж температура навколишнього повітря, в чому і полягає основний недолік пасивних систем.

Найпростішим прикладом системи пасивного теплообміну є радіатор(heatsink), що виготовляється з матеріалу з гарною теплопровідністю, найчастіше - з металу. Поверхня, що контактує з атмосферою, має форму, що забезпечує якомога більшу площу розсіювання. Загальновизнано максимальну площу розсіювання мають голчасті радіатори, що формою нагадують «їжака», утиканого розсіюючими тепло «голками». Нерідко для форсування теплообміну поверхня радіатора обдувається. мікровентилятором-схожі пристрої, звані кулерами(cooler, від слова cool-охолоджувати), у персональних комп'ютерах охолоджують процесор. На підставі того, що мікровентилятор споживає електроенергію, що використовують його системи називаються «активними», що абсолютно неправильно, так як кулери не можуть охолодити пристрій до температури меншої, ніж атмосферна. При високій температурі навколишнього повітря (40 градусів і вище) ефективність пасивних систем охолодження починає падати.

Активні системи охолодженняза рахунок електричних або хімічних процесів забезпечують влаштуванню температуру нижче за навколишнє повітря. Фактично, активні системи «виробляють холод», правда, при цьому в атмосферу виділяється як тепло пристрою, що охолоджується, так і тепло системи охолодження. Класичним прикладом активного охолоджувача є звичайний холодильник. Втім, незважаючи на досить високий ККД, його масогабаритні характеристики є неприйнятними навіть для студійної фототехніки. Тому її активне охолодження забезпечується системами Пельтьє, робота яких заснована на використанні однойменного ефекту, коли за наявності різниці потенціалів на кінцях двох провідників, виготовлених з різних матеріалів, на стику цих провідників (залежно від полярності напруги) виділятиметься, або поглинатиметься теплова енергія. Причиною цього є прискорення або уповільнення електронів за рахунок внутрішньої контактної різниці потенціалів стику провідників.

При використанні комбінації напівпровідників n-типу та p-типу, в яких теплопоглинання проводиться за рахунок взаємодії електронів та «дірок», виникає максимальний теплопровідний ефект. Для його посилення можна застосувати каскадне об'єднання елементів Пельтьє, причому, оскільки відбувається як поглинання тепла, так і виділення, елементи необхідно комбінувати так, щоб одна сторона охолоджувача була гарячою, а інша-холодною. В результаті каскадного комбінування температура гарячої сторони найбільш віддаленого від матриці елемента Пельтьє значно вище, ніж у навколишнього повітря, а його тепло розсіюється в атмосфері за допомогою пасивних пристроїв, тобто радіаторів і кулерів.

Активні системи охолодження, що використовують ефект Пельтьє, можуть знизити температуру сенсора аж до нуля градусів, кардинально знижуючи рівень темнового струму. Однак надмірне охолодження ПЗЗ-матриці загрожує випаданням конденсату вологи з навколишнього повітря та коротким замиканням електроніки. А часом гранична різниця температур між охолоджуваною і світлочутливою площинами матриці може призвести до її неприпустимої деформації.

Однак ні радіатори, ні кулери, ні елементи Пельтьє не застосовні до польових камер, обмежених за вагою та габаритами. Натомість для такої техніки використовується метод, заснований на так званих чорних пікселів(dark reference pixels). Ці пікселі є покриті непрозорим матеріалом стовпці і рядки по краях матриці. Усереднене значення для всіх фотострумів чорних пікселів вважається рівнем темнового струму. Очевидно, що за різних умов експлуатації (температура навколишнього середовища та самої камери, струм акумуляторів тощо), рівень темнового струму буде різним. При використанні його як «точки відліку» для кожного пікселя, тобто віднімаючи його значення з фотоструму, можна визначити, який саме заряд створений фотонами, що впали на ПЗС-елемент.

Пригнічуючи тим чи іншим способом темний струм, слід пам'ятати про інший фактор, що обмежує поріг чутливості. Їм є тепловий шум(thermal noise), створюваний навіть за відсутності потенціалу на електродах лише хаотичним рухом електронів по ПЗС-элементу. Витримки великої тривалості ведуть до поступового накопичення блукають електронів у потенційній ямі, що спотворює справжнє значення фотоструму. І чим «довша» витримка, тим більше електронів, що «заблукали» в ямі.

Як відомо, світлочутливість плівки в межах однієї касети залишається постійною, тобто не може змінюватися від кадру до кадру. А ось цифрова камера дозволяє для кожного знімка встановлювати оптимальне значення еквівалентної чутливості. Досягається це за допомогою посилення відеосигналу, що виходить з матриці; в чомусь така процедура, звана «Підвищенням еквівалентної чутливості», нагадує обертання регулятора гучності плеєра.

Таким чином, при слабкому освітленні перед користувачем встає дилема або підвищувати еквівалентну чутливість, або збільшувати витримку. При цьому в обох випадках не уникнути псування кадру шумом фіксованого розподілу. Щоправда, досвід показує, що з «довгої» витримці знімок псується негаразд, як із посиленні сигналу матриці. Однак велика тривалість експонування загрожує іншою проблемою-користувач може «здерти» кадр. Тому, якщо користуватись планує часту зйомку в приміщенні, то йому слід вибирати фотоапарат з високим світлосилою об'єктива, а також потужним та «інтелектуальним» спалахом.

Динамічний діапазон

Від матриці потрібна здатність реєструвати світло як при яскравому сонці, так і при слабкому освітленні. Тому потенційні ями матриці повинні бути дуже ємними, а також вміти як утримувати мінімальну кількість електронів при слабкому освітленні, так і вміщувати великий заряд, що отримується при попаданні на сенсор потужного світлового потоку. Та й зображення, яке формується об'єктивом, найчастіше складається як з яскраво освітлених ділянок, так і з глибоких тіней, а сенсор повинен уміти реєструвати всі їхні відтінки.

Можливість сенсора формувати хороший знімок при різній освітленості та високій контрастності визначається параметром «динамічний діапазон», Що характеризує здатність матриці розрізняти в зображенні, проектується на її реєструючу поверхню, найтемніші тони від найсвітліших. При розширенні динамічного діапазону кількість відтінків знімка збільшуватиметься, а переходи між ними максимально відповідатимуть зображенню, яке формується об'єктивом.

Вплив динамічного діапазону на якість кадру (А – широкий динамічний діапазон, Б – вузький динамічний діапазон)

Характеристика, що описує здатність ПЗЗ-елемента накопичити певну величину, називається «глибиною потенційної ями»(well depth), і від неї залежить динамічний діапазон матриці. Вочевидь, при зйомці за умов слабкого освітлення на динамічний діапазон впливає також поріг чутливості, який, своєю чергою, визначається величиною темнового струму.

Очевидно, що втрати електронів, що становлять фотоструми, відбуваються не тільки в процесі накопичення заряду потенційної ями, але і при його транспортуванні до виходу матриці. Втрати ці спричинені дрейфом електронів, що «відірвалися» від основного заряду при його перетіканні під наступний електрод перенесення. Чим менше кількість «електронів, що відірвалися», тим вище ефективність перенесення заряду(Charge transfer efficiency). Цей параметр вимірюється у відсотках і показує частку заряду, що збереглася під час «переправи» між ПЗЗ-елементами.

Вплив ефективності перенесення можна продемонструвати на прикладі. Якщо для матриці 1024 X 1024 величина даного параметра складе 98%, то щоб визначити значення фотоструму центрального піксела на виході матриці необхідно 0,98 (обсяг заряду, що переноситься) звести в ступінь 1024 (кількість «переправ» між пікселами) і помножити на 100 (процент ). Результат абсолютно незадовільний - від вихідного заряду залишиться якихось 0.0000001%. Очевидно, що при зростанні дозволу вимоги до ефективності перенесення стають ще жорсткішими, оскільки кількість «переправ» зростає. Крім того, падає швидкість зчитування кадру, тому що нарощування швидкості перенесення (для компенсації дозволу, що збільшився) веде до неприйнятного зростання числа «електронів, що відірвалися».

Для того, щоб досягти прийнятних швидкостей зчитування кадру за високої ефективності перенесення заряду при конструюванні ПЗЗ-матриці планують «заглиблене» розміщення потенційних ям. Завдяки цьому електрони не так активно "прилипають" до електродів переносу, і саме для "глибокого залягання" потенційної ями в конструкцію ПЗЗ-елемента вводять n-канал.

Повертаючись до наведеного вище прикладу: якщо в даній матриці 1024 X 1024 ефективність переносу заряду складе 99.999 %, то на виході сенсора від фотоструму центрального заряду залишиться 98.98 % його початкової величини. Якщо розробляється матриця з більш високою роздільною здатністю, то потрібна ефективність перенесення заряду 99,99999%.

Блюмінг

У тих випадках, коли внутрішній фотоефект призводить до надмірної кількості електронів, що перевищує глибину потенційної ями, заряд ПЗС-елемента починає розтікатися по сусідніх пікселів. На знімках це явище, що називається «блюмінгом»(від англійського blooming - розмивання), відображається у вигляді плям білого кольору та правильної форми, і чим більше надлишкових електронів, тим більші плями.

Пригнічення блюмінгу здійснюється за допомогою системи електронного дренажу(overflow drain), основне завдання якої-відведення надлишкових електронів з потенційної ями. Найбільш відомі варіанти вертикального дренажу(Vertical Overflow Drain, VOD) та бічного дренажу(Lateral Overflow Drain, VOD).

У системі з вертикальним дренажем на підкладку матриці подається потенціал, значення якого підбирається так, щоб при переповненні глибини потенційної ями надлишкові електрони витікали з неї на підкладку і розсіювалися там. Мінусом такого варіанту є зменшення глибини потенційної ями та, відповідно, звуження динамічного діапазону ПЗЗ-елемента. Очевидно також, що дана система не застосовується в матрицях зі зворотним засвіченням.

Вертикальний електронний дренаж

Система з бічним дренажем використовує електроди, що перешкоджають проникненню електронів потенційної ями в дренажні канавки, з яких відбувається розсіювання надлишкового заряду. Потенціал цих електродах підбирається відповідно до бар'єром переповнення потенційної ями, у своїй її глибина не змінюється. Проте за рахунок електродів дренажу скорочується світлочутлива площа ПЗЗ-елемента, тому доводиться використовувати мікролінзи.

Бічний електронний дренаж

Звичайно, необхідність додавати в сенсор дренажні пристрої ускладнює його конструкцію, проте спотворення кадру, що вносяться блюмінгом, не можна ігнорувати. Та й електронний затвор неможливо реалізувати без дренажу; він грає роль «шторки» при надкоротких витримках, тривалість яких менша за інтервал, що витрачається на перенесення заряду з основного паралельного регістру зсуву в буферний паралельний регістр. "Шторка", тобто дренаж, запобігає проникненню в ями буферних ПЗС-елементів тих електронів, що утворилися в "світлочутливих" пікселах після того, як пройшов заданий (і дуже короткий) час експонування.

«Залиплі» пікселі

Через технологічні похибки в деяких ПЗС-елементах навіть найкоротша витримка веде до лавиноподібного накопичення електронів у потенційній ямі. На фото такі пікселі, іменовані «залиплими»(Stuck pixels), дуже сильно відрізняються від навколишніх точок як за кольором, так і по яскравості, причому, на відміну від фіксованого розподілу шуму, вони з'являються при будь-якій витримці і незалежно від нагріву матриці.

Видалення залиплих пікселів здійснюється за допомогою вбудованого програмного забезпеченнякамери, що забезпечує пошук дефектних ПЗЗ-елементів та запам'ятовування їх «координат» в енергонезалежній пам'яті. При формуванні зображення значення дефектних пікселів у розрахунок не беруться, їх замінюють інтерполіроване значення сусідніх точок. Щоб визначити дефектність пікселя в процесі пошуку, його заряд порівнюється з еталонним значенням, яке також зберігається в пам'яті енергонезалежної камери.

Розмір матриці по діагоналі

Іноді в ряді інших параметрів будь-якої цифрової камери вказується розмір ПЗЗ-матриці по діагоналі(найчастіше в частках дюйма). Насамперед ця величина пов'язана з характеристиками об'єктиву- чим більше габарити сенсора, тим більше має бути зображення, що формується оптикою. Щоб це зображення повністю накривало реєструючу поверхню матриці, розміри оптичних елементів доводиться збільшувати. Якщо цього не робити і створена об'єктивом «картинка» виявиться меншою за сенсор, то периферійні області матриці виявляться незатребуваними. Однак у ряді випадків виробники фотокамер не стали вказувати, що в їх моделях певна частка мегапікселів виявилася «не при справі».

А ось у цифрових «дзеркалках», створених на базі 35-міліметрової техніки, практично завжди зустрічається зворотна ситуація-зображення, яке формується об'єктивом, перекриває світлочутливу область матриці. Викликано це тим, що сенсори з габаритами кадру 35-міліметрової плівки дуже дорогі, а призводить до того, що частина зображення, що формується об'єктивом, виявляється буквально «за кадром». В результаті характеристики об'єктива зміщуються в "довгофокусну" область. Тому при виборі змінної оптики для цифрової дзеркалки слід враховувати коефіцієнт збільшення фокусної відстані- Як правило, він становить близько 1,5. Наприклад, при установці варіооб'єктива 28-70мм його робочий діапазон становитиме 42-105мм.

Згаданий коефіцієнт має як позитивний, так і негативний вплив. Зокрема, ускладнюється зйомка з великим кутом охоплення, що потребує короткофокусних об'єктивів. Оптика з фокусною відстанню 18мм і менше коштує дуже дорого, а в цифровій дзеркалці вона перетворюється на тривіальні 27мм. Втім, довгофокусні об'єктиви коштують теж дуже дорого, і за великої фокусної відстані, як правило, зменшується відносний отвір. А ось недорогий 200-міліметровий об'єктив при коефіцієнті 1,5 перетворюється на 300-міліметровий, при цьому у «справжньої» 300-міліметрової оптики діафрагма порядку f/5,6, у 200-міліметрової світлосила вище-f/4,5.

Крім того, для будь-якого об'єктива характерні такі аберації, як кривизна поля та дисторсія, що виражаються в розмитості та викривленні зображення у крайових областях кадру. Якщо габарити матриці менше, ніж розмір зображення, що формується об'єктивом, «проблемні області» просто не будуть зареєстровані сенсором.

Слід зазначити, що чутливість матриці пов'язана з габаритами її області, що реєструє. Чим більша світлочутлива площа кожного елемента, тим більше світла потрапляє на нього і тим частіше відбувається внутрішній фотоефект, таким чином, зростає чутливість всього сенсора. Крім того, піксел великих габаритів дозволяє створити потенційну яму «підвищеної місткості», що позитивно впливає на широту динамічного діапазону. Наочний приклад-матриці цифрових «дзеркалок», порівняні за габаритами з кадром 35-міліметрової плівки. Ці сенсори традиційно відрізняються чутливістю порядку ISO 6400 (!), А динамічний діапазон вимагає АЦП з розрядністю 10-12-біт.

У той же час матриці аматорських камер мають динамічний діапазон, для якого достатньо 8-10-бітного АЦП, а чутливість рідко перевищує ISO 800. Причиною тому особливості конструкції даної техніки. Справа в тому, що у компанії Sony дуже мало конкурентів щодо виробництва малогабаритних (1/3, 1/2 і 2/3 дюйма по діагоналі) сенсорів для аматорської техніки, а викликано це було грамотним підходом до розвитку модельного рядуматриць. При розробці чергового покоління матриць із роздільною здатністю «на мегапіксел більше» забезпечувалася майже повна сумісність із попередніми моделями сенсорів, причому як за габаритами, так і за інтерфейсом. Відповідно, проектувальникам фотоапаратів не доводилося «з нуля» розробляти об'єктив та «електронну начинку» камери.

Втім, зі збільшенням роздільної здатності буферний паралельний регістр зсуву захоплює все більшу частку площі сенсора, в результаті і світлочутлива область, і місткість потенційної ями скорочуються.

Зменшення світлочутливої ​​області ПЗЗ-матриці у разі зростання дозволу.

Тому за кожним «N+1 мегапікселом» криється копітка праця розробників-на жаль, не завжди успішна.

Аналого-цифровий перетворювач

Відеосигнал, що пройшов крізь підсилювач, необхідно перевести в зрозумілий мікропроцесор камери цифровий формат. Для цього використовується аналого-цифровий перетворювач, АЦП(analog to digital convertor, ADC)- пристрій, що перетворює аналоговий сигнал на послідовність цифр. Його головною характеристикою є розрядність, тобто кількість дискретних рівнів сигналу, що розпізнаються і кодуються. Щоб обчислити кількість рівнів, достатньо звести двійку в міру розрядності. Наприклад, «розрядність 8 біт» позначає, що перетворювач може визначити 2 у восьмому ступені рівнів сигналу і відобразити їх у вигляді 256 різних значень.

За великої розрядності АЦП можна (теоретично) досягти більшої глибини кольору(color depth), тобто розрядності обробки кольору, що описує максимальна кількістьколірних відтінків, яке можна відтворити. Глибина кольору зазвичай виявляється у бітах, а кількість відтінків обчислюється як і, як і кількість рівнів сигналу АЦП. Наприклад, при 24-бітній глибині кольору можна отримати 16777216 відтінків кольору.

Насправді ж глибина кольору для файлів у форматах JPEG або TIFF, які використовуються комп'ютером для обробки та зберігання зображень, обмежена 24 бітами (по 8 біт на кожен колірний канал- синій, червоний та зелений). Тому іноді використовувані АЦП з розрядністю 10, 12 і навіть 16 біт (тобто глибиною кольору 30, 36 і 48 біт) можна помилково порахувати «надлишковими». Однак динамічний діапазон матриці деяких моделей цифрової фототехніки є досить широким, і якщо фотоапарат обладнаний функцією збереження кадру в нестандартному форматі (30–48 біт), то при подальшій комп'ютерній обробці є можливість використовувати «зайві» біти. Як відомо, помилки у розрахунку експозиції за частотою прояви поступаються лише неточностям фокусування. І тому можливість компенсувати такі помилки за допомогою «нижніх» (у разі недотримки) або «верхніх» (при перетримці) біт виявляється дуже доречним. Ну а якщо експозиція розрахована без помилок, то «стиснути» без спотворень 30–48 біт у стандартні 24 не є особливо складним завданням.

Очевидно, що динамічний діапазон ПЗЗ-матриці повинен бути підставою для підвищення розрядності АЦП, так як при вузькому динамічному діапазоні АЦП з 10-12 бітами на канал нічого не буде розпізнавати. І найчастіше не можна назвати інакше, ніж рекламним трюком згадки «36-бітного» і навіть «48-бітного» кольору скромної «мильниці» з матрицею півдюйма по діагоналі, адже навіть 30-бітний колір вимагає, як мінімум, сенсор з діагоналлю. 3 дюйми.

Жорсткі диски