Quel est le temps d'exposition dans les matrices CCD ? CCD. Le principe physique du CCD. Matrice CCD. Distance focale et angle de vue

Les convertisseurs photovoltaïques à semi-conducteurs (TPVC) d'images sont des analogues des CRT de transmission.

Les TFEP remontent à 1970, avec les soi-disant CCD et sont formés sur la base de cellules individuelles, qui sont des condensateurs de structures MOS ou MOS. L'une des plaques d'un tel condensateur élémentaire est un film métallique M, la seconde est un substrat semi-conducteur P ( p- ou alors m-conductivité), l'isolant D est un semi-conducteur déposé sous forme d'une couche mince sur le substrat P. Comme le substrat P, du silicium dopé avec un accepteur ( p-type) ou donneur ( m-type) impureté, et comme D - oxyde de silicium SiO 2 (voir la figure 8.8).

Figure. 8.8. condensateur MOS

Figure. 8.9. Charges en mouvement sous l'action d'un champ électrique

Figure. 8.10. Le principe de fonctionnement d'un système CCD triphasé

Figure. 8.11. Mouvement de charge dans un système CCD biphasé

Lorsqu'une tension est appliquée à une électrode métallique, une "poche" ou un puits de potentiel se forme sous celle-ci, dans laquelle les porteurs minoritaires (dans notre cas, les électrons) peuvent "s'accumuler", et les porteurs majoritaires, les trous, se repousseront de M. A une certaine distance de la surface, la concentration de porteurs minoritaires peut être supérieure à la concentration de porteurs majeurs. Une couche d'inversion apparaît dans le substrat P à proximité du diélectrique D, dans laquelle le type de conductivité est inversé.

Le paquet de charge dans le CCD peut être introduit électriquement ou au moyen d'une génération de lumière. Lors de la génération de lumière, les processus photovoltaïques se produisant dans le silicium conduiront à l'accumulation de porteurs minoritaires dans les puits de potentiel. La charge accumulée est proportionnelle à l'éclairement et au temps d'accumulation... Le transfert de charge directionnel vers le CCD est assuré en plaçant les condensateurs MOS si près les uns des autres que leurs régions d'appauvrissement se chevauchent et que les puits de potentiel sont connectés. Dans ce cas, la charge mobile des porteurs minoritaires s'accumulera à l'endroit où le puits de potentiel est plus profond.

Laisser la charge s'accumuler sous l'électrode sous l'influence de la lumière U 1 (voir la figure 8.9). Si maintenant l'électrode adjacente U 2 appliquer la tension U 2 > Vous 1, alors une autre fosse potentielle apparaîtra à proximité, plus profonde ( U 2 > Vous une). Une région de champ électrique apparaîtra entre eux et des porteurs minoritaires (électrons) dériveront (s'écouleront) dans une "poche" plus profonde (voir Fig. 8.9). Pour éliminer la bidirectionnalité dans le transfert de charges, utilisez une séquence d'électrodes, combinées en groupes de 3 électrodes (voir Figure 8.10).

Si, par exemple, une charge est accumulée sous l'électrode 4 et qu'il est nécessaire de la transférer vers la droite, alors une tension plus élevée est appliquée à l'électrode droite 5 ( U 2 > Vous 1) et la charge s'y écoule, etc.

La quasi-totalité du jeu d'électrodes est connectée à trois bus :

I - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Dans notre cas, la tension de "réception" ( U 2) sera sur les électrodes 2 et 5, mais l'électrode 2 est séparée de l'électrode 4, où la charge est stockée, par l'électrode 3 (dans laquelle

U 3 = 0), il n'y aura donc pas de saignement à gauche.

Le fonctionnement à trois temps du CCD suppose la présence de trois électrodes (cellules) par élément d'image TV, ce qui réduit la surface utilisable utilisée par le flux lumineux. Pour réduire le nombre de cellules (électrodes) du CCD, des électrodes métalliques et une couche diélectrique sont formées sous une forme étagée (voir Figure 8.11). Cela permet, lorsque des impulsions de tension sont appliquées aux électrodes, de créer des puits de potentiel de différentes profondeurs sous ses différentes sections. La plupart des charges de la cellule voisine s'écoulent dans une fosse plus profonde.

Avec un système CCD biphasé, le nombre d'électrodes (cellules) dans la matrice est réduit d'un tiers, ce qui affecte favorablement la lecture du potentiel de secours.

Les CCD ont été initialement proposés pour être utilisés en informatique comme dispositifs de stockage, registres à décalage. Au début de la chaîne, une diode d'injection a été placée, introduisant une charge dans le système, et à la fin de la chaîne, une diode de sortie, généralement n-p- ou alors p-n- transitions de structures MOS, formant avec les première et dernière électrodes (cellules) de la chaîne de transistors à effet de champ CCD.

Mais il est vite devenu évident que les CCD sont très sensibles à la lumière, et il est donc préférable et plus efficace de les utiliser comme détecteurs de lumière, et non comme dispositifs de stockage.

Si la matrice CCD est utilisée comme photodétecteur, l'accumulation de charge sous l'une ou l'autre électrode peut être réalisée par la méthode optique (injection de lumière). On peut dire que les CCD sont essentiellement des registres à décalage analogiques sensibles à la lumière. Aujourd'hui, les CCD ne sont pas utilisés comme dispositifs de stockage (mémoire), mais uniquement comme photodétecteurs. Ils sont utilisés dans les télécopieurs, les scanners (CCD), les appareils photo et les caméras vidéo (CCD). Habituellement, les puces CCD sont utilisées dans les caméras de télévision.

Nous avons supposé que tous les 100% des charges sont transférés à la poche adjacente. Cependant, dans la pratique, il faut compter avec des pertes. L'une des sources de pertes est constituée par les « pièges » capables de capter et de retenir des charges pendant un certain temps. Ces charges n'ont pas le temps de s'écouler dans la poche adjacente si le taux de transfert est élevé.

La deuxième raison est le mécanisme de débordement lui-même. Au premier instant, le transfert de charges se produit dans un champ électrique fort - une dérive de E... Cependant, à mesure que les charges s'écoulent, l'intensité du champ diminue et le processus de dérive s'éteint, de sorte que la dernière partie se déplace en raison de la diffusion, 100 fois plus lentement que la dérive. Attendre la dernière partie signifie ralentir les performances. La dérive donne plus de 90 % de rémanence. Mais ce sont les derniers pourcentages qui sont les principaux dans la détermination des pertes.

Soit le coefficient de transmission d'un cycle de transfert k= 0,99, en supposant que le nombre de cycles soit N= 100, nous déterminons le taux de transfert total :

0,99 100 = 0,366

Il devient évident qu'avec un grand nombre d'éléments, même des pertes insignifiantes sur un élément deviennent d'une grande importance pour la chaîne dans son ensemble.

Par conséquent, la question de la réduction du nombre de transferts de charges dans la matrice CCD est particulièrement importante. À cet égard, une matrice CCD biphasée aura un coefficient de transfert de charge légèrement plus élevé qu'un système triphasé.

Ces dernières années, dans la presse quasi informatique (et pas seulement), il y a assez souvent des critiques enthousiastes consacrées au prochain "miracle technologique, conçu pour révolutionner l'avenir de la photographie numérique" - il s'agit d'une version généralisée de l'expression trouvée dans un forme ou une autre dans chacun de ces articles. ... Mais ce qui est caractéristique, au bout d'un an seulement, l'engouement initial s'estompe progressivement, et la plupart des fabricants de matériel photographique numérique, au lieu de "développement avancé", préfèrent utiliser des solutions éprouvées.

J'oserais suggérer que la raison de ce développement des événements est assez simple - il suffit de prêter attention à la "simplicité ingénieuse" de telle ou telle décision. En effet, la résolution de la matrice ne suffit pas ? Et arrangeons les pixels non pas en colonnes et en rangées, mais avec des lignes diagonales, puis "tournons" par programme "l'image" de 45 degrés - ainsi notre résolution doublera d'un coup ! Peu importe que de cette manière la clarté des seules lignes strictement verticales et horizontales soit augmentée, tandis que les obliques et les courbes (dont l'image réelle est constituée) restent inchangées. L'essentiel est que l'effet soit observé, ce qui signifie que vous pouvez le dire à haute voix.

Malheureusement, l'utilisateur moderne est "gâté par les mégapixels". Il ignore que chaque fois que la résolution est augmentée, les développeurs de CCD "classiques" doivent résoudre la tâche la plus difficile d'assurer une plage dynamique et une sensibilité de capteur acceptables. Mais des « solutions » comme la transition des pixels rectangulaires aux pixels octogonaux semblent à un photographe amateur ordinaire tout à fait compréhensibles et justifiées - après tout, cela est si facilement écrit dans les brochures publicitaires ...

Le but de cet article est d'essayer d'expliquer au niveau le plus simple ce qui détermine la qualité de l'image obtenue en sortie de la matrice CCD. Dans le même temps, on peut assez facilement faire abstraction de la qualité de l'optique - l'apparition du deuxième "DSLR" coûtant moins de 1000 $ (Nikon D 70) permet d'espérer qu'une nouvelle augmentation de la résolution du capteur pour les appareils photo d'un niveau acceptable La catégorie de prix ne se limitera pas aux lentilles « savon ».

Effet photoélectrique interne

Ainsi, l'image formée par la lentille tombe sur la matrice CCD, c'est-à-dire que les rayons lumineux tombent sur la surface photosensible des éléments CCD, dont la tâche est de convertir l'énergie photonique en charge électrique. Cela se passe de la manière suivante.

Pour un photon tombant sur un élément CCD, il existe trois options pour le développement d'événements - soit il "ricoche" depuis la surface, soit il sera absorbé dans l'épaisseur du semi-conducteur (matériau de la matrice), soit il "percera" son " zone de travail". De toute évidence, les développeurs sont tenus de créer un tel capteur, dans lequel les pertes du "ricochet" et du "lumbago de part en part" seraient minimisées. Les mêmes photons qui ont été absorbés par la matrice forment une paire électron-trou s'il y avait une interaction avec un atome du réseau cristallin d'un semi-conducteur, ou seulement un photon (ou un trou) si l'interaction était avec des atomes de donneur ou d'accepteur impuretés, et ces deux phénomènes sont appelés effet photoélectrique interne... Bien entendu, le travail du capteur ne se limite pas à l'effet photoélectrique interne - il est nécessaire de stocker les porteurs de charge "retirés" du semi-conducteur dans un stockage spécial, puis de les lire.

élément CCD

En général, la conception d'un élément CCD ressemble à ceci : un substrat de silicium de type p est équipé de canaux d'un semi-conducteur de type n. Au-dessus des canaux, des électrodes en silicium polycristallin avec une couche isolante d'oxyde de silicium sont créées. Après avoir appliqué un potentiel électrique à une telle électrode, dans la zone de déplétion sous le canal de type n, fosse potentielle, dont le but est de stocker des électrons. Un photon pénétrant dans le silicium conduit à la génération d'un électron, qui est attiré par le puits de potentiel et y reste. Plus de photons (lumière vive) fournissent plus de charge au puits. Ensuite, vous devez lire la valeur de cette charge, également appelée photocourant, et le renforcer.

Les photocourants des éléments CCD sont lus par ce que l'on appelle registres à décalage séquentiel, qui convertissent une chaîne de charges à l'entrée en un train d'impulsions à la sortie. Cette série est un signal analogique, qui est ensuite transmis à l'amplificateur.

Ainsi, à l'aide du registre, il est possible de convertir les charges de ligne des éléments CCD en un signal analogique. En fait, le registre à décalage série dans les CCD est implémenté en utilisant les mêmes éléments CCD concaténés dans une chaîne. Le fonctionnement d'un tel dispositif repose sur la capacité dispositifs à couplage de charge(c'est ce que signifie l'abréviation CCD) échangent les frais de leurs puits potentiels. L'échange s'effectue grâce à la présence de électrodes de transfert(porte de transfert) située entre des éléments CCD adjacents. Lorsqu'un potentiel accru est appliqué à l'électrode la plus proche, la charge " s'écoule " en dessous du puits de potentiel. Entre les éléments CCD, il peut y avoir deux à quatre électrodes de transfert, la "phase" du registre à décalage dépend de leur nombre, qui peut être appelé biphasé, triphasé ou quadriphasé.

L'alimentation des potentiels aux électrodes de transfert est synchronisée de telle sorte que le déplacement des charges des puits de potentiel de tous les éléments CCD du registre se produise simultanément. Et dans un cycle de transfert, les éléments CCD "transfèrent le long d'une chaîne" les charges de gauche à droite (ou de droite à gauche). Eh bien, l'élément CCD qui s'est avéré être "l'extrême" donne sa charge à l'appareil situé à la sortie du registre, c'est-à-dire à l'amplificateur.

En général, un registre à décalage série est un périphérique d'entrée parallèle et de sortie série. Ainsi, après lecture de toutes les charges du registre, il est possible d'alimenter une nouvelle ligne à son entrée, puis la suivante et ainsi former un signal analogique continu basé sur un réseau bidimensionnel de photocourants. À son tour, le flux parallèle d'entrée pour le registre à décalage séquentiel (c'est-à-dire les rangées d'un réseau bidimensionnel de photocourants) est fourni par un ensemble de registres à décalage séquentiel orientés verticalement, appelé registre à décalage parallèle, et toute la structure dans son ensemble n'est qu'un dispositif appelé matrice CCD.

Les registres à décalage séquentiels "verticaux" qui composent le parallèle sont appelés colonnes du CCD, et leur travail est complètement synchronisé. Le réseau bidimensionnel de photocourants CCD est simultanément décalé d'une rangée vers le bas, et cela ne se produit qu'une fois que les charges de la rangée précédente du registre à décalage séquentiel situé "tout en bas" sont allées à l'amplificateur. Jusqu'à ce que le registre série soit libéré, le registre parallèle est forcé de rester inactif. Eh bien, la matrice CCD elle-même pour un fonctionnement normal doit nécessairement être connectée à un microcircuit (ou à un ensemble d'entre eux), qui fournit des potentiels aux électrodes des registres à décalage série et parallèle, ainsi que la synchronisation du fonctionnement des deux registres. De plus, un générateur d'horloge est nécessaire.

Capteur plein format

Ce type de capteur est le plus simple d'un point de vue constructif et s'appelle CCD plein format(CCD plein format - matrice). En plus des microcircuits « strapping », ce type de matrice nécessite également un obturateur mécanique qui bloque le flux lumineux après la fin de l'exposition. Il est impossible de commencer à lire les charges tant que l'obturateur n'est pas complètement fermé ; pendant le cycle de fonctionnement du registre à décalage parallèle, des électrons supplémentaires seront ajoutés au photocourant de chacun de ses pixels, provoqués par des photons frappant la surface ouverte de la matrice CCD . Ce phénomène est appelé En « étalant » la charge dans une matrice plein format(plein - frottis matriciel).

De cette façon, taux de lecture des images dans un tel schéma, il est limité par la vitesse de fonctionnement des registres à décalage parallèle et série. Il est également évident qu'il est nécessaire de bloquer le flux lumineux provenant de la lentille avant la fin du processus de lecture, donc intervalle d'exposition dépend aussi de la vitesse de lecture.

Il existe une version améliorée de la matrice pleine trame, dans laquelle les charges du registre parallèle ne sont pas fournies ligne par ligne à l'entrée du registre séquentiel, mais sont "stockées" dans le registre parallèle tampon. Ce registre est situé sous le registre à décalage parallèle principal, les photocourants sont transférés ligne par ligne au registre tampon et de celui-ci sont envoyés à l'entrée du registre à décalage série. La surface du registre tampon est recouverte d'un panneau opaque (généralement en métal) et l'ensemble du système est appelé matrices à mémoire tampon de trame(cadre - transfert CCD).

Matrice de tampon de trame

Dans ce schéma, les creux potentiels du registre à décalage parallèle principal sont "vidés" beaucoup plus rapidement, car lors du transfert de lignes vers le tampon, il n'est pas nécessaire d'attendre un cycle complet du registre série pour chaque ligne. Par conséquent, l'intervalle entre les expositions est réduit, bien que cela diminue également la vitesse de lecture - la ligne doit « parcourir » deux fois la distance. Ainsi, l'intervalle entre les expositions n'est réduit que pour deux trames, bien que le coût du dispositif dû au registre tampon augmente de manière significative. Cependant, l'inconvénient le plus notable des matrices avec mémoire tampon de trame est le "trajet" allongé des photocourants, qui affecte négativement la sécurité de leurs valeurs. Et dans tous les cas, un obturateur mécanique doit fonctionner entre les images, il n'est donc pas nécessaire de parler d'un signal vidéo continu.

Matrices tamponnées en colonnes

Un nouveau type de matrice a été développé spécialement pour l'équipement vidéo, dans lequel l'intervalle entre les expositions a été minimisé non pas pour quelques images, mais pour un flux continu. Bien entendu, pour assurer cette continuité, il a fallu prévoir l'abandon d'un volet mécanique.

En fait, ce régime, qui a reçu le nom matrices tamponnées en colonnes(interligne CCD -matrice), qui est quelque peu similaire aux systèmes avec mémoire tampon de trame - il utilise également un registre à décalage parallèle tampon, dont les éléments CCD sont cachés sous un revêtement opaque. Cependant, ce tampon n'est pas situé dans un seul bloc sous le registre parallèle principal - ses colonnes sont "mélangées" entre les colonnes du registre principal. De ce fait, à côté de chaque colonne du registre principal se trouve une colonne tampon, et immédiatement après l'exposition, les photocourants ne se déplacent pas « de haut en bas », mais « de gauche à droite » (ou « de droite à gauche » ), et en un seul cycle de travail, ils entrent dans le registre tampon, libérant complètement les trous potentiels pour la prochaine exposition.

Les charges dans le registre tampon sont lues dans l'ordre habituel à travers le registre à décalage série, c'est-à-dire "de haut en bas". Étant donné que le vidage des photocourants dans le registre tampon ne prend qu'un cycle, même en l'absence d'obturateur mécanique, rien de tel qu'un "tachage" de la charge dans une matrice plein format n'est observé. Mais le temps d'exposition pour chaque trame, dans la plupart des cas, correspond en durée à l'intervalle passé à la lecture complète du registre tampon parallèle. Grâce à tout cela, il devient possible de créer un signal vidéo avec une fréquence d'images élevée - au moins 30 images par seconde.

Matrice tamponnée par colonne

Les matrices à tampon de colonne sont souvent appelées à tort « entrelacées » dans la littérature nationale. Cela est probablement dû au fait que les noms anglais "interline" (mise en mémoire tampon de ligne) et "entrelacé" (balayage entrelacé) se ressemblent beaucoup. En fait, lors de la lecture de toutes les lignes dans un cycle d'horloge, on peut parler d'une matrice avec balayage progressif(balayage progressif), et lorsque l'on lit des lignes impaires au premier cycle, et des lignes paires au second (ou vice versa), on parle de matrice entrelacée(balayage entrelacé).

Bien que les photocourants du registre à décalage parallèle principal entrent immédiatement dans le registre tampon, qui n'est pas soumis au "bombardement photonique" Flou de charge dans les matrices à tampon de colonne(frottis) se produit également. Ceci est causé par le débordement partiel d'électrons du puits de potentiel de l'élément CCD "sensible à la lumière" dans le puits de potentiel du "tampon", en particulier souvent à des niveaux proches des niveaux de charge maximum, lorsque l'éclairage du pixel est très haute. En conséquence, une bande lumineuse s'étend de haut en bas à partir de ce point lumineux de l'image, gâchant le cadre. Pour lutter contre cet effet désagréable, lors de la conception d'un capteur, les colonnes « photosensibles » et tampons sont placées à une plus grande distance l'une de l'autre. Bien sûr, cela complique l'échange de charge, et augmente également l'intervalle de temps de cette opération, cependant, le mal que le « maculage » fait à l'image ne laisse pas le choix aux développeurs.

Comme mentionné précédemment, afin de fournir un signal vidéo, il est nécessaire que le capteur ne nécessite pas de chevauchement du flux lumineux entre les expositions, car l'obturateur mécanique dans de telles conditions de fonctionnement (environ 30 opérations par seconde) peut rapidement tomber en panne. Heureusement, grâce aux chaînes de mémoire tampon, il est possible d'implémenter obturateur électronique, qui, d'une part, permet, si nécessaire, de se passer d'obturateur mécanique, et d'autre part, il fournit des valeurs d'exposition ultra-faibles (jusqu'à 1/10000 de seconde), particulièrement critiques pour la prise de vue de processus rapides (sports , nature, etc.). Cependant, l'obturateur électronique nécessite également que la matrice dispose d'un système pour éliminer l'excès de charge du puits de potentiel, cependant, tout sera décrit dans l'ordre.

Vous devez payer pour tout, ainsi que pour la capacité de générer un signal vidéo. Les registres à décalage de tampon "mangent" une partie importante de la zone matricielle, de sorte que chaque pixel n'obtient que 30% de la zone photosensible de sa surface totale, tandis que pour un pixel matriciel plein format, cette zone est de 70%. C'est pourquoi dans la plupart des CCD modernes, au-dessus de chaque pixel, il y a microlentille... Un tel dispositif optique simple couvre la majeure partie de la zone de l'élément CCD et collecte toute la fraction des photons incidents sur cette partie en un flux lumineux concentré, qui, à son tour, est dirigé vers une zone sensible à la lumière plutôt compacte de ​le pixel.

Microlentille

Étant donné qu'en utilisant des microlentilles, il est possible d'enregistrer le flux lumineux incident sur le capteur de manière beaucoup plus efficace, au fil du temps, ces dispositifs ont commencé à être fournis non seulement aux systèmes à tampon de colonne, mais également aux matrices plein format. Cependant, les microlentilles ne peuvent pas non plus être qualifiées de "solution sans inconvénients".

Étant un dispositif optique, les microlentilles déforment l'image enregistrée d'un degré ou d'un autre, le plus souvent cela se traduit par une perte de netteté dans les moindres détails du cadre - leurs bords deviennent légèrement flous. D'autre part, une telle image floue n'est en aucun cas toujours indésirable - dans certains cas, l'image formée par la lentille contient des lignes dont la taille et la fréquence sont proches des dimensions de l'élément CCD et de la distance interpixel de la matrice. Dans ce cas, le cadre est souvent observé marcher(aliasing) - attribuer une certaine couleur à un pixel, qu'il soit entièrement couvert par un détail de l'image ou seulement une partie de celui-ci. En conséquence, les lignes de l'objet dans l'image sont irrégulières, avec des bords irréguliers. Pour résoudre ce problème, les caméras dotées de capteurs sans microlentilles utilisent un filtre anti-crénelage(filtre anti-aliasing), et un capteur à microlentilles n'a pas besoin d'un tel filtre. Cependant, dans tous les cas, cela doit être compensé par une certaine diminution de la résolution du capteur.

Si le sujet n'est pas bien éclairé, il est recommandé d'ouvrir l'ouverture autant que possible. Cependant, cela augmente fortement le pourcentage de rayons incidents sur la surface de la matrice à un angle prononcé. Les microlentilles coupent une proportion importante de ces rayons, de sorte que l'efficacité d'absorption de la lumière par la matrice (pour laquelle l'ouverture a été ouverte) est fortement réduite. Bien qu'il faille noter que les rayons incidents à un angle prononcé sont également une source de problèmes - entrant dans le silicium d'un pixel, un photon de grande longueur d'onde avec une capacité de pénétration élevée peut être absorbé par le matériau d'un autre élément de matrice, ce qui conduit finalement à la distorsion de l'image. Pour résoudre ce problème, la surface de la matrice est recouverte d'un "réseau" opaque (par exemple en métal) dans les découpes duquel il ne reste que les zones photosensibles des pixels.

Historiquement, les capteurs plein format sont principalement utilisés dans la technologie de studio, et les matrices à tampon de colonne sont utilisées dans la technologie amateur. Les deux types de capteurs se trouvent dans les caméras professionnelles.

Dans le circuit CCD classique utilisant des électrodes en polysilicium, la sensibilité est limitée en raison de la diffusion partielle de la lumière à partir de la surface de l'électrode. Par conséquent, lors de la prise de vue dans des conditions spéciales nécessitant une sensibilité accrue dans les régions bleues et ultraviolettes du spectre, des matrices rétro-éclairées sont utilisées. Dans les capteurs de ce type, la lumière enregistrée tombe sur le substrat, et pour fournir l'effet photoélectrique interne requis, le substrat a été poli à une épaisseur de 10 à 15 micromètres. Cette étape de traitement augmentait considérablement le coût de la matrice, de plus, les dispositifs étaient très fragiles et nécessitaient des soins accrus lors de l'assemblage et du fonctionnement.

Capteur rétro-éclairé

Évidemment, lorsqu'on utilise des filtres de lumière qui atténuent le flux lumineux, toutes les opérations coûteuses pour augmenter la sensibilité perdent leur sens, c'est pourquoi les matrices rétro-éclairées sont majoritairement utilisées en photographie astronomique.

Sensibilité

L'une des caractéristiques les plus importantes d'un appareil d'enregistrement, qu'il s'agisse d'un film photographique ou d'une matrice CCD, est sensibilité- la capacité de réagir d'une certaine manière au rayonnement optique. Plus la sensibilité est élevée, moins il faut de lumière pour que l'appareil d'enregistrement réagisse. Différentes valeurs (DIN, ASA) ont été utilisées pour désigner la sensibilité, mais finalement la pratique s'est enracinée pour désigner ce paramètre en unités ISO (International Standards Organization).

Pour un seul élément CCD, la réaction à la lumière doit être comprise comme la génération de charges. Evidemment, la sensibilité du CCD est la somme de la sensibilité de tous ses pixels et, en général, dépend de deux paramètres.

Le premier paramètre est sensibilité intégrale, qui est le rapport du photocourant (en milliampères) au flux lumineux (en lumens) d'une source de rayonnement dont la composition spectrale correspond à une lampe à incandescence au tungstène. Ce paramètre permet d'évaluer la sensibilité du capteur dans son ensemble.

Le deuxième paramètre est sensibilité monochromatique, c'est-à-dire le rapport de l'amplitude du photocourant (en milliampères) à l'amplitude de l'énergie du rayonnement lumineux (en milliélectronvolts) correspondant à une certaine longueur d'onde. L'ensemble de toutes les valeurs de sensibilité monochromatiques pour la partie du spectre d'intérêt est sensibilité spectrale- la dépendance de la sensibilité à la longueur d'onde de la lumière. Ainsi, la sensibilité spectrale montre la capacité du capteur à enregistrer les nuances d'une certaine couleur.

Il est clair que les unités de mesure de la sensibilité intégrale et monochrome diffèrent des désignations courantes en technologie photographique. C'est pourquoi les fabricants de matériel photographique numérique indiquent dans les caractéristiques du produit sensibilité équivalente CCD en unités ISO. Et pour déterminer la sensibilité équivalente, le fabricant n'a besoin que de connaître l'éclairage du sujet, l'ouverture et la vitesse d'obturation, et d'utiliser quelques formules. Selon le premier, le nombre d'exposition est calculé comme log 2 (L * S / C), où L est l'éclairage, S est la sensibilité et C est la constante d'exposition. La deuxième formule définit le nombre d'exposition comme étant 2 * log 2 K - log 2 t., où K est le nombre f et t est la vitesse d'obturation. Il n'est pas difficile de dériver une formule qui permet, étant donné L, C, K et t, de calculer à quoi S est égal.

La sensibilité de la matrice est une valeur intégrale qui dépend de la sensibilité de chaque élément CCD. Eh bien, la sensibilité du pixel matriciel dépend, en premier lieu, des "photons placés sous la pluie" zone de la zone photosensible(facteur de remplissage), et d'autre part, de efficacité quantique(efficacité quantique), c'est-à-dire le rapport du nombre d'électrons enregistrés sur le nombre de photons tombant à la surface du capteur.

À leur tour, un certain nombre d'autres paramètres affectent l'efficacité quantique. Le premier est coefficient de reflexion- une valeur qui reflète la fraction de ces photons qui "ricochent" depuis la surface du capteur. Lorsque le coefficient de réflexion augmente, la fraction de photons participant à l'effet photoélectrique interne diminue.

Les photons non réfléchis par la surface du capteur seront absorbés, formant des porteurs de charge, mais certains d'entre eux "se bloqueront" à la surface, et certains pénétreront trop profondément dans le matériau de l'élément CCD. Evidemment, dans les deux cas, ils ne participeront pas à la formation du photocourant. "Capacité de pénétration" des photons dans un semi-conducteur, appelé coefficient d'absorption, dépend à la fois du matériau semi-conducteur et de la longueur d'onde de la lumière incidente - les particules "à ondes longues" pénètrent beaucoup plus profondément que celles à "ondes courtes". Lors du développement d'un élément CCD, il est nécessaire que les photons d'une longueur d'onde correspondant au rayonnement visible atteignent un coefficient d'absorption tel que l'effet photoélectrique interne se produise près du puits de potentiel, augmentant ainsi les chances qu'un électron y pénètre.

Assez souvent, au lieu d'efficacité quantique, le terme est utilisé "Rendement quantique"(rendement quantique), mais en réalité ce paramètre reflète le nombre de porteurs de charge libérés lorsqu'un photon est absorbé. Bien sûr, avec l'effet photoélectrique interne, la majeure partie des porteurs de charge tombe toujours dans le puits de potentiel de l'élément CCD, mais une certaine partie des électrons (ou trous) évite le "piège". Le numérateur de la formule décrivant l'efficacité quantique s'avère être exactement le nombre de porteurs de charge qui sont tombés dans le puits de potentiel.

Une caractéristique importante du CCD est seuil de sensibilité- un paramètre d'un appareil d'enregistrement lumineux qui caractérise la valeur minimale d'un signal lumineux pouvant être enregistré. Plus ce signal est petit, plus le seuil de sensibilité est élevé. Le principal facteur limitant le seuil de sensibilité est courant sombre(courant sombre). C'est une conséquence de l'émission thermoionique et se produit dans l'élément CCD lorsqu'un potentiel est appliqué à l'électrode, sous laquelle un puits de potentiel est formé. Ce courant est dit « sombre » car il est constitué d'électrons qui sont tombés dans le puits en l'absence de flux lumineux. Si le flux lumineux est faible, alors la valeur du photocourant est proche, et parfois même inférieure à la valeur du courant d'obscurité.

Le courant d'obscurité dépend de la température du capteur - lorsque la matrice est chauffée à 9 degrés Celsius, son courant d'obscurité double. Pour refroidir la matrice, divers systèmes d'évacuation de la chaleur (refroidissement)... Dans les chambres de terrain, dont les caractéristiques de poids et de taille limitent fortement l'utilisation de systèmes de refroidissement, le corps métallique de la chambre est parfois utilisé comme échangeur de chaleur. Dans les équipements de studio, il n'y a pratiquement aucune restriction de poids et de dimensions. De plus, une consommation d'énergie suffisamment élevée du système de refroidissement est autorisée, qui, à son tour, est divisée en passif et actif.

Systèmes de refroidissement passifs ne fournissent que la « décharge » de la chaleur excédentaire de l'appareil refroidi dans l'atmosphère. Dans ce cas, le système de refroidissement joue le rôle de conducteur maximum de chaleur, assurant une dissipation thermique plus efficace. Bien entendu, la température du dispositif refroidi ne peut pas devenir inférieure à la température de l'air ambiant, ce qui est le principal inconvénient des systèmes passifs.

L'exemple le plus simple d'un système d'échange de chaleur passif est radiateur(dissipateur thermique), constitué d'un matériau à bonne conductivité thermique, le plus souvent du métal. La surface en contact avec l'atmosphère est façonnée pour fournir une zone de dispersion aussi grande que possible. Il est généralement admis que la zone de dispersion maximale est possédée par radiateurs à aiguilles, ressemblant à un "hérisson", parsemé d'"aiguilles" dissipant la chaleur. Souvent, pour forcer le transfert de chaleur, la surface du radiateur est soufflée micro-ventilateur appareils similaires appelés glacières(refroidisseur, du mot cool - à cool), dans les ordinateurs personnels, le processeur est refroidi. Basé sur le fait que le micro-ventilateur consomme de l'électricité, les systèmes qui l'utilisent sont dits "actifs", ce qui est complètement faux, car les refroidisseurs ne peuvent pas refroidir l'appareil à une température inférieure à la température atmosphérique. À des températures ambiantes élevées (40 degrés et plus), l'efficacité des systèmes de refroidissement passifs commence à décliner.

Systèmes de refroidissement actifs du fait de procédés électriques ou chimiques, ils assurent à l'appareil une température inférieure à celle de l'air ambiant. En fait, les systèmes actifs "générent du froid", cependant, dans ce cas, à la fois la chaleur du dispositif refroidi et la chaleur du système de refroidissement sont libérées dans l'atmosphère. Un exemple classique de glacière active est un réfrigérateur conventionnel. Cependant, malgré son efficacité plutôt élevée, ses caractéristiques de poids et de taille sont inacceptables même pour un équipement de photographie de studio. Par conséquent, son refroidissement actif est fourni Systèmes Peltier, dont le travail repose sur l'utilisation de l'effet du même nom, lorsque, en présence d'une différence de potentiel aux extrémités de deux conducteurs en matériaux différents, à la jonction de ces conducteurs (selon la polarité de la tension), de l'énergie thermique sera libérée ou absorbée. La raison en est l'accélération ou la décélération des électrons due à la différence de potentiel de contact interne de la jonction des conducteurs.

Lors de l'utilisation d'une combinaison de semi-conducteurs de type n et de type p, dans laquelle l'absorption de chaleur est effectuée en raison de l'interaction d'électrons et de "trous", l'effet de conduction thermique maximal se produit. Pour l'améliorer, vous pouvez utiliser une combinaison en cascade d'éléments Peltier, et puisque l'absorption et la libération de chaleur se produisent, les éléments doivent être combinés de sorte qu'un côté du refroidisseur soit «chaud» et l'autre côté «froid». Du fait de la combinaison en cascade, la température du côté "chaud" de l'élément Peltier le plus éloigné de la matrice est nettement supérieure à celle de l'air ambiant, et sa chaleur est dissipée dans l'atmosphère à l'aide de dispositifs passifs, c'est-à-dire , radiateurs et refroidisseurs.

Les systèmes de refroidissement actifs utilisant l'effet Peltier peuvent abaisser la température du capteur jusqu'à zéro degré, réduisant considérablement le niveau de courant d'obscurité. Cependant, un refroidissement excessif du CCD peut entraîner une condensation d'humidité de l'air ambiant et un court-circuit de l'électronique. Et dans certains cas, la différence de température limite entre les plans refroidi et photosensible de la matrice peut conduire à sa déformation inacceptable.

Cependant, ni les dissipateurs thermiques, ni les refroidisseurs, ni les éléments Peltier ne sont applicables aux caméras de terrain dont le poids et la taille sont limités. Au lieu de cela, cette technique utilise une méthode basée sur la soi-disant pixels noirs(pixels de référence sombres) Ces pixels représentent les colonnes et les lignes aux bords de la matrice recouverte d'un matériau opaque. La valeur moyenne pour tous les photocourants de pixels noirs est considérée niveau de courant d'obscurité... Évidemment, dans des conditions de fonctionnement différentes (température ambiante et de la caméra elle-même, courant de la batterie, etc.), le niveau de courant d'obscurité sera différent. En l'utilisant comme "point de référence" pour chaque pixel, c'est-à-dire en soustrayant sa valeur du photocourant, il est possible de déterminer quel type de charge est créé par les photons tombant sur l'élément CCD.

En supprimant le courant d'obscurité d'une manière ou d'une autre, il faut se souvenir d'un autre facteur limitant le seuil de sensibilité. Il est bruit thermique(bruit thermique), créé même en l'absence de potentiel aux électrodes par le seul mouvement chaotique des électrons le long de l'élément CCD. De longs temps d'exposition conduisent à une accumulation progressive d'électrons errants dans le puits de potentiel, ce qui fausse la vraie valeur du photocourant. Et plus l'exposition est "longue", plus d'électrons "perdus" dans le puits.

Comme vous le savez, la sensibilité du film dans une cassette reste constante, en d'autres termes, elle ne peut pas changer d'une image à l'autre. Mais l'appareil photo numérique vous permet de définir la valeur la plus optimale de la sensibilité équivalente pour chaque prise de vue. Ceci est réalisé en amplifiant le signal vidéo provenant de la matrice - quelque chose comme cette procédure, appelée "Augmenter la sensibilité équivalente", revient à tourner le contrôle du volume sur un tourne-disque.

Ainsi, en basse lumière, l'utilisateur est confronté à un dilemme : soit augmenter la sensibilité équivalente, soit augmenter la vitesse d'obturation. En même temps, dans les deux cas, il est impossible d'éviter l'endommagement du cadre par le bruit d'une distribution fixe. Certes, l'expérience montre qu'avec une exposition "longue", l'image ne se détériore pas autant que lorsque le signal matriciel est amplifié. Cependant, un long temps d'exposition menace un autre problème - l'utilisateur peut "retirer" le cadre. Par conséquent, si l'utilisateur envisage de photographier fréquemment à l'intérieur, il doit choisir un appareil photo avec un objectif à grande ouverture, ainsi qu'un flash puissant et "intelligent".

Plage dynamique

La matrice est nécessaire pour pouvoir enregistrer la lumière à la fois en plein soleil et dans un faible éclairage de la pièce. Par conséquent, les puits de potentiel de la matrice doivent être très volumineux, et également pouvoir à la fois conserver le nombre minimum d'électrons en basse lumière et contenir une charge importante reçue lorsqu'un puissant flux lumineux frappe le capteur. Et l'image formée par l'objectif est souvent constituée à la fois de zones très éclairées et d'ombres profondes, et le capteur doit pouvoir enregistrer toutes leurs nuances.

La capacité du capteur à former une bonne image avec un éclairage différent et un contraste élevé est déterminée par le paramètre "Plage dynamique", caractérisant la capacité de la matrice à distinguer dans l'image projetée sur sa surface d'enregistrement, les tons les plus sombres des plus clairs. Au fur et à mesure que la plage dynamique s'étend, le nombre de nuances dans l'image augmentera et les transitions entre elles correspondront autant que possible à l'image formée par l'objectif.

Effet de la plage dynamique sur la qualité de l'image (A - plage dynamique large, B - plage dynamique étroite)

Une caractéristique qui décrit la capacité d'un élément CCD à accumuler une certaine valeur est appelée "La profondeur de la fosse potentielle"(profondeur du puits), et la plage dynamique de la matrice en dépend. Bien entendu, lors de la prise de vue dans des conditions de faible luminosité, la plage dynamique est également affectée par le seuil de sensibilité, qui, à son tour, est déterminé par l'amplitude du courant d'obscurité.

Il est évident que la perte d'électrons constituant le photocourant se produit non seulement lors de l'accumulation de la charge de puits de potentiel, mais également lors de son transport vers la sortie de la matrice. Ces pertes sont causées par la dérive des électrons "détachés" de la charge principale lorsqu'elle passe sous l'électrode de transfert suivante. Plus le nombre d'électrons "détachés" est petit, plus efficacité de transfert de charge(efficacité de transfert de charge). Ce paramètre est mesuré en pourcentage et montre la fraction de la charge restante lors du "croisement" entre les cellules CCD.

L'effet de l'efficacité de transfert peut être illustré par l'exemple suivant. Si pour une matrice 1024 X 1024 la valeur de ce paramètre est de 98%, alors pour déterminer la valeur du photocourant du pixel central en sortie de la matrice, il faut relever 0,98 (le volume de la charge transférée ) à la puissance 1024 (le nombre de « croisements » entre les pixels) et multiplier par 100 (pourcentage ). Le résultat est totalement insatisfaisant - il restera environ 0,0000001% de la charge initiale. Évidemment, avec une augmentation de la résolution, les exigences d'efficacité de transfert deviennent encore plus strictes, puisque le nombre de "croisements" augmente. De plus, le taux de lecture des trames diminue, car l'augmentation du taux de transfert (pour compenser l'augmentation de la résolution) conduit à une augmentation inacceptable du nombre d'électrons "détachés".

Afin d'obtenir des taux de lecture de trame acceptables avec une efficacité élevée de transfert de charge, lors de la conception d'une matrice CCD, un placement « enterré » des puits potentiels est prévu. De ce fait, les électrons ne "collent" pas aussi activement aux électrodes de transfert, et c'est pour "l'enfouissement profond" du puits de potentiel que le canal n est introduit dans la conception de l'élément CCD.

Revenons à l'exemple ci-dessus : si dans une matrice 1024 X 1024 donnée le rendement de transfert de charge est de 99,999 %, alors 98,98 % de sa valeur initiale restera en sortie du capteur à partir du photocourant de la charge centrale. Si une matrice de résolution plus élevée est conçue, une efficacité de transfert de charge de 99,99999 % est requise.

Épanouissement

Dans les cas où l'effet photoélectrique interne conduit à un excès d'électrons dépassant la profondeur du puits de potentiel, la charge de l'élément CCD commence à "s'étaler" sur les pixels voisins. Sur les photographies, ce phénomène est appelé "Épanouissement"(de l'anglais blooming - bluring), s'affiche sous la forme de taches de couleur blanche et de forme régulière, et plus il y a d'électrons en excès, plus les taches sont grandes.

La suppression de la floraison est effectuée au moyen du système vidange électronique(drain de trop-plein), dont la tâche principale est d'éliminer les électrons en excès du puits de potentiel. Les options les plus connues drainage vertical(Drain de trop-plein vertical, VOD) et drainage latéral(Drain de trop-plein latéral, VOD).

Dans un système à drainage vertical, un potentiel est appliqué au substrat matriciel, dont la valeur est choisie de sorte que lorsque la profondeur du puits de potentiel est trop remplie, les électrons en excès en sortent sur le substrat et s'y dispersent. L'inconvénient de cette option est une diminution de la profondeur du puits de potentiel et, par conséquent, un rétrécissement de la plage dynamique de l'élément CCD. Il est également évident que ce système est inapplicable dans les matrices rétro-éclairées.

Drain électronique vertical

Le système de drainage latéral utilise des électrodes pour empêcher les électrons potentiels du puits d'entrer dans les "rainures de drainage" à partir desquelles l'excès de charge se dissipe. Le potentiel sur ces électrodes est sélectionné en fonction de la barrière de débordement du puits de potentiel, tandis que sa profondeur ne change pas. Cependant, en raison des électrodes de drainage, la zone photosensible de l'élément CCD est réduite; par conséquent, des microlentilles doivent être utilisées.

Drain latéral électronique

Bien sûr, la nécessité d'ajouter des dispositifs de drainage au capteur complique sa conception, mais les distorsions du cadre introduites par le blooming ne peuvent être ignorées. Et l'obturateur électronique ne peut pas être réalisé sans drainage - il joue le rôle de "rideau" aux poses ultra-courtes, dont la durée est inférieure à l'intervalle consacré au transfert de charge du registre à décalage parallèle principal vers le tampon parallèle S'inscrire. L'"obturateur", c'est-à-dire le drainage, empêche la pénétration dans les puits des éléments tampons CCD des électrons qui se sont formés dans les pixels "sensibles à la lumière" après un temps d'exposition donné (et très court).

Pixels bloqués

En raison d'erreurs technologiques dans certains éléments CCD, même l'exposition la plus courte conduit à une accumulation d'avalanche d'électrons dans le puits de potentiel. Dans l'image, ces pixels sont appelés "Coincé"(pixels collés) sont très différents des points environnants tant en couleur qu'en luminosité, et, contrairement au bruit d'une distribution fixe, ils apparaissent à n'importe quelle vitesse d'obturation et quelle que soit la température de la matrice.

L'élimination des pixels collés s'effectue au moyen du logiciel intégré de la caméra, qui assure la recherche des éléments CCD défectueux et le stockage de leurs "coordonnées" dans la mémoire non volatile. Lors de la formation d'une image, les valeurs des pixels défectueux ne sont pas prises en compte, elles sont remplacées par une valeur interpolée de points voisins. Pour déterminer la défectuosité d'un pixel pendant le processus de recherche, sa charge est comparée à une valeur de référence, qui est également stockée dans la mémoire non volatile de la caméra.

Taille de la matrice diagonale

Parfois, parmi d'autres paramètres d'un appareil photo numérique, il est indiqué taille CCD diagonale(le plus souvent en fractions de pouce). Tout d'abord, cette valeur est associée aux caractéristiques de l'objectif - plus les dimensions du capteur sont grandes, plus l'image formée par l'optique doit être grande. Pour que cette image recouvre complètement la surface d'enregistrement de la matrice, il faut augmenter les dimensions des éléments optiques. Si cela n'est pas fait et que "l'image" créée par l'objectif s'avère être plus petite que le capteur, alors les zones périphériques de la matrice ne seront pas réclamées. Cependant, dans un certain nombre de cas, les fabricants d'appareils photo n'ont pas indiqué que dans leurs modèles une certaine proportion de mégapixels était « sans travail ».

Mais dans les "SLR" numériques, créés sur la base de la technologie 35 mm, la situation inverse est presque toujours rencontrée - l'image formée par l'objectif chevauche la zone sensible à la lumière de la matrice. Cela est dû au fait que les capteurs avec des dimensions de cadre de film de 35 millimètres sont trop chers, et conduit au fait que la partie de l'image formée par l'objectif est littéralement "hors écran". En conséquence, les caractéristiques de la lentille sont décalées vers la région "à longue focale". Par conséquent, lors du choix d'optiques interchangeables pour un "SLR" numérique, vous devez prendre en compte rapport de zoom- en règle générale, il est d'environ 1,5. Par exemple, lorsqu'un objectif zoom 28-70 mm est installé, sa plage de travail sera de 42-105 mm.

Le coefficient mentionné a des effets à la fois positifs et négatifs. En particulier, la prise de vue avec un grand angle de couverture devient plus difficile, nécessitant des objectifs à courte focale. Les optiques avec une distance focale de 18 mm ou moins sont très chères, et dans un reflex numérique, cela se transforme en un trivial 27 mm. Cependant, les objectifs à longue focale sont également très coûteux et, en règle générale, avec une longue focale, l'ouverture relative diminue. Mais un objectif de 200 mm bon marché avec un facteur de 1,5 se transforme en un objectif de 300 mm, tandis que les "vrais" optiques de 300 mm ont une ouverture d'environ f / 5,6 et une ouverture de 200 mm est plus élevée - f / 4,5 .

De plus, tout objectif est caractérisé par des aberrations telles que la courbure du champ et la distorsion, qui se traduisent par un flou et une distorsion de l'image dans les zones de bord du cadre. Si les dimensions du capteur sont inférieures à la taille de l'image formée par l'objectif, les « zones à problèmes » ne seront tout simplement pas enregistrées par le capteur.

Il est à noter que la sensibilité de la matrice est liée aux dimensions de sa zone d'enregistrement. Plus la zone photosensible de chaque élément est large, plus la lumière tombe dessus et plus l'effet photo interne se produit souvent, augmentant ainsi la sensibilité de l'ensemble du capteur. De plus, un grand pixel permet la création d'une fosse potentielle "à haute capacité", ce qui a un effet positif sur l'étendue de la plage dynamique. Un exemple frappant de ceci est la matrice de "DSLR" numériques, comparables en taille à un cadre de film 35 mm. Ces capteurs ont traditionnellement une sensibilité de l'ordre de 6400 ISO (!), et la plage dynamique nécessite un CAN 10-12 bits.

Dans le même temps, les matrices des caméras amateurs ont une plage dynamique pour laquelle un CAN 8-10 bits est suffisant et la sensibilité dépasse rarement 800 ISO. La raison en est les caractéristiques de conception de cette technique. Le fait est que Sony a très peu de concurrents en termes de production de capteurs de petite taille (1/3, 1/2 et 2/3 pouces de diagonale) pour la technologie amateur, et cela est dû à une approche compétente du développement de une gamme de matrices. Lors du développement de la prochaine génération de matrices avec une résolution "un mégapixel de plus", une compatibilité presque complète avec les modèles de capteurs précédents a été assurée, tant en termes de taille que d'interface. En conséquence, les concepteurs d'appareils photo n'ont pas eu à développer l'objectif et le « bourrage électronique » de l'appareil photo à partir de zéro.

Cependant, avec une augmentation de la résolution, le registre à décalage parallèle du tampon capture une fraction de plus en plus grande de la zone du capteur, en conséquence, à la fois la zone photosensible et la "capacité" du puits de potentiel sont réduites.

Diminution de la zone sensible à la lumière de la matrice CCD avec une résolution croissante.

Par conséquent, derrière chaque "N +1 mégapixel" se cache le travail minutieux des développeurs - malheureusement pas toujours réussi.

Convertisseur analogique-numérique

Le signal vidéo passé à travers l'amplificateur doit être converti en un format numérique compréhensible par le microprocesseur de la caméra. Pour cela, il est utilisé convertisseur analogique-numérique, ADC(convertisseur analogique-numérique, ADC) - un appareil qui convertit un signal analogique en une séquence de nombres. Sa caractéristique principale est mordant, c'est-à-dire le nombre de niveaux de signaux discrets reconnus et codés. Pour calculer le nombre de niveaux, il suffit d'élever deux au degré de profondeur de bits. Par exemple, "8 bits" signifie que le transducteur est capable de détecter 2 niveaux de puissance du signal et de les afficher sous la forme de 256 valeurs différentes.

Avec une grande capacité ADC, il est possible (théoriquement) d'atteindre une plus grande la profondeur de la couleur(profondeur de couleur), c'est-à-dire la profondeur de bits du traitement des couleurs, qui décrit le nombre maximum de nuances de couleurs pouvant être reproduites. La profondeur de couleur est généralement exprimée en bits et le nombre de teintes est calculé de la même manière que le nombre de niveaux du signal ADC. Par exemple, à une profondeur de couleur de 24 bits, vous pouvez obtenir 16 777 216 nuances de couleurs.

En réalité, la profondeur de couleur des fichiers JPEG ou TIFF, qui sont utilisés par un ordinateur pour traiter et stocker des images, est limitée à 24 bits (8 bits pour chaque canal de couleur - bleu, rouge et vert). Par conséquent, les CAN parfois utilisés avec une capacité de 10, 12 et même 16 bits (c'est-à-dire une profondeur de couleur de 30, 36 et 48 bits) peuvent être considérés à tort comme " redondants ". Cependant, la plage dynamique de la matrice de certains modèles d'équipement photographique numérique est assez large, et si l'appareil photo est équipé de la fonction d'enregistrement du cadre dans un format non standard (30-48 bits), alors avec un traitement informatique supplémentaire il est possible d'utiliser des bits « supplémentaires ». Comme vous le savez, les erreurs dans le calcul de l'exposition en termes de fréquence de développement ne viennent qu'après les imprécisions de mise au point. Et donc, la possibilité de compenser de telles erreurs à l'aide de bits "inférieurs" (en cas de sous-exposition) ou "supérieurs" (en cas de surexposition) est très utile. Eh bien, si l'exposition est calculée sans erreur, alors "compresser" sans distorsion 30-48 bits dans la norme 24 n'est pas une tâche particulièrement difficile.

De toute évidence, la plage dynamique de la matrice CCD devrait être la base pour augmenter la capacité de l'ADC, car avec une plage dynamique étroite d'un ADC avec 10-12 bits par canal, il n'y aura tout simplement rien à reconnaître. Et souvent, il est impossible d'appeler autre chose qu'un coup publicitaire mentionnant la couleur "36 bits" et même "48 bits" d'un modeste "porte-savon" avec une matrice d'un demi-pouce en diagonale, car même une couleur 30 bits nécessite au moins un 2 / 3 pouces.

Pour la première fois, le principe CCD avec l'idée de stocker puis de lire des charges électroniques a été développé par deux ingénieurs de la société BELL à la fin des années 60 lors de la recherche de nouveaux types de mémoire pour ordinateurs qui pourraient remplacer la mémoire sur anneaux de ferrite (oui, il y avait un tel souvenir). Cette idée s'est avérée peu prometteuse, mais la capacité du silicium à répondre au spectre visible du rayonnement a été remarquée et l'idée d'utiliser ce principe pour le traitement d'images a été développée.

Commençons par déchiffrer le terme.

L'abréviation CCD signifie "Charge Coupled Devices" - un terme dérivé de l'anglais "Charge-Coupled Devices" (CCD).

Ce type de dispositif a actuellement une très large gamme d'applications dans une grande variété de dispositifs optoélectroniques pour le recalage d'images. Dans la vie de tous les jours, ce sont des appareils photo numériques, des caméscopes, divers scanners.

Qu'est-ce qui distingue un récepteur CCD d'une photodiode à semi-conducteur conventionnelle, qui possède une zone photosensible et deux contacts électriques pour capter un signal électrique ?

d'abord Il existe de nombreuses zones sensibles à la lumière (souvent appelées pixels - éléments qui reçoivent la lumière et la convertissent en charges électriques) dans un récepteur CCD, de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers voire plusieurs millions. Les tailles des pixels individuels sont les mêmes et peuvent aller d'unités à des dizaines de microns. Les pixels peuvent être alignés sur une rangée - alors le récepteur est appelé règle CCD, ou même des rangées peuvent remplir une section de la surface - alors le récepteur est appelé CCD.

L'emplacement des éléments récepteurs de lumière (rectangles bleus) dans le réseau CCD et le réseau CCD.

en deuxième, dans un récepteur CCD, qui ressemble à un microcircuit ordinaire, il n'y a pas un grand nombre de contacts électriques pour émettre des signaux électriques, qui, semble-t-il, devraient provenir de chaque élément récepteur de lumière. D'autre part, un circuit électronique est connecté au récepteur CCD, ce qui permet d'extraire de chaque élément photosensible un signal électrique proportionnel à son exposition.

L'action d'un CCD peut être décrite comme suit : chaque élément photosensible - un pixel - agit comme une tirelire pour les électrons. Les électrons sont générés en pixels par la lumière d'une source. Pendant un intervalle de temps donné, chaque pixel se remplit progressivement d'électrons proportionnellement à la quantité de lumière qui y est entrée, comme un seau exposé à la rue sous la pluie. Au bout de ce temps, les charges électriques accumulées par chaque pixel sont tour à tour transférées à la "sortie" de l'appareil et mesurées. Tout cela est possible grâce à la structure spécifique du cristal, où se trouvent les éléments photosensibles, et au circuit de commande électrique.

Le CCD fonctionne à peu près de la même manière. Après exposition (illumination par l'image projetée), le circuit électronique de commande de l'appareil lui fournit un ensemble complexe de tensions impulsionnelles, qui commencent à déplacer les colonnes avec des électrons accumulés en pixels vers le bord de la matrice, où il y a un registre CCD de mesure, dans lequel les charges sont déjà déplacées dans la direction perpendiculaire et tombent sur l'élément de mesure, créant des signaux proportionnels aux charges individuelles. Ainsi, pour chaque instant ultérieur, nous pouvons obtenir la valeur de la charge accumulée et déterminer à quel pixel de la matrice (numéro de ligne et numéro de colonne) il correspond.

En bref sur la physique du processus.

Pour commencer, nous notons que les CCD appartiennent aux produits de l'électronique dite fonctionnelle, Ils ne peuvent pas être représentés comme un ensemble de radioéléments individuels - transistors, résistances et condensateurs. Le travail est basé sur le principe du couplage de charges. Le principe du couplage de charges utilise deux positions connues de l'électrostatique :

1. comme les charges repoussent,
2. les charges ont tendance à se situer là où leur énergie potentielle est minimale. Ceux. à peu près - "le poisson regarde là où il est plus profond."

Tout d'abord, imaginons un condensateur MOS (MOS est l'abréviation de métal oxyde semi-conducteur). C'est ce qui reste du transistor MOS, si on en retire le drain et la source, c'est-à-dire juste une électrode séparée du silicium par une couche diélectrique. Pour plus de précision, nous supposerons que le semi-conducteur est de type p, c'est-à-dire que la concentration de trous dans des conditions d'équilibre est beaucoup (plusieurs ordres de grandeur) supérieure à celle des électrons. En électrophysique, un "trou" est une charge réciproque à la charge d'un électron, c'est-à-dire charge positive.

Que se passe-t-il si un potentiel positif est appliqué à une telle électrode (on l'appelle une porte) ? Le champ électrique créé par la grille, pénétrant le silicium à travers le diélectrique, repousse les trous mobiles ; une région d'appauvrissement apparaît - un certain volume de silicium exempt de porteurs majeurs. Avec les paramètres des substrats semi-conducteurs typiques des CCD, la profondeur de cette région est d'environ 5 µm. Au contraire, les électrons générés ici sous l'action de la lumière seront attirés vers la grille et s'accumuleront à l'interface oxyde-silicium directement sous la grille, c'est-à-dire qu'ils tombent dans le puits de potentiel (Fig. 1).

Figure. une
Formation d'un creux de potentiel lorsque la tension est appliquée à la grille

Dans ce cas, les électrons, au fur et à mesure qu'ils s'accumulent dans le puits, neutralisent partiellement le champ électrique créé dans le semi-conducteur par la grille et peuvent finalement le compenser complètement, de sorte que tout le champ électrique ne tombera que sur le diélectrique, et tout reviendra à son état d'origine - à l'exception qu'une fine couche d'électrons se forme à l'interface.

Supposons maintenant qu'une autre porte soit située à côté de la porte et qu'un potentiel positif lui soit également appliqué, et plus qu'à la première (Fig. 2). Si seules les portes sont suffisamment proches, leurs puits de potentiel fusionnent et les électrons d'un puits de potentiel se déplacent vers le puits voisin s'il est "plus profond".
Figure. 2
Chevauchement des trous potentiels de deux portes rapprochées. La charge s'écoule vers l'endroit où le trou potentiel est plus profond.

Il devrait maintenant être clair que si nous avons une chaîne de portes, alors en leur appliquant des tensions de commande appropriées, il est possible de transférer un paquet de charge localisé le long d'une telle structure. Une caractéristique remarquable du CCD - la propriété d'auto-balayage - est que seulement trois bus d'horloge sont suffisants pour contrôler une chaîne de portes de n'importe quelle longueur. (Le terme bus en électronique est un conducteur de courant électrique qui relie des éléments du même type, un bus d'horloge est les conducteurs le long desquels une tension déphasée est transmise.) En effet, pour le transfert de paquets de charges, trois électrodes sont nécessaires et suffisant: un émetteur, un récepteur et un isolant, séparant les paires recevant et émettant l'un de l'autre, et les électrodes du même nom de tels triplets peuvent être connectées entre elles dans un seul bus d'horloge, ne nécessitant qu'une seule sortie externe (Fig. 3).

Figure. 3
Le registre CCD triphasé le plus simple.
La charge dans chaque puits de potentiel est différente.

C'est le registre à décalage triphasé le plus simple sur un CCD. Les diagrammes d'horloge du fonctionnement d'un tel registre sont illustrés à la Fig. quatre.

Figure. quatre
Les diagrammes d'horloge pour contrôler un registre triphasé sont trois méandres décalés de 120 degrés.
Lorsque les potentiels changent, les charges se déplacent.

On peut voir que pour son fonctionnement normal à chaque instant, au moins un bus d'horloge doit avoir un potentiel élevé, et au moins un - un potentiel bas (potentiel barrière). Lorsque le potentiel sur un bus augmente et diminue sur l'autre (précédent), tous les paquets de charge sont transférés simultanément sous les portes adjacentes, et pour un cycle complet (un cycle sur chaque bus de phase), les paquets de charge sont transférés (décalés) à un élément de registre.

Pour localiser les paquets de charge dans la direction transversale, des canaux dits d'arrêt sont formés - des bandes étroites avec une concentration accrue du dopant principal, longeant le canal de transfert (Fig. 5).

Figure. cinq.
Vue de dessus du registre.
Le canal de transfert dans le sens latéral est limité par des canaux d'arrêt.

Le fait est que la concentration du dopant dépend de la tension spécifique à la grille sous la région d'appauvrissement (ce paramètre n'est rien d'autre que la tension de seuil de la structure MOS). D'après des considérations intuitives, il est clair que plus la concentration en impuretés est élevée, c'est-à-dire plus il y a de trous dans le semi-conducteur, plus il est difficile de les enfoncer dans la profondeur, c'est-à-dire plus la tension de seuil est élevée ou, à une tension, plus le potentiel dans le puits de potentiel.

Problèmes

Si, dans la production d'appareils numériques, l'étalement des paramètres sur la plaque peut atteindre plusieurs fois sans effet notable sur les paramètres des appareils résultants (puisque le travail est effectué avec des niveaux de tension discrets), alors dans un CCD, un un changement de, disons, la concentration du dopant de 10 % est déjà perceptible dans l'image. La taille du cristal et l'impossibilité de redondance, comme dans la mémoire LSI, ajoutent ses propres problèmes, de sorte que les zones défectueuses conduisent à l'inutilisabilité de l'ensemble du cristal.

Résultat

Technologiquement, différents pixels CCD ont une sensibilité différente à la lumière et cette différence doit être corrigée.

Dans les CMA numériques, cette correction est appelée Auto Gain Control (AGC).

Comment fonctionne le système AGC

Pour faciliter la réflexion, nous ne prendrons pas quelque chose de spécifique. Supposons qu'il existe des niveaux potentiels à la sortie de l'ADC du nœud CCD. Disons que 60 est le niveau de blanc moyen.

1. Pour chaque pixel de la ligne CCD, une valeur est lue lorsqu'elle est éclairée avec une lumière blanche de référence (et dans les appareils plus sérieux - et en lisant le "niveau de noir").
2. La valeur est comparée à un niveau de référence (par exemple la moyenne).
3. La différence entre la valeur de sortie et le niveau de référence est stockée pour chaque pixel.
4. Plus tard, lors du balayage, cette différence est compensée pour chaque pixel.

Le système AGC est initialisé chaque fois que le système de scanner est initialisé. Vous avez probablement remarqué que lorsque vous allumez la machine, après un certain temps, le chariot du scanner commence à faire des mouvements avant-arrière (ramper autour des bandes n/b). Il s'agit du processus d'initialisation du système AGC. Le système prend également en compte l'état de la lampe (vieillissement).

Vous avez aussi probablement remarqué que les petits MFP équipés d'un scanner couleur « allument la lampe » tour à tour en trois couleurs : rouge, bleu et vert. Ensuite, seul l'éclairage d'origine devient blanc. Ceci est fait pour une meilleure correction de la sensibilité de la matrice séparément pour les canaux RVB.

Test de demi-teinte (TEST D'OMBRE) permet d'initier cette procédure à la demande de l'ingénieur et de ramener les valeurs de correction aux conditions réelles.

Essayons de considérer tout cela sur une vraie machine de "combat". Nous prendrons comme base un appareil bien connu et populaire. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Il est à noter que dans notre cas CCD devient CIS (Contact Image Sensor), mais l'essence de ce qui se passe ne change pas fondamentalement. Tout comme une source de lumière, les bandes LED sont utilisées.

Donc:

Le signal d'image de CIS a un niveau d'environ 1,2 V et est envoyé à la section ADC (SADC) du contrôleur d'appareil (SADC). Après SADC, le signal CIS analogique sera converti en un signal numérique 8 bits.

Le processeur d'image de la SADC utilise principalement la fonction de correction de tonalité, puis la fonction de correction gamma. Ensuite, les données sont transmises aux différents modules en fonction du mode de fonctionnement. En mode Texte, les données d'image vont au module LAT, en mode Photo, les données d'image vont au module "Error Diffusion", et en mode PC-Scan, les données d'image vont directement à un ordinateur personnel via un accès DMA.

Placez quelques feuilles de papier blanc sur la vitre d'exposition avant le test. Il va sans dire que l'optique, la bande n/b et, en général, l'ensemble du scanner de l'intérieur doivent être préalablement "léchés"

1. Sélectionnez en MODE TECH
2. Appuyez sur la touche ENTER pour numériser l'image.
3. Après la numérisation, "CIS SHADING PROFILE" sera imprimé. Un exemple d'une telle feuille est montré ci-dessous. Il n'est pas nécessaire que ce soit une copie de votre résultat, mais il est proche de l'image.
4. Si l'image imprimée est très différente de l'image montrée sur la figure, le CIS est défectueux. Faites attention - au bas de la feuille de rapport, il est écrit « Résultats : OK ». Cela signifie que le système n'a aucune plainte sérieuse concernant le module CIS. Sinon, des résultats d'erreur seront donnés.

Exemple d'impression de profil :

Bonne chance à toi!!

Les matériaux des articles et des conférences des enseignants de l'Université d'État de Saint-Pétersbourg (LSU), de l'Université électrotechnique de Saint-Pétersbourg (LETI) et d'Axl sont pris comme base. Merci à eux.

Matériel préparé par V. Shelenberg

Après avoir lu la partie précédente, notre lecteur peut avoir l'impression que le CCD est une sorte de "boîte noire" qui émet un "négatif électronique" après que l'image lumineuse créée par l'objectif a été projetée sur sa surface d'enregistrement, et que le la qualité de l'image est influencée exclusivement par la taille du capteur.

Les vendeurs de matériel photographique numérique adhèrent au même point de vue, poussant doucement mais constamment un acheteur potentiel à acheter un modèle avec le plus grand capteur possible, même s'il n'y a pas de raisons objectives à un tel achat. Encore plus souvent, divers types de « développements uniques » utilisés pour créer la matrice, qui, curieusement, ne sont utilisés par aucun autre fabricant, agissent comme « appât » pour le client.

Il est difficile pour un photographe amateur novice de distinguer les promesses publicitaires des découvertes techniques vraiment efficaces. Cet article tentera de « séparer le bon grain de l'ivraie », mais vous devez d'abord vous familiariser avec les définitions de base de la photographie numérique.

Comment un photon devient un électron

Dans les dispositifs à couplage de charge, la conversion d'un photon en électron s'effectue grâce à un effet photoélectrique interne : absorption d'un quantum de lumière par un réseau cristallin semi-conducteur avec libération de porteurs de charge. Il peut s'agir d'une paire "électron + trou" ou d'un seul porteur de charge - ce dernier se produit lorsque des impuretés donneur ou accepteur sont utilisées dans un semi-conducteur. Il est évident que les porteurs de charges formés doivent être en quelque sorte conservés jusqu'au moment de la lecture.

Pour cela, le matériau principal de la matrice CCD, un substrat de silicium de type p, est équipé de canaux d'un semi-conducteur de type n, sur lesquels des électrodes transparentes aux photons sont en silicium polycristallin. Après application d'un potentiel électrique sur une telle électrode, un puits de potentiel est créé dans la zone de déplétion sous le canal de type n, dont le but est de stocker la charge « extraite » grâce à l'effet photoélectrique interne. Plus les photons tombent sur l'élément CCD (pixel) et se transforment en électrons, plus la charge accumulée par le puits sera élevée.

élément CCD

Section transversale des pixels CCD

Pour obtenir un "négatif électronique", il faut compter la charge de chaque puits de potentiel de la matrice. Cette charge est appelée photocourant, sa valeur est assez faible et après lecture elle nécessite une amplification obligatoire.

La charge est lue par un dispositif connecté à la rangée la plus externe de la matrice, appelée registre à décalage série. Ce registre est une chaîne de cellules CCD dont les charges sont lues une à une. Lors de la lecture de la charge, la capacité des éléments CCD à déplacer les charges des puits de potentiel est utilisée - en fait, c'est pourquoi ces dispositifs sont appelés dispositifs CCD. Pour cela, des électrodes de grille de transfert sont utilisées, situées dans l'espace entre les éléments PSG. Des potentiels sont appliqués à ces électrodes, "attirant" la charge d'un puits de potentiel et la transférant à un autre.

Grâce à l'alimentation synchrone du potentiel des électrodes de transfert, le transfert simultané de toutes les charges de ligne de droite à gauche (ou de gauche à droite) en un cycle de travail est assuré. La charge s'est avérée être "supplémentaire" à la sortie de la matrice CCD. Ainsi, le registre à décalage série convertit les charges entrant à son entrée sous forme de "chaînes" parallèles en une séquence d'impulsions électriques de différentes amplitudes à la sortie. Pour alimenter ces "chaînes" parallèles à l'entrée du registre série, à nouveau un registre à décalage est utilisé, mais cette fois en parallèle.

CCD

Section transversale des pixels CCD

En fait, le registre parallèle est le CCD lui-même, qui crée une « fonte » électronique de l'image lumineuse au moyen d'une combinaison de photocourants. Une matrice est un ensemble de registres séquentiels appelés colonnes et synchronisés entre eux. En conséquence, pendant le cycle de travail, il y a un "glissement" synchrone des photocourants vers le bas, et les charges de la rangée inférieure de la matrice qui se sont avérées "inutiles" sont envoyées à l'entrée du registre série.

Comme il ressort de ce qui précède, un nombre suffisamment grand de microcircuits de commande est nécessaire pour synchroniser l'alimentation des potentiels aux registres à décalage à la fois parallèles et série. De toute évidence, le registre série doit être totalement exempt de charges dans l'intervalle entre les cycles d'horloge du registre parallèle, par conséquent, un microcircuit est nécessaire pour synchroniser les deux registres.

De quoi est fait un pixel

Selon le schéma ci-dessus, la matrice CCD dite plein format fonctionne, son mode de fonctionnement impose une certaine limitation sur la conception de l'appareil photo : si l'exposition ne s'arrête pas pendant la lecture du photocourant, la charge "supplémentaire" générée par les photons tombant sur les pixels, "Smeared" sur le cadre. Par conséquent, un obturateur mécanique est nécessaire, bloquant le flux de lumière vers le capteur pendant le temps nécessaire pour lire les charges de tous les pixels. Bien entendu, un tel schéma de lecture des photocourants ne permet pas la formation d'un flux vidéo en sortie de la matrice, il n'est donc utilisé que dans les équipements photographiques.

Cependant, l'excès de charge peut s'accumuler dans le puits de potentiel pendant la photographie - par exemple, si l'exposition est trop "longue". Les électrons "supplémentaires" ont tendance à "s'étaler" sur les pixels voisins, ce qui est affiché dans l'image sous forme de points blancs, dont la taille est liée à la valeur de débordement. Cet effet est appelé blooming (de l'anglais blooming - "flou"). La lutte contre l'efflorescence est réalisée au moyen d'un drainage électronique (drain) - élimination de l'excès de charge d'une fosse potentielle. Il existe deux principaux types de drainage : vertical (Vertical Overflow Drain, VOD) et latéral (Lateral Overflow Drain, LOD).

Drain latéral CCD

Schéma de drainage latéral

Pour mettre en œuvre un drainage vertical, un potentiel est appliqué au substrat ICT, qui, lorsque la profondeur du puits de potentiel est trop rempli, assure la sortie des électrons en excès à travers le substrat. Le principal inconvénient d'un tel schéma est une diminution de la profondeur de la fosse potentielle, ce qui réduit la plage dynamique. Et dans les matrices à rétroéclairage (dans celles-ci, les photons pénètrent dans le capteur non pas à travers l'électrode du puits de potentiel, mais par le côté du substrat), le drainage vertical est généralement inapplicable.

Le drainage latéral est effectué à l'aide de "rainures de drainage" spéciales dans lesquelles les électrons en excès "se drainent". Pour former ces rainures, des électrodes spéciales sont posées, auxquelles un potentiel est fourni, qui forme le système de drainage. D'autres électrodes créent une barrière qui empêche la fuite prématurée des électrons du puits de potentiel.

Comme il ressort de la description, avec un drainage latéral, la profondeur du puits de potentiel ne diminue pas, cependant, la zone de la région photosensible du pixel est réduite. Néanmoins, il est impossible de se passer de drainage, car le blooming déforme l'image plus que tous les autres types d'interférences. Par conséquent, les fabricants sont obligés de compliquer la conception des matrices.

Ainsi, le « cerclage » de tout pixel est constitué au moins des électrodes de transfert de charges et des composants du système de drainage. Cependant, la plupart des CCD se caractérisent par une structure plus complexe de leurs éléments.

Optique à pixels

Les capteurs CCD utilisés dans les caméras vidéo et dans la plupart des appareils photo numériques amateurs fournissent un flux continu d'impulsions à leur sortie, tandis que le chemin optique ne se chevauche pas. Pour éviter le flou de l'image, une matrice CCD interligne est utilisée.

CCD à tampon de colonne

Structure matricielle tamponnée en colonnes

Dans de tels capteurs, à côté de chaque colonne (qui est un registre à décalage séquentiel) se trouve une colonne tampon (également un registre à décalage séquentiel), constituée d'éléments CCD recouverts de bandes opaques (généralement métalliques). L'ensemble de colonnes tampons constitue un registre parallèle tampon, et les colonnes de ce registre sont "entremêlées" avec les colonnes d'enregistrement de lumière.

En un cycle de travail, le registre à décalage parallèle photosensible donne tous ses photocourants au registre parallèle tampon au moyen d'un "décalage horizontal" des charges, après quoi la partie photosensible est à nouveau prête pour l'exposition. Vient ensuite le "décalage vertical" ligne par ligne des charges du registre parallèle tampon dont la ligne du bas est l'entrée du registre à décalage matriciel série.

Il est évident que le transfert de la charge matricielle vers le registre à décalage parallèle tampon prend un court intervalle de temps et qu'il n'est pas nécessaire de bloquer le flux lumineux avec un obturateur mécanique - les creux n'auront pas le temps de déborder. D'autre part, le temps d'exposition requis est généralement comparable au temps de lecture de l'ensemble du registre parallèle tampon. De ce fait, l'intervalle entre les expositions peut être réduit au minimum - en conséquence, le signal vidéo dans les caméras vidéo modernes est formé à une fréquence de 30 images par seconde et plus.

À leur tour, les capteurs à mémoire tampon de colonne se divisent en deux catégories. Lors de la lecture de toutes les lignes dans un cycle d'horloge, on peut parler d'une matrice avec un balayage progressif. Lorsque des lignes impaires sont lues dans le premier cycle, et des lignes paires dans le second (ou vice versa), on parle d'une matrice de balayage entrelacé. Soit dit en passant, en raison de la similitude du son des termes anglais "interlined matrix" et "interlaced" dans la littérature nationale, les capteurs avec mise en mémoire tampon de rangée sont souvent appelés à tort entrelacés.

Curieusement, des frottis de charge se produisent également dans les matrices tamponnées en colonne. Ceci est causé par le flux partiel d'électrons du puits de potentiel de l'élément CCD photosensible dans le puits de potentiel de l'élément tampon voisin. Cela se produit particulièrement souvent lorsque les niveaux de photocourant sont proches du maximum, en raison d'un éclairage très élevé du pixel. En conséquence, une bande lumineuse s'étend de haut en bas à partir de ce point lumineux de l'image, ce qui gâche le cadre.

Pour contrer ce phénomène, la distance entre les éléments photosensibles et CCD tampon est augmentée. En conséquence, l'échange de charges devient plus compliqué et le temps passé sur celui-ci augmente, mais la distorsion de la trame provoquée par le « maculage » est encore trop perceptible pour être négligée.

La mise en mémoire tampon de la colonne permet également la mise en œuvre d'un obturateur électronique, ce qui élimine le besoin de blocage mécanique du flux lumineux. Avec l'obturateur électronique, vous pouvez atteindre des vitesses d'obturation ultra-rapides (jusqu'à 1/10 000e de seconde) qui sont inaccessibles avec un obturateur mécanique. Cette fonctionnalité est particulièrement pertinente lors de la photographie de sports, de phénomènes naturels, etc.

Pour mettre en place un volet électronique, un drainage anti-efflorescence est nécessaire. Lors de poses très courtes, de durée plus courte que le temps de transfert de charge du puits de potentiel de l'élément CCD photosensible vers le puits de potentiel du tampon, le drainage joue le rôle de "coupure". Cette "coupure" empêche les électrons générés dans le puits de l'élément photosensible après le temps d'exposition de pénétrer dans le puits de l'élément tampon CCD.

Structure de pixels - microlentille et conventionnelle

Le degré de concentration du flux lumineux lors du passage dans la microlentille dépend du niveau technologique du fabricant de la matrice. Il existe des conceptions assez complexes qui offrent une efficacité maximale à ces appareils miniatures.

Cependant, l'utilisation de microlentilles réduit considérablement la probabilité que les rayons lumineux incidents à un grand angle par rapport à la normale pénètrent dans la zone sensible à la lumière. Et avec une grande ouverture, le pourcentage de ces rayons est assez important. Ainsi, l'intensité de l'effet du flux lumineux sur la matrice diminue, c'est-à-dire l'effet principal pour lequel le diaphragme est ouvert.

Cependant, le mal de tels rayons n'est pas moins que le bénéfice. Le fait est que, pénétrant le silicium à un grand angle, un photon peut entrer dans la matrice à la surface d'un pixel et assommer un électron dans le corps d'un autre. Cela conduit à une distorsion de l'image. Par conséquent, afin d'affaiblir l'influence de ces photons "perforants", la surface de la matrice, à l'exception des zones photosensibles, est recouverte d'un masque opaque (généralement métallique), ce qui complique encore la conception. des matrices.

De plus, les microlentilles introduisent certaines distorsions dans l'image enregistrée, brouillant les bords des lignes dont l'épaisseur est proche de la résolution du capteur. Mais même cet effet négatif peut être partiellement bénéfique. De telles lignes fines peuvent conduire à un aliasing de l'image, résultant de l'attribution d'une couleur spécifique à un pixel, qu'il soit couvert par une partie de l'image entièrement ou seulement une partie de celle-ci. L'irrégularité entraîne des lignes irrégulières avec des bords irréguliers dans l'image.

C'est à cause du pas que les caméras avec de grands capteurs plein format sont équipées de filtres anti-aliasing, et le prix de ces appareils est assez élevé. Eh bien, les matrices avec microlentilles n'ont pas besoin de ce filtre.

En raison des différentes exigences de qualité d'image, les matrices à tampon de colonne sont principalement utilisées dans la technologie amateur, tandis que les capteurs plein format se sont installés dans les caméras professionnelles et de studio.

À suivre

Cet article donne une description, si je puis dire, de la géométrie des pixels. Plus de détails sur les processus se produisant lors de l'enregistrement, du stockage et de la lecture de la charge seront décrits dans le prochain article.

Qu'est-ce qu'un CCD ?

Un peu d'histoire

Auparavant, les matériaux photographiques étaient utilisés comme récepteur de lumière : plaques photographiques, pellicule photographique, papier photographique. Plus tard, des caméras de télévision et des tubes photomultiplicateurs (tubes photomultiplicateurs) sont apparus.
À la fin des années 60 et au début des années 70, les "dispositifs de couplage de charge" ont commencé à être développés, abrégés en CCD. En anglais, cela ressemble à "charge-coupled devices" ou CCD en abrégé. En principe, les CCD étaient basés sur le fait que le silicium est capable de répondre à la lumière visible. Et ce fait a conduit à l'idée que ce principe peut être utilisé pour obtenir des images d'objets lumineux.

Les astronomes ont été parmi les premiers à reconnaître l'extraordinaire capacité du CCD à capturer des images. En 1972, un groupe de chercheurs du JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) a mis en place un programme de développement de CCD pour l'astronomie et la recherche spatiale. Trois ans plus tard, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de l'Arizona, l'équipe a acquis la première image CCD astronomique. Dans l'image proche infrarouge d'Uranus à l'aide d'un télescope d'un mètre et demi, des taches sombres ont été trouvées près du pôle sud de la planète, indiquant la présence de méthane là-bas ...

L'utilisation de matrices CCD aujourd'hui a trouvé une large application : appareils photo numériques, caméras vidéo ; Il est devenu possible d'intégrer la matrice CCD en tant qu'appareil photo même dans les téléphones portables.

Dispositif CCD

Un dispositif CCD typique (Fig. 1): sur la surface du semi-conducteur se trouve une fine couche (0,1-0,15 m) de diélectrique (généralement de l'oxyde), sur laquelle sont situées des bandes d'électrodes conductrices (en métal ou en silicium polycristallin). Ces électrodes forment un système régulier linéaire ou matriciel, et les distances entre les électrodes sont si petites que les effets de l'influence mutuelle des électrodes voisines sont importants. Le principe de fonctionnement du CCD repose sur l'émergence, le stockage et le transfert directionnel de paquets de charges dans des puits de potentiel formés dans la couche proche de la surface d'un semi-conducteur lorsque des tensions électriques externes sont appliquées aux électrodes.

Figure. 1. La structure de base de la matrice CCD.

En figue. 1, les symboles C1, C2 et C3 désignent des condensateurs MOS (métal-oxyde-semi-conducteur).

Si une tension positive U est appliquée à n'importe quelle électrode, alors un champ électrique apparaît dans la structure MIS, sous l'action duquel les porteurs majoritaires (trous) quittent très rapidement (en quelques picosecondes) la surface semi-conductrice. En conséquence, une couche d'appauvrissement est formée à la surface, dont l'épaisseur est de fractions ou d'unités de micromètre. Les porteurs minoritaires (électrons) générés dans la couche appauvrie sous l'action de tout processus (par exemple, thermique) ou qui y sont parvenus des régions neutres du semi-conducteur sous l'action de la diffusion se déplaceront (sous l'action du champ) vers le interface semi-conducteur-isolant et se localisent dans une couche inverse étroite. Ainsi, un puits de potentiel pour les électrons apparaît à la surface, dans lequel ils roulent depuis la couche d'appauvrissement sous l'action du champ. Les porteurs majoritaires (trous) générés dans la couche d'appauvrissement sont éjectés dans la partie neutre du semi-conducteur sous l'action du champ.
Pendant un intervalle de temps donné, chaque pixel se remplit progressivement d'électrons proportionnellement à la quantité de lumière qui y est entrée. Au bout de ce temps, les charges électriques accumulées par chaque pixel sont tour à tour transférées à la "sortie" de l'appareil et mesurées.

La taille du pixel photosensible des matrices va de un à deux à plusieurs dizaines de microns. La taille des cristaux d'halogénure d'argent dans la couche photosensible du film photographique varie de 0,1 (émulsions positives) à 1 micron (négatif hautement sensible).

L'un des principaux paramètres de la matrice est ce qu'on appelle l'efficacité quantique. Ce nom reflète l'efficacité de conversion des photons absorbés (quanta) en photoélectrons et est similaire au concept photographique de photosensibilité. Comme l'énergie des quanta de lumière dépend de leur couleur (longueur d'onde), il est impossible de déterminer sans ambiguïté combien d'électrons vont naître dans un pixel matriciel lorsqu'il absorbe, par exemple, un flux de cent photons dissemblables. Par conséquent, l'efficacité quantique est généralement donnée dans le passeport de la matrice en fonction de la longueur d'onde, et dans certaines parties du spectre, elle peut atteindre 80%. C'est bien plus qu'une émulsion photographique ou un oeil (environ 1%).

Quels sont les types de CCD ?

Si les pixels sont alignés sur une rangée, alors le récepteur est appelé une règle CCD, si la surface est remplie de rangées paires, alors le récepteur est appelé une matrice CCD.

La règle CCD avait un large éventail d'applications dans les années 1980 et 1990 pour les observations astronomiques. Il suffisait de maintenir l'image le long de la ligne CCD et elle apparaissait sur l'écran de l'ordinateur. Mais ce processus s'est accompagné de nombreuses difficultés et, par conséquent, à l'heure actuelle, les matrices CCD sont de plus en plus remplacées par des matrices CCD.

Effets indésirables

L'un des effets secondaires indésirables du transfert de charge sur le CCD qui peut interférer avec les observations est la présence de bandes verticales lumineuses (piliers) à la place des zones lumineuses d'une petite zone de l'image. De plus, les effets indésirables possibles des matrices CCD comprennent : un bruit sombre élevé, la présence de pixels « aveugles » ou « chauds », une sensibilité inégale dans le champ de la matrice. Pour réduire le bruit d'obscurité, un refroidissement autonome des matrices CCD est utilisé jusqu'à des températures de -20°C et moins. Ou une image sombre est prise (par exemple, avec un objectif fermé) avec la même durée (exposition) et la même température que l'image précédente. Par la suite, un cadre sombre est soustrait de l'image par un programme spécial sur l'ordinateur.

L'avantage des caméras de télévision CCD est qu'elles peuvent capturer des images jusqu'à 25 images par seconde avec une résolution de 752 x 582 pixels. Mais l'inadaptation de certaines caméras de ce type aux observations astronomiques est que le constructeur y met en œuvre un prétraitement interne des images (lecture - distorsion) pour une meilleure perception des images reçues par vision. C'est AGC (réglage de contrôle automatisé), et le soi-disant. l'effet des « frontières nettes » et autres.

Le progrès…

En général, l'utilisation de récepteurs CCD est beaucoup plus pratique que l'utilisation de récepteurs de lumière non numériques, car les données obtenues apparaissent immédiatement sous une forme adaptée au traitement sur ordinateur et, de plus, la vitesse d'obtention des trames individuelles est très élevé (de plusieurs images par seconde à quelques minutes).

Actuellement, la production de CCD se développe et s'améliore à un rythme rapide. Le nombre de "mégapixels" de matrices augmente - le nombre de pixels individuels par unité de surface de la matrice. La qualité des images obtenues à l'aide de CCD, etc. est améliorée.

Sources utilisées :
1. 1. Victor Belov. Précision au dixième de micron.
2. 2. S.E. Guryanov. Rencontre - CCD.