Ce este egal cu timpul de expunere în matricele CCD. CCD. Principiul fizic al funcționării CCD. Matrice CCD. Lungimea focală și unghiul de vizualizare

Imaginile fotovoltaice de stare solidă (TFEP) sunt analogi de transmitere CRT.

TFEP a început din 1970, cu așa-numitul CCD și se formează pe baza celulelor individuale reprezentând condensatoarele structurii MDP sau MOS. Una dintre plăcile unui astfel de condensator elementar este filmul metalic M, cel de-al doilea substrat semiconductor P ( p.- sau n.-Romani), Dielectric D servește un semiconductor aplicat ca un strat subțire pe substratul P. ca substrat P Silicon dopat cu acceptor ( p.-Tilă) sau donator ( n.-Tilă) impuritate și ca oxid de siliciu Sio. 2 (vezi Fig.8.8).

Smochin. 8.8.Condensator mos-structură

Smochin. 8.9.Taxe în mișcare sub acțiunea câmpului electric

Smochin. 8.10.Principiul funcționării sistemului CCD trifazat

Smochin. 8.11.Încărcarea încărcărilor într-un sistem CCD cu două faze

Când se aplică un electrod de tensiune metalică, se formează o "buzunar" sau o groapă potențială, în care transportatorii non-core pot "acumula" (în cazul nostru), iar purtătorii principali, găurile vor fi respinse de la M. La o anumită distanță de suprafață, concentrația de purtători non-core se poate dovedi a fi mai mare decât concentrația principală. Aproape de dielectric D din substratul N are loc un strat de inversare în care tipul de conductivitate se schimbă la opus.

Pachetul de încărcare din CCD poate fi administrat prin electric sau folosind generarea de lumină. Cu generarea luminii de procese fotovoltaice care apar în siliciu, va duce la acumularea de purtători non-core în gropile potențiale. Taxa acumulată este proporțională cu iluminarea și timpul de acumulare. Încărcarea direcțională a încărcării în CCD este asigurată de localizarea condensatoarelor MOS la o distanță atât de apropiată de cealaltă, pe care zonele lor le-au suprapune și se conectează eventualele godeuri. În același timp, sarcina mobilă a transportatorilor non-core se va acumula în locul unde pizaua potențială este mai profundă.

Lăsați sub influența încărcării acumulate în interiorul electrodului U. 1 (vezi Fig.8.9). Dacă acum pe electrodul adiacent U. 2 Trimiteți tensiunea U. 2 \u003e U. 1, atunci o altă groapă potențială apare aproape, mai profundă ( U. 2 \u003e U. unu). O regiune a câmpului electric și a transportatorilor non-core va apărea între ele (electroni) se va deplasa (debit) într-un "buzunar" mai profund (vezi figura 8.9). Pentru a exclude transmisia bidirecțională, se utilizează secvența de electrozi combinată în grupuri de 3 electrozi (vezi figura 8.10).

Dacă, de exemplu, încărcarea acumulată sub electrodul 4 și este necesară transferarea acestuia spre dreapta, atunci o tensiune mai mare este furnizată la electrodul drept 5 ( U. 2 \u003e U. 1) și taxa curge la ea etc.

Aproape întreaga totalitate a electrozilor este conectată la cele trei anvelope:

I - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

În cazul nostru, tensiunea "recepția" ( U. 2) va fi pe electrozii 2 și 5, dar electrodul 2 este separat de electrodul 4, unde încărcătura este stocată, electrodul 3 (din care

U. 3 \u003d 0), astfel încât fluxul din stânga nu va fi.

Funcționarea de trinket a CCD implică prezența a trei electrozii (celule) la un element al imaginii TV, care reduce zona utilă utilizată de fluxul de lumină. Pentru a reduce numărul de celule (electrozii) CCD, electrozii metalici și un strat dielectric sunt formate dintr-o formă treptată (vezi figura 8.11). Acest lucru permite, atunci când impulsurile de tensiune sunt furnizate electrozi, gropi potențiale de adâncimi diferite în diferitele sale secțiuni. Într-o groapă mai profundă, cele mai multe taxe din fluxul celular învecinat.

Cu un sistem CCD cu două faze, numărul de electrozi (celule) din matrice este redus cu o treime, care afectează în mod favorabil relieful de lectură.

CCC a fost oferit pentru prima dată să se utilizeze în tehnologia de calcul ca dispozitive de stocare, registre de schimbare. La începutul lanțului, a fost pusă la dispoziție o diodă injecționară și la capătul lanțului - o diodă de ieșire este de obicei n-p- sau p-n-structurile de tranziții MOP care se formează cu primii și ultimii electrozi (celule) ale lanțurilor de tranzistori de câmp CCD.

Dar, curând, sa dovedit că CCD este foarte sensibilă la lumină și, prin urmare, sunt mai bune și mai eficiente de a se folosi ca lumini reproduse și nu ca dispozitive de stocare.

Dacă matricea CCD este utilizată ca fotodetector, atunci acumularea de încărcare sub unul sau un alt electrod poate fi efectuată prin metoda optică (lumină de injectare). Se poate spune că matricele CCD sunt în esență registre de schimbare analogice fotosensibile. Astăzi, CCD nu este utilizat ca dispozitive de stocare (memorie), ci doar ca fotodetectoare. Acestea sunt utilizate în mașini de fax, scanere (reguli CCD), camere foto și video (matrice CCD). De obicei, așa-numitele chipsuri CCD sunt utilizate în camerele TV.

Am presupus că toate taxele de 100% sunt transmise în buzunarul vecin. Cu toate acestea, în practică trebuie considerate pierderi. Una dintre sursele de pierderi este "capcane" capabile să captureze și să dețină unele taxe. Aceste taxe nu au timp să curgă în buzunarul din apropiere, dacă rata de transfer este excelentă.

Al doilea motiv este mecanismul de debit însuși. În primul moment, transferul de taxe are loc într-un câmp electric puternic - drift în E.. Cu toate acestea, ca taxe percepute, rezistența câmpului cade și procesul de derivație se estompează, astfel încât ultima porțiune se mișcă datorită difuziei, de 100 de ori mai lentă drift. Așteptați ultima porțiune - înseamnă să reduceți viteza. DRAIF oferă mai mult de 90% din transfer. Dar ultimele procente sunt de bază la determinarea pierderilor.

Permiteți coeficientului de transmisie al unui ciclu de transfer egal k. \u003d 0,99, crezând numărul de cicluri egale N. \u003d 100, definim coeficientul total de transmisie:

0,99 100 = 0,366

Ea devine evident că, cu un număr mare de articole, chiar și pierderile minore pe un element sunt cele mai importante pentru lanț în ansamblu.

Prin urmare, problema reducerii numărului de taxe de taxe din matricea CCD este deosebit de importantă. În acest sens, matricea unui CCD cu două faze Coeficientul de transmisie de încărcare va fi oarecum mare decât într-un sistem trifazat.

În ultimii ani, recenzii entuziaste dedicate următoarei "miracole tehnologice, concepute pentru a influența viitorul fotografiei digitale, concepute pentru a influența viitorul fotografiei digitale, sunt destul de frecvente în computerul apropiat (și nu numai), presa este destul de adesea comună. Aceasta este o versiune de frază generalizată într-o formă sau altul. Dar ceea ce este caracteristic al singurul an al entuziasmului inițial merge treptat la "nu", iar majoritatea producătorilor de echipamente fotografice digitale în loc de "dezvoltare avansată" preferă să utilizeze soluții dovedite.

M-aș aventura să presupun că motivul pentru o astfel de dezvoltare a evenimentelor este destul de simplu - este suficient să acorde o atenție la "simplitatea strălucitoare" a unei decizii. De fapt, rezoluția matricei nu este suficientă? Și să nu pixeli nu coloane și rânduri, ci să avem o linie diagonală și apoi să "întoarceți" de software-ul "imagine" cu 45 de grade, aici vom da rezoluția imediat! Nu contează că crește claritatea numai a liniilor strict verticale și orizontale și înclinate și a curbelor (dintre care imaginea reală constă) rămân neschimbate. Principalul lucru este că efectul este observat, înseamnă că poate fi tare despre asta.

Din păcate, utilizatorul modern este "răsfățat de megapixeli". El nu este bun că de fiecare dată permisiunea dezvoltatorilor matricelor CCD "clasice" trebuie să fie rezolvată cea mai complexă sarcină pentru a asigura o gamă dinamică acceptabilă și o sensibilitate a senzorului. Dar "soluțiile" cum ar fi tranziția cu o formă dreptunghiulară a pixelilor, un fotograf obișnuit pare destul de ușor de înțeles și rezonabil, după toate acestea este atât de accesibil în broșurile de publicitate ...

Scopul acestui articol este de a încerca la cel mai simplu nivel de a explica, din care depinde calitatea imaginii obținute la ieșirea din matricea CCD. În același timp, pe calitatea opticii, este complet calm posibil pentru a fi abstract, apariția celei de-a doua prin "slir" care costă mai puțin de 1.000 de dolari (Nikon D 70) vă permite să sperăm că creșterea în continuare a Permisiunea senzorilor pentru camere de categorie de preț acceptabilă nu va fi limitată la lentilele "săpun".

Fotografiile interioare

Astfel, imaginea generată de lentilă cade pe matricea CCD, adică razele de lumină se încadrează pe suprafața fotosensibilă a elementelor PZD, a cărei sarcină este de a transforma energia fotonului într-o încărcătură electrică. Se întâmplă după cum urmează.

Pentru un foton care a căzut pe elementul CCD, există trei opțiuni pentru dezvoltarea evenimentului, fie "bate" de la suprafață sau va fi absorbită în grosimea semiconductorului (materialul matricei) sau " excursii prin "zona de lucru". Evident, dezvoltatorii trebuie să creeze un astfel de senzor, în care pierderile din "ricochet" și "lovind waveletul" ar fi minimizate. Aceiași fotoni care au fost absorbiți de matrice formează o pereche de gaură electronică dacă a apărut interacțiunea cu atomul grilajului de cristal semiconductor sau numai un foton (sau gaură), dacă interacțiunea a fost cu atomi de donatori sau impurități acceptor și ambele din fenomenele enumerate sunt numite fotografiile interioare. Desigur, lucrarea internă de fotofice a senzorului nu se limitează la, este necesar să se mențină încărcătoarele de încărcare "luate" în semiconductor într-o depozitare specială și apoi să le numereze.

Elementul matricei CCD

În general, proiectarea elementului CCD arată astfel: un substrat de siliciu P - tip este echipat cu canale dintr-un semiconductor N -til. Pe canalele sunt create de electrozii de siliciu policristalină cu un strat izolator de oxid de siliciu. După ce potențialul electric este umplut la un astfel de electrod, în zona Donken sub canalul N-Tip este creat potențial yama., a cărei scop este de a stoca electroni. Siliconul penetrant foton duce la generarea unui electron, care este atras de o plită potențială și rămâne în ea. Un număr mai mare de fotoni (lumină luminoasă) oferă o încărcătură mai mare a groapă. Atunci trebuie să luați în considerare valoarea acestei taxe, la care se face referire phototok.și să-l întărească.

Citirea fotoconductorilor elementelor PZD se efectuează așa-numitele registrele de schimbare secvențialăcare transformă liniile de încărcare la intrarea în seria de impulsuri de ieșire. Această serie este un semnal analogic, care intră în continuare la amplificator.

Astfel, cu ajutorul unui registru, puteți converti în sarcini de semnal analogic ale șirului din elementele PZD. De fapt, un registru de schimbare serială în matricele CCD este implementat folosind aceleași elemente PZD combinate într-un șir. Funcționarea unui astfel de dispozitiv se bazează pe capacitatea instrumente cu cravată de încărcare (Aceasta este ceea ce denotă abrevierea CCD) pentru a face schimb de acuzații ale gropilor lor potențiale. Schimbul se efectuează datorită prezenței speciale electrode de transfer (Poarta de transfer) situată între elementele PZD adiacente. Când potențialul crescut este aplicat celui mai apropiat electrod, încărcarea "curge" sub ea dintr-o groapă potențială. Între elementele CCD pot fi amplasate de la doi la patru electrozi de transfer, "faza" registrului de forfecare, care poate fi numită o fază trifazată, trifazată sau patru faze depinde de cantitatea lor.

Furnizarea de potențiale electrozilor de transfer este sincronizată astfel încât mișcarea taxelor de eventuale a tuturor elementelor CCD ale registrului să aibă loc simultan. Și pentru un ciclu de transferuri ale elementelor CCD, așa cum au fost, "transmise de-a lungul lanțului" încărcăturile de la stânga la dreapta (sau spre stânga la stânga). Ei bine, elementul CCD rezultat "Extreme" dă încărcarea dispozitivului situat la ieșirea registrului, acesta este amplificatorul.

În general, registrul de schimbare secvențială este un dispozitiv cu o intrare paralelă și o ieșire secvențială. Prin urmare, după citirea tuturor taxelor din registru, este posibil să se prezinte un șir nou la intrarea sa, apoi să formeze un semnal analogic continuu bazat pe o gamă bidimensională de fototok. La rândul său, fluxul paralel de intrare pentru registrul de schimbare secvențială (adică rândurile gamei bidimensionale de fototoks) este asigurat printr-un set de registre de schimburi secvențiale orientate vertical, care se numește Înregistrare paralelă, iar întregul design este, în general, doar un dispozitiv numit Matrix CCD.

Registrele de forfecare secvențiale "verticale" care sunt paralele, sunt numite pZS-Matrix ColoaneȘi munca lor este complet sincronizată. Gama bidimensională a fotocurrentelor PZS-Matrix schimbă simultan o linie și se întâmplă numai după ce încărcările liniei anterioare din "în partea de jos" a registrului de schimbare secvențială a fost la amplificator. Înainte de eliberarea registrului secvențial, paralele este forțată să se aprindă. Ei bine, matricea CCD în sine trebuie să fie conectată la cip (sau setul lor), alimentând potențialul electrozilor registrelor seriale și paralele, precum și activitatea de sincronizare a ambelor registre. În plus, aveți nevoie de un generator de ceasuri.

Matricea cadrului complet

Acest tip de senzor este cel mai simplu dintr-un punct de vedere constructiv și se face referire. matrix CCD cu cadru întreg (Matrix CCD cu cadru întreg). În plus față de chips-urile "Strapping", un astfel de tip de matrice necesită, de asemenea, o poartă mecanică, suprapunând fluxul de lumină după expunere. Înainte de închiderea completă a obturatorului, citirea taxelor nu poate fi pornită - cu ciclul de lucru al registrului paralel al trecerii la fototokok, fiecare dintre pixelii săi va adăuga electroni suplimentari cauzați de fotoni pe suprafața deschisă a CCD matrice. Acest fenomen este numit Încărcarea "goală" într-o matrice cu cadru întreg(Frumoasă matrice cu cadru completă).

În acest fel, viteza de citire a cadrelor. Această schemă este limitată la viteza registrelor paralele și secvențiale. De asemenea, este evident că este necesar să se suprapună fluxul de lumină, care rulează de la lentilă înainte de finalizarea procesului de citire, deci interval între expunere De asemenea, depinde de viteza de citire.

Există o variantă îmbunătățită a matricei integrale, în care încărcăturile registrului paralel nu ajung la intrarea secvențială și "stocate" în registrul paralel tampon. Acest registru este situat sub principalul registru paralel al schimbării, fotocurrenții sunt instruiți în registrul tampon și ajung deja la registrul de schimbare secvențială. Suprafața registrului tamponului este acoperită cu panou opac (mai des metalică), iar întregul sistem a fost numit matrice cu tamponare cadru (CCD de transfer de cadru).

Matrice cu tamponare cadru

În această schemă, gropile potențiale ale registrului principal de schimbare paralelă "goală" sunt considerabil mai rapide, deoarece atunci când se transferă rânduri către tampon, nu este nevoie ca fiecare linie să se aștepte la un ciclu complet al registrului secvențial. Prin urmare, intervalul dintre expunere este redus, totuși, cădează și viteza de citire la "călătorie" la de două ori la distanță. Astfel, intervalul dintre expunere este redus numai pentru două cadre, deși costul dispozitivului datorat registrului tamponului crește semnificativ. Cu toate acestea, dezavantajul cel mai vizibil al matricelor cu tamponarea cadrelor este extensia "traseul" fototokov, care afectează negativ conservarea valorilor lor. Și, în orice caz, obturatorul mecanic trebuie să fie activat între cadre, deci nu este necesar să vorbim despre un semnal video continuu.

Matricea cu tamponarea coloanelor

Mai ales pentru echipamentul video a fost dezvoltat un nou tip de matricele, în care intervalul dintre expunere a fost minimizat nu pentru o pereche de cadre, ci pentru un flux continuu. Desigur, pentru a asigura această continuitate, era necesar să se ofere un refuz al obturatorului mecanic.

De fapt, această schemă, care a primit numele matricea cu tamponarea coloanelor(Interline CCD -Matrix), în ceva similar cu sistemele cu tamponarea cadrelor, utilizează, de asemenea, un registru de schimbare paralelă tampon, elementele PZD sunt ascunse sub o acoperire opacă. Cu toate acestea, acest tampon nu este situat într-un singur bloc în cadrul registrului paralel principal, coloanele sale sunt "amestecate" între coloanele registrului principal. Ca rezultat, o coloană tampon este situată lângă fiecare coloană a registrului principal și imediat după expunere, fotocurrentele sunt mutate "de sus în jos", dar "de la stânga la dreapta" (sau "Dreptul la stânga") Și într-un singur ciclu de lucru intră într-un registru tampon, în întregime și complet eliberarea gropilor potențiale pentru următoarea expunere.

Taxele care au căzut în registrul tamponului ca de obicei sunt citite printr-un registru de schimbare serială, adică "de sus în jos". Deoarece resetarea fototochiilor în registrul tampon apare doar într-un singur ciclu, chiar și în absența unui obturator mecanic, nu există nimic similar cu "ambalarea" încărcării în matricea cu cadru întreg. Dar timpul de expunere pentru fiecare cadru în majoritatea cazurilor după durată corespunde intervalului petrecut pe lectura completă a registrului paralel tampon. Datorită tuturor acestor lucruri, este posibil să creați un semnal video cu o frecvență înaltă de personal, cel puțin 30 de laturi secunde.

Matricea cu tamponarea coloanelor

Adesea, în literatura internă, matricea cu coloane de tamponare este numită în mod eronat "intercalat". Probabil că este cauzată de faptul că denumirile de limba engleză (tamponarea liniilor) și "intercalate" (intercalate) sună foarte asemănătoare. De fapt, atunci când citiți pentru un tact al tuturor liniilor, puteți vorbi despre matrice cu scanare progresivă (Scanare progresivă) și când liniile ciudate sunt citite pentru prima bătaie și pentru cel de-al doilea (sau invers), vorbim despre matrix cu scanare intercalată(Interlace Scan).

Deși fotocurrentele principalei registre de schimbare paralelă se încadrează imediat în registrul tampon, care nu este supus la "bombardament fotonic", Taxa de "turnare" în matricele cu tamponarea coloanelor (Frotiu) are loc, de asemenea. Este cauzată de un flux parțial de electroni din groapa potențială a elementului CCD "fotosensibil" la groapa potențială a "tampon", mai ales acest lucru se întâmplă cu aproape de nivelurile maxime de încărcare atunci când iluminarea pixelului este foarte mare. Ca rezultat, o bandă de lumină se întinde de la acest punct luminos din imaginea în sus și în jos din acest punct luminos. Pentru a combate acest efect neplăcut, atunci când proiectați un senzor "fotosensibil" și coloane tampon sunt situate la o distanță mai mare una de cealaltă. Desigur, complică schimbul de taxă și, de asemenea, crește intervalul de timp al acestei operațiuni, dar răul care face imaginea "pliere", nu lasă dezvoltatorii de selecție.

Așa cum am menționat mai devreme, este necesar să se asigure semnalul video pentru a se asigura că senzorul nu necesită suprapunerea fluxului de lumină între expuneri, deoarece obturatorul mecanic în astfel de condiții de lucru (aproximativ 30 de declanșatoare pe secundă) poate eșua rapid. Din fericire, datorită liniilor tampon, există o oportunitate de a implementa declanșator electronic.Care, în primul rând, vă permite să faceți fără un obturator mecanic, dacă este necesar, iar în al doilea rând, oferă supermarine (până la 1/10000 bucăți) valorile extrase, în special critice pentru fotografiere rapidă (sport, natura IT.D.). Cu toate acestea, declanșatorul electronic necesită, de asemenea, ca matricea să aibă un sistem de eliminare a încărcăturii excesive a unei cariere potențiale, totuși, totul va fi descris în ordine.

Pentru tot ceea ce trebuie să plătiți și pentru capacitatea de a forma și un semnal video. Imaginile tamponului de schimbare "mănâncă" o parte semnificativă a zonei matricei, ca rezultat al fiecărui pixel primește doar 30% din zona fotosensibilă de la suprafața sa totală, în timp ce pixelul este o matrice cu cadru întreg Această zonă este de 70%. De aceea, în majoritatea CCDS_MATICS modern deasupra fiecărui pixel este situat microlinza.. Un astfel de dispozitiv optic cel mai simplu acoperă cea mai mare parte a zonei PZS-Element și colectează toată fracțiunea de fotoni care se încadrează pe această parte într-un flux de lumină concentrat, care, la rândul său, este îndreptat către o regiune fotosensibilă fotosensibilă destul de compactă.

Microlinze.

Deoarece utilizarea microlinelor, este posibilă înregistrarea fluxului de lumină care se încadrează pe senzor la senzor mult mai eficient, cu timpul aceste dispozitive au început să furnizeze nu numai sisteme cu tamponarea coloanelor, ci și matricele cu cadru întreg. Cu toate acestea, microlynes nu ar trebui să fie numit o "soluție fără defecte".

Fiind un dispozitiv optic, microlynes într-un fel sau altul distorsionează imaginea înregistrată este cel mai adesea exprimată în pierderea clarității la cele mai mici părți ale cadrului, marginile lor devin ușor încețate. Pe de altă parte, o astfel de imagine nedorită nu este întotdeauna nedorită - în unele cazuri, imaginea generată de lentile conține linii, mărimea și frecvența plasării care sunt aproape de dimensiunea elementului CCD și distanța de interion matricea. În acest caz, cadrul este adesea observat studiu (Aliasing) - Posibilitatea unui pixel de o anumită culoare, indiferent dacă este acoperită cu o parte a unei imagini sau doar o parte din ea. Ca rezultat, obiectul obiectului din imagine este obținut prin rupt, cu marginile de viteze. Pentru a rezolva această problemă în camerele cu matrice fără microliză, o scumpă filtru de protecție SPECRAH. (Filtru anti-Ialias), iar senzorul cu microinei într-un astfel de filtru nu are nevoie. Cu toate acestea, în orice caz, trebuie să plătească pentru o anumită scădere a rezoluției senzorilor.

Dacă obiectul de fotografiere nu este suficient de mare, se recomandă deschiderea diafragmei cât mai mult posibil. Cu toate acestea, procentul de raze care se încadrează pe suprafața matricei la un unghi abrupt crește dramatic. Microlinozele sunt cioplite de o proporție semnificativă de astfel de raze, prin urmare eficiența absorbției luminii de către matrice (care, pentru care au deschis diafragma) este mult redusă. Deși trebuie remarcat faptul că razele care se încadrează într-un unghi abrupt sunt, de asemenea, o problemă sursă în siliciul unui singur pixel, un foton cu o lungime de undă mare, având o capacitate mare de penetrare, poate absorbi materialul unui alt element matrice, care va fi în cele din urmă duce la o denaturare a imaginii. Pentru a rezolva această problemă, suprafața matricei este acoperită cu un opac (de exemplu, metal) "lattice", în tăieturile cărora rămân doar zonele fotosensibile ale pixelilor.

Din punct de vedere istoric, senzorii cu cadru întreg sunt utilizați în principal în tehnicianul studio, iar matricele cu tamponarea coloanelor sunt amatori. În camerele profesionale există senzori ai ambelor tipuri.

În schema elementelor CCD clasice, care utilizează electrozi de siliciu policristalină, sensibilitatea este limitată datorită împrăștierii luminii parțiale a suprafeței electrodului. Prin urmare, atunci când fotografiați în condiții specifice, necesitând o sensibilitate crescută în zonele albastre și ultraviolete ale spectrului, se utilizează matricele cu iluminare inversă (matricea din spate). În senzorii de acest tip, lumina înregistrată cade pe substrat și pentru a asigura fotoficul intern necesar al substratului de măcinat la o grosime de 10-15 micrometri. Această etapă de prelucrare a păstrat foarte mult costul matricei, în plus, dispozitivele au fost obținute foarte fragile și au cerut o precauție sporită la asamblare și funcționare.

Matricea de back-up

Evident, atunci când se utilizează filtrele ușoare care slăbesc fluxul de lumină, toate intervențiile chirurgicale scumpe pentru a crește sensibilitatea pierde semnificația, astfel încât matricea cu iluminare inversă este folosită în cea mai mare parte a fotografiei astronomice.

Sensibilitate

Una dintre cele mai importante caracteristici ale dispozitivului de înregistrare, fie că este o fotografie sau o matrice CCD, este sensibilitate - Abilitatea de a reacționa la radiațiile optice într-un anumit mod. Cu cât este mai mare sensibilitatea, cu atât este necesară mai mică cantitatea de lumină pentru a reacționa dispozitivul de înregistrare. Diferite cantități (DIN, ASA) au fost utilizate pentru a desemna sensibilitate, dar practicile practicate în cele din urmă indică acest parametru în ISO (Organizație Internațională de Standarde - Organizația de Standarde Internaționale).

Pentru un element CCD separat, trebuie înțeleasă o generație de încărcare. Este evident că sensibilitatea matricei CCD este constată în sensibilitatea tuturor pixelilor și în ansamblu depinde de cei doi parametri.

Primul parametru - sensibilitate integrată, care este raportul dintre magnitudinea fotocurrentului (în miliamperes) la fluxul de lumină (în lumeni) din sursa de radiație, a căror compoziție spectrală corespunde unei lămpi cu incandescență de tungsten. Acest parametru vă permite să estimați sensibilitatea senzorului ca întreg.

Al doilea parametru - sensibilitate monocromatică, Adică raportul dintre magnitudinea fotocurrentului (în miliampeurs) la magnitudinea energiei luminii de radiație (în Milli Andlelectrons) corespunzătoare unei anumite lungimi de undă. Un set de toate valorile sensibilității monocromatice pentru partea spectrului de interes este sensibilitate spectrală - Dependența sensibilității de la lungimea de undă a luminii. Astfel, sensibilitatea spectrală prezintă capabilitățile senzorului pentru a înregistra nuanțe de o anumită culoare.

Este clar că unitățile de măsurare ca o sensibilitate integrală și monocrom diferă de denumirile populare în ingineria fotografică. Acesta este motivul pentru care producătorii de echipamente fotografice digitale în caracteristicile produsului indică sensibilitate echivalentă Matricele CCD în unitățile ISO. Și pentru a determina sensibilitatea echivalentă, producătorul este suficient pentru a cunoaște iluminarea obiectului de fotografiere, a diafragmei și a vitezei de declanșare și a utiliza o pereche de formule. Conform primului, numărul de expunere este calculat ca log 2 (L * S / C), unde L este iluminarea, S este sensibilitatea și C este o conturată de expunere constantă. A doua formulă definește un număr de expunere la 2 * log 2 k - log 2 t., Unde K este un număr de diafragmă și t -put. Este ușor să scoateți formula care permite calcularea L, C, K și T de a calcula, ceea ce este egal cu S.

Sensibilitatea matricei este o valoare integrată în funcție de sensibilitatea fiecărui element CCD. Ei bine, sensibilitatea matricei pixelilor depinde, în primul rând, de "fotonii substituiți sub ploaie" piața regiunii fotosensibile (Factor de umplere), și în al doilea rând, de la eficiența cuantică (Eficiența cuantică), adică evaluarea numărului de electroni înregistrați la numărul de senzor de fotoni a scăzut pe suprafață.

La rândul său, un număr de alți parametri afectează eficiența cuantică. În primul rând, este coeficientul de reflecție - valoarea care afișează partea acelor fotoni care "răsucite" de pe suprafața senzorului. Ca o creștere a coeficientului de reflexie, proporția de fotoni care participă la fotofice internă scade.

Fotonii care nu sunt reflectați de suprafața senzorului vor absorbi, formând purtători de încărcare, dar unele dintre ele vor fi "blocate" la suprafață, iar partea va pătrunde prea adânc în materialul elementului CCD. Evident, în ambele cazuri, ei nu vor lua nicio participare la procesul de formare a unui fotocurrent. "Capacitatea de penetrare" a fotonilor într-un semiconductor, la care se face referire coeficientul de absorbțieDepinde atât de materialul semiconductor, cât și de lungimea de undă a luminii incidente - particulele "cu undă lungă" penetrează mult mai profund "Shortwave". Elaborarea elementului CCD este necesară pentru fotoni cu o lungime de undă corespunzătoare radiației vizibile, pentru a obține un astfel de coeficient de absorbție, astfel încât efectul fotoelectric intern să apară în apropierea carierei potențiale, sporind astfel șansa unui electron pentru a intra în el.

Adesea, în locul eficienței cuantice, termenul este utilizat "Ieșire cuantum" (Randament cuantum), dar în realitate acest parametru afișează numărul de purtători de încărcare eliberați atunci când absorbiți un foton. Desigur, cu o fotofică internă, transportatorii în cea mai mare parte a încărcăturii se încadrează în apartamentul potențial al elementului PZS, dar o anumită parte a electronilor (sau găurilor) evită "capcane". În numărator cu formula care descrie eficiența cuantică, este exact numărul de purtători de încărcare care au lovit groapa potențială.

O caracteristică importantă a matricei CCD este pragul de sensibilitate - parametrul înregistratorului dispozitivului, care caracterizează valoarea minimă a semnalului luminos, care poate fi înregistrată. Cu cât acest semnal este mai mic, este mai mare pragul de sensibilitate. Factorul principal care limitează pragul de sensibilitate este curent întunecat (Curent întunecat). Este o consecință a emisiilor termoelectronice și apare în elementul CCD atunci când este prezentat potențialul electrodului, sub care se formează o groapă potențială. "Dark" este numit acest curent, deoarece constă din electroni care au căzut într-o groapă cu absența completă a unui flux ușor. Dacă fluxul de lumină este slab, atunci magnitudinea fotocurrentului este aproape și, uneori, mai mică decât valoarea curentului întunecat.

Există o dependență de curentul întunecat de la temperatura senzorului, când matricea este încălzită cu 9 grade Celsius, curentul său întunecat crește de două ori. Pentru răcirea matricei sunt utilizate diferite sisteme de radiator (răcire). În camerele de câmp, caracteristicile de masă ale cărora limitează puternic utilizarea sistemelor de răcire, uneori un corp de cameră metalic este utilizat ca schimbător de căldură. În tehnica studioului, nu există practic restricții privind masa și dimensiunile, un consum suficient de mare de energie al sistemului de răcire, care, la rândul său, este împărțit în cele pasive și active sunt permise.

Sisteme de răcire pasivă Oferim doar o "resetare" de căldură excesivă a dispozitivului răcit în atmosferă. În acest caz, sistemul de răcire joacă rolul conductorului maxim de căldură, oferind o dispersie mai eficientă. Evident, temperatura dispozitivului răcit nu poate deveni mai mică decât temperatura ambiantă în care este principala lipsă de sisteme pasive.

Cel mai simplu exemplu al unui sistem pasiv de schimb de căldură este radiator (Radiator) din material cu o bună conductivitate termică, cel mai adesea - din metal. Suprafața în contact cu atmosfera are o formă care asigură cât mai multă zonă de împrăștiere posibilă. În general, zona de împrăștiere maximă acceptată posedă radiatoare de ac, în formă asemănătoare "hedgehog", acoperită cu împrăștierea căldurii ". Adesea pentru schimbul de căldură forțată, suprafața radiatorului este suflată micoventio- Dispozitive similare numite răcitoare (Cooler, de la cuvântul răcire de răcire), răciți procesorul în computerele personale. Pe baza faptului că michenetizerul consumă energie electrică să-și folosească sistemele numite "active"., Care este complet greșit, deoarece răcitoarele nu pot răci dispozitivul la o temperatură mai mică decât atmosferic. La temperatura ridicată a aerului înconjurător (40 de cuvinte și mai sus), eficacitatea sistemelor pasive de răcire începe să cadă.

Sisteme active de răcire Datorită proceselor electrice sau chimice, furnizați temperaturile dispozitivului sub aerul ambiant. De fapt, sistemele active "produce rece", este totuși alocată atmosferei atât căldurii dispozitivului răcit, cât și căldurii sistemului de răcire. Un exemplu clasic al răcitorului activ este frigiderul obișnuit. Cu toate acestea, în ciuda eficienței destul de ridicate, caracteristicile sale de masă sunt inacceptabile chiar și pentru echipamentele fotografice studio. Prin urmare, răcirea activă este asigurată. sisteme Peltier. A cui de lucrare se bazează pe utilizarea efectului aceluiași nume, atunci când în prezența diferenței potențiale la capetele a doi conductori din diferite materiale, va fi o joncțiune a acestor conductori (în funcție de polaritatea tensiunii) eliberat sau energia termică este absorbită. Motivul accelerării sau încetinirii electronilor datorită diferenței de contact interne potențiale potențiale ale conductorilor.

Când se utilizează o combinație de semiconductori de tip N și tip P, în care se produce absorbția de căldură datorită interacțiunii electronilor și a găurilor ", apare efectul maxim de conducere a căldurii. Pentru ao îmbunătăți, puteți aplica o asociație de cascadă a elementelor Peltier și deoarece apare atât absorbția căldurii, cât și selecția, elementele trebuie combinate astfel încât o parte a răcitorului să fie "fierbinte", iar cealaltă "rece" . Ca rezultat al combinației cascadă, temperatura părții "fierbinți" a celei mai îndepărtate de matricea elementului Peltier este semnificativ mai mare decât cea a aerului înconjurător, iar căldura sa disipează în atmosferă folosind dispozitive pasive, adică, adică radiatoare și răcitoare.

Folosind efectul Peltier, sistemele de răcire activă pot reduce temperatura senzorului până la zero de grade, reducând radical nivelul curent întunecat. Cu toate acestea, răcirea excesivă a matricei CCD amenință cu pierderea condensului de umiditate din aerul înconjurător și scurtcircuitul de electronică. Și, în unele cazuri, diferența de temperatură limitativă dintre avioanele răcite și fotosensibile ale matricei poate duce la deformarea inacceptabilă.

Cu toate acestea, nici radiatoarele sau coolerele, nici elementele Peltier nu se aplică camerelor de câmp, limitate din greutate și dimensiuni. În schimb, această tehnică utilizează o metodă bazată pe așa-numitul negru pixelch. (Pixeli de referință întunecată). Acești pixeli sunt acoperiți cu coloane de material opac și șiruri de-a lungul marginilor matricei. Valoarea medie pentru toți fotocii de pixeli negri este luată în considerare nivelul curent întunecat.. Evident, în diferite condiții de funcționare (temperatura ambiantă și camera în sine, curentul bateriilor etc.), nivelul curent întunecat va fi diferit. Când o utilizați ca un "punct de referință" pentru fiecare pixel, adică valoarea valorii sale din fluxul foto poate fi determinată pe care o singură încărcare este creată de fotonii care cad pe elementul CCD.

Suprimarea într-un fel sau altul în curentul întunecat, trebuie să vă amintiți celălalt factor care limitează pragul de sensibilitate. Este zgomot termic. (Zgomotul termic), creat chiar și în absența potențialului pe electrozi cu doar mișcarea haotică a electronilor de către elementul CCD. Expunerile de durată ridicată duce la acumularea treptată a electronilor rătăciți într-o groapă potențială, care denaturează adevărata valoare a fotocurrentului. Și extrasul "mai lung", cu atât mai "pierdut" în e-mailul electronilor.

După cum știți, fotosensibilitatea filmului din aceeași casetă rămâne constantă, cu alte cuvinte, nu poate fi schimbată de la cadru la cadru. Dar camera digitală permite fiecărui instantaneu pentru a seta cea mai optimă valoare a sensibilității echivalente. Acest lucru se realizează prin îmbunătățirea semnalului video emanând din matrice - în ceva o astfel de procedură numită "Creșterea sensibilității echivalente"Amintește rotirea regulatorului de volum al jucătorului.

Astfel, cu iluminare slabă, utilizatorul ajunge la o dilemă sau crește sensibilitatea echivalentă sau crește viteza obturatorului. În același timp, în ambele cazuri, nu evită deteriorarea cadrului de zgomot de distribuție fixă. Adevărat, experiența arată că cu o viteză de declanșare "lungă", instantaneul nu se deteriorează la fel de mult ca atunci când semnalul matricei este câștigat. Cu toate acestea, durata mare de expunere amenință o altă problemă - utilizatorul poate "înțelege" cadru. Prin urmare, dacă doriți să utilizați o fotografie frecventă în cameră, atunci ar trebui să alegeți o cameră cu o lumină de lentile ridicate, precum și un bliț puternic și "inteligent".

Gama dinamică

Din matrice, este necesară capacitatea de a înregistra lumină atât în \u200b\u200bsoarele strălucitoare, cât și cu iluminare cu încăpere mică. Prin urmare, gropile matricice potențiale ar trebui să fie foarte capace, precum și să poată păstra cantitatea minimă de electroni cu lumină slabă, astfel încât să găzduiască o încărcătură mare, obținută prin lovirea unui senzor puternic de iluminare. Da, și o imagine formabilă de lentilă constă adesea din zone luminoase luminos și din umbre adânci, iar senzorul ar trebui să poată înregistra toate nuanțele lor.

Abilitatea senzorului de a forma o imagine bună cu iluminare diferită și un contrast ridicat este determinată de parametru "Dynamic Gama"Caracterizarea capacității matricei din imagine proiectată pe suprafața sa de înregistrare, cele mai întunecate tonuri de la cele mai strălucitoare. Odată cu extinderea intervalului dinamic, numărul de nuanțe ale imaginii va crește, iar tranzițiile dintre ele vor corespunde cel mai mult imaginii formale de obiectiv.

Efectul gamei dinamice la calitatea cadrului (intervalul dinamic larg, b - gama dinamică îngustă)

Caracteristica care descrie capacitatea elementului CCD de a acumula o anumită valoare este numită "Adâncime de poluare potențială" (Adâncime de bine) și tocmai gama dinamică a matricei care depinde. Desigur, atunci când fotografiați în condiții de iluminare slabă, pragul de sensibilitate afectează și intervalul dinamic, care, la rândul său, este determinat de valoarea curentului întunecat.

Este evident că pierderile de electroni care constituie fotocurrenți să apară nu numai în procesul de acumulare a încărcării unei cariere potențiale, ci și în timpul transportului său la ieșirea matricei. Aceste pierderi sunt cauzate de deplasarea electronilor, "sfâșiați" de la sarcina principală atunci când curge pentru următorul electrod de transfer. Cu cât este mai mic numărul de electroni "spart", cu atât mai mare eficiența transferului de taxare Eficiența transferului de taxare). Acest parametru este măsurat ca procent și prezintă partea de încărcare, conservată atunci când "trecerea" între elementele CCD.

Efectul eficienței transferului poate fi demonstrat în exemplul următor. Dacă valoarea acestui parametru este de 98% pentru matricea 1024 x 1024, atunci este necesar să se determine valoarea unui pixel central fotocurrent la ieșirea matricei; este necesar să se construiască 1024 până la 1024 (cantitatea de "trecere" "între pixeli) și se înmulțește cu 100 (interes). Rezultatul este complet nesatisfăcător - aproximativ 0,0000001% vor rămâne de la taxa inițială. Este evident că, odată cu creșterea permisiunii, cerințele pentru eficiența transferului devin și mai greu, deoarece numărul de "trecere" crește. În plus, rata de citire a cadrului scade, deoarece creșterea ratei de transfer (pentru a compensa rezoluția crescută) duce la o creștere inacceptabilă a numărului de electroni "spart".

Pentru a obține rate acceptabile de citire a cadrelor la o eficiență de transfer de încărcare ridicată la proiectarea unei matrice CCD, plasarea "orb" planificată a gropilor potențiale. Datorită acestui fapt, electronii nu sunt "lipiți în mod activ la electrozii de transfer și este pentru o" funcționare profundă "a unei cariere potențiale în proiectarea elementului CCD, se administrează un canal N.

Revenind la exemplul de mai sus: Dacă în această matrice 1024 x 1024, eficiența transferului de încărcare va fi de 99,999%, apoi 98,98% din valoarea sa inițială va rămâne la ieșirea senzorului de la senzor de la încărcătura centrală. Dacă se elaborează o matrice de rezoluție mai mare, atunci eficiența transferului de taxare este de 99,9999%.

Înflorit

În cazul în care fotofff-ul intern duce la un număr exces de electroni care depășesc adâncimea carierei potențiale, încărcarea elementului CCD începe să se "răspândească" de-a lungul pixelilor vecini. În imagini, acest fenomen este numit "Bluming" (De la înflorirea engleză - eroziune), este afișată ca pete albe și forma corectă și cu cei mai mari electroni, cu cele mai mari pete.

Suprimarea lui Blooney este efectuată de sistem drenaj electronic (Scurgere de scurgere), a cărei sarcină principală este îndepărtarea excesului de electroni din potențialul bine. Cele mai cunoscute opțiuni drenaj vertical (Scurgere verticală de scurgere, vod) și drenaj lateral (Scurgere laterală de scurgere, vod).

Sistemul cu drenaj vertical pe substratul de matrice este dat potențial, valoarea căreia este selectată astfel încât atunci când depășind adâncimea groapă potențială, excesul de electroni au ieșit din ea pe substrat și se disipau acolo. Dezavantajul unei astfel de realizări este de a reduce adâncimea carierei potențiale și, în consecință, îngustarea domeniului dinamic al elementului CCD. De asemenea, este evident că acest sistem nu se aplică în matricele cu iluminare inversă.

Drenarea electronică verticală

Sistemul cu drenaj lateral utilizează electrozi care împiedică pătrunderea gropilor potențiale electronice în "caneluri de drenaj", din care este împrăștiată în exces. Potențialul acestor electrozi este selectat în conformitate cu bariera depășirii potențialului, în timp ce adâncimea sa nu se schimbă. Cu toate acestea, datorită electrozilor de drenaj, zona fotosensibilă a elementului CCD este redusă, astfel încât microlenii trebuie să utilizeze.

Drenarea electronică laterală

Desigur, nevoia de a adăuga la dispozitivele de drenaj senzor complică designul său, dar distorsiunea cadrului realizată prin înflorire nu poate fi ignorată. Da, iar declanșatorul electronic nu poate fi implementat fără drenaj, joacă rolul "perdelelor" la extrasele ultrashort, a căror durată este mai mică decât intervalul petrecut pe transferul de încărcare din registrul principal de schimbare paralelă la registrul paralel tampon . "Declanșator", adică drenajul, previne capătul tampon al acelor electroni în groapă, care s-au format în pixeli "fotosensibili" după timpul de expunere specificat (și foarte scurt).

"Gulp" pixeli

Datorită erorilor tehnologice din unele elemente CCD, chiar și cel mai scurt fragment duce la acumularea de electroni asemănătoare cu avalanșă într-o groapă potențială. În imagine, astfel de pixeli, la care se face referire "Înghiţitură" (Pixeli blocați), foarte mult diferă de la punctele înconjurătoare, atât în \u200b\u200bculori, cât și în luminozitate și, spre deosebire de zgomotul distribuției fixe, ele apar la orice extras și indiferent de încălzirea matricei.

Scoaterea pixelilor de pixeli este efectuată prin intermediul software-ului camerei încorporate, care asigură căutarea elementelor PZD defecte și memorarea "coordonatelor" lor în memoria non-volatilă. Când imaginea este generată, valoarea pixelilor defecți nu este luată în calcul, acestea sunt înlocuite cu valoarea interpolată a punctelor adiacente. Pentru a determina defectarea pixelului în timpul procesului de căutare, încărcătura sa este comparată cu valoarea de referință, care este stocată și în memoria non-volatilă a camerei.

Dimensiunea matricei în diagonală

Uneori, într-un număr de alți parametri ai oricărei camere digitale indică dimensiunea matricei CCD în diagonală (cel mai adesea în inci). În primul rând, această valoare este asociată cu caracteristicile lentilei, cu atât este mai mare dimensiunea senzorului, larheria ar trebui să fie o imagine formabilă prin optică. Astfel încât această imagine acoperă complet suprafața de înregistrare a matricei, dimensiunea elementelor optice trebuie mărită. Dacă acest lucru nu face și "imaginea" creată de lentile va fi mai puțin senzor, zonele periferice ale matricei vor fi nerevendicate. Cu toate acestea, în unele cazuri, producătorii de camere nu au indicat că, în modelele lor, o anumită proporție de megapixeli nu a fost "faptă".

Dar, în "oglinzile" digitale create pe baza unor tehnici de 35 de metri, există aproape întotdeauna o situație inversă - o imagine formabilă de lentilă, se suprapune zona fotosensibilă a matricei. Este cauzată de faptul că senzorii cu dimensiunile filmului 35-milimetronă sunt prea scumpe, dar conduc la faptul că o parte a imaginii formabilă de obiectivul se dovedește a fi literalmente cuvântul "pentru scene" . Ca urmare, caracteristica obiectivului este deplasată în zona "Focus Long-Focus". Prin urmare, atunci când se iau în considerare optica interschimbabilă pentru o "oglinzile" digitale coeficientul de creștere a lungimii focale - De regulă, este de aproximativ 1,5. De exemplu, la instalarea unei setări Vario de 30-70 mm, intervalul său de operare va fi de 42-105 mm.

Coeficientul menționat are o influență pozitivă și negativă. În particular, fotografiere este complicată cu un colț mare al acoperirii, necesitând lentile de focalizare scurtă. Optica cu o lungime focală de 18 mm și mai puțin este foarte scumpă, iar în "SRINK" digital se transformă în 27 mm trivial. Cu toate acestea, lentilele lungi de phocus sunt, de asemenea, foarte scumpe, iar cu o lungime focală mare, de regulă, gaura relativă este redusă. Dar o lentilă ieftină de 200 de milimetri cu un coeficient de 1,5 se transformă într-un 300 de milimetri, în timp ce optica "reală" de 300 milimetri a unei diafragme a ordinii F / 5.6, în luminile de 200 mm de mai sus, F / 4.5.

În plus, astfel de aberații sunt caracteristice oricăror lentile ca curvativitate a câmpului și distorsionarea, exprimată în neclară și curbura imaginii în regiunile regionale ale cadrului. Dacă dimensiunile matricei sunt mai mici decât dimensiunea imaginii generate de imagine, "zonele problematice" nu vor fi înregistrate pur și simplu la senzor.

Trebuie remarcat faptul că sensibilitatea matricei este asociată cu dimensiunile zonei sale de înregistrare. Zona de fotosensibilă extinsă a fiecărui element, cu atât mai mare este lumina și cu atât mai des se întâmplă fotofeful interior, astfel, sensibilitatea întregului senzor crește. În plus, pixelul dimensiunilor mari vă permite să creați o potențială "capacitate îmbunătățită" o groapă, care are un efect pozitiv asupra latitudinii domeniului dinamic. Un exemplu vizual de "oglinzi" digitale, comparabilă în dimensiuni cu un cadru de film de 35 mm. Acești senzori diferă în mod tradițional în sensibilitatea comenzii ISO 6400 (!), Iar intervalul dinamic necesită ADC cu un pic de 10-12 biți.

În același timp, matricea camerelor amatori au o gamă dinamică pentru care există suficiente ADC-uri de 8-10 biți, iar sensibilitatea rareori depășește ISO 800. Motivul pentru proiectarea acestei tehnici. Faptul este că societatea Sony are foarte puțini concurenți în ceea ce privește producția de senzori de dimensiuni mici (1/3, 1/2 și 2/3 inci diagonală) pentru echipamentele amatori și a fost cauzată de o abordare competentă a dezvoltării a unei game de modele de matrice. Când a dezvoltat următoarea generație de matrice cu permisiunea de a "pe megapixel mai mult", a fost furnizată o compatibilitate aproape completă cu modelele anterioare de senzori și atât în \u200b\u200bmărime, cât și în interfață. În consecință, designerii camerei nu au avut "de la zero" pentru a dezvolta obiectivul și "umplerea electronică" a camerei.

Cu toate acestea, cu o permisiune de creștere, registrul de schimbare paralelă tampon captează o parte din ce în ce mai mare a zonei senzorilor, ca urmare a regiunii fotosensibile, iar "capacitatea" potențialelor godeuri sunt reduse.

Reducerea regiunii fotosensibile a matricei CCD cu o creștere a permisiunii.

Prin urmare, pentru fiecare "n +1 megapixel", munca dureroasă a dezvoltatorilor este legată, din păcate, nu întotdeauna de succes.

Convertor analog-digital

Semnalul video care a trecut prin amplificator trebuie să fie tradus în microprocesorul Digital Format Clear. Pentru aceasta, folosit convertor analog-digital, ADC (ANALOG LA DIGITAL Convertor, ADC) - un dispozitiv care convertește semnalul analog într-o secvență de numere. Caracteristica sa principală este bigness., adică numărul de niveluri de semnal discrete recunoscute și codificate. Pentru a calcula numărul de nivele, este suficient să construim un doi la gradul de biți. De exemplu, "biți biți 8" indică faptul că convertorul este capabil să determine 2 la al optulea grad de nivel de semnal și să le afișeze sub formă de 256 de valori diferite.

Cu o descărcare mare, ADC poate obține (teoretic) mai mare adâncimi de culoare (Adâncimea de culoare), adică de descărcare de procesare a culorilor, descriind numărul maxim de nuanțe de culoare care pot fi reproduse. Adâncimea de culoare este de obicei exprimată în biți, iar numărul de nuanțe este calculat în același mod ca și numărul de niveluri de semnal al ADC. De exemplu, cu o adâncime de culori de 24 de biți, puteți obține 1677216 nuanțe de culoare.

În realitate, adâncimea de culoare pentru fișierele din formatele JPEG sau TIFF, care sunt utilizate de calculator pentru prelucrarea și stocarea imaginilor, este limitată la 24 de biți (8 biți pe canal de culoare - albastru, roșu și verde). Prin urmare, uneori utilizate ADC-uri cu un pic de 10, 12 și chiar 16 biți (adună, adâncimea de culoare 30, 36 și 48 de biți) pot fi calculate în mod eronat "redundant". Cu toate acestea, gama dinamică a matricei unor modele de echipamente fotografice digitale este destul de largă și dacă camera este echipată cu un cadru pentru salvarea unui cadru într-un format non-standard (30-48 biți), apoi cu procesarea suplimentară a calculatorului Este posibil să utilizați biți "extra". După cum se știe, erorile în calculul expoziției în frecvența manifestării sunt inferioare numai inexactității de focalizare. Și, prin urmare, capacitatea de a compensa astfel de erori utilizând "inferior" (în cazul inferiorilor) sau "sus" (atunci când depășiți), bitul se dovedește a fi destul de apropiat. Ei bine, dacă expunerea este proiectată fără erori, atunci "comprimarea" fără distorsiuni 30-48 biți în standardul 24 nu este o sarcină deosebit de dificilă.

Este evident că domeniul dinamic al matricei CCD ar trebui să fie baza pentru creșterea descărcării BTP, deoarece cu o gamă dinamică îngustă de ADC-uri cu 10-12 biți la canal, pur și simplu nimic de recunoscut. Și de multe ori este imposibil să se numească diferit decât trucul publicitar al mentionării culorii "36 de biți" și chiar "48 de biți" a "săpunului" modest cu o matrice în jumătate de diagonală, deoarece chiar și 30 de biți Culoarea necesită cel puțin un senzor cu diagonală 2/3 inci.

Pentru prima dată, principiul CCD cu ideea de a menține și apoi a citit taxele electronice a fost dezvoltat de doi ingineri ai Bell Corporation la sfârșitul anilor '60 în timpul căutării de noi tipuri de memorie pentru computere capabile să înlocuiască memoria pe ferită Inele (da - da, a fost o astfel de memorie). Această idee sa dovedit a fi nepromificată, dar a fost observată capacitatea siliciului de a răspunde la un spectru de radiații vizibili și a fost dezvoltat gândul de a folosi acest principiu pentru procesarea imaginilor.

Să începem cu decriptarea termenului.

Abrevierea CCD înseamnă "instrumente cu comunicare de încărcare" - acest termen a fost format din "dispozitive cuplate-cuplată" (CCD).

Acest tip de instrument are în prezent o gamă foarte largă de aplicații într-o mare varietate de dispozitive optoelectronice pentru înregistrarea imaginii. În viața de zi cu zi, acestea sunt camere digitale, camere video, diverse scanere.

Ce distinge receptorul CCD dintr-un fotodium semiconductor convențional având o zonă fotosensibilă și două contacte electrice pentru îndepărtarea unui semnal electric?

in primul rand , astfel de site-uri fotosensibile (adesea numite pixeli - elemente care primesc lumină și transformă-l în încărcături electrice) în receptorul CCD foarte mult, de la câteva mii la câteva sute de mii și chiar câteva milioane. Dimensiunile pixelilor individuali sunt aceiași și pot fi de la unități la zeci de microni. Pixelii pot fi construiți într-un rând - atunci receptorul este numit PZS-Line sau cu rânduri chiar de umplere a suprafeței - apoi receptorul se numește matricea CCD.

Elemente de primire a luminii drepte (dreptunghiuri albastre) în linia CCD și matricea CCD.

În al doilea rând , în receptorul CCD, în mod extern similar cu cipul obișnuit, nu există un număr mare de contacte electrice pentru ieșirea semnalelor electrice care par să fie de la fiecare element de primire a luminii. Dar circuitul electronic este conectat la receptorul CCD, care vă permite să eliminați un semnal electric de la fiecare element fotosensibil, proporțional cu iluminarea acestuia.

CCD de acțiune poate fi descrisă după cum urmează: fiecare element fotosensibil - pixel - funcționează ca o bancă de porc pentru electroni. Electronii apar în pixeli sub acțiunea luminii care provin din sursă. În timpul intervalului de timp specificat, fiecare pixel este umplut treptat cu electroni proporțional cu numărul de lumină din el, ca o găleată pus pe stradă în timpul ploii. La sfârșitul acestei perioade, taxele electrice acumulate de fiecare pixel sunt transmise la "ieșirea" dispozitivului și sunt măsurate. Toate acestea sunt posibile datorită unei anumite structuri a cristalului, unde sunt plasate elementele fotosensibile și circuitul de comandă electrică.

Aproape exact matricea CCD funcționează, de asemenea,. După expunere (iluminarea imaginii proiectate), circuitul electronic de comandă al instrumentului îi conferă un set complex de tensiuni de impulsuri, care încep să deplaseze coloanele cu electroni acumulați în pixeli la marginea matricei, unde există o măsurare similară Registrul CCD, taxele în care sunt mutate deja în direcția perpendiculară și se încadrează pe elementul de măsurare, creând semnale în el proporționale cu taxele individuale. Astfel, pentru fiecare punct ulterior în timp, putem obține valoarea încărcăturii acumulate și de a afla ce pixeli pe matrice (numărul rândului și numărul coloanei) corespunde.

Scurte despre fizica procesului.

Pentru a începe, observăm că CCD aparține produselor așa-numitelor electronice funcționale, ele nu pot fi depuse ca un set de elemente radio individuale - tranzistori, rezistență și condensatori. Baza de muncă este principiul taxei. Principiul taxei utilizează două poziții cunoscute din electrostatics:

1. acuzațiile de același nume sunt respinse
2. taxele se străduiesc să se stabilească în cazul în care energia lor potențială este minimă. Acestea. Aproximativ - "Peștele caută unde mai adânc."

În primul rând, imaginați un condensator MOS (MOP - o reducere de la cuvintele semiconductorului de oxid de metal). Aceasta este ceea ce rămâne de la tranzistorul MOS, dacă eliminați stocul și sursa de la acesta, adică electrodul separat de stratul de siliciu de dielectric. Pentru certitudine, presupunem că semiconductorul este tip P, adică, concentrația de găuri în condiții de echilibru are o mulțime (mai multe comenzi) mai mult decât electroni. În gaura electrofizică "apelați la încărcare, sarcina inversă a electronului, adică Sarcină pozitivă.

Ce se va întâmpla dacă pe un astfel de electrod (se numește declanșator) pentru a prezenta un potențial pozitiv? Câmpul electric creat de obturator, penetrant în siliciu prin dielectric, respinge găurile în mișcare; Există o zonă epuizată - o parte din domeniul de aplicare al siliciului liber de principalii purtători. În parametrii substraturilor semiconductoare tipice ale CCD, adâncimea acestei regiuni este de aproximativ 5 microni. Dimpotrivă, electronii care rezultă aici sub influența luminii vor atrage obturatorul și se vor acumula pe marginea secțiunii de oxid-silicon direct sub obturator, adică că se încadrează în groapa potențială (figura 1).

Smochin. unu
Formarea unei cariere potențiale atunci când tensiunea este aplicată la baraj

În acest caz, electronii sunt parțial neutralizați de câmpul electric creat în semiconductor de către obturator, iar în cele din urmă pot compensa pe deplin acest lucru, astfel încât întregul câmp electric să cadă numai pe dielectric și totul se va întoarce la ea Starea originală - Cu excepția de la interfață, se formează un strat subțire de electroni.

Lăsați acum să fie aproape de obturator Există un alt obturator, iar potențialul pozitiv este, de asemenea, depus pe acesta și mai mult decât primul (figura 2). Dacă numai obloanele sunt situate destul de aproape, gropile lor potențiale sunt combinate, iar electronii care se află într-o groapă potențială sunt mutați în vecinătate, dacă este "mai profundă".
Smochin. 2.
Suprapunerea găurilor potențiale de două obloane aranjate îndeaproape. Încărcarea curge în locul în care groapa potențială este mai profundă.

Acum ar trebui să fie clar că, dacă avem un lanț de obloane, atunci puteți, hrăniți-le cu privire la solicitările de control corespunzătoare, transferați pachetul de încărcare localizat de-a lungul unei astfel de structuri. Proprietatea minunată a CCD este proprietatea de auto-scanare - este că pentru controlul lanțului obloanelor de orice lungime este doar trei anvelope de ceas. (Termenul de anvelope electronică este un conductor de curent electric care leagă același tip de elemente, conducători de ceas - pentru care tensiunea deplasată în fază este transmisă.) Într-adevăr, pentru transferul pachetelor de încărcare este necesar și suficient de trei electrozi: unul Transmiterea, o primire și o pereche izolatoare, separarea. Primirea și transmiterea reciprocă și aceiași electrozi de astfel de triple pot fi conectați unul cu celălalt într-un singur anvelopă de ceas, care necesită o singură ieșire externă (figura 3).

Smochin. 3.
Cel mai simplu registru CCD trifazat.
Taxa în fiecare groapă potențială este diferită.

Acesta este cel mai simplu registru trifazic al schimbării pe CCD. Diagramele de ceas ale unui astfel de registru sunt prezentate în fig. patru.

Smochin. patru.
Diagramele de control ale registrului trifazat sunt deplasate cu trei meanderi cu 120 de grade.
La schimbarea potențialului, mișcarea taxelor.

Se poate observa că, pentru funcționarea sa normală la fiecare moment, cel puțin un anvelopă de ceas trebuie să fie prezent un potențial ridicat și cel puțin un potențial scăzut (potențial de barieră). Cu un potențial tot mai mare pe un autobuz și îl coborând pe alta (anterioară), transmiterea simultană a tuturor pachetelor încărcate sub obloanele adiacente și pentru ciclul complet (un ceas în fiecare magistrală de fază) are loc (schimbare) pachetelor de încărcare la unul Elementele de înregistrare.

Pentru localizarea pachetelor de taxe în direcția transversală, așa-numitele canale de oprire sunt formate - benzi înguste cu o concentrație crescută a principalelor impurități aliere care merg de-a lungul canalului de transfer (figura 5).

Smochin. cinci.
Vizualizarea înregistrării "TOP".
Canalul de transfer în direcția laterală este limitat la canalele de oprire.

Faptul este că, din concentrația impurității aliajului depinde, cu ceea ce este în mod specific, tensiunea de pe poarta sub ea se formează o zonă epuizată (acest parametru nu este altceva decât o tensiune de prag a structurii MOS). Din considerentele intuitive, este clar că cu atât mai mare concentrația impurității, adică mai multe găuri în semiconductor, cu atât mai greu de dus în adâncime, adică, cu atât este mai mare tensiunea sau, la o tensiune, cu atât potențialul este mai mic în groapa potențială.

Probleme

Dacă, în producția de dispozitive digitale, variația parametrilor de pe placă poate ajunge de mai multe ori fără efect vizibil asupra parametrilor instrumentelor obținute (deoarece lucrarea vine cu nivele de tensiune discrete), apoi în schimbarea CCD, spuneți, Concentrația impurității aliate este de 10% deja marcată în imagine. Dimensiunea cristalului și imposibilitatea rezervării, ca în bis de memorie, adaugă propriile probleme, astfel încât zonele defecte duc la disperare a întregului cristal.

Rezultat

Diferitele pixeli ai matricei CCD au tehnologic sensibilitate diferită față de lumină și această diferență trebuie ajustată.

În CMA digitală, această corecție se numește Sistemul de control al câștigurilor auto (AGC)

Cum funcționează sistemul AGC

Pentru a ușura considerație, nu vom lua ceva specific. Să presupunem că la ieșirea nodului ADC al CCD are unele niveluri potențiale. Să presupunem că 60 este nivelul mediu al albului.

1. Pentru fiecare pixel, linia CCD este citită atunci când este iluminată de lumina sa de referință albă (și în dispozitive mai grave - și citirea "Nivelul negru").
2. Valoarea este comparată cu un nivel de referință (de exemplu, media).
3. Diferența dintre valoarea de ieșire și nivelul de referință este amintit pentru fiecare pixel.
4. În viitor, la scanare, această diferență este compensată pentru fiecare pixel.

Inițializarea sistemului AGC se efectuează de fiecare dată când sistemul de scanare este inițializat. Probabil, ați observat că atunci când mașina este pornită, după ceva timp, carul de scanare începe să efectueze mișcări progresive (dungi u h / b). Acesta este procesul de inițializare al sistemului AGC. Sistemul ia în considerare, de asemenea, starea lămpii (îmbătrânire).

De asemenea, probabil ați acordat atenție că MFP-urile mici echipate cu un scaner color "luminează lampa" trei culori la rândul său: roșu, albastru și verde. Apoi, numai lumina de fundal a originalului este aprinsă de alb. Acest lucru se face pentru o mai bună corectare a matricei separat prin intermediul canalelor RGB.

Testați jumătate Testul de umbrire) Vă permite să inițieți această procedură la cererea inginerului și să aduceți valorile de corecție pentru condiții reale.

Să încercăm să luăm în considerare toate acestea pe mașina reală, "Combaterea". Vom lua un aparat bine-cunoscut și popular Samsung SCX-4521 (Xerox PE 220).

Trebuie remarcat faptul că, în cazul nostru, CCD devine CSI (senzor de imagine de contact), dar esența a ceea ce se întâmplă în rădăcină nu se schimbă. Este pur și simplu folosit ca o sursă de lumină de LED-uri.

Asa de:

Semnalul de imagine de la CIS are un nivel de aproximativ 1,2 V și intră în secțiunea ADC (SAT) a controlerului aparatului (SATSP). După SATSP, semnalul CIS analogic va fi convertit într-un semnal digital pe 8 biți.

Procesorul de imagine din SATP utilizează în primul rând funcția de corecție a tonului și apoi funcția de corecție gamma. După aceasta, datele sunt hrănite în diferite module în conformitate cu modul de funcționare. În modul text, aceste imagini se înscriu pe modulul LAT, în modul foto, datele de imagine sunt primite de modulul "Diffusion de eroare", în modul PC-Scan, datele de imagine sosesc direct la un computer personal prin intermediul accesului DMA.

Înainte de testare, puneți mai multe foi curate de hârtie albă pe geamul de expunere. Este de la sine înțeles că optica, banda B / B și, în general, nodul scanerului din interior trebuie să fie pre-lins "

1. Alegeți în modul tehnologic
2. Apăsați butonul ENTER pentru a scana imaginea.
3. După scanare va fi tipărită "Profilul de umbrire CIS" (profilul Halmone Halmon). Un exemplu de o astfel de foaie este prezentată mai jos. Nu este necesar ca aceasta să fie o copie a rezultatului dvs., dar aproape în imagine.
4. Dacă imaginea tipărită este foarte diferită de imaginea prezentată în figură, atunci cis este defectă. Vă rugăm să rețineți - în partea de jos a fișei de raport scrise "rezultate: OK". Aceasta înseamnă că sistemul de plângeri grave la modulul CSI nu are. În caz contrar, rezultatele erorilor vor fi date.

Exemplu de profil de imprimare:

Multă baftă!!

Ca bază, materialele articolelor și prelegerilor Universității de Stat din St. Petersburg (LSU), SPBBET (LETI) și AXL sunt luate ca bază. Mulțumesc.

Material pregătit de V. Sheenberg

După ce ați citit partea anterioară, cititorul nostru ar putea avea impresia că matricea CCD a fost un fel de "cutie neagră", o "negativă electronică" remarcabilă după o imagine ușoară creată de lentila creată de lentilă și că imaginea imaginii este, de asemenea, afectat exclusiv dimensiunea senzorului.

Același punct de vedere este aderat la vânzătorii de echipamente fotografice digitale, ușor, dar împingând în mod persistent potențialul cumpărător pentru a obține un model cu cât mai mult posibil o matrice de dimensiuni mari, chiar dacă nu există motive obiective pentru o astfel de cumpărare. Mai des ca un "momeală" pentru client, diferite tipuri de "evoluții unice" se desfășoară atunci când creează o matrice, care, destul de ciudat, nu se aplică nimănui de la alți producători.

Un fotograf de începători este dificil de distins promisiunile promoționale de la descoperiri cu adevărat eficiente. Acest articol va încerca să "separe boabele de la curve", cu toate acestea, pentru început, trebuie să vă familiarizați cu definițiile de bază ale fotografiei digitale.

Ca un foton devine un electron

În cazul încărcărilor, transformarea fotonului într-un electron este realizată ca urmare a unui efect foto intern: absorbția cuantului de lumină cu o grilă de cristal semiconductor cu eliberarea purtătorilor de încărcare. Poate fi fie o pereche de "electron + gaură", fie un singur purtător de încărcare - acesta din urmă are loc atunci când se utilizează impurități de donator sau acceptor în semiconductor. Evident, transportatorii de taxare formată trebuie să salveze într-un fel înainte de citire.

Pentru aceasta, materialul principal al matricei CCD este un substrat de siliciu P-tip - echipat cu canale de la semiconductorul de tip N, peste care sunt fabricate electrozi din siliciu policristalin. După potențialul electric, o groapă potențială este creată sub electrodul potențialului electric din zona epuizată sub canalul de tip N, numirea căreia este de a stoca încărcătorul, "miniat" cu ajutorul unui efect de fotografie intern. Cu cât fotonii se află mai mult pe elementul CCD (pixel) și se transformă în electroni, cu atât este mai mare sarcina acumulată de groapă.

Elementul matricei CCD

Secțiunea Pixel CCD-Matrix

Pentru a obține un "negativ electronic", este necesar să se ia în considerare sarcina fiecărei groapă potențială a matricei. Această taxă a primit numele fluxului foto, valoarea sa este destul de mică și după citire necesită un câștig obligatoriu.

Citirea de încărcare este făcută de dispozitivul conectat la cel mai extrem de rând al matricei, numit registrul de schimbare secvențială. Acest registru este un rând de elemente PZD, ale căror taxe sunt citite alternativ. La citirea încărcăturii, capacitatea elementelor CCD la mișcarea tarifelor de gropi potențiale este aceea, de aceea datele dispozitivului se numesc încărcătoare cu încărcături. Pentru a face acest lucru, transferați electrozi (Poarta de transfer), situată între elementele PSZ. Acești electrozi sunt deserviți de potențiale, "Knock Out" de la o groapă potențială și o transmite la altul.

Atunci când a prezentat sincron potențial, electrozii de transfer este asigurat transferul simultan al tuturor liniilor rândului spre dreapta la stânga (sau la stânga la dreapta) într-un singur ciclu de lucru. Taxa sa dovedit a fi "inutilă" la ieșirea matricei CCD. Astfel, registrul de schimbare secvențială transformă încărcările care introduc intrarea sa sub formă de "lanțuri" paralele în secvența impulsurilor electrice de diferite valori la ieșire. Pentru a trimite aceste "lanțuri" paralele la intrarea registrului secvențial, din nou se utilizează registrul de schimbare, dar acest timp este paralel.

PZD-Matrix.

Secțiunea Pixel CCD-Matrix

De fapt, un registru paralel este Matricea CCD în sine, care creează o "turnare" electronică a imaginii luminoase, prin intermediul unui set de fotocurrenți. Matricea este o varietate de registre consecutive numite coloane și sincronizate între ele. Ca rezultat, ciclul de lucru are loc "alunecare" sincronă a fototurilor în jos, iar taxele "inutile" ale liniei de bază ale matricei vin la intrarea secvențială a înregistrării.

După cum rezultă din cele de mai sus, un număr suficient de mare de controale ale microcircuitelor, sincronizarea fluxului potențialului atât în \u200b\u200bparalel, cât și în registrele de schimbare serială. Este evident că registrul serial ar trebui să fie complet liber de taxe în intervalul dintre ceasurile de registru paralel, astfel încât este necesar un microcircuit, sincronizarea ambelor registre.

Ce pixel constă din

Prin schema de mai sus, așa-numitul matrice CCD cu cadru întreg (Full-cadru CCD-Matrix), modul său de funcționare impune o anumită restricție pe designul camerei: dacă procesul de citire fototokok nu oprește expunerea, "extra "Încărcarea generată de fotoni pe" mințile "pixelilor pe cadru. Prin urmare, este nevoie de un obturator mecanic, suprapunând fluxul de lumină la senzor pentru ca timpul necesar pentru a citi încărcările tuturor pixelilor. Evident, o astfel de schemă de citire fototokov nu permite fluxul video la ieșirea din matrice, așa că este utilizat numai în echipamente fotografice.

Cu toate acestea, o încărcare redundantă poate fi acumulată într-o groapă potențială și când fotografiați - de exemplu, cu o expunere prea "lungă". Electronii "extra" tind să "zdrobească" în pixelii vecini, care sunt afișate în imaginea de pete albe, a căror dimensiune este asociată cu magnitudinea de depășire. Acest efect este menționat în înflorire (de la înflorirea engleză - "blur"). Lupta împotriva delimitării se efectuează prin drenaj electronic (scurgere) - îndepărtarea de la potențialul de bună încărcare redundantă. Există două tipuri principale de drenaj: vertical (scurgere verticală de scurgere, vod) și lateral (scurgere laterală de scurgere, lod).

Matricea CCD de drenaj lateral

Schema de drenaj lateral

Pentru a implementa drenajul vertical pe substratul EOP, se servește potențialul, care, atunci când depășind adâncimea groapei potențiale, asigură expirarea electronilor în exces prin substrat. Principalul minus al unei astfel de scheme este de a reduce adâncimea potențialului, ca urmare a căreia intervalul dinamic este îngustat. Și în matricele cu iluminare inversă (fotoni în ele penetrează în interiorul senzorului, fără a prin electrodul unei cariere potențiale și pe partea laterală a substratului) drenaj vertical în general.

Drenarea laterală se efectuează cu ajutorul "canelurilor de drenaj special", în care excesul de electroni "debit". Pentru formarea acestor caneluri, sunt așezate electrozi speciale pe care se formează potențialul sistemului de drenaj. Alți electrozi creează o barieră care prematură "Escape" electron dintr-o groapă potențială.

După cum rezultă din descriere, cu drenaj lateral, adâncimea carierei potențiale nu este redusă, dar zona regiunii fotosensibile pixelilor este tăiată. Cu toate acestea, este imposibil să se facă fără drenaj, deoarece Bluming distorsionează un instantaneu mai mult decât toate celelalte tipuri de interferențe. Prin urmare, producătorii sunt forțați să urmeze complicația designului matricelor.

Astfel, "legarea" oricărui pixel constă din cel puțin o încărcare a electrozilor de transfer de încărcare și din componentele sistemului de drenaj. Cu toate acestea, majoritatea matricelor CCD se caracterizează printr-o structură mai complexă a elementelor lor.

Pixel Optics.

Matricele CCD utilizate în camere video și în cele mai multe camere digitale amatori oferă un flux continuu de impulsuri pe ieșirea lor și nu se produce funcționarea calea optică. Pentru a nu fi "lubrifierea" imagini, se utilizează matricele CCD cu tamponarea coloanelor (interline CCD-Matrix).

Matricea CCD cu tamponarea coloanelor

Structura matricei cu coloane de tamponare

În astfel de senzori, lângă fiecare coloană (care este un registru de schimbare secvențială), se află o coloană tampon (de asemenea, un registru de schimbare serială) constând din elemente PZD acoperite cu benzi opace (mai des metalic). Totalitatea coloanelor tampon este un registru paralel tampon, iar coloanele acestui registru "amestecate" cu cele mai mari de coloane.

Într-un ciclu de lucru, registrul de forfecare paralelă fotosensibil oferă toate fotografiile sale la un registru paralel tampon prin "schimbare orizontală" a taxelor, după care partea fotosensibilă este gata să expună din nou. Apoi, există o linie "schimbare verticală" a unui registru paralel tampon, linia inferioară a cărei intrare este intrarea registrului secvențial al schimbării matricei.

Evident, transferul încărcării matricei în registrul de forfecare paralel tampon are un interval de timp mic și suprapunerea fluxului de lumină al obturatorului mecanic nu este nevoie - gropile nu vor avea timp pentru a depăși. Pe de altă parte, timpul necesar de expunere este, de obicei, comparabil cu timpul de citire al întregului registru paralel tampon. Datorită acestui fapt, intervalul dintre expunere poate fi cel puțin - ca rezultat, semnalul video în camerele video moderne este format cu o frecvență de 30 de cadre pe secundă și mai mare.

La rândul său, senzorii cu coloane de tamponare sunt împărțite în două categorii. Când citiți pentru un tact al tuturor liniilor, puteți vorbi despre o matrice cu răspândire progresivă (scanare progresivă). Când în linii ciudate sunt citite pentru primul ceas, iar pentru al doilea - chiar (sau invers), vorbim despre o matrice cu scanare interlace. Apropo, în detrimentul sunetului termenilor englezi "Matrice cu tamponarea coloanelor" (Interled) și "Matricea intercalată" din senzorii de literatură internă cu linii de tamponare sunt adesea numite în mod eronat intercalate.

Destul de ciudat, "ambalarea" încărcării (frotiu) are loc în matricele cu tamponarea coloanelor. Este cauzată de un flux parțial de electroni din potențialul puț al unui element PZD fotosensibil într-o groapă potențială situată în apropierea elementului tampon. Acest lucru se întâmplă în special aproape de nivelurile maxime ale unui fotocurrent cauzat de iluminarea foarte mare a pixelilor. Ca rezultat, o bară de lumină se întinde în sus și în jos din acest punct luminos, care strică cadrul.

Pentru a contracara acest fenomen, distanța dintre elementele fotosensibile și tampon PZS crește. Ca rezultat, schimbul de încărcare este complicat și timpul petrecut în acest moment crește, totuși, distorsiunea cadrului cauzată de "pliere" este încă prea vizibilă, astfel încât acestea să fie neglijate.

Tamponarea coloanelor face, de asemenea, posibilă implementarea unui obturator electronic, cu care puteți abandona suprapunerea mecanică a fluxului luminos. Cu ajutorul unui declanșator electronic, puteți obține ultra-scăzut (până la 1/10000 secunde) valorile extraselor care nu pot fi atinse pentru declanșatorul mecanic. Această caracteristică este deosebit de relevantă atunci când sunt fotografiate concursuri sportive, fenomene naturale etc.

Pentru implementarea obturatorului electronic, este necesară drenajul anti-fuminos. Cu fragmente foarte scurte, care, în durată, este mai mică decât timpul de transfer de la potențialul element PZD sensibil la pensie într-o groapă tampon potențial, drenajul joacă rolul de "întrerupere". Această "decupare" împiedică tamponul PZS-element al electronilor în groapă, care a avut loc în elementul bine sensibil la timpul de expirare.

Structura pixelilor - cu microline și obișnuite

Gradul de concentrare a fluxului luminos în timpul trecerii prin microlyne depinde de nivelul tehnologic al producătorului matricei. Există structuri destul de complexe care asigură o eficiență maximă a acestor dispozitive miniaturale.

Cu toate acestea, atunci când se utilizează microline, probabilitatea ca razele de lumină care se încadrează la un unghi mare la normal este semnificativ redusă, pătrunsă în zona fotosensibilă. Și cu o gaură mare a diafragmei, procentul acestor raze este destul de mare. Astfel, intensitatea efectului fluxului luminos pe matrice scade, adică efectul principal, pentru care se deschide diafragma.

Cu toate acestea, răul de la aceste raze nu este mai puțin decât bun. Faptul este că, pătrunde în siliciu într-un unghi mare, fotonul poate intra în matrice de pe suprafața unui pixel și poate bate electronul în celălalt corp. Aceasta duce la denaturarea imaginii. Prin urmare, pentru a slăbi efectul unor astfel de fotografii "piercing-piercing", suprafața matricei, cu excepția zonelor fotosensibile, este acoperită cu o mască opacă (mai des metalică), ceea ce complică în continuare designul matricelor.

În plus, microlynele fac o anumită distorsiune în imaginea înregistrată, erozând marginile liniilor a căror grosime pe punctul de vedere al rezoluției senzorului. Dar acest efect negativ poate fi parțial util. Astfel de linii subtile pot duce la o etapă (aliasing) a imaginii care rezultă din atribuirea unui pixel de o anumită culoare, indiferent dacă aceasta este acoperită cu o parte a imaginii în întregime sau doar o parte. Trecerea duce la aspectul în imaginea liniilor rupte cu "borcan" la margini.

Se datorează vitezei camerei cu matrice cu rame integrale cu dimensiuni mari sunt echipate cu filtre de protecție împotriva filtrului anti-aliasing, iar prețul acestor dispozitive este destul de ridicat. Ei bine, matricele cu microloine acest filtru nu este necesar.

Datorită diferitelor cerințe de calitate, imaginea matricei cu coloanele de tamponare sunt folosite în principal în echipamente amatori, în timp ce senzorii de cadre pline au fost stabilite în camere profesionale și de studio.

Va urma

Acest articol oferă o descriere dacă puteți spune astfel să spuneți, geometria pixelului. În detaliu, despre procesele care apar în timpul înregistrării, depozitării și citirii taxei, vor fi informate în următorul articol.

Ce este o matrice CCD?

Un pic de istorie

Un material fotografic au fost utilizați ca receptor de lumină mai devreme: fotoplastic, fotoplot, hârtie foto. Mai târziu, camerele de televiziune și FeU au apărut (multiplicator foto-electric).
La sfârșitul anilor '60 - începutul anilor 70, au fost dezvoltate așa-numitele "taxe cu încărcare", care este abreviat ca un CCD. În limba engleză se pare că "dispozitive cuplate" sau abreviate - CCD. În principiu, matricele CCD stau fapt că siliciul este capabil să reacționeze la lumina vizibilă. Și acest fapt a dus la gândul că acest principiu poate fi folosit pentru a obține imagini de obiecte luminoase.

Astronomii au fost printre primii care au recunoscut capacitatea extraordinară CCD de a înregistra imagini. În 1972, un grup de cercetători din JPL (Laboratorul de Jet Mișcare, SUA) a înființat programul de dezvoltare CCD pentru astronomie și cercetare spațială. Trei ani mai târziu, împreună cu oamenii de știință ai Universității din Arizona, această echipă a primit prima imagine CCD astronomică. În imaginea de uraniu în gama de infraroșu apropiată, pete întunecate din apropierea polului sudic al planetei au fost descoperite cu un telescop de jumătate și jumătate, mărturisind de acolo metan ...

Utilizarea matricelor CCD a fost utilizată pe scară largă: camere digitale, camere video; Matricea CCD ca cameră a devenit posibilă încorporată chiar și în telefoanele mobile.

Dispozitiv CCD.

Un dispozitiv CCD tipic (figura 1): pe suprafața semiconductorului este subțire (0,1-0,15 pm) un strat de dielectric (de obicei oxidat), pe care sunt amplasate benzile de electrozi conductivi (din metal sau policristalină siliciu). Acești electrozi formează un sistem regulat liniar sau matrice, iar distanțele dintre electrozi sunt atât de mici, care sunt esențiale pentru efectele influenței reciproce a electrozilor adiacenți. Principiul funcționării CCD se bazează pe apariția, stocarea și transmiterea direcțională a pachetelor de încărcare în godeurile potențiale formate în stratul semiconductor de suprafață aproape atunci când este aplicat la electrozii de solicitări electrice externe.

Smochin. 1. Dispozitivul principal al matricei CCD.

În fig. 1 Caracters C1, C2 și C3 indică condensatoarele MOS (metal metal-semiconductor).

Dacă există o tensiune pozitivă de u la orice electrod, atunci un câmp electric apare în structura MDP, sub acțiunea căruia principalii purtători (găuri) sunt foarte rapizi (pentru unitățile picosecunde) lăsați suprafața semiconductorului. Ca rezultat, suprafața formează un strat epuizat, a căror grosime este o parte sau unitate a unui micrometru. Transportatorii neznostabili (electroni) generați în stratul epuizat sub acțiunea oricăror procese (de exemplu, căldură) sau acolo din zonele semiconductoare neutre sub acțiunea difuziei, se vor mișca (sub acțiunea câmpului) la marginea semiconductorului - secțiune dielectrică și localizată într-un strat invers îngust. Astfel, suprafața are loc o groapă potențială pentru electroni în care se rostogolesc din stratul epuizat sub acțiunea câmpului. Principalii purtători generați în stratul epuizat (găurile) sub acțiunea câmpului sunt aruncate în partea neutră a semiconductorului.
În timpul intervalului de timp specificat, fiecare pixel este umplut treptat cu electroni proporțional cu numărul de lumină din el. La sfârșitul acestei perioade, taxele electrice acumulate de fiecare pixel sunt transmise la "ieșirea" dispozitivului și sunt măsurate.

Dimensiunea matricelor de pixeli fotosensionale este de la una la două la câteva zeci de microni. Dimensiunea cristalelor de argint cu halogen în stratul fotosensibil de fotografii variază de la 0,1 (emulsii pozitive) la 1 micron (foarte sensibil negativ).

Unul dintre parametrii principali ai matricei este așa-numita eficiență cuantică. Acest nume reflectă eficacitatea conversiei fotonilor absorbiri (cuanta) în fotoelectroni și similar cu conceptul fotografic al fotosensibilității. Deoarece energia cuantei de lumină depinde de culoarea lor (lungime de undă), este imposibil să se determine în mod unic câți electroni se vor naște în pixelul matricei atunci când le absorb, de exemplu, un curent de o sută de fotoni eterogeni. Prin urmare, eficacitatea cuantică este de obicei dată în pașaport pe matrice ca funcție de la lungimea de undă, iar în unele secțiuni ale spectrului pot ajunge la 80%. Este mult mai mare decât cea a fotoeminării sau a ochilor (aproximativ 1%).

Care sunt matricele CCD?

Dacă pixelii sunt construiți într-un rând, receptorul este numit PZS-Rider, dacă suprafața este umplută chiar cu rânduri - atunci receptorul se numește matrice CCD.

PZS-LINE a avut o gamă largă de aplicații în anii 80 și anii '90 pentru observațiile astronomice. A fost suficient să efectuați o imagine pe linia CCD și a apărut pe monitorul computerului. Dar acest proces a fost însoțit de multe dificultăți și, prin urmare, în prezent, linia PZS sunt din ce în ce mai deplasate de matricele CCD.

Efecte nedorite

Unul dintre efectele secundare nedorite ale transferului de încărcare pe matricea CCD, care poate interfera cu observațiile, sunt dungi verticale luminoase (poli) pe locul zonelor luminoase ale imaginii unei zone mici. De asemenea, posibilele efecte nedorite ale matricelor CCD pot fi atribuite: zgomot întunecat, prezența pixelilor "orbi" sau "fierbinți", sensibilitate inegală în câmpul matricei. Pentru a reduce zgomotul întunecat, răcirea autonomă a matricelor CCD este utilizată la temperaturi -20 ° C și mai jos. Fie ca cadrul întunecat este îndepărtat (de exemplu, cu o lentilă închisă) cu aceeași durabilitate (expunere) și temperatura, cu care a fost produsă cadru anterior. Ulterior, un program special pe un computer este scos de un cadru întunecat din imagine.

Camerele de televiziune bazate pe matricele CCD sunt bune deoarece fac posibilă obținerea imaginilor la o viteză de până la 25 de cadre pe secundă, cu o rezoluție de 752 x 582 pixeli. Dar nepotrivirea obiectelor de acest tip de observații astronomice este că producătorul este implementat de căile interne ale producătorului (citite - denaturare) pentru o mai bună percepție a personalului rezultat cu viziune. Aceasta este Aru (ajustarea automată de control) și așa-numita. Efectul "limitelor ascuțite" și al altor.

Progrese ...

În general, utilizarea receptoarelor CCD este mult mai convenabilă decât utilizarea receptoarelor de lumină non-Popware, deoarece datele obținute imediat se dovedesc a fi potrivite pentru procesarea pe un computer și, în plus, viteza de obținere a cadrelor individuale este foarte mare (de la de la mai multe cadre pe secundă până la minute).

În prezent, producția de matricele CCD se dezvoltă rapid. Numărul de "megapixeli" al matricelor este în creștere - numărul de pixeli individuali pe unitate de suprafață a matricei. Calitatea imaginilor obținute de matricele CCD este îmbunătățită etc.

Surse utilizate:
1. 1. Victor Belov. Cu o precizie a zecimilor microni.
2. 2. S.E.guryanov. Întâlni - CCD.