Чому дорівнює час експозиції в ПЗС матриці. ПЗС. Фізичний принцип роботи ПЗС. ПЗС-матриця. Фокусна відстань і кут огляду

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

ТФЕП беруть початок з 1970р., З так званих ПЗС і формуються на основі окремих осередків, що представляють собою конденсатори МДП- або МОП-структури. Однією з обкладок такого елементарного конденсатора є металева плівка М, другий - напівпровідникова підкладка П ( p- або n-провідність), діелектриком Д служить напівпровідник, що наноситься у вигляді тонкого шару на підкладку П. Як підкладка П застосовується кремній, легований акцепторной ( p-типу) або донорной ( n-типу) домішкою, а в якості Д - оксид кремнію SiO 2 (див. Ріс.8.8).

Мал. 8.8.Конденсатор МОП-структури

Мал. 8.9.Переміщення зарядів під дією електричного поля

Мал. 8.10.Принцип роботи трифазного системи ПЗС

Мал. 8.11.Переміщення зарядів в двофазної системі ПЗС

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

Зарядовий пакет в ПЗС може бути введений електричним шляхом або за допомогою світлової генерації. При світловий генерації фотоелектричні процеси, що виникають в кремнії, приведуть до накопичення неосновних носіїв в потенційних ямах. Накопичений заряд пропорційний освітленості і часу накопичення. Спрямована передача заряду в ПЗЗ забезпечується розташуванням МОП-конденсаторів на такій близькій відстані один від одного, що їх збіднені області перекриваються і потенційні ями з'єднуються. При цьому рухливий заряд неосновних носіїв буде накопичуватися в тому місці, де глибше потенційна яма.

Нехай під впливом світла накопичений заряд під електродом U 1 (див. Ріс.8.9). Якщо тепер на сусідній електрод U 2 подати напругу U 2 \u003e U 1, то поруч з'явиться інша потенційна яма, глибша ( U 2 \u003e U 1). Між ними виникне область електричного поля і неосновні носії (електрони) будуть дрейфувати (перетікати) в більш глибокий «кишеню» (див. Ріс.8.9). Щоб виключити двунаправленность в передачі зарядів, використовують послідовність електродів, об'єднаних в групи по 3 електрода (див. Ріс.8.10).

Якщо, наприклад, накопичений заряд під електродом 4 і необхідно передати його вправо, то на правий електрод 5 подається більш висока напруга ( U 2 \u003e U 1) і заряд перетікає до нього і т.д.

Практично вся сукупність електродів приєднана до трьох шинам:

I - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

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

U 3 \u003d 0), тому перетікання вліво не буде.

Трехтактная робота ПЗС передбачає наявність трьох електродів (осередків) на один елемент ТВ-зображення, що зменшує корисну площу, яка використовується світловим потоком. Для скорочення числа осередків (електродів) ПЗС металеві електроди і шар діелектрика формуються ступінчастою форми (див. Ріс.8.11). Це дозволяє при подачі на електроди імпульсів напруги створювати під різними його ділянками потенційні ями різної глибини. У більш глибоку яму стікає більшість зарядів із сусідньої комірки.

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

ПЗС спочатку пропонували використовувати в обчислювальній техніці в якості запам'ятовуючих пристроїв, регістрів зсуву. На початку ланцюжка ставили инжектируются діод, що вводить в систему заряд, а в кінці ланцюга - вивідний діод, зазвичай це n-p- або p-n-переходи МОП структури, що утворюють з першим і останнім електродами (осередками) ланцюжка ПЗС польові транзистори.

Але скоро з'ясувалося, що ПЗС дуже чутливі до світла, і тому їх краще і ефективніше використовувати в якості світлоприймач, а не в якості запам'ятовуючих пристроїв.

Якщо ПЗС-матриця використовується в якості фотоприймача, то накопичення заряду під тим або іншим електродом може бути здійснено оптичним методом (інжекція світлом). Можна говорити, що ПЗС-матриці по суті своїй є світлочутливими аналоговими зсувними регістрами. Сьогодні ПЗС не використовуються в якості запам'ятовуючих пристроїв (ЗУ), а тільки в якості фотоприймачів. Вони використовуються в факсимільних апаратах, сканерах (лінійки ПЗС), в фотокамерах і відеокамерах (матриці ПЗС). Зазвичай в ТВ камерах використовуються так звані ПЗС-чіпи.

Ми припускали, що всі 100% зарядів передаються в сусідній кишеню. Однак на практиці доводиться рахуватися з втратами. Одним з джерел втрат є «пастки», здатні захоплювати і утримувати деякий час заряди. Ці заряди не встигають перетекти в сусідній кишеню, якщо швидкість передачі буде велика.

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

Нехай коефіцієнт передачі одного циклу перенесення дорівнює k \u003d 0,99, вважаючи число циклів рівним N \u003d 100, визначимо сумарний коефіцієнт передачі:

0,99 100 = 0,366

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

Тому питання про скорочення числа переносів зарядів в сенсорі є особливо важливим. В цьому відношенні у матриці двухфазной ПЗС коефіцієнт передачі зарядів буде дещо більшим, ніж в трифазній системі.

В останні роки в околокомпьютерной (і не тільки) пресі досить часто зустрічаються захоплені огляди, присвячені черговому «технологічного дива, покликаному революційним чином вплинути на майбутнє цифрової фотографії» - це узагальнений варіант фрази, в тій чи іншій формі зустрічається в кожної з подібного роду статей . Але що характерно- лише через рік первинний ажіотаж поступово сходить на «ні», а більшість виробників цифрової фототехніки замість «передовий розробки» вважають за краще використовувати перевірені рішення.

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

На жаль, сучасний користувач «розпещений мегапікселямі». Йому невтямки, що кожен раз при збільшенні дозволу розробникам «класичних» ПЗС-матриць доводиться вирішувати складне завдання щодо забезпечення прийнятного динамічного діапазону і чутливості сенсора. А ось «рішення» на кшталт переходу з прямокутної на октагонального форму пікселів рядовому фотолюбителеві здаються цілком зрозумілими і обоснованнимі- адже про це так доступно написано в рекламних буклетах ...

Мета даної статті - спробувати на найпростішому рівні пояснити, від чого залежить якість зображення, одержуваного на виході з ПЗС-матриці. При цьому від якості оптики абсолютно спокійно можна абстрагіроваться- поява вже другий за рахунком «дзеркалки» вартістю менше 1000 доларів (Nikon D 70) дозволяє сподіватися, що подальше зростання дозволу сенсорів для камер прийнятною цінової категорії не буде обмежуватися «мильнічний» об'єктивами.

внутрішній фотоефект

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

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

Елемент ПЗЗ-матриці

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

Зчитування фотострумів ПЗС-елементів здійснюється так званими послідовними регістрами зсуву, Які перетворюють рядок зарядів на вході в серію імпульсів на виході. Дана серія є аналоговий сигнал, який надалі надходить на підсилювач.

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

Подача потенціалів на електроди перенесення синхронізована таким чином, що переміщення зарядів потенційних ям всіх ПЗС-елементів регістра відбувається одночасно. І за один цикл перенесення ПЗС-елементи як би «передають по ланцюжку» заряди зліва направо (або ж справа наліво). Ну а який опинився «крайнім» ПЗС-елемент віддає свій заряд пристрою, розташованого на виході регістра- тобто підсилювача.

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

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

повнокадрова матриця

Даний тип сенсора є найбільш простим з конструктивної точки зору і іменується полнокадровой ПЗС-матрицею (Full-frame CCD - matrix). Крім мікросхем «обв'язки», такий тип матриць потребує також в механічному затворі, перекриває світловий потік після закінчення експонування. До повного закриття затвора зчитування зарядів починати не можна-при робочому циклі паралельного регістра зсуву до фотоструму кожного з його пікселів додадуться зайві електрони, викликані потраплянням фотонів на відкриту поверхню ПЗС-матриці. Дане явище називається «Розмазування» заряду в полнокадровой матриці(Full - frame matrix smear).

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

Існує вдосконалений варіант полнокадровой матриці, в якому заряди паралельного регістра не надходять через підрядник на вхід послідовного, а «складуються» в буферному паралельному регістрі. Даний регістр розташований під основним паралельним регістром зсуву, фотоструми через підрядник переміщаються в буферний регістр і вже з нього надходять на вхід послідовного регістра зсуву. Поверхня буферного регістра покрита непрозорою (частіше металевої) панеллю, а вся система отримала назву матриці з буферизацією кадру (Frame - transfer CCD).

Матриця з буферизацією кадру

В даній схемі потенційні ями основного паралельного регістра зсуву «випорожнюються» помітно швидше, так як при перенесенні рядків в буфер немає необхідності для кожного рядка очікувати повний цикл послідовного регістра. Тому інтервал між експонуванням скорочується, правда при цьому також падає швидкість счітиванія- рядку доводиться «подорожувати» на вдвічі більшу відстань. Таким чином, інтервал між експонуванням скорочується тільки для двох кадрів, хоча вартість пристрою за рахунок буферного регістра помітно зростає. Однак найбільш помітним недоліком матриць з буферизацією кадру є подовжити «маршрут» фотострумів, який негативно позначається на збереження їх величин. І в будь-якому випадку між кадрами повинен спрацьовувати механічний затвор, так що про безперервне видеосигнале говорити не доводиться.

Матриці з буферизацією стовпців

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

Фактично дана схема, що отримала найменування матриці з буферизацією стовпців(Interline CCD -matrix), в чомусь схожа з системами з буферизацією кадра- в ній також використовується буферний паралельний регістр зсуву, ПЗС-елементи якого приховані під непрозорим покриттям. Однак буфер цей не розташовується єдиним блоком під основним паралельним регістром- його стовпці «перетасувати» між стовпцями основного регістра. В результаті поряд з кожним стовпцем основного регістра знаходиться стовпець буфера, а відразу ж після експонування фотоструми переміщаються не "зверху вниз», а «зліва направо» (або «справа наліво») і всього за один робочий цикл потрапляють в буферний регістр, цілком і повністю звільняючи потенційні ями для наступного експонування.

Потрапили в буферний регістр заряди в звичайному порядку зчитуються через послідовний регістр зсуву, тобто «зверху вниз». Оскільки скидання фотострумів в буферний регістр відбувається всього за один цикл, навіть при відсутності механічного затвора не спостерігається нічого схожого на «розмазування» заряду в полнокадровой матриці. А ось час експонування для кожного кадру в більшості випадків за тривалістю відповідає інтервалу, що витрачається на повне зчитування буферного паралельного регістра. Завдяки всьому цьому з'являється можливість створити відеосигнал з високою частотою кадров- не менше 30 кадрів секунду.

Матриця з буферизацією стовпців

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

Хоча фотоструми основного паралельного регістра зсуву одразу ж потрапляють в буферний регістр, яка не піддається «фотонної бомбардуванню», «Розмазування» заряду в матрицях з буферизацією стовпців (Smear) також відбувається. Викликано це частковим перетіканням електронів з потенційної ями «світлочутливого» ПЗС-елемента в потенційну яму «буферного», особливо часто це відбувається при близьких до максимального рівнях заряду, коли освітленість пікселя дуже висока. В результаті на знімку вгору і вниз від цієї яскравої точки простягається світла смуга, псує кадр. Для боротьби з цим неприємним ефектом при проектуванні сенсора «світлочутливий» і буферний стовпці мають у своєму розпорядженні на більшій дистанції один від одного. Зрозуміло, це ускладнює обмін зарядом, а також збільшує часовий інтервал даної операції, проте шкоду, яку завдає зображенню «розмазування», не залишає розробникам вибору.

Як вже було сказано раніше, для забезпечення відеосигналу необхідно, щоб сенсор не вимагав перекриття світлового потоку між експозиціями, так як механічний затвор в таких умовах роботи (близько 30 спрацьовувань в секунду) може швидко вийти з ладу. На щастя, завдяки буферним рядках є можливість реалізувати електронний затвор, Який, по-перше, дозволяє при необхідності обійтися без механічного затвора, а по-друге, забезпечує сверхмалі (до 1 / 10000секунди) значення витримки, особливо критичні для зйомки швидкоплинних процесів (спорт, природа і т.д.). Однак електронний затвор вимагає також, щоб матриця мала системою видалення надлишкового заряду потенційної ями, втім, про все буде розказано по порядку.

За все доводиться платити, і за можливість сформувати відеосігнал- теж. Буферні регістри зсуву «з'їдають» значну частину площі матриці, в результаті кожного пікселя дістається лише 30% світлочутливої \u200b\u200bобласті від його загальної поверхні, в той час як у пікселя полнокадровой матриці ця область становить 70%. Саме тому в більшості сучасних ПЗС_матріц поверх кожного пікселя розташовується мікролінза. Таке найпростіше оптичний пристрій покриває велику частину площі ПЗС-елемента і збирає всю падаючу на цю частину частку фотонів в концентрований світловий потік, який, в свою чергу, спрямований на досить компактну світлочутливу область пікселя.

мікролінзи

Оскільки за допомогою мікролінз вдається набагато ефективніше реєструвати падаючий на сенсор світловий потік, з часом цими пристроями стали постачати не тільки системи з буферизацією стовпців, а й повнокадрові матриці. Втім, мікролінзи теж не можна назвати «рішенням без недоліків».

Будучи оптичним пристроєм, мікролінзи в тій чи іншій мірі спотворюють реєстроване зображення найчастіше це виражається у втраті чіткості у найдрібніших деталей кадра- їх краї стають злегка розмитими. З іншого боку, таке нерезкое зображення аж ніяк не завжди небажано - в ряді випадків зображення, що формується об'єктивом, містить лінії, розмір і частота розміщення яких близькі до габаритів ПЗЗ-елемента і міжпіксельна віддалі матриці. В цьому випадку в кадрі часто спостерігається ступенчатость (Aliasing) - призначення пікселу певного кольору, незалежно від того, чи закритий він деталлю зображення цілком або тільки його частина. В результаті лінії об'єкта на знімку виходять рваними, з зубчастими краями. Для вирішення цієї проблеми в камерах з матрицями без мікролінз використовується дорогий фільтр захисту від накладення спектрів (Anti -aliasing filter), а сенсор з мікролінзами в такому фільтрі не потребує. Втім, в будь-якому випадку за це доводиться розплачуватися деяким зниженням роздільної здатності сенсора.

Якщо об'єкт зйомки освітлений недостатньо добре, рекомендується максимально відкрити діафрагму. Однак при цьому різко зростає відсоток променів, що падають на поверхню матриці під крутим кутом. Мікролінзи ж відсікають значну частку таких променів, тому ефективність поглинання світла матрицею (те, заради чого і відкривали діафрагму) сильно скорочується. Хоча треба зазначити, що падають під крутим кутом промені теж є джерелом проблем-входячи в кремній одного пікселя, фотон з великою довжиною хвилі, що володіє високою проникаючою здатністю, може поглинути матеріалом іншого елемента матриці, що в підсумку призведе до спотворення зображення. Для вирішення цієї проблеми поверхню матриці покривається непрозорою (наприклад, металевої) «гратами», в вирізах якої залишаються тільки світлочутливі зони пікселів.

Історично склалося так, що повнокадрові сенсори застосовуються в основному в студійній техніці, а матриці з буферизацією столбцов- в аматорській. У професійних камерах зустрічаються сенсори обох типів.

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

Матриця зі зворотним засвіченням

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

чутливість

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

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

Перший параметр - інтегральна чутливість, Що є відношенням величини фотоструму (в міліампер) до світлового потоку (в люменах) від джерела випромінювання, спектральний склад якого відповідає вольфрамової лампі розжарювання. Цей параметр дозволяє оцінити чутливість сенсора в цілому.

Другий параметр - монохроматична чутливість, Тобто відношення величини фотоструму (в міліампер) до величини світлової енергії випромінювання (в мілліелектронвольтах), що відповідає певній довжині хвилі. Набір всіх значень монохроматичної чутливості для цікавить частини спектра становить спектральну чутливість - залежність чутливості від довжини хвилі світла. Таким чином, спектральна чутливість показує можливості сенсора по реєстрації відтінків певного кольору.

Зрозуміло, що одиниці виміру як інтегральної, так і монохромного чутливості відрізняються від популярних в фототехніку позначень. Саме тому виробники цифрової фототехніки в характеристиках виробу вказують еквівалентну чутливість ПЗС-матриці в одиницях ISO. А для того, щоб визначити еквівалентну чутливість, виробнику досить знати освітленість об'єкту зйомки, діафрагму і витримку, і використовувати пару формул. Згідно з першою, експозиційне число обчислюється як log 2 (L * S / C), де L - освітленість, S - чутливість, а C - експонометричного константа. Друга формула визначає значення експозиції рівним 2 * log 2 K - log 2 t., Де K - діафрагма, а t -видержка. Неважко вивести формулу, що дозволяє при відомих L, C, K і t обчислити, чому дорівнює S.

Чутливість матриці є інтегральною величиною, що залежить від чутливості кожного ПЗС-елемента. Ну а чутливість пікселя матриці залежить, по-перше, від «підставлений під дощ фотонів» площі світлочутливої \u200b\u200bобласті (Fill factor), а по-друге, від квантової ефективності (Quantum efficiency), тобто відносини числа зареєстрованих електронів до числа впали на поверхню сенсора фотонів.

У свою чергу, на квантову ефективність впливає ряд інших параметрів. По-перше, це коефіцієнт відображення - величина, що відображає частку тих фотонів, які «отрікошетіруют» від поверхні сенсора. При зростанні коефіцієнта відображення частка фотонів, що беруть участь у внутрішньому фотоефекті, зменшується.

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

Нерідко замість квантової ефективності використовують термін «Квантовий вихід» (Quantum yield), але в дійсності даний параметр відображає кількість носіїв заряду, що вивільняються при поглинанні одного фотона. Зрозуміло, при внутрішньому фотоефекті основна маса носіїв заряду все ж потрапляє до потенційної ями ПЗС-елемента, однак певна частина електронів (або дірок) уникає «пастки». У чисельнику формули, яка описує квантову ефективність, виявляється саме ту кількість носіїв заряду, яке потрапило до потенційної ями.

Важливою характеристикою ПЗС-матриці є поріг чутливості - параметр реєструючого світло пристрої, що характеризує мінімальну величину світлового сигналу, який може бути зареєстрований. Чим менше цей сигнал, тим вище поріг чутливості. Головним чинником, що обмежує поріг чутливості, є темновой ток (Dark current). Він є наслідком термоелектронної емісії і виникає в ПЗС-елементі при подачі потенціалу на електрод, під яким формується потенційна яма. «Темнова» ж даний струм називається тому, що складається з електронів, що потрапили в яму при повній відсутності світлового потоку. Якщо світловий потік слабкий, то величина фотоструму близька, а часом і менше, ніж величина темнового струму.

Існує залежність темнового струму від температури сенсора- при нагріванні матриці на 9 градусів за Цельсієм її темновой струм зростає в два рази. Для охолодження матриці використовуються різні системи відводу тепла (охолодження). У польових камерах, масогабаритні характеристики яких сильно обмежують застосування систем охолодження, іноді в якості теплообмінника використовується металевий корпус камери. У студійної техніці обмежень за масою і габаритами практично немає, більше того, допускається досить високе енергоспоживання охолоджуючої системи, які, в свою чергу, діляться на пасивні і активні.

Пасивні системи охолодження забезпечують лише «скидання» надлишкового тепла охолоджуваного пристрою в атмосферу. При цьому система охолодження відіграє роль максимум провідника тепла, що забезпечує більш ефективне його розсіювання. Очевидно, що температура охолоджуваного пристрою не може стати нижче, ніж температура навколишнього повітря, в чому і полягає основний недолік пасивних систем.

Найпростішим прикладом системи пасивного теплообміну є радіатор (Heatsink), що виготовляється з матеріалу з хорошою теплопровідністю, найчастіше-з металу. Поверхня, що контактує з атмосферою, має форму, що забезпечує як можна більшу площу розсіювання. Загальновизнано максимальною площею розсіювання мають голчасті радіатори, Які за формою нагадують «їжака», утикані розсіюючими тепло «голками». Нерідко для форсування теплообміну поверхню радіатора обдувається мікровентілятором- схожі пристрої, які називаються кулерами (Cooler, від слова cool- охолоджувати), в персональних комп'ютерах охолоджують процесор. На підставі того, що мікровентілятор споживає електроенергію, що використовують його системи називаються "активними"., Що абсолютно неправильно, тому що кулери не можуть охолодити пристрій до температури меншою, ніж атмосферна. При високій температурі навколишнього повітря (40градусов і вище) ефективність пасивних систем охолодження починає падати.

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

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

Використовують ефект Пельтьє активні системи охолодження можуть знизити температуру сенсора аж до нуля градусів, кардинально знижуючи рівень темнового струму. Однак надмірне охолодження ПЗС-матриці загрожує випаданням конденсату вологи з навколишнього повітря і коротким замиканням електроніки. А в ряді випадків гранична різниця температур між охолоджувальної і світлочутливої \u200b\u200bплощинами матриці може привести до її неприпустимою деформації.

Однак ні радіатори, ні кулери, ні елементи Пельтьє не застосовні до польовим камерам, обмеженим за вагою і габаритами. Замість цього для такої техніки використовується метод, заснований на так званих чорних пікселах (Dark reference pixels) Ці пікселі є покриті непрозорим матеріалом стовпці і рядки по краях матриці. Усереднене значення для всіх фотострумів чорних пікселів вважається рівнем темнового струму. Очевидно, що при різних умовах експлуатації (температура навколишнього середовища і самої камери, ток акумуляторів і т. Д.), Рівень темнового струму буде різним. При використанні його в якості «точки відліку» для кожного пікселя, тобто віднімаючи його значення з фотоструму, можна визначити, який саме заряд створений впали на ПЗС-елемент фотонами.

Пригнічуючи тим чи іншим способом темновой струм, слід пам'ятати про інший чинник, який обмежує поріг чутливості. їм є теплової шум (Thermal noise), створюваний навіть при відсутності потенціалу на електродах одним лише хаотичним рухом електронів по ПЗС-елементу. Витяги великої тривалості ведуть до поступового накопичення блукаючих електронів в потенційній ямі, що спотворює справжнє значення фотоструму. І чим «довше» витримка, тим більше «заблукали» в ямі електронів.

Як відомо, світлочутливість плівки в межах однієї касети залишається постійною, іншими словами-не може змінюватися від кадру до кадру. А ось цифрова камера дозволяє для кожного знімка встановлювати найоптимальніше значення еквівалентної чутливості. Досягається це за допомогою посилення відеосигналу, що виходить з матріци- в чомусь така процедура, яка називається «Підвищенням еквівалентної чутливості», Нагадує обертання регулятора гучності програвача.

Таким чином, при слабкому освітленні перед користувачем постає ділемма- або підвищувати еквівалентну чутливість, або збільшувати витримку. При цьому в обох випадках не уникнути псування кадру шумом фіксованого розподілу. Правда, досвід показує, що при «довгій» витримці знімок псується не так сильно, як при посиленні сигналу матриці. Однак велика тривалість експонування загрожує інший проблемой- користувач може «зірвати» кадр. Тому, якщо використовувати планує часту зйомку в приміщенні, то йому слід вибирати фотоапарат з високою світлосилою об'єктива, а також потужної і «інтелектуальної» спалахом.

динамічний діапазон

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

Можливість сенсора формувати хорошою знімок при різній освітленості і високої контрастності визначається параметром «Динамічний діапазон», Що характеризує здатність матриці розрізняти в зображенні, проектованому на її реєструє поверхню, найтемніші тони від найсвітліших. При розширенні динамічного діапазону кількість відтінків знімка буде збільшуватися, а переходи між ними будуть максимально відповідати зображенню, що формується об'єктивом.

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

Характеристика, що описує здатність ПЗС-елемента накопичити певної величини, називається «Глибиною потенційної ями» (Well depth), і саме від неї залежить динамічний діапазон матриці. Зрозуміло, при зйомці в умовах слабкого освітлення на динамічний діапазон впливає також поріг чутливості, який, в свою чергу, визначається величиною темнового струму.

Очевидно, що втрати електронів, складових фототок, відбуваються не тільки в процесі накопичення заряду потенційної ями, але і при його транспортуванні до виходу матриці. Втрати ці викликані дрейфом електронів, «відірвалися» від основного заряду при його перетікання під наступний електрод перенесення. Чим менше кількість «відірвалися» електронів, тим вище ефективність переносу заряду (Charge transfer efficiency). Даний параметр вимірюється у відсотках і показує частку заряду, що збереглася при «переправі» між ПЗС-елементами.

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

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

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

блюмінг

У тих випадках, коли внутрішній фотоефект призводить до надмірної кількості електронів, що перевищує глибину потенційної ями, заряд ПЗС-елемента починає «розтікатися» по сусіднім пикселам. На знімках це явище, іменоване «Блюмінг» (Від англійського blooming - розмивання), відображається у вигляді плям білого кольору і правильної форми, і чим більше надлишкових електронів, тим крупніше плями.

Придушення блюмінга здійснюється за допомогою системи електронного дренажу (Overflow drain), основне завдання якої-відведення надлишкових електронів з потенційної ями. Найбільш відомі варіанти вертикального дренажу (Vertical Overflow Drain, VOD) і бокового дренажу (Lateral Overflow Drain, VOD).

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

Вертикальний електронний дренаж

Система з боковим дренажем використовує електроди, що перешкоджають проникненню електронів потенційної ями в «дренажні канавки», з яких відбувається розсіювання надлишкового заряду. Потенціал на цих електродах підбирається відповідно до бар'єром переповнення потенційної ями, при цьому її глибина не змінюється. Однак за рахунок електродів дренажу скорочується світлочутлива площа ПЗС-елемента, тому доводиться використовувати мікролінзи.

Бічний електронний дренаж

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

«Заліпшіе» пікселі

Через технологічних похибок в деяких ПЗС-елементах навіть найкоротша витримка веде до лавиноподібного накопичення електронів в потенційній ямі. На знімку такі пікселі, іменовані «Заліпшіе» (Stuck pixels), дуже сильно відрізняються від тих, що оточують точок як за кольором, так і за яскравістю, причому, на відміну від шуму фіксованого розподілу, вони з'являються при будь витримці і незалежно від нагріву матриці.

Видалення заліпшіе пікселів здійснюється за допомогою програмно-апаратних засобів камери, що забезпечує пошук дефектних ПЗС-елементів та запам'ятовування їх «координат» в незалежній пам'яті. При формуванні зображення значення дефектних пікселів в розрахунок не беруться, їх замінюють інтерпольованим значенням сусідніх точок. Щоб визначити дефектність пікселя в процесі пошуку, його заряд порівнюється з еталонним значенням, яке теж зберігається в незалежній пам'яті камери.

Розмір матриці по діагоналі

Іноді в ряду інших параметрів будь-якої цифрової камери вказується розмір ПЗС-матриці по діагоналі (Найчастіше в частках дюйма). В першу чергу ця величина пов'язана з характеристиками об'ектіва- чим більше габарити сенсора, тим крупніше повинна бути сформована оптикою зображення. Щоб дане зображення повністю накривало реєструючу поверхню матриці, розміри оптичних елементів доводиться збільшувати. Якщо цього не робити і створена об'єктивом «картинка» виявиться менше сенсора, то периферійні області матриці виявляться незатребуваними. Однак в ряді випадків виробники фотокамер не стали вказувати, що в їх моделях певна частка мегапікселів виявилася «не при справах».

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

Згаданий коефіцієнт має як позитивним, так і негативним впливом. Зокрема, ускладнюється зйомка з великим кутом охоплення, що вимагає короткофокусних об'єктивів. Оптика з фокусною відстанню 18мм і менш коштує дуже дорого, а в цифровий «зеркалке» вона перетворюється в тривіальні 27мм. Втім, довгофокусні об'єктиви стоять теж дуже дорого, і при великій фокусній відстані, як правило, зменшується відносний отвір. А ось недорогий 200 міліметровий об'єктив при коефіцієнті 1,5 перетворюється в 300-міліметровий, при цьому у «справжньої» 300-міліметрової оптики діафрагма порядку f / 5,6, у 200-міліметрової світлосила вище-f / 4,5.

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

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

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

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

Зменшення світлочутливої \u200b\u200bобласті ПЗС-матриці при зростанні дозволу.

Тому за кожним «N +1 мегапікселів» криється копітка праця разработчіков- на жаль, не завжди успішний.

Аналого-цифровий перетворювач

Відеосигнал, що пройшов крізь підсилювач, необхідно перевести в зрозумілий мікропроцесору камери цифровий формат. Для цього використовується аналого-цифровий перетворювач, АЦП (Analog to digital convertor, ADC) - пристрій, що перетворює аналоговий сигнал в послідовність цифр. Його головною характеристикою є розрядність, Тобто кількість розпізнаваних і кодованих дискретних рівнів сигналу. Щоб обчислити кількість рівнів, досить звести двійку в ступінь розрядності. Наприклад, «8 біт» позначає, що перетворювач в змозі визначити 2 у восьмому ступені рівнів сигналу і відобразити їх у вигляді 256 різних значень.

При великої розрядності АЦП можна (теоретично) досягти більшої глибини кольору (Color depth), тобто розрядності обробки кольору, яка описує максимальну кількість колірних відтінків, яке можна відтворити. Глибина кольору зазвичай виражається в бітах, а кількість відтінків обчислюється так само, як і кількість рівнів сигналу АЦП. Наприклад, при 24-бітної глибині кольору можна отримати 16777216 відтінків кольору.

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

Очевидно, що динамічний діапазон ПЗС-матриці повинен бути підставою для підвищення розрядності АЦП, так як при вузькому динамічному діапазоні АЦП з 10-12 битами на канал просто нічого буде розпізнавати. І часто не можна назвати інакше, ніж рекламним трюком згадки «36-бітного» і навіть «48-бітного» кольору скромною «мильниці» з матрицею в півдюйма по діагоналі, адже навіть 30-бітний колір вимагає, як мінімум, сенсор з діагоналлю 2 / 3 дюйма.

Вперше принцип ПЗЗ з ідеєю зберігати і потім зчитувати електронні заряди був розроблений двома інженерами корпорації BELL в кінці 60-х років в ході пошуку нових типів пам'яті для ЕОМ, здатних замінити пам'ять на феритових кільцях (так - так, була і така пам'ять). Ця ідея виявилася безперспективною, але здатність кремнію реагувати на видимий спектр випромінювання була помічена і думка використовувати цей принцип для обробки зображень отримала свій розвиток.

Почнемо з розшифровки терміна.

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

Даний тип приладів в даний час має дуже широке коло застосувань в самих різних оптоелектронних пристроях для реєстрації зображення. У побуті це цифрові фотоапарати, відеокамери, різні сканери.

Що ж відрізняє ПЗС-приймач від звичайного напівпровідникового фотодіода, що має світлочутливу площадку і два електричних контакту для знімання електричного сигналу?

По перше , Таких світлочутливих майданчиків (часто їх називають пікселями - елементами, які беруть світло і перетворюють його в електричні заряди) в ПЗС-приймачі дуже багато, від декількох тисяч до декількох сотень тисяч і навіть декількох мільйонів. Розміри окремих пікселів однакові і можуть бути від одиниць до десятків мікрон. Пікселі можуть бути збудовані в один ряд - тоді приймач називається ПЗС-лінійкою, або рівними рядами заповнювати ділянку поверхні - тоді приймач називають ПЗС-матрицею.

Раcположеніе світлоприйомним елементів (прямокутники синього кольору) в ПЗС-лінійці і ПЗС-матриці.

По-друге , В ПЗС-приймачі, зовні схожому на звичайну мікросхему, немає величезного числа електричних контактів для виведення електричних сигналів, які, здавалося б, повинні йти від кожного світлоприйомним елемента. Зате до ПЗС-приймача підключається електронна схема, яка дозволяє витягувати з кожного світлочутливого елемента електричний сигнал, пропорційний його засветке.

Дія ПЗС можна описати таким чином: кожен світлочутливий елемент - піксель - працює як скарбничка для електронів. Електрони виникають в пікселях під дією світла, що прийшов від джерела. Протягом заданого інтервалу часу кожен піксель поступово заповнюється електронами пропорційно кількості потрапив в нього світла, як відро, виставлене на вулицю під час дощу. Після закінчення цього часу електричні заряди, накопичені кожним пікселем, по черзі передаються на "вихід" приладу і вимірюються. Все це можливо за рахунок певної структури кристала, де розміщуються світлочутливі елементи, і електричної схеми управління.

Практично точно так же працює і ПЗС-матриця. Після експонування (засвічення проектованого зображення) електронна схема управління приладом подає на нього складний набір імпульсних напруг, які починають зрушувати стовпці з накопиченими в пікселях електронами до краю матриці, де знаходиться аналогічний вимірювальний ПЗС-регістр, заряди в якому зсуваються вже в перпендикулярному напрямку і потрапляють на вимірювальний елемент, створюючи в ньому сигнали, пропорційні окремим зарядів. Таким чином, для кожного наступного моменту часу ми можемо отримати значення накопиченого заряду і збагнути, яким пікселя на матриці (номер рядка і номер стовпця) він відповідає.

Коротко про фізику процесу.

Для початку зазначимо, що ПЗЗ відносяться до виробів так званої функціональної електроніки, Їх не можна уявити як сукупність окремих радіоелементів - транзисторів, опорів і конденсаторів. В основі роботи лежить принцип зарядового зв'язку. Принцип зарядового зв'язку використовує два відомих з електростатики положення:

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

Для початку уявімо собі МОП-конденсатор (МОП - скорочення від слів метал-окісел- напівпровідник). Це те, що залишається від МОП-транзистора, якщо прибрати з нього стік і джерело, тобто просто електрод, відділений від кремнію шаром діелектрика. Для визначеності будемо вважати, що напівпровідник - p-типу, т. Е. Концентрація дірок в рівноважних умовах багато (на кілька порядків) більше, ніж електронів. У електрофізики «діркою» називають заряд, зворотний заряду електрона, тобто позитивний заряд.

Що буде, якщо на такий електрод (його називають затвором) подати позитивний потенціал? Електричне поле, створюване затвором, проникаючи в кремній крізь діелектрик, відштовхує рухливі дірки; виникає збіднена область - деякий обсяг кремнію, вільний від основних носіїв. При параметрах напівпровідникових підкладок, типових для ПЗС, глибина цієї області становить близько 5 мкм. Навпаки, електрони, що виникли тут під дією світла, притягнуться до затвору і будуть накопичуватися на кордоні розділу окисел-кремній безпосередньо під затвором, т. Е. Звалюються в потенційну яму (рис. 1).

Мал. 1
Освіта потенційної ями при додатку напруги до затвора

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

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

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

Мал. 3
Найпростіший трифазний ПЗС-регістр.
Заряд в кожній потенційній ямі різний.

Це і є найпростіший трифазний регістр зсуву на ПЗС. Тактові діаграми роботи такого регістра показані на рис. 4.

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

Видно, що для його нормальної роботи в кожен момент часу, по крайней мере, на одній тактовою шині повинен бути присутнім високий потенціал, і, по крайней мере, на одній - низький потенціал (потенціал бар'єру). При підвищенні потенціалу на одній шині і зниженні його на інший (попередній) відбувається одночасна передача всіх зарядових пакетів під сусідні затвори, і за повний цикл (один такт на кожній фазной шині) відбувається передача (зрушення) зарядових пакетів на один елемент регістра.

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

Мал. 5.
Вид на регістр "зверху".
Канал перенесення в бічному напрямку обмежується стоп-каналами.

Справа в тому, що від концентрації легуючої домішки залежить, при якому конкретно напрузі на затворі під ним утворюється збіднена область (цей параметр є не що інше, як порогове напруга МОП-структури). З інтуїтивних міркувань зрозуміло, що чим більше концентрація домішки, т. Е. Чим більше дірок в напівпровіднику, тим важче їх відігнати вглиб, т. Е. Тим вище граничне напруга або ж, при одному напрузі, тим нижче потенціал в потенційній ямі.

проблеми

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

підсумок

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

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

Як працює система AGC

Для простоти розгляду не будемо брати щось конкретне. Припустимо, що на виході АЦП вузла ПЗС є якісь потенційні рівні. Припустимо, що 60 - середній рівень білого.

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

Ініціалізація системи AGC проводиться кожного разу при ініціалізації системи сканера. Напевно, ви помічали, що при включенні машини через якийсь час каретка сканера починає здійснювати поступально-зворотні рухи (елозить у ч / б смужки). Це і є процес ініціалізації системи AGC. Система так само враховує і стан лампи (старіння).

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

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

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

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

Отже:

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

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

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

1. Виберіть в TECH MODE
2. Натисніть кнопку ENTER (Ввід) для сканування зображення.
3. Після сканування буде роздрукований "CIS SHADING PROFILE" (профіль півтонів CIS). Приклад такого листа наведено нижче. Не обов'язково, що він повинен бути копією Вашого результату, але близький по зображенню.
4. Якщо роздруковане зображення сильно відрізняється від зображення, показаного на малюнку, значить CIS несправний. Зверніть увагу - внизу листа звіту написано "Results: OK". Це означає, що система серйозних претензій до модуля CIS не має. В іншому випадку будуть дані результати помилок.

Приклад роздруківки профілю:

Удачі вам!!

За основу взято матеріали статей і лекцій викладачів СПбДУ (ЛДУ), СПбЕТУ (ЛЕТІ) і Axl. Спасибі їм.

Матеріал підготовлений В. Шеленбергом

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

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

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

Як фотон стає електроном

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

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

Елемент ПЗЗ-матриці

Перетин пікселя ПЗЗ-матриці

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

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

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

ПЗС-матриця

Перетин пікселя ПЗЗ-матриці

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

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

З чого складається піксель

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

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

Бічний дренаж ПЗС-матриці

Схема бокового дренажу

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

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

Як випливає з опису, при бічному дренажі глибина потенційної ями не зменшується, проте при цьому урізається площа світлочутливої \u200b\u200bобласті пікселя. Проте без дренажу обійтися не можна, так як квітучий спотворює знімок більше, ніж всі інші види перешкод. Тому виробники змушені йти на ускладнення конструкції матриць.

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

Оптика для пікселя

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

ПЗС-матриця з буферизацією стовпців

Структура матриці з буферизацією стовпців

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура пікселів - з мікролінз і звичайного

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

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

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

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

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

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

Далі буде

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

Що таке ПЗС-матриця?

Трохи історії

Як приймача світла раніше використовувалися фотоматеріали: фотопластинки, фотоплівка, фотопапір. Пізніше з'явилися телевізійні камери і ФЕУ (фото-електричний умножитель).
В кінці 60-х - початку 70-х років почали розроблятися так звані "Прилади з зарядовим зв'язком", що скорочено пишеться як ПЗС. На англійській мові це виглядає як "charge-coupled devices" або скорочено - CCD. В принципі ПЗС-матриць лежав факт, що кремній здатний реагувати на видиме світло. І цей факт привів до думки що цей принцип може використовуватися для отримання зображень об'єктів, що світяться.

Астрономи були одними з перших, хто розпізнав екстраординарні здібності ПЗС для реєстрації зображень. У 1972 році група дослідників з JPL (Лабораторія реактивного руху, США) заснувала програму розвитку ПЗС для астрономії та космічних досліджень. Три роки по тому, спільно з вченими університету Арізони, ця команда здобула перше астрономічне ПЗС зображення. На знімку Урана в ближньому інфрачервоному діапазоні за допомогою півтораметрового телескопа були виявлені темні плями біля південного полюса планети, що свідчать про наявність там метану ...

Застосування ПЗЗ-матриць на сьогоднішній день знайшло широке застосування: цифрові фотокамери, відеокамери; ПЗС-матриця як фотокамери стало можливим вбудовувати навіть в мобільні телефони.

пристрій ПЗС

Типове пристрій ПЗС (рис.1): на напівпровідниковій поверхні знаходиться тонкий (0.1-0.15 мкм) шар діелектрика (зазвичай оксиду), на якому розташовуються смужки проводять електродів (з металу або полікристалічного кремнію). Ці електроди утворюють лінійну або матричну регулярну систему, причому відстані між електродами настільки малі, що істотними є ефекти взаємного впливу сусідніх електродів. Принцип роботи ПЗС заснований на виникненні, зберіганні і спрямованої передачі зарядових пакетів в потенційних ямах, що утворюються в поверхневому шарі напівпровідника при додатку до електродів зовнішніх електричних напруг.

Мал. 1. Принципова пристрій ПЗС-матриці.

На рис. 1 символами С1, С2 і С3 позначені МОП-конденсатори (метал-окисел-напівпровідник).

Якщо до якогось електроду докласти позитивне напруга U, то в МДП-структуре виникає електричне поле, під дією якого основні носії (дірки) дуже швидко (за одиниці пикосекунд) йдуть від поверхні напівпровідника. В результаті у поверхні утворюється збіднений шар, товщина якого становить частки або одиниці мікрометра. Неосновні носії (електрони), генеровані в збідненим шарі під дією будь-яких процесів (наприклад, теплових) або потрапили туди з нейтральних областей напівпровідника під дією дифузії, будуть переміщатися (під дією поля) до кордону розділу напівпровідник-діелектрик і локалізуватися в вузькому інверсному шарі. Таким чином, у поверхні виникає потенційна яма для електронів, в яку вони скочуються зі збідненого шару під дією поля. Генеровані в збідненим шарі основні носії (дірки) під дією поля викидаються в нейтральну частину напівпровідника.
Протягом заданого інтервалу часу кожен піксель поступово заповнюється електронами пропорційно кількості потрапив в нього світла. Після закінчення цього часу електричні заряди, накопичені кожним пікселем, по черзі передаються на "вихід" приладу і вимірюються.

Розмір світлочутливого пікселя матриць становить від одного-двох до декількох десятків мікрон. Розмір же кристалів галоидного срібла в світлочутливому шарі фотоплівки коливається від 0.1 (позитивні емульсії) до 1 мікрона (високочутливі негативні).

Одним з основних параметрів матриці є, так звана, квантова ефективність. Ця назва відображає ефективність перетворення поглинутих фотонів (квантів) в фотоелектрони і схоже фотографічному поняттю світлочутливості. Оскільки енергія світлових квантів залежить від їх кольору (довжини хвилі), неможливо однозначно визначити скільки електронів народиться в пікселі матриці при поглинанні їм наприклад потоку зі ста різнорідних фотонів. Тому квантова ефективність зазвичай дається в паспорті на матрицю як функція від довжини хвилі, і на окремих ділянках спектра може досягати 80%. Це набагато більше, ніж у фотоемульсії або очі (приблизно 1%).

Які бувають ПЗС-матриці?

Якщо пікселі збудовані в один ряд, то приймач називається ПЗС-лінійкою, якщо ж ділянку поверхні заповнений рівними рядами - тоді приймач називається ПЗС-матрицею.

ПЗС-лінійка мала широке коло застосування в 80-х і 90-х роках для астрономічних спостережень. Досить було провести зображення по ПЗС-лінійці і воно з'являлося на моніторі комп'ютера. Але це процес супроводжувався багатьма труднощами і тому в даний час ПЗС-лінійки все більше витісняються ПЗС-матрицями.

небажані ефекти

Одним з небажаних побічних ефектів переносу заряду на ПЗЗ-матриці, який може заважати спостереженнями, є яскраві вертикальні смуги (стовпи) на місці яскравих зон зображення невеликої площі. Також до можливих небажаних ефектів ПЗС-матриць можна віднести: високий темнової шум, наявність "сліпих" або "гарячих" пікселів, нерівномірність чутливості по полю матриці. Для зменшення темнового шуму використовують автономне охолодження ПЗС-матриць до температур -20 ° С і нижче. Або ж знімається темновой кадр (наприклад з закритим об'єктивом) з такою ж тривалістю (експозицією) і температурою, з якими був проведений попередній кадр. Згодом спеціальною програмою на комп'ютері віднімається темновой кадр з зображення.

Телевізійні камери на базі ПЗС-матриць хороші тим, що вони дають можливість отримувати зображення зі швидкістю до 25 кадрів в секунду з роздільною здатністю 752 x 582 пікселів. Але непридатність нектороие камер цього типу для астрономічних спостережень полягає в тому, що в них виробником реалізуються внутрішні предобработки зображення (читати - спотворення) для кращого сприйняття одержуваних кадрів зором. Це і АРУ (автоматизована регулювання керуванням) і т.зв. ефект "різких кордонів" та інші.

Прогрес ...

В цілому, використання ПЗС-приймачів значно зручніше, ніж використання нецифрових приймачів світла, оскільки отримані дані відразу виявляються у вигляді, придатному для обробки на комп'ютері і, крім того, швидкість отримання окремих кадрів дуже висока (від декількох кадрів в секунду до хвилин).

На даний момент швидкими темпами розвивається і вдосконалюється виробництво ПЗС-матриць. Збільшується кількість "мегапікселів" матриць - кількості окремих пікселів на одиницю площі матриці. Поліпшується якість зображень одержуваних за допомогою ПЗС-матриць і т.д.

Використані джерела:
1. 1. Віктор Бєлов. З точністю до десятих часток мікрона.
2. 2. С.Е.Гурьянов. Знайомтеся - ПЗС.