Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.
Начнем с расшифровки термина.
Аббревиатура ПЗС означает "Приборы с Зарядовой Связью" - этот термин образовался от английского "Сharge-Сoupled Devices" (CCD).
Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.
Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?
Во-первых , таких светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды) в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пиксели могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей.
Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.
Во-вторых , в ПЗС-приёмнике, внешне похожем на обычную микросхему, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС-приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.
Действие ПЗС можно описать следующим образом: каждый светочувствительный элемент - пиксель - работает как копилка для электронов. Электроны возникают в пикселях под действием света, пришедшего от источника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света, как ведро, выставленное на улицу во время дождя. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются. Все это возможно за счет определенной структуры кристалла, где размещаются светочувствительные элементы, и электрической схемы управления.
Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.
Кратко о физике процесса.
Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям так называемой функциональной электроники, Их нельзя представить как совокупность отдельных радиоэлементов - транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. В основе работы лежит принцип зарядовой связи. Принцип зарядовой связи использует два известных из электростатики положения:
- одноимённые заряды отталкиваются,
- заряды стремятся расположиться там, где их потенциальная энергия минимальна. Т.е. грубо – «рыба ищет там, где глубже».
Для начала представим себе МОП-конденсатор (МОП - сокращение от слов металл-окисел- полупроводник). Это то, что остаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть просто электрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будем считать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесных условиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов. В электрофизике «дыркой» называют заряд, обратный заряду электрона, т.е. положительный заряд.
Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал? Электрическое поле, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки; возникает обеднённая область - некоторый объём кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм. Напротив, электроны, возникшие здесь под действием света, притянутся к затвору и будут накапливаться на границе раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т. е. сваливаются в потенциальную яму (рис. 1).
Рис. 1
Образование потенциальной ямы
при приложении напряжения к затвору
При этом электроны по мере накопления в яме частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и в конце концов могут полностью его скомпенсировать, так что всё электрическое поле будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние - за тем исключением, что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.
Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан
положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только
затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и
электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если
она «глубже».
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов.
Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.
Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Замечательное свойство ПЗС - свойство самосканирования - состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин. (Термин шина в электронике - проводник электрического тока, соединящиий однотипные элементы, тактовая шина - проводники по которым передается смещенное по фазе напряжение.) Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3).
Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.
Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.
Рис. 4
Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -- это три меандра,
сдвинутые на 120 градусов.
При смене потенциалов происходит передвижение зарядов.
Видно, что для его нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере, на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и, по крайней мере, на одной - низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.
Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп-каналы - узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (рис. 5).
Рис. 5.
Вид на регистр "сверху".
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.
Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.
Проблемы
Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.
Итог
Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.
В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)
Как работает система AGC
Для простоты рассмотрения не будем брать что-то конкретное. Предположим, что на выходе АЦП узла ПЗС есть некие потенциальные уровни. Предположим, что 60 - средний уровень белого.
- Для каждого пикселя линейки ПЗС считывается значение при освещении его эталонным белым светом (а в более серьезных аппаратах – и считывание «уровня черного»).
- Значение сравнивается с опорным уровнем (например, средним).
- Разница между выходным значением и опорным уровнем запоминается для каждого пиксела.
- В дальнейшем, при сканировании эта разница компенсируется для каждого пиксела.
Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).
Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.
Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.
Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).
Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.
Итак:
Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.
Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль "Error Diffusion", в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.
Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»
- Выберите в TECH MODE
- Нажмите кнопку ENTER (Ввод) для сканирования изображения.
- После сканирования будет распечатан "CIS SHADING PROFILE" (профиль полутонов CIS). Пример такого листа приведен ниже. Не обязательно, что он должен быть копией Вашего результата, но близок по изображению.
- Если распечатанное изображение сильно отличается от изображения, показанного на рисунке, значит CIS неисправен. Обратите внимание – внизу листа отчета написано “Results: OK”. Это означает, что система серьезных претензий к модулю CIS не имеет. В противном случае будут даны результаты ошибок.
Пример распечатки профиля:
Удачи Вам!!
За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.
Материал подготовлен В. Шеленбергом
Сравнение по чувствительности покажет нам преимущества ПЗС‑матриц в отношении видикона и ньювикона, а также в отношении эмульсии пленки.
В фотографии чаще всего используется пленка в 100 ISO, хотя можно приобрести пленку в 200 ISO (в два раза более чувствительную) или 400 ISO (в четыре раза чувствительнее, чем пленка 100 ISO).
Иногда можно даже встретить пленку в 1600 ISO, которая обычно применяется в ситуациях чрезвычайно низкой освещенности (в терминах фотографии).
Можно показать, что средняя черно‑белая ПЗС‑матрица имеет очень высокую чувствительность в сравнении с эмульсией пленки. В ясный солнечный день для типичной пленки в 100 ISO потребуются установки фотокамеры на 1 /125 с и F/16. Если на ту же сцену направить ПЗС‑телекамеру, у которой нормальная выдержка CCIR затвора составляет 1/50 с, то следует использовать объектив примерно с F/1000 (плюс‑минус одно F‑число, так как АРУ телекамеры тоже играет роль). Если мы изменим 1/50 на 1/125 (в 2.5 раза короче), то чтобы получить ту же экспозицию, объектив должен быть раскрыт на 2.5 значения F‑числа шире, чтобы скомпенсировать сокращение времени выдержки. Это даст нам вместо F/1000 примерно F/400 (вы помните F‑числа: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8,11,16, 22, 32, 44, 64, 88, 128, 180, 250, 360, 500, 720, 1000, 1400 и т. д.). Теперь, чтобы перевести чувствительность эмульсии пленки от 100 ISO 1/125 и F/16 к эквивалентным установкам пленки более высокой чувствительности, зная, что чувствительность увеличивается вдвое с удвоением единиц ISO, мы получим изменение диафрагменного числа в 9.5 раз, от F/16 до F/400. Это примерно 29.5 = 720 раз. Итак, средняя чувствительность черно‑белой ПЗС‑матрицы, выраженная в фотографических единицах ISO, равна примерно 100 ISOx720 = 72 000 ISO!
Рис. 5.13. Принцип работы ПЗС‑телекамеры
Рис. 5.14. Элемент изображения ПЗС
Аналогично мы можем найти, что эквивалентная чувствительность цветной ПЗС‑телекамеры равна примерно 5000 ISO, что тоже немало по фотостандартам.
Химическая (пленочная) фотография постепенно соединяется с электронными камерами. Говоря о компьютеризации фотографических процессов и цифровых технологиях, а также о появлении различных фотостандартов CD, следует отметить, что фотокамеры тоже претерпевают революционные изменения, и мы скоро увидим новые фотокамеры на ПЗС с увеличенной светочувствительностью.
Такие камеры не зависят от ТВ‑стандартов, поэтому нет практически никаких ограничений на число пикселов и соотношение сторон. Даже когда еще только создавалась эта книга, производители начали изготавливать матрицы размером всего 62 мм х 62 мм, с не менее 5120 х 5120 элементов изображения. Как уже упоминалось, все это касается фотокамер, и не стоит их путать с телекамерами для видеонаблюдения.
Спектральная чувствительность ПЗС‑матриц зависит от типа кремниевой подложки, но общая характеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет. Типичная спектральная кривая ПЗС‑матрицы показана на рис. 5.15.
Рис. 5.15 . Спектральная чувствительность глаза и ПЗС‑матрицы
Даже если такое «проникновение» может показаться выигрышным (кажется, что ПЗС‑матрица становится более чувствительна), имеются причины предотвращения проникновения более длинных волн глубоко внутрь матрицы. В частности, такие волны могут быть настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. В результате в изображении могут пропасть мелкие детали, потому что заряд ячеек растечется по соседним, теряя при этом компоненты высокого разрешения и вызывая «эффект заплывания» (blooming ). Может быть затронута также и масковая зона, предназначенная лишь для временного хранения зарядов и не предназначенная для засвечивания, в результате чего могут в значительной степени возрасти шум и вертикальный ореол (smear ).
Поэтому в усовершенствованных ПЗС‑телекамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Эти фильтры представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые сверху ПЗС‑матрицы. Они ведут себя как оптические низкочастотные фильтры с частотой среза порядка 700 нм, вблизи красного цвета.
Однако, ряд производителей черно‑белых телекамер предпочитает не использовать такие фильтры, чтобы не ослаблять их чувствительность. Это приемлемо в тех случаях, когда предполагается использовать телекамеру в условиях низкой освещенности или в систему входят источники инфракрасного света, однако с теоретической точки зрения телекамера с инфракрасным отсекающим фильтром имеет более высокую разрешающую способность (по сравнению с такой же ПЗС‑матрицей без ИК‑отсекающего фильтра), лучшее отношение сигнал/шум и более естественное преобразование цветного изображения в черно‑белое при не такой уж низкой чувствительности.
Рис. 5.16. Инфракрасный отсекающий фильтр изменяет характеристику спектральной чувствительности ПЗС‑матрицы
В цветных ПЗС‑камерах, напротив, нужно использовать ИК‑отсекающий фильтр, так как спектральная характеристика ПЗС‑матрицы, которая отлична от характеристик человеческого глаза, должна соответствовать спектральной чувствительности человеческого глаза. Это к тому же одна из причин того, почему цветные ПЗС‑камеры менее чувствительны, чем ч/б.
Типичная черно‑белая ПЗС‑матрица без инфракрасного фильтра может дать приемлемый уровень видеосигнала всего на 0.01 лк. Та же телекамера с ИК‑фильтром потребует освещенности на объекте в 0.1 лк.
Современные цветные телекамеры характеризуются минимальной освещенностью на объекте в 2 лк при F/1.4 и дают видеосигнал приемлемого уровня (от 0.3 до 0.5 В).
Развитие ПЗС‑технологии достигло такого уровня, что стало возможно производство матриц с несколькими миллионами пикселов. В цифровой фотографии 6‑мегапиксельные матрицы стали уже привычными, а производители пытаются добиться и большего. Что касается систем видеонаблюдения, то здесь мы ограничены стандартами аналогового телевидения, поэтому сейчас редко встречаются ПЗС‑матрицы с разрешением выше, чем, например, 752x584 пикселов, что дает примерно 400,000 пикселов.
О разрешении и о том, как его измерять, мы подробнее расскажем немного позже, но сейчас хотелось бы остановиться на нескольких очень перспективных решениях, которые, строго говоря, не являются телекамерами для видеонаблюдения, но позволяют получить очень высокое разрешение.
Одно из таких решений было разработано компанией Spectrum San Diego , которое называется SentryScope и позволяет получать изображение с разрешением 21 миллион пикселов. В основе SentryScope лежит линейный ПЗС с 2048 пикселами, который формирует изображение примерно так же, как это делают спутники при фотографировании земной поверхности. В SentryScope используется поворачивающееся зеркало, которое отражает на линейный ПЗС линии формируемого изображения. Поворачивающееся зеркало сканирует широкую область, которая эквивалентна 10,000 пикселов. Эта система не создает видеосигнал как таковой, но позволяет формировать изображение (с помощью ПК) с очень высокой степенью детализации.
Рис. 5.17. Ч/б ПЗС‑матрица без инфракрасного отсекающего фильтра
Рис. 5.18. Цветная ПЗС‑матрица с инфракрасным отсекающим фильтром
Рис. 5.19. Различные типы ПЗС‑матриц
Сейчас появилось немало и других интересных решений, позволяющих повысить разрешение. В качестве примера можно привести телекамеру, разработанную компанией Co‑Vi. В этой телекамере используется ПЗС‑матрица с более высоким разрешением, чем обычно (1280x720 пикселов). Полученное изображение высокого разрешения затем масштабируется до стандартного разрешения, чтобы получить аналоговый видеосигнал. Основное отличие предложенного решения заключается в том, что при увеличении участка изображения разрешение не снижается, так как при увеличении фактически "вырезается" часть изображения высокого разрешения (чуть менее 1 миллиона пикселов). Для пользователя это похоже на работу с поворотной телекамерой с двукратным увеличением, что позволяет увидеть больше деталей.
Некоторые разработчики систем видеонаблюдения применяют еще одно интересное решение, в рамках которого используются стандартные телекамеры с длиннофокусными объективами, которые организованы в матрицы 3x3 или даже 4x4 телекамеры и направлены на какой‑то объект таким образом, что поле их зрения друг с другом немного пересекается. Полученные изображения передаются на стену, состоящую из 3x3 или 4x4 мониторов, что дает суммарное разрешение от 3.6 до 6.4 миллионов пикселов. В результате получается очень большое и детализированное изображение, которое можно записать и на обычный цифровой видеорегистратор стандартного разрешения.
Рис. 5.20. Телекамера Sentry‑Scope с ПЗС‑матрицей и разрешением 21 миллион пикселов позволяет разглядеть очень мелкие детали
В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения азрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (динамический диапазон, соотношение сигнал/шум и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора - процент брака и себестоимость устройств.
На рубеже тысячелетия можно было выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники - Eastman Kodak в США и Philips в Европе.
Заслугой разработчиков Kodak является внедрение бокового антиблюмингового дренажа в полнокадровых матрицах, позволившего значительно увеличить динамический диапазон ЭОП по сравнению с сенсорами, в которых был применен вертикальный дренаж. В матрицах, изготовленных по технологии BluePlus, электрод, расположенный над светочувствительной областью пиксела, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова. За счет этого значительно повышался коэффициент пропускания электрода, в итоге резко выросла чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для ЭОП «синей» и «фиолетовой» областях спектра.
Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:
- ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники;
- ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
- ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.
Сенсоры для любительских моделей используются, за редким исключением, только в фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории. Последняя разработка фирмы - сенсор с разрешением 22 мегапиксела.
Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально - кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000x1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.
Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксель-ная матрица FTF 3020 (36x24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко могут быть оборудованы новым сенсором.
Как было замечено выше, основной особенностью матриц Fuji-Film являются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонстрировали. В результате матрицы этой фирмы применяются только в фотоаппаратах FujiFilm, хотя ассортимент сенсоров довольно широк и включает в себя разработки для профессиональной техники.
Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок массовой техники. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.
Одной из основных инноваций была технология HAD - Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а так называемые «дырки». При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.
При максимально открытой диафрагме растет процент лучей, падающих на поверхность матрицы под большими углами. После прохождения через микролинзы обычной конструкции эти лучи, как правило, не попадали на светочувствительный элемент. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.
Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер и интерфейсные разъемы сенсора не изменяются, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус.
С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры, сенсора (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксель-ную матрицу выбрал Nikon для своей профессиональной модели D-100.
Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно поднялась чувствительность.
Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.
Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает белый искал фирма Fill Factory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением ШЕС, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.
В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлек-тронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг фотоэлемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.
Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение. Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.
Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory - нелинейный режим накопления заряда. В этом режиме в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.
Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра - светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные - «недодержанными». Кроме того, не нужна большая разрядность АЦП, сокращается также размер кадров.
Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли свое применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.
Матрица ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью) или по-английски CCD (Charge-Coupled Device) представляет собой матрицу светочувствительных элементов, способных накапливать электрический заряд под действием света и передавать этот заряд от одного элемента к другому. Матрицы ПЗС используются в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов и видеокамер.
Принцип действия светочувствительных элементов матрицы состоит в следующем. Основой матрицы служит подложка из кремния p-типа. Кремний p-типа получают добавлением к кремнию примесей, например атомов бора. В результате добавления примеси в кристалле кремния создаются свободные, положительно заряженные носители – дырки. Дырки являются основными носителями заряда, поскольку свободных электронов в таком кристалле практически нет. Реакция на свет является следствием явления внутреннего фотоэффекта, когда фотон, попадая в кристалл кремния, генерирует пару носителей зарядов – электрон и дырку. На поверхность подложки нанесен слой диэлектрика – двуокиси кремния, полученной на поверхности подложки термическим окислением. Двуокись кремния является прозрачной и не препятствует проникновению света. Поверх диэлектрика нанесены электроды из поликристаллического кремния, осажденного из газовой фазы. При подаче на электрод положительного потенциала, дырки вытесняются из области кремния, находящейся вблизи этого электрода и вокруг него начинают скапливаться электроны, возникающие в результате внутреннего фотоэффекта. Причем этих электронов тем больше, чем больше света попало на близлежащий участок подложки. Если на этом электроде убрать положительный потенциал, а создать его на соседнем электроде, накопленный заряд переместится на соседний электрод. Изменяя потенциалы на электродах можно передвигать накопленный заряд от одного электрода к другому, практически не меняя его величины.
Каждый светочувствительный элемент имеет три электрода, что позволяет управлять направлением перемещения зарядов. Если на первых электродах всех элементов имеется положительный потенциал, то электроны будут скапливаться именно под этими, первыми электродами. Если уменьшить положительный потенциал на первых электродах и увеличить на вторых, то накопленный заряд переместится к ним. Если теперь уменьшить потенциал на вторых электродах и увеличить его на третьих, заряд переместится под третьи электроды. Если уменьшить заряд под третьими электродами, и увеличить на первых, заряд переместится между элементами, поскольку первый электрод соседнего элемента окажется к нему ближе. Таким образом, матрица светочувствительных элементов может последовательно перемещать заряды от одного элемента к другому через всю матрицу.
По принципу перемещения и считывания заряда различают три типа ПЗС матриц. Это матрицы с полнокадровым переносом (Full-Frame Transfer CCD, FF CCD), с кадровым переносом (Frame Transfer CCD, FT CCD) и с чересстрочным переносом (Interline CCD, IL CCD).
Матрицы с полнокадровым переносом используют для переноса заряда саму матрицу светочувствительных элементов, поочередно передавая каждую строку матрицы в сдвиговый регистр, откуда данные поэлементно передаются на вход усилителя, и далее, в аналого-цифровой преобразователь. Чтобы исключить изменение зарядов под действием света во время их переноса, для таких матриц необходим механический затвор.
Матрицы с кадровым переносом имеют промежуточную, защищенную от света область хранения. После экспонирования кадр перемещается в защищенную область, откуда построчно поступает в сдвиговый регистр, и далее в усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Такие матрицы не требуют механического затвора, однако такая конструкция существенно увеличивает стоимость матрицы.
Если в матрицах с кадровым переносом весь кадр целиком переносится в единую буферную область, то в матрицах с чересстрочным переносом для каждого столбца светочувствительных элементов имеется свой буферный регистр, защищенный от воздействия света. Заряды из каждого столбца переносятся в буфер, и затем поэлементно передаются из буферных регистров в сдвиговый регистр. Такая схема не требует механического затвора и позволяет реализовать очень короткие выдержки. Однако основной недостаток этой схемы состоит в том, что существенная часть площади поверхности матрицы занята буферными регистрами, что сильно снижает ее светочувствительность. Для преодоления этого недостатка поверхность матрицы покрывают микролинзами, концентрирующими световой поток, падающий на всю поверхность элемента матрицы на относительно небольшой площади его поверхности, чувствительной к свету.
Основными характеристиками ПЗС матриц, помимо ее разрешения, являются ее физические размеры, светочувствительность, уровень шума, динамический диапазон.
Определяющей характеристикой при этом являются физические размеры матрицы, а светочувствительность, уровень шума и динамический диапазон во многом зависят от ее физических размеров.
Если разделить ширину и высоту матрицы в миллиметрах на количество пикселей в матрице по горизонтали и вертикали, получатся линейные размеры пикселя. Для современных матриц линейные размеры пикселей составляют около 3-10 мкм по вертикали и горизонтали. Именно размер пикселей влияет в наибольшей степени на светочувствительность, уровень шума и динамический диапазон матрицы. При этом следует учитывать, что светочувствительный элемент может занимать не всю площадь поверхности пикселя, часть поверхности занимают дополнительные элементы, хотя в некоторой степени это обстоятельство исправляется при помощи применения микролинз.
Динамический диапазон матрицы определяется как соотношение величины максимального заряда, который может быть накоплен в светочувствительном элементе, к минимально различимому заряду, который в свою очередь определяется уровнем шума. Понятно, что максимальный заряд пропорционален площади светочувствительного элемента – чем больше размер положительно заряженного электрода, тем больше электронов может быть накоплено вблизи него.
Чувствительность матрицы определяется как соотношение уровня полезного сигнала – заряда получаемого под воздействием света, к уровню шума. Заряд получаемый под воздействием света тем больше, чем большее количество фотонов попадет на светочувствительный элемент, и следовательно, чем больше его площадь.
Уровень шума матрицы складывается из нескольких составляющих, таких как тепловой шум, шум переноса, шум считывания и других. Тепловой шум возникает вследствие того, что свободные электроны могут образовываться в полупроводнике не только под воздействием света, но и в результате тепловых колебаний. Это явление называется термоэлектронная эмиссия, и хотя и представляет собой случайный процесс, происходит более-менее равномерно по всему объему полупроводника. В результате, в каждый пиксель попадает некоторое количество тепловых электронов. Понятно, что их количество также зависит от площади пикселя – чем больше площадь, тем больше тепловых электронов в нем образуется. В разных пикселях может образовываться разное количество тепловых электронов, однако в основном оно будет составлять значение, близкое к некоторой средней величине. При этом степень искажения изображения будет зависеть не столько от этой средней величины, сколько от разницы в количестве тепловых электронов в разных пикселях. Кроме того, среднее количество тепловых электронов вполне можно определить использовав крайние, не участвующие в формировании изображения и не засвеченные пиксели, после чего скорректировать величины зарядов всех пикселей на эту величину. Разницу в количестве тепловых электронов определить не получится, но эта разница практически не зависит от площади пикселя. Величина шума переноса и шума считывания также не зависит от площади пикселя, следовательно, при увеличении площади пикселя соотношение величины полезного сигнала к суммарной величине шумов будет увеличиваться.
Можно посмотреть на проблему и немного с другой стороны. Если представить себе ПЗС матрицу, в которой структура полупроводника абсолютно идеальна, легирующие примеси распределены абсолютно равномерно, форма и размер элементов соблюдены достаточно строго, то станет понятно, что в такой матрице тепловые электроны будут возникать практически одинаково во всех пикселях, все пиксели будут одинаково реагировать на свет, и в результате мы получим изображение, максимально соответствующее оригиналу. Однако на практике идеальных матриц не бывает, любая матрица будет иметь те или иные дефекты структуры. Соответственно и количество тепловых электронов будет не одинаково в разных пикселях, и их реакция на одно и то же количество света будет отличаться. В результате уровень шума возрастет, и возрастет тем сильнее, чем большие дефекты будут встречаться в матрице. При производстве матриц, количество и величину дефектов стараются свести к минимуму, однако чем мельче дефекты, тем труднее их предотвратить. При увеличении размеров матрицы, и размеров каждого пикселя, влияние этих дефектов снижается, а соответственно, снижается и уровень шума.
Разница в чувствительности к свету отдельных пикселей обычно малозаметна, однако в большинстве матриц встречаются пиксели, имеющие нетипично большую чувствительность. На практике это проявляется при съемке с большими выдержками в виде ярких цветных точек на темном фоне. Обычно такие пиксели называют «горячими».
Количество таких пикселей на разных типах и разных экземплярах матриц отличается, и как правило, не превышает десятка пикселей на всю матрицу. Для борьбы с этим явлением существуют специальные средства, встроенные во внутреннее программное обеспечение фотоаппарата. Если эти средства не помогают, бороться с ним можно и при помощи графических редакторов вручную, или используя специальные программы.
Реальная чувствительность ПЗС матриц, определяемая как соотношение полезного сигнала и шума, как правило, недоступна человеку, использующему фотоаппарат. Да и информативность этой электронной характеристики для фотографа была бы крайне низкой. Поэтому производители цифровых фотоаппаратов не указывают ее среди технических характеристик, а вместо этого указывают чувствительность фотоаппарата в единицах ISO, аналогичных единицам измерения чувствительности фотопленки. Однако чувствительность фотоаппарата мало связана с реальной чувствительностью матрицы.
Большинство фотоаппаратов может иметь несколько режимов с разной чувствительностью. В большинстве случаев, изменение чувствительности фотоаппарата осуществляется при помощи изменения аналогового усиления получаемого с матрицы сигнала. Понятно, что при увеличении усиления, вместе с полезным сигналом усиливаются и шумы.
Поскольку светочувствительные элементы ПЗС матриц реагируют на количество света, но не могут различать его спектральный состав, матрицы ПЗС по своей природе являются черно-белыми. И хотя разница в реакции на свет различной частоты в ПЗС матрицах все-таки существует, использовать это в обычных матрицах невозможно. Поэтому, для получения цветного изображения в цифровых фотоаппаратах применяют различные способы.
В высококачественных видеокамерах, также оснащенных ПЗС матрицами, применяют один из самых эффективных способов получения цветного изображения. При помощи специальной призмы световой пучок из объектива разделяют на три части, и направляют на три отдельные ПЗС матрицы, перед каждой из которых размещен светофильтр соответствующего цвета. Матрицы видеокамер имеют невысокое разрешение, определяемое параметрами стандартного видеосигнала, и соответственно не очень высокую стоимость. В результате такое техническое решение приводит к относительно небольшому увеличению стоимости камеры при резком улучшении качества изображения. В цифровых фотоаппаратах, где стоимость светочувствительной матрицы составляет весьма существенную часть стоимости аппарата, такое решение привело бы к недопустимому увеличению стоимости. Поэтому такой способ получения цветного изображения не применяют.
В некоторых профессиональных студийных аппаратах используют последовательную съемку трех отдельных кадров через соответствующие цветные светофильтры, однако такой способ годится только для съемки в студийных условиях неподвижных объектов.
Наибольшее распространение в цифровых фотоаппаратах получил способ на основе использования цветных микрофильтров, нанесенных на каждый пиксель. Смысл этого способа сводится к тому, что каждый пиксель реагирует только на свет определенного цвета, а цвета пикселей при этом чередуются. После считывания и оцифровки данных с ПЗС матрицы их программным способом обрабатывают, рассчитывая значение всех трех цветов для каждого пикселя. Понятно, что такая обработка есть не что иное, как интерполяция, и приводит к ухудшению разрешающей способности матрицы. Однако это ухудшение происходит в основном в цветовых каналах изображения, в канале яркости разрешение практически не ухудшается. Кроме того, человеческий глаз слабее воспринимает цвет мелких деталей, поэтому ухудшение разрешения в цветовых каналах практически незаметно.
Еще одна проблема может возникать в ПЗС матрицах при съемке ярко освещенных объектов. Если на светочувствительный элемент попадает слишком большое количество света, число электронов, сгенерированных в результате внутреннего фотоэффекта начинает превышать то количество электронов, которое может удерживаться вблизи положительно заряженного электрода. В результате, электроны начинают перемещаться внутри кристалла, скапливаясь под ближайшими положительно заряженными электродами, емкость которых еще не исчерпана. Это явление получило название блюминга и на практике приводит к размыванию изображения. Конечно, проще всего было бы просто уменьшить количество света, попадающего на матрицу, изменив экспозицию. Однако во многих случаях это приведет к тому, что детали в темных участках кадра станут неразличимыми. Поэтому для борьбы с этим явлением применяют так называемый электронный дренаж. Для этого, вблизи светочувствительных элементов размещают каналы, по которым лишние электроны удаляются из матрицы. По схеме реализации различают вертикальный дренаж, когда электроны удаляются при помощи подачи положительного потенциала на подложку матрицы, и боковой дренаж, когда между рядами пикселей размещают положительно заряженные проводники. В первом случае это приводит к некоторому снижению максимальной емкости пикселя, а во втором – к уменьшению полезной площади поверхности матрицы.
Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумерные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изображение объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использованы при контроле за технологическими процессами производства, при специальном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъектов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещение ФЭП или объекта в направлении, перпендикулярном направлению строчной развертки.
Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является матричный формирователь сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординатный массив светочувствительных элементов, в котором осуществляется электронное сканирование по координатам х и y. При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания.
Для наиболее полного использования достоинств ПЗС зарядовые пакеты должны перемещаться к одному выходному устройству, а порядок считывания информации - обычно соответствовать принятому телевизионному стандарту. При выборе способа организации считывания необходимо обеспечить минимальное смазывание изображения, возникающее при переносе накопленных зарядовых пакетов через освещенные области прибора. Поэтому в современных матричных ФЭП на ПЗС области накопления заряда и его переноса разделяют.
По способу организации считывающие матрицы ПЗС делятся на матрицы с кадровым переносом заряда (КП), матрицы со строчным переносом заряда (СП) и матрицы со строчно-кадровым переносом заряда (СКП).
Матрицы ПЗС КП (см. рис. 8.12) включают в себя секцию накопления - фотоприемную секцию, секцию хранения или памяти, которая защищена от света и равна по площади секции накопления, и один или несколько параллельных выходных сдвиговых регистров.
Рис. 8.12. Способ организации покадрового считывания
Во время активной части поля происходит накопление зарядовых пакетов в фотоприемной секции. Во время кадрового гасящего импульса, накопленные заряды всех строк поля последовательно переносятся в защищенную от света секцию хранения. Далее во время накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал изображения. После считывания всей видеоинформации из секции хранения начинается перенос следующего кадра.
Одним из основных достоинств покадрового считывания является уменьшение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При покадровой организации легко осуществляется чересстрочное разложение изображения, также проста электродная структура, что позволяет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить более равномерную характеристику спектральной чувствительности.
Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвигового регистра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число переносов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным - для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по трехтактной схеме сдвига число переносов N max = 2 х 3z + 2n , где z - число строк; п - число элементов в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй - число переносов вдоль строки.
Учитывая, что зарядовые пакеты переносятся не полностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках, существующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при определенной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда ε накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которые можно совершить без существенного разрушения сигнала. Если ε - относительная величина и характеризует часть заряда, отставшую от пакета на один перенос, умножив ε на число переносов в приборе N , получим результирующую неэффективность переноса N ε всего прибора.
Недостатком матриц ПЗС КП является неполное устранение смаза изображения, которое проявляется в виде вертикальных тянущихся продолжений за очень яркими деталями. Смаз появляется из-за того, что при переносе накопленных зарядов из фотоприемной секции в секцию памяти свет продолжает попадать в фотоприемную секцию.
Для уменьшения величины смаза изображения были разработаны матрицы со строчным переносом зарядов (см. рис. 8.13), в которых область накопления образована вертикальными столбцами светочувствительных элементов, между которыми помещены защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры. В течение времени кадра в светочувствительных элементах накапливаются зарядовые пакеты. Во время гасящего кадрового импульса они одновременно переносятся в соседние ячейки вертикальных сдвиговых регистров. Во время накопления следующего кадра, зарядовые пакеты из вертикальных регистров одновременно сдвигаются в горизонтальный (выходной) регистр. Сдвиг по вертикальным регистрам на один элемент происходит во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядовых пакетов из горизонтальных регистров в выходное устройство - за время прямого хода строчной развертки. Полное освобождение вертикальных сдвиговых регистров от зарядов происходит за время кадра.
Рис. 8.13. Матрица со строчным переносом зарядов
Рис. 8.14. Матрица со строчно-кадровым переносом зарядов
Для обеспечения чересстрочной развертки в матрице ПЗС СП заряды из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры переносятся: в нечетных полях - из нечетных ячеек, а в четных полях - из четных ячеек.
В трехматричных камерах вещательного назначения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза изображения. Для обеспечения этого требования были разработаны гибридные матрицы ПЗС со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС СКП (см. рис. 8.14 и 8.15) отличаются от матриц ПЗС СП (см. рис. 8.13) наличием в них дополнительной секции хранения зарядов на длительность поля.
Рис. 8.15. Концепция строчно-кадрового переноса
Поэтому частота переноса заряда из вертикальных ПЗС регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС СП. Это позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Недостатки матриц ПЗС СКП заключаются в относительной сложности изготовления и высокой стоимости производства.
Основные недостатки матричных ПЗС СП – невозможность освещения со стороны подложки и неполное использование светового потока из-за того, что фотодиоды занимают не всю площадь кристалла фотоны, попадающие на экранированные от света вертикальные ПЗС-регистры, не создают зарядов. Вследствие этого существенно снижается чувствительность камер.
Таким образом, уменьшение размеров светочувствительной площади в матрицах со строчным переносом косвенно ухудшает световую чувствительность матрицы. Эта проблема может быть разрешена очень просто (хотя технологически это очень сложно) – поверх каждого пикселя (фотодиода) помещается микролинза. Микролинза концентрирует весь падающий свет на маленькую область, на сам пиксель (фотодиод), собирает в него весь световой поток, и этим самым эффективно увеличивает минимальную освещенность фотодиода (см. рис. 8.16).
Рис. 8.16,а. Сравнение традиционных схем с микролинзами
Рис. 8.16,б. Структура ПЗС-матрицы с микролинзами (фотография сделана электронным микроскопом)
Число фотодиодов в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре. Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со строчным переносом может быть реализовано различными способами. В простейшем случае в первом поле зарядовые пакеты из нечетных фотодиодов считываются в вертикальный ПЗС-регистр, а в четных фотодиодах накопление продолжается. Во втором поле считываются заряды, накопленные в четных фотодиодах. Размер светочувствительного элемента по вертикали оказывается равным размеру одного фотодиода. Центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании составляет в телевизионном режиме 40 мс – время кадра. Поэтому данный режим получил название режима накопления кадра. Столь большое время накопления приводит к искажениям при передаче подвижных объектов. Появляется зубчатость вертикальных границ при движении объектов по горизонтали. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля.
Световая характеристика матрицы ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна (см. рис. 8.17). Точка 1 соответствует выходному
сигналу в отсутствие освещения и определяет темновой ток, обусловленный в большой степени термогенерацией неосновных носителей. Точка 2 характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителями. Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными параметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено напряжением пробоя МОП-конденсатора.
Рис. 8.17. Световая характеристика матрицы ПЗС
Рис. 8.18. Спектральная характеристика матрицы ПЗС
Спектральная чувствительность матричного формирователя (рис. 8.18 и 8.19) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая 1), который обусловлен сильным поглощением на этом участке спектра нанесенными на полупроводниковую подложку поликремниевыми электродами.
Рис. 8.19. Спектральная чувствительность глаза и ПЗС-матрицы
Для повышения чувствительности в этой области спектра в поликремниевых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет примерно 15... 20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло чувствительность матрицы на длине волны λ = 0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в цветном телевидении. Разрешающая способность определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Для систем телевидения высокой четкости разработаны матрицы ПЗС с числом элементов 1035x1920.
Спектральная чувствительность ПЗС-матрицы зависит от типа кремниевой подложки, но общая характеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет (рис. 8.19).
Однако такое проникновение является вредным. Такие волны настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. В результате в изображении пропадают мелкие детали, потому что заряд ячеек растекается по соседним, теряя при этом компоненты высокого разрешения и вызывая «эффект заплывания». Может быть затронута также и масковая зона (рис. 8.15), предназначенная лишь для временного хранения зарядов и не предназначенная для засвечивания, в результате чего могут, в значительной степени возрасти шумы и вертикальный ореол. Поэтому в усовершенствованных ПЗС-видеокамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Они монтируются сверху ПЗС-матрицы и ведут себя как оптические НЧ фильтры с частотой среды порядка 700 нм, вблизи красного цвета (рис. 8.20) .
Рис. 8.20. Инфракрасный отсекающий фильтр изменяет характеристику спектральной чувствительности ПЗС-матрицы
Однако в тех случаях, когда предполагается использовать видеокамеру (черно-белую) в условиях низкой освещенности или в систему входят источники инфракрасного освещения объектов, такие фильтры не используются (чтобы не ослаблять чувствительность камер).
В цветных ПЗС-камерах, напротив, нужно использовать ИК-отсекающий фильтр. Типичная черно-белая ПЗС-матрица без инфракрасного фильтра может дать приемлемый уровень видеосигнала при освещенности мишени камеры в 0,01 лк. Та же камера с ИК-фильтром потребует освещенность в 10 раз большую. Но в этом случае верность цветопередачи является определяющим критерием.
