introduction

Dans ce cours, je vais considérer général À propos des périphériques de charge, des paramètres, de l'historique de la création, des caractéristiques des chambres de la CCD modernes de la plage infrarouge moyenne.

À la suite de l'exécution papier à terme Il a étudié la littérature sur la création, le principe d'action, caractéristiques et l'utilisation de caméras CCD de la gamme moyenne IR.

CCD. Principe physique opérations de CCD. PZD-Matrix

Le dispositif de charge (CCD) est une série de structures de TIR simples (semi-conducteur de métal-diélectrique), formées sur un substrat à semi-conducteur commun de telle sorte que les bandes d'électrodes métalliques forment un système régulier linéaire ou matriciel dans lequel les distances entre Les électrodes adjacentes sont des mâles suffisants (Fig. 1). Cette circonstance détermine le fait que l'appareil définit l'influence mutuelle des structures TIR voisines.

Figure 1 - Structure CCD

Maintenance fins fonctionnelles CCD sensible à la photo - transformation des images optiques en une séquence d'impulsions électriques (génération vidéo), ainsi que de stockage et de traitement des informations numériques et analogiques.

Le CCD est effectué sur la base d'un seul silicium cristallin. Pour ce faire, sur la surface de la plaque de silicium, la méthode d'oxydation thermique crée un film diélectrique mince (0,1-0,0,15 μm) de dioxyde de silicium. Ce processus est effectué de manière à assurer la perfection de la section semi-conductrice semi-conductrice - diélectrique et minimisant la concentration de recombinations de centres à la frontière. Les électrodes d'éléments TIR individuelles sont en aluminium, leur longueur est de 3 à 7 microns, l'espace entre les électrodes est de 0,2-3 μm. Le nombre typique d'éléments TIR 500-2000 en linéaire et dans la matrice CCD; La zone de la plaque sous les électrodes extrêmes de chaque ligne est fabriquée par des transitions de transition destinées à l'entrée - sortie de la partie des charges (paquets chargés) de l'électricité. dans la méthode (injection p-n-entrée). Avec photoélectrique. La saisie des paquets chargés CCD est éclairée du côté frontal ou arrière. Avec l'éclairage frontal, les électrodes en aluminium sont utilisées pour éviter les effets d'ombrage des électrodes en aluminium, elles sont généralement remplacées par des films de silicium polycristallin fort (polycamine), transparent dans un spectre IR visible et voisin.

Principe de fonctionnement du CCD

Le principe général du CCD est le suivant. Si une tension négative est appliquée à n'importe quelle électrode métallique en métal, puis sous l'action du champ électrique du champ électrique, qui sont les principaux porteurs du substrat, laissent la surface de la profondeur du semi-conducteur. La surface forme également une zone appauvrie, laquelle dans le diagramme d'énergie est une fosse potentielle pour les supports non centraux - trous. Les trous de quelque manière que ce soit dans cette zone sont attirés par l'interface entre le semi-conducteur diélectrique et sont localisés dans une couche de surface étroite.

Si maintenant à l'électrode adjacente pour attacher une tension négative d'une plus grande amplitude, une fosse potentielle plus profonde est formée et les trous y avancent. Application des contraintes de contrôle nécessaires sur différentes électrodes du CCD, il est possible de fournir un stockage de charges dans certaines surfaces proches et de mouvements directionnels des charges le long de la surface (de la structure à la structure). L'introduction de l'emballage de charge (enregistrement) peut être effectuée soit la transition P-N située, par exemple, près de l'élément extrême CCD, ou de la génération de lumière. La sortie de charge du système (lecture) est le moyen le plus simple d'être effectué à l'aide de la transition P-N. Ainsi, le CCD est un dispositif dans lequel des informations externes (électriques ou signaux lumineux) Il est converti en paquets de charge de supports mobiles, définis dans les zones proches de la surface et les informations de traitement sont effectuées par le mouvement contrôlé de ces paquets le long de la surface. Évidemment, sur la base du CCD, vous pouvez construire des systèmes numériques et analogiques. Pour systèmes numériques Seul le fait de la présence ou de l'absence d'une charge de trous dans un ou plusieurs éléments du CCD est important, avec traitement analogique, ils traitent des valeurs des charges en mouvement.

Si un CCD à plusieurs éléments ou matricielle est d'envoyer le flux de lumière, la partie du semi-conducteur, la photogogénéoration des paires d'électrons débutera dans le semi-conducteur. Trouver dans la région de la CCD épuisée, les porteurs sont séparés et les trous s'accumulent dans des puits potentiels (la magnitude de la charge accumulée est proportionnelle à l'éclairage local). Après un certain temps (environ quelques millisecondes), une image de paquets de charge sera stockée dans la matrice CCD de la matrice CCD correspondant à la distribution d'illumination. Lorsque les impulsions d'horloge sont activées, les packages de charge se déplaceront vers le périphérique de sortie de lecture qui les convertit en signaux électriques. En conséquence, la sortie entraînera une séquence d'impulsions avec une amplitude différente, l'enveloppe, qui donne un signal vidéo.

Le principe de l'opération CCD sur l'exemple d'un fragment d'une chaîne des FPZS, contrôlée par un circuit TROTHOTA (trotho-phase), est illustré à la figure 2. Pendant l'horloge I (perception, accumulation et stockage d'informations vidéo) aux électrodes 1, 4, 7 est appliqué par t. N. Tension de stockage UXP, poussant les principaux porteurs - trous dans le cas de type silicone R-Type - dans la profondeur de la semi-conducteur et la formation de couches dressées avec une profondeur de 0,5 à 2 μm - des fosses potentielles pour les électrons. L'éclairage de la surface des FPZS génère des paires de trous d'électrons en excès dans le volume de silicium, et les électrons sont serrés dans des fosses potentielles, sont localisés dans une mince (0,01 μm) de la couche de surface proche sous les électrodes 1, 4.7, signal de formage Paquets de charge.

chargement de la caméra de communication infrarouge

Figure 2 - Schéma de travail d'un instrument triphasé avec relation de charge - registre de cisaillement

La valeur de la charge dans chaque paquet est proportionnelle à l'exposition de surface près de cette électrode. Dans des structures TIR bien formées, les charges générées à proximité des électrodes peuvent être maintenues relativement longtemps, mais sont progressivement dues à la génération de supports de charge par des centres d'impuretés, des défauts en volume ou au bord de la section ces charges s'accumuleront dans des puits potentiels jusqu'à ce que Les frais de signal dépassent et même remplissent complètement les fosses.

Au cours de TACT II (transfert de charge) aux électrodes 2, 5, 8, etc., la tension de lecture est supérieure à la tension de stockage. Par conséquent, sous les électrodes 2, 5 et 8, le potentiel plus profond se produit. Les casseroles que sous les électrons 1, 4 et 7, et en raison de la proximité des électrodes 1 et 2, 4 et 5,7 et 8, les barrières entre eux disparaissent et les électrons coulent dans les fosses potentielles plus profondes et plus profondes.

Au cours de l'horloge III, la tension sur les électrodes 2, 5, 8 diminue vers et depuis les électrodes 1, 4, 7 est retirée.

T. À propos. Tous les paquets de charge sont transférés le long de la chaîne PZS à droite à une étape égale à la distance entre les électrodes adjacentes.

À tout moment de fonctionnement sur les électrodes, directement non connectés à des potentiels ou, une petite tension de déplacement (1-3 B) (1-3 B) est supportée, ce qui permet d'être appauvrir les porteurs de charge de toute la surface du semi-conducteur et de l'atténuation sur les effets de recombinaison.

La répétition du processus de commutation de la tension est répétée, replacement via la transition extrême R-H de manière séquentielle tous les emballages de charge, excité, par exemple, la lumière dans la chaîne. Dans le même temps, les impulsions de tension surviennent dans la chaîne de sortie, proportionnelle à la valeur de charge ce paquet. Le motif d'éclairage est transformé en relief de charge de surface, qui, après la promotion, le long de la rangée entière est converti en séquence d'impulsions électriques. Plus le nombre d'éléments dans une chaîne ou une matrice (récepteurs numériques 1-IR; éléments à 2 tampons; 3 ccds, transmission incomplète de l'emballage de charge d'une électrode à l'autre et améliorée par cette distorsion d'informations. Pour éviter toute distorsion de Le signal vidéo accumulé en raison de la poursuite du temps d'éclairage de l'éclairage, sur le cristal FPZS crée des zones de perception spatialement séparées - l'accumulation et la lecture de stockage et de la première fois à fournir une photosensibilité maximale, et la seconde, au contraire, blindée de lumière. En FPZ linéaires (fig. 3, a) charges accumulées dans la chaîne 1 pour un cycle, transmise au registre 2 (des éléments pairs) et dans le registre 3 (d'impair). À l'époque, selon ces Registres, les informations sont transmises via la sortie 4 dans le schéma de combinaison du signal 5, une nouvelle trame vidéo s'accumule en ligne 1. FPZS avec transfert de cadre (Figure 3) Les informations perçues par la matrice d'accumulation 7 sont rapidement "RESET" dans la matrice de stockage 2, à partir de quels suiveur Il est lu par le registre CCD 3; Dans le même temps, la matrice 1 accumule un nouveau cadre.

Figure 3 - Accumulation et lecture d'informations dans un instrument photosensible linéaire (A), matricielle (B) avec attache de charge et dans l'instrument avec injection de charge.

Outre la structure la plus simple (figure 1), les autres types de leurs types ont été obtenus, en particulier des instruments avec des électrodes de chevauchement en polycremium (Figure 4), dans lesquels des spectacles photo actifs sont fournis sur toute la surface du semi-conducteur et une petite Gap entre les électrodes et les appareils avec asymétrie de propriétés proches de surface (par exemple, une couche diélectrique d'épaisseur variable - Figure 4), fonctionnant en mode deux temps. Une caractéristique fondamentalement est la structure du CCD avec un canal volumétrique (Figure 4) formé par diffusion d'impuretés. L'accumulation, le stockage, le transfert de charge se produisent dans un volume semi-conducteur, où moins de la surface, la recombinaison des centres et la mobilité des opérateurs ci-dessus. La conséquence de cela est une augmentation de la quantité de valeur et une diminution de la comparaison avec toutes les variétés du CCD avec le canal de surface.

Figure 4 - Variétés d'instruments avec cravate de charge avec des canaux de surface et volumineux.

Pour la perception des images couleur, une des deux manières sont utilisées: séparation d'un courant optique utilisant un prisme sur le rouge, le vert, le bleu, la perception de chacun d'eux avec un cristal spécial - cristal, mélangeant des impulsions de tous les trois cristaux en une signal vidéo unique; Création à la surface d'un FPZS d'un film ou d'un filtre à lumière codant en mosaïque formant un raster de triades multicolores.

Pour la première fois, le principe du CCD avec l'idée de maintenir, puis de lire les charges électroniques a été développée par deux ingénieurs de la Corporation de Bell à la fin des années 60 lors de la recherche de nouveaux types de mémoire pour les ordinateurs capables de remplacer la mémoire sur ferrite. Anneaux (oui - oui, il y avait un tel souvenir). Cette idée s'est avérée peu développée, mais la capacité du silicium de réagir à un spectre de rayonnement visible a été remarquée et la pensée d'utiliser ce principe pour le traitement des images a été développée.

Commençons par le déchiffrement du terme.

L'abréviation du CCD signifie "instruments avec communication de charge" - ce terme a été formé à partir de "périphériques couplés de charge" anglais (CCD).

Ce type d'instrument dispose actuellement d'une très large gamme d'applications dans une grande variété de dispositifs optoélectroniques pour l'enregistrement de l'image. Dans la vie quotidienne, ce sont des caméras numériques, des caméscopes, divers scanners.

Qu'est-ce qui distingue le récepteur CCD d'un photodium à semi-conducteur classique ayant une zone photosensible et deux contacts électriques pour éliminer un signal électrique?

d'abord De tels sites photosensibles (souvent appelés pixels - éléments qui reçoivent la lumière et la transforment en charges électriques) dans le récepteur CCD, de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers et même plusieurs millions. Les dimensions des pixels individuels sont identiques et peuvent provenir d'unités à des dizaines de microns. Les pixels peuvent être construits en une rangée - puis le récepteur est appelé la ligne PZS, ou avec même des lignes de remplissage de la surface - le récepteur est appelé la matrice CCD.

Éléments de course à droite (rectangles de couleur bleue) Dans la matrice PZS-Line et CCD.

en deuxième , dans le récepteur CCD, similaire à la puce habituelle, il n'existe pas d'énorme nombre de contacts électriques destinés à émettre des signaux électriques qui semblent avoir à passer de chaque élément de réception de la lumière. Mais le circuit électronique est connecté au récepteur CCD, ce qui vous permet de retirer un signal électrique de chaque élément photosensible, proportionnel à son éclairage.

Le CCD d'action peut être décrit comme suit: chaque élément photosensible - pixel - fonctionne comme une tirelire pour les électrons. Les électrons surviennent en pixels sous l'action de la lumière provenant de la source. Au cours de l'intervalle de temps spécifié, chaque pixel est rempli progressivement d'électrons proportionnellement au nombre de lumière, comme un godet mis sur la rue pendant la pluie. À la fin de cette période, les charges électriques accumulées par chaque pixel sont transmises à la "sortie" du dispositif et sont mesurées. Tout cela est possible grâce à une certaine structure du cristal, où les éléments photosensibles et le circuit de commande électrique sont placés.

Presque exactement la matrice CCD fonctionne également. Après exposition (illumination de l'image projetée), le circuit de commande électronique de l'instrument lui donne un ensemble complexe contraintes d'impulsionsqui commencent à déplacer les colonnes avec des électrons accumulés en pixels au bord de la matrice, où il existe un registre CCD de mesure similaire, des charges dans lesquelles sont déplacés déjà dans la direction perpendiculaire et tombent sur l'élément de mesure, créant des signaux proportionnels à l'individu Frais dedans. Ainsi, pour chaque point ultérieur de temps, nous pouvons obtenir la valeur de la charge accumulée et déterminer ce que le pixel sur la matrice (numéro de ligne et numéro de la colonne) correspond.

BREF sur la physique du processus.

Pour commencer, nous notons que le CCD appartient aux produits de l'électronique dite fonctionnelle, ils ne peuvent pas être soumis en tant qu'ensemble d'éléments radio individuels - transistors, résistances et condensateurs. La base du travail est le principe de charge. Le principe de charge utilise deux positions connues de l'électrostatique:

1. les charges du même nom sont repoussées
2. les charges s'efforcent de s'installer là où leur énergie potentielle est minimale. Ceux. Grossièrement - "Le poisson cherche où plus profond."

Premièrement, imaginez un condensateur MOS (MOP - une réduction des mots de la semi-conducteur en oxyde métallique). C'est ce qui reste du transistor MOS, si vous retirez le stock et la source, c'est-à-dire que l'électrode séparée de la couche de silicium de diélectrique. Pour la certitude, nous supposons que le semi-conducteur est un type P, c'est-à-dire que la concentration de trous dans des conditions d'équilibre a beaucoup (plusieurs commandes) plus que des électrons. Dans le "trou" d'électrophysique, appelez la charge, la charge inverse de l'électron, c'est-à-dire Charge positive.

Que se passera-t-il si sur une telle électrode (elle s'appelle un volet) pour soumettre un potentiel positif? Le champ électrique créé par l'obturateur, pénétrant dans le silicium à travers le diélectrique, repousse les trous en mouvement; Il y a une zone épuisée - une partie de la portée du silicium exempt des principaux transporteurs. Dans les paramètres des substrats semi-conducteurs typiques du CCD, la profondeur de cette région est d'environ 5 microns. Au contraire, les électrons découlant ici sous l'influence de la lumière attireront l'obturateur et s'accumuleront sur la bordure de la section de silicium d'oxyde directement sous l'obturateur, c'est-à-dire qu'ils tombent dans la fosse potentielle (Fig. 1).

Figure. une
La formation d'une fosse potentielle lorsque la tension est appliquée au barrage

Dans le même temps, les électrons que le champ électrique créé dans le volet à semi-conducteur est partiellement neutralisé dans la fosse et, à la fin, il peut compenser complètement pour cela, de sorte que tout le champ électrique ne tombe que sur le diélectrique et tout sera retourner à l'état initial - à l'exception d'une fine couche d'électrons est formée sur l'interface de la section.

Soit maintenant près de l'obturateur, il y a un autre obturateur, et le potentiel positif est également déposé dessus et plus que le premier (Fig. 2). Si seulement les volets sont situés assez près, leurs fosses potentielles sont combinées et des électrons qui sont dans une fosse potentielle sont déplacés vers le voisinage, s'il est "plus profond".
Figure. 2.
Le chevauchement des trous potentiels de deux volets agencés de près. La charge coule dans l'endroit où la fosse potentielle est plus profonde.

Maintenant, il convient de préciser que si nous avons une chaîne de volets, vous pouvez, vous pouvez l'alimenter les contraintes de contrôle correspondantes, transférer le package de charge localisé le long d'une telle structure. La magnifique propriété du CCD est la propriété de l'auto-balayage - c'est que, pour le contrôle de la chaîne des volets de toutes les longueurs, il ne fait que trois pneus d'horloge. (Le terme pneu d'électronique est un conducteur de courant électrique reliant le même type d'éléments, des conducteurs de bus d'horloge pour lesquels la tension déplacée en phase est transmise.) En effet, pour le transfert de paquets de charge, il est nécessaire et suffisamment de trois électrodes: une Transmettre, une réception et une paire de séparation isolante et isolante. Réception et transmission mutuelle, et les mêmes électrodes de ces triples peuvent être connectées les unes aux autres dans un seul pneu d'horloge, nécessitant une seule sortie externe (figure 3).

Figure. 3.
Le registre CCD triphasé le plus simple.
La charge dans chaque fosse potentielle est différente.

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

Figure. quatre
Les diagrammes d'horloge du contrôle du registre triphasé sont trois méandres déplacés de 120 degrés.
Lorsque vous modifiez les potentiels, le mouvement des charges.

On peut voir que pour lui travail normal À une époque, au moins un bus d'horloge devrait être un potentiel élevé et au moins un potentiel faible (le potentiel de la barrière). Avec un potentiel croissant sur un bus et l'abaissant sur un autre (précédent), la transmission simultanée de tous les paquets chargés sous les volets adjacents, et pour le cycle complet (une horloge de chaque bus de phase) a lieu (décalage) de paquets de charge à un Élément d'enregistrement.

Pour la localisation des paquets de charge dans la direction transversale, les canaux dites d'arrêt sont formés - des bandes étroites avec une concentration accrue des impuretés d'alliage principales suivant le canal de transfert (Fig. 5).

Figure. cinq.
Vue du registre "top".
Le canal de transfert dans la direction latérale est limité aux canaux d'arrêt.

Le fait est que de la concentration de l'impureté alliante dépend, avec quelle spécification, la tension de la porte sous elle est formée une zone appauvrie (ce paramètre n'est rien d'autre qu'une tension de seuil de la structure MOS). Des considérations intuitives, il est clair que la plus grande concentration de l'impureté, c'est-à-dire que plus de trous dans le semi-conducteur, plus difficile à conduire dans la profondeur, c'est-à-dire plus la tension de seuil ou, à une tension, plus le potentiel dans la fosse potentielle.

Problèmes

Si, dans la production d'appareils numériques, la variation des paramètres de la plaque peut atteindre plusieurs fois plusieurs fois sans effet notable sur les paramètres des instruments obtenus (puisque les travaux sont livrés avec des niveaux de tension discrète), puis dans le changement de CCD, disons, La concentration de l'impureté alliante est de 10% déjà marquée dans l'image. La taille du cristal et l'impossibilité de réserve, comme dans le BIS de la mémoire, ajoute leurs propres problèmes, de sorte que les zones défectueuses conduisent au désenpération de tout le cristal.

Résultat

Différents pixels de la matrice de CCD technologiquement ont une sensibilité différente de la lumière et cette différence doit être ajustée.

Dans la CMA numérique, cette correction s'appelle le système de contrôle de gain automatique (AGC).

Comment fonctionne le système AGC

Pour une facilité de considération, nous ne prendrons pas quelque chose de spécifique. Supposons qu'à la sortie du nœud ADC du CCD a des niveaux potentiels. Supposons que 60 est le niveau moyen de blanc.

1. Pour chaque pixel, la ligne CCD est lue lorsqu'elle est allumée par sa lumière blanche de référence (et dans des appareils plus graves - et en lisant le "niveau noir").
2. La valeur est comparée à un niveau de référence (par exemple, moyenne).
3. La différence entre la valeur de sortie et le niveau de référence se souvient de chaque pixel.
4. À l'avenir, lors de la numérisation, cette différence est compensée pour chaque pixel.

L'initialisation du système AGC est effectuée chaque fois que le système de scanner est initialisé. Probablement, vous avez remarqué que lorsque la voiture est allumée, après un certain temps, la voiture du scanner commence à effectuer des mouvements progressifs (étouffement des rayures H / B). Il s'agit du processus d'initialisation du système AGC. Le système prend également en compte l'état de la lampe (vieillissement).

En outre, vous avez probablement attiré l'attention que les petits MFP équipés d'un scanner couleur "allument la lampe" Trois couleurs à leur tour: rouge, bleu et vert. Ensuite, seul le rétroéclairage de l'original est enflammé par le blanc. Ceci est fait pour une meilleure correction de sensibilité de la matrice séparément via des canaux RVB.

Testez la demi-teintes Test d'ombrage) Vous permet d'initier cette procédure à la demande de l'ingénieur et d'apporter les valeurs de correction pour des conditions réelles.

Essayons de considérer tout cela sur la voiture réelle "Combat". Nous allons prendre un appareil bien connu et populaire Samsung SCX-4521 (Xerox PE 220).

Il convient de noter que dans notre cas, le CCD devient CIS (Capteur d'image de contact), mais l'essence de ce qui se passe dans la racine ne change pas. Il est simplement utilisé comme source de lumière de LED.

Donc:

Le signal d'image de CIS a un niveau d'environ 1,2 V et entre dans la section ADC (SAT) du contrôleur de l'appareil (SACSP). Après SATSP signal analogique CIS sera converti en un signal numérique 8 bits.

Le processeur d'image du SAPSP utilise principalement la fonction de correction de la tonalité, puis la fonction de correction gamma. Après cela, les données sont introduites à divers modules conformément au mode de fonctionnement. En mode texte, ces images s'inscrivent sur le module Lat, en mode photo, les données d'image sont reçues par le module "Error Diffusion", en mode PC-Numérisation, les données d'image arrivent directement à un ordinateur personnel via l'accès DMA.

Avant de tester, mettez quelques-uns sur le verre d'exposition des draps propres Papier blanc. Il va sans dire que l'optique, la bande B / B et généralement le nœud du scanner de l'intérieur doit être pré-léché "

1. Choisissez en mode Tech
2. Appuyez sur la touche ENTER pour numériser l'image.
3. Une fois que la numérisation sera imprimée "profil d'ombrage CIS" (profil de CIS Halimone). Un exemple d'une telle feuille est indiqué ci-dessous. Il n'est pas nécessaire que cela soit une copie de votre résultat, mais près de l'image.
4. Si l'image imprimée est très différente de l'image indiquée sur la figure, cis est défectueux. Veuillez noter - au bas de la feuille de rapport écrite "Résultats: OK". Cela signifie que le système de griffonnées grave au module CEI n'a pas. Sinon, les résultats des erreurs seront donnés.

Exemple d'impression Profil:

Bonne chance à toi!!

Comme base, les matériaux d'articles et conférences de l'Université d'État Saint-Pétersbourg (LSU), SPBET (Leti) et AXL sont pris comme base. Merci.

Matériel préparé par V. Shelenberg

Qu'est-ce qu'une matrice CCD?

Dispositif à couplage de charcuterie CCD ou appareil de remplacement de la matrice / de charge CCD - analogique microcircuit intégré, Dans le cadre de laquelle il existe des photodiodes photosensibles en silicium ou oxyde d'étain. Le principe de fonctionnement de ce microcircuit est basé sur la technologie des instruments avec la relation de charge (CCD).

Histoire de la matrice CCD

Pour la première fois, le dispositif de charge a été appliqué par George Smith et Willard Boyle (Willard Boyle) dans Bella Laboratories aux États-Unis At & T Bell Labs Corporation en 1969. Ils ont mené des recherches dans le domaine de la téléphonie vidéo et de la soi-disant » Mémoire à bulles semi-conductrice ".

Bientôt, les appareils miniatures étaient assez répandus et ont commencé à être utilisés comme dispositifs de mémoire dans lesquels la charge a été placée dans le registre d'entrée de la puce. Après un certain temps, la capacité de l'élément de mémoire à recevoir des frais en raison de l'effet photoélectrique était l'objectif principal de l'utilisation de périphériques CCD.

AVEN Un an plus tard, en 1970, les chercheurs ont pu corriger des images à l'aide des appareils de ligne les plus simples, qui ont réellement attribué des ingénieurs Sony. Cette société travaille toujours activement dans le domaine des technologies de la CCD, investissant d'énormes investissements financiers dans cette direction, à toutes reprendre la production de matrices CCD pour ses caméscopes. À propos, la puce CCD-Matrix a été installée sur la pierre tombale de la tête de Sony Kadzuo Iwam, décédé en 1982. Après tout, c'était celui qui se tenait aux origines du début de la production de la matrice de la CCD dans le volume de masse.

La contribution des inventeurs de la matrice CCD n'a pas été ignorée. En 2006, Willard Boyle et George Smith ont reçu une récompense de l'Académie nationale d'ingénierie américaine pour leurs développements dans ce domaine et ont été présentés en 2009 avec le prix Nobel de la physique.

Principe de fonctionnement de la matrice CCD

La matrice CCD est presque entièrement composée de polycamine, qui a été séparée à l'origine d'un substrat de silicium avec une membrane spéciale. Lorsque la contrainte est fournie à la membrane au moyen de passerelles polycémiques, les potentiels électriques situés à proximité des électrodes conductrices sont fortement modifiés.

Avant l'exposition et l'alimentation aux électrodes d'une puissance de tension spécifique, toutes les charges sont réinitialisées, qui ont été formées plus tôt, et il existe également une conversion de tous les éléments à un état identique ou initial.

La combinaison de contraintes sur les électrodes crée une marge potentielle ou une fosse dite, où les électrons s'accumulent, qui apparaissent dans une matrice de pixels spécifique pendant le processus d'exposition sous l'influence des rayons lumineux. En fonction de l'intensité du flux de lumière, la quantité d'électrons accumulées dans la fosse potentielle est également située, de sorte que plus la puissance de la charge finale d'un certain pixel.

Une fois l'exposition terminée, des modifications séquentielles de la tension d'alimentation des électrodes se produisent dans chaque pixel individuel, à côté de laquelle la répartition des potentiels est observée, à la suite de laquelle les charges sont déplacées dans une direction donnée - aux pixels de sortie de la matrice CCD.

Composition des éléments matriciels CCD

En termes généraux, la conception de l'élément CCD peut être représentée sous forme de type de substrat de silicium équipé de canaux de la semi-conducteur de type N. Sur les canaux, il y a des électrodes de silicium polycrystallin avec une membrane d'oxyde de silicium isolant.

Une fois que le potentiel électrique est fourni aux données des électrodes, dans une zone affaiblie sous le canal de type N, un piège potentiel se produit. Sa tâche principale est de sauver des électrons. Une particule de lumière tombant dans le silicium provoque la génération d'électrons qui sont attirés par un piège potentiel et y restent. Un grand nombre de photons ou de lumière vive offre une charge puissante de pièges, après quoi il est nécessaire de calculer et de renforcer la valeur de la charge reçue, quels spécialistes s'appellent un photocourant.

Le processus de lecture des cellules photo CCD est effectué avec les registres de décalage séquentiels, qui convertissent les lignes de charges à l'entrée de la série d'impulsions de sortie. Ce flux d'impulsions est en fait un signal analogique qui entre dans l'amplificateur.

Ainsi, dans un signal analogique, vous pouvez convertir les charges d'une chaîne d'éléments CCD avec une assistance au registre. En pratique, un registre de changement de série dans les matrices CCD est effectué par tous les mêmes éléments CCD intégrés en une ligne. En même temps, travaillez cet appareil Sur la base de la compétence des instruments avec des liens de charge pour échanger des frais de leurs pièges potentiels. Un tel processus est effectué par la présence d'électrodes de transfert spécialisées, situées entre des éléments CCD adjacents. Au moment de la dépôt de l'électrode la plus proche d'un potentiel accru, alors que la charge passe sous elle d'un puits potentiel. Dans le même temps, deux à quatre électrodes de transfert sont généralement situées entre des éléments CCD, la phase du registre de décalage mentionnée par deux phases, triphasé ou quatre phases dépend du nombre dont dépend.

La fourniture de différents potentiels aux électrodes de transfert est synchronisée de manière à ce que la transition des pièges potentielles de tous les registres CCD soit effectuée presque simultanément. Donc, pour une "étape" du transfert, les éléments de la CCD se déplacent le long de la chaîne de charge à droite ou de gauche à droite. Dans le même temps, l'élément extrême CCD donne sa propre charge à l'amplificateur, situé à la sortie du registre. Ainsi, il devient assez évident que le registre de changement de série est un périphérique avec une sortie séquentielle et une entrée parallèle.

Une fois le processus de lecture terminé, toutes les charges du registre apparaissent absolument de la capacité de la soumettre à son entrée. nouvelle chaîne, alors un de plus et ainsi de suite. En conséquence, un signal analogique continu est obtenu, qui est basé sur un flux bidimensionnel de phototoks. Après cela, le flux parallèle d'entrée entrant dans le registre de cisaillement séquentiel est fourni par un ensemble de registres de cisaillement consécutifs orientés verticalement appelé registre à décalage parallèle. Tout ce conception est sous la forme assemblée et est un appareil appelé aujourd'hui matrice CCD.

La matrice est la principale chose élément structurel Caméra et l'un des principaux paramètres pris en compte par l'utilisateur lors du choix d'une caméra. Matrices modernes caméras digitales peut être classé par plusieurs configurations, mais le principal et le plus courant est la division des matrices méthode de lecture de récolte, sur: matrice CCD. Tapez I. Cmos. Matrice. Dans cet article, nous examinerons les principes de travail, ainsi que les avantages et les inconvénients de ces deux types de matrices, car ils sont universellement utilisés dans l'ingénierie photo et vidéo moderne.

Matrice CCD

Matrice CCD. Rappeler Pzs-matrice (Instruments avec lien de charge). Ccd La matrice est une plaque rectangulaire d'éléments photosensibles (photodiodes) situées sur un cristal de silicium semi-conducteur. Le principe de son action est basé sur la construction de charges, accumulées dans les tiges formées par des photons dans des atomes de silicium. C'est-à-dire que lorsqu'une collision avec une photodiode, un photode de lumière est absorbé et un électron est libéré (un facteur photo interne survient). En conséquence, une charge est formée à une économie d'une manière ou d'une autre pour un traitement ultérieur. A cette fin, un semi-conducteur est incorporé dans une matrice de silicium avec une électrode de silicium polycristalline transparente. Et à la suite de la fourniture de potentiel électrique, la soi-disant fosse potentielle est formée sur cette électrode sous le semi-conducteur sous le semi-conducteur sous le semi-conducteur, dans lequel elle est stockée par les zaras photon. Lors de la lecture de la matrice de charge électrique, des charges sont effectuées (stockées dans des puits potentiels) via les électrodes de transfert au bord de la matrice (registre de décalage série) et vers l'amplificateur, qui améliore le signal et le transmet dans des analogiques Convertisseur numérique (ADC), où le signal converti est envoyé dans le processeur qui traite le signal et enregistre l'image résultante à la carte mémoire .

Les photodiodes de polycrema sont utilisées pour la fabrication de matrices PZD. De telles matrices diffèrent de petites tailles et vous permettent d'en avoir assez photos de qualité Lors de la prise de vue avec un éclairage normal.

Avantages des matrices CCD:

1. Le crunch de la matrice fournit une densité élevée de la mise en place de photocellules (pixels) sur le substrat;
2. Haute efficacité (le ratio de photons enregistrés à leur nombre totalest d'environ 95%);
3. Haute sensibilité;
4. Bonne reproduction de la couleur (avec une lumière suffisante).

Inconvénients des matrices PZD:

1. Bruit élevé à High ISO (sur le faible niveau de bruit modéré);
2. Faible vitesse travailler en comparaison avec les matrices CMOS;
3. Consommation de puissance élevée;
4. Une technologie de lecture de signal plus complexe, car de nombreux contrôles de microcircuits sont nécessaires;
5. La production coûte plus que les matrices CMOS.

Matrice CMOSmais

La matrice Cmos., ou alors Matrice CMOS (Semiconducteurs complémentaires en oxyde de métal) utilise des capteurs de points actifs. Contrairement aux matrices CCD, la matrice CMOS contient un transistor séparé dans chaque élément photosensible (pixel) à la suite de laquelle la transformation de charge est effectuée directement en pixel. La charge obtenue peut être lue de chaque pixel individuellement, elle disparaît donc la nécessité de transférer la charge (comme cela se produise dans les matrices CCD). Les pixels de la matrice CMOS s'intègrent directement avec un convertisseur analogique-numérique ou même avec le processeur. À la suite de l'utilisation de telles technologies rationnelles, les économies d'énergie se produisent en raison de la réduction des chaînes d'actions par rapport aux matrices CCD, ainsi que de la réduction de l'appareil en raison d'une conception plus simple.

Un bref principe de la CMOS-Matrix: 1) Avant de tirer sur un transistor de réinitialisation, un signal de réinitialisation est alimenté. 2) Au cours de l'exposition, la lumière pénètre à travers la lentille et le filtre sur la photodiode et à la suite de la photosynthèse dans la fosse potentielle accumule la charge. 3) La valeur de la tension reçue est lue. 4) Traitement des données et économie d'images.

Avantages des matrices CMOS:

1. Faible consommation d'énergie (surtout dans les modes d'attente);
2. Grande vitesse;
3. Nécessite moins de coûts dans la production, en raison de la similitude de la technologie avec la production de microcircuit;
4. Unité de la technologie avec d'autres éléments numériques, ce qui vous permet de combiner une pièce analogique, numérique et de traitement sur un cristal (c'est-à-dire en plus de capturer la lumière en pixel, vous pouvez convertir, traiter et nettoyer le signal du bruit).
5. La capacité d'accéder arbitraire à chaque pixel ou groupe de pixels, ce qui réduit la taille de l'image capturée et augmente la vitesse de lecture.

Inconvénients des matrices CMOS:

1. La photodiode occupe une petite félicité de pixels, le résultat est une faible sensibilité de la matrice, mais ce moins est presque éliminé dans les matrices de CMOS modernes;
2. La présence de bruit de chaleur provenant de transistors de chauffage à l'intérieur du pixel pendant le processus de lecture.
3. Tailles relativement grandes, les fluctuations avec un tel type de matrices sont fortement poids et tailles.

Outre les types ci-dessus, il existe toujours des matrices à trois couches, dont chaque couche est CCD. La différence est que les cellules peuvent percevoir simultanément trois couleurs, qui sont formées avec des prismes dichroides lorsque le faisceau de lumière est inséré. Ensuite, chaque paquet est envoyé à une matrice séparée. En conséquence, la luminosité des couleurs bleues, rouges et vertes est déterminée immédiatement sur la cellule photoélectrique. Les matrices à trois couches sont utilisées dans des caméras vidéo haut niveauqui ont une désignation spéciale - 3CCD..

Résumant, je voudrais noter qu'avec le développement de technologies pour la production de matrices CCD et CMOS, leurs caractéristiques changent, de sorte que tout est plus difficile à dire lequel des matrices est définitivement meilleure, mais en même temps dernièrement Dans la production de caméras miroirs, la matrice CMOS devient de plus en plus populaire. Basé sur les caractéristiques caractéristiques de divers types de matrices, vous pouvez faire une idée précise des équipements photographiques professionnels fournissant haute qualité Tournage, assez volumineux et lourd. Cette information doit être rappelée lors du choix d'une caméra - c'est-à-dire de prendre en compte les dimensions physiques de la matrice et non le nombre de pixels.

Le dispositif de charge a été inventé en 1969 par Willard Boyle et George Smith dans Bella Laboratories (AT & T Bell Labs). Les laboratoires ont travaillé sur la téléphonie vidéo (ENG. téléphone porté) et le développement de la "mémoire à bulles semi-conductrice" (ENG. mémoire à bulles à semi-conducteur.). Les instruments présentant une cravate de charge ont commencé leur vie comme un dispositif de mémoire dans lequel il était possible de mettre une charge uniquement dans le registre d'entrée de l'appareil. Cependant, la capacité de l'élément de mémoire de l'appareil d'obtenir une charge grâce à l'effet photoélectrique effectué cette application Dispositifs CCD De base.

Dispositif général et principe de travail

Avant l'exposition, l'alimentation d'une certaine combinaison de tensions aux électrodes est généralement réinitialisée toutes les charges formées précédemment et apportant tous les éléments à un état identique.

Ensuite, la combinaison des contraintes sur les électrodes crée une fosse potentielle dans laquelle les électrons peuvent s'accumuler formés dans cette matrice de pixels à la suite de l'effet de la lumière lors de l'exposition. Plus le flux lumineux est intense au cours de l'exposition, plus les électrons s'accumulent dans la fosse potentielle, respectivement, plus la charge de résultat est élevée de ce pixel.

Après exposition, des modifications séquentielles de la tension sur les électrodes sont formées dans chaque pixel et la distribution de potentiels, ce qui entraîne le flux de charge dans une direction donnée, aux éléments de sortie de la matrice.

Exemple de matrice CCD souspixel avec poche N-Type

L'architecture des pixels des producteurs est différente.

Désignations sur le diagramme Sous-pixel CCD: 1 - Photons de la lumière, passée à travers la lentille de la caméra;
2 - ;
3 - R - Filtre de lumière rouge Sous-pixel, fragment du filtre Bayer;
4 - électrode de silicium polycristallin transparente ou en alliage indien et oxyde d'étain;
5 - oxyde de silicium;
Chaîne de silicium 6 - N-Type de type N: zone de production de support - zone photoeffecte interne;
7 - la zone d'une fosse potentielle (poche de type N), où les électrons sont collectés à partir de la zone de production de support de charge;
8 - Substrat de silicium de type P.

Classification par méthode de tampon

Matrix avec transfert complet

Une image formée par la lentille tombe sur la matrice CCD, c'est-à-dire que les rayons de lumière tombent sur la surface photosensible des éléments CCD, dont la tâche consiste à convertir une énergie photon dans charge électrique. Cela se produit comme suit.

Pour un photon qui est tombé sur l'élément CCD, il existe trois options pour le développement des événements, il s'agit de "filer" de la surface ou sera absorbé par l'épaisseur du semi-conducteur (matériau de la matrice), soit la "Voyages à travers" sa "zone de travail". De toute évidence, les développeurs doivent créer un tel capteur dans lequel les pertes du «ricochet» et de «frapper l'ondelettes» seraient minimisées. Les mêmes photons qui ont été absorbés par la matrice forment une paire de trou d'électrons si une interaction avec l'atome de la grille de cristaux de semi-conducteur s'est produite, ou un seul électron (soit un trou), si l'interaction était avec des atomes de donateurs ou des impuretés accepteurs, et les deux des phénomènes énumérés sont appelés effet photoélectrique interne. Bien entendu, le travail interne photoeffet du capteur n'est pas limité - il est nécessaire de maintenir les porteurs «prises» de la charge dans le semi-conducteur dans un stockage spécial, puis comptez-les.

Élément de la matrice CCD

En général, la conception de l'élément CCD ressemble à ceci: le type de substrat de silicium est équipé de canaux de la semi-conducteur de type N. Les canaux sont créés par des électrodes de silicium polycristallin avec une couche isolante d'oxyde de silicium. Une fois que le potentiel électrique est fourni à une telle électrode, une fosse potentielle est créée sous la zone de Donken sous la chaîne N -Type, dont le but est de stocker des électrons. Le silicium pénétrant photon conduit à la génération d'un électron, qui est attiré par une fosse potentielle et reste dedans. Un plus grand nombre de photons (lumière vive) fournit une accusation plus grande de la fosse. Ensuite, vous devez envisager la valeur de cette charge, appelée photocixtaire et renforcez-la.

La lecture des photocurrents de PZS-ELEMENTS est effectuée par les registres de décalage séquentiels, qui convertissent les lignes de charge à l'entrée de la série d'impulsions de sortie. Cette série est un signal analogique qui entre en outre l'amplificateur.

Ainsi, avec l'aide d'un registre, vous pouvez convertir en charges de signal analogiques de la chaîne des éléments PZD. En fait, un registre de changement de série dans les matrices CCD est implémenté à l'aide des mêmes éléments PZD combinés dans une chaîne. Le travail d'un tel dispositif est basé sur la capacité des instruments avec la relation de charge (c'est ce qui dénote l'abréviation du CCD) d'échanger des accusations de leurs fosses potentielles. L'échange est effectué en raison de la présence d'électrodes de transfert spéciales (porte de transfert) situées entre des éléments CCD adjacents. Lorsque le potentiel surélevé est appliqué à l'électrode la plus proche, la charge "coule" sous celle-ci d'une fosse potentielle. Entre les éléments CCD peuvent être situés à partir de deux à quatre électrodes de transfert, la "phase" du registre de cisaillement, qui peut être appelée une triphasée, triphasée ou quatre phases dépend de leur quantité.

La fourniture de potentiels aux électrodes de transfert est synchronisée de manière à ce que le mouvement des charges des ignames potentiels de tous les éléments CCD du registre se produise simultanément. Et pour un cycle de transferts des éléments de la CCD, comme il était "transmis le long de la chaîne" des charges de gauche à droite (ou à droite à gauche). Eh bien, l'élément de CCD "extrême" résultant donne sa charge à l'appareil situé à la sortie du registre, c'est-à-dire l'amplificateur.

En général, le registre de décalage séquentiel est un périphérique avec une entrée parallèle et une sortie séquentielle. Par conséquent, après avoir lu toutes les charges du registre, il est possible de soumettre une nouvelle chaîne à son entrée, puis formant ainsi un signal analogique continu basé sur une matrice bidimensionnelle de phototok. À son tour, le flux parallèle d'entrée pour le registre de décalage séquentiel (c'est-à-dire que les rangées de la matrice à deux dimensions de phototoks) sont fournies par un ensemble de registres de cisaillement séquentiels orientés verticalement, appelé registre de cisaillement parallèle, et le La conception entière n'est généralement qu'un périphérique appelé matrice CCD.

Les registres de cisaillement séquentiels "verticaux" parallèles sont appelés les colonnes matricielles CCD et leur fonctionnement est entièrement synchronisé. La matrice bidimensionnelle des photocurrents de la matrice PZS-matrice déplace simultanément une ligne, et il ne se produit que lorsque les charges de la ligne précédente à partir du "en bas" du registre de décalage séquentiel sont allées sur l'amplificateur. Avant la libération du registre séquentiel, le parallèle est obligé d'oisif. Eh bien, la matrice CCD elle-même doit être connectée à la puce (ou à leur ensemble), alimentant les potentiels aux électrodes des registres de décalage série et parallèles, ainsi que le travail de synchronisation des deux registres. De plus, vous avez besoin d'un générateur d'horloge.

Matrice de cadre complet

Ce type de capteur est le plus simple d'un point de vue constructif et s'appelle une matrice CCD à cadre complet (matrice CCD-cadre complète). Outre les copeaux "Schotage", un tel type de matrices nécessite également une porte mécanique, chevauchant le flux de lumière après une exposition. Jusqu'à la fermeture complète de l'obturateur, la lecture des charges ne peut pas être démarrée - avec le cycle de travail d'un registre parallèle d'un décalage vers le phototokok, chacun de ses pixels ajoutera des électrons supplémentaires causés par les photons sur la surface ouverte de la surface ouverte du Matrice CCD. Ce phénomène s'appelle une charge "vide" dans une matrice de cadre complète (frottis à matrice de cadre complet).

Ainsi, la vitesse de lecture du cadre dans un tel schéma est limitée par la vitesse de travail à la fois des registres à la fois parallèles et en série. Il est également évident qu'il est nécessaire de chevaucher le flux lumineux, qui passe de l'objectif à l'achèvement du processus de lecture. L'intervalle entre l'exposition dépend également du taux de lecture.

Matrix avec tampon de cadre

Il existe une variante améliorée de la matrice pleine-cadre, dans laquelle les charges du registre parallèle n'arrivent pas à l'entrée séquentielle et "stockées" dans le registre parallèle tampon. Ce registre est situé sous le registre parallèle principal du décalage, les photocurrents sont formés dans le registre des tampons et sont déjà arrivés au registre de décalage séquentiel. La surface du registre tampon est recouverte de panneau opaque (plus souvent métallique), et l'ensemble du système a reçu le nom de la matrice avec le tampon de la trame (CCD de transfert de cadre). Matrix avec tampon de cadre dans ce schéma, les puits potentiels du registre de décalage parallèle principal "vide" sont sensiblement plus rapides, car lors du transfert de lignes vers la mémoire tampon, il n'est pas nécessaire que chaque ligne s'attend à un cycle complet du registre séquentiel. Par conséquent, l'intervalle entre l'exposition est réduit, cependant, il tombe également la vitesse de lecture pour «voyager» à deux fois la distance. Ainsi, l'intervalle entre l'exposition n'est réduit que pour deux images, bien que le coût de l'appareil due au registre tampon augmente considérablement. Cependant, l'inconvénération le plus notable des matrices avec la mise en mémoire tampon de cadre est l'extension "Route" de PhotoTokov, qui affecte négativement leur préservation de leurs valeurs. Et dans tous les cas, l'obturateur mécanique doit être activé entre les cadres, il n'est donc pas nécessaire de parler d'un signal vidéo continu.

Matrix avec tampon de colonnes

Surtout pour les équipements vidéo a été mis au point un nouveau type de matrices, dans lequel l'intervalle entre exposition a été minimisé non plus pour une paire de cadres, mais pour un flux continu. Bien entendu, pour assurer cette continuité qu'il était nécessaire de fournir un refus à l'obturateur mécanique.

En fait, ce schéma, qui a reçu le nom de la matrice avec la colonne tampon (CCD interline -Matrix) est similaire au système avec tampon de cadre, il utilise également un registre à décalage parallèle tampon, dont les éléments PZD sont cachés. sous un revêtement opaque. Cependant, ce tampon n'est pas situé bloc unique Sous le registre principal parallèle, ses colonnes sont "mélangées" entre les colonnes du registre principal. En conséquence, une colonne tampon est située à côté de chaque colonne du registre principal et immédiatement après l'exposition, les photocurrents ne sont déplacés pas "de haut en bas", mais "de gauche à droite" (ou "droit à gauche") Et dans un seul cycle de travail pénètre dans une mémoire tampon, libérant entièrement des fosses potentielles pour la prochaine exposition. Les charges qui sont tombées dans le registre tampon comme d'habitude sont lues via un registre de changement de série, c'est-à-dire "de haut en bas". Étant donné que la réinitialisation des phototoks dans le registre tampon se produit dans un seul cycle, même en l'absence d'un obturateur mécanique, il n'ya rien de même que l'emballage de la charge dans la matrice de trame complète. Mais le temps d'exposition pour chaque image dans la plupart des cas par durée correspond à l'intervalle consacré à la lecture complète du registre parallèle tampon. Grâce à tout cela, il est possible de créer un signal vidéo avec une fréquence élevée de personnel, au moins 30 côtés de seconde. La matrice avec des colonnes tamponnées est souvent dans la matrice de la littérature domestique avec la mise en mémoire tampon des colonnes appelées erroneusement appelées "entrelacées". Il est probablement causé par le fait que les noms anglais "interline" (tampon des lignes) et "entrelacé" (entrelacé) sonne très très similaire. En fait, lors de la lecture d'un tact de toutes les lignes, nous pouvons parler d'une matrice de balayage progressive et lorsque des lignes inventives sont lues pour le premier battement et pour le second (ou vice versa), nous parlons d'une matrice avec entrelacée Lattice (Scan Interlace).

Dimensions des matrices de caméras

Dimensions des matrices de caméras de films numériques