Correspondance sur les caméras de télévision. Dispositifs de charge (CCD). Principe de fonctionnement du CCD

Qu'est-ce qu'une matrice CCD?

CCD Matrix / Dispositif à couplage de charge ou matrice de CCD / périphérique avec chargement commun - c'est 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 de la force flux de lumière Il y a aussi la quantité d'électrons accumulés dans la fosse potentielle, de sorte que plus, plus le pouvoir 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 Les impulsions sont en fait un signal analogique qui entre dans l'amplificateur.

Dedans signal analogique Vous pouvez convertir les charges de la chaîne des éléments CCD à l'aide du 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.

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 de la lumière et la transforment en charges électriques) Il y a beaucoup de récepteur CCD, de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers et même quelques 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:

les charges du même nom sont repoussées
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. (Terme TIRE en électronique - Explorateur courant électrique, Connectant le même type, les 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 trois électrodes: une transmission, une réception et une isolation, séparant la paire de réception et transmettre mutuellement et les mêmes électrodes de nom de ces triples peuvent être connectées les unes aux autres dans un seul pneu d'horloge, ce qui ne nécessite qu'une seule sortie externe (Fig. 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'inscription.

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.

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").
La valeur est comparée à un niveau de référence (par exemple, moyenne).
La différence entre la valeur de sortie et le niveau de référence se souvient de chaque pixel.
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 le SATSP, le signal de CIS analogique sera converti en un signal numérique à 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 "

Choisissez en mode Tech
Appuyez sur la touche ENTER pour numériser l'image.
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.
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

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:

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

Inconvénients des matrices PZD:

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

Matrice CMOS

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'action par rapport à matrices CCD, ainsi que la réduction de l'appareil en raison d'un design 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:

Faible consommation d'énergie (surtout dans les modes d'attente);
Grande vitesse;
Nécessite moins de coûts dans la production, en raison de la similitude de la technologie avec la production de microcircuit;
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).
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:

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;
La présence de bruit de chaleur provenant de transistors de chauffage à l'intérieur du pixel pendant le processus de lecture.
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 distincte. 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 sont modifiées, il est donc plus difficile de dire lequel des matrices est définitivement meilleure, mais à la dernière fois la matrice CMOS devient de plus en plus populaire dans la production de caméras miroirs. Sur la base des caractéristiques caractéristiques de divers types de matrices, vous pouvez faire une idée claire pourquoi les équipements photographiques professionnels, offrant un tournage de haute qualité, sont assez lourds et lourds. 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.

Les images de convertisseurs photovoltaïques de l'état solide (TFEP) sont des analogues de transmission de CRT.

TFEP a commencé depuis 1970, avec le soi-disant CCD et se forma sur la base de cellules individuelles représentant les condensateurs de la structure MDP ou MOS. L'une des plaques d'un tel condensateur élémentaire est le film métallique M, le second substrat semi-conducteur P ( p.- ou alors n.-Ronomiales), diélectrique D sert un semi-conducteur appliqué comme une couche mince sur le substrat P. en tant que substrat p silicium dopé avec accepteur ( p.-Type) ou donateur ( n.-TYPE) impureté et comme d - oxyde de silicium Sio. 2 (voir fig.8.8).

Figure. 8.8.Condenseur MOS-STRUCTURE

Figure. 8.9.Frais de déplacement sous l'action du champ électrique

Figure. 8.10.Le principe de fonctionnement du système CCD triphasé

Figure. 8.11.Frais de déplacement dans un système de CCD en deux phases

Lorsque vous postulez pour une électrode de tension métallique, une "poche" ou une fosse potentielle est formée sous celle-ci, dans laquelle les porteurs non noces peuvent "accumuler" (dans notre cas) et les principaux porteurs, des trous seront repoussés de M. Sur une distance de la surface de la surface, la concentration de supports non essentiels peut être supérieure à la concentration principale. Près du diélectrique D dans le substrat n survient une couche d'inversion dans laquelle le type de conductivité change à l'opposé.

Le package de charge dans le CCD peut être administré par électrose ou par génération de lumière. Avec la génération de la lumière de procédés photovoltaïques découlant du silicium, entraînera l'accumulation de supports non essentiels dans des fosses potentielles. La charge accumulée est proportionnelle à l'éclairage et au temps de l'accumulation. La charge directionnelle de la charge dans le CCD est assurée par l'emplacement des condensateurs MOS à une distance aussi étroite l'une de l'autre, que leurs zones appauvries se chevauchent et des puits potentiels sont connectés. Dans le même temps, la charge mobile des transporteurs non essentielles s'accumulera à la place où la fosse potentielle est plus profonde.

Laisser sous l'influence de la charge accumulée de la lumière sous l'électrode U. 1 (voir fig.8.9). Si maintenant sur l'électrode adjacente U. 2 Soumettre la tension U. 2 \u003e U. 1, puis une fosse potentielle différente apparaît près, plus profondément ( U. 2 \u003e U. une). Une région du champ électrique et des transporteurs non principaux se posera entre eux (électrons) va dériver (écoulement) dans une "poche" plus profonde (voir Fig. 8.9). Pour exclure la transmission bidirectionnelle en matière de charge, la séquence d'électrodes combinées en groupes de 3 électrodes est utilisée (voir Fig. 8.10).

Si, par exemple, une charge accumulée sous l'électrode 4 et il est nécessaire de le transférer vers la droite, une tension supérieure est fournie à l'électrode droite 5 ( U. 2 \u003e U. 1) Et la charge s'écoule, etc.

Presque toute la totalité des électrodes est connectée aux trois pneus:

I - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

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

U. 3 \u003d 0), le flux à gauche ne sera pas.

Le fonctionnement du bibelot de la CCD implique la présence de trois électrodes (cellules) à un élément de l'image TV, qui réduit la surface utile utilisée par le flux de lumière. Pour réduire le nombre de cellules (électrodes) du CCD, des électrodes métalliques et une couche diélectrique sont formées par une forme étagée (voir la figure 8.11). Cela permet, lorsque les impulsions de tension sont fournies aux électrodes, des fosses potentielles de différentes profondeurs sous ses différentes sections. Dans une fosse plus profonde, la plupart des charges du flux de cellules voisines.

Avec un système CCD à deux phases, le nombre d'électrodes (cellules) dans la matrice est réduit d'un tiers, ce qui affecte favorablement le relief de lecture.

La CCC a d'abord été proposée à utiliser dans la technologie informatique comme périphériques de stockage, des registres de changement de vitesse. Au début de la chaîne, une diode d'injection a été chargée et à la fin de la chaîne - une diode de sortie est généralement n-p- ou alors p-n-mOP transitions des structures formant avec les premières et les dernières électrodes (cellules) des chaînes de transistors de champ CCD.

Mais bientôt, il s'est avéré que le CCD est très sensible à la lumière, et ils sont donc meilleurs et plus efficaces à utiliser comme reproductures légères et non comme des dispositifs de stockage.

Si la matrice CCD est utilisée comme photodétecteur, l'accumulation de charge sous une ou une autre électrode peut être effectuée par la méthode optique (lumière injectante). On peut dire que les matrices CCD sont essentiellement des registres analogiques analogiques photosensibles. Aujourd'hui, le CCD n'est pas utilisé comme périphériques de stockage (mémoire), mais uniquement en tant que photodétecteurs. Ils sont utilisés dans les télécopieurs, les scanners (règles de la CCD), dans les caméras de la caméra et des caméras vidéo (matrice CCD). Habituellement, les jetons dits CCD sont utilisés dans les caméras de télévision.

Nous avons supposé que tous les frais de 100% sont transmis à la poche voisine. Cependant, dans la pratique, il doit être considéré comme des pertes. L'une des sources de pertes est "pièges" capable de capturer et de tenir des charges. Ces accusations n'ont pas le temps de couler dans la poche voisine, si le taux de transfert est génial.

La deuxième raison est le mécanisme d'écoulement lui-même. Au premier instant, le transfert de charges se produit dans un fort champ électrique - dérive dans E.. Cependant, comme des charges chargées, la force de terrain tombe et le processus de dérive s'estompe, de sorte que la dernière partie se déplace en raison de la diffusion, une dérive 100 fois plus lente. Attendez la dernière partie - cela signifie réduire la vitesse. Draif donne plus de 90% du transfert. Mais ce sont les derniers pourcentages fondamentaux lors de la détermination des pertes.

Laisser le coefficient de transmission d'un cycle de transfert est égal à k. \u003d 0,99, croyant le nombre de cycles égaux N. \u003d 100, nous définissons le coefficient de transmission total:

0,99 100 = 0,366

Cela devient évident que quand grand nombre Éléments Même des pertes mineures sur un élément sont d'une grande importance pour la chaîne dans son ensemble.

Par conséquent, la question de la réduction du nombre de charges de charges dans la matrice de la CCD est particulièrement importante. À cet égard, la matrice d'un CCD à deux phases Le coefficient de transmission de charge sera quelque peu large que dans un système triphasé.

Qu'est-ce qu'une matrice CCD?

Un peu d'histoire

Un matériau photographique a été utilisé comme récepteur de lumière plus tôt: photoplastique, photoplot, papier photo. Plus tard, les caméras de télévision et la FEU sont apparues (multiplicateur photo-électrique).
À la fin des années 60 - au début des années 70, les "charges avec charge" ont été développées, qui est abrégée en tant que CCD. En anglais, il ressemble à des "périphériques couplés de charge" ou abrégé - CCD. En principe, les matrices CCD déposent le fait que le silicium est capable de réagir à la lumière visible. Et ce fait a conduit à la pensée que ce principe peut être utilisé pour obtenir des images d'objets lumineux.

Les astronomes ont été parmi les premiers qui ont reconnu la capacité extraordinaire CCD à enregistrer des images. En 1972, un groupe de chercheurs du JPL (Laboratoire de Jet Movement, USA) a fondé le programme de développement de la CCD pour l'astronomie et la recherche spatiale. Trois ans plus tard, en collaboration avec des scientifiques de l'Université d'Arizona, cette équipe a reçu la première image de CCD astronomique. Sur la photo de l'uranium dans la plage d'infrarouges proches, des taches sombres près du pôle sud de la planète ont été découvertes avec un télescope demi-demi-télescope, témoignant de ce méthane ...

L'utilisation des matrices CCD a été largement utilisée: caméras numériques, caméscopes; La matrice CCD que la caméra est devenue possible d'intégrer même dans les téléphones mobiles.

Dispositif CCD

Typique dispositif CCD (Fig. 1): Sur la surface semi-conductrice est mince (0,1-0,15 μm) de la couche diélectrique (généralement oxydée), sur laquelle les bandes d'électrodes conductrices sont situées (de métal ou de silicium polycristallin). Ces électrodes forment un système régulier linéaire ou matriciel, et les distances entre les électrodes sont si petites, ce qui est essentiel aux effets de l'influence mutuelle des électrodes adjacentes. Le principe de fonctionnement du CCD est basé sur l'occurrence, le stockage et la transmission directionnelle de paquets de charge dans des puits potentiels formés dans la couche semi-conductrice proche de la surface lorsqu'elles sont appliquées à des électrodes de contraintes électriques externes.

Figure. 1. Dispositif principal de la matrice CCD.

En figue. Les caractères 1 C1, C2 et C3 indiquent des condensateurs MOS (métal-semi-conducteur en métal).

S'il y a une tension positive de U à n'importe quelle électrode, un champ électrique survient dans la structure du MDP, sous l'action dont les principaux porteurs (trous) sont très rapidement (pour les unités Picosecondes) laissent la surface du semi-conducteur. En conséquence, la surface forme une couche épuisée, dont l'épaisseur est une part ou une unité d'un micromètre. Les porteurs nézostables (électrons) générés dans la couche épuisée sous l'action de tout procédé (par exemple, de la chaleur) ou des zones semi-conductrices neutres sous l'action de diffusion, se déplaceront (sous l'action du champ) vers la frontière du semi-conducteur -section-mode et localisé dans une couche inverse étroite. Ainsi, la surface se produit une fosse potentielle pour les électrons dans lesquels ils se déroulent de la couche épuisée sous l'action du champ. Les principaux porteurs générés dans la couche épuisée (trous) sous l'action du champ sont jetés dans la partie neutre du semi-conducteur.
Au cours de l'intervalle de temps spécifié, chaque pixel est rempli progressivement d'électrons proportionnellement au nombre de lumière. À la fin de cette période, les charges électriques accumulées par chaque pixel sont transmises à la "sortie" du dispositif et sont mesurées.

La taille des matrices de pixels photosensibles est de une à deux à plusieurs dizaines de microns. La taille des cristaux d'argent halogène dans la couche photosensible de photoflinks varie de 0,1 (émulsions positives) à 1 micron (négatif très sensible).

L'un des principaux paramètres de la matrice est l'efficacité dite quantique. Ce nom reflète l'efficacité de la conversion de photons absorbés (Quanta) en photoélectrons et similaires au concept photographique de photosensibilité. Étant donné que l'énergie de la lumière quant dépend de leur couleur (longueur d'onde), il est impossible de déterminer de manière unique combien d'électrons seront nés dans le pixel matriciel lorsqu'ils les absorbent, par exemple, un flux de cent photons hétérogènes. Par conséquent, l'efficacité quantique est généralement donnée dans le passeport sur la matrice en fonction de la longueur d'onde et dans certaines sections du spectre peut atteindre 80%. C'est beaucoup plus grand que celui de la photoémulsion ou des yeux (environ 1%).

Quelles sont les matrices CCD?

Si les pixels sont construits en une rangée, le récepteur est appelé la règle PZS-Rulière, si la surface est remplie de lignes, alors le récepteur est appelé matrice CCD.

La ligne PZS avait une large gamme d'applications dans les années 80 et 90 pour les observations astronomiques. Il suffisait d'effectuer une image sur la ligne CCD et il est apparu sur le moniteur d'ordinateur. Mais ce processus était accompagné de nombreuses difficultés et donc à l'heure actuelle, la ligne PZS est de plus en plus déplacée par les matrices CCD.

Effets indésirables

L'un des effets secondaires indésirables du transfert de charge sur la matrice de la CCD, qui peut interférer avec les observations, sont des bandes verticales lumineuses (poteaux) sur le site des zones lumineuses de l'image d'une petite zone. De plus, les éventuels effets indésirables des matrices CCD peuvent être attribués: un bruit sombre élevé, la présence de pixels "aveugles" ou "chauds", une sensibilité inégale dans le champ matriciel. Pour réduire le bruit sombre, le refroidissement autonome des matrices CCD est utilisé pour des températures -20 ° C et ci-dessous. Soit le cadre sombre est éliminé (par exemple avec une lentille fermée) avec la même durabilité (exposition) et la même température, avec laquelle la trame précédente a été produite. Ensuite programme spécial Un cadre sombre de l'image est soustrait sur l'ordinateur.

Les caméras de télévision basées sur des matrices CCD sont bonnes car elles permettent d'obtenir des images à une vitesse maximale de 25 images par seconde avec une résolution de 752 x 582 pixels. Mais l'inadaptation des objets de ce type d'observations astronomiques est que le fabricant est mis en œuvre par les chemins internes du fabricant (lecture - distorsion) pour une meilleure perception du personnel résultant de la vision. Ceci est Aru (ajustement automatisé de contrôle) et dit. L'effet des «frontières nettes» et autres.

Le progrès…

En règle générale, l'utilisation de récepteurs CCD est beaucoup plus pratique que d'utiliser des récepteurs de lumière non POPWare, car les données obtenues sont immédiatement appropriées pour être appropriées sur un ordinateur et, de plus, la vitesse d'obtention de cadres individuels est très élevée (de plusieurs cadres par seconde à quelques minutes).

DANS actuellement La production de matrices CCD est également développée par un rythme rapide. Le nombre de "mégapixels" de matrices augmente - le nombre de pixels individuels par unité de la matrice. La qualité des images obtenues par les matrices CCD est améliorée, etc.

Sources d'occasion:
1. 1. Victor Belov. Avec une précision des dixièmes du micron.
2. 2. S.E.Guryanov. Rencontre - CCD.