Kirish

Ushbu muddatli ishda men ko'rib chiqaman umumiy ma'lumot zaryadlangan qurilmalar, parametrlari, yaratilish tarixi, o'rta infraqizil diapazonidagi zamonaviy CCD kameralarining xususiyatlari haqida.

Amalga oshirish natijasida muddatli ish yaratilish, harakat tamoyili, texnik xususiyatlari va o'rta infraqizil CCD kameralardan foydalanish.

CCD. Jismoniy printsip cCD ishi... CCD

Zaryad bilan bog'langan qurilma (CCD) - bu umumiy yarimo'tkazgichli substratda hosil bo'lgan oddiy MIS tuzilmalari (metall-dielektrik-yarimo'tkazgich) bo'lib, bu elektrodlarning chiziqlari qo'shni elektrodlar orasidagi masofa etarli bo'lgan chiziqli yoki matritsali muntazam tizim hosil qiladi. kichik (1-rasm). Ushbu holat qurilmaning ishlashida qo'shni MIS tuzilmalarining o'zaro ta'siri hal qiluvchi ekanligini aniqlaydi.

1-rasm - CCD tuzilishi

Asosiy funktsional maqsadlar fotosensitiv CCD - optik tasvirlarni elektr impulslari ketma-ketligiga aylantirish (video signallarni yaratish), shuningdek raqamli va analog ma'lumotlarni saqlash va qayta ishlash.

CCDlar monokristalli kremniy asosida tayyorlanadi. Buning uchun silikon dioksidning ingichka (0,1-0,15 mikron) dielektrik plyonkasi silikon vafli yuzasida termal oksidlanish orqali hosil bo'ladi. Ushbu jarayon yarimo'tkazgich - izolyator interfeysining mukammalligini ta'minlaydigan va interfeysdagi rekombinatsiya markazlarining kontsentratsiyasini minimallashtiradigan tarzda amalga oshiriladi. Ayrim MIS elementlarining elektrodlari alyuminiydan tayyorlangan, ularning uzunligi 3-7 mikron, elektrodlar orasidagi bo'shliq 0,2-3 mikron. Lineer va matritsali CCD-da MIS-elementlarning 500-2000 ning odatiy soni; plastinka maydoni Har bir qatorning haddan tashqari elektrodlari ostida elektr zaryadlarining bir qismini (zaryad paketlarini) kiritish-chiqarish uchun mo'ljallangan p-n birikmalar amalga oshiriladi. usul (p-n-birikma bilan in'ektsiya). Fotoelektrik bilan zaryad paketlarining kiritilishi, CCD old yoki orqa tomondan yoritilgan. Frontal yoritish ostida, elektrodlarning soya ta'sirini oldini olish uchun alyuminiy odatda spektrning ko'rinadigan va IR-ga yaqin hududlarida shaffof bo'lgan, qattiq dopinglangan polikristalli kremniy (polisilimon) plyonkalari bilan almashtiriladi.

CCD qanday ishlaydi

CCD ishlashining umumiy printsipi quyidagicha. Agar CCD ning har qanday metall elektrodiga salbiy kuchlanish qo'llanilsa, u holda paydo bo'ladigan elektr maydonining ta'sirida substratning asosiy tashuvchisi bo'lgan elektronlar sirtni yarimo'tkazgichga chuqur tashlab qo'yishadi. Er yuzida tükenme mintaqasi hosil bo'ladi, bu energiya diagrammasida ozchilikni tashuvchilar uchun potentsial quduqni - teshiklarni aks ettiradi. Ushbu mintaqaga tushadigan teshiklar har qanday tarzda izolyator - yarimo'tkazgich interfeysiga jalb qilinadi va ular sirtga yaqin tor qatlamda joylashadi.

Agar endi qo'shni elektrodga kattaroq amplituda salbiy kuchlanish qo'llanilsa, unda chuqurroq potentsial quduq hosil bo'ladi va teshiklar unga o'tadi. Turli CCD elektrodlariga kerakli nazorat kuchlanishlarini qo'llagan holda, ma'lum bir sirt mintaqalarida zaryadlarning saqlanishini va zaryadlarning sirt bo'ylab yo'naltirilgan harakatini (strukturadan tuzilishga) ta'minlash mumkin. Zaryad paketini kiritish (yozib olish) yoki masalan, o'ta CCD elementi yaqinida joylashgan yoki pn-birikmasi orqali yoki yorug'lik avlodi orqali amalga oshirilishi mumkin. Tizimdan zaryadni olib tashlash (o'qish), shuningdek, p-n birikmasi yordamida amalga oshiriladi. Shunday qilib, CCD - bu tashqi ma'lumot (elektr yoki.) Bo'lgan qurilma yorug'lik signallari) uyali aloqa operatorlarining zaryad paketlariga aylantirilib, ma'lum bir yo'l bilan sirtga yaqin mintaqalarda joylashgan bo'lib, axborotni qayta ishlash ushbu paketlarning sirt bo'ylab boshqariladigan harakati bilan amalga oshiriladi. Raqamli va analog tizimlarni CCD asosida qurish mumkinligi aniq. Uchun raqamli tizimlar faqat CCD ning ma'lum bir elementida teshiklarning zaryadining mavjudligi yoki yo'qligi haqiqati muhimdir; analog ishlov berishda ular harakatlanuvchi zaryadlarning qiymatlari bilan shug'ullanadilar.

Agar tasvirni olib boradigan yorug'lik oqimi ko'p elementli yoki matritsali CCD ga yo'naltirilgan bo'lsa, u holda yarimo'tkazgich hajmida elektron teshik juftlarini fotogeneratsiyasi boshlanadi. Bir marta CCD ning tükenme hududida, tashuvchilar ajratiladi va potentsial quduqlarda teshiklar to'planadi (va to'plangan zaryad qiymati mahalliy yoritishga mutanosib). Belgilangan vaqtdan so'ng (bir necha millisekundalar bo'yicha), tasvirni idrok etish uchun etarli bo'lgan, yoritish taqsimotiga mos keladigan zaryad paketlarining surati CCD matritsasida saqlanadi. Soat impulslari yoqilganda, zaryad paketlari chiqadigan o'quvchiga o'tadi, bu ularni elektr signallariga aylantiradi. Natijada, natijada video signal beradigan konvertni beradigan turli xil amplituda impulslar ketma-ketligi bo'ladi.

Uch tsikli (uch fazali) sxema bilan boshqariladigan FCD chizig'i parchasi misolida CCD ning ishlash printsipi 2-rasmda keltirilgan. I tsikl davomida (video ma'lumotni idrok etish, to'plash va saqlash). saqlash quvvati Uxp, asosiy tashuvchilarni - p tipidagi kremniyning teshiklarini orqaga surib, yarimo'tkazgichga chuqur kirib, 0,5-2 mikron chuqurlikdagi tükenmiş qatlamlarni hosil qiladi - elektronlar uchun potentsial quduqlar. PCCD sirtini yoritishda kremniy hajmida ortiqcha elektron teshik juftlari hosil bo'ladi, elektronlar potentsial quduqlarga tortilib, 1, 4,7 elektrodlari ostida ingichka (0,01 mkm) sirt qatlamida joylashib, signal zaryad paketlarini hosil qiladi.

zaryadlovchi aloqa kamerasi infraqizil

Shakl 2 - Uch fazali zaryadli bog'langan qurilmaning ishlash sxemasi - smenali registr

Har bir paketdagi zaryad miqdori berilgan elektrod yaqinidagi sirt ta'siriga mutanosibdir. Yaxshi shakllangan MIS tuzilmalarida elektrodlar yonida hosil bo'lgan zaryadlar nisbatan uzoq vaqt davomida saqlanib turishi mumkin, ammo asta-sekin, nopoklik markazlari tomonidan zaryad tashuvchilarni hosil bo'lishi, asosiy qismdagi nuqsonlar yoki interfeys tufayli bu zaryadlar potentsial quduqlarda signal zaryadlaridan oshib ketguncha va hatto quduqlarni to'liq to'ldirguncha to'planib qoladi.

II tsikl davomida (zaryadni uzatish) 2, 5, 8 va hokazo elektrodlarga saqlash zo'riqishidan yuqori o'qish kuchlanishi qo'llaniladi. Shuning uchun 2, 5 va 8 elektrodlari ostida chuqurroq potentsiallar paydo bo'ladi. 1, 4 va 7 elektronlar ostidagi quduqlar va 1 va 2, 4 va 5,7 va 8 elektrodlari yaqinligi sababli ular orasidagi to'siqlar yo'qoladi va elektronlar qo'shni, chuqurroq potentsial quduqlarga oqadi.

III tsikl davomida 2, 5, 8 elektrodlaridagi kuchlanish a ga kamayadi, 1, 4, 7 elektrodlardan chiqariladi.

T. haqida. barcha zaryad paketlari CCD chizig'i bo'ylab o'ng tomonga bir qadam, qo'shni elektrodlar orasidagi masofaga teng ravishda uzatiladi.

Butun operatsiya davomida potentsial bilan bevosita bog'liq bo'lmagan elektrodlarda kichik kuchlanish kuchi (1-3 V) saqlanib qoladi, bu butun yarimo'tkazgich yuzasida zaryad tashuvchilarning tükenmesini va unga rekombinatsiya ta'sirining zaiflashishini ta'minlaydi.

Voltajni almashtirish jarayonini ko'p marta takrorlash, barcha zaryad paketlari, masalan, chiziqdagi yorug'lik bilan hayajonlanib, haddan tashqari r-h-birikmasi orqali chiqadi. Bunday holda, chiqish pallasida zaryad miqdoriga mutanosib ravishda kuchlanish pulslari paydo bo'ladi ushbu paket... Yoritish naqshlari sirt chizig'i relyefiga aylantirildi, u butun chiziq bo'ylab harakatlangandan so'ng elektr impulslari ketma-ketligiga aylantirildi. Qator yoki matritsadagi elementlarning soni qancha ko'p bo'lsa (1 - IQ qabul qiluvchilar soni; 2 - bufer elementlar; 3 - CCD - bu zaryad paketini bir elektroddan qo'shni elektroduga to'liq o'tkazmasligi va natijada ma'lumot buzilishi kuchayadi. Tufayli to'plangan video signal buzilishining oldini olish uchun yorug'lik uzatish vaqti, FPCD kristalida, fazoviy ajratilgan idrok sohalari - to'planish va saqlash - o'qish hosil bo'ladi va birinchisida ular maksimal darajada sezgirlikni ta'minlaydi, ikkinchisi, aksincha, nurdan himoya qiladi.Firodli chiziqli FPCD da (3-rasm, a), zaryadlar ketma-ket to'plangan. 1 bitta tsiklda 2 registrga (juft elementlardan) va 3 registrga (toq elementlardan) o'tkaziladi.Ma'lumotlar 4 chiqish orqali ushbu registrlar orqali 5 signalni birlashtiruvchi zanjirga uzatilsa, 1-satrda yangi video kadr to'planadi. Kadrlar uzatilishi bilan FPSS (3-rasm) 7-akkumulyator matritsasi tomonidan olingan ma'lumotlar tezda 2-saqlash matritsasiga "tashlanadi", undan ketma-ket lekin CCD registri 3 tomonidan o'qiladi; Shu bilan birga, 1-matritsa yangi ramkani to'playdi.

3-rasm - chiziqli (a), matritsali (b) fotosensitiv moslamada zaryad biriktirilgan va zaryadlangan in'ektsion qurilmada ma'lumotlarni to'plash va o'qish.

Eng sodda tuzilishga ega CCD-lardan tashqari (1-rasm), ularning boshqa turlari keng tarqaldi, xususan, polissilikon elektrodlari ustma-ust tushadigan qurilmalar (4-rasm), bu erda butun yarimo'tkazgich yuzasida faol fotoelektr effekti ta'minlanadi va elektrodlar orasidagi kichik bo'shliq va sirtga yaqin xususiyatlar assimetriyasiga ega qurilmalar (masalan) ., o'zgaruvchan qalinligi dielektrik qatlami bilan - 4-rasm), ikki zarbali rejimda ishlaydi. Aralashmalarning tarqalishi natijasida hosil bo'lgan volumetrik kanalga ega bo'lgan CCD ning tuzilishi (4-rasm) tubdan farq qiladi. Yig'ish, saqlash va zaryadlarni uzatish yarimo'tkazgichning asosiy qismida sodir bo'ladi, bu erda markazlarning rekombinatsiyasi yuzaga nisbatan kamroq va tashuvchining harakatchanligi yuqori. Buning oqibati sirt kanaliga ega bo'lgan CCD ning barcha turlariga nisbatan kattalashish va pasayish tartibidir.

4-rasm - sirt va quyma kanalli CCD qurilmalarining navlari.

Rangli tasvirlarni idrok etish uchun ikkita usuldan biri qo'llaniladi: prizma yordamida optik oqimni qizil, yashil, ko'k ranglarga bo'lish, ularning har birini maxsus FPCD - kristal bilan idrok qilish, har uchala kristallardan pulslarni bitta video signalga aralashtirish; FPZS yuzasida plyonka chizig'ini yoki mozaikali kodlash filtrini yaratish, bu ko'p rangli triadlarning rasterini hosil qiladi.

Birinchi marta elektron zaryadlarni saqlash va undan keyin o'qish g'oyasiga ega bo'lgan CCD printsipi 60-yillarning oxirida BELL korporatsiyasining ikkita muhandisi tomonidan ferrit halqalarida xotirani almashtirishi mumkin bo'lgan kompyuterlar uchun yangi xotira turlarini izlash paytida ishlab chiqilgan (ha, bunday xotira bor edi). Ushbu g'oya istiqbolsiz bo'lib chiqdi, ammo kremniyning ko'rinadigan nurlanish spektriga javob berish qobiliyati sezildi va ushbu printsipni tasvirni qayta ishlash uchun ishlatish g'oyasi ishlab chiqildi.

Terminni tushunishdan boshlaymiz.

CCD qisqartmasi "Charge Coupled Devices" degan ma'noni anglatadi - bu atama inglizcha "Charge-Coupled Devices" (CCD) dan olingan.

Ushbu turdagi qurilmalar hozirgi vaqtda tasvirni ro'yxatdan o'tkazish uchun juda ko'p turli xil optoelektronik qurilmalarda juda keng dasturlarga ega. Kundalik hayotda bu raqamli kameralar, videokameralar, turli xil skanerlar.

CCD qabul qiluvchisi odatdagi yarimo'tkazgichli fotodioddan nimasi bilan ajralib turadi, uning yorug'ligi sezgir maydoni va elektr signalini olish uchun ikkita elektr kontaktga ega?

Birinchidan CCD qabul qilgichida bir necha mingdan bir necha yuz minggacha va hatto bir necha milliongacha bo'lgan bunday nurga sezgir joylar (ko'pincha piksellar deyiladi - nurni qabul qiladigan va uni elektr zaryadlariga aylantiradigan elementlar). Shaxsiy piksellarning o'lchamlari bir xil va birlikdan o'nlab mikrongacha bo'lishi mumkin. Piksellarni bir qatorga qo'yish mumkin - keyin qabul qilgich CCD o'lchagichi deb nomlanadi, hatto sirt qismini to'ldirish uchun hatto qatorlar - keyin qabul qiluvchiga CCD matritsasi deyiladi.

Nurni qabul qiluvchi elementlarning joylashishi (to'rtburchaklar) ko'k rang) CCD massivida va CCD matritsasida.

Ikkinchidan , odatdagi mikrosxemaga o'xshab ketadigan CCD qabul qilgichida elektr signallarini chiqarish uchun juda ko'p sonli elektr kontaktlari mavjud emas, ular har bir yorug'lik oluvchi elementdan kelib chiqishi kerak edi. Boshqa tomondan, elektron qabul qilgich CCD qabul qilgichiga ulangan bo'lib, bu har bir sezgir elementdan uning ta'siriga mutanosib elektr signalini olish imkonini beradi.

CCD ning ishini quyidagicha ta'riflash mumkin: har bir sezgir element - piksel - elektronlar uchun cho'chqachilik banki kabi ishlaydi. Elektronlar manbadan olingan nur bilan piksellarda hosil bo'ladi. Belgilangan vaqt oralig'ida har bir piksel asta-sekin yomg'ir ostida ko'chaga tushgan chelak singari, unga tushgan yorug'lik miqdoriga mutanosib ravishda elektronlar bilan to'ldiriladi. Ushbu vaqtning oxirida har bir piksel bilan to'plangan elektr zaryadlari o'z navbatida qurilmaning "chiqishi" ga uzatiladi va o'lchanadi. Bularning barchasi yorug'likka sezgir elementlar joylashgan kristalning o'ziga xos tuzilishi va elektrni boshqarish sxemasi tufayli mumkin.

CCD xuddi shu tarzda ishlaydi. Ta'sirdan so'ng (rejalashtirilgan tasvir bilan yoritilgan), qurilmaning elektron boshqaruv sxemasi uni murakkab to'plamga beradi impulsli kuchlanish, piksellarda to'plangan elektronlar bilan ustunlarni matritsaning chetiga siljitishni boshlaydigan, shu kabi o'lchash CCD registri mavjud, bu erda zaryadlar allaqachon perpendikulyar yo'nalishda siljiydi va o'lchov elementiga tushadi va individual zaryadlarga mutanosib signallarni hosil qiladi. Shunday qilib, vaqt o'tishi bilan har bir keyingi moment uchun biz yig'ilgan zaryadning qiymatini olishimiz va matritsada qaysi pikselga mos kelishini aniqlashimiz mumkin (satr raqami va ustun raqami).

Jarayon fizikasi haqida qisqacha.

Avvalo, biz CCD-lar funktsional elektronika deb ataladigan mahsulotlarga tegishli ekanligini ta'kidlaymiz, ular alohida radioelementlar - tranzistorlar, qarshilik va kondansatörler to'plami sifatida ifodalanishi mumkin emas. Ish zaryadlarni birlashtirish printsipiga asoslanadi. Zaryadlarni ulash printsipi elektrostatikadan ma'lum bo'lgan ikkita pozitsiyadan foydalanadi:

1. ayblovlarni qaytarish kabi,
2. zaryadlar ularning potentsial energiyasi minimal bo'lgan joyda joylashishga moyil. O'sha. taxminan - "baliq chuqurroq bo'lgan joyni qidirmoqda".

Birinchidan, MOS kondensatorini tasavvur qiling (MOS metall oksidi yarimo'tkazgich uchun qisqa). MOS tranzistoridan qolgan narsa, agar siz undan drenajni va manbani olib tashlasangiz, ya'ni shunchaki kremniydan dielektrik qatlam bilan ajratilgan elektrod. Aniqlik uchun biz yarimo'tkazgich p-tipli, ya'ni muvozanat sharoitida teshiklarning kontsentratsiyasi elektronlarga qaraganda ancha (kattalikning bir necha buyrug'i) yuqori deb taxmin qilamiz. Elektrofizikada "teshik" - bu elektronning zaryadiga o'zaro zaryad, ya'ni. ijobiy zaryad.

Agar bunday elektrodga ijobiy potentsial qo'llanilsa (u eshik deb ataladi) nima bo'ladi? Darvoza tomonidan yaratilgan elektr maydoni, dielektrik orqali kremniyga kirib, harakatlanuvchi teshiklarni qaytaradi; tükenme mintaqasi paydo bo'ladi - asosiy tashuvchilar bo'lmagan ma'lum bir silikon hajmi. CCD uchun xos bo'lgan yarimo'tkazgichli substratlarning parametrlari bilan ushbu mintaqaning chuqurligi taxminan 5 mkm ni tashkil qiladi. Aksincha, bu erda yorug'lik ta'sirida hosil bo'lgan elektronlar eshikka tortilib, to'g'ridan-to'g'ri eshik ostidagi oksid-kremniy interfeysida to'planadi, ya'ni ular potentsial quduqga tushadi (1-rasm).

Shakl: 1
Darvozaga kuchlanish qo'llanilganda potentsial chuqur hosil bo'lishi

Bunday holda, elektronlar quduqda to'planib, yarimo'tkazgichda hosil bo'lgan elektr maydonini qisman neytrallashtiradi va oxir-oqibat uni to'liq qoplashi mumkin, shunda butun elektr maydoni faqat dielektrikka tushadi va hamma narsa qaytadi dastlabki holat - interfeysda ingichka elektron qatlami hosil bo'lishi bundan mustasno.

Deylik, endi darvoza yonida yana bir darvoza joylashgan bo'lib, unga ijobiy salohiyat ham, birinchisiga qaraganda ko'proq qo'llaniladi (2-rasm). Faqatgina eshiklar etarlicha yaqin bo'lsa, ularning potentsial quduqlari birlashadi va bitta potentsial quduqdagi elektronlar "chuqurroq" bo'lsa, qo'shniga o'tadi.
Shakl: 2018-04-02 121 2
Bir-biridan yaqin joylashgan ikkita eshikning potentsial teshiklari ustma-ust tushishi. Zaryad potentsial teshik chuqurroq bo'lgan joyga oqib keladi.

Endi shuni aniq aytish kerakki, agar bizda eshiklar zanjiri mavjud bo'lsa, unda ularga tegishli nazorat kuchlanishlarini qo'llash orqali lokalizatsiya qilingan zaryad paketini bunday tuzilma bo'ylab o'tkazish mumkin. CCD-ning ajoyib xususiyati - o'zini o'zi skanerlash xususiyati - har qanday uzunlikdagi eshiklar zanjirini boshqarish uchun faqat uchta soat avtobuslari etarli. (Elektronikadagi avtobus termini - bu bir xil turdagi elementlarni birlashtiruvchi elektr tokining o'tkazuvchisi, soat avtobusi - faza o'zgaruvchan kuchlanish uzatiladigan o'tkazgichlar.) Darhaqiqat, zaryad paketlarini uzatish uchun uchta elektrod zarur va etarli: bitta uzatuvchi, bitta qabul qiluvchi va bitta izolyatsion, ajratuvchi juftlar qabul qilish va bir-biridan uzatish va bunday uchliklarning bir xil nomdagi elektrodlari bir soatlik avtobusda bir-biriga ulanishi mumkin, bu faqat bitta tashqi chiqishni talab qiladi (3-rasm).

Shakl: 3
Eng oddiy uch fazali CCD registri.
Har bir potentsial quduqdagi zaryad har xil.

Bu CCD-da eng oddiy uch fazali siljish registri. Bunday registrning ishlashining soat sxemalari shakl. 4.

Shakl: 4
Uch fazali registrni boshqarish uchun soat sxemalari 120 darajaga siljigan uchta meandr.
Potensiallar o'zgarganda, zaryadlar harakatlanadi.

Buni uning uchun ko'rish mumkin oddiy ish vaqtning har bir lahzasida kamida bitta soat avtobusi yuqori salohiyatga ega bo'lishi kerak va kamida bittasi past potentsial (to'siq potentsiali) bo'lishi kerak. Bir shinada potentsial oshganda va ikkinchisida kamayganda (oldingi), barcha zaryad paketlari bir vaqtning o'zida qo'shni eshiklar ostiga o'tkaziladi va to'liq tsikl uchun (har bir fazali shinada bitta tsikl) zaryad paketlari bitta registr elementiga o'tkaziladi (siljiydi).

Zaryad paketlarini ko'ndalang yo'nalishda lokalizatsiya qilish uchun to'xtash kanallari deb nomlangan - uzatish kanali bo'ylab asosiy dopant konsentratsiyasi oshgan tor chiziqlar hosil bo'ladi (5-rasm).

Shakl: besh.
Reyestrning yuqori ko'rinishi.
Yanal yo'nalishda uzatish kanali to'xtash kanallari bilan cheklangan.

Haqiqat shundaki, dopantning kontsentratsiyasi tükenme mintaqasi ostidagi eshikdagi o'ziga xos kuchlanishni belgilaydi (bu parametr MOS tuzilishining pol kuchlanishidan boshqa narsa emas). Intuitiv mulohazalardan ma'lumki, nopoklik kontsentratsiyasi qanchalik baland bo'lsa, ya'ni yarimo'tkazgichdagi teshiklar qancha ko'p bo'lsa, ularni chuqurlikka qaytarish shunchalik qiyin bo'ladi, ya'ni pol kuchlanish qanchalik baland bo'lsa yoki bitta voltajda potentsial quduqdagi potentsial past bo'lsa.

Muammolar

Agar raqamli qurilmalarni ishlab chiqarishda parametrlarning plastinka bo'ylab tarqalishi natijada paydo bo'ladigan qurilmalarning parametrlariga sezilarli ta'sir ko'rsatmasdan bir necha marta yetishi mumkin bo'lsa (ish alohida kuchlanish darajalari bilan amalga oshirilsa), u holda CCD-da, masalan, dopant konsentratsiyasining 10% ga o'zgarishi rasmda allaqachon sezilgan. LSI xotirasida bo'lgani kabi, kristalning kattaligi va ortiqcha bo'lishi mumkin emasligi, uning muammolarini qo'shadi, shuning uchun nuqsonli joylar butun kristalning yaroqsizligiga olib keladi.

Natija

Texnologik jihatdan, har xil CCD piksellari yorug'likka nisbatan sezgirlikka ega va bu farqni tuzatish kerak.

Raqamli CMA-larda ushbu tuzatish Auto Gain Control (AGC) deb nomlanadi.

AGC tizimi qanday ishlaydi

Ko'rib chiqish qulayligi uchun biz aniq bir narsani qabul qilmaymiz. CCD tugunining ADC chiqishida ba'zi potentsial darajalar mavjud deylik. Aytaylik, 60 o'rtacha oq darajadir.

1. CCD chizig'ining har bir pikselida qiymat mos yozuvlar oq chiroq bilan yoritilganda o'qiladi (va jiddiyroq qurilmalarda - va "qora darajani" o'qish).
2. Qiymat mos yozuvlar darajasi bilan taqqoslanadi (masalan, o'rtacha).
3. Chiqish qiymati va mos yozuvlar darajasi o'rtasidagi farq har bir piksel uchun saqlanadi.
4. Keyinchalik, skanerlash paytida ushbu farq har bir piksel uchun qoplanadi.

AGC tizimi har safar skaner tizimi ishga tushirilganda ishga tushiriladi. Ehtimol, siz mashinani yoqsangiz, bir muncha vaqt o'tgach, skaner tashuvchisi orqaga qaytish harakatlarini qila boshlaganini sezdingiz (b / w chiziqlari atrofida harakatlaning). Bu AGC tizimi uchun ishga tushirish jarayoni. Tizim shuningdek, lampaning holatini (qarish) hisobga oladi.

Rangli skaner bilan jihozlangan kichik MFP-lar navbat bilan uchta rangda: qizil, ko'k va yashil ranglarda "chiroqni yoqib yuborishini" ham sezgan bo'lsangiz kerak. Keyin, faqat asl yorug'lik oq rangga aylanadi. Bu matritsaning sezgirligini RGB kanallari uchun alohida yaxshiroq tuzatish uchun qilingan.

Yarim tonna sinovi (ShADING TEST) muhandisning iltimosiga binoan ushbu protsedurani boshlashga va tuzatish qiymatlarini real sharoitlarga etkazishga imkon beradi.

Keling, bularning barchasini haqiqiy, "jangovar" mashinada ko'rib chiqishga harakat qilaylik. Keling, asos sifatida taniqli va mashhur qurilmani olaylik. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Shuni ta'kidlash kerakki, bizning holatimizda CCD CIS (Kontaktli tasvir sensori) ga aylanadi, ammo sodir bo'layotgan narsalarning mohiyati tubdan o'zgarmaydi. Xuddi yorug'lik manbai kabi, LED chiziqlar ishlatiladi.

Shunday qilib:

MDHdan olingan signal signali taxminan 1,2 V darajaga ega va apparatni boshqaruvchi (SADC) ning ADC bo'limiga (SADC) beriladi. SATSdan keyin analog signal MDH 8-bitli raqamli signalga o'tkaziladi.

SADC-dagi tasvir protsessori birinchi navbatda ohangni to'g'rilash funktsiyasidan, so'ngra gamma tuzatish funktsiyasidan foydalanadi. Shundan so'ng, ma'lumotlar ish rejimiga muvofiq har xil modullarga beriladi. Matnli rejimda rasm ma'lumotlari LAT modulga, Fotosurat rejimida rasm ma'lumotlari "Xato diffuziyasi" moduliga, PC-Scan rejimida rasm ma'lumotlari to'g'ridan-to'g'ri shaxsiy kompyuterga DMA-ga kirish orqali o'tadi.

Sinashdan oldin bir necha bo'laklarni ta'sir oynasiga joylashtiring. bo'sh choyshablar oq qog'oz. O'z-o'zidan anglashiladiki, ichkaridan optikani, chiziqli chiziqni va umuman, skanerni "yalab" qo'yish kerak

1. TECH MODE-da tanlang
2. Rasmni skanerlash uchun ENTER tugmasini bosing.
3. Skanerlashdan so'ng "CIS SHADING PROFILE" chop etiladi. Bunday varaqning namunasi quyida keltirilgan. Bu sizning natijangizning nusxasi bo'lishi shart emas, lekin u tasvirga yaqin.
4. Agar bosilgan rasm rasmda ko'rsatilgan rasmdan juda farq qilsa, unda MDH nuqsonli bo'ladi. E'tibor bering - hisobot varag'ining pastki qismida "Natijalar: OK" deb yozilgan. Bu shuni anglatadiki, tizimda MDH moduliga nisbatan jiddiy shikoyatlar yo'q. Aks holda, xato natijalari beriladi.

Profil nashrining misoli:

Omad sizga!!

Sankt-Peterburg davlat universiteti (LDU), Sankt-Peterburg elektrotexnika universiteti (LETI) va Axl o'qituvchilarining maqolalari va ma'ruzalari materiallari asos qilib olingan. Ularga rahmat.

V. Shelenberg tomonidan tayyorlangan material

CCD matritsasi nima?

CCD / zaryad bilan bog'langan qurilma yoki CCD / zaryad bilan bog'langan qurilma analogidir integral mikrosxematarkibida kremniy yoki qalay oksididan tayyorlangan nurga sezgir fotodiodlar mavjud. Ushbu mikrosxemaning ishlash printsipi zaryadlangan qurilmaga (CCD) ega bo'lgan qurilmalar texnologiyasiga asoslangan.

CCD tarixi

1969 yilda AQShning yirik AT&T Bell Labs korporatsiyasining Bell Laboratories-da Jorj Smit va Uillard Boyl zaryad bilan bog'langan qurilmani birinchi marta ishlatgan. Ular videofiliya va "yarimo'tkazgichli ko'pikli xotira" deb nomlangan sohada tadqiqotlar olib borishgan.

Ko'p o'tmay, miniatyura qurilmalari keng tarqalib, xotira qurilmalari sifatida ishlatila boshlandi, unda zaryad mikrosxemaning kirish registriga joylashtirildi. Vaqt o'tishi bilan xotira xujayrasining fotoelektr ta'siridan zaryad olish qobiliyati CCD qurilmalarining asosiy maqsadi bo'ldi.

Bir yil o'tib, 1970 yilda, xuddi shu Laboratoriya tadqiqotchilari eng oddiy chiziqli qurilmalar yordamida suratga olishga muvaffaq bo'lishdi, aslida Sony muhandislari tomonidan qabul qilingan. Ushbu kompaniya shu kungacha CCD texnologiyalari sohasida faol ish olib bormoqda va ushbu sohaga katta moliyaviy sarmoyalar kiritib, videokameralar uchun CCD matritsalarini ishlab chiqarishni har tomonlama rivojlantirmoqda. Aytgancha, CCD chip 1982 yilda vafot etgan Sony kompaniyasi rahbari Kazuo Ivamaning qabr toshiga o'rnatildi. Axir, u CCD matritsasini ommaviy ishlab chiqarish boshlanishining boshida turgan edi.

CCD matritsasi ixtirochilarining hissasi befarq qolmadi, shuning uchun 2006 yilda Uillard Boyl va Jorj Smit AQSh Milliy muhandislik akademiyasining ushbu sohadagi ishlanmalari uchun mukofot oldilar va 2009 yilda ular fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

CCD qanday ishlaydi

CCD matritsasi deyarli butunlay silikon substratdan maxsus membrana bilan ajratilgan polsilisimondan tayyorlangan. Polissilonli eshiklar yordamida membranaga kuchlanish berilganda, o'tkazgich elektrodlari yaqinida joylashgan elektr potentsiallari juda o'zgaradi.

Elektrodlarga ta'sir qilish va ma'lum bir kuchlanishni berishdan oldin, oldinroq hosil bo'lgan barcha zaryadlar zaryadsizlanadi va barcha elementlarning bir xil yoki asl holatiga aylanishi kuzatiladi.

Elektrotlardagi kuchlanishlarning kombinatsiyasi potentsial zaxirani yoki quduq deb ataladi, bu erda elektronlar to'planib, yorug'lik nurlari ta'sirida matritsaning ma'lum bir pikselida paydo bo'ladi. Yorug'lik oqimining intensivligiga qarab, potentsial quduqda to'plangan elektronlarning hajmi ham joylashgan, shuning uchun u qanchalik katta bo'lsa, ma'lum bir pikselning so'nggi zaryadining kuchi shunchalik yuqori bo'ladi.

Ta'sir tugagandan so'ng, har bir alohida pikselda elektrodlarning besleme zo'riqishida ketma-ket o'zgarishlar yuz beradi, uning yonida potentsial taqsimlanish kuzatiladi, natijada zaryadlar ma'lum yo'nalishda - CCD matritsasining chiqish piksellariga o'tadi.

CCD matritsasi elementlarining tarkibi

Umuman olganda, CCD elementining dizayni n-tipli yarimo'tkazgich kanallari bilan ta'minlangan p-tipli silikon substrat sifatida ifodalanishi mumkin. Ushbu kanallarning yuqori qismida izolyatsion kremniy oksidi membranasi bo'lgan polikristalli kremniydan tayyorlangan elektrodlar mavjud.

Ushbu elektrodlarga elektr potentsialini qo'llaganidan so'ng, n-tipli kanal ostida zaiflashgan zonada potentsial tuzoq (quduq) paydo bo'ladi. Uning asosiy vazifasi elektronlarni tejashdir. Kremniyga tushadigan nur zarrasi potentsial tuzoqqa tortilib, unda saqlanib qolgan elektronlar hosil bo'lishiga sabab bo'ladi. Ko'p sonli fotonlar yoki yorug 'yorug'lik tuzoqqa kuchli zaryad beradi, shundan so'ng mutaxassislar fototok deb ataydigan hosil bo'lgan zaryadning qiymatini hisoblash va kuchaytirish zarur.

CCD elementlarining fotosuratlarini o'qish jarayoni ketma-ket siljish registrlari deb ataladi, ular kirishda zaryadlar qatorini chiqishda bir qator impulslarga aylantiradi. Ushbu impulslar oqimi aslida kuchaytirgichga boradigan analog signaldir.

Shunday qilib, CCD elementlaridan chiziqli zaryadlar registr yordamida analog signalga aylantirilishi mumkin. Amalda, CCD matrislere keyingi yazmaç bir qatorga qurilgan Shu CCD elementlar yordamida amalga oshiriladi. Bundan tashqari, ishlang ushbu qurilma CCD qurilmalarining potentsial tuzoqlarining zaryadlarini almashtirish qobiliyatiga asoslangan. Ushbu jarayon qo'shni CCD-elementlar orasiga joylashtirilgan maxsus uzatish elektrodlari mavjudligi sababli amalga oshiriladi. Kattalashgan potentsial eng yaqin elektrodga tatbiq etilgan paytda, zaryad potentsial quduqdan uning ostiga tushadi. Shu bilan birga, odatda CCD elementlari o'rtasida ikkitadan to'rttagacha o'tkaziladigan elektrodlar joylashgan bo'lib, ularning soni siljish registrining fazasini belgilaydi, ikki fazali, uch fazali yoki to'rt fazali deb nomlanadi.

O'tkazish elektrodlariga turli xil potentsiallarni etkazib berish shu tarzda sinxronlashtiriladiki, registrning barcha CCD elementlarining potentsial tuzoqlari zaryadlarini o'tkazish deyarli bir vaqtning o'zida amalga oshiriladi. Shunday qilib, uzatish, bir "qadam" bilan, CCD-elementlar o'ngdan chapga yoki chapdan o'ngga zanjiri bo'ylab ayblovlarni harakat. Bunday holda, haddan tashqari CCD elementi o'z zaryadini registrning chiqish qismida joylashgan kuchaytirgichga beradi. Shunday qilib, ketma-ket siljish registri ketma-ket chiqish va parallel kirish moslamasi ekanligi aniq ko'rinib turibdi.

Ro'yxatdan o'tish bo'yicha mutlaqo barcha to'lovlarni o'qish jarayoni tugagandan so'ng, uni kiritishga topshirish mumkin bo'ladi yangi qator, keyin boshqasi va boshqalar. Natijada ikki o'lchovli fotosel oqimiga asoslangan uzluksiz analog signal paydo bo'ladi. Keyinchalik ketma-ket siljish registriga kirish parallel oqimi parallel siljish registri deb nomlangan vertikal yo'naltirilgan ketma-ket siljish registrlarining ko'pligi bilan ta'minlanadi. O'rnatilgan shakldagi ushbu yig'ilishning barchasi aynan bugungi kunda CCD-matritsa deb nomlangan qurilmadir.

Matritsa asosiy hisoblanadi strukturaviy element kamera va kamerani tanlashda foydalanuvchi tomonidan hisobga olingan asosiy parametrlardan biri. Zamonaviy matritsalar raqamli kameralar bir necha oyat-belgilaridan ko'ra tasniflanadi, ammo asosiy va eng keng tarqalgan tomonidan matrislerden ham bo'linmasi hisoblanadi mumkin zaryadni aniqlash usuli, bo'yicha: matritsalar CCD turi va CMOS matritsalar. Ushbu maqolada biz ishlash printsiplarini, shuningdek, ushbu ikki turdagi matritsalarning afzalliklari va kamchiliklarini ko'rib chiqamiz, chunki ular odatda zamonaviy foto va video uskunalarda qo'llaniladi.

CCD matritsasi

Matritsa CCD ham chaqirdi CCD (Zaryadlovchi ulanadigan qurilmalar). CCD matritsa - bu yarimo'tkazgichli silikon kristalida joylashgan nurga sezgir elementlarning (fotodiodlar) to'rtburchaklar plastinkasi. Uning ta'sir qilish printsipi silikon atomlarida fotonlar hosil qilgan bo'shliqlarda to'plangan zaryadlarning ketma-ket harakatlanishiga asoslanadi. Ya'ni, fotodiod bilan to'qnashganda yorug'lik fotoni so'riladi va elektron ajralib chiqadi (ichki fotoelektr effekti paydo bo'ladi). Natijada, zaryad hosil bo'ladi, uni keyingi ishlov berish uchun qandaydir tarzda saqlash kerak. Shu maqsadda yarimo'tkazgich matritsaning kremniy substratiga joylashtirilgan bo'lib, uning ustida shaffof polikristalli silikon elektrod joylashgan. Yarimo'tkazgich ostida tükenme zonasida ushbu elektrodga elektr potentsialini qo'llash natijasida potentsial quduq hosil bo'ladi, unda fotonlardan olingan zaryad saqlanadi. Elektr zaryadi matritsadan o'qilganda, zaryadlar (potentsial quduqlarda saqlanadi) uzatuvchi elektrodlar bo'ylab matritsaning chetiga (ketma-ket siljish registri) va kuchaytirgichga uzatiladi, bu signalni kuchaytiradigan va uni analog-raqamli konvertorga (ADC) uzatadi, bu erda konvertatsiya qilingan signal yuboriladi. signalni qayta ishlaydigan va natijada olingan tasvirni xotira kartasiga saqlaydigan protsessorga .

CCD matritsalarini ishlab chiqarish uchun polisilikon fotodiodlar qo'llaniladi. Bunday matritsalar kichik o'lchamlarga ega va etarli miqdorda olish imkoniyatini beradi sifatli fotosuratlar oddiy yorug'likda tortishish paytida.

CCD ning afzalliklari:

1. Matritsa dizayn substrat ustida fotoseline (piksel) yuqori zichlikka ta'minlaydi;
2. Yuqori samaradorlik (ro'yxatdan o'tgan fotonlarning ularga nisbati jami, taxminan 95%);
3. Yuqori sezuvchanlik;
4. Yaxshi rang berish (etarli yorug'lik bilan).

CCDlarning kamchiliklari:

1. Yuqori ISO-da yuqori shovqin darajasi (past ISO-da shovqin darajasi o'rtacha);
2. Kam tezlik CMOS matritsalari bilan taqqoslaganda ishlash;
3. Yuqori quvvat sarfi;
4. Signalni o'qish uchun yanada murakkab texnologiya, chunki ko'plab boshqarish mikrosxemalari zarur;
5. Ishlab chiqarish CMOS sensorlariga qaraganda qimmatroq.

CMOS matritsalariva

Matritsa CMOS, yoki CMOS sensori (Qo'shimcha metall oksidi yarim o'tkazgichlari) faol nuqta sezgichlaridan foydalanadi. CCD-lardan farqli o'laroq, CMOS har bir nurga sezgir elementda (piksel) alohida tranzistorni o'z ichiga oladi, shuning uchun zaryad konversiyasi to'g'ridan-to'g'ri pikselda amalga oshiriladi. Olingan zaryad har bir pikseldan alohida o'qilishi mumkin, shuning uchun zaryadni uzatishga hojat yo'q (bu CCD-larda bo'lgani kabi). Pixels CMOS sensori to'g'ridan-to'g'ri A / D konvertori yoki hatto protsessor bilan birlashadi. Ushbu aqlli texnologiya CCD-lar bilan taqqoslaganda texnologik zanjirlar qisqarishi va oddiyroq dizayni tufayli tejamkorlikni keltirib chiqaradi.

CMOS sensori ishga qisqacha qoida: 1) tortishish, reset signali Reset tranzistor yuboriladi. 2) Ta'sir paytida yorug'lik ob'ektiv va fotodiodga filtr orqali kirib boradi va fotosintez natijasida potentsial quduqda zaryad to'planadi. 3) Qabul qilingan kuchlanish qiymatini o'qing. 4) ma'lumotlarni qayta ishlash va tasvirni tejash.

CMOS massivlarining afzalliklari:

1. Kam quvvat sarfi (ayniqsa kutish rejimida);
2. Yuqori ishlash;
3. Texnologiyaning mikrosxemalar ishlab chiqarish bilan o'xshashligi tufayli kam ishlab chiqarish xarajatlarini talab qiladi;
4. Analog, raqamli va ishlov berish qismlarini bitta kristallda birlashtirishga imkon beradigan boshqa raqamli elementlar bilan texnologiyaning birligi (ya'ni, pikseldagi yorug'likni olishdan tashqari siz signalni shovqindan o'zgartirishingiz, qayta ishlashingiz va tozalashingiz mumkin).
5. Har bir pikselga yoki piksellar guruhiga tasodifiy kirish qobiliyati, bu olingan tasvir hajmini kamaytirishi va o'qish tezligini oshirishi mumkin.

CMOS datchiklarining kamchiliklari:

1. Fotodiod kichik piksel maydonini egallaydi, natijada matritsaning past nurli sezgirligi olinadi, ammo zamonaviy CMOS matritsalarida bu minus amalda yo'q qilinadi;
2. O'qish jarayonida piksel ichidagi isitish tranzistorlaridan termal shovqin mavjudligi.
3. Ushbu turdagi matritsaga ega bo'lgan nisbatan katta o'lchamlar, lyuminestsent uskunalar katta og'irligi va o'lchamlari bilan ajralib turadi.

Yuqoridagi turlardan tashqari, har bir qatlami CCD bo'lgan uch qavatli matritsalar ham mavjud. Farqi shundaki, hujayralar bir vaqtning o'zida uchta rangni idrok eta oladilar, ular dixroid prizmalar tomonidan yorug'lik nurlari tushganda hosil bo'ladi. Keyin har bir nur alohida matritsaga yo'naltiriladi. Natijada, ko'k, qizil va yashil ranglar yorqinligi darhol fotoseliyle kuni aniqlanadi. Videokameralarda uch qavatli matritsalardan foydalaniladi yuqori darajamaxsus belgiga ega bo'lganlar - 3CCD.

Xulosa qilib shuni ta'kidlashni istardimki, CCD va CMOS matritsalarini ishlab chiqarish texnologiyalari rivojlanishi bilan ularning xarakteristikalari ham o'zgarib boradi, shuning uchun matritsalarning qaysi biri aniq yaxshiroq ekanligini aytish qiyinlashmoqda, lekin shu bilan birga so'nggi paytlarda CMR datchiklari SLR kameralar ishlab chiqarishda tobora ommalashib bormoqda. Har xil turdagi matritsalarning xarakterli xususiyatlariga asoslanib, nima uchun professional fotografik uskunalar taqdim etishi haqida aniq tasavvurga ega bo'lishingiz mumkin yuqori sifatli suratga olish, juda og'ir va og'ir. Ushbu ma'lumot kamerani tanlashda esda tutilishi kerak - ya'ni piksellar sonini emas, balki matritsaning jismoniy o'lchamlarini hisobga oling.

CCD AT & T Bell Labs Willard Boyle va Jorj Smit tomonidan 1969 yilda kashf qilingan. Laboratoriyalar videotelefoniya (inglizcha) ustida ishlagan. rasmli telefon) va "yarimo'tkazgichli qabariqli xotira" ning rivojlanishi (inglizcha). yarimo'tkazgich pufakchali xotira). Zaryadlovchi qurilmalar faqat qurilmaning Kirish Ro'yxatdan o'tish bir zaryad qo'yish mumkin bo'lgan xotira qurilmalar sifatida hayot boshlandi birlashganda. Biroq, amalga oshirilgan fotoelektr effekti tufayli qurilmaning xotira elementining zaryad olish qobiliyati berilgan ariza CCD qurilmalari asosiysi.

Umumiy qurilma va ishlash printsipi

Ta'sir qilishdan oldin, odatda elektrodlarga kuchlanishning ma'lum bir kombinatsiyasini qo'llash orqali barcha ilgari hosil bo'lgan zaryadlar chiqariladi va barcha elementlar bir xil holatga keltiriladi.

Bundan tashqari, elektrodlardagi kuchlanishlarning kombinatsiyasi potentsial quduqni hosil qiladi, unda yorug'lik ta'sirida matritsaning ma'lum pikselida hosil bo'lgan elektronlar to'planishi mumkin. Ta'sir paytida yorug'lik oqimi qanchalik intensiv bo'lsa, potentsial quduqda elektronlar shuncha ko'p to'planadi, mos ravishda berilgan pikselning yakuniy zaryadi shuncha yuqori bo'ladi.

Ta'sirdan so'ng har bir pikselda elektrodlar bo'ylab voltajning ketma-ket o'zgarishi va uning yonida potentsial taqsimot hosil bo'ladi, bu esa matritsaning chiqish elementlariga ma'lum yo'nalishda zaryad oqimiga olib keladi.

N-cho'ntakli CCD sub pikseliga misol

Piksellar arxitekturasi ishlab chiqaruvchilar uchun farq qiladi.

CCD subpikselli diagrammasi: 1 - kamera linzalari orqali uzatiladigan yorug'lik fotonlari;
2 - ;
3 - R - qizil subpikselli yorug'lik filtri, Bayer filtri bo'lagi;
4 - shaffof elektrod polikristalli kremniyning yoki indiyum va kalay oksidi bir qotishmasidan tayyorlanadi;
5 - kremniy oksidi;
6 - n-tipli kremniy kanali: tashuvchini yaratish zonasi - ichki fotoelektrik ta'sir zonasi;
7 - elektronlar zaryad tashuvchilarning avlod zonasidan to'plangan potensial yaxshi zonasi (n-turi cho'ntak);
8 - p-tipli kremniy substrat.

Buferlar tasnifi

To'liq kadrli uzatish matritsalari

Ob'ektiv tomonidan hosil qilingan tasvir CCD matritsasini uradi, ya'ni yorug'lik nurlari CCD elementlarining yorug'likka sezgir yuzasiga tushadi, ularning vazifasi foton energiyasini konvertatsiya qilishdir. elektr zaryadi... Bu quyidagi tarzda sodir bo'ladi.

CCD elementiga tushgan foton uchun uchta stsenariy mavjud - u sirtdan "rikoshet" qiladi yoki yarimo'tkazgich (matritsa materiali) qalinligida so'riladi yoki uning "ishchi zonasi" orqali "teshiladi". Shubhasiz, ishlab chiqaruvchilardan "rikoshet" va "lumbagodan to'g'ridan-to'g'ri" zararlar minimallashtiriladigan bunday sensorni yaratish talab qilinadi. Xuddi shu matritsa tomonidan so'rilgan fotonlar yarimo'tkazgichning kristall panjarasining atomi bilan o'zaro bog'liqlik bo'lsa yoki faqat o'zaro ta'sir donor yoki aktseptor aralashmalarining atomlari bilan bo'lsa va faqat bu elektron (yoki teshik) bo'lsa, bu ikkala hodisa ichki fotoelektrik effekt deb nomlanadi. ... Albatta, datchikning ishi faqat ichki fotoelektrik effekt bilan cheklanib qolmaydi - yarim o'tkazgichdan "olib qo'yilgan" zaryad tashuvchilarni maxsus omborda saqlash va keyin ularni o'qish kerak.

CCD elementi

Umuman olganda, CCD elementining dizayni quyidagicha ko'rinadi: p tipidagi silikon substrat n tipidagi yarimo'tkazgich kanallari bilan jihozlangan. Kanallar ustida, silikon oksidning izolyatsion qatlami bo'lgan polikristalli kremniydan tayyorlangan elektrodlar yaratiladi. Bunday elektrodga elektr potentsialini qo'llaganidan so'ng, n-tipli kanal ostida tükenme zonasida potentsial quduq hosil bo'ladi, uning maqsadi elektronlarni saqlashdir. salohiyati yaxshi va unda qoldiqlari tomonidan jalb qilingan bir elektronlar, ishlab avlodga kremniy olib kirib bir foton. Ko'proq fotonlar (yorqin nur) quduqqa ko'proq zaryad beradi. Keyin siz bu haq qiymatini, deb ham ataladi fotoakım e'tiborga olish kerak, va uni oshirmoq.

CCD elementlarining fotosuratlari ketma-ket siljish registrlari tomonidan o'qiladi, ular kirishda zaryadlar qatorini chiqishda bir qator impulslarga aylantiradi. Ushbu ketma-ket analog signal bo'lib, u kuchaytirgichga beriladi.

Shunday qilib, reestriga yordamida uni bir analog signal ichiga CCD elementlardan liniyasi ayblovlarni aylantirish mumkin. Aslida, CCDs seriya yazmaç bir satrlari birlashtirilib Shu CCD elementlar yordamida amalga oshiriladi. Bunday qurilmaning ishlashi zaryadlangan qurilmalarning (CCD qisqartmasi shu narsani anglatadi) potentsial quduqlarining zaryadlarini almashtirish qobiliyatiga asoslanadi. Almashish, ulashgan CCD elementlari o'rtasida joylashgan maxsus uzatish eshiklari mavjudligi sababli amalga oshiriladi. Kattalashgan potentsialni eng yaqin elektrodga qo'llanganda, zaryad potentsial quduqdan uning ostida "oqadi". CCD elementlari orasida ikkitadan to'rttagacha o'tkazuvchi elektrodlar bo'lishi mumkin, siljish registrining "fazasi" ularning soniga bog'liq bo'lib, ularni ikki fazali, uch fazali yoki to'rt fazali deb atash mumkin.

O'tkazish elektrodlariga potentsialni etkazib berish, reestrning barcha CCD elementlarining potentsial quduqlari zaryadlari harakati bir vaqtning o'zida sodir bo'ladigan tarzda sinxronlashtiriladi. Va bitta uzatish siklida CCD elementlari "zanjir bo'ylab uzatiladi" chapdan o'ngga (yoki o'ngdan chapga) zaryad oladi. "Ekstremal" bo'lib chiqqan CCD elementi o'z zaryadini registrning chiqish qismida joylashgan qurilmaga, ya'ni kuchaytirgichga beradi.

Umuman olganda, ketma-ket siljish registri bu parallel kirish va ketma-ket chiqish moslamasi. Shuning uchun, registrdan barcha zaryadlarni o'qib chiqqandan so'ng, uning kiritilishida yangi qatorni, keyin keyingisini berish va shu bilan ikki o'lchovli fotosuratlar massiviga asoslangan uzluksiz analog signal hosil qilish mumkin. O'z navbatida, ketma-ket siljish registri uchun kirish parallel oqimi (ya'ni ikki o'lchovli fotosuratlar qatorlari qatorlari) vertikal yo'naltirilgan ketma-ket siljish registrlari to'plami bilan ta'minlanadi, bu parallel siljish registri deb ataladi va butun struktura shunchaki CCD matritsasi deb ataladigan qurilmadir.

parallel bir bo'yanish "vertikal" keyingi o'zgarish registrlari CCD ustunlar deyiladi, va ularning ekspluatatsiyasi to'liq hamohang qilinadi. Ikki o'lchovli CCD fotoelektrlari bir vaqtning o'zida bir qatorga pastga siljiydi va bu faqat "pastki qismida" joylashgan ketma-ket siljish registridan oldingi qatorning zaryadlari kuchaytirgichga o'tgandan keyingina sodir bo'ladi. Ketma-ket registr bo'shatilgunga qadar parallel registr bo'sh bo'lishi kerak. Oddiy ishlash uchun CCD matritsasining o'zi mikrosxemaga (yoki ularning to'plamiga) ulanishi kerak, bu ikkala ketma-ket va parallel siljish registrlarining elektrodlariga potentsial etkazib beradi, shuningdek ikkala registrning ishlashini sinxronizatsiya qiladi. Bundan tashqari, soat generatori kerak.

To'liq ramka sensori

Ushbu turdagi sensor konstruktiv nuqtai nazardan eng sodda va to'liq kadrli CCD-matritsa deb ataladi. Ushbu turdagi matritsalar "bog'lab turadigan" mikrosxemalardan tashqari, ta'sir qilish tugagandan so'ng yorug'lik oqimini to'sib turadigan mexanik qopqoqni ham talab qiladi. Panjur to'liq yopilgunga qadar zaryadlarni o'qishni boshlash mumkin emas - parallel siljish registrining ishchi tsikli davomida uning har bir pikselining fotosuratiga qo'shimcha elektronlar qo'shiladi, bu esa fotonlarning CCD matritsasining ochiq yuzasiga urilishidan kelib chiqadi. Ushbu hodisa "to'liq kadrli matritsali smear" deb nomlanadi.

Shunday qilib, bunday sxemada kadrni o'qish tezligi parallel va ketma-ket siljish registrlarining ishlash tezligi bilan cheklanadi. Bundan tashqari, o'qish jarayoni tugamaguncha ob'ektivdan keladigan yorug'lik oqimini to'sib qo'yish kerakligi aniq, shuning uchun ta'sir qilish oralig'i ham o'qish tezligiga bog'liq.

Tamponlangan matritsalar

To'liq kadrli matritsaning takomillashtirilgan versiyasi mavjud bo'lib, unda parallel registrning zaryadlari ketma-ket registrning kiritilishiga satrma-qator berilmaydi, lekin bufer parallel registrda "saqlanadi". Ushbu registr asosiy parallel siljish registri ostida joylashgan bo'lib, fotosuratlar bufer registrga ketma-ket uzatiladi va undan ketma-ket siljish registrining kiritilishiga beriladi. Tampon registrining yuzasi shaffof bo'lmagan (odatda metall) panel bilan qoplanadi va butun tizim ramka uzatish CCD (ramka - uzatish CCD) matritsasi deb nomlanadi. Frame-buffered matrix Ushbu sxemada asosiy parallel siljish registrining potentsial chuqurlari ancha tezroq "bo'shatiladi", chunki chiziqlarni buferga o'tkazishda har bir satr uchun ketma-ket registrning to'liq tsiklini kutishning hojati yo'q. Shuning uchun, ta'sir qilish oralig'i kamayadi, garchi o'qish tezligi ham kamaysa - chiziq masofadan ikki barobar ko'proq "yurish" kerak. Shunday qilib, ta'sir qilish oralig'i atigi ikkita ramka uchun kamayadi, garchi bufer registri tufayli qurilmaning narxi sezilarli darajada oshadi. Biroq, ramka buferi bilan matritsalarning eng sezilarli kamchiliklari bu fotosuratlarning kengaytirilgan "marshruti" dir, bu ularning qiymatlari xavfsizligiga salbiy ta'sir qiladi. Va har holda, bir mexanik tortishish shunday uzluksiz video signali haqida gapirish uchun hech qanday ehtiyoj bor, ramkalar o'rtasida ishlashi kerak.

Ustunli buferlangan matritsalar

Video uskunalar uchun maxsus matritsaning yangi turi ishlab chiqilgan bo'lib, unda ta'sirlanish oralig'i bir nechta ramkalar uchun emas, balki doimiy oqim uchun minimallashtirildi. Albatta, ushbu uzluksizlikni ta'minlash uchun mexanik kepenkadan voz kechishni ta'minlash kerak edi.

Darhaqiqat, bu intervalli CCD-matritsa deb nomlangan ushbu sxema ramkali tamponlangan tizimlarga bir oz o'xshashdir - shuningdek, CCD elementlari shaffof bo'lmagan qoplama ostida yashiringan buferli parallel siljish registridan foydalanadi. Biroq, bu bufer mavjud emas bitta blok asosiy parallel registr ostida - uning ustunlari asosiy registr ustunlari orasida "aralashtirilgan". Natijada, asosiy registrning har bir ustuni yonida bufer ustun joylashgan bo'lib, ta'sirlangandan so'ng darhol fotosuratlar "yuqoridan pastga" harakat qilmaydi, balki "chapdan o'ngga" (yoki "o'ngdan chapga") harakat qiladi va faqat bitta ish tsiklida bufer registrini to'liq kiritadi keyingi ta'sir qilish uchun potentsial teshiklarni to'liq bo'shatish. Bufer registridagi to'lovlar odatdagi tartibda ketma-ket siljish registri orqali o'qiladi, ya'ni "yuqoridan pastgacha". Fototoklar bufer registriga faqat bitta tsiklda tashlanganligi sababli, hatto mexanik kepenk bo'lmagan taqdirda ham, zaryadni to'liq kadrli matritsada "bulg'ash" kabi hech narsa kuzatilmaydi. Ammo har bir kvadrat uchun ta'sir qilish vaqti, aksariyat hollarda, davomiyligi bilan parallel bufer registrini to'liq o'qish uchun sarflangan vaqt oralig'iga to'g'ri keladi. Bularning barchasi tufayli yuqori kvadrat tezligi bilan video signal yaratish imkoniyati paydo bo'ladi - soniyasiga kamida 30 kvadrat. Ustunli tamponli matritsalar ustunli tamponli matritsalar ko'pincha mahalliy adabiyotda "o'zaro bog'liq" deb nomlanadi. Buning sababi ingliz tilidagi "interline" (chiziqli buferlash) va "interlaced" (interlaced scanning) nomlari juda o'xshash bo'lganligi bilan bog'liq. Darhaqiqat, bitta soat tsiklida barcha satrlarni o'qiyotganda, biz progressiv skanerlash matritsasi haqida gaplashishimiz mumkin, va g'alati satrlar birinchi soat tsiklida, hatto satrlar ikkinchi soatda (yoki aksincha) o'qilganda, biz interlac haqida gapiramiz. skanerlash).

Kamera matritsalarining o'lchamlari

Raqamli kino kameralarining matritsalari o'lchamlari