CCD nima?

Bir oz tarix

Ilgari fotografik materiallar yorug'lik qabul qiluvchisi sifatida ishlatilgan: fotografik plitalar, fotoplyonkalar, fotografik qog'ozlar. Keyinchalik televizion kameralar va fotoko‘paytiruvchi naychalar (fotoko‘paytiruvchi naychalar) paydo bo‘ldi.
60-yillarning oxiri - 70-yillarning boshlarida "Charge Coupled Devices" deb nomlangan ishlab chiqila boshlandi, u CCD sifatida qisqartirildi. Yoqilgan ingliz tili u "zaryad bilan bog'langan qurilmalar" yoki qisqacha CCD ga o'xshaydi. Printsipial jihatdan CCDlar silikon ko'rinadigan yorug'likka ta'sir o'tkazishga qodir ekanligiga asoslangan edi. Va bu haqiqat ushbu printsip yordamida nurli narsalarning tasvirlarini olish mumkin degan fikrga olib keldi.

Astronomlar birinchilardan bo'lib CCD-ning rasm olish qobiliyatini favqulodda deb bilishdi. 1972 yilda JPL (Jet Propulsion Laboratory, AQSh) tadqiqotchilari guruhi astronomiya va kosmik tadqiqotlar uchun CCD rivojlanish dasturini yaratdilar. Uch yil o'tgach, Arizona universiteti olimlari bilan hamkorlikda jamoa birinchi astronomik CCD tasvirini qo'lga kiritdi. 1,5 metrlik teleskop yordamida Uranning infraqizil tasvirida sayyoramizning janubiy qutbida qora dog'lar topildi, bu erda metan borligini ko'rsatmoqda ...

Bugungi kunda CCD-matritsalardan foydalanish keng qo'llanilgan: raqamli kameralar, videokameralar; CCD-matritsani kameralar singari mobil telefonlarga ham o'rnatish imkoniyati paydo bo'ldi.

CCD qurilmasi

Odatda cCD qurilmasi (1-rasm): yarimo'tkazgich yuzasida dielektrik (odatda oksid) ingichka (0,1-0,15 mkm) qatlam mavjud bo'lib, uning ustida o'tkazgich elektrodlari (metall yoki polikristalli kremniydan yasalgan) chiziqlar joylashgan. Ushbu elektrodlar chiziqli yoki matritsali muntazam tizimni tashkil qiladi va elektrodlar orasidagi masofalar shu qadar kichikki, qo'shni elektrodlarning o'zaro ta'sirining ta'siri sezilarli bo'ladi. CCD ishlash printsipi tashqi elektr kuchlanishlari elektrodlarga tatbiq etilganda yarimo'tkazgichning sirtga yaqin qatlamida hosil bo'lgan potentsial quduqlarda zaryad paketlarining paydo bo'lishi, saqlanishi va yo'naltirilgan uzatilishiga asoslangan.

Shakl: 1. CCD-matritsaning asosiy tuzilishi.

Shakl. 1, C1, C2 va C3 MOS kondansatörlerini bildiradi (metall-oksid-yarimo'tkazgich).

Agar biron bir elektrodga U ijobiy kuchlanish qo'llanilsa, u holda MIS strukturasida elektr maydon paydo bo'ladi, uning ta'sirida ko'pchilik tashuvchilar (teshiklar) juda tez (bir necha pikosekundalarda) yarimo'tkazgich sirtini tark etadi. Natijada, sirtda tükenme qatlami hosil bo'ladi, uning qalinligi mikrometrenin fraksiyonları yoki birliklari. Har qanday jarayonlar ta'sirida (masalan, termal) tükenmiş qatlamda hosil bo'lgan yoki diffuziya ta'sirida yarimo'tkazgichning neytral hududlaridan u erga borgan ozchilik tashuvchilar (elektronlar) yarimo'tkazgich-izolyator interfeysiga o'tadi va tor teskari tomonga joylashadi. qatlam. Shunday qilib, sirtda elektronlar uchun potentsial quduq paydo bo'ladi, ular maydon ta'sirida tükenme qatlamidan siljiydi. Tugatish qatlamida hosil bo'lgan ko'pchilik tashuvchilar (teshiklar) maydon ta'sirida yarimo'tkazgichning neytral qismiga chiqariladi.
Berilgan vaqt oralig'ida har bir piksel asta-sekin unga kirgan yorug'lik miqdoriga mutanosib ravishda elektronlar bilan to'ldiriladi. Bu vaqtning oxirida elektr zaryadlarihar bir piksel bilan to'plangan, o'z navbatida, qurilmaning "chiqishi" ga uzatiladi va o'lchanadi.

Matritsalarning nurga sezgir pikselining o'lchami birdan ikkitadan bir necha o'nlab mikrongacha. Fotosurat plyonkasining nurli sezgir qatlamidagi galogenid kumushining kristallarining kattaligi 0,1 (musbat emulsiyalar) dan 1 mikrongacha (yuqori sezgir salbiy).

Matritsaning asosiy parametrlaridan biri bu kvant samaradorligi deb ataladi. Ushbu nom so'rilgan fotonlarni (kvantlarni) fotoelektronlarga o'tkazish samaradorligini aks ettiradi va fotosensitivlikning fotografik tushunchasiga o'xshaydi. Yorug'lik kvantlarining energiyasi ularning rangiga (to'lqin uzunligiga) bog'liq bo'lganligi sababli, matritsaning pikselida qancha elektron tug'ilishini, masalan, yuzga o'xshamaydigan fotonlarning oqimini yutib yuborganida, uni aniq belgilash mumkin emas. Shuning uchun kvant samaradorligi odatda matritsa pasportida to'lqin uzunligiga qarab beriladi va spektrning ba'zi qismlarida u 80% ga etishi mumkin. Bu fotografik emulsiya yoki ko'zdan ancha ko'p (taxminan 1%).

CCD ning turlari qanday?

Agar piksellar bir qatorga tizilgan bo'lsa, u holda qabul qilgich CCD o'lchagichi, agar sirt maydoni tekis qatorlar bilan to'ldirilgan bo'lsa, u holda qabul qilgich CCD matritsasi deb nomlanadi.

CCD o'lchagichi 80-90-yillarda astronomik kuzatuvlar uchun keng ko'lamdagi dasturlarga ega edi. Tasvirni CCD chizig'ida ushlab turish kifoya edi va u kompyuter monitorida paydo bo'ldi. Ammo bu jarayon ko'plab qiyinchiliklarga hamroh bo'ldi va shuning uchun hozirgi vaqtda CCD massivlari borgan sari CCDlar bilan almashtirilmoqda.

Kiruvchi effektlar

Kuzatuvlarga xalaqit berishi mumkin bo'lgan CCD-ga zaryad o'tkazishni istalmagan yon ta'sirlaridan biri bu tasvirning kichik maydonidagi yorqin joylar o'rniga yorqin vertikal chiziqlar (ustunlar). Shuningdek, CCD matritsalarining mumkin bo'lmagan kiruvchi ta'sirlariga quyidagilar kiradi: yuqori qorong'i shovqin, "ko'r" yoki "issiq" piksellar mavjudligi, matritsa maydonida notekis sezgirlik. Qorong'i shovqinni kamaytirish uchun CCD matritsalarini avtonom sovutish -20 ° C va undan past haroratgacha ishlatiladi. Yoki oldingi ramka olingan vaqt bilan (ta'sir qilish) va haroratga teng qorong'u ramka olinadi (masalan, yopiq ob'ektiv bilan). Keyinchalik maxsus dastur kompyuter tasvirdan quyuq ramkani olib tashlaydi.

CCD televizion kameralarining ajoyib tomoni shundaki, ular 752 x 582 piksel o'lchamlari bilan soniyada 25 kadrgacha suratga olishlari mumkin. Ammo ushbu turdagi ba'zi kameralarning astronomik kuzatuvlarga yaroqsizligi shundaki, ishlab chiqaruvchi qabul qilingan kadrlarni ko'rish orqali yaxshiroq idrok etish uchun ularda ichki tasvirni qayta ishlashni (o'qish - buzilish) amalga oshiradi. Bu AGC (boshqaruvni avtomatlashtirilgan sozlash) va shunday deb nomlangan. "o'tkir chegaralar" ta'siri va boshqalar.

Rivojlanish…

Umuman olganda, CCD qabul qiluvchilarni ishlatish raqamli bo'lmagan yorug'lik qabul qiluvchilariga qaraganda ancha qulayroqdir, chunki olingan ma'lumotlar darhol kompyuterda ishlov berish uchun mos keladigan shaklda paydo bo'ladi va qo'shimcha ravishda individual freymlarni olish tezligi juda yuqori (soniyada bir necha kvadratdan daqiqagacha).

IN hozirda CCD ishlab chiqarish tez sur'atlar bilan rivojlanmoqda va takomillashmoqda. Matritsalarning "megapiksellari" soni ortib boradi - matritsaning birlik maydoniga individual piksellar soni. CCD va boshqalar yordamida olingan tasvirlarning sifati yaxshilanadi.

Ishlatilgan manbalar:
1. 1. Viktor Belov. Mikronning o'ndan biriga to'g'ri keladi.
2. 2. S.E.Guryanov. Uchrashuv - CCD.

| CCD (Birlashtirilgan qurilmani zaryadlang) yoki CCD matritsasi (ingliz tilida. Zaryad bilan bog'langan qurilmaAnalog integral mikrosxema, bu kremniy yoki qalay oksidi asosida nurga sezgir fotodiodlarni o'z ichiga oladi. Ushbu chip CCD (Charge Coupled Device) texnologiyasidan foydalanadi.

CCD tarixi

Birinchi CCD 1969 yilda Jorj Smit va Uillard Boyl tomonidan AQShning AT&T Bell laboratoriyalarida ishlab chiqilgan. Videotelefoniya (Rasmli telefon) va o'sha paytdagi dolzarb "yarimo'tkazgichli qabariqli xotira" (Yarimo'tkazgichli qabariq xotirasi) ni ishlab chiqish bo'yicha ishlar amalga oshirildi. Ko'p o'tmay, zaryadlangan ulangan qurilmalar mikrosxemaning kirish registrida zaryad joylashtirilishi mumkin bo'lgan xotira qurilmalari sifatida ishlatila boshlandi. Ammo keyinchalik, fotoelektr effekti tufayli qurilmaning xotira elementining zaryad olish qobiliyati CCD qurilmalaridan foydalanishni asosiy vazifaga aylantirdi.

1970 yilda Bell Lab tadqiqotchilari eng oddiy chiziqli qurilmalar yordamida tasvirni qanday olishni o'rganganlar.

Ko'p o'tmay, Kazuo Ivama rahbarligi ostida Sony bunga katta sarmoyalar bilan CCD texnologiyalarini faol rivojlantira boshladi va o'z videokameralari uchun CCD matritsalarini seriyali ishlab chiqarishni yo'lga qo'ydi.

Kazuo Ivama 1982 yil avgustda vafot etdi. Uning hissasini abadiylashtirish uchun uning qabr toshiga CCD chip o'rnatilgan.

2006 yilda Uillard Boyl va Jorj Smit CCD ustida ishlashlari uchun AQSh Milliy muhandislik akademiyasining mukofotlariga sazovor bo'lishdi.

Keyinchalik, 2009 yilda ijodkorlar fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

CCD qanday ishlaydi

CCD matritsasi, asosan, kremniy substratidan membrana bilan ajratilgan polissilimondan iborat bo'lib, u erda besleme kuchlanishi polisilikon eshiklari orqali qo'llanilganda, o'tkazgich elektrodlari yaqinidagi elektr potentsiallari katta darajada o'zgaradi.

Elektrodlarga ta'sir qilish va kuchlanishning ma'lum bir kombinatsiyasini qo'llashdan oldin, oldin hosil bo'lgan barcha zaryadlar zaryadsizlanadi va barcha elementlar bir xil yoki asl holatga o'tkaziladi.

Keyin elektrodlardagi kuchlanishlarning kombinatsiyasi potentsial zaxirani yoki quduqni hosil qiladi, unda matritsaning ma'lum bir pikselida hosil bo'lgan elektronlar, ta'sir qilish paytida yorug'lik nurlari ta'sirida to'planadi. Ta'sir paytida yorug'lik oqimining kuchi qanchalik kuchli bo'lsa, potentsial quduqda elektronlarning ta'minoti shunchalik ko'p to'planadi, ma'lum bir pikselning so'nggi zaryadining kuchi shunchalik yuqori bo'ladi.

Ta'sirdan so'ng har bir alohida pikselda elektrodlarda besleme zo'riqishida ketma-ket o'zgarishlar hosil bo'ladi va uning yonida potentsial taqsimot paydo bo'ladi, bu esa CCD matritsasining chiqish piksellariga ma'lum bir yo'nalishda zaryad oqimiga olib keladi.

N-cho'ntakli CCD pikseliga misol

Izoh: har bir ishlab chiqaruvchining o'ziga xos subpikselli arxitekturasi mavjud.

Diagrammadagi CCD piksel belgilari:

1 - videokamera ob'ektividan o'tgan nur zarralari (fotonlar);
2 - subpikselli mikrolenslar;
3 - qizil subpikselli filtr (Bayer filtrining bir qismi);
4 - qalay oksidi yoki polikristalli kremniydan tayyorlangan nur o'tkazuvchi elektrod;
5 - Izolyator (kremniy oksididan iborat);
6 - maxsus n-tipli silikon kanal. Ichki fotoelektrik effekt zonasi (tashuvchini yaratish zonasi);
7 - mumkin bo'lgan zaxira yoki chuqurlarning zonasi (n-tipdagi cho'ntak). Elektronlar tashuvchini yaratish zonasidan yig'iladigan joy;
8 - p-tipli kremniy substrat.

To'liq kadrli CCD uzatish

Ob'ektiv tomonidan to'liq shakllangan video tasvir CCD matritsasiga tushadi, ya'ni CCD elementlarining yorug'likka sezgir yuzasiga yorug'lik nurlari tushadi, uning maqsadi zarralar (fotonlar) energiyasini elektr zaryadiga aylantirishdir.
Ushbu jarayon quyidagicha davom etadi.
CCD elementiga urilgan foton uchun uchta stsenariy mavjud - u sirtdan "uchib" chiqadi yoki yarimo'tkazgich qalinligi (matritsa materialining tarkibi) bilan singib ketadi yoki uning yuzasini buzadi. Shuning uchun, ishlab chiquvchilardan aks ettirish va yutilishdagi yo'qotishlarni minimallashtiradigan bunday sensorni yaratish talab qilinadi. Xuddi shu CCD matritsasi tomonidan singdirilgan zarrachalar yarimo'tkazgichning kristall panjarasining atomi bilan o'zaro ta'sir kuchsiz bo'lsa yoki donor yoki aktseptor aralashmalari atomlari bilan o'zaro ta'sir etsa, elektron teshik juftini hosil qiladi. Yuqoridagi ikkala hodisa ham ichki fotoelektrik effektlar deb ataladi. Ammo, datchikning ishi faqat ichki fotoelektr effekti bilan cheklanib qolmaydi - asosiysi, zaryad tashuvchilarni yarimo'tkazgichdan ixtisoslashgan omborda "olib qo'yish" va keyin ularni o'qishdir.

CCD-matritsa elementlarining tuzilishi

Umuman olganda, CCD elementining dizayni quyidagicha ko'rinadi: p tipidagi silikon substrat n tipidagi yarimo'tkazgich kanallari bilan jihozlangan. Ushbu kanallarning yuqori qismida izolyatsion kremniy oksidi membranasi bo'lgan polikristalli kremniydan tayyorlangan elektrodlar mavjud. Ushbu elektrodga elektr potentsialini qo'llaganidan so'ng, n-tipli kanal ostida zaiflashgan zonada potentsial tuzoq (quduq) hosil bo'ladi, uning vazifasi elektronlarni tejashdir. Kremniyga kirib boradigan nur zarrachasi potentsial tuzoqqa tortilib, unga "tiqilib" qoladigan elektron hosil bo'lishiga olib keladi. Fotonlarning katta miqdori yoki yorqin nur tuzoqqa ko'proq zaryad beradi. Keyin qabul qilingan zaryadning qiymatini hisoblash kerak, uni fototok deb ham atash kerak va keyin uni kuchaytirish kerak.

CCD elementlarining fotosuratlarining o'qilishi ketma-ket siljish registrlari deb ataladi, ular kirishda zaryadlar qatorini chiqishda bir qator impulslarga aylantiradi. Yaratilgan impuls poezdi analog signal, keyinchalik u kuchaytirgichga beriladi.

Shunday qilib, registr yordamida CCD elementlaridan chiziq zaryadlarini analog signalga aylantirish mumkin. Amalda, CCD matritsalarida ketma-ket siljish registri bir qatorga birlashtirilgan CCD elementlari yordamida amalga oshiriladi. Ushbu qurilmaning ishlashi zaryadlangan qurilmalarning potentsial tuzoqlarining zaryadlarini almashtirish qobiliyatiga asoslangan. Ushbu almashinuv qo'shni CCD elementlari orasida joylashgan ixtisoslashgan Transfer Gate elektrodlari mavjudligi sababli sodir bo'ladi. Kattalashgan potentsial eng yaqin elektrodga qo'llanganda, zaryad potentsial tuzoqdan uning ostida "ko'chib o'tadi". CCD katakchalari orasida odatda ikkitadan to'rttagacha o'tkazuvchi elektrodlar mavjud va siljish registrining fazasi, shuningdek, ikki fazali, uch fazali yoki to'rt fazali deb nomlanadi, ularning soniga bog'liq.

O'tkazish elektrodlariga turli xil potentsiallarni etkazib berish sinxronlashtiriladi, shunda registrning barcha CCD elementlarining potentsial tuzoqlari zaryadlarining oshishi deyarli bir vaqtning o'zida sodir bo'ladi. Shunday qilib, bitta uzatish siklida CCD hujayralari zaryadlarni zanjir bo'ylab o'ngdan chapga yoki chapdan o'ngga uzatadi. Va haddan tashqari CCD elementi o'z zaryadini registr chiqishida joylashgan kuchaytirgichga beradi.

Shunday qilib, ketma-ket siljish registri bu ketma-ket chiqish va parallel kirish moslamasi. Ro'yxatdan o'tgan barcha to'lovlarni o'qib chiqqandan so'ng, uning kiritilishiga murojaat qilish mumkin bo'ladi yangi qator, so'ngra keyingi va shunga o'xshash ikki o'lchovli fototoklar massiviga asoslangan uzluksiz analog signal hosil bo'ladi. Keyinchalik, ketma-ket siljish registri uchun kirish parallel oqimi vertikal yo'naltirilgan ketma-ket siljish registrlari to'plami bilan ta'minlanadi, bu parallel siljish registri deb ataladi va butun montaj aynan CCD-matritsa deb nomlangan qurilmadir.

Qattiq jismli fotoelektr konvertorlari (TPVC) tasvirlari uzatuvchi CRTlarga o'xshaydi.

TFEPlar 1970 yildan, CCD deb nomlangan va MOS yoki MOS tuzilmalarining kondansatörleri bo'lgan alohida hujayralar asosida shakllangan. Bunday elementar kondansatör plitalaridan biri metall plyonka M, ikkinchisi yarim o'tkazgich substrat P ( p- yoki n- o'tkazuvchanlik), dielektrik D - substrat P da yupqa qatlam shaklida qo'llaniladigan yarimo'tkazgich. pyoki turi) yoki donor ( n-tip) nopoklik, va D sifatida - kremniy oksidi SiO 2 (8.8-rasmga qarang).

Shakl: 8.8.MOS kondansatörü

Shakl: 8.9.Elektr maydon ta'sirida zaryadlarni harakatga keltirish

Shakl: 8.10.Uch fazali CCD tizimining ishlash printsipi

Shakl: 8.11.Ikki fazali CCD tizimidagi zaryadlarni harakatga keltirish

Metall elektrodga kuchlanish berilsa, uning ostida "cho'ntak" yoki potentsial quduq paydo bo'ladi, unda ozchilikni tashuvchilar (bizning holatimizda elektronlar) "to'planishi" mumkin va aksariyat tashuvchilar, teshiklar M dan orqaga qaytadi. , ozchilik tashuvchilarning kontsentratsiyasi asosiy tashuvchilar kontsentratsiyasidan yuqori bo'lishi mumkin. Dielektrik D yaqinidagi P substratda teskari qatlam paydo bo'ladi, unda o'tkazuvchanlik turi teskari yo'naltiriladi.

CCD-dagi zaryadlar to'plami elektr yoki yorug'lik hosil qilish orqali kiritilishi mumkin. Yorug'lik paydo bo'lishi paytida, kremniyda yuzaga keladigan fotoelektrik jarayonlar potentsial quduqlarda ozchilik tashuvchilarni to'planishiga olib keladi. Yig'ilgan zaryad yorug'lik va yig'ilish vaqtiga mutanosibdir... Zaryadni CCD ga yo'naltirish yo'nalishi MOS kondansatkichlarini bir-biriga shunchalik yaqin joylashtirish orqali ta'minlanadi, ularning tükenme mintaqalari bir-birining ustiga chiqadi va potentsial quduqlar ulanadi. Bunday holda, ozchilikni tashuvchilarning mobil zaryadlari potentsial quduq chuqurroq bo'lgan joyda to'planadi.

Yorug'lik ta'sirida elektrod ostida zaryad yig'ilsin U 1 (8.9-rasmga qarang). Agar hozir qo'shni elektrod bo'lsa U 2 kuchlanishni qo'llang U 2 \u003e U 1, keyin yana bir potentsial chuqur yaqinroqda, chuqurroq paydo bo'ladi ( U 2 \u003e U bitta). Ular orasida elektr maydon mintaqasi paydo bo'ladi va ozchilik tashuvchilar (elektronlar) chuqurroq "cho'ntakka" siljiydi (oqadi) (8.9-rasmga qarang). Zaryadlarni o'tkazishda ikki yo'nalishni yo'q qilish uchun 3 elektrod guruhiga birlashtirilgan elektrodlar ketma-ketligini qo'llang (8.10-rasmga qarang).

Agar, masalan, elektrod 4 ostida zaryad to'planib, uni o'ng tomonga o'tkazish zarur bo'lsa, o'ng elektrod 5 ga yuqori kuchlanish qo'llaniladi ( U 2 \u003e U 1) va unga zaryad oqadi va hokazo.

Deyarli barcha elektrodlar to'plami uchta avtobusga ulangan:

Men - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Bizning holatlarimizda "qabul qilish" kuchlanishi ( U 2) 2 va 5 elektrodlarda bo'ladi, lekin elektrod 2 zaryad saqlanadigan elektrod 4 dan elektrod 3 bilan ajratiladi

U 3 \u003d 0), shuning uchun chap tomonda qon bo'lmaydi.

CCD-ning uch zarbali ishlashi bitta televizor-tasvir elementiga uchta elektrod (xujayra) mavjudligini nazarda tutadi, bu esa yorug'lik oqimi ishlatadigan foydali maydonni kamaytiradi. CCD hujayralari (elektrodlari) sonini kamaytirish uchun metall elektrodlar va dielektrik qatlam pog'onali shaklda hosil bo'ladi (8.11-rasmga qarang). Bu elektrodlarga kuchlanish impulslari qo'llanilganda uning turli bo'limlari ostida har xil chuqurlikdagi potentsial quduqlarni yaratishga imkon beradi. Qo'shni hujayradan olinadigan zaryadlarning aksariyati chuqurroq chuqurga tushadi.

Ikki fazali CCD tizimi yordamida matritsadagi elektrodlar (hujayralar) soni uchdan biriga kamayadi, bu esa potentsial relefning o'qilishini ijobiy ta'sir qiladi.

Dastlab CCDlarni hisoblashda saqlash moslamalari va smenali registrlar sifatida ishlatish taklif qilingan. Zanjirning boshida tizimga zaryad kiritadigan in'ektsion diyot joylashtirildi va zanjirning oxirida odatda chiqish diodasi n-p- yoki p-n-cCD zanjirli maydon effektli tranzistorlarining birinchi va oxirgi elektrodlari (xujayralari) bilan hosil bo'lgan MOS tuzilmalarining o'tishlari.

Ammo tez orada CCD-lar yorug'likka juda sezgir ekanligi ayon bo'ldi va shu sababli ularni saqlash moslamalari sifatida emas, balki yorug'lik detektorlari sifatida ishlatish yaxshiroq va samaraliroq.

Agar fotodetektor sifatida CCD matritsasi ishlatilsa, u holda u yoki bu elektrod ostida zaryad to'planishi optik usul (yorug'lik in'ektsiyasi) bilan amalga oshirilishi mumkin. Aytishimiz mumkinki, CCD-lar asosan nurga sezgir analog almashtirish registrlari. Bugungi kunda CCDlar saqlash moslamalari (xotira) sifatida emas, balki faqat fotodetektor sifatida foydalanilmoqda. Ular faksimile mashinalarida, skanerlarda (CCD), kameralarda va videokameralarda (CCD) ishlatiladi. Odatda, televizor kameralarida CCD chiplari ishlatiladi.

Biz barcha to'lovlarning 100% qo'shni cho'ntagiga o'tkazilishini taxmin qildik. Amalda esa yo'qotishlarni hisobga olish kerak. Yo'qotish manbalaridan biri bu to'lovlarni ushlab turish va ushlab turishga qodir bo'lgan "tuzoq" lardir. Ushbu to'lovlar, agar uzatish tezligi yuqori bo'lsa, qo'shni cho'ntagiga tushishga vaqt yo'q.

Ikkinchi sabab - bu toshib ketish mexanizmining o'zi. Birinchi lahzada, zaryad uzatish kuchli elektr maydonida sodir bo'ladi E... Biroq, zaryadlar oqishi bilan, maydon kuchliligi pasayadi va drift jarayoni tugaydi, shuning uchun oxirgi qism diffuziya tufayli harakatlanadi, driftga qaraganda 100 baravar sekinroq. Oxirgi qismni kutish past ishlashni anglatadi. Drift 90% dan ortiq yukni beradi. Ammo bu yo'qotishlarni aniqlashda asosiy foizlar.

Bitta uzatish tsiklining uzatish koeffitsienti bo'lsin k \u003d 0,99, tsikllar sonini qabul qilinganda N \u003d 100, biz o'tkazmaning umumiy koeffitsientini aniqlaymiz:

0,99 100 = 0,366

Ko'rinib turibdiki, ko'plab elementlar bilan, hatto bitta elementdagi ahamiyatsiz yo'qotishlar ham umuman zanjir uchun katta ahamiyatga ega bo'ladi.

Shuning uchun, CCD matritsasida zaryad o'tkazmalarining sonini kamaytirish masalasi ayniqsa muhimdir. Shu nuqtai nazardan, ikki fazali CCD matritsasi uch fazali tizimga qaraganda bir oz yuqori zaryad uzatish koeffitsientiga ega bo'ladi.

Hozirgi vaqtda aksariyat tasvirlash tizimlari CCD (Charge Coupled Device, English CCD) sensorlarini nurga sezgir qurilmalar sifatida ishlatmoqda.

Printsip cCD ishi matritsalar quyidagicha: kremniy asosida fotosensitiv elementlar matritsasi (akkumulyatsiya bo'limi) yaratiladi. Har bir nurga sezgir element zaryadlarni uni urgan fotonlar soniga mutanosib ravishda to'plash qobiliyatiga ega. Shunday qilib, ma'lum bir vaqt davomida (ta'sir qilish vaqti) yig'ish qismida asl tasvirning yorqinligiga mutanosib bo'lgan ikki o'lchovli zaryadlarning matritsasi olinadi. Yig'ilgan zaryadlar dastlab saqlash bo'limiga o'tkaziladi, so'ngra satrlar bo'yicha chiziqlar va piksellar bilan piksellar matritsasi chiqishiga o'tkaziladi.

Saqlash bo'limining yig'ish qismiga nisbatan hajmi boshqacha:

• har bir freymga (progressiv skanerlash uchun kadr uzatish bilan matritsalar);
• yarim ramka (intervalgacha skanerlash uchun ramka o'tkazilishi bilan matritsalar);

Matritsalar ham mavjud bo'lib, ularda saqlash bo'limi mavjud emas, keyin chiziq uzatish to'g'ridan-to'g'ri akkumulyatsiya bo'limi bo'ylab amalga oshiriladi. Ko'rinib turibdiki, bunday matritsalar ishlash uchun optik qopqoqni talab qiladi.

Zamonaviy CCD matritsalarining sifati shundan iboratki, uzatish paytida zaryad deyarli o'zgarmaydi.

Televizion kameralarning ko'rinadigan xilma-xilligiga qaramay, ularda ishlatiladigan CCD matritsalari deyarli bir xil, chunki CCD matritsalarini ommaviy va keng miqyosda ishlab chiqarishni faqat bir nechta kompaniyalar amalga oshiradilar. Bular SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

CCD matritsalarining asosiy parametrlari:

• pikseldagi o'lcham;
• dyuymdagi jismoniy o'lcham (2/3, 1/2, 1/3 va boshqalar). Bunday holda, raqamlarning o'zi sezgir maydonning aniq hajmini aniqlamaydi, aksincha qurilmaning sinfini aniqlaydi;
• sezgirlik.

CCD kameralarining o'lchamlari.

CCD kameralarining o'lchamlari asosan CCD o'lchamlari piksellarda va ob'ektivning sifati bilan belgilanadi. Bunga ma'lum darajada kameraning elektronikasi ta'sir qilishi mumkin (agar u yomon bajarilgan bo'lsa, bu rezolyutsiyani yomonlashtirishi mumkin, ammo ochig'i hozir kamdan-kam hollarda yomon bajariladi).

Bu erda bitta muhim narsani ta'kidlash kerak. Ba'zi hollarda, yuqori aniqlikdagi fazoviy filtrlar aniq o'lchamlarini yaxshilash uchun kameralarga o'rnatiladi. Bunday holda, o'lchamlari kichikroq bo'lgan kameradan olingan ob'ektning tasviri, xuddi shu ob'ektning ob'ektiv ravishda olingan kameraning tasviriga qaraganda aniqroq ko'rinishi mumkin. Albatta, bu kamera vizual kuzatuv tizimlarida ishlatilganda qabul qilinadi, ammo o'lchov tizimlarini qurish uchun umuman yaroqsiz.

CCD matritsalarining o'lchamlari va formati.

Hozirgi vaqtda turli xil kompaniyalar bir necha yuzdan bir necha minggacha bo'lgan o'lchamlarni qamrab oladigan CCD ishlab chiqarishmoqda. Shunday qilib, 10000x10000 o'lchamdagi matritsa haqida xabar berilgan va bu xabarda bu matritsaning narxi emas, balki olingan tasvirlarni saqlash, qayta ishlash va uzatish muammolari bo'lgan. Ma'lumki, o'lchovlari 2000x2000 gacha bo'lgan matritsalar hozirda ozmi-ko'pmi keng qo'llanilmoqda.

Eng aniq ishlatiladigan CCD matritsalari, aniqrog'i, televizion standartga yo'naltirilgan aniqlikdagi matritsalarni o'z ichiga olishi kerak. Ushbu matritsalar asosan ikki formatdan iborat:

• 512*576;
• 768*576.

Matritsalar 768 * 576 (ba'zan biroz ko'proq, ba'zida biroz kamroq) sizga standart televizion signal uchun maksimal aniqlikni olishga imkon beradi. Shu bilan birga, 512 * 576 formatidagi matritsalardan farqli o'laroq, ular yorug'likka sezgir elementlarning kvadratga yaqin joylashishi va shuning uchun gorizontal va vertikal ravishda teng o'lchamlarga ega.

Ko'pincha televizor kameralarini ishlab chiqaruvchilari piksellar sonini televizor liniyalarida ko'rsatadilar. Bu shuni anglatadiki, kamera yorug'lik maydoniga tushirilgan N / 2 qorong'u vertikal zarbalarni tasvir maydoniga yozilgan kvadratga qo'yishga imkon beradi, bu erda N - televizor liniyalarining e'lon qilingan soni. Standart televizion jadvalga kelsak, bu quyidagilarni nazarda tutadi: masofani tanlash va stol tasvirini markazga qo'yish, monitordagi stol tasvirining yuqori va pastki qirralari stolning tashqi konturiga to'g'ri kelishini ta'minlash kerak, bu qora va oq prizmalarning tepalari bilan belgilanadi; so'ng, oxirgi fokusdan so'ng, vertikal takozning birinchi qismida vertikal zarbalar echimini to'xtatadigan joyda o'qiladi. Ushbu so'nggi nuqta juda muhimdir, chunki va jadvalning sinov maydonlari tasvirida 600 va undan ortiq zarbalarga ega bo'lgan intervalgacha chiziqlar tez-tez ko'rinib turadi, ular aslida jadval zarbalarining fazoviy chastotalari va CCD matritsasining sezgir elementlari panjarasining urilishi natijasida hosil bo'lgan mo''jiza. Ushbu effekt, ayniqsa, yuqori o'tkazuvchan fazoviy filtrlarga ega kameralarda seziladi (yuqoriga qarang)!

Shuni ta'kidlashni istardimki, boshqa hamma narsalar teng (asosan ob'ektiv bunga ta'sir qilishi mumkin), qora va oq kameralarning o'lchamlari CCD matritsasining o'lchamlari bilan aniq belgilanadi. Shunday qilib, 768 * 576 formatdagi kamera 576 televizion liniyani aniqlaydi, biroq ba'zi xiyobonlarda siz 550, boshqalarida esa 600 qiymatini topishingiz mumkin.

Maqsad.

CCD hujayralarining fizik kattaligi ob'ektivning o'lchamlari uchun talabni belgilaydigan asosiy parametrdir. Bunday parametrlardan yana biri quyida muhokama qilinadigan engil ortiqcha yuk sharoitida matritsaning ishlashini ta'minlash talablari bo'lishi mumkin.

1/2 dyuymli SONY ICX039 matritsasi uchun piksel o'lchami 8,6 mm * 8,3 mm. Shuning uchun ob'ektiv quyidagilardan ko'ra yaxshiroq piksellar soniga ega bo'lishi kerak:

1 / 8.3 * 10e-3 \u003d 120 ta chiziq (millimetr uchun 60 ta juftlik).

1/3 dyuymli matritsalar uchun ishlab chiqarilgan linzalar uchun bu qiymat yanada yuqori bo'lishi kerak, garchi bu juda g'alati bo'lsa ham, narx va diafragma kabi parametrga ta'sir qilmaydi, chunki bu linzalar matritsaning kichikroq nurga sezgir maydonida rasm hosil qilish zarurati hisobga olingan holda amalga oshiriladi. Shundan kelib chiqadiki, kichik matritsalar uchun linzalar katta matritsalarning chekkalarida sezilarli darajada yomonlashganligi sababli katta matritsalarga mos kelmaydi. Shu bilan birga, katta sensorlar uchun linzalar kichik sensorlardan olingan tasvirlarning o'lchamlarini cheklashi mumkin.

Afsuski, televizor kameralari uchun zamonaviy linzalarning ko'pligi bilan ularning o'lchamlari to'g'risida ma'lumot olish juda qiyin.

Umuman olganda, biz linzalarni tanlash bilan tez-tez shug'ullanmaymiz, chunki deyarli barcha Mijozlarimiz mavjud optikalarga video tizimlarni o'rnatadilar: mikroskoplar, teleskoplar va hk. Biz shunchaki oddiy va arzon linzalarning o'lchamlari har bir mm uchun 50-60 chiziq juftligi oralig'ida ekanligini aytishimiz mumkin, bu aslida etarli emas.

Boshqa tomondan, biz Zeiss kompaniyasining har bir mm uchun 100-120 chiziqli juftlikdagi maxsus linzalari 1000 dollardan yuqori bo'lganligi haqida ma'lumotga egamiz.

Shunday qilib, ob'ektiv sotib olayotganda dastlabki sinovlarni o'tkazish kerak. Aytishim kerakki, aksariyat Moskva sotuvchilari sinov uchun linzalarni taqdim etishadi. Bu erda yana bir bor mo''jizaviy effektni esga olish o'rinlidir, uning mavjudligi, yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, matritsaning o'lchamlari to'g'risida noto'g'ri ma'lumotga olib kelishi mumkin. Shunday qilib, jadvalning 600-dan yuqori chiziqli chiziqlari bilan linzalarga nisbatan chizilgan qismidagi moire mavjudligi, ikkinchisining rezolyutsiyasining ma'lum bir zaxirasini ko'rsatadi, bu, albatta, zarar ko'rmaydi.

Geometrik o'lchovlarga qiziquvchilar uchun yana bir, ehtimol, muhim eslatma. Barcha linzalarda ozmi-ko'pmi buzilishlar mavjud (tasvir geometriyasining pincushion buzilishi) va ob'ektivning fokusi qancha qisqa bo'lsa, qoida tariqasida bu buzilishlar shunchalik katta bo'ladi. Bizning fikrimizcha, fokus uzunligi 8-12 mm dan katta bo'lgan linzalar 1/3 "va 1/2" kameralar uchun maqbul buzilishlarga ega. "Qabul qilish" darajasi, albatta, kamera hal qilishi kerak bo'lgan vazifalarga bog'liq.

Rasm kiritish tekshirgichlarining o'lchamlari

Tasvirni kiritish tekshirgichlarining o'lchamlari tekshirgichning analog-raqamli konvertori (ADC) konversiyasining chastotasi sifatida tushunilishi kerak, uning ma'lumotlari keyinchalik kontroller xotirasiga yoziladi. Shubhasiz, namuna olish stavkasini oshirishda oqilona chegaralar mavjud. Vidikonlar singari doimiy ravishda sezgir qatlamli tuzilishga ega qurilmalar uchun, optimal chastota raqamlashtirish vidikonning foydali signalining yuqori chastotasining ikki baravariga teng.

Bunday yorug'lik detektorlaridan farqli o'laroq, CCD matritsalari diskret topologiyaga ega, shuning uchun ular uchun optimal namuna olish chastotasi matritsa chiqish registrining siljish chastotasi sifatida aniqlanadi. Tekshirgichning ADC ning CCD matritsasining chiqish registri bilan sinxron ishlashi muhim ahamiyatga ega. Faqatgina bu holatda, olingan tasvirlarning "qat'iy" geometriyasini ta'minlash nuqtai nazaridan ham, soat impulslari va vaqtinchalik jarayonlardan shovqinni minimallashtirish nuqtai nazaridan ham eng yaxshi konvertatsiya sifatiga erishish mumkin.

CCD televizor kameralarining sezgirligi

1994 yildan beri biz qurilmalarimizda ICX039 CCD matritsasi asosida SONY karta kameralarini ishlatmoqdamiz. Ushbu qurilma uchun SONY tavsifida ob'ektivdagi 0,25 lyuks sezgirligi 1,4 linzali teshikda ko'rsatilgan. Biz allaqachon bir necha marotaba o'xshash parametrlarga ega (o'lchamlari 1/2 ", o'lchamlari 752 * 576) va e'lon qilingan sezgirligi" bizning "SONY-dan 10 yoki hatto 100 baravar yuqori bo'lgan kameralarga duch keldik.

Ushbu raqamlarni bir necha bor tekshirdik. Ko'pgina hollarda, biz turli xil kompaniyalarning kameralarida bir xil ICX039 CCD sensorini topdik. Bunday holda, "bog'lab qo'yilgan" barcha mikrosxemalar ham SONY-vskie edi. Va qiyosiy sinovlar ushbu kameralarning deyarli to'liq identifikatsiyasini ko'rsatdi. Xo'sh, savol nima?

Va hamma savol shundaki, qanday signal-shovqin nisbati (s / n) sezgirlik aniqlanadi. Bizning holatlarimizda, SONY kompaniyasi vijdonan s / w \u003d 46 dB da sezgirlikni ko'rsatdi va boshqa kompaniyalar buni ko'rsatmadilar yoki ushbu o'lchovlar qanday sharoitlarda amalga oshirilganligi aniq emasligini ko'rsatdilar.

Umuman olganda, bu televizor kameralarini ishlab chiqaruvchilarning ko'pchiligining umumiy kasalligi - televizor kameralarining parametrlarini o'lchash shartlarini aniq belgilamaslik.

Haqiqat shundaki, s / w nisbati talabining pasayishi bilan kameraning sezgirligi kerakli s / w nisbati kvadratiga teskari nisbatda ortadi:

qaerda:
I - sezgirlik;
K - konversiya koeffitsienti;
s / w - chiziqli birliklarda s / w nisbati,

shu sababli, ko'plab kompaniyalar kameralarning sezgirligini past darajadagi S / W nisbati bilan ko'rsatishga moyil.

Matritsaning yaxshiroq yoki yomonroq "ko'rish" qobiliyati uning yuzasiga tushgan fotonlardan aylantirilgan zaryadlar miqdori va bu zaryadlarni chiqishga etkazish sifati bilan aniqlanadi, deyishimiz mumkin. Yig'ilgan to'lovlarning miqdori fotosensitiv elementning maydoniga va CCD matritsasining kvant samaradorligiga bog'liq va transport sifati ko'plab omillar bilan belgilanadi, bu ko'pincha bir narsaga - o'qish shovqiga qadar qaynaydi. Zamonaviy matritsalar uchun o'qiydigan shovqin 10-30 elektronlar tartibida va hatto undan ham kamroq!

CCD elementlarining maydonlari har xil, ammo televizor kameralari uchun 1/2 dyuymli matritsalar uchun odatiy qiymat 8,5 *m * 8,5 µm ni tashkil qiladi. Elementlarning kattalashishi matritsalarning o'lchamlarini ko'payishiga olib keladi, bu ularning narxini ishlab chiqarish narxining haqiqiy oshishi tufayli emas, balki bunday qurilmalarni seriyali ishlab chiqarish bir necha daraja kichikroq bo'lganligi sababli oshiradi. Bundan tashqari, fotosensitiv zonaning maydoniga matritsaning topologiyasi ta'sir qiladi, shunda kristalning umumiy yuzasining foizini sezgir maydon egallaydi (to'ldirish koeffitsienti). Ba'zi maxsus matritsalar to'ldirish koeffitsientini 100% talab qiladi.

Kvant samaradorligi (o'rtacha, bitta foton yuzasiga tushganda sezgir hujayraning zaryadi elektronlarda qancha o'zgaradi) zamonaviy matritsalar uchun 0,4-0,6 ni tashkil etadi (gullashga qarshi bo'lmagan individual matritsalar uchun u 0,85 ga etadi).

Shunday qilib, ma'lum bir s / w qiymatiga ishora qilingan CCD kameralarining sezgirligi jismoniy chegaraga yaqinlashganini ko'rish mumkin. Bizning xulosamizga ko'ra, s / w \u003d 46 da umumiy foydalanish uchun kameralarning sezgirligining odatiy qiymatlari 1,4 linzali teshikka ega bo'lgan ob'ektda 0,15-0,25 lyuks oralig'ida.

Shu munosabat bilan, biz televizor kameralarining tavsiflarida ko'rsatilgan sezgirlik raqamlariga ko'r-ko'rona ishonishni tavsiya etmaymiz, ayniqsa, ushbu parametrni aniqlash uchun shartlar berilmagan bo'lsa va televizor rejimida televizor rejimida 0,01-0,001 lyuks sezgirligini 500 dollargacha bo'lgan kameraning pasportida ko'rsangiz, bundan oldin noto'g'ri ma'lumotni yumshoq qilib aytganda namuna olasiz.

CCD kameralarining sezgirligini oshirish usullari to'g'risida

Yechimlardan biri bu vaqt o'tishi bilan tasvirlarning to'planishi. Ushbu usulni amalga oshirish CCD sezgirligini sezilarli darajada oshirishga imkon beradi. Albatta, bu usul statsionar kuzatuv ob'ektlariga yoki harakatni qoplash mumkin bo'lgan holatlarda qo'llanilishi mumkin, chunki bu astronomiyada amalga oshiriladi.

Shakl 1 Sayyora tumanligi M57.

Teleskop: 60 sm, ta'sir qilish - 20 sek., Ta'sir qilish paytida harorat - 20 C.
Tumanlik markazida yulduzcha ob'ekti 15 magnitudaga teng.
SAO RASda V. Amirxanyan tomonidan olingan rasm.

CCD kameralarining sezgirligi ta'sir qilish vaqtiga to'g'ridan-to'g'ri mutanosib ekanligi haqida etarli aniqlik bilan bahslashish mumkin.

Masalan, dastlabki 1/50 soniyalarga nisbatan tortishish tezligi 1 sekundagi sezgirlik 50 barobar oshadi, ya'ni. yaxshi bo'ladi - 0,005 lyuks.

Albatta, bu yo'lda muammolar mavjud va bu, birinchi navbatda, foydali signal bilan bir vaqtning o'zida to'planadigan zaryadlarni keltiradigan matritsalarning quyuq oqimi. Qorong'u oqim, birinchi navbatda, kristallni ishlab chiqarish texnologiyasi bilan belgilanadi, ikkinchidan, texnologiya darajasi va, albatta, matritsaning ish harorati juda katta darajada.

Odatda, bir necha daqiqada yoki o'nlab daqiqalarda to'planishning uzoq vaqtiga erishish uchun matritsalar minus 20-40 darajaga qadar sovutiladi. C. Matritsalarni bunday haroratgacha sovutish muammosi o'zi hal qilindi, ammo buni amalga oshirishning iloji yo'q, deyish kerak, chunki har doim tuman bilan bog'liq dizayn va operatsion muammolar mavjud himoya ko'zoynak va termoelektrik sovutgichning issiq o'tish joyidan issiqlik tarqalishi.

Shu bilan birga, CCD matritsalarini ishlab chiqarishdagi texnologik taraqqiyot quyuq oqim kabi parametrga ham ta'sir ko'rsatdi. Bu erda yutuqlar juda muhim va ba'zi yaxshi zamonaviy matritsalarning quyuq oqimi juda kichik. Bizning tajribamizga ko'ra, sovutilmasdan kameralar xona haroratida o'n soniya ichida va qorong'i fonni qoplashda bir necha daqiqagacha ta'sir o'tkazishga imkon beradi. Misol tariqasida, VS-a-tandem-56/2 video tizimi tomonidan sovutilgan holda 20 soniya ta'sirida olingan M57 sayyora tumanligi fotosurati.

Ta'sirchanlikni oshirishning ikkinchi usuli bu elektro-optik konvertorlardan (EOC) foydalanish. Tasvirni kuchaytiruvchi naychalar - bu yorug'lik oqimini kuchaytiradigan qurilmalar. Zamonaviy tasvirni kuchaytiruvchi naychalar juda katta daromad qiymatlariga ega bo'lishi mumkin, ammo tafsilotlarga to'xtamasdan, biz tasvirni kuchaytiruvchi naychalardan foydalanish faqat kameraning chegara sezgirligini oshirishi mumkin, shuning uchun uning foydasi juda yuqori bo'lmasligi kerak.

CCD kameralarining spektral sezgirligi

Ba'zi dasturlar uchun CCDlarning spektral sezgirligi muhim omil hisoblanadi. Barcha CCDlar kremniy asosida ishlab chiqarilganligi sababli, CCD ning "yalang'och" shaklidagi spektral sezgirligi kremniy uchun ushbu parametrga mos keladi (2-rasmga qarang).

Ko'rib turganingizdek, har xil xususiyatlarga ega CCD matritsalari qizil va infraqizil (IQ) oralig'ida maksimal sezuvchanlikka ega va spektrning ko'k-binafsha qismida mutlaqo hech narsani ko'rmaydi. Yaqin infraqizil CCD sezgirligi infraqizil yorug'lik manbalari bilan yoritilgan yashirin kuzatuv tizimlarida, shuningdek yuqori haroratli ob'ektlarning issiqlik maydonlarini o'lchashda ishlatiladi.

SONY kompaniyasi o'zining barcha oq-qora matritsalarini quyidagilardan chiqaradi spektral xarakteristikasi (3-rasmga qarang). Ushbu rasmdan ko'rinib turibdiki, IQ ga yaqin bo'lgan CCD sezgirligi sezilarli darajada pasaygan, ammo matritsa spektrning ko'k mintaqasini qabul qila boshladi.

Ultraviyole va hatto rentgen nurlari diapazonida sezgir bo'lgan matritsalar turli xil maxsus maqsadlar uchun ishlab chiqilmoqda. Odatda ushbu qurilmalar noyobdir va ularning narxi ancha yuqori.

Progressiv va interlaced skanerlash to'g'risida

Standart televizion signal efirga uzatiladigan televizion tizim uchun ishlab chiqilgan va zamonaviy tasvirni kiritish va qayta ishlash tizimlari nuqtai nazaridan bitta katta kamchilikka ega. Televizion signal 625 qatorni o'z ichiga olgan bo'lsa-da (ulardan 576 tasi video ma'lumotlari bilan), 2 ta yarim kadrlar ketma-ket ko'rsatiladi, ular juft chiziqlardan (juft yarim kadr) va toq chiziqlardan (toq yarim kadr) iborat. Bu shuni anglatadiki, agar harakatlanuvchi rasm kiritilsa, u holda tahlil Y o'lchamidan bitta yarim kadrdagi satrlar sonidan ko'proq foydalana olmaydi (288). Bundan tashqari, zamonaviy tizimlarda tasvir ko'rsatilganda kompyuter monitori (progressiv skanerga ega), kuzatuv ob'ekti harakatlanayotganda interlaced televizor kamerasidan kiritilgan tasvir bo'linishning yoqimsiz vizual ta'sirini keltirib chiqaradi.

Ushbu kamchilik bilan kurashishning barcha usullari vertikal o'lchamlarning yomonlashishiga olib keladi. Ushbu kamchilikni bartaraf etish va CCD matritsasining piksellar soniga mos keladigan rezolyutsiyaga erishishning yagona usuli bu CCD-da progressiv skanerlashga o'tishdir. CCD ishlab chiqaruvchilari bunday matritsalarni ishlab chiqaradilar, ammo seriyali ishlab chiqarish pastligi sababli, bunday matritsalar va kameralarning narxi odatdagidan ancha yuqori. Masalan, SONY ICX074 progressiv skanerlash matritsasining narxi ICX039 (interlaced scan) dan 3 baravar yuqori.

Kameraning boshqa parametrlari

Boshqalarga "gullash" kabi parametr kiradi, ya'ni. uning alohida elementlarini haddan tashqari ta'sir qilish bilan zaryadning matritsa yuzasiga tarqalishi. Amalda, bunday holat, masalan, porlashi bo'lgan narsalarni kuzatishda yuz berishi mumkin. Bu CCD-larning juda yoqimsiz ta'siri, chunki bir nechta yorqin nuqta butun tasvirni buzishi mumkin. Yaxshiyamki, ko'plab zamonaviy matritsalarda gullashga qarshi vositalar mavjud. Shunday qilib, ba'zi bir so'nggi SONY matritsalarining tavsiflarida biz 2000 ni topdik, bu alohida hujayralarning ruxsat etilgan engil ortiqcha yukini tavsiflaydi, bu esa zaryadlarning tarqalishiga olib kelmaydi. Bu juda yuqori qiymatdir, ayniqsa, bu natijaga erishish mumkin, chunki bizning tajribamiz shuni ko'rsatdiki, faqat matritsani to'g'ridan-to'g'ri boshqaradigan haydovchilarning maxsus sozlanishi va video signalni oldindan kuchaytiradigan kanal. Bunga qo'shimcha ravishda, linzalar yorqin nuqtalarning "tarqalishiga" ham hissa qo'shadi, chunki bunday katta yorug'lik paytida ortiqcha yuk haddan tashqari yuklanganda ham asosiy joydan tashqarida kichik tarqalish qo'shni elementlar uchun sezilarli darajada yorug'lik yordamini beradi.

Bu erda yana bir narsani ta'kidlash kerakki, biz o'zimiz tekshirmagan ba'zi bir ma'lumotlarga ko'ra, gullab-yashnagan matritsalar kvant samaradorligiga qarshi bo'lmagan matritsaga qaraganda 2 baravar past bo'ladi. Shu nuqtai nazardan, juda yuqori sezgirlikni talab qiladigan tizimlarda matritsalarni gullashga qarshi ishlatmasdan ishlatish mantiqan to'g'ri kelishi mumkin (odatda bu astronomik kabi maxsus muammolar).

Rangli kameralar haqida

Ushbu bo'lim materiallari biz o'rnatgan o'lchov tizimlarini ko'rib chiqish doirasidan tashqarida, shunga qaramay, rangli kameralarning keng qo'llanilishi (hatto oq-qora ranglardan ham ko'proq) bizni bu masalani aniqlashtirishga majbur qiladi, ayniqsa mijozlar ko'pincha bizning qora va oq kameralarimizdan foydalanishga harakat qilishadi. oq rangli ramkalar, rangli televizion kameralar va olingan tasvirlarda ba'zi chiziqlarni topganda juda hayron qolishadi va tasvirning o'lchamlari etarli emas. Keling, bu erda nima bo'lganligini tushuntirib bering.

Rangli signalni yaratishning ikkita usuli mavjud:

• 1. Bitta kamerali kameradan foydalanish.
• 2. Ushbu matritsalarda rangli signalning R, G, B komponentlarini olish uchun ranglarni ajratuvchi boshli 3 CCD tizimidan foydalanish.

Ikkinchi usul eng yaxshi sifatni ta'minlaydi va faqat bu sizga o'lchov tizimlarini olish imkonini beradi, ammo ushbu printsip asosida ishlaydigan kameralar juda qimmat (3000 dollardan ortiq).

Ko'pgina hollarda bitta qatorli CCD kameralar ishlatiladi. Keling, ularning qanday ishlashini ko'rib chiqaylik.

CCD matritsasining juda keng spektral xarakteristikalaridan ko'rinib turibdiki, u sirtni urgan fotonning "rangini" aniqlay olmaydi. Shuning uchun, kirish uchun rangli tasvir CCD matritsasining har bir elementi oldida yorug'lik filtri o'rnatilgan. Qayerda umumiy raqam matritsa elementlari bir xil bo'lib qolmoqda. Masalan, SONY kompaniyasi qora va oq va rangli versiyalar uchun aynan bir xil CCD matritsalarini ishlab chiqaradi, ular faqat sezgir joylarga bevosita qo'llaniladigan yorug'lik filtrlari bilan rang matritsasi mavjudligida farqlanadi. Matritsalarni bo'yash uchun bir nechta sxemalar mavjud. Mana ulardan biri.

Bu erda 4 xil yorug'lik filtri ishlatiladi (4-rasmga va 5-rasmga qarang).

Shakl 4. Yorug'lik filtrlarini CCD matritsasi elementlariga taqsimlash

5-rasm. Turli xil yorug'lik filtrlari bo'lgan CCD elementlarining spektral sezgirligi.

Y \u003d (Cy + G) + (Ye + Mg)

A1 liniyasi "qizil" rang farqi signalini quyidagicha qabul qiladi:

R-Y \u003d (Mg + Ye) - (G + Cy)

va A2 qatorida ranglarning farqi to'g'risida "ko'k" signal qabul qilinadi:

- (B-Y) \u003d (G + Ye) - (Mg + Cy)

Demak, rangli CCD matritsasining bir xil oq-qora rangga nisbatan fazoviy o'lchamlari odatda gorizontal va vertikal ravishda 1,3-1,5 marta yomonlashishi aniq. Yorug'lik filtrlaridan foydalanish tufayli CCD rangining sezgirligi ham oq-qora rangga qaraganda yomonroq. Shunday qilib, agar 1000 * 800 bitta matritsali qabul qilgich mavjud bo'lsa, demak, aslida siz yorug'lik signali uchun taxminan 700 * 550 va rang uchun 500 * 400 (700 * 400 mumkin) olishingiz mumkin.

Texnik masalalardan tashqari, shuni ta'kidlashni istardimki, reklama maqsadida ko'plab elektron kameralar ishlab chiqaruvchilari o'zlarining texnologiyalari to'g'risida to'liq tushunarsiz ma'lumotlar haqida xabar berishadi. Masalan, "Kodak" kompaniyasi o'zining DC120 1200 * 1000 elektron kamerasining matritsasi 850x984 piksel bo'lgan o'lchamlari to'g'risida e'lon qiladi. Ammo janoblar - ma'lumot bo'sh joydan paydo bo'lmaydi, garchi u ingl.

Rangli signalning fazoviy o'lchamlari (tasvirning rangi haqida ma'lumot olib boruvchi signal) oq-qora signal o'lchamidan kamida 2 baravar yomonroq deyish mumkin. Bundan tashqari, chiqish pikselining "hisoblangan" rangi asl tasvirning mos keladigan elementining rangi emas, balki faqat asl tasvirning turli elementlarining yorqinligini qayta ishlash natijasidir. Taxminan aytganda, ob'ektning qo'shni elementlarining yorqinligidagi keskin farq tufayli, u erda umuman yo'q rangni hisoblash mumkin, shu bilan birga kameraning engil siljishi chiqish rangining keskin o'zgarishiga olib keladi. Masalan: quyuq va och kulrang maydonning chegarasi ko'p rangli kvadratlardan iborat bo'lib ko'rinadi.

Bu fikrlarning barchasi faqat rangli CCD matritsalari haqida ma'lumot olishning fizik printsipiga taalluqlidir, shuni yodda tutish kerakki, odatda rangli kameralar chiqishidagi video signal standart PAL, NTSC formatlaridan birida, kamroq S-video shaklida taqdim etiladi.

PAL va NTSC formatlari yaxshi, chunki ularni video monitor bilan zudlik bilan standart monitorlarda ko'paytirish mumkin, ammo shuni yodda tutish kerakki, ushbu standartlar xrominans signali uchun juda tor diapazonni taqdim etadi, shuning uchun bu erda rangli tasvir emas, balki rangli tasvir haqida gapirish to'g'ri bo'ladi. Rangli komponentni o'z ichiga olgan video signallari bo'lgan kameralarning yana bir yoqimsiz xususiyati - bu qora va oq rangli ramkalar bilan olingan rasmda yuqorida ko'rsatilgan chiziqlarning paydo bo'lishi. Va bu erda nuqta shundaki, xrominans signali deyarli video signal chizig'ining o'rtasida joylashgan bo'lib, tasvir doirasiga kirishda shovqinlarni keltirib chiqaradi. Biz bu shovqinni televizor monitorida ko'rmayapmiz, chunki to'rtta kadrdan keyin ushbu "aralashuv" fazasi teskari va o'rtacha tomonidan ko'z bilan almashtiriladi. Shunday qilib, u ko'rmaydigan interferentsiya bilan tasvirni olgan mijozning sarosimasi.

Bundan kelib chiqadiki, agar siz biron bir o'lchov yoki ob'ektlarning rangini aniqlashni amalga oshirishingiz kerak bo'lsa, unda ushbu savolga sizning vazifangizning yuqoridagi va boshqa xususiyatlarini hisobga olgan holda murojaat qilish kerak.

CMOS sensorlari haqida

Elektronika dunyosida hamma narsa juda tez o'zgarib bormoqda va fotodetektorlar sohasi eng konservativ sohalardan biri bo'lishiga qaramay, so'nggi paytlarda yangi texnologiyalar rivojlanmoqda. Bu birinchi navbatda CMOS televizion matritsalarining paydo bo'lishini anglatadi.

Darhaqiqat, kremniy yorug'likka sezgir element bo'lib, har qanday yarimo'tkazgichli buyum sensori sifatida ishlatilishi mumkin. CMOS texnologiyasidan foydalanish an'anaviy texnologiyalarga nisbatan bir qancha aniq afzalliklarni taqdim etadi.

Birinchidan, CMOS texnologiyasi yaxshi yo'lga qo'yilgan va mos mahsulotlarning yuqori rentabellikga ega elementlarini ishlab chiqarishga imkon beradi.

Ikkinchidan, CMOS texnologiyasi matritsada yorug'likka sezgir sohadan tashqari, ilgari "tashqarida" o'rnatilgan turli xil ramkalash moslamalarini (ADCgacha) joylashtirishga imkon beradi. Bu raqamli chiqishi bilan kameralarni "bitta chipda" ishlab chiqarishga imkon beradi.

Ushbu afzalliklar tufayli sezilarli darajada arzon televizion kameralar ishlab chiqarish mumkin bo'ladi. Bundan tashqari, matritsalar ishlab chiqaradigan firmalar doirasi sezilarli darajada kengaymoqda.

Ayni paytda CMOS texnologiyasida televizion matritsalar va kameralarning chiqarilishi yanada yaxshilanmoqda. Bunday qurilmalarning parametrlari haqida ma'lumot juda kam. Shuni ta'kidlash kerakki, ushbu matritsalarning parametrlari hozirda erishilgan yutuqlardan oshmaydi, narx bo'yicha esa, ularning afzalliklari shubhasizdir.

Masalan, Photobit PB-159-dan bitta chipli rangli kamerani keltiraman. Kamera bitta kristallda tayyorlangan va quyidagi texnik parametrlarga ega:

• o'lchamlari - 512 * 384;
• piksel o'lchami - 7,9 mm * 7,9 mm;
• sezgirlik - 1 lyuks;
• chiqish - raqamli 8-bitli SRGB;
• tanasi - 44 oyoq PLCC.

Shunday qilib, kamera to'rt marta sezgirlikni yo'qotadi, bundan tashqari, boshqa kameradagi ma'lumotlardan ko'rinib turibdiki, ushbu texnologiya nisbatan katta quyuq oqim bilan bog'liq muammolar mavjud.

Raqamli kameralar haqida

IN oxirgi marta bozorning yangi segmenti paydo bo'ldi va tez o'sib bormoqda, CCD va CMOS matritsalari - raqamli kameralar. Bundan tashqari, hozirgi vaqtda ushbu mahsulotlar sifati bir vaqtning o'zida narxlarning keskin pasayishi bilan keskin o'sib bormoqda. Darhaqiqat, bundan 2 yil oldin faqat 1024 * 1024 o'lchamdagi matritsaning narxi taxminan 3000-7000 dollarni tashkil etgan edi, endi esa bunday matritsali kameralar va bir qator qo'ng'iroq va hushtak (LCD ekran, xotira, kattalashtirish ob'ektivi, qulay korpus va boshqalar) bilan kameralarni 1000 dollardan kamroq narxga sotib olish mumkin. ... Buni faqat matritsalarni katta hajmdagi ishlab chiqarishga o'tish bilan izohlash mumkin.

Ushbu kameralar CCD va CMOS matritsalariga asoslanganligi sababli, ushbu maqoladagi sezgirlik, rangli signalni shakllantirish tamoyillari haqidagi barcha munozaralar ular uchun amal qiladi.

Xulosa o'rniga

Biz to'plagan amaliy tajriba quyidagi xulosalarni chiqarishga imkon beradi:

• sezgirlik va shovqin jihatidan CCD matritsalarini ishlab chiqarish texnologiyasi jismoniy chegaralarga juda yaqin;
• televizor kameralari bozorida maqbul sifatli kameralarni topish mumkin, ammo yuqori parametrlarga erishish uchun tuzatishlar talab qilinishi mumkin;
• kamera risolalarida keltirilgan yuqori sezgirlik ko'rsatkichlari bilan aldanmaslik kerak;
• va shunga qaramay, har xil sotuvchilardan mutlaqo bir xil sifat va hatto bir xil kameralar uchun narxlar ikki martadan ko'proq farq qilishi mumkin!

(lang: "ru")

Boshlagan ishimni davom ettiraman oldingi nashr qurilma haqida gaplashing.

Asosiy elementlardan biri raqamli kamera, uni film kameralaridan ajratib turadigan - bu yorug'lik sezgir element, ya'ni tasvirni kuchaytiruvchi naycha yoki nurga sezgir. Raqamli kamera... Biz allaqachon kameralar matritsalari haqida gapirgan edik, ammo endi biz qurilmani va matritsaning ishlash printsipini batafsil ko'rib chiqamiz, garchi bu o'quvchini juda charchatmaslik uchun juda yuzaki bo'lsa.

Hozirgi kunda aksariyat raqamli kameralar jihozlangan CCD matritsalari.

CCD-matritsa. Qurilma. Ish printsipi.

Keling, qurilmani ko'rib chiqamiz CCD sensorlari.

Yarimo'tkazgichlar n va p tipdagi yarimo'tkazgichlarga bo'linishi ma'lum. N-tipli yarimo'tkazgichda ortiqcha elektronlar, p-tipdagi yarimo'tkazgichlarda ortiqcha musbat zaryadlar, "teshiklar" (va shu sababli elektronlar etishmasligi) mavjud. Barcha mikroelektronika ushbu ikki turdagi yarimo'tkazgichlarning o'zaro ta'siriga asoslangan.

Shunday qilib, element Raqamli kamera CCD quyidagicha joylashtirilgan. 1-rasmga qarang:

Shakl

Tafsilotlarga e'tibor bermasdan, u holda CCD elementi yoki zaryad bilan bog'langan qurilma, ingliz transkripsiyasida: zaryad bilan bog'langan qurilma - CCD, bu MIS (metall-dielektrik-yarim o'tkazgich) kondansatörü. U p tipidagi substratdan iborat - silikon qatlami, silikon dioksid va elektrod plitalarining izolyatori. Elektrodlardan biriga ijobiy potentsial qo'llanilganda, uning ostida asosiy tashuvchilarda bo'shliqlar paydo bo'ladi - teshiklar, chunki ular elektroddan substratga elektr maydonidan chetga suriladi. Shunday qilib, ushbu elektrod ostida potentsial quduq hosil bo'ladi, ya'ni energiya zonasi ozchilik tashuvchilar - elektronlarning unga harakatlanishi uchun qulaydir. Ushbu chuqurda salbiy zaryad to'planadi. Teshiklar yo'qligi va shuning uchun elektronlarning rekombinatsiyasi sabablari tufayli u bu quduqda uzoq vaqt saqlanishi mumkin.

Yorug'lik sezgirligida matritsalar elektrodlar - bu spektrning ko'rinadigan qismida shaffof bo'lgan, polikristalli kremniyning plyonkalari.

Matritsaga tushgan yorug'lik fotonlari kremniy substratiga tushib, unda teshik-elektron juftligini hosil qiladi. Teshiklar, yuqorida aytib o'tilganidek, substrat chuqurligiga siljiydi va elektronlar potentsial quduqda to'planadi.

Yig'ilgan zaryad elementga tushadigan fotonlar soniga, ya'ni yorug'lik oqimining intensivligiga mutanosibdir. Shunday qilib, matritsada optik tasvirga mos keladigan zaryad relyefi yaratiladi.

CCD matritsasidagi zaryadlarning harakati.

Har bir CCD elementida turli xil potentsiallar qo'llaniladigan bir nechta elektrodlar mavjud.

Berilgan elektroddan yuqori potentsial qo'shni elektrodga tatbiq etilganda (3-rasmga qarang), uning ostida zaryad birinchi potentsial quduqdan harakatlanadigan chuqurroq potentsial quduq hosil bo'ladi. Shu tarzda, zaryad bir CCD xujayrasidan ikkinchisiga o'tishi mumkin. Shakl 3da ko'rsatilgan CCD elementi uch fazali deb nomlanadi, shuningdek, 4 fazali elementlar mavjud.

Shakl.4. Uch fazali qurilmaning zaryad bilan bog'langan - almashtirish registri bilan ishlash sxemasi.

Zaryadlarni oqim impulslariga aylantirish uchun (fotosurat) ketma-ket siljish registrlari ishlatiladi (4-rasmga qarang). Bunday siljish registri CCD elementlari qatoridir. Hozirgi impulslarning amplitudasi uzatilgan zaryad miqdoriga mutanosib va \u200b\u200bshu bilan hodisa bilan mutanosibdir yorug'lik oqimi... Keyin zaryadlar ketma-ketligini o'qish natijasida hosil bo'lgan oqim impulslarining ketma-ketligi kuchaytirgichning kirish qismiga beriladi.

Yaqindan joylashgan CCD elementlari qatorlari birlashtiriladi CCD... Bunday matritsaning ishi elektr maydoni tomonidan yaratilgan potentsial quduqlarda mahalliy zaryadni yaratish va o'tkazishga asoslangan.

Shakl.5.

Registrning barcha CCD elementlarining zaryadlari sinxron ravishda qo'shni CCD elementlariga o'tkaziladi. Oxirgi katakchadagi zaryad registrdan chiqishga beriladi va keyin kuchaytirgichning kirish qismiga beriladi.

Ketma-ket siljish registri zaryadlarni perpendikulyar ravishda joylashgan smen registrlaridan oladi, ular birgalikda parallel siljish registri deb yuritiladi. Parallel va ketma-ket siljish registrlari CCD matritsasini tashkil etadi (4-rasmga qarang).

Ketma-ket registrga perpendikulyar siljish registrlari ustunlar deyiladi.

Parallel registrda zaryadlarning harakati qat'iy sinxronlashtiriladi. Bir qatorning barcha to'lovlari bir vaqtning o'zida ikkinchisiga o'tkaziladi. Oxirgi satrning zaryadlari ketma-ket registrga o'tadi. Shunday qilib, bitta ishchi tsiklda parallel registrdan zaryadlar chizig'i ketma-ket registrning kiritilishiga kirib, yangi hosil bo'lgan zaryadlar uchun joy bo'shatadi.

Ketma-ket va parallel registrlarning ishlashi soat generatori bilan sinxronlashtiriladi. Qism raqamli kamera matritsasi shuningdek, registr uzatish elektrodlariga potentsial etkazib beradigan va ularning ishlashini boshqaradigan mikrosxemani ham o'z ichiga oladi.

Ushbu turdagi tasvirni kuchaytirgichga to'liq kadrli CCD-matritsa deyiladi. Uning ishlashi uchun shaffof bo'lmagan qopqoq bo'lishi kerak, u avval yorug'lik ta'sirida tasvirni kuchaytirgichni ochadi, so'ngra matritsa elementlarida etarli miqdorda zaryad to'plash uchun zarur bo'lgan fotonlar sonini olganda, uni nurdan yopadi. Bunday qopqoq kino kameralarida bo'lgani kabi mexanik deklanşördür. Bunday qopqoqning yo'qligi, zaryadlar siljish registrida harakatlanayotganda, hujayralar yorug'lik bilan nurlanishda davom etib, har bir pikselning zaryadiga ma'lum bir nuqtaning yorug'lik oqimiga mos kelmaydigan qo'shimcha elektronlarni qo'shib qo'yishiga olib keladi. Bu zaryadni "bulg'ash" ga, natijada olingan tasvirni buzilishiga olib keladi.