Televizion kameralar haqida mulohaza yuritish. Zaryad bilan bog'langan qurilmalar (CCD). CCD qanday ishlaydi

CCD matritsasi nima?

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

CCD tarixi

1969 yilda AQShning eng yirik AT&T Bell Labs korporatsiyasining Bell Laboratories-da Jorj Smit va Uillard Boyl zaryad bilan bog'langan qurilmani birinchi marta ishlatgan. Ular video telefoniya 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 tasvirni suratga olishga muvaffaq bo'lishdi, aslida bu Sony muhandislari tomonidan qabul qilingan. Ushbu kompaniya shu kungacha CCD texnologiyalari sohasida faol ish olib bormoqda va ushbu yo'nalishga katta moliyaviy sarmoyalarni kiritib, har qanday yo'l bilan o'zining videokameralari uchun CCD matritsalarini ishlab chiqarishni 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.

Ta'sir qilishdan va elektrodlarga ma'lum bir kuchlanishni berishdan oldin, ilgari 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. Kuch kuchiga qarab yorug'lik oqimi potentsial quduqda to'plangan elektronlarning hajmi ham joylashgan, shuning uchun u qanchalik katta bo'lsa, ma'lum bir pikselning yakuniy 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 taqsimot 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 jihozlangan p-tipli silikon substrat shaklida 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 saqlashdir. Kremniyga tushadigan nur zarrasi potentsial tuzoqqa tortilib, unda saqlanib qolgan elektronlar hosil bo'lishiga sabab bo'ladi. Ko'p sonli fotonlar yoki yorqin nurlar tuzoqqa kuchli zaryad beradi, shundan so'ng mutaxassislar fototok deb ataydigan qabul qilingan zaryadning qiymatini hisoblash va kuchaytirish zarur.

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

Shunday qilib, ichida analog signal registr yordamida CCD elementlaridan simli zaryadlarni konvertatsiya qilish mumkin. Amalda, CCD matritsalarida ketma-ket siljish registri bir qatorda qurilgan bir xil CCD elementlari 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 reestrning barcha CCD elementlarining potentsial tuzoqlari zaryadlarini uzatish deyarli bir vaqtning o'zida amalga oshiriladigan tarzda sinxronlashtiriladi. Shunday qilib, uzatishning bir "qadamida" CCD elementlari zaryadlarni zanjir bo'ylab o'ngdan chapga yoki chapdan o'ngga siljitadi. 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 uchun 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 ataladigan vertikal yo'naltirilgan ketma-ket siljish registrlarining ko'pligi bilan ta'minlanadi. Ushbu yig'ilgan strukturaning barchasi aynan bugungi kunda CCD-matritsa deb nomlangan qurilmadir.

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 tasvirni qayta ishlash uchun ushbu printsipdan foydalanish 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 , bunday nurga sezgir joylar (ko'pincha piksellar deb ataladi - nurni qabul qiladigan va uni o'zgartiradigan elementlar elektr zaryadlari) CCD qabul qilgichida juda ko'p narsa bor, bir necha mingdan bir necha yuz minggacha va hatto bir necha million. 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 ataladi yoki hatto satrlar sirt qismini to'ldirishi mumkin - keyin qabul qiluvchiga CCD matritsasi deyiladi.

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

Ikkinchidan , odatdagi mikrosxemaga o'xshab ko'rinadigan 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 nurga sezgir element - piksel - elektronlar uchun cho'chqachilik banki vazifasini bajaradi. 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 drenaj va manbani olib tashlasangiz, ya'ni dielektrik qatlam bilan kremniydan ajratilgan elektrod. Aniqlik uchun biz yarimo'tkazgich p-tipli, ya'ni muvozanat sharoitida teshiklarning kontsentratsiyasi elektronlarga qaraganda ancha (kattalikning bir necha buyrug'i bilan) kattaroq 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 darvoza ostidagi oksid-kremniy interfeysida to'planib qoladi, ya'ni ular potentsial quduqqa tushadi (1-rasm).

Shakl: bitta
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, agar u "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 zaryadlar paketini bunday inshoot 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 terminali - bu dirijyor elektr toki, bir xil turdagi elementlarni birlashtiradigan soat avtobusi - faza o'zgaruvchan kuchlanish uzatiladigan o'tkazgichlar.) Darhaqiqat, zaryad paketlarini uzatish uchun uchta elektrod zarur va etarli: biri uzatuvchi, biri qabul qiluvchi va biri izolyatsiya qiluvchi, qabul qilish va uzatish juftlarini ajratuvchi va bir xil bunday uchlik elektrodlari bir soatlik avtobusda bir-biriga ulanishi mumkin, buning uchun faqat bitta tashqi terminal kerak (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 ishlash 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 kuchayib, 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).

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

Shakl: 5.
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 voltaj 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 yoqqaningizda, 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 MFPlar "chiroqni yoqish" ni o'z navbatida uchta rangda: qizil, ko'k va yashil ranglarda bo'lishini payqagan bo'lsangiz kerak. Keyin, faqat asl yorug'lik oq rangga aylanadi. Bu matritsaning sezgirligini alohida RGB kanallari uchun yaxshiroq tuzatish uchun amalga oshiriladi.

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. SADC dan so'ng analog MDH signali 8-bitli raqamli signalga aylantiriladi.

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 turli 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 (Leningrad davlat universiteti) o'qituvchilarining maqolalari va ma'ruzalari materiallari, St. Ularga rahmat.

V. Shelenberg tomonidan tayyorlangan material

Matritsa asosiy hisoblanadi strukturaviy element kamera va kamerani tanlashda foydalanuvchi tomonidan hisobga olingan asosiy parametrlardan biri. Zamonaviy matritsalar raqamli kameralar bir nechta belgilar bo'yicha tasniflanishi mumkin, ammo asosiy va eng keng tarqalgani hatto matritsalarning bo'linishi 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 zamonaviy foto va video uskunalarda keng 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 dizayni substratda fotosellarning (piksellarning) yuqori zichligini ta'minlaydi;
2. Yuqori samaradorlik (ro'yxatdan o'tgan fotonlarning ularning umumiy soniga nisbati 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 matritsasi

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 CCDlarda bo'lgani kabi). Pixels CMOS sensori to'g'ridan-to'g'ri A / D konvertori yoki hatto protsessor bilan birlashadi. Bunday oqilona texnologiyani qo'llash natijasida, harakatlar taqqoslaganda qisqa zanjirlar tufayli energiya tejaladi cCD matritsalari, shuningdek, oddiyroq dizayni tufayli qurilmaning narxini pasaytirish.

CMOS sensori ishlashining qisqacha printsipi: 1) Rasmga tushirishdan oldin reset transistoriga reset signal yuboriladi. 2) Ta'sir paytida yorug'lik ob'ektiv va fotodiodga filtrlanadi 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. Mikrosxemalar ishlab chiqarish bilan texnologiyaning 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.

Yuqorida aytib o'tilgan turlardan tashqari, uch qatlamli matritsalar mavjud, ularning har bir qatlami CCD. Farqi shundaki, hujayralar bir vaqtning o'zida uchta nurni idrok eta oladilar, ular nurli nur ustiga tushganda dixroid prizmalar tomonidan hosil bo'ladi. Keyin har bir nur alohida matritsaga yo'naltiriladi. Natijada, fotoselda darhol ko'k, qizil va yashil ranglarning yorqinligi 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, shu bilan birga, SLR kameralar ishlab chiqarishda CMOS matritsalari tobora ommalashib bormoqda. Har xil turdagi matritsalarning xarakterli xususiyatlaridan kelib chiqib, yuqori sifatli suratga olishni ta'minlaydigan professional fotografik uskunalar nima uchun katta va og'irligi haqida aniq tasavvurga ega bo'lishingiz mumkin. Ushbu ma'lumot kamerani tanlashda esda tutilishi kerak - ya'ni piksellar sonini emas, balki matritsaning jismoniy o'lchamlarini hisobga oling.

Tasvirlarning qattiq holatdagi fotoelektrik konvertorlari (TPVC) - bu uzatuvchi CRT analoglari.

TFEPlar 1970 yildan boshlab, 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 ozchilik tashuvchilar (bizning holatimizda elektronlar) "to'planib" qolishi 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 hosil qilish jarayonida 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 1). 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 pog'onali shaklda metall elektrodlar va dielektrik qatlam 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 siljish jarayoni tugaydi, shuning uchun oxirgi qism diffuziya tufayli harakatlanadi, driftdan 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

Bu aniq katta raqam elementlar, 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.

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 "Quvvatni ulash moslamalari" deb nomlanuvchi ishlab chiqarila boshlandi, u qisqartirilgan CCD. Ingliz tilida bu "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 qutbiga yaqin joyda qorong'u joylar 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 kondansatkichlarini 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. Ushbu vaqtning oxirida har bir piksel bilan to'plangan elektr zaryadlari 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 fotosensitiv qatlamidagi kumush galogenid 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, matritsali pikselda qancha elektron paydo bo'lishini, masalan, yuzga o'xshamaydigan yuz fotonlar oqimini yutganda aniqlab bo'lmaydi. 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 deb nomlanadi, lekin sirt maydoni tekis qatorlar bilan to'ldirilgan bo'lsa, qabul qiluvchiga CCD matritsasi deyiladi.

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: quyuq 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 bir xil muddat (ta'sir qilish) va haroratga ega bo'lgan qorong'u ramka (masalan, yopiq linzalar bilan) olinadi. Keyinchalik maxsus dastur kompyuter tasvirdan qorong'i ramkani olib tashlaydi.

CCD televizor 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 ishlashga yaroqli shaklda paydo bo'ladi va qo'shimcha ravishda individual freymlarni olish tezligi juda yuqori (soniyada bir necha kvadratdan daqiqagacha).

IN bu lahza CCD ishlab chiqarish jadal 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.