Matritsa kameraning asosiy strukturaviy elementi va kamerani tanlashda foydalanuvchi tomonidan hisobga olinadigan asosiy parametrlardan biridir. Zamonaviy raqamli kameralarning matritsalarini bir nechta belgilar bo'yicha tasniflash 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 odatda zamonaviy foto va video uskunalarda qo'llaniladi.

CCD matritsasi

Matritsa CCD ham chaqirdi CCD (Zaryadlovchi ulanadigan qurilmalar). CCD matritsa - bu yarimo'tkazgichli silikon kristalida joylashgan nurga sezgir elementlarning (fotodiodlar) to'rtburchaklar plastinkasi. Uning ta'sir qilish printsipi silikon atomlarida fotonlar hosil qilgan bo'shliqlarda to'plangan zaryadlarning ketma-ket harakatlanishiga asoslanadi. Ya'ni, fotodiod bilan to'qnashganda yorug'lik fotoni so'riladi va elektron ajralib chiqadi (ichki fotoelektr effekti paydo bo'ladi). Natijada, qo'shimcha ishlov berish uchun qandaydir tarzda saqlanishi kerak bo'lgan zaryad hosil bo'ladi. 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 oddiy yorug'lik bilan tortishish paytida yuqori sifatli fotosuratlarni olishga imkon beradi.

CCDlarning 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. CMOS matritsalariga nisbatan past tezlik;
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 CCD-larda bo'lgani kabi). Pixels CMOS sensori to'g'ridan-to'g'ri A / D konvertori yoki hatto protsessor bilan birlashadi. Ushbu aqlli texnologiyaning natijasi CCD-lar bilan taqqoslaganda texnologik zanjirlarning qisqarishi va oddiy dizayni tufayli arzonroq qurilmalar tufayli energiya tejashdir.

CMOS sensori ishlashining qisqacha printsipi: 1) Rasmga tushirishdan oldin reset transistoriga reset signal yuboriladi. 2) Ta'sir paytida yorug'lik ob'ektiv va fotodiodga filtr orqali kirib boradi va fotosintez natijasida potentsial quduqda zaryad to'planadi. 3) Qabul qilingan kuchlanish qiymatini o'qing. 4) ma'lumotlarni qayta ishlash va tasvirni tejash.

CMOS massivlarining afzalliklari:

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

CMOS datchiklarining kamchiliklari:

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

Yuqoridagi turlardan tashqari, har bir qatlami CCD bo'lgan uch qavatli matritsalar ham mavjud. Farqi shundaki, hujayralar bir vaqtning o'zida uchta 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. Uch qavatli matritsalar yuqori darajadagi videokameralarda qo'llaniladi, ular maxsus nomga ega - 3CCD.

Xulosa qilib shuni ta'kidlashni istardimki, CCD va CMOS matritsalarini ishlab chiqarish texnologiyalari rivojlanishi bilan ularning xarakteristikalari ham o'zgaradi, shuning uchun matritsalarning qaysi biri aniq yaxshiroq ekanligini aytish qiyinlashib bormoqda, biroq 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.

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 rasmlarini 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 yildan so'ng, 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 qora dog'lar topildi, bu erda metan borligini ko'rsatmoqda ...

Bugungi kunda CCD-matritsalardan foydalanish keng qo'llanilgan: raqamli kameralar, videokameralar; CCD-matritsani hatto mobil telefonlarda ham kamera sifatida joylashtirish mumkin 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, ularda 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 matritsasining asosiy tuzilishi.

Shakl. 1, C1, C2 va C3 MOS kondansatörlerini (metall oksidi yarimo'tkazgich) ifodalaydi.

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 tomonidan 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 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, matritsali pikselda 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 qatorda joylashgan 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 nojo'ya ta'sirlaridan biri bu tasvirning kichik joyidagi 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, kompyuterdagi maxsus dastur 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 ishlov berish uchun mos keladigan shaklda paydo bo'ladi va qo'shimcha ravishda individual freymlarni olish tezligi juda yuqori (soniyada bir necha kvadratdan daqiqagacha).

Ayni paytda CCD ishlab chiqarish jadal sur'atlarda 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.

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 qiluvchini an'anaviy yarimo'tkazgichli fotodioddan nimasi ajratib turadi, u yorug'lik sezgirligi va elektr signalini olish uchun ikkita elektr kontaktga ega?

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

Yorug'lik qabul qiluvchi elementlarning joylashuvi (ko'k rangdagi to'rtburchaklar) CCD va CCD qatorida.

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

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

CCD xuddi shu tarzda ishlaydi. Ta'sirdan so'ng (rejalashtirilgan tasvir bilan yoritish), qurilmaning elektron boshqaruv davri uni piksellarda to'plangan elektronlar bilan ustunlarni matritsaning chetiga siljitishni boshlaydigan, shunga o'xshash o'lchash CCD registri mavjud bo'lgan, zaryadlari allaqachon perpendikulyar yo'nalishda siljigan va tushgan boshlanadigan impulsli keskinliklar to'plamini ta'minlaydi. o'lchov elementiga, undagi signallarni individual zaryadlarga mutanosib ravishda yaratadi. 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.

Dastlab, biz CCD-lar funktsional elektronika mahsulotlariga tegishli ekanligini ta'kidlaymiz, ular alohida radioelementlar - tranzistorlar, rezistorlar va kondansatkichlar 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) yuqori deb taxmin qilamiz. Elektrofizikada "teshik" - bu elektronning zaryadiga o'zaro zaryad, ya'ni. ijobiy zaryad.

Agar bunday elektrodga ijobiy potentsial qo'llanilsa (u eshik deb ataladi) nima bo'ladi? Dielektrik orqali kremniyga kirib boradigan, darvoza tomonidan yaratilgan elektr maydoni 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 darvoza tomon tortilib, to'g'ridan-to'g'ri darvoza ostidagi oksid-kremniy interfeysida to'planib qoladi, ya'ni potentsial quduqqa tushadi (1-rasm).

Shakl: 1
Darvozaga kuchlanish qo'llanilganda potentsial chuqurning 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 asl holiga qaytadi - bundan mustasno interfeysda ingichka elektron qatlami hosil bo'ladi.

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

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

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

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

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

Ko'rinib turibdiki, har bir lahzada normal ishlashi uchun kamida bitta soat avtobusi yuqori, kamida bittasi past potentsial (to'siq potentsiali) bo'lishi kerak. Bir shinada potentsial oshganda va ikkinchisida kamayganda (oldingi), barcha zaryad paketlari bir vaqtning o'zida qo'shni eshiklar ostiga o'tkaziladi va to'liq tsikl uchun (har bir fazali shinada bitta tsikl) zaryad paketlari bitta registr elementiga o'tkaziladi (siljiydi).

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

Haqiqat shundaki, dopantning kontsentratsiyasi tükenme mintaqasi ostidagi eshikdagi o'ziga xos kuchlanishni belgilaydi (bu parametr MOS tuzilishining pol kuchlanishidan boshqa narsa emas). Intuitiv mulohazalardan ma'lumki, nopoklik kontsentratsiyasi qanchalik baland bo'lsa, ya'ni yarimo'tkazgichdagi teshiklar qancha ko'p bo'lsa, ularni chuqurlikka haydash shunchalik qiyin bo'ladi, ya'ni chegara kuchlanishi 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 pikseli uchun mos yozuvlar oq nuri bilan yondirilganda qiymat 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 karetasi oldinga qarab orqaga qarab harakatlana boshlaganini ko'rganmisiz (chiziqlar atrofida aylanib yurish). Bu AGC tizimi uchun ishga tushirish jarayoni. Tizim shuningdek, lampaning holatini (qarish) hisobga oladi.

Bundan tashqari, siz rangli skaner bilan jihozlangan kichik MFPlarning "chiroqni yoqishini" o'z navbatida uchta rangda: qizil, ko'k va yashil ranglarda ko'rganingizni payqadingiz. 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. Matn rejimida rasm ma'lumotlari LAT modulga, Fotosurat rejimida rasm ma'lumotlari "Xato diffuziyasi" moduliga, PC-Scan rejimida esa tasvir ma'lumotlari to'g'ridan-to'g'ri shaxsiy kompyuterga DMA kirish orqali o'tadi.

Sinashdan oldin ekspozitsiya oynasiga bir nechta bo'sh oq qog'oz joylashtiring. O'z-o'zidan anglashiladiki, ichkaridan optikani, tezkor chiziqni va umuman, skanerni "yalab" qo'yish kerak

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

Profil nashrining misoli:

Omad sizga!!

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

Materialni V. Shelenberg tayyorlagan

(lang: "ru")

Avvalgi nashrda boshlangan qurilma haqidagi suhbatni davom ettiraman.

Raqamli kamerani plyonkali kameralardan ajratib turadigan asosiy elementlaridan biri bu nurga sezgir element, ya'ni tasvirni kuchaytiruvchi naycha yoki nurga sezgir. Raqamli kamera... Biz allaqachon kamera matritsalari haqida gapirgan edik, lekin endi qurilmani va matritsaning ishlash printsipini batafsilroq ko'rib chiqamiz, garchi u 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 yarim o'tkazgichlarga bo'linishi ma'lum. N-tipli yarimo'tkazgichda ortiqcha elektronlar, p-tipli 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 to'xtamasdan, 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 izolyatori va elektrod plitalari. Elektrodlardan biriga ijobiy potentsial tatbiq etilganda, uning ostida tashuvchilarning ko'pchiligida tugagan zona hosil bo'ladi, 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, substratga chuqur 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 matritsasida harakatlanuvchi zaryadlar.

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

Berilgan elektrodga nisbatan 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 zaryad bilan bog'langan qurilmaning ishlash sxemasi - smenali registr.

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

Yaqindan joylashgan CCD elementlari qatorlari birlashtiriladi CCD... Bunday matritsaning ishi elektr maydoni yaratgan 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 perpendikulyar oraliqdagi siljish registrlari bilan zaryadlanadi, 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.

Seriyali va parallel registrlarning ishi 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.