A CCD-elvet az elektronikus töltések tárolásának, majd leolvasásának gondolatával először a BELL két mérnöke fejlesztette ki a 60-as évek végén, miközben új típusú memóriákat kerestek számítógépekhez, amelyek helyettesíthetik a ferritgyűrűs memóriát. (igen, volt ilyen emlék). Ez az ötlet kilátástalannak bizonyult, de észrevették a szilícium azon képességét, hogy reagál a sugárzás látható spektrumára, és kidolgozták az ötletet, hogy ezt az elvet a képfeldolgozáshoz használják.

Kezdjük a fogalom meghatározásával.

A CCD rövidítés jelentése "Charge-Coupled Devices" - ez a kifejezés az angol "Charge-Coupled Devices" (CCD) szóból alakult ki.

Az ilyen típusú eszközök jelenleg igen széles körű alkalmazási körrel rendelkeznek a képrögzítésre szolgáló optoelektronikai eszközök széles skálájában. A mindennapi életben ezek digitális fényképezőgépek, videokamerák, különféle szkennerek.

Mi különbözteti meg a CCD vevőt a hagyományos félvezető fotodiódától, amelynek fényérzékeny területe és két elektromos érintkezője van az elektromos jelek felvételére?

Először, az ilyen fényérzékeny területeket (gyakran pixeleknek nevezik – azokat az elemeket, amelyek fényt fogadnak és alakítanak át elektromos töltések) egy CCD-vevőben nagyon nagy, több ezertől több százezerig, sőt több millióig is. Az egyes pixelek mérete megegyezik, és egységtől több tíz mikronig terjedhet. A pixelek sorba rendezhetők egy sorban - ekkor a vevőt CCD-vonalnak nevezzük, vagy egyenletes sorokban töltenek ki egy felületet -, majd a vevőt CCD-mátrixnak nevezzük.

A fényt vevő elemek (kék téglalapok) elhelyezkedése a CCD-tömbben és a CCD-mátrixban.

Másodszor, egy CCD-vevőben, amely úgy néz ki, mint egy hagyományos mikroáramkör, nincs hatalmas számú elektromos érintkező az elektromos jelek kiadásához, amelyeknek úgy tűnik, minden fényvevő elemből kell származniuk. De csatlakozik a CCD vevőhöz elektronikus áramkör, amely lehetővé teszi, hogy minden fényérzékeny elemből a megvilágításával arányos elektromos jelet vonjon ki.

A CCD működése a következőképpen írható le: minden fényérzékeny elem - egy pixel - úgy működik, mint az elektronok malacbankja. Az elektronok pixelben keletkeznek a forrásból érkező fény hatására. Adott időn belül minden pixel fokozatosan megtelik elektronokkal a beléjük jutó fény mennyiségével arányosan, mint egy vödör kint, amikor esik. Ezen idő elteltével az egyes pixelek által felhalmozott elektromos töltések sorra átkerülnek a készülék "kimenetére", és megmérik. Mindez egy bizonyos kristályszerkezetnek köszönhetően, ahol fényérzékeny elemek találhatók, és egy elektromos vezérlőáramkörnek köszönhető.

A CCD mátrix szinte pontosan ugyanúgy működik. Az exponálás (a vetített kép általi megvilágítás) után a készülék elektronikus vezérlő áramköre látja el összetett készlet impulzusfeszültség, amelyek a pixelekben felhalmozott elektronokkal kezdik eltolni az oszlopokat a mátrix szélére, ahol van egy hasonló mérő CCD regiszter, amelyben a töltések már merőleges irányban eltolódnak és a mérőelemre esnek, jeleket hozva létre benne. az egyedi díjakkal arányos. Így minden további időpillanatban megkaphatjuk a felhalmozott töltés értékét, és kitalálhatjuk, hogy a mátrixon melyik pixelnek (sorszámnak és oszlopszámnak) felel meg.

Röviden a folyamat fizikájáról.

Először is megjegyezzük, hogy a CCD-k az úgynevezett funkcionális elektronika termékei, nem ábrázolhatók egyedi rádióelemek - tranzisztorok, ellenállások és kondenzátorok - gyűjteményeként. A munka a töltéskötés elvén alapul. A töltéscsatolás elve két, az elektrosztatikából ismert helyzetet használ:

1. mint a töltetek taszítják egymást
2. A töltések általában ott rakódnak le, ahol a potenciális energiájuk minimális. Azok. durván - "a hal azt keresi, ahol mélyebben van."

Kezdjük egy MOS kondenzátorral (a MOS a fém-oxid-félvezető rövidítése). Ez marad a MOSFET-ből, ha eltávolítja a lefolyót és a forrást, vagyis csak egy elektródát, amelyet egy dielektrikumréteg választ el a szilíciumtól. A határozottság kedvéért feltételezzük, hogy a félvezető p-típusú, azaz a lyukak koncentrációja egyensúlyi körülmények között sokkal (több nagyságrenddel) nagyobb, mint az elektronoké. Az elektrofizikában a „lyuk” olyan töltés, amely inverz az elektron töltésével, azaz. pozitív töltés.

Mi történik, ha pozitív potenciált alkalmazunk egy ilyen elektródára (ezt kapunak nevezik)? A kapu által keltett elektromos tér a dielektrikumon keresztül a szilíciumba hatolva taszítja a mozgó lyukakat; megjelenik egy kimerült régió - egy bizonyos mennyiségű szilícium, amely mentes a többségi hordozóktól. A CCD-kre jellemző félvezető hordozók paraméterei mellett ennek a tartománynak a mélysége körülbelül 5 μm. Ellenkezőleg, a fény hatására itt keletkezett elektronok a kapuhoz vonzódnak, és az oxid-szilícium határfelületen, közvetlenül a kapu alatt halmozódnak fel, azaz egy potenciálüregbe esnek (1. ábra).

Rizs. egy
Potenciálkút kialakulása, amikor a kapura feszültséget kapcsolunk

Ilyenkor az elektronok a kútban felhalmozódva részben semlegesítik a félvezetőben keletkező elektromos teret a kapu által, és végül azt teljesen kompenzálni tudják, így a teljes elektromos tér csak a dielektrikumra esik, ill. minden vissza fog térni a kezdeti állapot- kivéve, hogy a határfelületen vékony elektronréteg képződik.

Legyen most a kapu mellett egy másik kapu, amelyre szintén pozitív potenciál vonatkozik, ráadásul nagyobb, mint az elsőre (2. ábra). Ha csak a kapuk vannak elég közel, akkor a potenciálkutak egyesülnek, és az egyik potenciálkútban lévő elektronok a szomszédosba költöznek, ha az "mélyebb".
Rizs. 2
Két egymáshoz közel elhelyezkedő kapu átfedő potenciálkútjai. A töltés oda áramlik, ahol a potenciálkút mélyebben van.

Most már világosnak kell lennie, hogy ha van egy kapuláncunk, akkor megfelelő vezérlőfeszültségek rákapcsolásával lehetséges egy lokalizált töltéscsomag átvitele egy ilyen szerkezet mentén. A CCD-k figyelemre méltó tulajdonsága, az önellenőrző tulajdonság, hogy mindössze három órabusz elegendő egy tetszőleges hosszúságú kapulánc meghajtásához. (A busz kifejezés az elektronikában egy vezető elektromos áram, azonos típusú összekötő elemek, órabusz - vezetők, amelyeken fáziseltolásos feszültséget továbbítanak.) Valóban, a töltéscsomagok átviteléhez három elektróda szükséges és elegendő: egy adó, egy fogadó és egy szigetelő, elválasztó vétel és adás párok egymásból, és az azonos nevű hármasok elektródái egyetlen órabuszba kapcsolhatók egymáshoz, csak egy külső kimenetet igényel (3. ábra).

Rizs. 3
A legegyszerűbb háromfázisú CCD regiszter.
Az egyes potenciálkutak töltése eltérő.

Ez a legegyszerűbb háromfázisú CCD eltolási regiszter. ábrán láthatók egy ilyen regiszter működésének óraábrái. négy.

Rizs. négy
A háromfázisú regiszter vezérlésére szolgáló óradiagramok három meandert tartalmaznak 120 fokkal eltolva.
Amikor a potenciálok megváltoznak, a töltések mozognak.

Látható, hogy a normál működéshez minden időpillanatban legalább egy órabusznak nagy potenciállal kell rendelkeznie, és legalább egynek alacsony potenciállal (barrier potenciállal) kell rendelkeznie. Amikor az egyik buszon a potenciál emelkedik, a másikon csökkenti (korábbi), az összes töltéscsomag egyidejűleg átkerül a szomszédos kapukra, és egy teljes cikluson keresztül (egy ciklus minden fázisbuszon) a töltéscsomagok átkerülnek (eltolódnak) az egyikre. regiszter elem.

A töltéscsomagok keresztirányú lokalizálásához úgynevezett stop csatornák jönnek létre - keskeny csíkok a fő adalékanyag megnövekedett koncentrációjával, amelyek az átviteli csatorna mentén futnak (5. ábra).

Rizs. 5.
A lajstrom nézete felülről.
Az átviteli csatornát oldalirányban az ütközőcsatornák korlátozzák.

A helyzet az, hogy az adalékanyag koncentrációja határozza meg, hogy a kapun milyen fajlagos feszültség mellett képződik alatta kimerülési tartomány (ez a paraméter nem más, mint a MOS szerkezet küszöbfeszültsége). Intuitív megfontolások alapján egyértelmű, hogy minél nagyobb a szennyeződés koncentrációja, azaz minél több lyuk van a félvezetőben, annál nehezebb azokat mélyre vezetni, azaz minél nagyobb a küszöbfeszültség, vagy egy feszültségnél annál kisebb a potenciál a potenciálkútban.

Problémák

Ha a digitális eszközök gyártása során a paraméterek eloszlása ​​a lemezen a többszörösét is elérheti anélkül, hogy észrevehetően befolyásolná a kapott eszközök paramétereit (mivel a munka diszkrét feszültségszintekkel történik), akkor CCD-ben a , mondjuk a 10%-os adalékanyag koncentráció már a képen is észrevehető. A kristály mérete hozzáadja a maga problémáit, valamint a redundancia lehetetlenségét, mint például a memória LSI-ben, így a hibás területek az egész kristály használhatatlanságához vezetnek.

Eredmény

A CCD-mátrix különböző pixelei technológiailag eltérő fényérzékenységgel rendelkeznek, és ezt a különbséget korrigálni kell.

A digitális CMA-kban ezt a korrekciót Auto Gain Control (AGC) rendszernek nevezik.

Hogyan működik az AGC rendszer

Az egyszerűség kedvéért nem veszünk semmi konkrétat. Tegyük fel, hogy a CCD-csomópont ADC-jének kimenetén van néhány potenciálszint. Tegyük fel, hogy 60- átlagos szint fehér.

1. A CCD vonal minden egyes pixeljére referencia fehér fénnyel megvilágított érték kerül leolvasásra (komolyabb készülékeknél pedig a „fekete szint” is leolvasásra kerül).
2. Az értéket a rendszer egy referenciaszinthez (pl. átlag) viszonyítja.
3. A kimeneti érték és a referenciaszint közötti különbség pixelenként tárolódik.
4. A jövőben a szkennelés során ezt a különbséget minden képpontra kiegyenlítjük.

Az AGC rendszer a lapolvasó rendszer minden inicializálása után inicializálódik. Valószínűleg észrevette, hogy amikor bekapcsolja a gépet, egy idő után a lapolvasó kocsi előre-vissza mozgásba kezd (kúszni a fekete-fehér csíknál). Ez az AGC rendszer inicializálási folyamata. A rendszer figyelembe veszi a lámpa állapotát is (öregedés).

Valószínűleg Ön is észrevette, hogy a színes szkennerrel felszerelt kis MFP-k három színben „gyújtják meg a lámpát”: piros, kék és zöld. Ekkor már csak az eredeti háttérvilágítása válik fehérre. Ez azért történik, hogy jobban korrigálja a mátrix érzékenységét külön az RGB csatornákra.

Féltónus teszt (ÁRNYÉKOLÁSI TESZT) lehetővé teszi, hogy a mérnök kérésére elindítsa ezt az eljárást, és a korrekciós értékeket a valós állapotra hozza.

Próbáljuk meg mindezt egy igazi, „harci” gépen mérlegelni. Egy jól ismert és népszerű készüléket veszünk alapul SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Megjegyzendő, hogy esetünkben a CCD-ből CIS (Contact Image Sensor) lesz, de a történések lényege ettől alapvetően nem változik. Fényforrásként egy sor LED-et használnak.

Így:

A CIS-ből származó képjel körülbelül 1,2 V feszültségű, és az eszközvezérlő (ADCP) ADC szakaszára (ADCP) kerül táplálásra. Az SADC után az analóg CIS jel 8 bites digitális jellé alakul.

Az SADC képfeldolgozója először a tónuskorrekció, majd a gammakorrekció funkciót használja. Ezt követően az adatok a működési módnak megfelelően különböző modulokba kerülnek. Szöveg módban a képadatok a LAT modulba, Photo módban a képadatok az "Error Diffusion" modulba, PC-Scan módban a képadatok közvetlenül a Személyi számítógép DMA hozzáférésen keresztül.

A tesztelés előtt helyezzen több üres fehér papírlapot az expozíciós üveglapra. Magától értetődik, hogy először belülről kell „nyalni” az optikát, a fekete-fehér csíkot és általában a szkenner szerelvényt.

1. Válassza ki a TECH MODE-ban
2. Nyomja meg az ENTER gombot a kép beolvasásához.
3. A beolvasás után a „CIS SHADING PROFILE” (CIS féltónusprofil) kerül kinyomtatásra. Az alábbiakban egy ilyen lapra mutatunk be példát. Nem kell az eredmény másolatának lennie, hanem a képen belül.
4. Ha a nyomtatott kép nagyon eltér az ábrán láthatótól, akkor a CIS hibás. Felhívjuk figyelmét, hogy az „Eredmények: OK” felirat a jelentéslap alján található. Ez azt jelenti, hogy a rendszernek nincsenek komoly követelései a CIS modullal szemben. Ellenkező esetben hibaüzenet jelenik meg.

Példa a profil nyomtatására:

Sok szerencsét!!

A Szentpétervári Állami Egyetem (LSU), a Szentpétervári Elektrotechnikai Egyetem (LETI) és az Axl tanárainak cikkeinek és előadásainak anyagait vesszük alapul. Köszönöm nekik.

Az anyagot V. Shelenberg készítette

Általános információk a CCD-mátrixokról.

Jelenleg a CCD (Charge-Coupled Device, a CCD angol megfelelője) érzékelőket fényérzékeny eszközként használják a legtöbb képrögzítő rendszerben.

A CCD mátrix működési elve a következő: fényérzékeny elemek mátrixa (akkumulációs szakasz) jön létre szilícium alapján. Minden fényérzékeny elem képes felhalmozni a töltéseket az őt érő fotonok számával arányosan. Így egy ideig (expozíciós idő) az akkumulációs szakaszon egy kétdimenziós töltésmátrixot kapunk, amely arányos az eredeti kép fényesével. A felhalmozott töltések kezdetben a tároló részre kerülnek, majd soronként és pixelenként a mátrix kimenetre kerülnek.

A tárolórész mérete a felhalmozási részhez viszonyítva eltérő:

• képkockánként (mátrixok keretátvitellel a progresszív pásztázáshoz);
• félkockánként (mátrixok keretátvitellel váltottsoros szkenneléshez);

Vannak olyan mátrixok is, amelyekben nincs tároló szakasz, majd a vonalátvitel közvetlenül a gyűjtőszakasz felett történik. Nyilvánvaló, hogy az ilyen mátrixok működéséhez optikai redőnyre van szükség.

A modern CCD-mátrixok minősége olyan, hogy a töltés gyakorlatilag nem változik az átviteli folyamat során.

A televíziós kamerák látszólagos sokfélesége ellenére a bennük használt CCD mátrixok gyakorlatilag megegyeznek, hiszen a CCD mátrixok tömeges és nagyüzemi gyártását csak kevés cég végzi. Ezek a SONY, a Panasonic, a Samsung, a Philips, a Hitachi Kodak.

A CCD mátrixok fő paraméterei a következők:

• méret pixelben;
• fizikai méret hüvelykben (2/3, 1/2, 1/3 stb.). Ugyanakkor maguk a számok nem határozzák meg az érzékeny terület pontos méretét, hanem inkább az eszköz osztályát;
• érzékenység.

CCD kamerák felbontása.

A CCD kamerák felbontását elsősorban a CCD mátrix pixelben mért mérete és az objektív minősége határozza meg. Ezt valamennyire befolyásolhatja a kamera elektronikája (ha rosszul van megcsinálva, az ronthatja a felbontást, de őszintén szólva most már ritkán csinálják rosszul).

Itt fontos egy megjegyzést tenni. Egyes esetekben nagyfrekvenciás térszűrőket szerelnek be a kamerákba, hogy javítsák a látszólagos felbontást. Ebben az esetben egy kisebb méretű kamerával készített tárgy képe még élesebbnek tűnhet, mint az azonos tárgyról egy objektíve jobb kamerával készített képe. Természetesen ez elfogadható, ha a kamerát vizuális megfigyelő rendszerekben használják, de teljesen alkalmatlan mérőrendszerek építésére.

Felbontás és CCD formátum.

Jelenleg különböző cégek gyártanak CCD-mátrixokat, amelyek a legszélesebb mérettartományt fedik le, több száztól több ezerig. Tehát egy 10000x10000 méretű mátrixról számoltak be, és ebben az üzenetben nem annyira ennek a mátrixnak a költségeit, hanem a kapott képek tárolásának, feldolgozásának és továbbításának problémáit. Mint tudjuk, a 2000x2000-ig terjedő méretű mátrixokat többé-kevésbé széles körben használják.

A legszélesebb körben, pontosabban, tömegesen használt CCD-mátrixokba természetesen a televíziós szabványnak megfelelő felbontású mátrixokat kell tartalmazniuk. Ezek alapvetően két formátumú mátrixok:

• 512*576;
• 768*576.

Az 512*576 mátrixokat általában egyszerű és olcsó videó megfigyelő rendszerekben használják.

A 768 * 576 mátrixok (néha kicsit több, néha kicsit kevesebb) lehetővé teszik, hogy maximális felbontás szabványos TV-jelhez. Ugyanakkor az 512*576 formátumú mátrixokkal ellentétben négyzethez közeli fényérzékeny elemekből álló rácsot tartalmaznak, és ennek következtében egyenlő vízszintes és függőleges felbontásúak.

A kameragyártók gyakran televíziós vonalakban jelzik a felbontást. Ez azt jelenti, hogy a kamera lehetővé teszi, hogy világos háttéren N/2 sötét függőleges vonást lásson, a képmezőbe írt négyzetben elhelyezve, ahol N a televíziós vonalak deklarált száma. A szabványos televíziós asztal esetében ez a következőket jelenti: a távolság kiválasztásával és az asztali kép fókuszálásával biztosítani kell, hogy a monitoron látható asztalkép felső és alsó széle egybeessen az asztal külső kontúrjával, fekete-fehér prizmák csúcsai jelzik; továbbá a végső fókuszálás után a számot a függőleges ék azon helyén olvassuk le, ahol a függőleges vonások először megszűnnek feloldani. Az utolsó megjegyzés nagyon fontos. a tábla 600 vagy annál több ütésszámú tesztmezőinek képén pedig gyakran láthatók szaggatott sávok, amelyek valójában az asztal ütéseinek térbeli frekvenciáinak és a rácshálónak a verésével képződött moire. a CCD mátrix érzékeny elemei. Ez a hatás különösen szembetűnő a nagyfrekvenciás térszűrős kameráknál (lásd fent)!

Szeretném megjegyezni, hogy a többi tényező változatlansága mellett (ezt leginkább az objektív befolyásolhatja) a fekete-fehér kamerák felbontását egyértelműen a CCD mátrix mérete határozza meg. Tehát egy 768 * 576 formátumú kamera 576 tévésoros felbontású lesz, bár egyes prospektusokban 550-es, máshol 600-as értéket találhatunk.

Lencse.

A CCD cellák fizikai mérete a fő paraméter, amely meghatározza a lencsefelbontás követelményét. Egy másik ilyen paraméter lehet az a követelmény, hogy biztosítsák a mátrix működését enyhe túlterhelés esetén, amelyet az alábbiakban tárgyalunk.

Egy 1/2 hüvelykes SONY ICX039 érzékelő esetén a pixelméret 8,6 μm * 8,3 μm. Ezért az objektívnek jobb felbontásúnak kell lennie, mint:

1/8.3*10e-3= 120 sor (60 sorpár milliméterenként).

Az 1/3 hüvelykes szenzorokhoz készült objektívek esetében ennek az értéknek még magasabbnak kell lennie, bár ez furcsa módon nem befolyásolja a költségeket és az olyan paramétert, mint a rekesz, mivel ezek az objektívek a képalkotás szükségességének figyelembevételével készülnek. a mátrix kisebb fényérzékeny mezője. Ebből az is következik, hogy a kisebb szenzorokhoz való lencsék nem alkalmasak nagy érzékelőkhöz, mivel a nagy érzékelők szélein jelentősen romlik a teljesítmény. Ugyanakkor a nagy szenzorokhoz való lencsék korlátozhatják a kisebb érzékelőktől kapott képek felbontását.

Sajnos a televíziós kamerák objektíveinek modern bősége mellett nagyon nehéz információkat szerezni a felbontásukról.

Általánosságban elmondható, hogy nem gyakran választunk objektívet, hiszen szinte minden Ügyfelünk videorendszert telepít a meglévő optikára: mikroszkópokra, teleszkópokra stb., így az objektívpiacról információink jegyzet jellegűek. Csak annyit mondhatunk, hogy az egyszerű és olcsó objektívek felbontása 50-60 sorpár/mm tartományba esik, ami általában nem elegendő.

Arról viszont van információnk, hogy a Zeiss által gyártott, 100-120 vonalpár/mm felbontású speciális lencsék több mint 1000 dollárba kerülnek.

Tehát objektív vásárlásakor előzetes tesztelést kell végezni. Azt kell mondanom, hogy a legtöbb moszkvai eladó lencséket ad tesztelésre. Itt még egyszer érdemes felidézni a moaré effektust, amelynek jelenléte, mint fentebb megjegyeztük, félrevezető lehet a mátrix felbontását illetően. Tehát a moaré jelenléte az asztal 600 TV-sor feletti vonásokkal az objektívhez viszonyított képén az utóbbi bizonyos felbontását jelzi, ami természetesen nem árt.

Még egy, talán fontos megjegyzés a geometriai mérések iránt érdeklődőknek. Valamennyi objektívnek van bizonyos mértékig torzulása (a kép geometriájának tűpárna alakú torzulása), és általában minél rövidebb az objektív, annál nagyobb a torzítás. Véleményünk szerint a 8-12 mm-nél nagyobb gyújtótávolságú objektívek elfogadható torzítással rendelkeznek az 1/3" és 1/2"-os fényképezőgépekhez. Bár az "elfogadhatóság" szintje természetesen attól függ, hogy milyen feladatokat kell megoldania a kamerának.

Képbemeneti vezérlők felbontása

A képbemeneti vezérlők felbontása alatt a vezérlő analóg-digitális átalakítójának (ADC) átalakítási frekvenciáját kell érteni, amelynek adatai azután a vezérlő memóriájában rögzítésre kerülnek. Nyilvánvaló, hogy a digitalizálás gyakoriságának növelésének ésszerű határa van. A fényérzékeny réteg folytonos szerkezetével rendelkező eszközök, például vidikonok esetében az optimális mintavételezési frekvencia megegyezik a hasznos vidikon jel felső frekvenciájának kétszeresével.

Az ilyen fénydetektoroktól eltérően a CCD mátrixok diszkrét topológiájúak, így a számukra optimális digitalizálási frekvenciát a mátrix kimeneti regiszter eltolási frekvenciájaként határozzuk meg. Ugyanakkor fontos, hogy a vezérlő ADC-je szinkronban működjön a CCD mátrix kimeneti regiszterével. Csak ebben az esetben lehet elérni legjobb minőségátalakítások mind a kapott képek "merev" geometriájának biztosítása, mind az óraimpulzusokból és tranziensekből származó zaj minimalizálása szempontjából.

CCD kamerák érzékenysége

1994 óta használjuk készülékeinkben az ICX039 CCD érzékelőn alapuló SONY gokart kamerákat. Az eszköz SONY leírása 0,25 lux érzékenységet jelez egy 1,4-es objektívrekesznyílású tárgyon. Többször láthattunk már hasonló paraméterekkel (1/2 hüvelykes méret, 752*576 felbontású) kamerákat, amelyek deklarált érzékenysége 10-szer vagy akár 100-szor nagyobb, mint a "mi" SONYé.

Ezeket a számokat többször ellenőriztük. A legtöbb esetben ugyanazt az ICX039 CCD-t találtuk különböző gyártók kameráiban. Ugyanakkor az összes "pántos" mikroáramkör is SONY volt. Igen, és az összehasonlító tesztelés szinte teljes azonosságot mutatott ezeknek a kameráknak. Szóval mi a kérdés?

És az egész kérdés az, hogy milyen jel-zaj aránynál (s / w) határozzák meg az érzékenységet. Nálunk a SONY lelkiismeretesen mutatott érzékenységet s / w = 46 dB mellett, míg más cégek ezt vagy nem jelezték, vagy úgy jelezték, hogy nem világos, milyen körülmények között végezték ezeket a méréseket.

Ez általában a legtöbb kameragyártó gyakori csapása – nem pedig a kamerák paramétereinek mérési feltételeinek feltüntetése.

Az a tény, hogy az s / w arány követelményének csökkenésével a kamera érzékenysége fordítottan növekszik a szükséges s / w arány négyzetével:

ahol:
I - érzékenység;
K - konverziós tényező;
s/w - s/w arány lineáris egységekben,

ezért sok cég kísértést érez arra, hogy alacsony S/N arány mellett jelezze a kamerák érzékenységét.

Elmondható, hogy a mátrixok jobb vagy rosszabb „látási” képességét a felületére eső fotonokból átalakult töltések száma, valamint ezeknek a töltéseknek a kimenetre való eljuttatásának minősége határozza meg. A felhalmozott töltések mennyisége a fényérzékeny elem területétől és a CCD-tömb kvantumhatékonyságától függ, a szállítás minőségét pedig számos tényező határozza meg, amelyek gyakran egy-leolvasási zajra csökkennek. A modern mátrixok leolvasási zaja 10-30 elektron nagyságrendű, de még ennél is kevesebb!

A CCD-mátrixok elemeinek területe eltérő, de a kameráknál a 1/2 hüvelykes mátrixok jellemző értéke 8,5 µm * 8,5 µm. Az elemek méretének növekedése maguknak a mátrixoknak a méretének növekedéséhez vezet, ami nem annyira a gyártási ár tényleges növekedése miatt növeli a költségüket, hanem annak a ténynek köszönhető, hogy az ilyen eszközök sorozatgyártása több nagyságrenddel kisebb. Ezenkívül a mátrix topológiája olyan mértékben befolyásolja a fényérzékeny zóna területét, hogy az érzékeny terület (kitöltési tényező) a kristály teljes felületének egy százalékát foglalja el. Egyes speciális mátrixok 100%-os kitöltési tényezőt írnak elő.

A kvantumhatásfok (átlagosan mennyivel változik egy érzékeny cella töltése az elektronokban, ha egy foton a felületére esik) a modern mátrixok esetében 0,4-0,6 (egyedi mátrixok esetében, amelyek nem rendelkeznek virágzásgátlóval, eléri a 0,85-öt).

Így látható, hogy a CCD kamerák érzékenysége egy bizonyos s/w értékhez viszonyítva a fizikai határ közelébe került. Következtetésünk szerint az általános használatra szánt kamerák tipikus érzékenységi értékei s/n=46-nál a 0,15-0,25 lux megvilágítási tartományba esnek a tárgyon 1,4-es objektívrekesz mellett.

Ebben a tekintetben nem javasoljuk, hogy vakon bízzon a kamerák leírásában feltüntetett érzékenységi adatokban, különösen akkor, ha ennek a paraméternek a meghatározásának feltételei nincsenek megadva, és ha televíziós üzemmódban 0,01-0,001 lux érzékenységet lát a kamera útlevelében 500 USD-ig terjedő ár, majd a mintavétel előtt enyhén szólva téves információkat.

A CCD kamerák érzékenységének növelésének módjairól

Mi a teendő, ha egy nagyon halvány objektumról, például egy távoli galaxisról kell képet készítenie?

Az egyik megoldás a kép időbeli halmozódása. Ennek a módszernek a megvalósítása lehetővé teszi a CCD érzékenységének jelentős növelését. Természetesen ez a módszer alkalmazható álló megfigyelési objektumokra, vagy abban az esetben, ha a mozgás kompenzálható, ahogy azt a csillagászatban teszik.

1. ábra Bolygóköd M57.

Teleszkóp: 60 cm, expozíció - 20 mp., hőmérséklet expozíció alatt - 20 C.
A köd közepén egy 15 magnitúdójú csillagobjektum található.
A képet V. Amirkhanyan szerezte meg az ÁSZ RAS-tól.

Kellő pontossággal vitatható, hogy a CCD kamerák érzékenysége egyenesen arányos az expozíciós idővel.

Például az érzékenység 1 mp-es záridőnél az eredeti 1/50 s-hoz képest 50-szeresére nő, azaz. jobb lesz - 0,005 lux.

Természetesen ezen az úton vannak problémák, és ez elsősorban a mátrixok sötét árama, amely a hasznos jellel egyidejűleg felhalmozódott töltéseket hoz. A sötétáramot egyrészt a kristály gyártási technológiája, másrészt a technológiai szint, és természetesen nagyon nagy mértékben magának a mátrixnak a működési hőmérséklete határozza meg.

Általában a hosszú felhalmozódási idő elérése érdekében, percek vagy tízpercek nagyságrendjében, a mátrixokat mínusz 20-40 fokra hűtik le. C. A mátrixok ilyen hőmérsékletre való hűtésének feladata önmagában megoldódott, de egyszerűen lehetetlen azt mondani, hogy ez megtehető, mivel a párásodás mindig tervezési és működési problémákkal jár. védőszemüvegés a hőelvezetés a termoelektromos hűtőszekrény forró csomópontjából.

Ugyanakkor a CCD-mátrixok előállításának technológiai fejlődése olyan paramétert is befolyásolt, mint a sötétáram. Itt az eredmények nagyon jelentősek, és néhány jó modern mátrix sötét árama nagyon kicsi. Tapasztalataink szerint a hűtés nélküli kamerák szobahőmérsékleten több tíz másodpercen belül, sötét háttér kompenzálásával pedig akár több perces exponálást tesznek lehetővé. Például itt van egy fénykép az M57 bolygóködről, amelyet a VS-a-tandem-56/2 videorendszer hűtés nélkül, 20 másodperces expozícióval kapott.

Az érzékenység növelésének második módja az elektronoptikai konverterek (EC) használata. A képerősítő csövek olyan eszközök, amelyek felerősítik a fényáramot. A modern képerősítő csövek igen magas erősítési értékekkel rendelkezhetnek, azonban a részletekbe nem bocsátkozva elmondhatjuk, hogy a képerősítő csövek használata csak a kamera küszöbérzékenységét tudja javítani, ezért az erősítését nem szabad túl nagyra tenni.

CCD kamerák spektrális érzékenysége

2. ábra Különféle mátrixok spektrális jellemzői

Egyes alkalmazásoknál a CCD spektrális érzékenysége fontos tényező. Mivel az összes CCD szilícium alapú, így a "csupasz" formában a CCD spektrális érzékenysége megfelel ennek a szilícium paraméternek (lásd 2. ábra).

Amint látható, a sokféle jellemző mellett a CCD érzékelők maximális érzékenységgel rendelkeznek a vörös és a közeli infravörös (IR) tartományban, és egyáltalán nem látnak semmit a spektrum kék-ibolya részében. A CCD közeli infravörös érzékenységét használják az infravörös fényforrásokkal megvilágított rejtett megfigyelési rendszerekben, valamint a magas hőmérsékletű objektumok hőterének mérésére.

Rizs. 3 SONY fekete-fehér mátrixok tipikus spektrális válasza.

A SONY az összes fekete-fehér mátrixát a következő spektrális válaszokkal állítja elő (lásd 3. ábra). Amint az ezen az ábrán látható, a CCD érzékenysége a közeli IR-ben jelentősen csökkent, de a mátrix elkezdte érzékelni a spektrum kék tartományát.

Különféle speciális célokra fejlesztenek ultraibolya, sőt röntgensugárzásra érzékeny mátrixokat. Általában ezek az eszközök egyediek, és az ára meglehetősen magas.

A progresszív és váltott soros szkennelésről

A szabványos televíziós jelet a sugárzott televíziós rendszerhez fejlesztették ki, és van egy nagy hátránya a modern bemeneti és képfeldolgozó rendszerek szempontjából. Bár a TV-jel 625 sort tartalmaz (ebből kb. 576 videóinformációt tartalmaz), 2 félkocka látható egymás után, amelyek páros sorokból (páros félkocka) és páratlan sorokból (páratlan félkocka) állnak. Ez oda vezet, hogy ha mozgóképet adunk meg, akkor az elemzés nem használhat több Y felbontást, mint ahány sor van egy félkockában (288). Ezenkívül a modern rendszerekben, amikor a képet egy számítógép-monitoron jelenítik meg (amely progresszív letapogatással rendelkezik), a váltott soros kamerából bevitt kép a megfigyelési tárgy mozgása közben kellemetlen vizuális hasító hatást okoz.

Ennek a hiányosságnak a kezelésére minden módszer a függőleges felbontás romlásához vezet. Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésének és a CCD-szerű felbontás elérésének egyetlen módja, ha a CCD-ben progresszív letapogatásra váltunk. A CCD gyártók gyártanak ilyen mátrixokat, de a kis sorozatgyártás miatt az ilyen mátrixok, kamerák ára jóval magasabb, mint a hagyományosoké. Például a progresszív letapogatású ICX074 SONY mátrix ára háromszor magasabb, mint az ICX039 (interlaced scan).

Egyéb kamera opciók

Ezek a többiek olyan paramétert tartalmaznak, mint a "virágzás", azaz. töltés terjed a mátrix felületén, ha egyes elemei túlexponáltak. A gyakorlatban ilyen eset előfordulhat például vakító tárgyak megfigyelésekor. Ez a CCD-k meglehetősen kellemetlen hatása, mivel néhány fényes pont torzíthatja a teljes képet. Szerencsére sok modern mátrix tartalmaz virágzásgátló eszközöket. Így néhány legújabb SONY mátrix leírásában 2000-et találtunk, ami az egyes cellák megengedett fénytúlterhelését jellemzi, ami még nem vezet töltésterjedéshez. Ez meglehetősen magas érték, különösen, mivel tapasztalataink szerint ezt az eredményt csak a mátrixot és a videojel előerősítő csatornát közvetlenül vezérlő meghajtók speciális beállításával lehet elérni. Emellett az objektív hozzájárul a fényes pontok "terjedéséhez" is, hiszen ekkora fénytúlterhelésnél már a fő spoton kívüli kis szórás is észrevehető fényállást ad a szomszédos elemeknek.

Itt azt is meg kell jegyezni, hogy egyes, általunk nem igazolt adatok szerint a virágzásgátló mátrixok kvantumhatékonysága 2-szer alacsonyabb, mint a virágzásgátló nélküli mátrixoké. Ebben a tekintetben a nagyon nagy érzékenységet igénylő rendszerekben érdemes lehet virágzásgátlás nélküli mátrixokat használni (általában ezek speciális feladatok, például csillagászati ​​feladatok).

A színes kamerákról

A fejezet anyagai némileg túlmutatnak az általunk kialakított mérőrendszerek figyelembevételén, ennek ellenére a színes kamerák elterjedtsége (akár a fekete-fehéreknél is több) kényszerít bennünket ennek a kérdésnek a tisztázására, különösen azért, mert az Ügyfelek gyakran megpróbálják fekete-fehér vázfogóink színes TV kamerákat használnak, és nagyon meglepődnek, amikor a kapott képeken csíkokat találnak, és a képek felbontása nem megfelelő. Magyarázzuk el, mi folyik itt.

Kétféleképpen lehet színjelet generálni:

• 1. egyetlen szenzoros kamera használatával.
• 2. 3 CCD mátrixból álló rendszer használata színleválasztó fejjel, hogy ezeken a mátrixokon R, G, B színjelkomponenseket kapjunk.

A második módszer biztosítja a legjobb minőséget, és csak ez teszi lehetővé a mérőrendszerek beszerzését, azonban az ezen az elven működő kamerák meglehetősen drágák (több mint 3000 dollár).

A legtöbb esetben egymátrixos CCD kamerákat használnak. Vegye figyelembe a működési elvüket.

A CCD-mátrix meglehetősen széles spektrális jellemzőiből kiderül, hogy nem tudja meghatározni a felületet érő foton "színét". Ezért a színes kép beviteléhez a CCD mátrix minden eleme elé fényszűrőt kell felszerelni. Ebben az esetben a mátrixelemek teljes száma változatlan marad. A SONY például pontosan ugyanazokat a CCD-mátrixokat állítja elő a fekete-fehér és színes változatokhoz, amelyek csak a színmátrix érzékeny területeire közvetlenül felvitt fényszűrők rácsának jelenlétében különböznek egymástól. Számos séma létezik a mátrixok színezésére. Íme az egyik közülük.

Itt 4 különböző szűrőt használnak (lásd 4. és 5. ábra).

4. ábra Fényszűrők eloszlása ​​a CCD mátrix elemein

5. ábra CCD-elemek spektrális érzékenysége különböző fényszűrőkkel.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

Az A1 sorban a "piros" színkülönbség jelet a következőképpen kapjuk meg:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

és az A2 sorban "kék" színkülönbség jelet kapnak:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Innen jól látható, hogy egy színes CCD-mátrix térbeli felbontása ugyanazon fekete-fehérhez képest általában 1,3-1,5-szer rosszabb vízszintesen és függőlegesen. A fényszűrők használata miatt a színes CCD érzékenysége is rosszabb, mint a fekete-fehéré. Így azt mondhatjuk, hogy ha van egy 1000 * 800 egymátrixú vevő, akkor valójában körülbelül 700 * 550 a fényerő jele és 500 * 400 (700 * 400 lehetséges) a színes jel esetében.

Elterelve a figyelmet a technikai kérdésekről, szeretném megjegyezni, hogy reklámcélból sok elektronikus fényképezőgép gyártója teljesen érthetetlen adatokat közöl technológiájáról. Például a Kodak DC120-as elektronikus kamerájának felbontását 1200*1000-re hirdeti, 850x984 pixeles mátrixszal. De uraim - üres helyről információ nem merül fel, bár vizuálisan jól néz ki!

A színjel (egy kép színéről információt hordozó jel) térbeli felbontásáról azt mondhatjuk, hogy legalább 2-szer rosszabb, mint a fekete-fehér jel felbontása. Ezenkívül a kimeneti pixel „számított” színe nem a forráskép megfelelő elemének színe, hanem csak a forráskép különböző elemeinek fényerejének feldolgozásának eredménye. Durván szólva, az objektum szomszédos elemeinek fényerejének éles különbsége miatt olyan szín számítható ki, amely itt egyáltalán nincs, míg a kamera enyhe eltolása a kimeneti szín éles változásához vezet. Például: egy sötét és világosszürke mező szegélye többszínű négyzeteknek fog kinézni.

Mindezek az érvek csak a színes CCD-mátrixok információszerzésének fizikai elvét érintik, miközben figyelembe kell venni, hogy a színes kamerák kimenetén a videojelet általában a szabványos PAL, NTSC és ritkábban S-jelek valamelyikében mutatják be. videó formátumok.

A PAL és NTSC formátumok azért jók, mert a szabványos monitorokon azonnal lejátszhatók videó bemenettel, de nem szabad elfelejteni, hogy ezek a szabványok lényegesen szűkebb sávszélességet biztosítanak a színes jel számára, így helyesebb színes képről beszélni. itt nem színes képről szól. A színes komponenst hordozó videojelekkel rendelkező kamerák másik kellemetlen tulajdonsága a fent említett csíkok megjelenése a fekete-fehér keretbefogókkal kapott képen. És itt az a lényeg, hogy a színjel szinte a videó jelsáv közepén helyezkedik el, interferenciát keltve a képkockába való belépéskor. Ezt az interferenciát nem látjuk a televízió monitorán, mert ennek az "interferenciának" a fázisa négy képkocka után az ellenkezőjére változik, és a szem átlagolja. Ebből adódik az Ügyfél zavarodottsága, aki olyan interferenciával kapott képet, amelyet nem lát.

Ebből az következik, hogy ha bizonyos méréseket kell végrehajtania vagy tárgyakat szín szerint megfejteni, akkor ezt a kérdést a fenti és a feladat egyéb jellemzőinek figyelembevételével kell megközelíteni.

A CMOS szenzorokról

Az elektronika világában minden nagyon gyorsan változik, és bár a fotodetektorok területe az egyik legkonzervatívabb, az utóbbi időben új technológiák jelentek meg. Ez mindenekelőtt a CMOS televíziós mátrixok megjelenésére vonatkozik.

Valójában a szilícium fényérzékeny elem, és bármilyen félvezető termék használható érzékelőként. A CMOS technológia használata számos nyilvánvaló előnyt kínál a hagyományos technológiával szemben.

Először is, a CMOS technológiát jól elsajátították, és lehetővé teszi a sejtek magas hozamú, jó termékek előállítását.

Másodszor, a CMOS technológia lehetővé teszi, hogy a mátrixon kívül a fényérzékeny terület és különféle eszközök keretek (az ADC-ig), amelyeket korábban "külsőre" telepítettek. Ez lehetővé teszi digitális kimenetű kamerák gyártását "egy chipen".

Ezen előnyöknek köszönhetően sokkal olcsóbb televíziós kamerák gyártása válik lehetővé. Emellett jelentősen bővül a mátrixot előállító cégek köre.

Jelenleg a CMOS technológián alapuló televíziós mátrixok és kamerák megjelenése csak egyre jobb. Az ilyen eszközök paramétereiről nagyon kevés információ áll rendelkezésre. Csak annyit lehet megjegyezni, hogy ezen mátrixok paraméterei nem haladják meg a most elérteket, ami az árat illeti, akkor előnyeik tagadhatatlanok.

Példaként említek egy egychipes színes kamerát a Photobit PB-159-től. A kamera egyetlen chipen készül, és a következő műszaki paraméterekkel rendelkezik:

• felbontás - 512*384;
• pixelméret - 7,9μm * 7,9μm;
• érzékenység - 1lux;
• kimenet - digitális 8 bites SRGB;
• test - 44 láb PLCC.

Így a kamera négyszeresére veszít érzékenységében, ráadásul egy másik kamera információiból egyértelműen kiderül, hogy ennek a technológiának a viszonylag nagy sötét árammal vannak gondjai.

A digitális fényképezőgépekről

A közelmúltban egy új piaci szegmens jelent meg és gyorsan növekszik, CCD-k és CMOS érzékelők- digitális kamerák. Ezen túlmenően jelenleg ezeknek a termékeknek a minősége meredeken növekszik az árak jelentős csökkenésével egyidejűleg. Valójában 2 évvel ezelőtt csak egy 1024 * 1024 felbontású mátrix körülbelül 3000-7000 dollárba került, most pedig az ilyen mátrixokkal rendelkező kamerák és egy csomó csengő és síp (LCD-képernyő, memória, zoomobjektív, kényelmes test stb.). ) kevesebb mint 1000 dollárért vásárolható meg. Ez csak a mátrixok nagyüzemi előállítására való átállással magyarázható.

Mivel ezek a kamerák CCD-re és CMOS mátrixokra épülnek, a cikkben az érzékenységről, a színjelképzés elveiről szóló érvek rájuk is érvényesek.

Konklúzió helyett

Gyakorlati tapasztalataink alapján a következő következtetéseket vonhatjuk le:

• A CCD gyártástechnológiája az érzékenység és a zaj tekintetében nagyon közel van a fizikai határokhoz;
• a TV-kamerák piacán elfogadható minőségű kamerák találhatók, bár a magasabb paraméterek eléréséhez beállításra lehet szükség;
• nem szabad megtéveszteni a kamerák tájékoztatójában szereplő nagy érzékenységű számadatokat;
• és mégis, a különböző eladóktól származó teljesen azonos kamerák és akár csak ugyanazon kamerák árai akár kétszeresét is eltérhetnek!

A képek szilárdtest-fotoelektromos átalakítói (SFEC) a továbbító CRT-k analógjai.

A TFEC-ek 1970-re nyúlnak vissza, az úgynevezett CCD-kkel, és egyedi cellák alapján készülnek, amelyek MIS vagy MOS kondenzátorok. Az ilyen elemi kondenzátor egyik lemeze egy M fémfilm, a második egy P félvezető hordozó ( p- vagy n-vezetőképesség), a D dielektrikum egy félvezető, amely vékony réteg formájában van lerakva a P hordozóra. Akceptorral adalékolt szilícium ( p-típus) vagy donor ( n-típusú) szennyeződés, és mint D - szilícium-oxid SiO 2 (lásd 8.8. ábra).

Rizs. 8.8. MOS kondenzátor

Rizs. 8.9. Töltések mozgása elektromos tér hatására

Rizs. 8.10. A háromfázisú CCD rendszer működési elve

Rizs. 8.11. Töltések mozgása kétfázisú CCD rendszerben

Amikor egy fémelektródára feszültséget adunk, alatta „zseb” vagy potenciálkút alakul ki, amelyben kisebb hordozók (esetünkben elektronok) „halmozódhatnak fel”, a többségi hordozók, lyukak pedig kiszorulnak belőle. M. A felszíntől bizonyos távolságban a kisebb hordozók koncentrációja magasabb lehet, mint a főbb hordozók koncentrációja. A P hordozóban a D dielektrikum közelében egy inverziós réteg keletkezik, amelyben a vezetőképesség típusa fordítottra változik.

A CCD-ben lévő töltéscsomag elektromosan vagy fénygenerálás segítségével vezethető be. A fénytermelés során a szilíciumban végbemenő fotoelektromos folyamatok kisebbségi hordozók felhalmozódásához vezetnek a potenciális kutakban. A felhalmozott töltés arányos a megvilágítással és a felhalmozási idővel. A CCD-ben az irányított töltésátvitelt úgy biztosítják, hogy a MOS-kondenzátorokat olyan közel helyezik egymáshoz, hogy a kimerülési régióik átfedik egymást, és a potenciálkutak össze vannak kötve. Ebben az esetben a kisebbségi szolgáltatók mobiltöltése azon a helyen halmozódik fel, ahol a potenciális kút mélyebben van.

Hagyja fény hatására az elektróda alatt felgyülemlett töltést U 1 (lásd 8.9. ábra). Ha most a szomszédos elektródán U 2 kapcsoljon feszültséget U 2 > U 1 , akkor egy másik potenciális kút jelenik meg a közelben, mélyebben ( U 2 > U egy). Megjelenik közöttük egy elektromos térrégió, és a kisebbségi hordozók (elektronok) egy mélyebb „zsebbe” sodródnak (folynak) (lásd 8.9. ábra). A töltések átvitelének kétirányúságának kiküszöbölése érdekében elektródák sorozatát alkalmazzák, 3 elektródából álló csoportokban kombinálva (lásd 8.10. ábra).

Ha például a 4 elektróda alatt töltés halmozódik fel, és azt jobbra kell átvinni, akkor a jobb oldali 5 elektródára nagyobb feszültség kerül ( U 2 > U 1) és a töltés ráfolyik stb.

Szinte a teljes elektródakészlet három gumiabroncshoz van csatlakoztatva:

I - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Esetünkben a "vételi" feszültség ( U 2) a 2. és 5. elektródán lesz, de a 2. elektródát a 3. elektród választja el a 4. elektródától, ahol a töltés tárolódik.

U 3 = 0), így nem lesz balra túlcsordulás.

A CCD háromciklusú működése azt jelenti, hogy TV-képelemenként három elektróda (cella) van jelen, ami csökkenti a fényáram által felhasznált területet. A CCD cellái (elektródái) számának csökkentésére fémelektródákat és egy dielektromos réteget alakítanak ki lépcsőzetesen (lásd 8.11. ábra). Ez lehetővé teszi, hogy feszültségimpulzusok alkalmazásakor az elektródákra különböző mélységű potenciálkutak jöjjenek létre a különböző szakaszai alatt. A szomszédos cellából származó töltések nagy része a mélyebb gödörbe kerül.

Kétfázisú CCD rendszerrel a mátrixban lévő elektródák (cellák) száma egyharmaddal csökken, ami kedvezően befolyásolja a potenciális dombormű leolvasását.

A CCD-ket kezdetben a számítástechnikában tárolóeszközként, műszakregiszterként javasolták használni. A lánc elején egy befecskendező diódát helyeztek el, amely töltést visz be a rendszerbe, az áramkör végén pedig egy kimeneti diódát, általában ez n-p- vagy p-n- MOS szerkezeti átmenetek, amelyek térhatású tranzisztorokat képeznek a CCD láncok első és utolsó elektródájával (celláival).

De hamar kiderült, hogy a CCD-k nagyon érzékenyek a fényre, ezért jobb és hatékonyabb fényérzékelőként használni őket, nem pedig tárolóeszközként.

Ha CCD tömböt használnak fotodetektorként, akkor az egyik vagy másik elektróda alatti töltésfelhalmozás optikai módszerrel (fényinjektálás) végrehajtható. Elmondható, hogy a CCD mátrixok eredendően fényérzékeny analóg eltolási regiszterek. Ma a CCD-ket nem tárolóeszközként (memóriaeszközként) használják, hanem csak fotodetektorként. Faxgépekben, szkennerekben (CCD tömbök), kamerákban és kamerákban (CCD tömbök) használják. A tévékamerák általában úgynevezett CCD-chipeket használnak.

Feltételeztük, hogy a töltések 100%-a átkerül a szomszédos zsebbe. A gyakorlatban azonban veszteségekkel kell számolni. A veszteségek egyik forrása a „csapdák”, amelyek egy ideig képesek felfogni és megtartani a töltéseket. Ezeknek a töltéseknek nincs idejük befolyni a szomszédos zsebbe, ha az átviteli sebesség magas.

A második ok maga az áramlási mechanizmus. Az első pillanatban a töltésátvitel erős elektromos térben történik - a besodródás E. A töltések áramlásával azonban a térerősség csökken, és a sodródási folyamat kialszik, így az utolsó rész a diffúzió miatt mozog, 100-szor lassabban, mint a sodródás. Az utolsó adag kivárása a teljesítmény lassítását jelenti. A Drift több mint 90%-os átvitelt biztosít. De a veszteségek meghatározásánál az utolsó százalékok a fő szempontok.

Legyen egy átviteli ciklus átviteli együtthatója egyenlő k= 0,99, feltételezve a ciklusok számát N= 100, meghatározzuk a teljes átviteli együtthatót:

0,99 100 = 0,366

Nyilvánvalóvá válik, hogy nagy számú elem esetén egy elemen még jelentéktelen veszteségek is keletkeznek nagyon fontos a lánc egészére.

Ezért különösen fontos a CCD-tömbben a töltésátvitelek számának csökkentése. Ebből a szempontból a kétfázisú CCD-tömb töltésátviteli együtthatója valamivel magasabb lesz, mint a háromfázisú rendszereké.

Mi az a CCD?

Egy kis történelem

Fényfogóként korábban fényképészeti anyagokat használtak: fotólemezeket, fotófilmet, fotópapírt. Később megjelentek a televíziós kamerák és a PMT-k (fotoelektromos multiplikátor).
A 60-as évek végén és a 70-es évek elején elkezdték fejleszteni az úgynevezett "Charge-Coupled Devices"-eket, amelyek rövidítése CCD. Magyarul úgy néz ki, mint "charge-coupled devices" vagy röviden CCD. A CCD alapelve az volt, hogy a szilícium képes reagálni a látható fényre. Ez a tény pedig arra a gondolatra vezetett, hogy ez az elv használható világító tárgyak képeinek készítésére.

A csillagászok az elsők között ismerték fel a CCD-k rendkívüli képalkotási képességeit. 1972-ben a JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) kutatóinak egy csoportja megalapította a CCD fejlesztési programot csillagászati ​​és űrkutatási célokra. Három évekkel később, az Arizonai Egyetem tudósaival együtt ez a csapat elkészítette az első csillagászati ​​CCD-képet. Az Uránusz közeli infravörös képén egy 1,5 méteres teleszkóppal sötét foltokat találtak a bolygó déli pólusának közelében, ami arra utal, hogy ott van metán ...

A CCD-mátrixok használata manapság széles körben alkalmazható: digitális fényképezőgépek, videokamerák; Lehetővé vált a CCD-mátrix beágyazása, mint a kamerák, még mobiltelefonokba is.

CCD eszköz

Tipikus CCD-eszköz (1. ábra): a félvezető felületén vékony (0,1-0,15 μm) dielektromos réteg (általában oxid) található, amelyen vezetőképes elektródák (fémből vagy polikristályos szilíciumból) csíkok helyezkednek el. Ezek az elektródák lineáris vagy mátrixos szabályos rendszert alkotnak, és az elektródák közötti távolságok olyan kicsik, hogy a szomszédos elektródák kölcsönös hatásának hatása jelentős. A CCD működési elve a töltéscsomagok generálásán, tárolásán és irányított átvitelén alapul a félvezető felszínközeli rétegében kialakuló potenciálkutakban, amikor külső elektromos feszültséget kapcsolnak az elektródákra.

Rizs. 1. A CCD mátrix fő eszköze.

ábrán. Az 1. ábrán a C1, C2 és C3 szimbólumok MOS kondenzátorokat (fém-oxid-félvezető) jelölnek.

Ha bármely elektródára pozitív U feszültséget kapcsolunk, akkor a MIS szerkezetben elektromos tér keletkezik, melynek hatására a többségi hordozók (lyukak) nagyon gyorsan (néhány pikoszekundum alatt) elhagyják a félvezető felületét. Ennek eredményeként a felület közelében egy kimerült réteg képződik, amelynek vastagsága a mikrométer töredékei vagy egységei. Azok a kisebbségi hordozók (elektronok), amelyek a kimerülési rétegben bármilyen folyamat (például termikus) hatására keletkeznek, vagy a félvezető semleges tartományaiból diffúzió hatására jutottak oda, (a mező hatására) a félvezetőbe költöznek. -dielektromos interfész, és egy keskeny inverz rétegben lokalizálható. Így a felszín közelében egy potenciálkút jelenik meg az elektronok számára, amelybe a mező hatására begurulnak a kimerült rétegből. A kimerítő rétegben keletkező többségi hordozók (lyukak) a tér hatására kilökődnek a félvezető semleges részébe.
Egy adott időintervallum alatt minden pixel fokozatosan megtelik elektronokkal a bejutott fény mennyiségének arányában. Ezen idő elteltével az egyes pixelek által felhalmozott elektromos töltések sorra átkerülnek a készülék "kimenetére", és megmérik.

A mátrixok fényérzékeny pixeleinek mérete egy-két mikrontól több tíz mikronig terjed. Az ezüsthalogenid kristályok mérete a fényképészeti film fényérzékeny rétegében 0,1 (pozitív emulziók) és 1 mikron (nagyon érzékeny negatívok) között van.

A mátrix egyik fő paramétere az úgynevezett kvantumhatékonyság. Ez az elnevezés az elnyelt fotonok (kvantumok) fotoelektronokká történő átalakításának hatékonyságát tükrözi, és hasonló a fényérzékenység fényképészeti koncepciójához. Mivel a fénykvantumok energiája a színüktől (hullámhosszuktól) függ, nem lehet egyértelműen meghatározni, hogy egy mátrixpixelben hány elektron születik, ha például száz heterogén fotonból álló áramot nyel el. Ezért a kvantumhatásfok általában a mátrixra az útlevélben a hullámhossz függvényében van megadva, és a spektrum egyes részein elérheti a 80%-ot. Ez sokkal több, mint a fényképészeti emulzió vagy a szem (körülbelül 1%).

Mik azok a CCD-mátrixok?

Ha a pixelek egy sorban vannak elrendezve, akkor a vevőt CCD-vonalnak nevezzük, de ha a felületet páros sorok töltik ki, akkor a vevőt CCD-mátrixnak nevezzük.

A CCD vonalzót a 80-as és 90-es években széles körben alkalmazták csillagászati ​​megfigyelésekre. Elég volt a képet a CCD vonalzó mentén tartani, és megjelent a számítógép monitorán. Ez a folyamat azonban számos nehézséggel járt, ezért jelenleg a CCD-tömböket egyre inkább felváltják a CCD-mátrixok.

Nem kívánt hatások

A CCD töltésátvitelének egyik nemkívánatos mellékhatása, amely zavarhatja a megfigyeléseket, a kis képterület világos területei helyett világos függőleges csíkok (pillérek). Ezenkívül a CCD-mátrixok lehetséges nemkívánatos hatásai közé tartoznak a következők: magas sötét zaj, "vak" vagy "forró" pixelek jelenléte, egyenetlen érzékenység a mátrixmezőben. A sötét zaj csökkentése érdekében a CCD-mátrixok autonóm hűtését alkalmazzák -20°C és az alatti hőmérsékletig. Vagy egy sötét keretet készítenek (például zárt lencsével), ugyanolyan időtartammal (expozícióval) és hőmérséklettel, mint az előző képkocka. Később speciális program a számítógép kivonja a képből a sötét keretet.

A CCD-alapú televíziós kamerák abban jók, hogy akár 25 képkocka/másodperc sebességgel, 752 x 582 pixeles felbontással készítenek képeket. De az ilyen típusú kamerák egy részének csillagászati ​​megfigyelésre alkalmatlansága az, hogy a gyártó belső kép-előfeldolgozást (olvasás - torzítást) valósít meg bennük a kapott képkockák látásból történő jobb észlelése érdekében. Ez az AGC (automatizált vezérlés beállítás) és az ún. az "éles határok" és mások hatása.

Előrehalad…

Általánosságban elmondható, hogy a CCD vevők használata sokkal kényelmesebb, mint a nem digitális fényvevőké, mivel a kapott adatok azonnal számítógépes feldolgozásra alkalmas formában vannak, és ezen felül a megszerzés sebessége az egyes képkockák száma nagyon magas (másodpercenként több képkockatól percekig).

Jelenleg a CCD mátrixok gyártása gyors ütemben fejlődik és javul. A mátrixok "megapixeleinek" száma - a mátrix egységnyi területére eső egyedi pixelek száma - növekszik. A CCD-vel kapott képek minőségének javítása stb.

Felhasznált források:
1. 1. Belov Viktor. Tized mikron pontosságú.
2. 2. S. E. Guryanov. Ismerje meg a CCD-t.

(lang: 'ru')

Folytatom az előző kiadványban elkezdett beszélgetést a készülékről.

A digitális fényképezőgép egyik fő eleme, amely megkülönbözteti a filmes fényképezőgépektől, egy fényérzékeny elem, az úgynevezett képerősítő cső vagy fényérzékeny. digitális kamera. A kameramátrixokról már volt szó, de most nézzük meg közelebbről az eszközt és a mátrix működési elvét, bár elég felületesen, hogy ne fárasszuk túl az olvasót.

A legtöbb digitális fényképezőgép manapság fel van szerelve CCD mátrixok.

CCD mátrix. Eszköz. Működés elve.

Vessünk egy pillantást a készülékre CCD érzékelők.

Ismeretes, hogy a félvezetőket n-típusú és p-típusú félvezetőkre osztják. Az n-típusú félvezetőben a szabad elektronok feleslege, a p-típusú félvezetőben pedig a pozitív töltések, „lyukak” feleslege (és ezért elektronhiány). Minden mikroelektronika e két típusú félvezető kölcsönhatásán alapul.

Szóval, az elem Digitális fényképezőgép CCD érzékelői a következőképpen rendezve. Lásd: 1. ábra:

1. ábra

Ha nem megy bele a részletekbe, akkor a CCD elem vagy töltéscsatolt eszköz, angolul: charge-coupled-device - CCD, egy MIS (metal-dilectric-semiconductor) kondenzátor. Ez egy p-típusú hordozóból áll - egy szilíciumrétegből, egy szilícium-dioxid szigetelőből és elektródalemezekből. Ha pozitív potenciált alkalmazunk az egyik elektródára, akkor alatta a fő hordozókból - lyukakból - kimerült zóna képződik, mivel azokat az elektródától az elektromos tér mélyen a hordozóba tolja. Így ez alatt az elektródán egy potenciálkút alakul ki, vagyis egy energiazóna, amely kedvező a kisebbségi hordozók, elektronok beáramlására. Ez a kút negatív töltést halmoz fel. Ebben a kútban hosszú ideig tárolható, mivel nincsenek benne lyukak, és ezért az elektronok rekombinációjának okai.

Fényérzékenyben mátrixok Az elektródák polikristályos szilícium filmek, amelyek a spektrum látható tartományában átlátszóak.

A mátrixra beeső fény fotonjai bejutnak a szilícium hordozóba, és lyuk-elektron párt alkotnak benne. A lyukak, mint fentebb említettük, mélyen eltolódnak a hordozóba, és az elektronok felhalmozódnak a potenciálüregben.

A felhalmozott töltés arányos az elemre eső fotonok számával, azaz a fényáram intenzitásával. Így a mátrixon az optikai képnek megfelelő töltésmentesség jön létre.

Töltések mozgása CCD-tömbben.

Minden CCD elemnek több elektródája van, amelyekre különböző potenciálokat alkalmaznak.

Ha a szomszédos elektródára az adott elektródán lévőnél nagyobb potenciált vezetünk (lásd 3. ábra), akkor alatta mélyebb potenciálkút alakul ki, amelybe az első potenciálkútból származó töltés mozog. Ily módon a töltés az egyik CCD cellából a másikba kerülhet. A 3. ábrán látható CCD elemet háromfázisúnak nevezzük, vannak 4 fázisú elemek is.

4. ábra. Háromfázisú töltéscsatolt eszköz működési sémája - váltóregiszter.

A töltések áramimpulzusokká (fotoárammá) alakításához soros eltolási regisztereket használnak (lásd 4. ábra). Egy ilyen eltolási regiszter CCD-elemekből álló sorozat. Az áramimpulzusok amplitúdója arányos az átvitt töltés mértékével, így arányos a beeső fényárammal. A töltéssorozat leolvasásával generált áramimpulzus-sorozat ezután az erősítő bemenetére kerül.

A szorosan elhelyezkedő CCD-elemek sorait egyesítik CCD. Egy ilyen mátrix működése egy helyi töltés létrehozásán és átvitelén alapul az elektromos mező által létrehozott potenciálkutakban.

5. ábra.

A regiszter összes CCD-elemének töltése szinkronban átkerül a szomszédos CCD-elemekre. Az utolsó cellában lévő töltés a regiszter kimenetére, majd az erősítő bemenetére kerül.

A soros eltolási regiszter bemenetét a merőleges eltolási regiszterek töltései táplálják, amelyeket együttesen párhuzamos eltolási regiszternek nevezünk. Párhuzamos és soros eltolási regiszterek alkotják a CCD mátrixot (lásd 4. ábra).

A soros regiszterre merőleges eltolási regisztereket oszlopoknak nevezzük.

A párhuzamos regiszter töltéseinek mozgása szigorúan szinkronizált. Az egyik sor összes töltése egyidejűleg a következőre tolódik. Az utolsó sor töltései a soros regiszterbe esnek. Így egy munkaciklusban a párhuzamos regiszterből egy töltéssor kerül a soros regiszter bemenetére, helyet adva az újonnan képződött töltéseknek.

A soros és párhuzamos regiszterek működését az órajelgenerátor szinkronizálja. Rész digitális fényképezőgépek érzékelői tartalmaz egy mikroáramkört is, amely potenciállal látja el a regiszter transzfer elektródákat és vezérli azok működését.

Az ilyen típusú képerősítő csövet full-frame mátrixnak (full-frame CCD-matrix) nevezzük. Működéséhez egy átlátszatlan burkolat szükséges, amely először kinyitja a képerősítő csövet a fénynek való kitételhez, majd amikor a mátrixelemekben a kellő töltés felhalmozásához szükséges számú foton ráüt, lezárja azt. a fénytől. Az ilyen burkolat egy mechanikus redőny, mint a filmes fényképezőgépeknél. Az ilyen redőny hiánya azt a tényt eredményezi, hogy amikor a töltések mozognak az eltolási regiszterben, a sejtek továbbra is fénnyel sugároznak be, és minden egyes pixel töltéséhez további elektronokat adnak, amelyek nem felelnek meg egy adott pont fényáramának. . Ez a töltés "elkenődéséhez", illetve a kapott kép torzulásához vezet.