Untuk pertama kalinya, prinsip CCD dengan ide menyimpan dan kemudian membaca muatan elektronik dikembangkan oleh dua insinyur BELL di akhir tahun 60an dalam rangka mencari jenis memori baru untuk komputer yang dapat menggantikan memori pada cincin ferit. (ya, ada memori seperti itu). Ide ini ternyata tidak menjanjikan, tetapi kemampuan silikon untuk menanggapi spektrum radiasi yang terlihat diperhatikan dan ide untuk menggunakan prinsip ini untuk pemrosesan gambar dikembangkan.

Mari kita mulai dengan definisi istilah.

Singkatan CCD adalah singkatan dari "Charge-Coupled Devices", sebuah istilah yang berasal dari bahasa Inggris "Charge-Coupled Devices" (CCD).

Jenis perangkat ini saat ini memiliki jangkauan aplikasi yang sangat luas dalam berbagai perangkat optoelektronik untuk perekaman gambar. Dalam kehidupan sehari-hari, ini adalah kamera digital, camcorder, berbagai pemindai.

Apa yang membedakan penerima CCD dari fotodioda semikonduktor konvensional, yang memiliki area fotosensitif dan dua kontak listrik untuk mengambil sinyal listrik?

Pertama, ada banyak area peka cahaya seperti itu (sering disebut piksel - elemen yang menerima cahaya dan mengubahnya menjadi muatan listrik) di penerima CCD, dari beberapa ribu hingga beberapa ratus ribu dan bahkan beberapa juta. Ukuran piksel individu adalah sama dan dapat dari satuan hingga puluhan mikron. Piksel dapat berbaris dalam satu baris - kemudian penerima disebut garis CCD, atau mengisi area permukaan dalam baris genap - maka penerima disebut matriks CCD.

Lokasi elemen penerima cahaya (persegi panjang biru) dalam larik CCD dan matriks CCD.

Kedua, dalam penerima CCD, yang terlihat seperti sirkuit mikro konvensional, tidak ada sejumlah besar kontak listrik untuk mengeluarkan sinyal listrik, yang, tampaknya, harus berasal dari setiap elemen penerima cahaya. Tapi terhubung ke penerima CCD sirkuit elektronik, yang memungkinkan Anda mengekstrak dari setiap elemen fotosensitif sinyal listrik yang sebanding dengan iluminasinya.

Tindakan CCD dapat digambarkan sebagai berikut: setiap elemen fotosensitif - piksel - bekerja seperti celengan untuk elektron. Elektron dihasilkan dalam piksel oleh aksi cahaya yang datang dari sumber. Selama periode waktu tertentu, setiap piksel secara bertahap terisi dengan elektron sebanding dengan jumlah cahaya yang masuk, seperti ember di luar saat hujan. Pada akhir waktu ini, muatan listrik yang dikumpulkan oleh setiap piksel ditransfer secara bergantian ke "output" perangkat dan diukur. Semua ini dimungkinkan karena struktur kristal tertentu, di mana elemen peka cahaya berada, dan sirkuit kontrol listrik.

Matriks CCD bekerja dengan cara yang hampir sama. Setelah pemaparan (penerangan oleh gambar yang diproyeksikan), sirkuit kontrol elektronik perangkat menerapkan serangkaian tegangan berdenyut yang kompleks, yang mulai menggeser kolom dengan elektron yang terakumulasi dalam piksel ke tepi matriks, di mana CCD pengukuran serupa register terletak, muatan yang sudah digeser dalam arah tegak lurus dan jatuh pada elemen pengukur, menciptakan di dalamnya sinyal yang sebanding dengan muatan individu. Jadi, untuk setiap momen waktu berikutnya, kita bisa mendapatkan nilai muatan yang terakumulasi dan mencari tahu piksel mana pada matriks (nomor baris dan nomor kolom) yang sesuai dengannya.

Secara singkat tentang fisika proses.

Sebagai permulaan, kami mencatat bahwa CCD adalah produk dari apa yang disebut elektronik fungsional, mereka tidak dapat direpresentasikan sebagai kumpulan elemen radio individu - transistor, resistansi, dan kapasitor. Pekerjaan didasarkan pada prinsip ikatan muatan. Prinsip kopling muatan menggunakan dua posisi yang diketahui dari elektrostatika:

1. muatan seperti saling tolak menolak
2. Muatan cenderung menetap di mana energi potensialnya minimal. Itu. dengan kasar - "ikan mencari tempat yang lebih dalam."

Mari kita mulai dengan kapasitor MOS (MOS adalah singkatan dari metal-oxide-semiconductor). Inilah yang tersisa dari MOSFET saat Anda melepas saluran dan sumbernya, yaitu, hanya elektroda yang dipisahkan dari silikon oleh lapisan dielektrik. Untuk kepastian, kami berasumsi bahwa semikonduktor adalah tipe-p, yaitu, konsentrasi lubang di bawah kondisi kesetimbangan jauh (beberapa kali lipat) lebih besar daripada elektron. Dalam elektrofisika, "lubang" adalah muatan yang berbanding terbalik dengan muatan elektron, mis. muatan positif.

Apa yang akan terjadi jika potensial positif diterapkan pada elektroda seperti itu (disebut gerbang)? Medan listrik yang diciptakan oleh gerbang, menembus silikon melalui dielektrik, menolak lubang yang bergerak; wilayah yang habis muncul - volume silikon tertentu, bebas dari pembawa mayoritas. Dengan parameter substrat semikonduktor yang khas untuk CCD, kedalaman wilayah ini sekitar 5 m. Sebaliknya, elektron yang muncul di sini di bawah pengaruh cahaya akan tertarik ke gerbang dan akan terakumulasi pada antarmuka oksida-silikon langsung di bawah gerbang, yaitu, jatuh ke dalam sumur potensial (Gbr. 1).

Beras. satu
Pembentukan sumur potensial ketika tegangan diterapkan ke gerbang

Dalam hal ini, ketika elektron terakumulasi di dalam sumur, mereka menetralkan sebagian medan listrik yang dibuat di semikonduktor oleh gerbang, dan pada akhirnya mereka dapat sepenuhnya mengimbanginya, sehingga seluruh medan listrik hanya akan jatuh pada dielektrik, dan semuanya akan kembali ke keadaan semula - dengan pengecualian bahwa Lapisan tipis elektron terbentuk di antarmuka.

Biarkan sekarang gerbang lain ditempatkan di sebelah gerbang, dan potensi positif juga diterapkan padanya, apalagi, yang lebih besar daripada yang pertama (Gbr. 2). Jika hanya gerbang yang cukup dekat, sumur potensial mereka bergabung, dan elektron dalam satu sumur potensial pindah ke sumur yang berdekatan jika "lebih dalam".
Beras. 2
Sumur potensial yang tumpang tindih dari dua gerbang yang berjarak dekat. Muatan mengalir ke tempat di mana sumur potensial lebih dalam.

Sekarang harus jelas bahwa jika kita memiliki rantai gerbang, maka dimungkinkan, dengan menerapkan tegangan kontrol yang sesuai padanya, untuk mentransfer paket muatan lokal di sepanjang struktur seperti itu. Properti CCD yang luar biasa, properti pemindaian otomatis, adalah bahwa hanya tiga bus jam yang cukup untuk menggerakkan rantai gerbang dengan panjang berapa pun. (Istilah bus dalam elektronika adalah konduktor arus listrik yang menghubungkan elemen-elemen dari jenis yang sama, bus jam adalah konduktor yang melaluinya tegangan pergeseran fasa ditransmisikan.) Memang, untuk mentransfer paket muatan, tiga elektroda diperlukan dan cukup: satu pemancar, satu penerima dan satu isolasi, memisahkan pasangan yang menerima dan mengirim dari satu sama lain, dan elektroda dengan nama yang sama dari rangkap tiga tersebut dapat dihubungkan satu sama lain ke dalam bus clock tunggal, hanya membutuhkan satu keluaran eksternal (Gbr. 3).

Beras. 3
Register CCD tiga fase paling sederhana.
Muatan di setiap sumur potensial berbeda.

Ini adalah register geser CCD tiga fase yang paling sederhana. Diagram jam operasi register semacam itu ditunjukkan pada Gambar. empat.

Beras. empat
Diagram jam untuk mengendalikan register tiga fase adalah tiga liku yang digeser 120 derajat.
Ketika potensial berubah, muatan bergerak.

Dapat dilihat bahwa untuk operasi normalnya pada setiap saat, setidaknya satu bus jam harus memiliki potensi tinggi, dan setidaknya satu - potensi rendah (potensi penghalang). Ketika potensi naik di satu bus dan menurunkannya di bus lain (sebelumnya), semua paket muatan secara bersamaan ditransfer ke gerbang tetangga, dan untuk satu siklus penuh (satu siklus pada setiap bus fase), paket muatan ditransfer (digeser) ke satu elemen daftar.

Untuk melokalisasi paket muatan dalam arah melintang, apa yang disebut saluran berhenti terbentuk - strip sempit dengan peningkatan konsentrasi dopan utama, yang berjalan di sepanjang saluran transfer (Gbr. 5).

Beras. 5.
Tampilan register dari atas.
Saluran transfer dalam arah lateral dibatasi oleh saluran berhenti.

Faktanya adalah bahwa konsentrasi dopan menentukan pada tegangan spesifik apa pada gerbang yang terbentuk daerah penipisan di bawahnya (parameter ini tidak lebih dari tegangan ambang struktur MOS). Dari pertimbangan intuitif, jelas bahwa semakin besar konsentrasi pengotor, yaitu, semakin banyak lubang di semikonduktor, semakin sulit untuk mendorongnya lebih dalam, yaitu, semakin tinggi tegangan ambang atau, pada satu tegangan, semakin rendah potensial. di sumur potensial.

Masalah

Jika, dalam produksi perangkat digital, penyebaran parameter di seluruh pelat dapat mencapai beberapa kali tanpa efek nyata pada parameter perangkat yang dihasilkan (karena pekerjaan dilakukan dengan level tegangan diskrit), maka dalam CCD, perubahan di, katakanlah, konsentrasi dopan sebesar 10% sudah terlihat pada gambar. Ukuran kristal menambah masalahnya sendiri, serta ketidakmungkinan redundansi, seperti dalam memori LSI, sehingga area yang rusak menyebabkan tidak dapat digunakannya seluruh kristal.

Hasil

Piksel yang berbeda dari matriks CCD secara teknologi memiliki kepekaan yang berbeda terhadap cahaya, dan perbedaan ini harus diperbaiki.

Dalam CMA digital, koreksi ini disebut sistem Auto Gain Control (AGC).

Cara kerja sistem AGC

Untuk kesederhanaan, kami tidak akan mengambil sesuatu yang spesifik. Mari kita asumsikan bahwa ada beberapa level potensial pada output ADC dari node CCD. Mari kita asumsikan bahwa 60 - level rata-rata putih.

1. Untuk setiap piksel garis CCD, nilainya dibaca saat disinari dengan cahaya putih referensi (dan di perangkat yang lebih serius, "level hitam" juga dibaca).
2. Nilai dibandingkan dengan tingkat referensi (misalnya rata-rata).
3. Perbedaan antara nilai keluaran dan tingkat referensi disimpan untuk setiap piksel.
4. Di masa depan, saat memindai, perbedaan ini dikompensasi untuk setiap piksel.

Sistem AGC diinisialisasi setiap kali sistem pemindai diinisialisasi. Anda mungkin memperhatikan bahwa ketika Anda menghidupkan mesin, setelah beberapa waktu, kereta pemindai mulai bergerak maju-mundur (merangkak di strip b/w). Ini adalah proses inisialisasi sistem AGC. Sistem juga memperhitungkan kondisi lampu (penuaan).

Anda juga mungkin memperhatikan bahwa MFP kecil yang dilengkapi dengan pemindai warna "menyalakan lampu" dalam tiga warna secara bergantian: merah, biru, dan hijau. Kemudian hanya lampu latar asli yang berubah menjadi putih. Ini dilakukan untuk memperbaiki sensitivitas matriks secara terpisah untuk saluran RGB dengan lebih baik.

Tes setengah nada (UJI BAYANGAN) memungkinkan Anda untuk memulai prosedur ini atas permintaan insinyur dan membawa nilai koreksi ke kondisi nyata.

Mari kita coba mempertimbangkan semua ini pada mesin "pertempuran" yang nyata. Kami mengambil sebagai dasar perangkat yang terkenal dan populer SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Perlu dicatat bahwa dalam kasus kami, CCD menjadi CIS (Sensor Gambar Kontak), tetapi esensi dari apa yang terjadi secara fundamental tidak berubah dari ini. Sama seperti sumber cahaya, garis LED digunakan.

Jadi:

Sinyal gambar dari CIS memiliki level sekitar 1,2 V dan diumpankan ke bagian ADC (ADCP) dari pengontrol perangkat (ADCP). Setelah SADC, sinyal CIS analog akan diubah menjadi sinyal digital 8-bit.

Prosesor gambar di SADC pertama-tama menggunakan fungsi koreksi nada dan kemudian fungsi koreksi gamma. Setelah itu, data diumpankan ke modul yang berbeda sesuai dengan mode operasi. Mode teks mengirim data gambar ke modul LAT, mode Foto mengirim data gambar ke modul "Error Diffusion", mode PC-Scan mengirimkan data gambar langsung ke Komputer pribadi melalui akses DMA.

Sebelum pengujian, letakkan beberapa lembar kertas putih kosong pada kaca eksposur. Tak perlu dikatakan bahwa optik, b/w stripe, dan unit pemindai pada umumnya, harus "dijilat" dari dalam terlebih dahulu.

1. Pilih dalam MODE TECH
2. Tekan tombol ENTER untuk memindai gambar.
3. Setelah memindai, "CIS SHADING PROFILE" (profil halftone CIS) akan dicetak. Contoh lembar seperti itu ditunjukkan di bawah ini. Itu tidak harus berupa salinan hasil Anda, tetapi dekat dengan gambar.
4. Jika gambar yang dicetak sangat berbeda dari gambar yang ditunjukkan pada gambar, maka CIS rusak. Harap dicatat bahwa “Hasil: OK” ditulis di bagian bawah lembar laporan. Ini berarti bahwa sistem tidak memiliki klaim serius terhadap modul CIS. Jika tidak, hasil kesalahan akan diberikan.

Contoh cetakan profil:

Semoga sukses untuk Anda!!

Materi artikel dan kuliah guru dari St. Petersburg State University (LSU), St. Petersburg Electrotechnical University (LETI) dan Axl diambil sebagai dasar. Terima mereka.

Materi disiapkan oleh V. Shelenberg

Informasi umum tentang matriks CCD.

Saat ini, sensor CCD (Charge-Coupled Device, dalam bahasa Inggris setara dengan CCD) digunakan sebagai perangkat fotosensitif di sebagian besar sistem pengambilan gambar.

Prinsip operasi matriks CCD adalah sebagai berikut: matriks elemen fotosensitif (bagian akumulasi) dibuat berdasarkan silikon. Setiap elemen fotosensitif memiliki kemampuan untuk mengakumulasi muatan sebanding dengan jumlah foton yang mengenainya. Dengan demikian, untuk beberapa waktu (waktu pemaparan) pada bagian akumulasi, diperoleh matriks muatan dua dimensi yang sebanding dengan kecerahan gambar asli. Akumulasi biaya awalnya ditransfer ke bagian penyimpanan, dan kemudian baris demi baris dan piksel demi piksel ke output matriks.

Ukuran bagian penyimpanan dalam kaitannya dengan bagian akumulasi berbeda:

• per frame (matriks dengan transfer frame untuk pemindaian progresif);
• per setengah bingkai (matriks dengan transfer bingkai untuk pemindaian interlaced);

Ada juga matriks di mana tidak ada bagian penyimpanan, dan kemudian transfer garis dilakukan langsung di atas bagian akumulasi. Jelas bahwa rana optik diperlukan untuk pengoperasian matriks tersebut.

Kualitas matriks CCD modern sedemikian rupa sehingga muatan praktis tidak berubah selama proses transfer.

Terlepas dari keragaman kamera televisi, matriks CCD yang digunakan di dalamnya praktis sama, karena produksi massal dan skala besar matriks CCD dilakukan oleh hanya beberapa perusahaan. Ini adalah SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Parameter utama matriks CCD adalah:

• dimensi dalam piksel;
• ukuran fisik dalam inci (2/3, 1/2, 1/3, dll.). Pada saat yang sama, angka-angka itu sendiri tidak menentukan ukuran pasti dari area sensitif, melainkan menentukan kelas perangkat;
• kepekaan.

Resolusi kamera CCD.

Resolusi kamera CCD terutama ditentukan oleh ukuran matriks CCD dalam piksel dan kualitas lensa. Sampai batas tertentu, ini dapat dipengaruhi oleh elektronik kamera (jika dibuat dengan buruk, dapat memperburuk resolusi, tetapi terus terang mereka jarang melakukannya dengan buruk sekarang).

Penting untuk membuat satu komentar di sini. Dalam beberapa kasus, filter spasial frekuensi tinggi dipasang di kamera untuk meningkatkan resolusi yang tampak. Dalam hal ini, gambar objek yang diperoleh dari kamera dengan dimensi yang lebih rendah mungkin terlihat lebih tajam daripada gambar objek yang sama yang diperoleh dari kamera yang secara objektif lebih baik. Tentu saja, ini dapat diterima bila kamera digunakan dalam sistem pengawasan visual, tetapi sama sekali tidak cocok untuk membangun sistem pengukuran.

Resolusi dan format CCD.

Saat ini, berbagai perusahaan memproduksi matriks CCD yang mencakup rentang dimensi terluas dari beberapa ratus hingga beberapa ribu. Jadi dilaporkan tentang matriks dengan dimensi 10000x10000, dan dalam pesan ini dicatat bukan masalah biaya matriks ini, tetapi masalah penyimpanan, pemrosesan, dan transmisi gambar yang diterima. Seperti yang kita ketahui, matriks dengan dimensi hingga 2000x2000 sekarang kurang lebih banyak digunakan.

Matriks CCD yang paling banyak, lebih tepatnya, digunakan secara besar-besaran, tentu saja, harus mencakup matriks dengan resolusi yang berorientasi pada standar televisi. Ini adalah matriks, pada dasarnya, dari dua format:

• 512*576;
• 768*576.

Matriks 512*576 biasanya digunakan dalam sistem pengawasan video yang sederhana dan murah.

Matriks 768 * 576 (terkadang lebih sedikit, terkadang lebih sedikit) memungkinkan Anda untuk mendapatkan resolusi maksimum untuk sinyal TV standar. Pada saat yang sama, tidak seperti matriks dengan format 512*576, matriks tersebut memiliki kisi elemen fotosensitif yang dekat dengan bujur sangkar, dan, akibatnya, resolusi horizontal dan vertikal yang sama.

Seringkali, produsen kamera menunjukkan resolusi di saluran televisi. Ini berarti bahwa kamera memungkinkan Anda untuk melihat N / 2 guratan vertikal gelap pada latar belakang terang, diletakkan di dalam kotak bertulisan di bidang gambar, di mana N adalah jumlah saluran televisi yang dinyatakan. Berkenaan dengan meja televisi standar, ini menyiratkan hal berikut: dengan memilih jarak dan memfokuskan gambar meja, perlu untuk memastikan bahwa tepi atas dan bawah gambar meja pada monitor bertepatan dengan kontur luar meja, ditandai dengan bagian atas prisma hitam dan putih; selanjutnya, setelah pemfokusan akhir, angka dibaca di tempat irisan vertikal itu, di mana goresan vertikal berhenti diselesaikan untuk pertama kalinya. Komentar terakhir sangat penting. dan pada gambar bidang uji meja, yang memiliki 600 goresan atau lebih, pita terputus-putus sering terlihat, yang sebenarnya lebih dibentuk oleh pemukulan frekuensi spasial goresan meja dan kisi-kisi elemen sensitif dari matriks CCD. Efek ini terutama terlihat pada kamera dengan filter spasial frekuensi tinggi (lihat di atas)!

Saya ingin mencatat bahwa, hal-hal lain dianggap sama (kebanyakan lensa dapat mempengaruhi ini), resolusi kamera hitam-putih secara unik ditentukan oleh dimensi matriks CCD. Jadi kamera format 768 * 576 akan memiliki resolusi 576 saluran TV, meskipun di beberapa brosur Anda dapat menemukan nilai 550, dan di brosur lainnya 600.

Lensa.

Ukuran fisik sel CCD adalah parameter utama yang menentukan persyaratan resolusi lensa. Parameter lain seperti itu mungkin persyaratan untuk memastikan pengoperasian matriks di bawah kondisi kelebihan beban ringan, yang akan dipertimbangkan di bawah ini.

Untuk sensor SONY ICX039 1/2 inci, ukuran pikselnya adalah 8,6μm*8,3μm. Oleh karena itu, lensa harus memiliki resolusi yang lebih baik dari:

1/8.3*10e-3= 120 garis (60 pasang garis per milimeter).

Untuk lensa yang dibuat untuk sensor 1/3 inci, nilai ini harus lebih tinggi, meskipun anehnya ini tidak mempengaruhi biaya dan parameter seperti bukaan, karena lensa ini dibuat dengan mempertimbangkan kebutuhan untuk membentuk gambar pada bidang fotosensitif yang lebih kecil dari matriks. Hal ini juga berarti bahwa lensa untuk sensor yang lebih kecil tidak cocok untuk sensor besar karena kinerja yang menurun secara signifikan di tepi sensor besar. Pada saat yang sama, lensa untuk sensor besar dapat membatasi resolusi gambar yang diperoleh dari sensor yang lebih kecil.

Sayangnya, dengan banyaknya lensa modern untuk kamera televisi, sangat sulit untuk mendapatkan informasi tentang resolusinya.

Secara umum, kami tidak sering memilih lensa, karena hampir semua Pelanggan kami memasang sistem video pada optik yang ada: mikroskop, teleskop, dll., sehingga informasi kami tentang pasar lensa bersifat catatan. Kami hanya dapat mengatakan bahwa resolusi lensa sederhana dan murah berada di kisaran 50-60 pasangan garis per mm, yang umumnya tidak cukup.

Di sisi lain, kami memiliki informasi bahwa lensa khusus yang diproduksi oleh Zeiss dengan resolusi 100-120 pasangan garis per mm berharga lebih dari $1000.

Jadi, saat membeli lensa, perlu dilakukan pengujian pendahuluan. Saya harus mengatakan bahwa sebagian besar penjual Moskow memberikan lensa untuk pengujian. Di sini, sekali lagi, adalah tepat untuk mengingat efek moiré, yang keberadaannya, seperti disebutkan di atas, dapat menyesatkan mengenai resolusi matriks. Jadi, kehadiran moiré pada gambar bagian meja dengan goresan di atas 600 garis TV sehubungan dengan lensa menunjukkan margin resolusi tertentu dari yang terakhir, yang, tentu saja, tidak akan merugikan.

Satu lagi, mungkin catatan penting bagi mereka yang tertarik dengan pengukuran geometris. Semua lensa sampai batas tertentu memiliki distorsi (distorsi berbentuk bantalan dari geometri gambar), dan semakin pendek lensa, semakin besar distorsi ini, sebagai aturan. Menurut pendapat kami, lensa dengan panjang fokus lebih besar dari 8-12 mm memiliki distorsi yang dapat diterima untuk kamera 1/3" dan 1/2". Meski tingkat "akseptibilitas", tentu saja, tergantung pada tugas yang harus diselesaikan kamera.

Resolusi pengontrol input gambar

Resolusi pengontrol input gambar harus dipahami sebagai frekuensi konversi konverter analog-ke-digital (ADC) pengontrol, yang datanya kemudian direkam dalam memori pengontrol. Jelas, ada batas yang wajar untuk meningkatkan frekuensi digitalisasi. Untuk perangkat dengan struktur kontinu lapisan fotosensitif, seperti vidicon, frekuensi pengambilan sampel yang optimal sama dengan dua kali frekuensi atas dari sinyal vidicon yang berguna.

Tidak seperti detektor cahaya seperti itu, matriks CCD memiliki topologi diskrit, sehingga frekuensi digitasi optimalnya ditentukan sebagai frekuensi pergeseran register keluaran matriks. Pada saat yang sama, penting bahwa ADC pengontrol bekerja secara sinkron dengan register keluaran matriks CCD. Hanya dalam hal ini hal itu dapat dicapai kualitas terbaik transformasi baik dalam hal memberikan geometri "kaku" dari gambar yang dihasilkan dan dalam hal meminimalkan kebisingan dari pulsa clock dan transien.

Sensitivitas kamera CCD

Sejak tahun 1994, kami telah menggunakan kamera kart SONY berdasarkan sensor CCD ICX039 di perangkat kami. Deskripsi SONY untuk perangkat ini menunjukkan sensitivitas 0,25 lux pada objek dengan bukaan lensa 1,4. Sudah beberapa kali, kami telah melihat kamera dengan parameter serupa (ukuran 1/2 inci, resolusi 752 * 576) dan dengan sensitivitas yang dinyatakan 10 atau bahkan 100 kali lebih besar daripada SONY "kami".

Kami telah memeriksa angka-angka ini beberapa kali. Dalam kebanyakan kasus, kami menemukan CCD ICX039 yang sama di kamera dari produsen yang berbeda. Pada saat yang sama, semua sirkuit mikro "strapping" juga SONY. Ya, dan pengujian komparatif menunjukkan identitas yang hampir lengkap dari semua kamera ini. Jadi apa pertanyaannya?

Dan seluruh pertanyaannya adalah pada sensitivitas rasio signal-to-noise (s / w) apa yang ditentukan. Dalam kasus kami, SONY dengan hati-hati menunjukkan sensitivitas pada s / w = 46 dB, sementara perusahaan lain tidak menunjukkan ini, atau menunjukkannya sedemikian rupa sehingga tidak jelas dalam kondisi apa pengukuran ini dilakukan.

Ini, secara umum, merupakan momok umum sebagian besar produsen kamera - bukan untuk menunjukkan kondisi untuk mengukur parameter kamera.

Faktanya adalah bahwa dengan penurunan persyaratan rasio s / w, sensitivitas kamera meningkat berbanding terbalik dengan kuadrat rasio s / w yang diperlukan:

di mana:
saya - sensitivitas;
K - faktor konversi;
rasio s/w - s/w dalam satuan linier,

oleh karena itu, banyak perusahaan tergoda untuk menunjukkan sensitivitas kamera pada rasio S/N yang rendah.

Dapat dikatakan bahwa kemampuan matriks untuk "melihat" lebih baik atau lebih buruk ditentukan oleh jumlah muatan yang dikonversi dari foton yang datang pada permukaannya dan kualitas pengiriman muatan ini ke output. Jumlah muatan yang terakumulasi tergantung pada luas elemen fotosensitif dan efisiensi kuantum dari array CCD, dan kualitas transportasi ditentukan oleh banyak faktor yang sering bermuara pada satu hal - kebisingan pembacaan. Kebisingan pembacaan untuk matriks modern berada di urutan 10-30 elektron dan bahkan lebih sedikit!

Luas elemen matriks CCD berbeda, tetapi nilai tipikal untuk matriks 1/2 inci untuk kamera adalah 8,5 m * 8,5 m. Peningkatan ukuran elemen mengarah pada peningkatan ukuran matriks itu sendiri, yang meningkatkan biayanya bukan karena peningkatan aktual dalam harga produksi, tetapi karena fakta bahwa produksi serial perangkat tersebut beberapa kali lipat lebih kecil. Selain itu, topologi matriks mempengaruhi luas zona fotosensitif sehingga daerah sensitif (filling factor) menempati persentase dari total permukaan kristal. Beberapa matriks khusus mengklaim faktor pengisian 100%.

Efisiensi kuantum (berdasarkan seberapa besar muatan sel sensitif dalam elektron berubah rata-rata ketika satu foton jatuh di permukaannya) untuk matriks modern adalah 0,4-0,6 (untuk matriks individu tanpa anti-mekar, mencapai 0,85).

Dengan demikian, dapat dilihat bahwa sensitivitas kamera CCD, terkait dengan nilai s / w tertentu, telah mendekati batas fisik. Menurut kesimpulan kami, nilai sensitivitas tipikal kamera untuk penggunaan umum pada s/n=46 terletak pada kisaran 0,15-0,25 lux iluminasi pada objek pada bukaan lensa 1,4.

Dalam hal ini, kami tidak menyarankan untuk mempercayai secara membabi buta angka sensitivitas yang ditunjukkan dalam deskripsi kamera, terutama ketika kondisi untuk menentukan parameter ini tidak diberikan dan jika Anda melihat sensitivitas 0,01-0,001 lux dalam mode televisi di paspor kamera di harga hingga $ 500, maka sebelum Anda sampel, secara halus, informasi yang salah.

Tentang cara meningkatkan sensitivitas kamera CCD

Apa yang harus dilakukan jika Anda perlu mendapatkan gambar objek yang sangat redup, misalnya, galaksi yang jauh?

Salah satu solusinya adalah akumulasi gambar dari waktu ke waktu. Penerapan metode ini memungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan sensitivitas CCD. Tentu saja, metode ini dapat diterapkan pada objek pengamatan yang diam atau dalam kasus ketika gerakan dapat dikompensasi, seperti yang dilakukan dalam astronomi.

Fig1 Planetary nebula M57.

Teleskop: 60 cm, paparan - 20 detik, suhu selama paparan - 20 C.
Di pusat nebula adalah objek bintang dengan magnitudo 15.
Gambar itu diperoleh oleh V. Amirkhanyan di SAO RAS.

Dapat dikatakan dengan akurasi yang cukup bahwa sensitivitas kamera CCD berbanding lurus dengan waktu pencahayaan.

Misalnya, sensitivitas pada kecepatan rana 1 detik dalam kaitannya dengan 1/50 d awal akan meningkat 50 kali, yaitu. akan lebih baik - 0,005 lux.

Tentu saja, ada masalah di sepanjang jalan ini, dan ini, pertama-tama, arus gelap matriks, yang membawa muatan yang terakumulasi secara bersamaan dengan sinyal yang berguna. Arus gelap ditentukan, pertama, oleh teknologi pembuatan kristal, dan kedua, oleh tingkat teknologi dan, tentu saja, sebagian besar, oleh suhu operasi matriks itu sendiri.

Biasanya, untuk mencapai waktu akumulasi yang lama, dalam urutan menit atau puluhan menit, matriks didinginkan hingga minus 20-40 derajat. C. Tugas pendinginan matriks ke suhu seperti itu telah diselesaikan dengan sendirinya, tetapi tidak mungkin untuk mengatakan bahwa ini dapat dilakukan, karena selalu ada masalah desain dan operasional yang terkait dengan fogging kacamata pelindung dan pembuangan panas dari sambungan panas lemari es termoelektrik.

Pada saat yang sama, kemajuan teknologi dalam produksi matriks CCD juga mempengaruhi parameter seperti arus gelap. Di sini pencapaiannya sangat signifikan dan arus gelap dari beberapa matriks modern yang bagus sangat kecil. Menurut pengalaman kami, kamera tanpa pendinginan memungkinkan untuk membuat eksposur dalam waktu puluhan detik pada suhu kamar, dan hingga beberapa menit dengan kompensasi untuk latar belakang gelap. Misalnya, berikut adalah foto nebula planetary M57, yang diperoleh oleh sistem video VS-a-tandem-56/2 tanpa pendinginan dengan eksposur 20 d.

Cara kedua untuk meningkatkan sensitivitas adalah penggunaan konverter optik elektron (EC). Tabung penguat gambar adalah perangkat yang memperkuat fluks bercahaya. Tabung penguat gambar modern dapat memiliki nilai penguatan yang sangat tinggi, namun, tanpa merinci, kita dapat mengatakan bahwa penggunaan tabung penguat gambar hanya dapat meningkatkan sensitivitas ambang batas kamera, dan oleh karena itu penguatannya tidak boleh dibuat terlalu besar.

Sensitivitas spektral kamera CCD

Gbr.2 Karakteristik spektral dari berbagai matriks

Untuk beberapa aplikasi, sensitivitas spektral CCD merupakan faktor penting. Karena semua CCD dibuat berdasarkan silikon, maka dalam bentuk "telanjang" sensitivitas spektral CCD sesuai dengan parameter silikon ini (lihat Gambar 2).

Seperti yang Anda lihat, dengan semua variasi karakteristik, sensor CCD memiliki sensitivitas maksimum dalam rentang merah dan inframerah dekat (IR) dan sama sekali tidak melihat apa pun di bagian spektrum biru-ungu. Sensitivitas CCD dalam inframerah dekat digunakan dalam sistem pengawasan rahasia dengan penerangan oleh sumber cahaya inframerah, serta saat mengukur medan termal benda bersuhu tinggi.

Beras. 3 Respon spektral khas dari matriks hitam-putih SONY.

SONY menghasilkan semua matriks hitam-putihnya dengan respons spektral berikut (lihat Gambar 3). Seperti dapat dilihat dari gambar ini, sensitivitas CCD di dekat IR berkurang secara signifikan, tetapi matriks mulai melihat wilayah spektrum biru.

Matriks yang sensitif dalam rentang ultraviolet dan bahkan sinar-X sedang dikembangkan untuk berbagai tujuan khusus. Biasanya perangkat ini unik dan harganya cukup tinggi.

Tentang pemindaian progresif dan interlaced

Sinyal televisi standar dikembangkan untuk sistem siaran televisi, dan memiliki satu kelemahan besar dari sudut pandang sistem input dan pemrosesan gambar modern. Meskipun sinyal TV berisi 625 baris (sekitar 576 di antaranya berisi informasi video), 2 setengah bingkai ditampilkan secara berurutan, terdiri dari garis genap (setengah bingkai genap) dan garis ganjil (setengah bingkai ganjil). Ini mengarah pada fakta bahwa jika gambar bergerak dimasukkan, maka analisis tidak dapat menggunakan resolusi Y lebih dari jumlah garis dalam satu setengah bingkai (288). Selain itu, dalam sistem modern, ketika gambar ditampilkan pada monitor komputer (yang memiliki pemindaian progresif), gambar yang dimasukkan dari kamera interlaced saat objek pengamatan bergerak menyebabkan efek pemisahan visual yang tidak menyenangkan.

Semua metode untuk mengatasi kekurangan ini menyebabkan penurunan resolusi vertikal. Satu-satunya cara untuk mengatasi kekurangan ini dan mencapai resolusi seperti CCD adalah dengan beralih ke pemindaian progresif di CCD. Pabrikan CCD memproduksi matriks seperti itu, tetapi karena produksi serial yang kecil, harga matriks dan kamera tersebut jauh lebih tinggi daripada yang konvensional. Misalnya, harga matriks SONY dengan pemindaian progresif ICX074 3 kali lebih tinggi daripada ICX039 (pemindaian interlaced).

Opsi kamera lainnya

Yang lain ini termasuk parameter seperti "mekar" yaitu. muatan menyebar di atas permukaan matriks ketika elemen individunya terpapar berlebihan. Dalam praktiknya, kasus seperti itu dapat terjadi, misalnya, ketika mengamati objek dengan silau. Ini adalah efek CCD yang agak tidak menyenangkan, karena beberapa titik terang dapat mendistorsi seluruh gambar. Untungnya, banyak matriks modern mengandung perangkat anti-mekar. Jadi dalam deskripsi beberapa matriks SONY terbaru, kami menemukan 2000, yang mencirikan kelebihan cahaya yang diizinkan dari sel-sel individual, yang belum menyebabkan penyebaran muatan. Ini adalah nilai yang cukup tinggi, terutama karena, seperti yang telah ditunjukkan oleh pengalaman kami, hasil ini hanya dapat dicapai dengan penyesuaian khusus driver yang secara langsung mengontrol matriks dan saluran pra-amplifikasi sinyal video. Selain itu, lensa juga berkontribusi pada "penyebaran" titik terang, karena dengan kelebihan cahaya yang begitu besar, bahkan hamburan kecil di luar titik utama memberikan stand cahaya yang nyata untuk elemen tetangga.

Perlu juga dicatat di sini bahwa, menurut beberapa data yang belum kami verifikasi sendiri, matriks dengan anti-mekar memiliki efisiensi kuantum 2 kali lipat lebih rendah daripada matriks tanpa anti-mekar. Dalam hal ini, dalam sistem yang membutuhkan sensitivitas yang sangat tinggi, mungkin masuk akal untuk menggunakan matriks tanpa anti-mekar (biasanya ini adalah tugas khusus seperti yang astronomi).

Tentang kamera warna

Materi bagian ini agak melampaui ruang lingkup pertimbangan sistem pengukuran yang telah kami buat, namun demikian, meluasnya penggunaan kamera warna (bahkan lebih dari yang hitam putih) memaksa kami untuk mengklarifikasi masalah ini, terutama karena Pelanggan sering mencoba untuk gunakan frame grabber hitam putih kami menggunakan kamera televisi berwarna, dan mereka sangat terkejut ketika mereka menemukan beberapa coretan pada gambar yang diterima, dan resolusi gambar ternyata tidak mencukupi. Mari kita jelaskan apa yang terjadi di sini.

Ada 2 cara untuk menghasilkan sinyal warna:

• 1. menggunakan kamera sensor tunggal.
• 2. menggunakan sistem 3 matriks CCD dengan kepala pemisah warna untuk mendapatkan komponen sinyal warna R, G, B pada matriks tersebut.

Cara kedua memberikan kualitas terbaik dan hanya memungkinkan Anda untuk mendapatkan sistem pengukuran, namun, kamera yang beroperasi berdasarkan prinsip ini cukup mahal (lebih dari $ 3000).

Dalam kebanyakan kasus, kamera CCD matriks tunggal digunakan. Pertimbangkan prinsip operasi mereka.

Seperti yang jelas dari karakteristik spektral yang agak lebar dari matriks CCD, ia tidak dapat menentukan "warna" foton yang mengenai permukaan. Oleh karena itu, untuk memasukkan gambar berwarna, filter cahaya dipasang di depan setiap elemen matriks CCD. Dalam hal ini, jumlah total elemen matriks tetap sama. SONY, misalnya, menghasilkan matriks CCD yang persis sama untuk versi hitam-putih dan warna, yang berbeda hanya dengan adanya kisi filter cahaya dalam matriks warna yang diterapkan langsung ke area sensitif. Ada beberapa skema untuk mewarnai matriks. Berikut adalah salah satunya.

4 filter berbeda digunakan di sini (lihat gbr. 4 dan gbr. 5).

Gambar 4. Distribusi filter cahaya pada elemen matriks CCD

Gambar 5. Sensitivitas spektral elemen CCD dengan filter cahaya berbeda.

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

Pada baris A1, sinyal perbedaan warna "merah" diperoleh sebagai:

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

dan pada baris A2 mereka mendapatkan sinyal perbedaan warna "biru":

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

Dari sini jelas bahwa resolusi spasial matriks CCD warna dibandingkan dengan matriks hitam-putih yang sama biasanya 1,3-1,5 kali lebih buruk secara horizontal dan vertikal. Karena penggunaan filter cahaya, sensitivitas CCD warna juga lebih buruk daripada CCD hitam-putih. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa jika ada penerima matriks tunggal 1000 * 800, maka Anda sebenarnya bisa mendapatkan sekitar 700 * 550 untuk sinyal kecerahan dan 500 * 400 (mungkin 700 * 400) untuk sinyal warna.

Mengalihkan dari masalah teknis, saya ingin mencatat bahwa untuk tujuan periklanan, banyak produsen kamera elektronik melaporkan data yang sama sekali tidak dapat dipahami tentang teknologi mereka. Misalnya, Kodak mengumumkan resolusi kamera elektronik DC120-nya sebagai 1200*1000 dengan matriks 850x984 piksel. Tapi tuan-tuan - informasi dari tempat kosong tidak muncul, meskipun secara visual terlihat bagus!

Tentang resolusi spasial sinyal warna (sinyal yang membawa informasi tentang warna gambar), kita dapat mengatakan bahwa setidaknya 2 kali lebih buruk daripada resolusi sinyal hitam putih. Selain itu, warna piksel keluaran yang "dihitung" bukanlah warna elemen yang sesuai dari gambar sumber, tetapi hanya hasil pemrosesan kecerahan berbagai elemen gambar sumber. Secara kasar, karena perbedaan tajam dalam kecerahan elemen objek yang berdekatan, warna yang sama sekali tidak ada di sini dapat dihitung, sementara sedikit pergeseran kamera akan menyebabkan perubahan tajam pada warna keluaran. Misalnya: batas bidang abu-abu gelap dan terang akan terlihat seperti kotak multi-warna.

Semua argumen ini hanya menyangkut prinsip fisik untuk memperoleh informasi tentang matriks CCD warna, sementara itu harus diperhitungkan bahwa biasanya sinyal video pada output kamera warna disajikan dalam salah satu format standar PAL, NTSC, lebih jarang S- video.

Format PAL dan NTSC bagus karena dapat segera diputar ulang pada monitor standar dengan input video, tetapi harus diingat bahwa standar ini memberikan bandwidth yang jauh lebih sempit untuk sinyal warna, jadi lebih tepat untuk berbicara tentang gambar berwarna. di sini, bukan tentang gambar berwarna. Fitur lain yang tidak menyenangkan dari kamera dengan sinyal video yang membawa komponen warna adalah munculnya garis-garis yang disebutkan di atas dalam gambar yang diperoleh oleh pengambil bingkai hitam-putih. Dan intinya di sini adalah bahwa sinyal warna terletak hampir di tengah-tengah pita sinyal video, menciptakan gangguan saat memasuki bingkai gambar. Kami tidak melihat gangguan ini pada monitor televisi karena fase "gangguan" ini berubah menjadi kebalikannya setelah empat bingkai dan dirata-ratakan oleh mata. Karenanya kebingungan Pelanggan, yang menerima gambar dengan gangguan yang tidak dia lihat.

Oleh karena itu, jika Anda perlu melakukan beberapa pengukuran atau menguraikan objek berdasarkan warna, maka masalah ini harus didekati dengan mempertimbangkan fitur di atas dan fitur lain dari tugas Anda.

Tentang sensor CMOS

Dalam dunia elektronik, semuanya berubah dengan sangat cepat, dan meskipun bidang fotodetektor adalah salah satu yang paling konservatif, teknologi baru telah berkembang akhir-akhir ini. Pertama-tama, ini mengacu pada penampilan matriks televisi CMOS.

Memang, silikon adalah elemen fotosensitif dan produk semikonduktor apa pun dapat digunakan sebagai sensor. Penggunaan teknologi CMOS menawarkan beberapa keuntungan nyata dibandingkan teknologi tradisional.

Pertama, teknologi CMOS dikuasai dengan baik dan memungkinkan menghasilkan elemen dengan hasil tinggi dari produk bagus.

Kedua, teknologi CMOS memungkinkan Anda untuk menempatkan pada matriks di samping area fotosensitif dan berbagai perangkat frame (hingga ADC), yang sebelumnya dipasang "di luar". Hal ini memungkinkan Anda untuk menghasilkan kamera dengan output digital "pada satu chip."

Berkat keunggulan ini, produksi kamera televisi yang jauh lebih murah menjadi mungkin. Selain itu, jangkauan perusahaan penghasil matriks berkembang secara signifikan.

Saat ini, rilis matriks televisi dan kamera berbasis teknologi CMOS semakin baik. Informasi tentang parameter perangkat semacam itu sangat langka. Hanya dapat dicatat bahwa parameter matriks ini tidak melebihi yang dicapai sekarang, sedangkan untuk harga, maka keunggulannya tidak dapat disangkal.

Saya akan memberikan contoh kamera warna chip tunggal dari Photobit PB-159. Kamera dibuat dalam satu chip dan memiliki parameter teknis berikut:

• resolusi - 512*384;
• ukuran piksel - 7,9μm * 7,9μm;
• sensitivitas - 1lux;
• keluaran - SRGB 8-bit digital;
• tubuh - 44 kaki PLCC.

Dengan demikian, kamera kehilangan sensitivitas dengan faktor empat, di samping itu, dari informasi di kamera lain, jelas bahwa teknologi ini memiliki masalah dengan arus gelap yang relatif besar.

Tentang kamera digital

Baru-baru ini, segmen pasar baru telah muncul dan berkembang pesat, menggunakan CCD dan sensor CMOS- kamera digital. Apalagi saat ini terjadi peningkatan tajam dalam kualitas produk-produk ini bersamaan dengan penurunan harga yang tajam. Memang, 2 tahun yang lalu, hanya matriks dengan resolusi 1024 * 1024 berharga sekitar $ 3000-7000, dan sekarang kamera dengan matriks seperti itu dan banyak lonceng dan peluit (layar LCD, memori, lensa zoom, bodi yang nyaman, dll. ) dapat dibeli dengan harga kurang dari $1000. Ini hanya dapat dijelaskan dengan transisi ke produksi matriks skala besar.

Karena kamera ini didasarkan pada matriks CCD dan CMOS, semua argumen dalam artikel ini tentang sensitivitas, tentang prinsip pembentukan sinyal warna juga berlaku untuk mereka.

Alih-alih kesimpulan

Pengalaman praktis kami memungkinkan kami untuk menarik kesimpulan berikut:

• Teknologi manufaktur CCD dalam hal sensitivitas dan kebisingan sangat dekat dengan batas fisik;
• di pasar kamera TV, kamera dengan kualitas yang dapat diterima dapat ditemukan, meskipun penyesuaian mungkin diperlukan untuk mencapai parameter yang lebih tinggi;
• orang tidak boleh tertipu oleh angka-angka sensitivitas tinggi yang diberikan dalam prospektus untuk kamera;
• namun, harga untuk kamera yang benar-benar identik dan bahkan kamera yang sama dari penjual yang berbeda dapat berbeda lebih dari dua kali lipat!

Konverter fotolistrik solid-state (SFEC) dari gambar adalah analog dari transmisi CRT.

TFEC berasal dari tahun 1970, dengan apa yang disebut CCD dan dibentuk berdasarkan sel individu, yang merupakan kapasitor MIS atau MOS. Salah satu pelat kapasitor dasar tersebut adalah film logam M, yang kedua adalah substrat semikonduktor P ( p- atau n-konduktivitas), dielektrik D adalah semikonduktor yang diendapkan dalam bentuk lapisan tipis pada substrat P. Silikon didoping dengan akseptor ( p-jenis) atau donor ( n-tipe) pengotor, dan sebagai D - silikon oksida SiO 2 (lihat gbr.8.8).

Beras. 8.8. Kapasitor MOS

Beras. 8.9. Pergerakan muatan di bawah pengaruh medan listrik

Beras. 8.10. Prinsip Kerja Sistem CCD Tiga Fasa

Beras. 8.11. Pergerakan muatan dalam sistem CCD dua fase

Ketika tegangan diterapkan ke elektroda logam, "saku" atau sumur potensial terbentuk di bawahnya, di mana pembawa kecil (dalam kasus kami, elektron) dapat "berakumulasi", dan pembawa mayoritas, lubang, akan ditolak dari M. Pada jarak tertentu dari permukaan , konsentrasi pembawa minor mungkin lebih tinggi daripada konsentrasi pembawa utama. Di dekat dielektrik D di substrat P, lapisan inversi muncul, di mana jenis konduktivitas berubah menjadi kebalikannya.

Paket muatan dalam CCD dapat diperkenalkan secara elektrik atau dengan bantuan pembangkitan cahaya. Selama pembangkitan cahaya, proses fotolistrik yang terjadi di silikon akan menyebabkan akumulasi pembawa minoritas di sumur potensial. Akumulasi muatan sebanding dengan iluminasi dan waktu akumulasi. Transfer muatan terarah dalam CCD disediakan dengan menempatkan kapasitor MOS begitu dekat sehingga daerah penipisannya tumpang tindih dan sumur potensial terhubung. Dalam hal ini, muatan seluler pembawa minoritas akan terakumulasi di tempat di mana sumur potensial lebih dalam.

Biarkan di bawah pengaruh cahaya muatan terakumulasi di bawah elektroda kamu 1 (lihat Gbr.8.9). Jika sekarang pada elektroda yang berdekatan kamu 2 menerapkan tegangan kamu 2 > U 1 , maka sumur potensial lain akan muncul di dekatnya, lebih dalam ( kamu 2 > U satu). Daerah medan listrik akan muncul di antara mereka dan pembawa minoritas (elektron) akan hanyut (mengalir) ke dalam “kantong” yang lebih dalam (lihat Gambar 8.9). Untuk menghilangkan dua arah dalam transfer muatan, rangkaian elektroda digunakan, digabungkan dalam kelompok yang terdiri dari 3 elektroda (lihat Gambar 8.10).

Jika, misalnya, muatan terakumulasi di bawah elektroda 4 dan perlu untuk mentransfernya ke kanan, maka tegangan yang lebih tinggi diterapkan ke elektroda kanan 5 ( kamu 2 > U 1) dan muatan mengalir ke sana, dll.

Hampir seluruh rangkaian elektroda terhubung ke tiga ban:

Saya - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

Dalam kasus kami, tegangan "penerimaan" ( kamu 2) akan berada di elektroda 2 dan 5, tetapi elektroda 2 dipisahkan dari elektroda 4, di mana muatan disimpan, oleh elektroda 3 (yang memiliki

kamu 3 = 0), sehingga tidak akan ada overflow ke kiri.

Operasi tiga siklus CCD menyiratkan adanya tiga elektroda (sel) per elemen gambar TV, yang mengurangi area yang dapat digunakan yang digunakan oleh fluks cahaya. Untuk mengurangi jumlah sel (elektroda) CCD, elektroda logam dan lapisan dielektrik dibentuk dalam bentuk bertahap (lihat Gambar 8.11). Ini memungkinkan, ketika menerapkan pulsa tegangan ke elektroda, untuk membuat sumur potensial dengan kedalaman berbeda di bawah bagian yang berbeda. Sebagian besar muatan dari sel yang berdekatan mengalir ke lubang yang lebih dalam.

Dengan sistem CCD dua fase, jumlah elektroda (sel) dalam matriks berkurang sepertiga, yang secara menguntungkan mempengaruhi pembacaan pelepasan potensial.

CCD awalnya diusulkan untuk digunakan dalam teknologi komputer sebagai perangkat penyimpanan, register geser. Di awal rantai, dioda injeksi ditempatkan, memasukkan muatan ke dalam sistem, dan di akhir rangkaian, dioda keluaran, biasanya ini t-p- atau p-n- Transisi struktur MOS, yang membentuk transistor efek medan dengan elektroda (sel) pertama dan terakhir dari rantai CCD.

Tetapi segera menjadi jelas bahwa CCD sangat sensitif terhadap cahaya, dan oleh karena itu lebih baik dan lebih efisien untuk menggunakannya sebagai detektor cahaya, dan bukan sebagai perangkat penyimpanan.

Jika array CCD digunakan sebagai fotodetektor, maka akumulasi muatan di bawah satu elektroda atau yang lain dapat dilakukan dengan metode optik (injeksi cahaya). Dapat dikatakan bahwa matriks CCD pada dasarnya adalah register geser analog yang peka terhadap cahaya. Saat ini, CCD tidak digunakan sebagai alat penyimpan (memori device), tetapi hanya sebagai fotodetektor. Mereka digunakan dalam mesin faks, pemindai (susunan CCD), kamera dan camcorder (susunan CCD). Biasanya, kamera TV menggunakan apa yang disebut chip CCD.

Kami berasumsi bahwa semua 100% dari biaya ditransfer ke kantong yang berdekatan. Namun, dalam praktiknya seseorang harus memperhitungkan kerugian. Salah satu sumber kerugian adalah "perangkap" yang dapat menangkap dan menahan muatan selama beberapa waktu. Muatan ini tidak memiliki waktu untuk mengalir ke kantong yang berdekatan jika kecepatan transfer tinggi.

Alasan kedua adalah mekanisme aliran itu sendiri. Pada saat pertama, transfer muatan terjadi dalam medan listrik yang kuat - arus masuk E. Namun, saat muatan mengalir, kekuatan medan berkurang dan proses drift mati, sehingga bagian terakhir bergerak karena difusi, 100 kali lebih lambat dari drift. Menunggu bagian terakhir berarti memperlambat kinerja. Drift memberikan lebih dari 90% transfer. Namun persentase terakhirlah yang menjadi faktor utama dalam menentukan kerugian.

Biarkan koefisien transfer dari satu siklus transfer sama dengan k= 0,99, dengan asumsi jumlah siklus adalah N= 100, kami menentukan koefisien transfer total:

0,99 100 = 0,366

Menjadi jelas bahwa dengan sejumlah besar elemen, bahkan kerugian yang tidak signifikan pada satu elemen diperoleh sangat penting untuk rantai secara keseluruhan.

Oleh karena itu, masalah pengurangan jumlah transfer muatan dalam larik CCD menjadi sangat penting. Dalam hal ini, koefisien transfer muatan dari larik CCD dua fase akan sedikit lebih tinggi daripada sistem tiga fase.

Apa itu CCD?

Sedikit sejarah

Bahan fotografi sebelumnya digunakan sebagai penerima cahaya: pelat fotografi, film fotografi, kertas foto. Belakangan, kamera televisi dan PMT (pengganda fotolistrik) muncul.
Pada akhir 60-an dan awal 70-an, apa yang disebut "Charge-Coupled Devices" mulai dikembangkan, yang disingkat CCD. Dalam bahasa Inggris sepertinya "perangkat yang dipasangkan dengan biaya" atau disingkat CCD. Prinsip di balik CCD adalah fakta bahwa silikon mampu merespons cahaya tampak. Dan fakta ini mengarah pada gagasan bahwa prinsip ini dapat digunakan untuk mendapatkan gambar objek bercahaya.

Para astronom termasuk yang pertama mengenali kemampuan luar biasa dari CCD untuk pencitraan. Pada tahun 1972, sekelompok peneliti dari JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) mendirikan program pengembangan CCD untuk penelitian astronomi dan ruang angkasa. Tiga tahun kemudian, bersama dengan ilmuwan dari University of Arizona, tim ini memperoleh gambar CCD astronomi pertama. Dalam gambar inframerah-dekat Uranus, menggunakan teleskop 1,5 meter, bintik-bintik gelap ditemukan di dekat kutub selatan planet ini, menunjukkan adanya metana di sana ...

Penggunaan matriks CCD saat ini telah menemukan aplikasi yang luas: kamera digital, kamera video; Menjadi mungkin untuk menyematkan matriks CCD seperti kamera bahkan di ponsel.

perangkat CCD

Perangkat CCD khas (Gbr. 1): pada permukaan semikonduktor terdapat lapisan dielektrik tipis (0,1-0,15 m) (biasanya oksida), di mana strip elektroda konduktif (terbuat dari logam atau silikon polikristalin) berada. Elektroda ini membentuk sistem linier atau matriks biasa, dan jarak antara elektroda sangat kecil sehingga efek dari pengaruh timbal balik elektroda tetangga menjadi signifikan. Prinsip operasi CCD didasarkan pada pembangkitan, penyimpanan, dan transfer paket muatan secara terarah di sumur potensial yang terbentuk di lapisan dekat permukaan semikonduktor ketika tegangan listrik eksternal diterapkan ke elektroda.

Beras. 1. Perangkat utama matriks CCD.

pada gambar. 1, simbol C1, C2 dan C3 menunjukkan kapasitor MOS (metal-oksida-semikonduktor).

Jika tegangan positif U diterapkan ke elektroda apa pun, maka medan listrik muncul dalam struktur MIS, di bawah aksi yang sebagian besar pembawa (lubang) sangat cepat (dalam beberapa picoseconds) meninggalkan permukaan semikonduktor. Akibatnya, lapisan yang terkuras terbentuk di dekat permukaan, yang ketebalannya adalah pecahan atau satuan mikrometer. Pembawa minoritas (elektron) yang dihasilkan di lapisan penipisan di bawah pengaruh proses apa pun (misalnya, termal) atau sampai di sana dari daerah netral semikonduktor di bawah aksi difusi akan bergerak (di bawah aksi medan) ke semikonduktor -antarmuka dielektrik dan dilokalisasi dalam lapisan terbalik yang sempit. Dengan demikian, sumur potensial untuk elektron muncul di dekat permukaan, di mana mereka berguling dari lapisan yang terkuras di bawah aksi medan. Pembawa mayoritas (lubang) yang dihasilkan di lapisan penipisan dikeluarkan di bawah aksi medan ke bagian netral semikonduktor.
Selama interval waktu tertentu, setiap piksel secara bertahap diisi dengan elektron sebanding dengan jumlah cahaya yang masuk. Pada akhir waktu ini, muatan listrik yang dikumpulkan oleh setiap piksel ditransfer secara bergantian ke "output" perangkat dan diukur.

Ukuran piksel fotosensitif dari matriks berkisar dari satu atau dua hingga beberapa puluh mikron. Ukuran kristal perak halida dalam lapisan fotosensitif film fotografi berkisar dari 0,1 (emulsi positif) hingga 1 mikron (sangat sensitif negatif).

Salah satu parameter utama matriks adalah apa yang disebut efisiensi kuantum. Nama ini mencerminkan efisiensi konversi foton yang diserap (kuanta) menjadi fotoelektron dan mirip dengan konsep fotografi fotosensitivitas. Karena energi kuanta cahaya bergantung pada warnanya (panjang gelombang), tidak mungkin untuk menentukan dengan jelas berapa banyak elektron yang akan lahir dalam piksel matriks ketika menyerap, misalnya, aliran seratus foton heterogen. Oleh karena itu, efisiensi kuantum biasanya diberikan dalam paspor untuk matriks sebagai fungsi dari panjang gelombang, dan di beberapa bagian spektrum dapat mencapai 80%. Ini lebih dari sekadar emulsi fotografi atau mata (sekitar 1%).

Apa itu matriks CCD?

Jika piksel disusun dalam satu baris, maka penerima disebut garis CCD, tetapi jika luas permukaan diisi dengan baris genap, maka penerima disebut matriks CCD.

Penguasa CCD memiliki berbagai aplikasi di tahun 80-an dan 90-an untuk pengamatan astronomi. Itu cukup untuk menahan gambar di sepanjang penggaris CCD dan itu muncul di monitor komputer. Tetapi proses ini disertai dengan banyak kesulitan, dan oleh karena itu, saat ini, array CCD semakin banyak digantikan oleh matriks CCD.

Efek yang Tidak Diinginkan

Salah satu efek samping yang tidak diinginkan dari transfer muatan CCD, yang dapat mengganggu pengamatan, adalah garis-garis vertikal (pilar) terang, bukan area terang dari area gambar kecil. Juga, kemungkinan efek yang tidak diinginkan dari matriks CCD meliputi: noise gelap yang tinggi, adanya piksel "buta" atau "panas", sensitivitas yang tidak merata di seluruh bidang matriks. Untuk mengurangi kebisingan gelap, pendinginan otomatis matriks CCD digunakan pada suhu -20°C ke bawah. Atau bingkai gelap diambil (misalnya, dengan lensa tertutup) dengan durasi (pencahayaan) dan suhu yang sama dengan pembuatan bingkai sebelumnya. Selanjutnya, program khusus di komputer mengurangi bingkai gelap dari gambar.

Kamera televisi berbasis CCD bagus karena memberikan kemampuan untuk menangkap gambar hingga 25 frame per detik dengan resolusi 752 x 582 piksel. Tetapi ketidakcocokan beberapa kamera jenis ini untuk pengamatan astronomi adalah bahwa pabrikan menerapkan pra-pemrosesan gambar internal (baca - distorsi) di dalamnya untuk persepsi yang lebih baik dari bingkai yang diterima melalui penglihatan. Ini adalah AGC (penyesuaian kontrol otomatis) dan yang disebut. efek "batas tajam" dan lain-lain.

Kemajuan…

Secara umum, penggunaan penerima CCD jauh lebih nyaman daripada penggunaan penerima cahaya non-digital, karena data yang diperoleh segera berubah menjadi bentuk yang sesuai untuk diproses di komputer, dan, di samping itu, kecepatan memperoleh frame individu sangat tinggi (dari beberapa frame per detik ke menit).

Saat ini, produksi matriks CCD berkembang dan meningkat dengan pesat. Jumlah "megapiksel" matriks - jumlah piksel individu per satuan luas matriks - meningkat. Meningkatkan kualitas gambar yang diperoleh dengan CCD, dll.

Sumber yang digunakan:
1. 1. Viktor Belov. Akurat hingga sepersepuluh mikron.
2. 2. S.E. Guryanov. Bertemu dengan CCD.

(lang: 'ru')

Saya melanjutkan percakapan tentang perangkat yang dimulai pada publikasi sebelumnya.

Salah satu elemen utama kamera digital yang membedakannya dengan kamera film adalah elemen fotosensitifnya, yang disebut dengan image intensifier tube atau fotosensitif. kamera digital. Kami telah berbicara tentang matriks kamera, tetapi sekarang mari kita lihat lebih dekat perangkat dan prinsip operasi matriks, meskipun cukup dangkal agar tidak terlalu melelahkan pembaca.

Sebagian besar kamera digital saat ini dilengkapi dengan matriks CCD.

matriks CCD. Perangkat. Prinsip operasi.

Mari kita lihat perangkatnya sensor CCD.

Semikonduktor diketahui dibagi menjadi semikonduktor tipe-n dan tipe-p. Dalam semikonduktor tipe-n ada kelebihan elektron bebas, dan dalam semikonduktor tipe-p ada kelebihan muatan positif, "lubang" (dan karena itu kekurangan elektron). Semua mikroelektronika didasarkan pada interaksi kedua jenis semikonduktor ini.

Jadi, elemen Sensor CCD dari kamera digital disusun sebagai berikut. Lihat Gambar.1:

Gambar 1

Jika Anda tidak merincinya, maka elemen CCD atau perangkat charge-coupled, dalam transkripsi bahasa Inggris: charge-coupled-device - CCD, adalah kapasitor MIS (metal-dielectric-semiconductor). Ini terdiri dari substrat tipe-p - lapisan silikon, isolator silikon dioksida dan pelat elektroda. Ketika potensial positif diterapkan ke salah satu elektroda, zona yang kehabisan pembawa utama - lubang, terbentuk di bawahnya, karena mereka didorong ke samping oleh medan listrik dari elektroda jauh ke dalam substrat. Dengan demikian, sumur potensial terbentuk di bawah elektroda ini, yaitu, zona energi yang menguntungkan untuk pergerakan pembawa minoritas, elektron, ke dalamnya. Sumur ini mengakumulasi muatan negatif. Itu dapat disimpan di sumur ini untuk waktu yang cukup lama karena tidak adanya lubang di dalamnya dan, oleh karena itu, alasan untuk rekombinasi elektron.

Dalam fotosensitif matriks elektroda adalah film silikon polikristalin, transparan di wilayah spektrum yang terlihat.

Foton cahaya datang pada matriks memasuki substrat silikon, membentuk pasangan lubang-elektron di dalamnya. Lubang, seperti disebutkan di atas, dipindahkan jauh ke dalam substrat, dan elektron menumpuk di sumur potensial.

Muatan yang terakumulasi sebanding dengan jumlah foton yang datang pada elemen, yaitu intensitas fluks cahaya. Dengan demikian, pelepasan muatan dibuat pada matriks, sesuai dengan gambar optik.

Pergerakan muatan dalam larik CCD.

Setiap elemen CCD memiliki beberapa elektroda yang potensial berbeda diterapkan.

Ketika potensial yang lebih besar dari pada elektroda yang diberikan diterapkan ke elektroda yang berdekatan (lihat Gambar 3), sumur potensial yang lebih dalam terbentuk di bawahnya, di mana muatan dari sumur potensial pertama bergerak. Dengan cara ini, muatan dapat berpindah dari satu sel CCD ke sel CCD lainnya. Elemen CCD yang ditunjukkan pada Gambar 3 disebut tiga fase, ada juga elemen 4 fase.

Gbr.4. Skema operasi perangkat yang digabungkan dengan muatan tiga fase - register geser.

Untuk mengubah muatan menjadi pulsa arus (arus foto), digunakan register geser serial (lihat Gambar 4). Register geser semacam itu adalah serangkaian elemen CCD. Amplitudo pulsa arus sebanding dengan jumlah muatan yang ditransfer, dan dengan demikian sebanding dengan fluks cahaya yang datang. Urutan pulsa arus yang dihasilkan dengan membaca urutan muatan kemudian diterapkan ke input penguat.

Garis elemen CCD yang berjarak dekat digabungkan menjadi CCD. Pengoperasian matriks semacam itu didasarkan pada penciptaan dan transfer muatan lokal di sumur potensial yang dibuat oleh medan listrik.

Gbr.5.

Muatan semua elemen CCD dari register secara sinkron dipindahkan ke elemen CCD tetangga. Muatan yang ada di sel terakhir masuk ke output register, dan kemudian masuk ke input amplifier.

Masukan dari register geser serial diisi oleh muatan register geser tegak lurus, yang secara kolektif disebut sebagai register geser paralel. Register geser paralel dan serial membentuk matriks CCD (lihat Gambar 4).

Shift register yang tegak lurus dengan serial register disebut kolom.

Pergerakan biaya register paralel disinkronkan secara ketat. Semua muatan dari satu baris dipindahkan secara bersamaan ke baris berikutnya. Muatan baris terakhir masuk ke dalam serial register. Jadi, dalam satu siklus kerja, deretan muatan dari register paralel memasuki input dari register serial, memberikan ruang untuk muatan yang baru terbentuk.

Pengoperasian register serial dan paralel disinkronkan oleh generator clock. Bagian sensor kamera digital juga termasuk sirkuit mikro yang memasok potensial ke elektroda transfer register dan mengontrol operasinya.

Tabung penguat gambar jenis ini disebut matriks bingkai penuh (full-frame CCD-matrix). Untuk operasinya, perlu memiliki penutup buram, yang pertama membuka tabung penguat gambar untuk paparan cahaya, kemudian, ketika jumlah foton yang diperlukan untuk akumulasi muatan yang cukup dalam elemen matriks, mengenainya, menutupnya. dari cahaya. Penutup seperti itu adalah penutup mekanis, seperti pada kamera film. Tidak adanya penutup seperti itu mengarah pada fakta bahwa ketika muatan bergerak dalam register geser, sel-sel terus disinari dengan cahaya, menambahkan elektron ekstra ke muatan setiap piksel, yang tidak sesuai dengan fluks cahaya dari titik tertentu. . Ini mengarah pada "pengolesan" muatan, masing-masing, pada distorsi gambar yang dihasilkan.