CCD-matriisin toimintaperiaate. CCD. CCD-toiminnan fyysinen periaate. CCD matriisi. CCD:n toimintaperiaate

Mikä on CCD?

Hieman historiaa

Aikaisemmin valovastaanottimina käytettiin valokuvamateriaaleja: valokuvalevyjä, valokuvafilmiä, valokuvapaperia. Myöhemmin televisiokamerat ja valomonistinputket (PMT) ilmestyivät.
60-luvun lopulla ja 70-luvun alussa alettiin kehittää niin sanottuja "Charge Coupled Devices" -laitteita, lyhennettynä CCD:t. Englanniksi se näyttää "charge-coupled devices" tai lyhennettynä CCD. CCD-matriisien periaate oli se, että pii pystyy reagoimaan näkyvään valoon. Ja tämä tosiasia johti ajatukseen, että tätä periaatetta voidaan käyttää kuvien saamiseksi valoisista kohteista.

Tähtitieteilijät olivat ensimmäisten joukossa, jotka tunnistivat CCD:iden poikkeukselliset ominaisuudet kuvien tallentamiseen. Vuonna 1972 JPL:n (Jet Propulsion Laboratory, USA) tutkijaryhmä perusti ohjelman CCD:iden kehittämiseksi tähtitiedettä ja avaruustutkimusta varten. Kolme vuosia myöhemmin Yhdessä Arizonan yliopiston tutkijoiden kanssa ryhmä sai ensimmäisen tähtitieteellisen CCD-kuvan. Lähi-infrapunakuva Uranuksesta puolentoista metrin kaukoputkella paljasti tummia pisteitä planeetan etelänavan läheltä, mikä viittaa metaanin...

CCD-matriisien käyttö on nykyään löytänyt laajan sovelluksen: digitaalikamerat, videokamerat; On tullut mahdolliseksi integroida CCD-matriisi kuten kamera jopa matkapuhelimiin.

CCD-laite

Tyypillinen CCD-laite(Kuva 1): puolijohteen pinnalla on ohut (0,1-0,15 μm) kerros eristettä (yleensä oksidia), jonka päällä on johtavien elektrodien liuskat (valmistettu metallista tai monikiteisestä piistä). Nämä elektrodit muodostavat lineaarisen tai matriisisäännöllisen järjestelmän, ja elektrodien väliset etäisyydet ovat niin pieniä, että naapurielektrodien keskinäisen vaikutuksen vaikutukset ovat merkittäviä. CCD:n toimintaperiaate perustuu varauspakettien syntymiseen, varastointiin ja suuntaamiseen puolijohteen pinnanläheiseen kerrokseen muodostuneissa potentiaalikuopissa, kun elektrodeihin johdetaan ulkoisia sähköjännitteitä.

Riisi. 1. Peruslaite CCD-matriisit.

Kuvassa Kuviossa 1 symbolit C1, C2 ja C3 osoittavat MOS-kondensaattoreita (metallioksidipuolijohde).

Jos johonkin elektrodiin kohdistetaan positiivinen jännite U, syntyy MIS-rakenteeseen sähkökenttä, jonka vaikutuksesta enemmistökantajat (reiät) siirtyvät hyvin nopeasti (muutamassa pikosekunnissa) pois puolijohteen pinnasta. Tämän seurauksena pinnalle muodostuu tyhjentynyt kerros, jonka paksuus on mikrometrin murto-osaa tai yksikköä. Vähennyskerrokseen syntyneet vähemmistökantajat (elektronit) joidenkin prosessien (esim. termisten) vaikutuksesta tai sinne puolijohteen neutraaleilta alueilta diffuusion vaikutuksesta saapuvat siirtyvät (kentän vaikutuksesta) puolijohteeseen. -eristinrajapinta ja sijoitettava kapeaan käänteiseen kerrokseen. Siten pinnalle muodostuu elektronien potentiaalikuoppa, johon ne vierivät ehtymäkerroksesta kentän vaikutuksesta. Pääosa tyhjennyskerroksessa syntyvistä kantoaalroista (reiät) työntyy puolijohteen neutraaliin osaan kentän vaikutuksesta.
Aikana määrätty aikaväli Ajan myötä jokainen pikseli täyttyy vähitellen elektroneilla suhteessa siihen tulevan valon määrään. Tämän ajan kuluttua kunkin pikselin keräämät sähkövaraukset siirretään vuorotellen laitteen "lähtöön" ja mitataan.

Matriisien valoherkän pikselin koko vaihtelee yhdestä tai kahdesta useisiin kymmeniin mikroniin. Hopeahalogenidikiteiden koko valokuvausfilmin valoherkässä kerroksessa vaihtelee välillä 0,1 (positiiviset emulsiot) 1 mikroniin (erittäin herkkä negatiivi).

Yksi matriisin pääparametreista on niin kutsuttu kvanttitehokkuus. Tämä nimi kuvastaa absorboituneiden fotonien (kvantien) muuntamisen tehokkuutta valoelektroneiksi ja on samanlainen kuin valokuvallinen valoherkkyyden käsite. Koska valokvanttien energia riippuu niiden väristä (aallonpituudesta), on mahdotonta yksiselitteisesti määrittää, kuinka monta elektronia syntyy matriisipikselissä, kun se absorboi esimerkiksi sadan heterogeenisen fotonin vuon. Siksi kvanttitehokkuus on yleensä annettu matriisitietolomakkeessa aallonpituuden funktiona ja erilliset alueet spektri voi olla 80 %. Tämä on paljon enemmän kuin valokuvaemulsiolla tai silmällä (noin 1 %).

Millaisia ​​CCD-matriiseja on olemassa?

Jos pikselit ovat rivissä yhdelle riville, niin vastaanotinta kutsutaan CCD-ryhmäksi, mutta jos pinta-ala on täytetty parillisilla riveillä, niin vastaanotinta kutsutaan CCD-matriisiksi.

CCD-linjalla oli leveä ympyrä sovelluksia 80- ja 90-luvuilla tähtitieteellisiin havaintoihin. Kuvan siirtäminen CCD-viivaa pitkin riitti ja se ilmestyi tietokoneen näytölle. Mutta tähän prosessiin liittyi monia vaikeuksia, ja siksi tällä hetkellä CCD-matriiseja korvataan yhä useammin CCD-matriiseilla.

Ei-toivotut vaikutukset

Yksi CCD:n varauksensiirron ei-toivottu sivuvaikutus, joka voi häiritä havainnointia, ovat kirkkaat pystysuorat raidat (pilarit) pienen alueen kuvan kirkkaiden alueiden tilalla. CCD-matriisien mahdollisia ei-toivottuja vaikutuksia ovat myös: korkea tumma kohina, "sokeiden" tai "kuumien" pikselien esiintyminen, epätasainen herkkyys matriisikentässä. Tumman kohinan vähentämiseksi käytetään CCD-matriisien autonomista jäähdytystä -20 °C:n ja sen alle. Tai otetaan tumma kehys (esimerkiksi linssi kiinni) samalla kestolla (valotus) ja lämpötilalla kuin edellinen kuva otettiin. Myöhemmin erikoisohjelma Tietokone vähentää kuvasta tumman kehyksen.

CCD-pohjaisten televisiokameroiden hyvä puoli on, että ne voivat ottaa kuvia jopa 25 kuvaa sekunnissa 752 x 582 pikselin resoluutiolla. Mutta joidenkin tämän tyyppisten kameroiden sopimattomuus tähtitieteellisiin havaintoihin johtuu siitä, että valmistaja toteuttaa niissä sisäistä kuvan esikäsittelyä (lue: vääristymistä) tuloksena olevien ruutujen paremman havaitsemiseksi näön avulla. Tämä sisältää AGC:n (automaattinen ohjaussäätö) ja ns. "terävien rajojen" ja muiden vaikutus.

Edistystä…

Yleisesti ottaen CCD-vastaanottimien käyttö on paljon kätevämpää kuin ei-digitaalisten valovastaanottimien käyttö, koska vastaanotettu data on heti tietokoneella prosessoitavassa muodossa ja lisäksi yksittäisten kehysten saamisnopeus on erittäin hyvä. korkea (useita kehyksiä sekunnissa minuutteihin).

SISÄÄN tällä hetkellä CCD-matriisien tuotanto kehittyy ja paranee nopeasti. Matriisien "megapikselien" määrä kasvaa - yksittäisten pikselien määrä matriisin pinta-alayksikköä kohti. CCD-matriiseilla jne. saatujen kuvien laatu paranee.

Käytetyt lähteet:
1. 1. Viktor Belov. Tarkkuus mikronin kymmenesosaan.
2. 2. S.E. Guryanov. Tapaa CCD.

Sensori - pääelementti digitaalikamera

Minkä tahansa digitaalisen video- tai valokuvakameran sydän (tällaisten laitteiden väliset rajat hämärtyvät nyt vähitellen) on valoherkkä anturi. Se muuntaa näkyvän valon sähköisiksi signaaleiksi, joita käytetään elektronisten piirien jatkokäsittelyyn. Koulun fysiikan kurssista tiedämme, että valoa voidaan pitää alkuainehiukkasten - fotonien - virtana. Joidenkin puolijohdemateriaalien pintaan iskevät fotonit voivat johtaa elektronien ja reikien muodostumiseen (muistaa, että puolijohteiden reikää kutsutaan tavallisesti tyhjäksi paikaksi elektronille, joka muodostuu puolijohteen atomien välisten kovalenttisten sidosten katkeamisen seurauksena aine). Elektroni-reikäparien synnyttäminen valon vaikutuksesta on mahdollista vain siinä tapauksessa, että fotonienergia riittää "repimään" elektronin "natiivista" ytimestä ja siirtämään sen johtavuuskaistalle. Fotonin energia on suoraan verrannollinen tulevan valon aallonpituuteen, eli se riippuu niin sanotusta säteilyn väristä. Näkyvän (eli ihmissilmän havaitseman) säteilyn alueella fotonienergia riittää synnyttämään elektroni-reikäpareja puolijohdemateriaaleissa, kuten esimerkiksi piissä.

Koska tuotettujen fotoelektronien määrä on suoraan verrannollinen valovirran intensiteettiin, on mahdollista verrata tulevan valon määrä matemaattisesti sen synnyttämän varauksen määrään. Tähän yksinkertaiseen fysikaaliseen ilmiöön valoherkkien antureiden toimintaperiaate perustuu. Anturi suorittaa viisi perustoimintoa: absorboi fotoneja, muuntaa ne varauksiksi, tallentaa sen, lähettää sen ja muuntaa sen jännitteeksi. Valmistustekniikasta riippuen eri anturit suorittavat fotoelektronien varastointi- ja keräämistehtäviä eri tavoin. Lisäksi eri menetelmillä voidaan muuntaa tallennettuja elektroneja sähköjännitteeksi (analogiseksi signaaliksi), joka puolestaan ​​muunnetaan digitaaliseksi signaaliksi.

CCD-anturit

Historiallisesti niin kutsutut CCD-matriisit olivat ensimmäisiä, joita käytettiin videokameroiden valoherkkinä elementteinä. massatuotanto joka alkoi vuonna 1973. Lyhenne CCD tarkoittaa varauskytkettyä laitetta; Englanninkielisessä kirjallisuudessa käytetään termiä CCD (Charge-Coupled Device). Yksinkertaisin CCD-anturi on kondensaattori, joka pystyy kerääntymään sähkövaraus. Perinteinen kondensaattori, joka koostuu kahdesta eristekerroksella erotetusta metallilevystä, ei toimi tässä, joten käytetään ns. MOS-kondensaattoreita. Sisäisen rakenteensa suhteen tällaiset kondensaattorit ovat metallin, oksidin ja puolijohteen kerros (ne saavat nimensä käytettyjen komponenttien ensimmäisistä kirjaimista). Seostettua p-tyyppistä piitä käytetään puolijohteena, eli puolijohteena, johon muodostuu ylimääräisiä reikiä epäpuhtausatomien lisäyksen vuoksi (doping). Puolijohteen yläpuolella on ohut kerros dielektristä (piioksidia) ja päällä on metallikerros, joka toimii porttina, jos noudatat terminologiaa kenttäefektitransistorit(Kuva 1).

Kuten jo todettiin, puolijohteeseen muodostuu valon vaikutuksesta elektroni-reikäpareja. Generointiprosessin ohella tapahtuu kuitenkin myös käänteinen prosessi - reikien ja elektronien rekombinaatio. Siksi on ryhdyttävä toimenpiteisiin tuloksena olevien elektronien ja reikien erottamiseksi ja varastoimiseksi vaaditun ajan. Loppujen lopuksi muodostuneiden fotoelektronien lukumäärä kuljettaa tietoa absorboidun valon intensiteetistä. Tätä varten portti ja eristävä dielektrinen kerros on suunniteltu. Oletetaan, että portissa on positiivinen potentiaali. Tässä tapauksessa luodun sähkökentän vaikutuksesta, joka tunkeutuu eristeen läpi puolijohteeseen, reiät, jotka ovat päävarauksenkuljettajia, alkavat siirtyä poispäin dielektristä eli puolijohteen syvyyteen. Puolijohteen ja eristeen rajapinnalle muodostuu alue, josta on tyhjennetty enemmistön kantoaaltoja, eli reikiä, ja tämän alueen koko riippuu käytetyn potentiaalin suuruudesta. Juuri tämä tyhjentynyt alue on valoelektronien "varasto". Itse asiassa, jos puolijohde altistuu valolle, tuloksena olevat elektronit ja reiät liikkuvat vastakkaisiin suuntiin - reikiä puolijohteen syvyyteen ja elektronit kohti tyhjennyskerrosta. Koska tässä kerroksessa ei ole reikiä, elektronit pysyvät siellä ilman rekombinaatioprosessia vaaditun ajan. Luonnollisesti elektronien kertymisprosessi ei voi jatkua loputtomiin. Kun elektronien lukumäärä kasvaa, niiden ja positiivisesti varautuneiden reikien väliin syntyy indusoitunut sähkökenttä, joka on suunnattu vastapäätä portin luomaa kenttää. Tämän seurauksena puolijohteen sisällä oleva kenttä pienenee nollaan, minkä jälkeen reikien ja elektronien avaruudellinen erotteluprosessi tulee mahdottomaksi. Tämän seurauksena elektroni-reikäparin muodostumiseen liittyy sen rekombinaatio, eli "informaatio"-elektronien lukumäärä tyhjennetyssä kerroksessa lakkaa kasvamasta. Tässä tapauksessa voidaan puhua anturin kapasiteetin ylitäyttymisestä.

Tarkastelemamme anturi pystyy suorittamaan kaksi tärkeää tehtävää - muuttamaan fotonit elektroneiksi ja keräämään niitä. Jäljellä on ratkaista ongelma näiden informaatioelektronien siirtämisestä vastaaviin muunnoslohkoihin, toisin sanoen informaation hakemisen ongelma.

Kuvittelemme ei yhtä, vaan useita lähekkäin olevia portteja saman eristeen pinnalle (kuva 2). Anna elektronien kerääntyä yhden portin alle valogeneroinnin seurauksena. Jos viereiseen porttiin kohdistetaan korkeampi positiivinen potentiaali, elektronit alkavat virrata korkeamman alueen alueelle. vahva kenttä eli siirtyä portilta toiselle. Nyt pitäisi olla selvää, että jos meillä on porttiketju, niin kohdistamalla niihin sopivat ohjausjännitteet, voimme siirtää paikallista varauspakettia tällaista rakennetta pitkin. Se kuuluu tähän yksinkertainen periaate ja varaukseen kytketyt laitteet perustuvat.

CCD:n merkittävä ominaisuus on, että kertyneen varauksen siirtämiseen riittää vain kolme tyyppistä porttia - yksi lähettävä, yksi vastaanottava ja yksi eristävä, erottava vastaanotto- ja lähetysparit toisistaan ​​sekä tällaisten kolmosten samannimiset portit. voidaan yhdistää toisiinsa yhdeksi kellorenkaaksi, joka vaatii vain yhden ulkoinen lähtö(Kuva 3). Tämä on CCD:n yksinkertaisin kolmivaiheinen siirtorekisteri.

Tähän asti olemme tarkastelleet CCD-anturia vain yhdessä tasossa - sivuosassa. Näkökenttämme ulkopuolelle jää mekanismi elektronien rajoittamiseksi poikittaissuunnassa, jossa portti on kuin pitkä kaistale. Ottaen huomioon, että puolijohteen valaistus on epätasaista tällaisessa nauhassa, elektronin tuoton nopeus valon vaikutuksesta vaihtelee portin pituudella. Jos elektronien paikantamiseksi lähelle niiden muodostumisaluetta ei ryhdytä toimenpiteisiin, niin diffuusion seurauksena elektronipitoisuus tasoittuu ja tieto valon intensiteetin muutoksista pituussuunnassa katoaa. Luonnollisesti kaihtimen koko olisi mahdollista saada samaksi sekä pituus- että poikittaissuunnassa, mutta tämä vaatisi liikaa valmistusta suuri numero portit CCD-matriisiin. Siksi syntyvien elektronien paikantamiseen pituussuunnassa käytetään ns. stop-kanavia (kuvio 4), jotka ovat kapea puolijohdenauha, jossa on korkea lisäainepitoisuus. Mitä suurempi epäpuhtauspitoisuus on, sitä enemmän tällaisen johtimen sisään muodostuu reikiä (jokainen epäpuhtausatomi johtaa reiän muodostumiseen). Mutta reikien pitoisuus määrittää, millä tietyllä hilajännitteellä sen alle muodostuu tyhjennysalue. On intuitiivisesti selvää, että mitä suurempi reikien pitoisuus puolijohteessa on, sitä vaikeampaa on lyödä niitä syvemmälle.

Tarkastellessamme olevaa CCD-matriisin rakennetta kutsutaan CCD-matriisin pintasiirtokanavaksi, koska kanava, jonka kautta kertynyt varaus välittyy, sijaitsee puolijohteen pinnalla. Pintasiirtomenetelmällä on useita puolijohteen rajan ominaisuuksiin liittyviä merkittäviä haittoja. Tosiasia on, että puolijohteen rajoitus avaruudessa rikkoo sen kidehilan ihanteellista symmetriaa kaikilla siitä seuraavilla seurauksilla. Sukeltamatta kiinteän olomuodon fysiikan monimutkaisuuteen, huomaamme, että tällainen rajoitus johtaa energialoukkujen muodostumiseen elektroneille. Tämän seurauksena nämä ansoja voivat siepata valon vaikutuksesta kerääntyneet elektronit sen sijaan, että ne siirrettäisiin portista toiseen. Muun muassa tällaiset ansoja voivat vapauttaa elektroneja arvaamattomasti, eivätkä aina silloin, kun niitä todella tarvitaan. Osoittautuu, että puolijohde alkaa "pitää kohinaa" - toisin sanoen portin alle kerääntyneiden elektronien lukumäärä ei täsmälleen vastaa absorboituneen säteilyn intensiteettiä. Tällaisia ​​ilmiöitä on mahdollista välttää, mutta tätä varten itse siirtokanava on siirrettävä syvemmälle johtimeen. Philipsin asiantuntijat ottivat tämän ratkaisun käyttöön vuonna 1972. Ajatuksena oli, että p-tyypin puolijohteen pinta-alueelle syntyi ohut kerros n-tyyppistä puolijohdetta, eli puolijohdetta, jossa päävarauksen kantajat ovat elektroneja (kuva 5).

On hyvin tunnettua, että kahden erityyppisen johtavuuden omaavan puolijohteen kosketus johtaa tyhjennyskerroksen muodostumiseen liitosrajalle. Tämä johtuu reikien ja elektronien diffuusiosta vastakkaisiin suuntiin ja niiden rekombinaatiosta. Positiivisen potentiaalin käyttäminen porttiin kasvattaa tyhjennysalueen kokoa. On ominaista, että nyt itse ehtymisalue eli fotoelektronien kapasiteetti ei ole pinnalla, joten elektroneille ei ole pintaloukkuja. Tällaista siirtokanavaa kutsutaan piilotetuksi, ja kaikki nykyaikaiset CCD:t valmistetaan piilotetulla siirtokanavalla.

Käsittelemiämme CCD-anturin toimintaperiaatteita käytetään eri arkkitehtuurien CCD-matriisien rakentamiseen. Rakenteellisesti voidaan erottaa kaksi päämatriisimallia: kehys kehykseltä -siirrolla ja rivinvälisellä siirrolla.

Matriisissa, jossa on kehys kehykseltä siirto, on kaksi vastaavaa osaa, joissa on sama määrä rivejä: kerääminen ja tallennus. Jokainen rivi näissä osissa muodostuu kolmesta portista (lähettävä, vastaanottava ja eristävä). Lisäksi, kuten edellä todettiin, kaikki linjat on erotettu useilla pysäytyskanavilla, jotka muodostavat kokoamissoluja vaakasuunnassa. Siten CCD-matriisin pienin rakenneelementti (pikseli) muodostetaan kolmesta vaakasuuntaisesta hilasta ja kahdesta pystysuorasta pysäytyskanavasta (kuva 6).

Valotuksen aikana akkumulaatio-osaan muodostuu fotoelektroneja. Tämän jälkeen porteille syötetyt kellopulssit siirtävät kertyneet varaukset akkumulaatioosastolta varjostetulle varastoosalle, eli koko kehys siirretään. Siksi tätä arkkitehtuuria kutsutaan kehyssiirto-CCD:ksi. Siirron jälkeen tallennusosa tyhjenee ja voi kerätä varauksia uudelleen, kun taas muistiosasta lataukset virtaavat vaakasuuntaiseen lukurekisteriin. Vaakasuuntaisen rekisterin rakenne on samanlainen kuin CCD-anturin rakenne - samat kolme porttia varauksen siirtoon. Jokaisella vaakasuuntaisen rekisterin elementillä on varausyhteys vastaavaan muistiosan sarakkeeseen ja jokaista kellopulssia kohden akkumulaatioosasta tulee koko rivi lukurekisteriin, joka sitten siirretään lähtövahvistimeen jatkokäsittelyä varten.

Tarkastetulla CCD-matriisipiirillä on yksi kiistaton etu - korkea täyttökerroin. Tätä termiä käytetään yleensä tarkoittamaan matriisin valoherkän alueen suhdetta sen kokonaispinta-alaan. Matriiseilla, joissa on kehys ruudulta siirto, täyttökerroin saavuttaa lähes 100%. Tämä ominaisuus mahdollistaa erittäin herkkien laitteiden luomisen niiden perusteella.

Tarkastettujen etujen lisäksi matriiseilla, joissa on kehys kehykseltä -siirto, on myös useita haittoja. Ensinnäkin huomaamme, että itse siirtoprosessia ei voida suorittaa välittömästi. Tämä seikka johtaa useisiin negatiivisiin ilmiöihin. Varauksen siirtoprosessin aikana akkumulaatioosastolta varastoosalle ensimmäinen jää valaistuksi ja fotoelektronien kertymisprosessi jatkuu siinä. Tämä johtaa siihen, että kuvan kirkkailla alueilla on aikaa osallistua vierasvarauspakettiin jopa sen lyhyen ajan kuluessa, jonka aikana se kulkee niiden läpi. Seurauksena on, että kehykseen ilmestyy muotoon tyypillisiä vääristymiä pystysuorat raidat, joka ulottuu koko kehyksen yli kuvan kirkkaista alueista. Tällaisten ilmiöiden torjumiseen voidaan tietysti käyttää erilaisia ​​temppuja, mutta radikaalein tapa on erottaa kasautumisosa ja siirtoosa siten, että siirto tapahtuu varjostetulla alueella. Tämän arkkitehtuurin matriiseja kutsutaan CCD:iksi, joissa on interline-siirto (kuva 7).

Toisin kuin aiemmin kuvattu kehys kehykseltä -siirtomatriisi, valodiodit toimivat tässä varauksen varastointielementteinä (valodiodit käsitellään tarkemmin myöhemmin). Valodiodien keräämät varaukset siirretään varjostettuihin CCD-elementteihin, jotka suorittavat edelleen varauksen siirtoa. Huomaa, että koko kehys siirretään valodiodeista pystysuuntaisiin CCD-siirtorekistereihin tapahtuu yhdessä kellojaksossa. Nousee looginen kysymys: Miksi tätä arkkitehtuuria kutsutaan riviväliviivaksi (termi "lomitettu tavuviiva" löytyy myös)? Ymmärtääksemme interline-nimen alkuperän sekä kehys kehykseltä siirron, muistakaamme perusperiaate kuvan näyttämisestä videosignaalin generointinäytössä. Kehyssignaali koostuu rivisignaaleista, jotka on erotettu rivivälillä eli aika, joka tarvitaan elektronisuihku, skannaamalla näytön poikki, onnistui siirtymään yhden rivin lopusta seuraavan alkuun. On myös kehysten välisiä aukkoja - aika, joka tarvitaan säteen siirtämiseen viimeisen rivin lopusta ensimmäisen rivin alkuun (siirtyminen uuteen kehykseen).

Jos muistetaan kehysten välisellä siirrolla varustetun CCD-matriisin arkkitehtuuri, käy selväksi, että kehyksen siirto akkumulaatio-osasta tallennusosaan tapahtuu videosignaalin kehysten välisen aukon aikana. Tämä on ymmärrettävää, koska koko kehyksen siirtäminen vie huomattavan paljon aikaa. Linjojenvälisessä siirtoarkkitehtuurissa kehysten lähetys tapahtuu yhdessä kellojaksossa, ja lyhyt aika riittää tähän. Seuraavaksi kuva siirtyy vaakasuuntaiseen siirtorekisteriin ja siirto tapahtuu rivi riviltä videosignaalin rivien välisten aikavälien aikana.

Käsiteltyjen kahden tyyppisten CCD-matriisien lisäksi on muitakin järjestelmiä. Esimerkiksi malli, joka yhdistää kehysten väliset ja interline-mekanismit (linja-kehyssiirto), saadaan lisäämällä tallennusosio rivienväliseen siirtoon CCD-matriisiin. Tässä tapauksessa kehysten siirto valoherkistä elementeistä tapahtuu yhdessä kellojaksossa rivivälin aikana, ja kehysten välisen aikavälin aikana kehys siirretään tallennusosaan (kehysten välinen siirto); Tallennusosasta kehys siirretään vaakasuuntaiseen siirtorekisteriin rivivälin aikana (kehysten välinen siirto).

SISÄÄN Viime aikoina Niin sanotut super-CCD:t (Super CCD:t) ovat yleistyneet käyttämällä alkuperäistä, kahdeksankulmaisista pikseleistä muodostuvaa solukkoarkkitehtuuria. Tästä johtuen se kasvaa työpinta piin ja lisää pikselitiheyttä (CCD-pikseleiden määrä). Lisäksi pikselien kahdeksankulmainen muoto lisää valoherkän pinnan pinta-alaa.

CMOS-anturit

Pohjimmiltaan erilainen anturi on ns. CMOS-sensori (CMOS - komplementaarinen metallioksidi-puolijohde; englanninkielisessä terminologiassa - CMOS).

CMOS-antureiden sisäinen arkkitehtuuri voi olla erilainen. Siten valodiodit, valotransistorit tai valoportit voivat toimia valoherkänä elementtinä. Valoherkän elementin tyypistä riippumatta valogenerointiprosessin aikana saatujen reikien ja elektronien erottamisen periaate pysyy muuttumattomana. Tarkastellaan yksinkertaisinta valodiodin tyyppiä, josta on helppo ymmärtää kaikkien valokennojen toimintaperiaate.

Yksinkertaisin valodiodi on n- ja p-tyypin puolijohteiden välinen kosketus. Näiden puolijohteiden rajapinnalle muodostuu tyhjennysalue, eli kerros ilman reikiä ja elektroneja. Tällainen alue muodostuu päävarauksenkuljettajien diffuusion seurauksena keskenään vastakkaisiin suuntiin. Reiät siirtyvät p-puolijohteesta (eli alueelta, jossa niitä on ylimäärä) n-puolijohteeseen (eli alueelle, jossa niiden pitoisuus on alhainen), ja elektronit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan, on n-puolijohteesta p-puolijohteeseen. Tämän rekombinaation seurauksena aukot ja elektronit katoavat ja syntyy ehtymisalue. Lisäksi epäpuhtausionit paljastuvat tyhjennetyn alueen rajoilla, ja n-alueella epäpuhtausioneilla on positiivinen varaus ja p-alueella negatiivinen varaus. Nämä varaukset, jotka jakautuvat tyhjennysalueen rajaa pitkin, muodostavat samanlaisen sähkökentän kuin kahdesta levystä koostuvassa rinnakkaislevykondensaattorissa. Juuri tämä kenttä suorittaa valogeneroinnin aikana muodostuneiden reikien ja elektronien avaruudellisen erottamisen. Tällaisen paikalliskentän (jota kutsutaan myös potentiaaliesteeksi) läsnäolo on peruspiste kaikissa valoherkissä antureissa (ei vain valodiodissa).

Oletetaan, että valodiodi on valaistu valolla ja valo osuu n-puolijohteeseen ja p-n-liitos on kohtisuorassa valonsäteitä vastaan ​​(kuva 8). Valoelektronit ja fotoreiät diffundoituvat syvälle kiteen, ja osa niistä, joilla ei ole aikaa rekombinoitua, saavuttaa pn-liitoksen pinnan. Elektroneille olemassa oleva sähkökenttä on kuitenkin ylitsepääsemätön este - potentiaalieste, joten elektronit eivät pysty ylittämään p-n-liitosta. Reiät päinvastoin kiihtyvät sähkökentän vaikutuksesta ja tunkeutuvat p-alueelle. Reikien ja elektronien avaruudellisen erotuksen seurauksena n-alue varautuu negatiivisesti (ylimääräisiä fotoelektroneja) ja p-alue varautuu positiivisesti (ylimääräisiä fotoreikiä).

Suurin ero CMOS-anturien ja CCD-antureiden välillä ei ole varauksen keräämismenetelmässä, vaan menetelmässä sen edelleen siirtoon. CMOS-tekniikka, toisin kuin CCD, mahdollistaa suuremman määrän toimintoja suoraan sirulla, jolla valoherkkä matriisi sijaitsee. Elektronien vapauttamisen ja lähettämisen lisäksi CMOS-anturit voivat myös käsitellä kuvia, korostaa kuvan reunoja, vähentää kohinaa ja suorittaa analogia-digitaalimuunnoksia. Lisäksi on mahdollista luoda ohjelmoitavia CMOS-antureita, jolloin voidaan saada erittäin joustava monitoimilaite.

Tällainen laaja valikoima toimintoja yhdellä sirulla on CMOS-tekniikan tärkein etu CCD:hen verrattuna. Tämä vähentää tarvittavien ulkoisten komponenttien määrää. CMOS-anturin käyttäminen digitaalikamerassa mahdollistaa muiden sirujen asentamisen vapaaseen tilaan - esimerkiksi digitaaliset signaaliprosessorit (DSP) ja analogia-digitaalimuuntimet.

CMOS-tekniikoiden nopea kehitys alkoi vuonna 1993, jolloin luotiin aktiiviset pikselianturit. Tällä tekniikalla jokaisella pikselillä on oma lukutransistorivahvistin, jonka avulla varaus voidaan muuntaa jännitteeksi suoraan pikselissä. Lisäksi tuli mahdolliseksi satunnainen pääsy anturin jokaiseen pikseliin (samalla tavalla kuin hajasaantimuisti toimii). Varaus luetaan CMOS-anturin aktiivisista pikseleistä käyttämällä rinnakkaispiiri(Kuva 9), jonka avulla voit lukea signaalin jokaisesta pikselistä tai suoraan pikselisarakkeesta. Satunnaiskäytön ansiosta CMOS-anturi voi lukea koko matriisin lisäksi myös valitut alueet (ikkunallinen lukumenetelmä).

Huolimatta CMOS-matriisien ilmeisistä eduista CCD-kennoille verrattuna (pääasiallinen on alhaisempi hinta), niillä on myös useita haittoja. Lisäpiirien läsnäolo CMOS-matriisisirussa johtaa useiden kohinoiden, kuten transistorin ja diodin sironnan, esiintymiseen sekä jäännösvarauksen vaikutukseen, eli CMOS-matriisit ovat nykyään meluisempia. Siksi ammattimaiset digitaalikamerat käyttävät lähitulevaisuudessa korkealaatuisia CCD-matriiseja, ja CMOS-anturit ovat tulossa halvempien laitteiden markkinoille, joihin kuuluvat erityisesti web-kamerat.

Miten väri saadaan

Edellä käsitellyt valoherkät anturit pystyvät reagoimaan vain absorboidun valon voimakkuuteen - mitä suurempi intensiteetti, sitä suurempi varaus kerääntyy. Herää luonnollinen kysymys: miten värikuva saadaan?

Jotta kamera voi erottaa värit, joukko värisuodattimia (CFA, värisuodatinmatriisi) käytetään suoraan aktiiviseen pikseliin. Värisuodattimen periaate on hyvin yksinkertainen: se päästää läpi vain tietynvärisen valon (toisin sanoen vain tietyn aallonpituuden omaavan valon). Mutta kuinka monta tällaista suodatinta tarvitaan, jos eri värisävyjen määrä on käytännössä rajaton? Osoittautuu, että mikä tahansa värisävy voidaan saada sekoittamalla useita ensisijaisia ​​(perus)värejä tietyissä suhteissa. Suosituimmassa lisäainemallissa RGB (Red, Green, Blue) on kolme tällaista väriä: punainen, vihreä ja sininen. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan vain kolme värisuodatinta. Huomaa, että RGB-värimalli ei ole ainoa, mutta suurin osa digitaalisista Web-kameroista käyttää sitä.

Suosituimmat ovat Bayerin kuviosuodatinjärjestelmät. Tässä järjestelmässä punaiset, vihreät ja siniset suodattimet ovat porrastettuja, ja vihreitä suodattimia on kaksi kertaa enemmän kuin punaisia ​​tai sinisiä. Järjestely on sellainen, että punainen ja sininen suodattimet sijaitsevat vihreiden välissä (kuva 10).

Tämä vihreiden, punaisten ja sinisten suodattimien suhde selittyy ihmisen visuaalisen havainnon erityispiirteillä: silmämme ovat herkempiä vihreälle värille.

CCD-kameroissa kolmen värikanavan yhdistäminen suoritetaan kuvanmuodostuslaitteessa signaalin muuntamisen jälkeen analogisesta digitaaliseksi. CMOS-antureissa tämä yhdistelmä voi esiintyä myös suoraan sirulla. Kummassakin tapauksessa kunkin suodattimen päävärit interpoloidaan matemaattisesti viereisten suodattimien värien perusteella. Siksi kuvan pikselin todellisen värin saamiseksi on tiedettävä tämän pikselin valosuodattimen läpi kulkevan valon voimakkuuden lisäksi myös valosuodattimien läpi kulkevan valon intensiteettien arvot. ympäröivistä pikseleistä.

Kuten jo todettiin, RGB-värimallissa käytetään kolmea pääväriä, joilla voit saada minkä tahansa näkyvän spektrin sävyn. Kuinka monta sävyä digitaalikamerat erottavat? Enimmäismäärä Eri värisävyt määräytyvät värin syvyyden mukaan, joka puolestaan ​​määräytyy värin koodaamiseen käytettyjen bittien lukumäärän mukaan. Suosittu RGB 24 -malli, jonka värisyvyys on 24 bittiä, varaa 8 bittiä jokaiselle värille. 8 bitin avulla voidaan määrittää 256 eri väriä punaiselle, vihreälle ja siniselle. Jokaiselle sävylle on määritetty arvo 0 - 255. Esimerkiksi punaisella värillä voi olla 256 sävyä: puhtaasta punaisesta (255) mustaan ​​(0). Koodin enimmäisarvo vastaa puhdasta väriä, ja kunkin värin koodi sijoitetaan yleensä seuraavassa järjestyksessä: punainen, vihreä ja sininen. Esimerkiksi puhtaan punaisen koodi kirjoitetaan muodossa (255, 0, 0), vihreän koodi on (0, 255, 0) ja koodi sinisen väristä - (0, 0, 255). Keltainen saadaan sekoittamalla punaista ja vihreää, ja sen koodi kirjoitetaan muodossa (255, 255, 0).

RGB-mallin lisäksi laajaa käyttöä ovat löytäneet myös keskenään samankaltaiset YUV- ja YСrCb-mallit, jotka perustuvat kirkkaus- ja värisignaalien erottamiseen. Y-signaali on luminanssisignaali, joka määritetään sekoittamalla punaista, vihreää ja sinistä. U- ja V-signaalit (Cr, Cb) ovat värieroja. Siten U-signaali on lähellä eroa sinisen ja keltaisen komponentin välillä värillinen kuva, ja signaali V on lähellä värikuvan punaisen ja vihreän komponentin välistä eroa.

YUV (YCrCb) -mallin tärkein etu on, että tämä koodausmenetelmä, vaikka se onkin monimutkaisempi kuin RGB, vaatii vähemmän kaistanleveyttä. Tosiasia on, että ihmissilmän herkkyys kirkkaus Y-komponentille ja värierokomponenteille ei ole sama, joten näyttää varsin hyväksyttävältä suorittaa tämä muunnos värierokomponenttien ohentamisella (lomituksella), kun Y -komponentit lasketaan neljän vierekkäisen pikselin ryhmälle (2×2), ja värierokomponentteja käytetään yhteisesti (ns. 4:1:1 malli). On helppo laskea, että jo 4:1:1-malli mahdollistaa lähtövirran puolittamisen (neljän vierekkäisen pikselin 12 tavun sijaan kuusi riittää). YUV 4:2:2 -koodauksessa luminanssisignaali lähetetään jokaiselle pisteelle, mutta U- ja V-värisignaalit lähetetään vain jokaiselle rivin toiselle pisteelle.

Kuinka digitaaliset toimivat

Web-kamerat

Kaikentyyppisten digitaalikameroiden toimintaperiaate on suunnilleen sama. Tarkastellaan tyypillistä kaaviota yksinkertaisimmasta verkkokamerasta, jonka tärkein ero muuntyyppisistä kameroista on USB-liitännän olemassaolo tietokoneeseen yhdistämistä varten.

Optisen järjestelmän (linssin) ja valoherkän CCD- tai CMOS-anturin lisäksi tarvitaan analogia-digitaalimuunnin (ADC), joka muuntaa valoherkän anturin analogiset signaalit digitaaliseksi koodiksi. Lisäksi tarvitaan järjestelmä värikuvan muodostamiseksi. Yksi vielä tärkeä elementti kamera on piiri, joka vastaa tiedon pakkaamisesta ja valmistelemisesta lähetystä varten vaaditussa muodossa. Esimerkiksi kyseisessä web-kamerassa videodata välitetään tietokoneelle kautta USB-liitäntä, joten sen lähdössä on oltava USB-liitäntäohjain. Rakennesuunnitelma digitaalikamera näkyy kuvassa. yksitoista.

Analogi-digitaalimuunnin on suunniteltu näyttelemään jatkuvaa analogista signaalia, ja sille on tunnusomaista näytteenottotaajuus, joka määrittää aikavälit, joilla analoginen signaali mitataan, sekä sen bittisyvyyden. ADC-leveys on kunkin signaalinäytteen esittämiseen käytettyjen bittien lukumäärä. Esimerkiksi, jos käytetään 8-bittistä ADC:tä, käytetään 8 bittiä edustamaan signaalia, mikä mahdollistaa 256 alkuperäisen signaalin gradaatioiden erottamisen. 10-bittistä ADC:tä käytettäessä on mahdollista erottaa analogisen signaalin 1024 erilaista asteikkoa.

Matalasta johtuen kaistanleveys USB 1.1 (yhteensä 12 Mbit/s, josta web-kamera käyttää enintään 8 Mbit/s) tiedot on pakattava ennen siirtämistä tietokoneelle. Esimerkiksi kehysresoluutiolla 320x240 pikseliä ja värisyvyydellä 24 bittiä pakkaamattoman kehyksen koko on 1,76 Mbit. 8 Mbps USB-kanavan kaistanleveys suurin nopeus Pakkaamattoman signaalin lähetysnopeus on vain 4,5 kuvaa sekunnissa ja vastaanottaa laadukas video vaaditaan 24 kuvaa sekunnissa tai enemmän bittinopeutta. Siten käy selväksi, että ilman lähetetyn tiedon laitteistopakkausta kameran normaali toiminta on mahdotonta.

Teknisen dokumentaation mukaan tämän CMOS-anturin resoluutio on 664x492 (326 688 pikseliä) ja se voi toimia jopa 30 kuvaa sekunnissa. Anturi tukee sekä progressiivisia että vaakasuuntaisia ​​pyyhkäisytyyppejä ja tarjoaa yli 48 dB:n signaali-kohinasuhteen.

Kuten lohkokaaviosta voidaan nähdä, värinmuodostuslohkossa (analoginen signaaliprosessori) on kaksi kanavaa - RGB ja YСrCb, ja YСrCb-mallissa kirkkaus- ja värierosignaalit lasketaan kaavojen avulla:

Y = 0,59 G + 0,31 R + 0,11 B,

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 × (B – Y).

Analogisen signaaliprosessorin generoimat analogiset RGB- ja YCrCb-signaalit käsitellään kahdella 10-bittisellä ADC:llä, jotka toimivat 13,5 MSPS:n nopeudella ja tarjoavat pikselinopeuden synkronoinnin. Kun tiedot on digitoitu, se lähetetään digitaalimuuntimeen, joka tuottaa videodataa 16-bittisessä YUV 4:2:2- tai 8-bittisessä Y 4:0:0 -muodossa, joka lähetetään lähtöporttiin 16-bittisen tai 8-bittinen väylä.

Lisäksi tarkasteltavana olevassa CMOS-kennossa on laaja valikoima kuvankorjausominaisuuksia: tasapainoasetukset ovat saatavilla valkoinen, valotuksen hallinta, gammakorjaus, värinkorjaus jne. Voit ohjata anturin toimintaa SCCB (Serial Camera Control Bus) -liitännän kautta.

OV511+ mikropiiri, jonka lohkokaavio on esitetty kuvassa. 13, on USB-ohjain.

Ohjaimella voit siirtää videodataa USB-väylän kautta jopa 7,5 Mbit/s nopeudella. On helppo laskea, että tällainen kaistanleveys ei salli videovirran lähettämistä hyväksyttävällä nopeudella ilman alustavaa pakkausta. Itse asiassa pakkaus on USB-ohjaimen päätarkoitus. Tarjoamalla tarvittavan pakkauksen reaaliajassa pakkaussuhteeseen 8:1 asti, ohjain mahdollistaa videovirran lähettämisen nopeudella 10-15 kuvaa sekunnissa resoluutiolla 640x480 ja nopeudella 30 kuvaa sekunnissa. resoluutiolla 320x240 tai sitä pienemmällä.

OmniCE-lohko, joka toteuttaa patentoidun pakkausalgoritmin, vastaa tietojen pakkaamisesta. OmniCE tarjoaa vaaditun videovirran nopeuden lisäksi nopean purkamisen minimaalisella prosessorikuormalla (by vähintään kehittäjien mukaan). OmniCE-lohkon pakkaussuhde vaihtelee välillä 4-8 riippuen vaaditusta videovirran nopeudesta.

ComputerPress 12"2001

(lang: "ru")

Jatkan siitä mistä aloitin edellinen julkaisu puhutaan laitteesta.

Yksi pääelementeistä digitaalikamera Se erottaa sen filmikameroista valoherkkä elementti, niin kutsuttu kuvanvahvistin tai valoherkkä digitaalikamera. Olemme jo puhuneet kameramatriiseista, mutta nyt tarkastellaan matriisin rakennetta ja toimintaperiaatetta hieman tarkemmin, vaikkakin melko pinnallisesti, jotta lukija ei väsytä liikaa.

Nykyään useimmat digitaalikamerat on varustettu CCD-matriisit.

CCD matriisi. Laite. Toimintaperiaate.

Katsotaanpa laitetta yleisellä tasolla CCD-matriisit.

Puolijohteet tiedetään jaettavan n-tyypin ja p-tyypin puolijohteisiin. N-tyypin puolijohteessa on ylimäärä vapaita elektroneja, kun taas p-tyypin puolijohteessa on ylimäärä positiivisia varauksia, "reikiä" (ja siksi elektronien puute). Kaikki mikroelektroniikka perustuu näiden kahden puolijohteen vuorovaikutukseen.

Eli elementti Digitaalikameran CCD-matriisit on järjestetty seuraavasti. Katso kuva 1:

Kuva 1

Yksityiskohtiin menemättä CCD-elementti tai varauskytketty laite, englanniksi transkriptio: charge-coupled-device - CCD, on MIS (metal-dilectric-semiconductor) -kondensaattori. Se koostuu p-tyypin substraatista - piikerroksesta, piidioksidieristeestä ja elektrodilevyistä. Kun positiivinen potentiaali kohdistetaan yhteen elektrodista, sen alle muodostuu vyöhyke, josta on tyhjennetty pääkantoaaltoja - reikiä, koska sähkökenttä työntää ne pois elektrodista syvemmälle substraattiin. Näin ollen tämän elektrodin alle muodostuu potentiaalikuoppa, eli energiavyöhyke, joka on suotuisa vähemmistökantajan - elektronien - liikkumiselle siihen. Tähän reikään kerääntyy negatiivinen varaus. Sitä voidaan säilyttää tässä kaivossa melko pitkään, koska siinä ei ole reikiä ja siksi elektronien rekombinaation syistä.

Valoherkässä matriiseja Elektrodit ovat läpinäkyviä monikiteisiä piikalvoja näkyvä alue spektri

Matriisiin osuvan valon fotonit tulevat piisubstraattiin muodostaen siihen aukko-elektroni-parin. Kuten edellä mainittiin, reiät siirtyvät syvemmälle substraattiin ja elektronit kerääntyvät potentiaalikuoppaan.

Kertynyt varaus on verrannollinen elementtiin osuvien fotonien määrään eli valovirran intensiteettiin. Näin matriisiin muodostuu optista kuvaa vastaava varauksen helpotus.

Varausten liike CCD-matriisissa.

Jokaisessa CCD-elementissä on useita elektrodeja, joihin kohdistetaan erilaisia ​​potentiaalia.

Kun viereiseen elektrodiin kohdistetaan tähän elektrodiin kohdistuvaa suurempi potentiaali (katso kuva 3), sen alle muodostuu syvempi potentiaalikuoppa, johon varaus siirtyy ensimmäisestä potentiaalisyvennyksestä. Tällä tavalla varaus voi siirtyä CCD-kennosta toiseen. Kuvassa 3 esitettyä CCD-elementtiä kutsutaan kolmivaiheiseksi, ja siinä on myös 4-vaiheisia elementtejä.

Kuva 4. Kolmivaiheisen latauskytketyn laitteen toimintakaavio - siirtorekisteri.

Varausten muuttamiseksi virtapulsseiksi (valovirraksi) käytetään sarjasiirtorekisterejä (katso kuva 4). Tämä siirtorekisteri on rivi CCD-elementtejä. Virtapulssien amplitudi on verrannollinen siirretyn varauksen suuruuteen ja siten verrannollinen tapahtumaan valovirta. Virtapulssien sarja, joka on muodostettu lukemalla varaussarja, syötetään sitten vahvistimen tuloon.

Matriisit lähekkäin sijaitsevista CCD-elementeistä yhdistetään CCD matriisi. Tällaisen matriisin toiminta perustuu paikallisvarauksen luomiseen ja siirtoon sähkökentän luomissa potentiaalisissa kaivoissa.

Kuva 5.

Rekisterin kaikkien CCD-elementtien varaukset siirtyvät synkronisesti vierekkäisiin CCD-elementteihin. Viimeisessä solussa ollut varaus lähetetään rekisteristä ja syötetään sitten vahvistimen tuloon.

Sarjasiirtorekisterin tulo vastaanottaa maksuja kohtisuoraan järjestetyistä siirtorekistereistä, joita kutsutaan yhteisesti rinnakkaissiirtorekistereiksi. Rinnakkais- ja sarjasiirtorekisterit muodostavat CCD-matriisin (katso kuva 4).

Sarjarekisteriin nähden kohtisuorassa olevia siirtorekistereitä kutsutaan sarakkeiksi.

Rinnakkaisrekisterimaksujen liike on tiukasti synkronoitu. Kaikki yhden rivin lataukset siirretään samanaikaisesti viereiseen. Viimeisen rivin varaukset menevät peräkkäiseen rekisteriin. Siten yhdessä toimintajaksossa rinnakkaisrekisterin varausjono saavuttaa sarjarekisterin sisäänmenon vapauttaen tilaa vasta muodostuneille varauksille.

Sarja- ja rinnakkaisrekisterien toiminta synkronoidaan kellogeneraattorilla. Osa digikameran matriisi Se sisältää myös mikropiirin, joka syöttää potentiaalia rekisterin siirtoelektrodeille ja ohjaa niiden toimintaa.

Tämän tyyppistä kuvanvahvistinputkea kutsutaan täyden kehyksen CCD-matriisiksi. Toimintaansa varten tarvitaan valonpitävä kansi, joka ensin avaa kuvanvahvistinputken valolle altistumista varten, sitten kun se on vastaanottanut riittävän määrän fotoneja keräämään riittävän varauksen matriisielementteihin, se sulkeutuu. se valosta. Tämä kansi on mekaaninen suljin, kuten filmikameroissa. Tällaisen portin puuttuminen johtaa siihen, että siirrettäessä latautuu sisään vuororekisteri soluja säteilytetään edelleen valolla, mikä lisää jokaisen pikselin varaukseen ylimääräisiä elektroneja, jotka eivät vastaa tietyn pisteen valovirtaa. Tämä johtaa varauksen "tahroitumiseen" ja vastaavasti tuloksena olevan kuvan vääristymiseen.

Johdanto

Tässä kurssityössä käsittelen yleistä tietoa varauskytketyistä laitteista, parametreista, luomishistoriasta ja nykyaikaisten keski-infrapuna CCD-kameroiden ominaisuuksista.

Toteutuksen seurauksena kurssityötä opiskeli kirjallisuutta keski-IR CCD-kameroiden luomisesta, toimintaperiaatteesta, teknisistä ominaisuuksista ja sovelluksista.

CCD. Fyysinen periaate CCD-toiminta. CCD matriisi

Varauskytkentälaite (CCD) on sarja yksinkertaisia ​​MIS-rakenteita (metalli-dielectric-semiconductor), jotka on muodostettu yhteiselle puolijohdesubstraatille siten, että metallielektrodinauhat muodostavat lineaarisen tai matriisisäännöllisen järjestelmän, jossa vierekkäisten laitteiden välinen etäisyys elektrodit ovat riittävän pieniä (kuva 1). Tämä seikka määrää sen tosiasian, että ratkaiseva tekijä laitteen toiminnassa on viereisten MIS-rakenteiden keskinäinen vaikutus.

Kuva 1 - CCD-rakenne

Valoherkkien CCD:n pääasialliset toiminnalliset tarkoitukset ovat optisten kuvien muuntaminen sähköpulssien sarjaksi (videosignaalin muodostaminen) sekä digitaalisen ja analogisen tiedon tallentaminen ja käsittely.

CCD:t on valmistettu monokiteisestä piistä. Tätä varten piikiekon pinnalle muodostetaan lämpöhapetuksen avulla ohut (0,1-0,15 mikronia) dielektrinen piidioksidikalvo. Tämä prosessi suoritetaan siten, että varmistetaan puolijohde-dielektrisen rajapinnan täydellisyys ja minimoidaan rekombinaatiokeskusten pitoisuus rajapinnassa. Yksittäisten MIS-elementtien elektrodit on valmistettu alumiinista, niiden pituus on 3-7 mikronia, elektrodien välinen rako on 0,2-3 mikronia. Tyypillinen MIS-elementtien lukumäärä on 500-2000 lineaarisessa ja matriisi-CCD:ssä; levyalue Kunkin rivin uloimpien elektrodien alle on tehty p-n-liitokset, jotka on tarkoitettu sähköisten varausosien (varauspakettien) syöttämiseen ja ulostuloon. menetelmä (injektio p-n-liitoksella). Aurinkosähköllä Kun syötät latauspaketteja, CCD valaistaan ​​edestä tai takaa. Edestä valaistuna elektrodien varjostusvaikutuksen välttämiseksi alumiini korvataan yleensä voimakkaasti seostettua monikiteistä piitä (polypii) valmistetuilla kalvoilla, jotka ovat läpinäkyviä spektrin näkyvällä ja lähellä IR-aluetta.

CCD:n toimintaperiaate

CCD:n yleinen toimintaperiaate on seuraava. Jos negatiivinen jännite kohdistetaan mihin tahansa CCD:n metallielektrodiin, syntyvän sähkökentän vaikutuksesta elektronit, jotka ovat substraatin pääkantajia, siirtyvät pois pinnasta puolijohteen syvyyteen. Lähelle pintaa muodostuu tyhjentynyt alue, joka energiakaaviossa edustaa potentiaalikaivoa vähemmistökannettajille - reikille. Reiät, jotka jotenkin tulevat tälle alueelle, houkuttelevat dielektrisen ja puolijohteen rajapintaa ja sijaitsevat kapeassa lähellä pintakerrosta.

Jos viereiseen elektrodiin syötetään nyt suuremman amplitudin negatiivinen jännite, muodostuu syvempi potentiaalikuoppa ja reiät siirtyvät siihen. Ohjaamalla tarvittavat ohjausjännitteet erilaisiin CCD-elektrodeihin voidaan varmistaa sekä varausten varastoiminen tietyille pinta-alan läheisille alueille että varausten suunnattu liike pintaa pitkin (rakenteesta rakenteeseen). Varauspaketin tuominen (kirjoittaminen) voidaan toteuttaa joko p-n-liitoksella, joka sijaitsee esimerkiksi lähellä uloimman CCD-elementin läheisyyttä, tai valon generoimalla. Helpoin tapa poistaa varaus järjestelmästä (lukeminen) on myös käyttää p-n-liitosta. Siten CCD on laite, jossa ulkoinen informaatio (sähkö- tai valosignaalit) muunnetaan matkaviestinoperaattoreiden varauspaketeiksi, jotka sijoitetaan tietyllä tavalla lähellä pintaa oleville alueille, ja tiedonkäsittely suoritetaan näiden pakettien ohjatulla liikkeellä. pinta. On selvää, että digitaalisia ja analogisia järjestelmiä voidaan rakentaa CCD:n pohjalta. varten digitaaliset järjestelmät ratkaisevaa on vain reikävarauksen olemassaolo tai puuttuminen yhdessä tai toisessa CCD-elementti, klo analoginen käsittely käsitellä liikkuvien varausten suuruutta.

Jos kuvaa kuljettava valovirta suunnataan monielementtiseen tai matriisi-CCD:hen, niin elektroni-reikäparien valonmuodostus alkaa puolijohteen tilavuudessa. Kerran CCD:n tyhjennetyllä alueella kantoaaltoja erotetaan ja reikiä kerääntyy mahdollisiin kuoppiin (ja kertyneen varauksen määrä on verrannollinen paikalliseen valaistukseen). Jonkin ajan kuluttua (useiden millisekuntien luokkaa), joka riittää kuvan havaitsemiseen, valonjakaumaa vastaava varauspakettien kuvio tallennetaan CCD-matriisiin. Kun kellopulssit kytketään päälle, latauspaketit siirtyvät lähtölukijaan, joka muuntaa ne sähköisiksi signaaleiksi. Seurauksena on, että ulostulo on sarja eri amplitudeilla varustettuja pulsseja, joiden verhokäyrän videosignaali antaa.

CCD:n toimintaperiaate on havainnollistettu kuvassa 2 esimerkkinä FPCD-linjan fragmentista, jota ohjataan kolmijaksoisella (kolmivaiheisella) piirillä Syklin I (videoinformaation havaitseminen, kerääminen ja tallennus) aikana -nimeltään Varastointijännite Uxp, työntää valtaosa kantoaaltoja - p-tyypin piin tapauksessa reikiä - puolijohteen syvyyksiin ja muodostaa 0,5-2 μm syviä tyhjennyskerroksia - potentiaalikuoppia elektroneille. FPCD-pinnan valaistus synnyttää ylimääräisiä elektroni-reikä-pareja piitilavuudessa, kun taas elektronit vedetään potentiaalikuoppiin ja sijoitetaan ohueen (0,01 μm) pintakerrokseen elektrodien 1, 4, 7 alle muodostaen signaalivarauspaketteja.

latausliitäntäkamera infrapuna

Kuva 2 - kolmivaiheisen varauskytketyn laitteen toimintakaavio - siirtorekisteri

Varauksen määrä kussakin paketissa on verrannollinen tietyn elektrodin lähellä olevan pinnan valotukseen. Hyvin muodostuneissa MIS-rakenteissa syntyneet varaukset elektrodien lähellä voivat säilyä suhteellisen pitkään, mutta vähitellen, epäpuhtauskeskusten aiheuttamien varauksenkuljettajien, bulkki- tai rajapinnan vikojen vuoksi, nämä varaukset kerääntyvät potentiaaliin. kaivoja, kunnes ne ylittävät signaalivaraukset ja jopa täyttävät kaivot kokonaan.

Jakson II (varauksen siirto) aikana elektrodeihin 2, 5, 8 ja niin edelleen kohdistetaan tallennusjännitettä korkeampi lukujännite. Siksi elektrodien 2, 5 ja 8 alla syntyy syvempiä potentiaalia. syvemmälle kuin elektronien 1, 4 ja 7 alla, ja elektrodien 1 ja 2, 4 ja 5, 7 ja 8 läheisyydestä johtuen niiden väliset esteet katoavat ja elektronit virtaavat viereisiin, syvemmälle potentiaalikuoppiin.

Jakson III aikana elektrodien 2, 5, 8 jännite alennetaan elektrodeille 1, 4, 7 ja poistuu niistä.

Että. kaikki latauspaketit siirretään CCD-linjaa pitkin oikealle yhden askeleen verran, joka on yhtä suuri kuin vierekkäisten elektrodien välinen etäisyys.

Potentiaaleihin suoraan kytkemättömissä elektrodeissa ylläpidetään koko toiminnan ajan pientä bias-jännitettä (1-3 V), jolloin varmistetaan, että puolijohteen koko pinta tyhjenee varauksenkuljettajista ja siihen kohdistuvat rekombinaatiovaikutukset heikkenevät.

Toistamalla jännitteen kytkentäprosessia useita kertoja, kaikki esimerkiksi linjassa olevan valon herättämät varauspaketit lähetetään peräkkäin ulomman r-h-liitoksen kautta. Tässä tapauksessa lähtöpiiriin ilmestyy jännitepulsseja, jotka ovat verrannollisia varauksen määrään tästä paketista. Valaistuskuvio muunnetaan pintavarauksen helpotukseksi, joka koko linjaa pitkin liikkumisen jälkeen muuntuu sähköpulssien sarjaksi. Miten suurempi määrä elementtejä rivissä tai matriisissa (numero 1 - IR-vastaanottimet; 2 - puskurielementit; 3 - CCD, varauspaketin siirto yhdeltä elektrodilta viereiselle tapahtuu epätäydellisesti ja tästä johtuva informaation vääristyminen vahvistuu. siirron aikana jatkuvasta valaistuksesta johtuen kertynyt videosignaali, FPCD-kiteellä ne luovat avaruudellisesti erillisiä havaintoalueita - kerääntymistä ja tallennusta - lukemista, ja ensimmäisessä ne tarjoavat maksimaalisen valoherkkyyden ja jälkimmäisessä päinvastoin suojan valolta lineaarisessa FPCD:ssä (kuva 3, a) riville 1 kertyneet varaukset kerrallaan siirretään rekisteriin 2 (alkaen tasaisia ​​elementtejä) ja rekisteriin 3 (parittomista). Samalla kun tiedot näistä rekistereistä lähetetään lähdön 4 kautta signaalinyhdistämispiiriin 5, riville 1 kertyy uusi videokehys. Kehyssiirrolla varustetussa FPCD:ssä (kuvio 3) akkumulaatiomatriisin 7 havaitsema informaatio "dumpataan" nopeasti tallennusmatriisiin 2, josta CCD-rekisteri 3 lukee sen peräkkäin; samaan aikaan matriisi 1 kerää uuden kehyksen.

Kuva 3 - tiedon kerääminen ja lukeminen lineaarisessa (a), matriisi (b) valoherkässä varauskytketyssä laitteessa ja laitteessa, jossa on varausinjektio.

Yksinkertaisimman rakenteen omaavien CCD-kennon lisäksi (kuva 1) on yleistynyt muitakin muotoja, erityisesti laitteet, joissa on päällekkäiset polypii-elektrodit (kuva 4), jotka tarjoavat aktiivisen valotuksen koko puolijohteen pinnalle ja pienen raon elektrodien välillä. ja laitteet, joiden pintaominaisuudet ovat epäsymmetriset (esim. ., vaihtelevan paksuinen dielektrinen kerros - kuva 4), jotka toimivat push-pull-tilassa. Epäpuhtauksien diffuusion muodostaman tilavuuskanavan (kuva 4) varustetun CCD:n rakenne on olennaisesti erilainen. Keräytyminen, varastointi ja varauksen siirto tapahtuu suurimmassa osassa puolijohteita, joissa on vähemmän keskusten rekombinaatiota kuin pinnalla ja kantajien liikkuvuus on suurempi. Tästä on seurauksena arvon nousu suuruusluokkaa ja lasku verrattuna kaikentyyppisiin pintakanavalla varustettuihin CCD:hin.

Kuva 4 - Erilaisia ​​varaukseen kytkettyjä laitteita, joissa on pinta- ja tilavuuskanavat.

Värikuvien havaitsemiseen käytetään yhtä kahdesta menetelmästä: optisen virtauksen jakaminen prisman avulla punaiseksi, vihreäksi, siniseksi, kunkin havaitseminen erityisellä FPCD-kiteellä, pulssien sekoittaminen kaikista kolmesta kiteestä yhdeksi videosignaaliksi; luodaan FPCD:n pinnalle filmiviiva tai mosaiikkikoodaava valosuodatin, joka muodostaa moniväristen kolmioiden rasterin.