ПЗС-матрица

Схема образования и переноса заряда в ПЗС-матрице

CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») или ПЗС-ма́трица — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, и на базе ПЗС — приборов с зарядовой связью. CCD-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими.

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от фотодетектора к фотодетектору.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделенного от силиконовой подложки, в которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Положительное напряжение на электродах создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из валентной зоны, сгенерированные фотонами. В этой потенциальной яме заряд хранится до момента считывания. Чем интенсивнее световой поток в течение экспозиции, тем больше скапливается электронов в потенциальной яме и тем выше итоговый заряд данного пикселя. Считывание итогового заряда ПЗС состоит в том, чтобы заставить поликремневые затворы, помимо функции электродов, выполнить ещё и роль сдвиговых регистров, таким образом, чтобы они образовали конвейерную цепочку вдоль одной оси. При этом если учесть, что обычно один пиксель формируется несколькими, например, четырьмя электродами, то попеременная подача на них высокого либо низкого напряжения по принципу n+1 (1-2, 2-3, 3-4 и т. д.) позволит накопленному заряду как бы перетекать по выбранной оси, не теряя своей величины. Это становится возможным благодаря тому, что, изменяя конфигурацию потенциального барьера, мы как бы сдвигаем потенциальную яму с накопленными в ней зарядами. Причём описанный цикл повторяется до тех пор, пока все содержимое выбранных осей не «перетечёт» к управляющей логике, преобразующей поступивший заряд в определённый уровень напряжения. Собственно, такой способ передачи заряда и дал название ПЗС — приборы с зарядовой связью фотосенсорам данного типа. Далее напряжение через усилитель и АЦП (аналого-цифровой преобразователь) подаётся уже в цифровом виде в оперативную память (буфер) и в процессор камеры, где интерполируется и преобразуется, а затем, в каком-либо стандартном формате изображения, например JPEG, поступает в устройство постоянного хранения, например Flash-карту SD.

По конструкции, ПЗС-матрицы делятся на:

• Полнокадровые
• Матрицы с буферизацией кадра
• Матрицы с буферизацией столбцов
  • Матрицы с прогрессивной развёрткой
  • Матрицы с чересстрочной развёрткой
• Матрицы с обратной засветкой

Пример субпикселя ПЗС — матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Файл:Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа.JPG

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС — матрицы с карманом n-типа
1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата.
2 — Микролинза субпикселя (фотодиода).
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера.
4 — Прозрачный электрод — полисиликоновый (поликристаллический кремний) или сплав индия и оксида олова.
5 — Изолятор кварцевый (оксид кремния).
6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта).
7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей
8 — Кремниевая подложка p-типа.

О работе субпикселя ПЗС — матрицы

«Легирование» кремния бором создаёт полупроводник p-типа. «Легирование» кремния фосфором создаёт полупроводник n-типа. Фотоны, которые взаимодействуют с атомами донорных (n-типа) примесей генерируют электроны. После подачи на электроды 4, 9 электрического потенциала (-V), (+V), в обеднённой зоне 7 под каналом n-типа 6 создаётся потенциальная яма (карман), где хранятся электроны.

Большее количество фотонов (яркий свет или большая выдержка — время интеграции) обеспечивает больший заряд ямы. При слабом освещении или короткой выдержке электронов в потенциальной яме скапливается мало.

При отсутствии засветки в потенциальной яме скапливаются только электроны темнового тока.

Отношение максимального возможного количества электронов в потенциальной яме к количеству электронов темнового тока называется динамическим диапазоном субпикселя.

Максимальное освещение матрицы и субпикселя легко регулируется фотографическим затвором. Получить качественную по цвету и высокой контрастности передачу сюжета в тенях, где освещение слабое, — проблема аналоговых матриц цифровых фотоаппаратов . Увеличение рабочей поверхности пикселя позволяет накопить больше электронов от тени при заданной для сюжета выдержке.

Размер самого маленького на сегодняшний день ПЗС(CCD) пикселя — 2,5 кв. микрона. В настоящее время размер самых маленьких ПЗС пикселей для цифровых камер составляет 3,3 кв. микрона, а в CMOS — около 4 кв. микрон. Размер пикселей популярного сенсора Sony 3,3 Mп составляет 3,45 кв. микрона. Во многих бытовых цифровых аппаратах размер пикселей составляет в среднем 5 микрон. В новом ПЗС сенсоре Kodak 16,6 Mп размер пикселя — 9 кв. микрон, что обеспечивает ему больший динамический диапазон. Но такой сенсор отличается большим размером. В некоторых профессиональных сенсорах используются пиксели размером 12 кв. микрон или даже больше.

Лучше, когда аналоговая матрица имеет 2 субпикселя («адаптивная» SuperCCD SR) — «большой площади» для тени и «малой площади» — для освещённых деталей сюжета.

Хороший динамический диапазон обеспечивают восьмигранные субпиксели, которые можно программно объединять в «виртуальные» группы для создания большей активной площади «виртуальных» пикселей (SuperCCD).

При считывании заряд, накопленный в потенциальной яме, будет уже фототоком, его усиливают (-3 +18 дБ), преобразуют на АЦП в соответствующее цифровое значение и т.д

В CMOS-матрицах внутренний фотоэффект протекает так же, как и в CCD-матрицах. В отличие от CCD-матриц, CMOS-матрицы более интеллектуальны, так как помимо сбора информации с фотоэлементов и ее переноса, они могут производить обработку изображений, выделение контуров, могут на месте понижать уровень шумов снятого изображения, а также производить преобразование аналог-код. Все эти функции в CCD-матрицах выполняются дополнительными схемотехническими решениями (регистры сдвига, управляющие микросхемы, аналого-цифровой преобразователь и пр.), из-за чего принято считать CCD-матрицы более энергоёмкими, чем CMOS-матрицы. Кроме того, CMOS-матрицы могут быть запрограммированы на различные алгоритмы улучшения отснятого материала, как обычные процессоры, что позволяет делать CMOS-матрицы весьма гибкими и интеллектуальными.

В недалёком будущем, когда матрица будет сформирована как цифровая, проблемы динамического диапазона не будет. Измеряться будет время накопления каждым пикселем «и на свету, и в тени» калиброванного заряда равного ~5-10 значениям темнового тока, а динамический диапазон будет рассчитываться по простым формулам.

См. также

• Фильтр Байера

Ссылки

http://www.3dnews.ru/digital/digitalphoto2/ http://www.3dnews.ru/documents/2127/imagesensor_big.jpg http://www.3dnews.ru/digital/photo-matrix/ http://www.bnhof.de/~didactronic/CCD/CCDmatrix.htm http://www.ferra.ru/online/digiphoto/s27140/print/ http://nl.wikipedia.org/wiki/Digitale_fotografie