|
|
Фоточувствительные ПЗС-матрицы |
|
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Общий вид ПЗС-матрицы
Фоточувствительная ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица (англ. CCD - charge-coupled device) - это оптоэлектронное устройство, выполненное на основе массива фоточувствительных элементов, позволяющих преобразовать падающий световой поток в выходной электрический аналоговый сигнал. Преобразование осуществляется с помощью большого количества фотодиодов, расположенных в плоскости матрицы (так называемых пикселей). Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red)  , зелёного (Green)  , синего (Blue)  или жёлтого (Yellow)  , пурпурного (Magenta)  , бирюзового (Cyan)  . А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ
Общий вид пикселя в разрезе
Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.
Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).
На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.
Для пикселя присущи следующие характеристики:
- Ёмкость потенциальной ямы - это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
- Спектральная чувствительность пикселя - зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
- Квантовая эффективность (измеряется в процентах) - это отношение общего количества поглощенных полупроводником фотонов, к числу фотонов, образовавших электрон-дырочную пару. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
- Динамический диапазон - это отношение наибольшего зарядового пакета, который может быть накоплен в пикселе к шуму считывания.
УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА
Общий вид трёхфазного регистра сдвига
ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p+), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.
Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).
Классификация ПЗС-матриц по цветности:
- Чёрно-белые.
- Цветные.
Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:
Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым - непрозрачные области.
Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:
- Эффективность передачи заряда - отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
- Коэффициент заполнения - отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
- Темновой ток - сигнал на выходе ПЗС-матрицы при полном отсутствии засветки.
- Шум считывания - шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала.
|
Матрицы с полнокадровым переносом (англ. full-frame).
|
|
Преимущества:
- Простота технологического цикла;
- Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами.
Недостатки:
- При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания;
- Частота считывания ограничена скоростями работы последовательного и параллельного регистров сдвига. От этого же зависит интервал перекрытия матрицы затвором.
|
|
Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer).
|
|
Преимущества:
- Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами;
- Время считывания ниже, чем у матрицы с полнокадровым переносом;
- Смазывание меньше, чем в ПЗС-матрице с полнокадровым переносом;
- Имеет преимущество рабочего цикла по сравнению полнокадровой архитектурой: ПЗС-матрица с кадровым переносом всё время собирает фотоны.
Недостатки:
- При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания;
- Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда;
- Изготовление и производство данных матриц дороже, чем устройств с полнокадровым переносом.
|
|
Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer).
|
|
Преимущества:
- Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены;
- Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса;
- Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт;
- Нет необходимости применять затвор;
- Отсутствует смазывание.
Недостатки:
- Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%.
- Скорость считывания ограничена скоростью работы регистра сдвига;
- Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом.
|
|
Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline).
|
|
Преимущества:
- Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены;
- Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса;
- Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт;
- Отсутствует смазывание;
- Интервал между экспонированиями минимален и подходит для записи видео.
Недостатки:
- Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%;
- Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом;
- Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда.
|
ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ
 |
ВОЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
- в спутниках военного назначения;
- в системах наведения ракет;
- в камерах кругового обзора на военной технике;
- в системах ночного видения;
- в системах посадки авиации в ночное время.
|
 |
НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
- для спектроскопии;
- для микроскопии;
- для кристаллографии;
- для рентгеноскопии;
- для естественных наук;
- для биологических наук.
|
 |
КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
- в телескопах;
- в звёздных датчиках;
- в спутниках слежения;
- при зондировании планет;
- бортовое и ручное оборудование экипажа.
|
 |
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
- для проверки качества сварных швов;
- для контроля равномерности окрашенных поверхностей;
- для исследования износостойкости механических изделий;
- для считывания штрих-кодов;
- для контроля качества упаковки продукции.
|
 |
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ
- в жилых квартирах;
- в аэропортах;
- на строительных площадках;
- на рабочих местах;
- в «умных» камерах, распознающих лицо человека.
|
 |
ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ
- в профессиональных фотоаппаратах;
- в любительских фотоаппаратах;
- в мобильных телефонах.
|
 |
МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
- в рентгеноскопии;
- в кардиологии;
- в маммографии;
- в стоматологии;
- в микрохирургии;
- в онкологии.
|
 |
АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
- для автоматического распознавания номерных знаков;
- для контроля скорости;
- для управления транспортным потоком;
- для пропуска на стоянку;
- в полицейских системах наблюдения.
|
|
|
Подбор по параметрам
|
|
