Po prvi put, CCD princip sa idejom pohranjivanja, a zatim i očitavanja elektronskih naboja razvila su dva inženjera BELL Corporation kasnih 60-ih tokom potrage za novim tipovima kompjuterske memorije koja bi mogla zamijeniti memoriju na feritnim prstenovima ( da, da, postojala je takva uspomena). Ova ideja se pokazala neperspektivnom, ali je uočena sposobnost silicija da odgovori na vidljivi spektar zračenja i razvijena je ideja da se ovaj princip koristi za obradu slike.

Počnimo s dešifriranjem pojma.

Skraćenica CCD znači “Uređaji sa naelektrisanjem” - ovaj termin je izveden iz engleskog “Uređaji sa naelektrisanjem” (CCD).

Ovaj tip uređaja trenutno ima vrlo širok spektar primjena u širokom spektru optoelektronskih uređaja za snimanje slike. U svakodnevnom životu to su digitalni fotoaparati, video kamere i razni skeneri.

Šta razlikuje CCD prijemnik od konvencionalne poluprovodničke fotodiode, koja ima fotoosetljivi jastučić i dva električna kontakta za hvatanje električnog signala?

Prvo, takvih područja osjetljivih na svjetlost (koje se često nazivaju pikseli - elementi koji primaju svjetlost i pretvaraju je u električna naboja) ima puno u CCD prijemniku, od nekoliko hiljada do nekoliko stotina hiljada pa čak i nekoliko miliona. Veličine pojedinačnih piksela su iste i mogu se kretati od jedinica do desetina mikrona. Pikseli se mogu poredati u jedan red - tada se prijemnik naziva CCD niz, ili mogu ispuniti površinu površine u parnim redovima - tada se prijemnik naziva CCD matrica.

Položaj elemenata koji primaju svjetlost (plavi pravokutnici) u CCD nizu i CCD matrici.

Drugo, u CCD prijemniku, koji izgleda kao običan mikro krug, ne postoji ogroman broj električnih kontakata za izlaz električnih signala, koji bi, čini se, trebali dolaziti iz svakog elementa koji prima svjetlost. Ali na CCD prijemnik je spojeno elektronsko kolo, što omogućava da se iz svakog fotoosjetljivog elementa izdvoji električni signal proporcionalan njegovom osvjetljenju.

Rad CCD-a može se opisati na sljedeći način: svaki element osjetljiv na svjetlost - piksel - radi kao kasica za elektrone. Elektroni se stvaraju u pikselima pod uticajem svetlosti koja dolazi iz izvora. Tokom određenog vremenskog perioda, svaki piksel se postepeno puni elektronima proporcionalno količini svjetlosti koja ulazi u njega, poput kante postavljene vani za vrijeme kiše. Na kraju ovog vremena, električni naboji akumulirani od strane svakog piksela prenose se na "izlaz" uređaja i mjere. Sve je to moguće zahvaljujući specifičnoj strukturi kristala, gdje se nalaze elementi osjetljivi na svjetlost, i električnom upravljačkom krugu.

CCD matrica radi skoro potpuno na isti način. Nakon ekspozicije (osvjetljavanja projicirane slike), elektroničko upravljačko kolo uređaja ga opskrbljuje složenim skupom impulsnih napona, koji počinju pomjerati stupce s elektronima nakupljenim u pikselima do ruba matrice, gdje se vrši slično mjerenje. Lociran je CCD registar čiji se naboji pomjeraju u okomitom smjeru i padaju na mjerni element stvarajući u njemu signale koji su proporcionalni pojedinačnim nabojima. Dakle, za svaki sljedeći trenutak u vremenu možemo dobiti vrijednost akumuliranog naboja i odrediti kojem pikselu na matrici (broj reda i broj kolone) on odgovara.

Ukratko o fizici procesa.

Za početak, napominjemo da CCD-ovi spadaju u proizvode takozvane funkcionalne elektronike i ne mogu se zamisliti kao skup pojedinačnih radio elemenata - tranzistora, otpornika i kondenzatora. Rad se zasniva na principu spajanja punjenja. Princip spajanja naboja koristi dvije odredbe poznate iz elektrostatike:

1. poput naboja se odbijaju
2. naboji imaju tendenciju da se talože tamo gdje je njihova potencijalna energija minimalna. One. otprilike - "riba gleda tamo gdje je dublje."

Prvo, zamislimo MOS kondenzator (MOS je skraćenica za metal-oksid-poluprovodnik). To je ono što ostaje od MOS tranzistora ako iz njega uklonite drejn i izvor, odnosno samo elektrodu odvojenu od silicija dielektričnim slojem. Radi određenosti, pretpostavićemo da je poluprovodnik p-tipa, tj. koncentracija rupa u uslovima ravnoteže je mnogo (nekoliko redova veličine) veća od koncentracije elektrona. U elektrofizici, "rupa" je naelektrisanje koje je suprotno naelektrisanju elektrona, tj. pozitivan naboj.

Što se događa ako se na takvu elektrodu (naziva se kapija) primijeni pozitivan potencijal? Električno polje koje stvara kapija, prodire u silicijum kroz dielektrik, odbija pokretne rupe; pojavljuje se oblast iscrpljivanja - određena količina silicijuma bez većinskih nosača. Sa parametrima poluvodičkih supstrata tipičnim za CCD-ove, dubina ovog područja je oko 5 μm. Naprotiv, elektroni koji se ovdje generiraju pod utjecajem svjetlosti će biti privučeni kapiji i akumulirati će se na sučelju oksid-silicij direktno ispod kapije, odnosno pasti će u potencijalnu jamu (slika 1).

Rice. 1
Formiranje potencijalne bušotine kada se napon dovede na kapiju

U tom slučaju elektroni, kako se akumuliraju u bušotini, djelomično neutraliziraju električno polje koje u poluvodiču stvaraju kapija, a na kraju ga mogu u potpunosti kompenzirati, tako da će cijelo električno polje pasti samo na dielektrik, a sve će se vratiti u prvobitno stanje - s izuzetkom da se na međupovršini formira tanak sloj elektrona.

Sada neka se druga kapija nalazi pored kapije, a na nju se takođe primenjuje pozitivan potencijal, osim toga, veći nego na prvu (slika 2). Ako su samo kapije dovoljno blizu, njihove potencijalne jame se kombinuju, a elektroni u jednoj potencijalnoj bušotini prelaze u susednu, ako je „dublja“.
Rice. 2
Potencijalni bunari koji se preklapaju na dvije usko locirane kapije. Naboj teče do mjesta gdje je potencijalni bunar dublji.

Sada bi trebalo biti jasno da ako imamo lanac kapija, onda je moguće, primjenom odgovarajućih kontrolnih napona na njih, prenijeti lokalizirani paket punjenja duž takve strukture. Izvanredno svojstvo CCD-ova - svojstvo samoskeniranja - je da su za kontrolu lanca kapija bilo koje dužine dovoljne samo tri linije sata. (Izraz sabirnica u elektronici je provodnik električnih strujnih spojnih elemenata istog tipa; sabirnica sata su provodnici kroz koje se prenosi fazno pomaknut napon.) Zaista, za prijenos paketa naboja potrebne su i dovoljne tri elektrode: jedna odašiljajući, jedan prijemni i jedan izolacioni, razdvajajući parove koji primaju i odašilju jedan od drugog, a istoimene elektrode u takvim trojkama mogu biti povezane jedna s drugom u jednu sabirnicu sata, za koju je potreban samo jedan eksterni izlaz (slika 3. ).

Rice. 3
Najjednostavniji trofazni CCD registar.
Naboj u svakoj potencijalnoj bušotini je različit.

Ovo je najjednostavniji trofazni pomakni registar na CCD-u. Sat dijagrami rada takvog registra prikazani su na Sl. 4.

Rice. 4
Sat dijagrami za upravljanje trofaznim registrom su tri meandra pomaknuta za 120 stepeni.
Kada se potencijali mijenjaju, naboji se pomiču.

Može se vidjeti da za svoj normalan rad u svakom trenutku vremena, barem jedna sabirnica sata mora imati visok potencijal, a najmanje jedna mora imati nizak potencijal (potencijal barijere). Kada se potencijal poveća na jednoj sabirnici i smanji na drugoj (prethodnoj), svi paketi punjenja se istovremeno prenose na susedne kapije, a za puni ciklus (jedan ciklus na svakoj faznoj sabirnici), paketi punjenja se prenose (pomeraju) na jedan registarski element.

Za lokalizaciju paketa naelektrisanja u poprečnom pravcu formiraju se takozvani zaustavni kanali - uske trake sa povećanom koncentracijom glavne dopante, koje prolaze duž kanala za prenos (slika 5).

Rice. 5.
Pogled odozgo na registar.
Kanal prijenosa u bočnom smjeru ograničen je zaustavnim kanalima.

Činjenica je da koncentracija doping nečistoće određuje pri kojem se specifičnom naponu vrata formira područje iscrpljivanja ispod njega (ovaj parametar nije ništa drugo do granični napon MOS strukture). Iz intuitivnih razmatranja, jasno je da što je veća koncentracija nečistoća, tj. što je više rupa u poluprovodniku, to je teže zabiti ih dublje, tj. što je veći napon praga ili, pri jednom naponu, manji je potencijal u potencijalnoj bušotini.

Problemi

Ako u proizvodnji digitalnih uređaja rasipanje parametara po pločici može dostići nekoliko puta bez primjetnog uticaja na parametre nastalih uređaja (pošto se rad obavlja sa diskretnim nivoima napona), onda u CCD-u dolazi do promjene npr. , koncentracija dopanta od 10% je već primjetna na slici. Veličina kristala i nemogućnost redundancije, kao u LSI memoriji, dodaju svoje probleme, tako da defektna područja dovode do neupotrebljivosti cijelog kristala.

Zaključak

Različiti pikseli CCD matrice tehnološki imaju različitu osjetljivost na svjetlost i ta razlika se mora ispraviti.

U digitalnom KMA-u ova korekcija se zove sistem automatske kontrole pojačanja (AGC).

Kako funkcioniše AGC sistem

Radi jednostavnosti razmatranja, nećemo uzimati ništa konkretno. Pretpostavimo da postoje određeni potencijalni nivoi na izlazu ADC-a CCD čvora. Pretpostavimo da je 60 prosječan nivo bijele boje.

1. Za svaki piksel CCD linije očitava se vrijednost kada se osvijetli referentnim bijelim svjetlom (a kod ozbiljnijih uređaja očitava se i „nivo crne“).
2. Vrijednost se upoređuje sa referentnim nivoom (na primjer, prosjekom).
3. Razlika između izlazne vrijednosti i referentnog nivoa se pohranjuje za svaki piksel.
4. Kasnije, tokom skeniranja, ova razlika se kompenzuje za svaki piksel.

AGC sistem se inicijalizira svaki put kada se inicijalizira sistem skenera. Vjerovatno ste primijetili da kada uključite mašinu, nakon nekog vremena nosač skenera počinje da pravi pokrete naprijed-nazad (puzeći po crno-bijelim prugama). Ovo je proces inicijalizacije AGC sistema. Sistem takođe uzima u obzir stanje lampe (starenje).

Vjerovatno ste također primijetili da mali MFP uređaji opremljeni skenerom u boji „pale lampu“ s tri boje: crvenom, plavom i zelenom. Tada samo originalno pozadinsko osvjetljenje postaje bijelo. Ovo se radi kako bi se bolje ispravila osjetljivost matrice odvojeno za RGB kanale.

Halfton test (TEST SJENJENJA) omogućava vam da pokrenete ovu proceduru na zahtjev inženjera i dovedete vrijednosti podešavanja u stvarne uvjete.

Pokušajmo sve ovo razmotriti na pravoj, "borbenoj" mašini. Uzmimo za osnovu dobro poznat i popularan uređaj. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Treba napomenuti da u našem slučaju CCD postaje CIS (Contact Image Sensor), ali se suština onoga što se događa suštinski ne mijenja. Jednostavno, linije LED dioda se koriste kao izvor svjetlosti.

dakle:

Signal slike iz CIS-a ima nivo od oko 1,2 V i dovodi se u ADC sekciju (SADC) kontrolera uređaja (SADC). Nakon SADC-a, analogni CIS signal će se pretvoriti u 8-bitni digitalni signal.

Procesor slike u SADC-u prvo koristi funkciju korekcije tona, a zatim funkciju gama korekcije. Nakon toga, podaci se dostavljaju različitim modulima prema načinu rada. U tekstualnom režimu, slikovni podaci se šalju u LAT modul, u foto režimu, podaci o slici se šalju u modul "Error Diffusion", u PC-Scan režimu, podaci o slici se šalju direktno na personalni računar preko DMA pristupa.

Prije testiranja, stavite nekoliko praznih listova bijelog papira na staklo za ekspoziciju. Podrazumijeva se da se optika, c/b traka i općenito sklop skenera iznutra moraju "olizati"

1. Odaberite u TECH MODE
2. Pritisnite dugme ENTER da skenirate sliku.
3. Nakon skeniranja, "CIS SHADING PROFIL" će biti odštampan. Primjer takvog lista prikazan je u nastavku. Ne mora biti kopija vašeg rezultata, ali bi trebao biti blizu na slici.
4. Ako se odštampana slika jako razlikuje od slike prikazane na ilustraciji, CIS je neispravan. Imajte na umu da na dnu lista izvještaja piše “Rezultati: OK”. To znači da sistem nema ozbiljnih pritužbi na CIS modul. U suprotnom će se dati rezultati greške.

Primjer ispisa profila:

Sretno ti!!

Na osnovu materijala iz članaka i predavanja nastavnika St. Petersburg State University (LSU), St. Petersburg Electrotechnical University (LETI) i Axl. Zahvaljujući njima.

Materijal pripremio V. Schelenberg

Uređaj sa spojem punjenja izumili su 1969. Willard Boyle i George Smith u AT&T Bell Labs. Laboratorije su radile na videotelefoniji. slika telefona) i razvoj „semiconductor bubble memory“ (eng. poluvodička mjehurić memorija). Uređaji povezani sa punjenjem započeli su život kao memorijski uređaji u kojima se punjenje moglo staviti samo u ulazni registar uređaja. Međutim, sposobnost memorijskog elementa uređaja da primi naboj zbog fotoelektričnog efekta učinila je ovu primjenu CCD uređaja glavnom.

Opća struktura i princip rada

Prije izlaganja, obično primjenom određene kombinacije napona na elektrode, sva prethodno formirana naelektrisanja se resetuju i svi elementi se dovode u identično stanje.

Zatim, kombinacija napona na elektrodama stvara potencijalnu jamu u kojoj se mogu akumulirati elektroni formirani u datom pikselu matrice kao rezultat izlaganja svjetlosti tokom ekspozicije. Što je intenzivniji svjetlosni tok tokom ekspozicije, to se više elektrona akumulira u potencijalnoj bušotini, i shodno tome, veći je konačni naboj datog piksela.

Nakon ekspozicije, uzastopne promjene napona na elektrodama formiraju raspodjelu potencijala u svakom pikselu i pored njega, što dovodi do protoka naboja u datom smjeru, do izlaznih elemenata matrice.

Primjer CCD podpiksela sa džepom tipa n

Proizvođači imaju različite arhitekture piksela.

Oznake na CCD podpiksel dijagramu: 1 - fotoni svjetlosti koji prolaze kroz sočivo kamere;
2 - ;
3 - R - crveni subpiksel filter, fragment Bayerovog filtera;
4 - prozirna elektroda od polikristalnog silicijuma ili legure indija i kalajnog oksida;
5 - silicijum oksid;
6 - silicijumski kanal n-tipa: zona generisanja nosioca - zona unutrašnjeg fotoelektričnog efekta;
7 - zona potencijalnog bunara (džep n-tipa), gde se sakupljaju elektroni iz zone generisanja nosioca naboja;
8 - p-tip silikonske podloge.

Klasifikacija metodom puferiranja

Senzori prijenosa punog okvira

Slika koju formira sočivo pada na CCD matricu, odnosno svjetlosni zraci padaju na fotoosjetljivu površinu CCD elemenata, čiji je zadatak pretvaranje energije fotona u električni naboj. To se dešava otprilike na sljedeći način.

Za foton koji padne na CCD element, postoje tri opcije za razvoj događaja - ili će se "odbiti" od površine, ili će se apsorbirati u debljinu poluvodiča (matrica materijala), ili će se "probiti" svoju „radnu zonu“. Očigledno je da se od programera traži da kreiraju senzor u kojem bi gubici od "rikošeta" i "pucanja" bili minimizirani. Isti fotoni koje je matrica apsorbirala formiraju par elektron-rupa ako je došlo do interakcije s atomom poluvodičke kristalne rešetke, ili samo elektron (ili rupu) ako je interakcija bila s atomima donorskih ili akceptorskih nečistoća, i oba ova fenomena nazivaju se unutrašnjim fotoelektričnim efektom. Naravno, rad senzora nije ograničen samo na unutrašnji fotoelektrični efekat - potrebno je pohraniti nosioce naboja "uzete" iz poluvodiča u posebno skladište, a zatim ih prebrojati.

CCD element

Općenito, dizajn CCD elementa izgleda ovako: silikonska podloga p-tipa opremljena je kanalima napravljenim od n-tipa poluvodiča. Iznad kanala se stvaraju elektrode od polikristalnog silicijuma sa izolacionim slojem od silicijum oksida. Nakon primjene električnog potencijala na takvu elektrodu, u zoni iscrpljivanja ispod kanala n-tipa stvara se potencijalni bunar čija je svrha pohranjivanje elektrona. Silicijum koji prodire foton dovodi do stvaranja elektrona, koji je privučen potencijalnom bušotinom i ostaje u njoj. Više fotona (jako svjetlo) obezbjeđuje više naboja bušotini. Zatim morate izračunati vrijednost ovog naboja, koji se naziva i fotostruja, i pojačati je.

Očitavanje fotostruja CCD elemenata vrši se takozvanim serijskim pomačnim registrima, koji pretvaraju niz naelektrisanja na ulazu u niz impulsa na izlazu. Ova serija predstavlja analogni signal, koji se naknadno dovodi u pojačalo.

Tako je pomoću registra moguće konvertovati naboje niza CCD elemenata u analogni signal. Zapravo, registar serijskog pomaka u CCD matricama implementiran je korištenjem istih CCD elemenata kombinovanih u red. Rad takvog uređaja zasniva se na sposobnosti nabojno spregnutih uređaja (to znači skraćenica CCD) da razmjenjuju naboje svojih potencijalnih bunara. Razmjena se vrši zahvaljujući prisutnosti posebnih prijenosnih elektroda (transfer gate) smještenih između susjednih CCD elemenata. Kada se povećani potencijal primijeni na najbližu elektrodu, naboj „teče“ ispod nje iz potencijalne jame. Između CCD elemenata mogu se nalaziti od dvije do četiri elektrode za prijenos, a od njihovog broja ovisi "faza" registra pomaka, koji se može nazvati dvofaznim, trofaznim ili četverofaznim.

Snabdijevanje potencijalima prijenosnim elektrodama je sinhronizovano na način da se kretanje naelektrisanja potencijalnih bunara svih CCD elemenata registra odvija istovremeno. I tokom jednog ciklusa prijenosa, čini se da CCD elementi “prenose naboje duž lanca” s lijeva na desno (ili s desna na lijevo). Pa, CCD element koji se ispostavi da je "ekstremni" daje svoj naboj uređaju koji se nalazi na izlazu registra, odnosno pojačalu.

Općenito, serijski pomakni registar je uređaj sa paralelnim ulazom, serijskim izlazom. Dakle, nakon očitavanja svih naboja iz registra, moguće je na njegov ulaz primijeniti novu liniju, zatim slijedeću i tako generirati kontinuirani analogni signal baziran na dvodimenzionalnom nizu fotostruja. Zauzvrat, paralelni ulaz u registar serijskog pomaka (tj. redove dvodimenzionalnog niza fotostruja) obezbjeđuje skup vertikalno orijentiranih serijskih pomačnih registara, koji se naziva paralelni pomakni registar, a cijela struktura je upravo uređaj koji se zove CCD matrica.

"Okomiti" serijski pomačni registri koji čine paralelne nazivaju se CCD kolone i njihov rad je potpuno sinhronizovan. Dvodimenzionalni niz fotostruja CCD matrice istovremeno se pomjera za jedan red prema dolje, a to se događa tek nakon što naboji prethodnog reda iz registra serijskog pomaka koji se nalazi "na samom dnu" odu u pojačalo. Dok se serijski registar ne oslobodi, paralelni je prisiljen da radi u mirovanju. Pa, za normalan rad, sama CCD matrica mora biti spojena na mikrokolo (ili njihov skup) koji opskrbljuje potencijale elektrodama i serijskih i paralelnih registra pomaka, kao i sinkronizira rad oba registra. Osim toga, potreban je generator takta.

Senzor punog kadra

Ovaj tip senzora je najjednostavniji sa stanovišta dizajna i naziva se CCD-matrica punog formata. Pored "cevovodnih" mikrokola, ovaj tip matrice zahteva i mehanički zatvarač koji blokira svetlosni tok nakon završetka ekspozicije. Prije nego što se zatvarač potpuno zatvori, očitavanje naelektrisanja ne može početi - tokom radnog ciklusa paralelnog registra pomaka, dodatni elektroni će se dodati fotostruji svakog od njegovih piksela, uzrokovani udarom fotona u otvorenu površinu CCD matrice. Ova pojava se naziva “razmazivanje” naboja u matrici punog kadra (full-frame matrix razmaz).

Dakle, brzina čitanja okvira u takvoj shemi je ograničena brzinom rada i paralelnih i serijskih registra pomaka. Očigledno je i da je potrebno blokirati svjetlosni tok koji dolazi iz sočiva dok se proces očitavanja ne završi, tako da interval između ekspozicija zavisi i od brzine čitanja.

Matrice sa baferom okvira

Postoji poboljšana verzija matrice punog kadra, u kojoj se naboji paralelnog registra ne dovode red po red na ulaz serijskog, već se „pohranjuju“ u bafer paralelni registar. Ovaj registar se nalazi ispod glavnog paralelnog registra pomeranja; fotostruje se pomeraju red po red u bafer registar i odatle ulaze na ulaz serijskog registra pomeranja. Površina bafer registra je prekrivena neprozirnom (obično metalnom) pločom, a cijeli sistem se naziva CCD matrica za prijenos okvira. Matrica sa baferovanjem okvira U ovoj šemi potencijalne rupe glavnog paralelnog registra pomeranja se „prazne“ mnogo brže, jer prilikom prenosa redova u bafer nema potrebe da se čeka pun ciklus serijskog registra za svaki red. Stoga se smanjuje interval između ekspozicija, iako se smanjuje i brzina čitanja; linija mora „putovati“ dvostruko duže. Dakle, interval između ekspozicija je smanjen za samo dva kadra, iako se cijena uređaja zbog bafer registra značajno povećava. Međutim, najuočljiviji nedostatak matrica sa baferovanjem okvira je produžena „ruta“ fotostruja, što negativno utiče na sigurnost njihovih vrednosti. I u svakom slučaju, mehanički zatvarač mora biti aktiviran između kadrova, tako da nema potrebe govoriti o kontinuiranom video signalu.

Matrice sa baferom u koloni

Nova vrsta matrice razvijena je posebno za video tehnologiju, u kojoj je interval između ekspozicija minimiziran ne za par kadrova, već za kontinuirani stream. Naravno, da bi se osigurao ovaj kontinuitet, bilo je potrebno predvidjeti napuštanje mehaničkog zatvarača.

U stvari, ova šema, nazvana matrica sa baferom u koloni (međulinijska CCD-matrica), donekle je slična sistemima sa baferskim baferom - takođe koristi registar paralelnog pomeranja bafera, čiji su CCD elementi skriveni ispod neprozirnog premaza. Međutim, ovaj bafer nije lociran kao jedan blok ispod glavnog paralelnog registra; njegovi stupci se „promiješaju“ između stupaca glavnog registra. Kao rezultat toga, pored svake kolone glavnog registra postoji bafer kolona, ​​a odmah nakon ekspozicije fotostruje se ne kreću „od vrha do dna“, već „s lijeva na desno“ (ili „zdesna nalijevo“) i samo jednog radnog ciklusa ulaze u bafer registar, potpuno i potpuno oslobađajući potencijalne rupe za sljedeću ekspoziciju. Naboji smešteni u registar bafera čitaju se na uobičajen način kroz serijski pomerajući registar, odnosno „od vrha do dna“. S obzirom da se ubacivanje fotostruja u bafer registar događa u samo jednom ciklusu, čak iu odsustvu mehaničkog zatvarača, ništa slično „razmazovanju“ naboja u senzoru punog kadra se ne opaža. Ali vrijeme ekspozicije za svaki kadar u većini slučajeva odgovara trajanju intervalu utrošenom na potpuno čitanje baferskog paralelnog registra. Zahvaljujući svemu tome, postaje moguće stvoriti video signal s velikom brzinom kadrova - najmanje 30 sličica u sekundi. Matrica baferovana kolonom Često se u ruskoj literaturi matrice sa baferom u koloni pogrešno nazivaju „isprepletene“. Ovo je vjerovatno zbog činjenice da engleski nazivi “interline” (međuspremnik linija) i “interlaced” (interlaced scanning) zvuče vrlo slično. Zapravo, kada se svi redovi čitaju u jednom ciklusu takta, možemo govoriti o matrici sa progresivnim skeniranjem, a kada se neparni redovi čitaju u prvom ciklusu takta, a parni redovi u drugom (ili obrnuto), govorimo o matrici sa skeniranjem u interlace).

Dimenzije senzora kamere

Oznaka		Širina	Visina	Dijagonala	Square	Primjer
puni kadar, tip filma 135.	1 - 1,01	35,8 - 36	23,8 - 24	43 - 43,3	852-864	Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (CMOS senzor)
APS-H	1,26 - 1,28	28,1 - 28,7	18,7 - 19,1	33,8 - 34,5	525,5 - 548,2	Canon EOS-1D Mark III (CMOS senzor)
	1,33	27	18	32,4	486	Leica M8
APS-C, , 1.8"	1,44 - 1,74	20,7 - 25,1	13,8 - 16,7	24,9 - 30,1	285,7 - 419,2	Pentax K10D
Foveon X3	1,74	20,7	13,8	24,9	285,7	Sigma SD14
4/3 "	1,92 - 2	17,3 - 18	13 −13,5	21,6 - 22,5	224,9 - 243	Olympus E-330
1"	2,7	12,8	9,6	16	122,9	Sony ProMavica MVC-5000
2/3"	3,93	8,8	6,6	11	58,1	Pentax EI-2000
1/1,6"	≈4	8	6	10	48	Panasonic Lumix DMC-LX3
1/1,65"	≈4					Panasonic Lumix DMC-LX2
1/1,7"	≈4,5	7,6	5,7	9,5	43,3	Canon PowerShot G10
1/1,8"	4,84	7,176	5,319	8,9	38,2	Casio EXILIM EX-F1
1/1,9"	≈5					Samsung Digimax V6
1/2"	5,41	6,4	4,8	8	30,7	Sony DSC-D700
1/2,3"	≈6	6,16	4,62	7,70	28,46	Olympus SP-560 UK
1/2,35"	≈6					Pentax Optio V10
1/2,4"	≈6					Fujifilm FinePix S8000fd
1/2,5"	5,99	5,8	4,3	7,2	24,9	Panasonic Lumix DMC-FZ8
1/2,6"	≈6					HP Photosmart M447
1/2,7"	6,56	5,27	3,96	6,6	20,9	Olympus C-900 zum
1/2,8"	≈7					Canon DC40
1/2,9"	≈7					Sony HDR-SR7E
1/3"	7,21	4,8	3,6	6	17,3	Canon PowerShot A460
1/3,1"	≈7					Sony HDR-SR12E
1/3,2"	7,62	4,536	3,416	5,7	15,5	Canon HF100
1/3,4"	≈8					Canon MVX35i
1/3,6"	8,65	4	3	5	12	JVC GR-DZ7
1/3,9"	≈9					Canon DC22
1/4"						Canon XM2
1/4,5"						Samsung VP-HMX10C
1/4,7"						Panasonic NV-GS500EE-S
1/5"						Sony DCR-SR80E
1/5,5"						JVC Everio GZ-HD7
1/6"	14,71	2,4	1,7	2,9	4,1	Sony DCR-DVD308E
1/8"						Sony DCR-SR45E

Dimenzije digitalnih bioskopskih kamera

Oznaka	dopisivanje formatu filmovi	Širina

Opće informacije o CCD matricama.

Trenutno, većina sistema za snimanje slike koristi CCD (uređaj sa naelektrisanjem) matrice kao fotoosetljivi uređaj.

Princip rada CCD matrice je sljedeći: matrica fotoosjetljivih elemenata (akumulacijski dio) kreirana je na bazi silicija. Svaki fotoosjetljivi element ima svojstvo akumuliranja naboja proporcionalno broju fotona koji ga pogađaju. Tako se tokom nekog vremena (vrijeme ekspozicije) u dijelu akumulacije dobije dvodimenzionalna matrica naelektrisanja proporcionalna svjetlini originalne slike. Akumulirani naboji se u početku prenose u sekciju za skladištenje, a zatim red po red i piksel po piksel na izlaz matrice.

Veličina odjeljka za skladištenje u odnosu na dio za akumulaciju varira:

• po kadru (matrice sa prijenosom okvira za progresivno skeniranje);
• po poluokviru (matrice s prijenosom okvira za prepleteno skeniranje);

Postoje i matrice u kojima nema sekcije za skladištenje, a zatim se prenos linije vrši direktno kroz sekciju akumulacije. Očigledno, da bi takve matrice radile, potreban je optički zatvarač.

Kvalitet modernih CCD matrica je takav da punjenje ostaje gotovo nepromijenjeno tokom procesa prijenosa.

Uprkos očiglednoj raznolikosti televizijskih kamera, CCD matrice koje se koriste u njima su praktički iste, budući da masovnu i masovnu proizvodnju CCD matrica obavlja samo nekoliko kompanija. To su SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Glavni parametri CCD matrica su:

• dimenzija u pikselima;
• fizička veličina u inčima (2/3, 1/2, 1/3, itd.). Štaviše, sami brojevi ne određuju tačnu veličinu osetljivog područja, već određuju klasu uređaja;
• osjetljivost.

Rezolucija CCD kamera.

Rezolucija CCD kamera uglavnom je određena veličinom CCD matrice u pikselima i kvalitetom sočiva. U određenoj mjeri, na to može utjecati elektronika kamere (ako je loše napravljena, može pogoršati rezoluciju, ali oni rijetko rade nešto iskreno loše ovih dana).

Ovdje je važno napraviti jednu napomenu. U nekim slučajevima, visokofrekventni prostorni filteri su instalirani u kamere kako bi se poboljšala prividna rezolucija. U ovom slučaju, slika objekta dobijena manjom kamerom može biti čak oštrija od slike istog objekta dobijene objektivno od bolje kamere. Naravno, to je prihvatljivo kada se kamera koristi u sistemima vizuelnog nadzora, ali je potpuno neprikladna za izgradnju mernih sistema.

Rezolucija i format CCD matrica.

Trenutno različite kompanije proizvode CCD matrice koje pokrivaju širok raspon dimenzija od nekoliko stotina do nekoliko hiljada. Ovako je prijavljena matrica dimenzija 10000x10000, a u ovoj poruci je istaknut ne toliko problem cijene ove matrice koliko problem pohranjivanja, obrade i prijenosa rezultirajućih slika. Kao što znamo, matrice dimenzija do 2000x2000 su sada manje-više u upotrebi.

Najšire, tačnije, masovno korištene CCD matrice svakako uključuju matrice s rezolucijom orijentiranom na televizijski standard. Ovo su matrice uglavnom dva formata:

• 512*576;
• 768*576.

Matrice 512*576 se obično koriste u jednostavnim i jeftinim sistemima video nadzora.

Matrice 768*576 (ponekad malo više, ponekad malo manje) omogućavaju vam da dobijete maksimalnu rezoluciju za standardni televizijski signal. Istovremeno, za razliku od matrica formata 512*576, one imaju mrežni raspored fotoosjetljivih elemenata blizu kvadrata, te stoga jednaku horizontalnu i vertikalnu rezoluciju.

Često proizvođači kamera navode rezoluciju u televizijskim linijama. To znači da vam kamera omogućava da vidite N/2 tamnih vertikalnih poteza na svijetloj pozadini, raspoređenih u kvadrat upisan u polje slike, gdje je N deklarisani broj televizijskih linija. U odnosu na standardni televizijski sto, ovo pretpostavlja sljedeće: odabirom udaljenosti i fokusiranjem slike stola, potrebno je osigurati da se gornji i donji rub slike stola na monitoru poklapaju sa vanjskom konturom stola, označena vrhovima crno-bijelih prizmi; zatim, nakon konačnog podfokusiranja, broj se očitava na mjestu vertikalnog klina gdje se vertikalni potezi po prvi put prestaju rješavati. Poslednja napomena je veoma bitna jer... a na slici testnih polja tabele sa 600 ili više linija često su vidljive naizmjenične pruge, koje su, u stvari, moar nastale otkucavanjem prostornih frekvencija linija tabele i mreže osjetljivih elemenata CCD matricu. Ovaj efekat je posebno izražen kod kamera sa visokofrekventnim prostornim filterima (vidi gore)!

Napominjem da je, pod svim ostalim jednakim uvjetima (na to uglavnom može utjecati objektiv), rezolucija crno-bijelih kamera jedinstveno određena veličinom CCD matrice. Tako će kamera formata 768*576 imati rezoluciju od 576 televizijskih linija, iako se u nekim prospektima može naći vrijednost od 550, au drugim 600.

Objektiv.

Fizička veličina CCD ćelija je glavni parametar koji određuje zahtjev za rezolucijom sočiva. Drugi takav parametar može biti zahtjev da se osigura rad matrice u uvjetima laganog preopterećenja, o čemu će biti riječi u nastavku.

Za 1/2 inčnu SONY ICX039 matricu, veličina piksela je 8,6µm*8,3µm. Stoga objektiv mora imati rezoluciju bolju od:

1/8.3*10e-3= 120 linija (60 pari linija po milimetru).

Za objektive napravljene za matrice od 1/3 inča, ova vrijednost bi trebala biti još veća, iako to, začudo, ne utječe na cijenu i parametar kao što je otvor blende, jer su ovi objektivi napravljeni uzimajući u obzir potrebu za formiranjem slike na manje svjetlo osjetljivo polje matrice. Iz toga također slijedi da sočiva za manje matrice nisu pogodna za velike matrice zbog značajno pogoršanih karakteristika na rubovima velikih matrica. Istovremeno, sočiva za velike senzore mogu ograničiti rezoluciju slika dobivenih od manjih senzora.

Nažalost, uz svo moderno obilje objektiva za televizijske kamere, vrlo je teško doći do informacija o njihovoj rezoluciji.

Općenito, ne biramo često objektive, jer gotovo svi naši Kupci instaliraju video sisteme na postojeću optiku: mikroskope, teleskope itd., tako da su naše informacije o tržištu sočiva beleške. Možemo samo reći da je rezolucija jednostavnih i jeftinih sočiva u rasponu od 50-60 pari linija po mm, što uglavnom nije dovoljno.

S druge strane, imamo informaciju da posebna sočiva proizvođača Zeiss sa rezolucijom od 100-120 parova linija po mm koštaju više od 1000 dolara.

Dakle, prilikom kupovine objektiva potrebno je izvršiti preliminarno testiranje. Moram reći da većina moskovskih prodavača daje sočiva za testiranje. Ovdje je još jednom prikladno podsjetiti se na moire efekat, čije prisustvo, kao što je gore navedeno, može dovesti u zabludu u pogledu rezolucije matrice. Dakle, prisustvo moire na slici dijelova stola s potezima iznad 600 televizijskih linija u odnosu na objektiv ukazuje na određenu rezervu rezolucije potonjeg, što, naravno, ne škodi.

Još jedna, možda važna napomena za one koje zanimaju geometrijska mjerenja. Sva sočiva imaju izobličenje u jednom ili drugom stepenu (izobličenje geometrije slike u obliku jastučića), a što je sočivo kraće, to su ta izobličenja po pravilu veća. Po našem mišljenju, objektivi sa žižnim daljinama većim od 8-12 mm imaju prihvatljivu distorziju za 1/3" i 1/2" kamere. Iako nivo "prihvatljivosti", naravno, ovisi o zadacima koje televizijska kamera mora riješiti.

Rezolucija kontrolera za ulaz slike

Rezoluciju ulaznih kontrolera slike treba shvatiti kao frekvenciju konverzije analogno-digitalnog pretvarača (ADC) kontrolera, čiji se podaci zatim snimaju u memoriju kontrolera. Očigledno, postoji razumna granica za povećanje frekvencije digitalizacije. Za uređaje koji imaju kontinuiranu strukturu fotoosjetljivog sloja, na primjer, vidikon, optimalna frekvencija digitalizacije jednaka je dvostrukoj gornjoj frekvenciji korisnog signala vidikona.

Za razliku od takvih detektora svjetlosti, CCD matrice imaju diskretnu topologiju, pa se optimalna frekvencija digitalizacije za njih određuje kao frekvencija pomaka izlaznog registra matrice. U ovom slučaju, važno je da ADC kontrolera radi sinhrono sa izlaznim registrom CCD matrice. Samo u ovom slučaju može se postići najbolji kvalitet konverzije i sa stanovišta osiguravanja „krute“ geometrije rezultirajućih slika i sa stanovišta minimiziranja šuma od taktnih impulsa i prolaznih procesa.

Osetljivost CCD kamera

Od 1994. godine koristimo SONY kartice u našim uređajima baziranim na ICX039 CCD matrici. SONY opis za ovaj uređaj ukazuje na osjetljivost od 0,25 luksa na objektu sa otvorom sočiva od 1,4. Već nekoliko puta susreli smo se sa kamerama sličnih parametara (veličina 1/2 inča, rezolucija 752*576) i sa deklarisanom osetljivošću 10 ili čak 100 puta većom od „našeg“ SONY-a.

Provjeravali smo ove brojeve nekoliko puta. U većini slučajeva, u kamerama različitih kompanija nalazili smo istu ICX039 CCD matricu. Štaviše, sva "cevna" mikro kola su takođe napravljena od kompanije SONY. A uporedna testiranja su pokazala gotovo potpuni identitet svih ovih kamera. Pa šta je pitanje?

I cijelo je pitanje pri kojem se omjeru signal/šum (s/n) određuje osjetljivost. U našem slučaju, kompanija SONY je savjesno pokazala osjetljivost na s/n = 46 dB, dok druge kompanije to ili nisu naznačile ili su to naznačile na način da je nejasno pod kojim uslovima su vršena ova mjerenja.

Ovo je, generalno gledano, uobičajena pošast većine proizvođača kamera – ne preciziraju uslove za merenje parametara kamere.

Činjenica je da kako se zahtjev za odnosom S/N smanjuje, osjetljivost kamere raste obrnuto proporcionalno kvadratu potrebnog S/N omjera:

gdje:
I - osetljivost;
K - faktor konverzije;
s/n - s/n odnos u linearnim jedinicama,

Stoga su mnoge kompanije u iskušenju da naznače osjetljivost kamere na niskom omjeru S/N.

Možemo reći da je sposobnost matrice da „vidi“ bolje ili lošije određena brojem naelektrisanja pretvorenih iz fotona koji upadaju na njenu površinu i kvalitetom isporuke ovih naboja na izlaz. Količina akumuliranih naboja ovisi o površini fotoosjetljivog elementa i kvantne efikasnosti CCD matrice, a kvalitet transporta je određen mnogim faktorima, koji se često svode na jedno - buku očitavanja. Buka očitavanja za moderne matrice je reda veličine 10-30 elektrona ili čak i manje!

Površine elemenata CCD matrica su različite, ali tipična vrijednost za 1/2 inčne matrice za televizijske kamere je 8,5 µm * 8,5 µm. Povećanje veličine elemenata dovodi do povećanja veličine samih matrica, što povećava njihovu cijenu ne toliko zbog stvarnog povećanja proizvodne cijene, koliko zbog činjenice da je serijska proizvodnja takvih uređaja nekoliko redova veličine manji. Osim toga, na površinu fotoosjetljive zone utječe topologija matrice do te mjere da procenat ukupne površine kristala zauzima osjetljivo područje (faktor punjenja). U nekim specijalnim matricama faktor popunjavanja je 100%.

Kvantna efikasnost (koliko se u prosjeku mijenja naboj osjetljive ćelije u elektronima kada jedan foton padne na njenu površinu) za moderne matrice je 0,4-0,6 (za neke matrice bez anti-cvjetanja dostiže 0,85).

Tako se može vidjeti da se osjetljivost CCD kamera, vezana za određenu S/N vrijednost, približila fizičkoj granici. Prema našem zaključku, tipične vrijednosti osjetljivosti kamera za opću upotrebu pri s/w = 46 leže u rasponu od 0,15-0,25 luxa osvjetljenja na objektu sa otvorom objektiva od 1,4.

S tim u vezi, ne preporučujemo slijepo vjerovati brojkama osjetljivosti koje su navedene u opisima televizijskih kamera, posebno kada nisu dati uslovi za određivanje ovog parametra i, ako u pasošu vidite kameru koja košta do 500 dolara osjetljivost od 0,01-0,001 lux u televizijskom režimu, onda pred vama predstavljate primer, blago rečeno, netačnih informacija.

O načinima povećanja osjetljivosti CCD kamera

Šta da radite ako trebate da snimite veoma bled objekat, kao što je daleka galaksija?

Jedan od načina da se ovo riješi je akumulacija slika tokom vremena. Implementacijom ove metode može se značajno povećati osjetljivost CCD-a. Naravno, ova metoda se može primijeniti na stacionarne objekte promatranja ili u slučajevima kada se kretanje može kompenzirati, kao što se radi u astronomiji.

Fig1 Planetarna maglina M57.

Teleskop: 60 cm, ekspozicija - 20 sekundi, temperatura tokom ekspozicije - 20 C.
U središtu magline nalazi se zvjezdani objekt veličine 15.
Snimku je dobio V. Amirkhanyan u Specijalnoj astrofizičkoj opservatoriji Ruske akademije nauka.

Može se reći sa razumnom tačnošću da je osetljivost CCD kamera direktno proporcionalna vremenu ekspozicije.

Na primjer, osjetljivost pri brzini zatvarača od 1 sekunde u odnosu na originalne 1/50s će se povećati 50 puta, tj. biće bolje - 0,005 luksa.

Naravno, na tom putu ima problema, a to je prije svega tamna struja matrica, koja donosi naboje koji se akumuliraju istovremeno s korisnim signalom. Tamna struja je određena, prvo, tehnologijom proizvodnje kristala, drugo, nivoom tehnologije i, naravno, u velikoj mjeri radnom temperaturom same matrice.

Obično, da bi se postigla duga vremena akumulacije, od nekoliko minuta ili desetina minuta, matrice se hlade na minus 20-40 stepeni. C. Problem hlađenja matrica na takve temperature je riješen, ali je jednostavno nemoguće reći da se to ne može učiniti, jer uvijek postoje projektni i operativni problemi povezani sa zamagljivanjem zaštitnih stakala i oslobađanjem topline iz vrućeg spoja. termoelektrični frižider.

Istovremeno, tehnološki napredak u proizvodnji CCD matrica utjecao je i na parametar kao što je tamna struja. Ovdje su dostignuća vrlo značajna i tamna struja nekih dobrih modernih matrica je vrlo mala. Prema našem iskustvu, kamere bez hlađenja omogućavaju pravljenje ekspozicija na sobnoj temperaturi u roku od nekoliko desetina sekundi, a uz kompenzaciju tamne pozadine do nekoliko minuta. Kao primjer, evo fotografije planetarne magline M57, dobijene video sistemom VS-a-tandem-56/2 bez hlađenja uz ekspoziciju od 20 s.

Drugi način povećanja osjetljivosti je korištenje elektronsko-optičkih pretvarača (EOC). Pojačivači slike su uređaji koji pojačavaju svjetlosni tok. Moderne cijevi pojačivača slike mogu imati vrlo velike vrijednosti pojačanja, međutim, ne ulazeći u detalje, možemo reći da korištenje cijevi pojačivača slike može samo poboljšati prag osjetljivosti kamere, te stoga njegovo pojačanje ne smije biti preveliko.

Spektralna osjetljivost CCD kamera

Slika 2 Spektralne karakteristike različitih matrica

Za neke aplikacije, spektralna osjetljivost CCD-a je važan faktor. Pošto su svi CCD-ovi napravljeni na bazi silicijuma, u svom „golom“ obliku spektralna osetljivost CCD-a odgovara ovom parametru silicijuma (vidi sliku 2).

Kao što vidite, uz svu raznolikost karakteristika, CCD matrice imaju maksimalnu osjetljivost u crvenom i bliskom infracrvenom (IR) opsegu i ne vide apsolutno ništa u plavo-ljubičastom dijelu spektra. Bliska IR osjetljivost CCD-ova koristi se u sistemima za prikriveno osvjetljavanje IR svjetlosnih izvora, kao i pri mjerenju termičkih polja visokotemperaturnih objekata.

Rice. 3 Tipične spektralne karakteristike SONY crno-bijelih matrica.

SONY proizvodi sve svoje crno-bele matrice sa sledećim spektralnim karakteristikama (vidi sliku 3). Kao što možete vidjeti iz ove slike, osjetljivost CCD-a u bliskom IR je značajno smanjena, ali je matrica počela da percipira plavu regiju spektra.

Za različite posebne namjene razvijaju se matrice osjetljive na ultraljubičasto, pa čak i na rendgensko zračenje. Obično su ovi uređaji jedinstveni i njihova cijena je prilično visoka.

O progresivnom i isprepletenom skeniranju

Standardni televizijski signal je razvijen za sistem emitovanja televizije, a sa stanovišta savremenih sistema za unos i obradu slike ima jedan veliki nedostatak. Iako TV signal sadrži 625 linija (od kojih oko 576 sadrži video informacije), uzastopno se prikazuju 2 polu-kadra, koji se sastoje od parnih linija (parni polu-okvir) i neparnih linija (neparni polu-kadar). To dovodi do činjenice da ako se unese pokretna slika, onda analiza ne može koristiti Y rezoluciju veću od broja linija u jednom polukadru (288). Pored toga, u savremenim sistemima, kada se slika vizualizuje na kompjuterskom monitoru (koji ima progresivno skeniranje), ulaz slike iz isprepletene kamere kada se objekat kreće izaziva neugodan vizuelni efekat udvostručavanja.

Sve metode za borbu protiv ovog nedostatka dovode do pogoršanja vertikalne rezolucije. Jedini način da se prevaziđe ovaj nedostatak i postigne rezolucija koja odgovara rezoluciji CCD-a je prelazak na progresivno skeniranje u CCD-u. Proizvođači CCD-a proizvode takve matrice, ali zbog malog obima proizvodnje, cijena takvih matrica i kamera je mnogo viša od one konvencionalnih. Na primjer, cijena SONY matrice sa progresivnim skeniranjem ICX074 je 3 puta veća od ICX039 (interlace scan).

Druge opcije kamere

Ovi drugi uključuju parametar kao što je "cvjetanje", tj. širenje naboja po površini matrice kada su njeni pojedinačni elementi preeksponirani. U praksi se takav slučaj može dogoditi, na primjer, kada se posmatraju objekti sa odsjajem. Ovo je prilično neugodan efekat CCD-ova, jer nekoliko svijetlih tačaka može izobličiti cijelu sliku. Srećom, mnoge moderne matrice sadrže uređaje protiv cvjetanja. Tako smo u opisima nekih od najnovijih SONY matrica pronašli 2000, što karakteriše dozvoljeno svjetlosno preopterećenje pojedinih ćelija, koje još ne dovodi do širenja naboja. Ovo je prilično visoka vrijednost, pogotovo jer se ovaj rezultat može postići, kao što je naše iskustvo pokazalo, samo posebnim podešavanjem drajvera koji direktno upravljaju matricom i kanalom za pretpojačavanje video signala. Pored toga, sočivo takođe daje svoj doprinos „širenju“ svetlih tačaka, jer sa tako velikim svetlosnim preopterećenjima, čak i malo rasipanje izvan glavne tačke pruža primetnu svetlosnu podršku za susedne elemente.

Ovdje je također potrebno napomenuti da prema nekim podacima, koje sami nismo provjerili, matrice sa antibloomingom imaju 2 puta manju kvantnu efikasnost od matrica bez antibloominga. U tom smislu, u sistemima koji zahtijevaju vrlo visoku osjetljivost, može imati smisla koristiti matrice bez anti-cvjetanja (obično su to posebni zadaci poput astronomskih).

O kamerama u boji

Materijali u ovom odeljku donekle nadilaze okvire razmatranja mernih sistema koje smo uspostavili, međutim, raširena upotreba kamera u boji (čak i više od crno-belih) primorava nas da razjasnimo ovo pitanje, pogotovo jer kupci često pokušavaju da koriste crno-bijele kamere sa našim kamerama, televizijske kamere u boji sa bijelim grabežljivcima okvira, i jako se iznenade kada na nastalim slikama nađu neke mrlje, a rezolucija slika se pokaže nedovoljnom. Hajde da objasnimo šta se ovde dešava.

Postoje 2 načina za generiranje signala u boji:

• 1. korištenje jedne matrične kamere.
• 2. korištenje sistema od 3 CCD matrice sa glavom za razdvajanje boja za dobijanje R, G, B komponenti signala boje na ovim matricama.

Drugi način pruža najbolji kvalitet i jedini je način za dobijanje mjernih sistema, međutim, kamere koje rade na ovom principu su prilično skupe (više od 3000 dolara).

U većini slučajeva koriste se CCD kamere sa jednim čipom. Pogledajmo njihov princip rada.

Kao što je jasno iz prilično širokih spektralnih karakteristika CCD matrice, ona ne može odrediti "boju" fotona koji udara o površinu. Stoga se za ulazak u sliku u boji ispred svakog elementa CCD matrice instalira svjetlosni filter. U ovom slučaju, ukupan broj elemenata matrice ostaje isti. SONY, na primjer, proizvodi potpuno iste CCD matrice za crno-bijele i kolor verzije, koje se razlikuju samo po prisutnosti mreže svjetlosnih filtera u matrici boja, primijenjenih direktno na osjetljiva područja. Postoji nekoliko shema bojanja matrice. Evo jednog od njih.

Ovdje se koriste 4 različita filtera (vidi slike 4 i 5).

Slika 4. Raspodjela filtera na CCD matričnim elementima

Slika 5. Spektralna osjetljivost CCD elemenata sa različitim filterima.

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

U liniji A1 signal razlike u boji "crvene" dobija se kao:

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

a u liniji A2 dobija se signal razlike "plave" boje:

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

Iz ovoga je jasno da je prostorna rezolucija CCD matrice u boji, u poređenju sa istom crno-belom, obično 1,3-1,5 puta lošija horizontalno i vertikalno. Zbog upotrebe filtera, osjetljivost CCD-a u boji je također lošija od one crno-bijelog. Dakle, možemo reći da ako imate prijemnik s jednom matricom 1000 * 800, onda zapravo možete dobiti oko 700 * 550 za signal svjetline i 500 * 400 (moguće je 700 * 400) za signal boje.

Ostavljajući po strani tehničke probleme, želio bih napomenuti da u reklamne svrhe mnogi proizvođači elektronskih kamera prijavljuju potpuno nerazumljive podatke o svojoj opremi. Na primjer, kompanija Kodak najavljuje rezoluciju svoje elektronske kamere DC120 kao 1200*1000 sa matricom od 850x984 piksela. Ali gospodo, informacije se ne pojavljuju niotkuda, iako vizuelno izgledaju dobro!

Može se reći da je prostorna rezolucija signala u boji (signala koji nosi informaciju o boji slike) najmanje 2 puta lošija od rezolucije crno-bijelog signala. Osim toga, „izračunata“ boja izlaznog piksela nije boja odgovarajućeg elementa izvorne slike, već samo rezultat obrade svjetline različitih elemenata izvorne slike. Grubo govoreći, zbog oštre razlike u svjetlini susjednih elemenata objekta može se izračunati boja koje uopće nema, dok će blagi pomak kamere dovesti do nagle promjene u izlaznoj boji. Na primjer: granica tamno i svijetlo sivog polja izgledat će kao da se sastoji od raznobojnih kvadrata.

Sva ova razmatranja odnose se samo na fizički princip dobijanja informacija o CCD matricama u boji, pri čemu se mora uzeti u obzir da se obično video signal na izlazu kolor kamera prikazuje u nekom od standardnih formata PAL, NTSC ili rjeđe. S-video.

Formati PAL i NTSC su dobri jer se mogu odmah reproducirati na standardnim monitorima sa video ulazom, ali moramo imati na umu da ovi standardi daju znatno uži pojas za signal u boji, pa je ispravnije govoriti o slici u boji, a ne o slici u boji. nego u boji. Još jedna neugodna karakteristika kamera sa video signalima koji nose komponentu u boji je pojava gore navedenih pruga na slici dobijenoj crno-bijelim grabberom okvira. Poenta je da se signal hrominacije nalazi skoro u sredini opsega video signala, stvarajući smetnje pri ulasku u okvir slike. Ovu smetnju ne vidimo na televizijskom monitoru jer se faza ove "smetnje" nakon četiri kadra okreće i usredsređuje oko. Otuda i zbunjenost Kupca, koji dobija sliku sa smetnjama koju ne vidi.

Iz ovoga slijedi da ako trebate izvršiti neka mjerenja ili dešifrirati predmete po boji, onda se ovom pitanju mora pristupiti uzimajući u obzir i gore i druge značajke vašeg zadatka.

O CMOS matricama

U svijetu elektronike sve se vrlo brzo mijenja, a iako je oblast fotodetektora jedna od najkonzervativnijih, ovdje se u posljednje vrijeme približavaju nove tehnologije. Prije svega, ovo se odnosi na pojavu CMOS televizijskih matrica.

Zaista, silicij je element osjetljiv na svjetlost i bilo koji poluvodički proizvod može se koristiti kao senzor. Upotreba CMOS tehnologije pruža nekoliko očiglednih prednosti u odnosu na tradicionalnu tehnologiju.

Prvo, CMOS tehnologija je dobro savladana i omogućava proizvodnju elemenata sa visokim prinosom korisnih proizvoda.

Drugo, CMOS tehnologija vam omogućava da na matricu, pored fotoosjetljivog područja, postavite i razne uređaje za kadriranje (do ADC-a), koji su prethodno bili instalirani "napolju". Ovo omogućava proizvodnju kamera sa digitalnim izlazom „na jednom čipu“.

Zahvaljujući ovim prednostima, postaje moguće proizvoditi znatno jeftinije televizijske kamere. Osim toga, raspon kompanija koje proizvode matrice značajno se širi.

U ovom trenutku, proizvodnja televizijskih matrica i kamera korištenjem CMOS tehnologije tek počinje. Informacije o parametrima takvih uređaja su vrlo oskudne. Možemo samo primijetiti da parametri ovih matrica ne prelaze ono što se trenutno postiže, a što se tiče cijene, njihove prednosti su neosporne.

Dozvolite mi da navedem kao primjer kameru u boji s jednim čipom iz Photobit PB-159. Kamera je napravljena na jednom čipu i ima sljedeće tehničke parametre:

• rezolucija - 512*384;
• veličina piksela - 7,9µm*7,9µm;
• osetljivost - 1 luks;
• izlaz - digitalni 8-bitni SRGB;
• karoserija - 44 PLCC noge.

Tako kamera gubi četiri puta na osjetljivosti, osim toga, iz informacija na drugoj kameri jasno je da ova tehnologija ima problema sa relativno velikom tamnom strujom.

O digitalnim fotoaparatima

Nedavno se pojavio novi tržišni segment koji ubrzano raste, koristeći CCD i CMOS matrice - digitalne kamere. Štaviše, u ovom trenutku dolazi do naglog povećanja kvaliteta ovih proizvoda istovremeno sa naglim padom cijene. Zaista, prije samo 2 godine, samo matrica sa rezolucijom od 1024*1024 koštala je oko 3000-7000 dolara, ali sada kamere sa takvim matricama i gomilom zvona i zviždaljki (LCD ekran, memorija, vari-objektiv, praktično kućište itd. .) može se kupiti za manje od 1000 USD. Ovo se može objasniti samo prelaskom na masovnu proizvodnju matrica.

Budući da su ove kamere bazirane na CCD i CMOS matricama, za njih vrijede sve rasprave u ovom članku o osjetljivosti i principima formiranja signala u boji.

Umjesto zaključka

Praktično iskustvo koje smo stekli omogućava nam da izvučemo sljedeće zaključke:

• Tehnologija proizvodnje CCD matrica u smislu osjetljivosti i šuma je vrlo blizu fizičkih granica;
• na tržištu televizijskih kamera možete pronaći kamere prihvatljivog kvaliteta, iako će možda biti potrebna podešavanja za postizanje viših parametara;
• Nemojte da vas zavaraju brojke visoke osjetljivosti date u brošurama o fotoaparatima;
• Pa ipak, cijene za kamere koje su apsolutno identične kvalitete, pa čak i za jednostavno identične kamere različitih prodavača mogu se razlikovati više od dva puta!

Matrica je glavni strukturni element kamere i jedan od ključnih parametara koje korisnik uzima u obzir pri odabiru kamere. Matrice modernih digitalnih fotoaparata mogu se klasificirati prema nekoliko znakova, ali glavni i najčešći je i dalje podjela matrica prema metoda očitavanja punjenja, na: matrice CCD tip i CMOS matrice. U ovom članku ćemo se osvrnuti na principe rada, kao i na prednosti i nedostatke ove dvije vrste matrica, budući da su one one koje se široko koriste u modernoj fotografskoj i video opremi.

CCD matrica

Matrix CCD takođe pozvan CCD matrica(Uređaji povezani sa punjenjem). CCD Matrica je pravokutna ploča fotoosjetljivih elemenata (fotodioda) smještena na poluvodičkom silikonskom kristalu. Princip njegovog rada zasniva se na kretanju red po liniju naboja koji su se nakupili u rupama koje su formirali fotoni u atomima silicija. Odnosno, prilikom sudara sa fotodiodom, foton svjetlosti se apsorbira i elektron se oslobađa (nastaje unutrašnji fotoelektrični efekat). Kao rezultat, formira se naboj koji se mora nekako pohraniti za dalju obradu. U tu svrhu u silicijumsku podlogu matrice ugrađen je poluprovodnik, iznad kojeg se nalazi prozirna elektroda od polikristalnog silicijuma. I kao rezultat primjene električnog potencijala na ovu elektrodu, u zoni iscrpljivanja ispod poluvodiča formira se takozvana potencijalna bušotina u kojoj se pohranjuje naboj primljen od fotona. Prilikom očitavanja električnog naboja iz matrice, naboji (pohranjeni u potencijalnim jama) se prenose duž elektroda za prijenos do ruba matrice (registar serijskog pomaka) i prema pojačavaču, koji pojačava signal i prenosi ga na analogno-na- digitalni pretvarač (ADC), odakle se konvertovani signal šalje u procesor koji obrađuje signal i pohranjuje rezultirajuću sliku na memorijsku karticu .

Polisilikonske fotodiode se koriste za proizvodnju CCD matrica. Takve matrice su male veličine i omogućavaju vam da dobijete prilično kvalitetne fotografije prilikom snimanja pri normalnom osvjetljenju.

Prednosti CCD-a:

1. Dizajn matrice obezbeđuje visoku gustinu postavljanja fotoćelija (piksela) na podlogu;
2. Visoka efikasnost (odnos registrovanih fotona prema njihovom ukupnom broju je oko 95%);
3. Visoka osjetljivost;
4. Dobar prikaz boja (uz dovoljno osvjetljenja).

Nedostaci CCD-a:

1. Visok nivo buke pri visokom ISO (pri niskom ISO, nivo buke je umeren);
2. Mala radna brzina u poređenju sa CMOS matricama;
3. Velika potrošnja energije;
4. Složenija tehnologija očitavanja signala, budući da je potrebno mnogo kontrolnih čipova;
5. Proizvodnja je skuplja od CMOS matrica.

CMOS matrica

Matrix CMOS, ili CMOS matrica(Complementary Metal Oxide Semiconductors) koristi senzore aktivne tačke. Za razliku od CCD-a, CMOS senzori sadrže poseban tranzistor u svakom elementu (pikselu) osjetljivom na svjetlost, zbog čega se konverzija naboja vrši direktno u pikselu. Rezultirajuće punjenje može se očitati iz svakog piksela pojedinačno, eliminirajući potrebu za prijenosom naboja (kao što se događa kod CCD-ova). Pikseli CMOS senzora su integrisani direktno sa analogno-digitalnim pretvaračem ili čak procesorom. Kao rezultat korištenja takve racionalne tehnologije dolazi do uštede energije zbog smanjenja lanaca djelovanja u odnosu na CCD matrice, kao i smanjenja cijene uređaja zbog jednostavnijeg dizajna.

Kratak princip rada CMOS senzora: 1) Prije snimanja, signal za resetiranje se primjenjuje na reset tranzistor. 2) Tokom ekspozicije, svetlost prodire kroz sočivo i filter do fotodiode i, kao rezultat fotosinteze, naelektrisanje se akumulira u potencijalnoj jami. 3) Čita se vrijednost primljenog napona. 4) Obrada podataka i čuvanje slike.

Prednosti CMOS senzora:

1. Niska potrošnja energije (posebno u standby modovima);
2. Visoke performanse;
3. Zahtijeva manje proizvodnih troškova zbog sličnosti tehnologije s proizvodnjom mikro krugova;
4. Jedinstvo tehnologije sa ostalim digitalnim elementima, koje vam omogućava da kombinujete analogne, digitalne i procesne delove na jednom čipu (tj. pored hvatanja svetlosti u pikselu, možete konvertovati, obraditi i očistiti signal od šuma).
5. Mogućnost slučajnog pristupa svakom pikselu ili grupi piksela, što vam omogućava da smanjite veličinu snimljene slike i povećate brzinu čitanja.

Nedostaci CMOS matrica:

1. Fotodioda zauzima malu površinu piksela, što rezultira slabom svjetlosnom osjetljivošću matrice, ali kod modernih CMOS matrica ovaj nedostatak je praktično eliminisan;
2. Prisustvo toplotnog šuma od grejanja tranzistora unutar piksela tokom procesa čitanja.
3. Relativno velike veličine, fotoopremu s ovom vrstom matrice karakterizira velika težina i veličina.

Pored navedenih tipova, postoje i troslojne matrice, od kojih je svaki sloj CCD. Razlika je u tome što ćelije mogu istovremeno percipirati tri boje, koje nastaju dikroičnim prizmama kada ih udari snop svjetlosti. Svaki snop se zatim usmjerava na zasebnu matricu. Kao rezultat, svjetlina plave, crvene i zelene boje se odmah određuje na fotoćeliji. Troslojne matrice se koriste u video kamerama visokog nivoa, koje imaju posebnu oznaku - 3CCD.

Sumirajući, želio bih napomenuti da se razvojem tehnologija za proizvodnju CCD i CMOS matrica mijenjaju i njihove karakteristike, pa je sve teže reći koja je od matrica definitivno bolja, ali istovremeno CMOS matrice su nedavno postale sve popularnije u proizvodnji SLR fotoaparata. Na osnovu karakterističnih karakteristika različitih tipova matrica, može se dobiti jasna ideja zašto je profesionalna fotografska oprema koja omogućava visokokvalitetno snimanje prilično glomazna i teška. Ovu informaciju svakako treba zapamtiti pri odabiru kamere - odnosno uzeti u obzir fizičke dimenzije matrice, a ne broj piksela.

Uvod

U ovom kursu ću razmotriti opšte informacije o uređajima sa spregnutim punjenjem, parametrima, istoriji stvaranja i karakteristikama modernih srednje infracrvenih CCD kamera.

Kao rezultat rada na kursu, proučio sam literaturu o izradi, principu rada, tehničkim karakteristikama i primjeni mid-IR CCD kamera.

CCD. Fizički princip rada CCD-a. CCD matrica

Uređaj sa naelektrisanjem (CCD) je niz jednostavnih MIS (metal-dielektrik-poluprovodnik) struktura formiranih na zajedničkoj poluprovodničkoj podlozi na takav način da trake metalnih elektroda formiraju linearni ili matrični regularni sistem u kome je rastojanje između susednih elektrode dovoljno male (slika 1). Ova okolnost određuje činjenicu da je odlučujući faktor u radu uređaja međusobni utjecaj susjednih MIS struktura.

Slika 1 - CCD struktura

Glavne funkcionalne svrhe fotoosjetljivih CCD-ova su konverzija optičkih slika u niz električnih impulsa (formiranje video signala), kao i pohrana i obrada digitalnih i analognih informacija.

CCD-ovi su napravljeni od monokristalnog silicijuma. Da bi se to postiglo, tanak (0,1-0,15 mikrona) dielektrični film silicijum dioksida stvara se na površini silicijumske pločice termičkom oksidacijom. Ovaj proces se izvodi na način da se osigura savršenstvo sučelja poluvodič-dielektrik i minimizira koncentracija rekombinacionih centara na sučelju. Elektrode pojedinih MIS elemenata su izrađene od aluminija, njihova dužina je 3-7 mikrona, razmak između elektroda je 0,2-3 mikrona. Tipičan broj MIS elemenata je 500-2000 u linearnom i matričnom CCD-u; površina ploče Ispod vanjskih elektroda svakog reda napravljeni su p-n spojevi namijenjeni za unos i izlaz dijelova naelektrisanja (paketa naboja) električnih. metoda (injektiranje p-n spojem). Sa fotonaponskim Prilikom unosa paketa punjenja, CCD je osvijetljen s prednje ili stražnje strane. Kada se osvjetljava s prednje strane, kako bi se izbjegao efekat senčenja elektroda, aluminijum se obično zamenjuje filmovima od jako dopiranog polikristalnog silicijuma (polisilicijuma), providnih u vidljivom i bliskom IR području spektra.

Princip rada CCD-a

Opšti princip rada CCD-a je sledeći. Ako se na bilo koju metalnu elektrodu CCD-a primijeni negativan napon, tada se pod djelovanjem rezultirajućeg električnog polja elektroni, koji su glavni nosioci u podlozi, odmiču od površine u dubinu poluvodiča. U blizini površine formira se osiromašeno područje koje u energetskom dijagramu predstavlja potencijalnu bušotinu za manjinske nosioce - rupe. Rupe koje nekako uđu u ovo područje privlače se na sučelje dielektrik-poluvodič i lokalizirane su u uskom sloju blizu površine.

Ako se sada na susjednu elektrodu dovede negativan napon veće amplitude, formira se dublja potencijalna bušotina i rupe se kreću u nju. Primjenom potrebnih upravljačkih napona na različite CCD elektrode, moguće je osigurati kako pohranjivanje naboja u određenim područjima blizu površine, tako i usmjereno kretanje naelektrisanja duž površine (od strukture do strukture). Uvođenje paketa naelektrisanja (pisanje) može se izvršiti ili putem p-n spoja, koji se nalazi, na primjer, blizu najudaljenijeg CCD elementa, ili generiranjem svjetlosti. Najlakši način za uklanjanje naboja iz sistema (očitavanje) je također korištenje p-n spoja. Dakle, CCD je uređaj u kojem se vanjske informacije (električni ili svjetlosni signali) pretvaraju u pakete punjenja mobilnih nosača, postavljenih na određeni način u područja blizu površine, a obrada informacija se vrši kontroliranim kretanjem ovih paketa duž površine. Očigledno je da se na bazi CCD-a mogu graditi digitalni i analogni sistemi. Za digitalne sisteme važna je samo činjenica prisutnosti ili odsustva naboja rupe u određenom CCD elementu, a kod analogne obrade oni se bave veličinom pokretnih naboja.

Ako se svjetlosni tok koji nosi sliku usmjeri na višeelementni ili matrični CCD, tada će početi fotogeneracija parova elektron-rupa u volumenu poluvodiča. Jednom u osiromašenom području CCD-a, nosači se odvajaju i rupe se akumuliraju u potencijalnim bunarima (a količina akumuliranog naboja je proporcionalna lokalnom osvjetljenju). Nakon nekog vremena (reda nekoliko milisekundi), dovoljnog za percepciju slike, obrazac paketa naelektrisanja koji odgovara distribuciji osvjetljenja bit će pohranjen u CCD matrici. Kada su impulsi sata uključeni, paketi punjenja će se premjestiti na izlazni čitač, koji ih pretvara u električne signale. Kao rezultat toga, izlaz će biti niz impulsa različitih amplituda, čiju omotnicu daje video signal.

Princip rada CCD-a ilustrovan je na Slici 2 na primjeru fragmenta FPCD linije kojom upravlja trociklusno (trofazno) kolo. Tokom I ciklusa (percepcija, akumulacija i pohrana video informacija), tzv. -nazvao napon skladištenja Uxp, gurajući većinu nosilaca - rupe u slučaju p-tipa silicijuma - u dubinu poluprovodnika i formirajući slojeve iscrpljivanja dubine 0,5-2 μm - potencijalne jame za elektrone. Osvetljenje površine FPCD stvara višak parova elektron-rupa u zapremini silicijuma, dok se elektroni povlače u potencijalne jame i lokalizuju u tankom (0,01 μm) površinskom sloju ispod elektroda 1, 4, 7, formirajući pakete signalnog naboja.

infracrvena kamera sa spojnicom za punjenje

Slika 2 - dijagram rada trofaznog nabojno spregnutog uređaja - pomični registar

Količina naboja u svakom paketu proporcionalna je izloženosti površine u blizini date elektrode. U dobro formiranim MIS strukturama, rezultirajući naboji u blizini elektroda mogu postojati relativno dugo, ali postupno, zbog stvaranja nosilaca naboja od strane centara nečistoća, defekata u masi ili na sučelju, ovi naboji će se akumulirati u potencijalu bunara dok ne pređu signalne naboje i čak potpuno ne popune bunare.

Tokom ciklusa II (prijenos punjenja), na elektrode 2, 5, 8 i tako dalje se primjenjuje napon čitanja veći od napona za skladištenje. Stoga se ispod elektroda 2, 5 i 8 javljaju dublji potencijali. bunari nego ispod elektrona 1, 4 i 7, a zbog blizine elektroda 1 i 2, 4 i 5, 7 i 8, barijere između njih nestaju i elektroni teku u susjedne, dublje potencijalne jame.

Tokom ciklusa III, napon na elektrodama 2, 5, 8 se smanjuje na i sa elektroda 1, 4, 7 se uklanja.

To. svi paketi punjenja se prenose duž CCD linije udesno za jedan korak jednak udaljenosti između susjednih elektroda.

Tokom čitavog rada održava se mali prednapon (1-3 V) na elektrodama koje nisu direktno povezane s potencijalima, čime se osigurava da se cijela površina poluvodiča osiromaši nosiocima naboja i oslabi efekti rekombinacije na njoj.

Ponavljanjem procesa prebacivanja napona mnogo puta, svi paketi punjenja pobuđeni, na primjer, svjetlom u liniji, izlaze uzastopno kroz vanjski r-h spoj. U tom slučaju se u izlaznom kolu pojavljuju naponski impulsi, proporcionalni količini napunjenosti ovog paketa. Obrazac osvjetljenja se pretvara u reljef površinskog naboja, koji se nakon kretanja duž cijele linije pretvara u niz električnih impulsa. Što je veći broj elemenata u nizu ili matrici (broj 1 - IR prijemnici; 2 - bafer elementi; 3 - CCD), dolazi do nepotpunog prijenosa paketa naboja s jedne elektrode na susjednu i rezultirajuće izobličenje informacija je pojačano Da bi se izbeglo izobličenje akumuliranog video signala usled odvijanja tokom prenosa osvetljenja, na FPCD kristalu stvaraju prostorno odvojene oblasti percepcije – akumulacije i skladištenja – čitanja, pri čemu u prvom obezbeđuju maksimalnu fotosenzitivnost, a u drugom na naprotiv, štiti od svjetlosti. U linearnom FPCD (slika 3, a) naelektrisanja akumulirana u liniji 1 u jednom ciklusu se prenose u registar 2 (iz parnih elemenata) i u registar 3 (iz neparnih elemenata). iz ovih registara se preko izlaza 4 prenosi u kolo za kombinovanje signala 5, novi video okvir se akumulira u liniji 1. U FPCD-u sa prijenosom okvira (slika 3) informacije koje percipira matrica akumulacije 7 brzo se "izbacuju" u matricu za skladištenje 2, iz koje ga sekvencijalno čita CCD registar 3; istovremeno, matrica 1 akumulira novi okvir.

Slika 3 - akumulacija i očitavanje informacija u linearnom (a), matričnom (b) fotoosjetljivom uređaju sa nabojom spregnutom i u uređaju sa ubrizgavanjem naboja.

Osim CCD-ova najjednostavnije strukture (slika 1), postale su raširene i druge varijante, posebno uređaji s polisilicijumskim preklapajućim elektrodama (slika 4), koji omogućavaju aktivno fotoekspoziciju na cijelu površinu poluvodiča i mali razmak između elektroda, i uređaji sa asimetrijom svojstava površine (na primjer, dielektrični sloj promjenjive debljine - slika 4), koji rade u push-pull modu. Struktura CCD-a sa volumetrijskim kanalom (slika 4) koji nastaje difuzijom nečistoća je bitno drugačija. Akumulacija, skladištenje i prijenos naelektrisanja se dešavaju u masi poluvodiča, gdje je manja rekombinacija centara nego na površini i veća je pokretljivost nosača. Posljedica toga je povećanje vrijednosti za red veličine i smanjenje u usporedbi sa svim tipovima CCD-a s površinskim kanalom.

Slika 4 - Različiti uređaji sa spregnutim punjenjem sa površinskim i zapreminskim kanalima.

Za percepciju slika u boji koristi se jedna od dvije metode: podjela optičkog toka pomoću prizme na crvenu, zelenu, plavu, percepciju svake od njih posebnim FPCD kristalom, miješanje impulsa iz sva tri kristala u jedan video signal; stvaranje na površini FPCD-a filmske linije ili mozaik kodirajućeg svjetlosnog filtera, formirajući raster višebojnih trijada.