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Continuo la conversazione sul dispositivo iniziata nella pubblicazione precedente.
Uno degli elementi principali di una fotocamera digitale che la distingue dalle fotocamere a pellicola è l'elemento fotosensibile, il cosiddetto intensificatore di immagine o fotosensibile Camera digitale. Abbiamo già parlato delle matrici della fotocamera, ma ora vediamo un po’ più nel dettaglio la struttura e il principio di funzionamento della matrice, anche se in modo un po’ superficiale per non stancare troppo il lettore.
Al giorno d'oggi, la maggior parte delle fotocamere digitali ne è dotata Matrici CCD.
Matrice CCD. Dispositivo. Principio di funzionamento.
Diamo un'occhiata al dispositivo in termini generali Matrici CCD.
È noto che i semiconduttori si dividono in semiconduttori di tipo n e di tipo p. Un semiconduttore di tipo n ha un eccesso di elettroni liberi, mentre un semiconduttore di tipo p ha un eccesso di cariche positive, “lacune” (e quindi una mancanza di elettroni). Tutta la microelettronica si basa sull'interazione di questi due tipi di semiconduttori.
Quindi, l'elemento Matrici CCD di una fotocamera digitaleè organizzato come segue. Vedi Fig.1:
Fig. 1
Senza entrare nei dettagli, un elemento CCD o un dispositivo ad accoppiamento di carica, nella trascrizione inglese: dispositivo ad accoppiamento di carica - CCD, è un condensatore MIS (metallo-dielettrico-semiconduttore). È costituito da un substrato di tipo p: uno strato di silicio, un isolante di biossido di silicio e piastre di elettrodi. Quando un potenziale positivo viene applicato a uno degli elettrodi, sotto di esso si forma una zona impoverita dei principali portatori: i fori, poiché vengono spinti via dal campo elettrico dall'elettrodo più in profondità nel substrato. Pertanto, sotto questo elettrodo si forma un pozzo di potenziale, cioè una zona energetica favorevole al movimento dei portatori minoritari - gli elettroni - al suo interno. In questo buco si accumula una carica negativa. Può essere immagazzinato in questo pozzo per un periodo piuttosto lungo a causa dell'assenza di buchi al suo interno e, quindi, di ragioni per la ricombinazione degli elettroni.
Nel fotosensibile matrici Gli elettrodi sono pellicole di silicio policristallino, trasparenti nella regione visibile dello spettro.
I fotoni della luce incidente sulla matrice entrano nel substrato di silicio, formando in esso una coppia di elettroni lacuna. I buchi, come accennato in precedenza, vengono spostati più in profondità nel substrato e gli elettroni si accumulano nel pozzo di potenziale.
La carica accumulata è proporzionale al numero di fotoni incidenti sull'elemento, cioè all'intensità del flusso luminoso. Pertanto, sulla matrice viene creato un rilievo di carica, corrispondente all'immagine ottica.
Movimento delle cariche nella matrice CCD.
Ciascun elemento CCD ha diversi elettrodi ai quali vengono applicati potenziali diversi.
Quando un potenziale maggiore di quello applicato a questo elettrodo viene applicato all'elettrodo adiacente (vedere Fig. 3), sotto di esso si forma un pozzo di potenziale più profondo, nel quale si muove la carica del primo pozzo di potenziale. In questo modo la carica può spostarsi da una cella CCD all'altra. L'elemento CCD mostrato in Fig. 3 è chiamato trifase, esistono anche elementi quadrifase.
Fig.4. Schema di funzionamento di un dispositivo trifase ad accoppiamento di carica: un registro a scorrimento.
Per convertire le cariche in impulsi di corrente (fotocorrente), vengono utilizzati registri a scorrimento seriali (vedere Fig. 4). Questo registro a scorrimento è una fila di elementi CCD. L'ampiezza degli impulsi di corrente è proporzionale alla quantità di carica trasferita e quindi proporzionale al flusso luminoso incidente. La sequenza di impulsi di corrente generata dalla lettura della sequenza di cariche viene quindi applicata all'ingresso dell'amplificatore.
Vengono combinate matrici di elementi CCD ravvicinati Matrice CCD. Il funzionamento di tale matrice si basa sulla creazione e sul trasferimento di carica locale in pozzi di potenziale creati da un campo elettrico.
Fig.5.
Le cariche di tutti gli elementi CCD del registro si spostano in modo sincrono verso gli elementi CCD adiacenti. La carica presente nell'ultima cella viene emessa dal registro e quindi alimentata all'ingresso dell'amplificatore.
L'ingresso di un registro a scorrimento seriale riceve cariche da registri a scorrimento disposti perpendicolarmente, che sono collettivamente chiamati registri a scorrimento paralleli. I registri a scorrimento paralleli e seriali costituiscono la matrice CCD (vedere Fig. 4).
I registri a scorrimento perpendicolari al registro seriale sono chiamati colonne.
Il movimento delle tariffe di registro parallele è strettamente sincronizzato. Tutte le cariche su una riga vengono spostate contemporaneamente su quella adiacente. Le cariche dell'ultima riga vanno nel registro sequenziale. Pertanto, in un ciclo operativo, una stringa di cariche dal registro parallelo raggiunge l'ingresso del registro seriale, liberando spazio per le cariche appena formate.
Il funzionamento dei registri seriale e parallelo è sincronizzato da un generatore di clock. Parte matrice della fotocamera digitale Include anche un microcircuito che fornisce potenziali agli elettrodi di trasferimento del registro e ne controlla il funzionamento.
Un tubo intensificatore d'immagine di questo tipo è chiamato matrice CCD full-frame. Per il suo funzionamento è necessario disporre di un coperchio a tenuta di luce, che prima apre il tubo intensificatore di immagine per l'esposizione alla luce, poi, quando ha ricevuto il numero di fotoni necessari per accumulare una carica sufficiente negli elementi della matrice, si chiude dalla luce. Questa copertura è un otturatore meccanico, come nelle fotocamere a pellicola. L'assenza di un tale cancello porta al fatto che quando le cariche si muovono nel registro a scorrimento, le celle continuano a essere irradiate dalla luce, aggiungendo alla carica di ciascun pixel elettroni extra che non corrispondono al flusso luminoso di un dato punto. Ciò porta alla "sbavatura" della carica e, di conseguenza, alla distorsione dell'immagine risultante.
I convertitori fotoelettrici a stato solido (SPEC) delle immagini sono analoghi ai CRT trasmittenti.
I TFEC risalgono al 1970 con i cosiddetti CCD e sono formati sulla base di singole celle, che sono condensatori della struttura MIS o MOS. Una delle piastre di un condensatore così elementare è una pellicola metallica M, la seconda è un substrato semiconduttore P ( P- O N-conduttività), il dielettrico D è un semiconduttore depositato sotto forma di strato sottile sul substrato P. Il substrato P è silicio drogato con accettore ( P-tipo) o donatore ( N-tipo) impurità, e come D – ossido di silicio SiO 2 (vedi Fig. 8.8).
Riso. 8.8. Condensatore MOS
Riso. 8.9. Movimento di cariche sotto l'influenza di un campo elettrico
Riso. 8.10. Principio di funzionamento del sistema CCD trifase
Riso. 8.11. Movimento delle cariche in un sistema CCD bifase
Quando la tensione viene applicata a un elettrodo metallico, sotto di esso si forma una "tasca" o pozzo di potenziale, in cui i portatori minoritari (nel nostro caso, gli elettroni) possono "accumularsi" e i portatori maggioritari, i buchi, verranno respinti da M. Ad una certa distanza dalla superficie, la concentrazione dei portatori minoritari può essere maggiore della concentrazione dei portatori principali. In prossimità del dielettrico D, nel substrato P appare uno strato di inversione, in cui il tipo di conduttività cambia in senso opposto.
Il pacchetto di carica nel CCD può essere introdotto elettricamente o utilizzando la generazione di luce. Durante la generazione della luce, i processi fotoelettrici che si verificano nel silicio porteranno all'accumulo di portatori minoritari nei pozzi potenziali. La carica accumulata è proporzionale all'illuminazione e al tempo di accumulo. Il trasferimento direzionale della carica nel CCD si ottiene posizionando i condensatori MOS così vicini tra loro che le loro regioni di svuotamento si sovrappongono e le buche di potenziale sono collegate. In questo caso, la tariffa mobile degli operatori minoritari si accumulerà nel luogo in cui il pozzo potenziale è più profondo.
Lasciare che una carica si accumuli sotto l'elettrodo sotto l'influenza della luce U 1 (vedi Fig. 8.9). Se ora passiamo all'elettrodo adiacente U 2 applicare la tensione U 2 >U 1, nelle vicinanze apparirà un altro potenziale buco, più profondo ( U 2 >U 1). Tra loro si formerà una regione di campo elettrico e i portatori minoritari (elettroni) andranno alla deriva (fluiranno) in una “tasca” più profonda (vedi Fig. 8.9). Per eliminare la bidirezionalità nel trasferimento delle cariche, viene utilizzata una sequenza di elettrodi, combinati in gruppi di 3 elettrodi (vedi Fig. 8.10).
Se, ad esempio, sotto l'elettrodo 4 si è accumulata una carica ed è necessario trasferirla a destra, all'elettrodo destro 5 viene applicata una tensione più elevata ( U 2 >U 1) e la carica scorre verso di esso, ecc.
Quasi l'intero set di elettrodi è collegato a tre bus:
Io – 1, 4, 7, …
II – 2, 5, 8, …
III – 3, 6, 9, …
Nel nostro caso, la tensione di “ricezione” ( U 2) sarà sugli elettrodi 2 e 5, ma l'elettrodo 2 è separato dall'elettrodo 4, dove è immagazzinata la carica, dall'elettrodo 3 (che
U 3 = 0), quindi non ci sarà flusso a sinistra.
Il funzionamento del CCD a tre cicli prevede la presenza di tre elettrodi (celle) per elemento dell'immagine televisiva, il che riduce l'area utilizzabile utilizzata dal flusso luminoso. Per ridurre il numero di celle CCD (elettrodi), gli elettrodi metallici e uno strato dielettrico sono formati a gradino (vedere Fig. 8.11). Ciò consente, quando agli elettrodi vengono applicati impulsi di tensione, di creare pozzi di potenziale di diversa profondità sotto diverse parti degli elettrodi. La maggior parte delle cariche della cella vicina confluiscono nel foro più profondo.
Con un sistema CCD a due fasi, il numero di elettrodi (celle) nella matrice viene ridotto di un terzo, il che ha un effetto benefico sulla lettura del potenziale rilievo.
Inizialmente è stato proposto di utilizzare i CCD nell'informatica come dispositivi di memorizzazione e registri a scorrimento. All'inizio della catena è stato posizionato un diodo di iniezione, introducendo una carica nel sistema, e alla fine della catena - un diodo di uscita, solitamente n-p- O p-n- transizioni di strutture MOS che formano transistor ad effetto di campo con il primo e l'ultimo elettrodo (celle) di una catena CCD.
Ma presto divenne chiaro che i CCD sono molto sensibili alla luce, e quindi è meglio e più efficiente usarli come rilevatori di luce, piuttosto che come dispositivi di memorizzazione.
Se una matrice CCD viene utilizzata come fotorilevatore, l'accumulo di carica sotto l'uno o l'altro elettrodo può essere effettuato utilizzando il metodo ottico (iniezione di luce). Possiamo dire che i CCD sono essenzialmente registri a scorrimento analogici sensibili alla luce. Oggi i CCD non vengono utilizzati come dispositivi di archiviazione (dispositivi di memoria), ma solo come fotorilevatori. Sono utilizzati nei fax, negli scanner (array CCD) e nelle fotocamere e videocamere (array CCD). Tipicamente, le telecamere utilizzano i cosiddetti chip CCD.
Abbiamo ipotizzato che il 100% delle spese venga trasferito alla tasca adiacente. Tuttavia, in pratica dobbiamo fare i conti con le perdite. Una delle fonti di perdite sono le “trappole” che possono catturare e trattenere le accuse per un certo periodo. Queste cariche non hanno il tempo di fluire nella tasca vicina se la velocità di trasmissione è elevata.
La seconda ragione è il meccanismo di flusso stesso. Nel primo momento, il trasferimento di carica avviene in un forte campo elettrico: deriva E. Tuttavia, man mano che le cariche fluiscono, l'intensità del campo diminuisce e il processo di deriva svanisce, quindi l'ultima porzione si muove a causa della diffusione, 100 volte più lentamente della deriva. Aspettare l'ultima porzione significa ridurre le prestazioni. Drift fornisce oltre il 90% del trasferimento. Ma è proprio quest’ultima percentuale quella principale nel determinare le perdite.
Lascia che il coefficiente di trasmissione di un ciclo di trasferimento sia uguale a K= 0,99, assumendo il numero di cicli uguale N= 100, determiniamo il coefficiente di trasmissione totale:
0,99 100 = 0,366
Diventa ovvio che con un gran numero di elementi, anche le perdite minori su un elemento diventano di grande importanza per l'intera catena.
Pertanto, la questione della riduzione del numero di trasferimenti di carica nella matrice CCD è particolarmente importante. A questo proposito, il coefficiente di trasferimento di carica di una matrice CCD bifase sarà leggermente superiore rispetto a un sistema trifase.
Cos'è una matrice CCD?
La matrice CCD/dispositivo ad accoppiamento di carica o matrice CCD/dispositivo ad accoppiamento di carica è un circuito integrato analogico che contiene fotodiodi fotosensibili realizzati in silicio o ossido di stagno. Il principio di funzionamento di questo microcircuito si basa sulla tecnologia del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD).
Storia della matrice CCD
Il dispositivo ad accoppiamento di carica è stato utilizzato per la prima volta nel 1969 da George Smith e Willard Boyle presso i Bell Laboratories della più grande azienda statunitense AT&T Bell Labs. Hanno condotto ricerche nel campo della videotelefonia e della cosiddetta “memoria a bolle di semiconduttori”.
Ben presto i dispositivi in miniatura divennero piuttosto diffusi e iniziarono ad essere utilizzati come dispositivi di memoria in cui la carica veniva inserita nel registro di ingresso del microcircuito. Dopo qualche tempo, la capacità di un elemento di memoria di ricevere una carica a causa dell'effetto fotoelettrico è diventata lo scopo principale dell'utilizzo dei dispositivi CCD.
Un anno dopo, nel 1970, i ricercatori dello stesso laboratorio riuscirono a catturare immagini utilizzando i più semplici dispositivi lineari, adottati effettivamente dagli ingegneri Sony. Questa azienda sta ancora lavorando attivamente nel campo delle tecnologie CCD, investendo ingenti investimenti finanziari in questo settore e sviluppando in ogni modo possibile la produzione di matrici CCD per le sue videocamere. A proposito, il chip CCD è stato installato sulla lapide del CEO di Sony Kazuo Iwama, morto nel 1982. Dopotutto, è stato lui a dare origine all'inizio della produzione in serie di matrici CCD.
Il contributo degli inventori della matrice CCD non è passato inosservato; nel 2006, Willard Boyle e George Smith hanno ricevuto un premio dalla National Academy of Engineering degli Stati Uniti per i loro sviluppi in questo settore, e nel 2009 hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica. .
Principio di funzionamento della matrice CCD
La matrice CCD è costituita quasi interamente da polisilicio, inizialmente separato dal substrato di silicio da una speciale membrana. Quando la tensione viene applicata alla membrana attraverso porte in polisilicio, i potenziali elettrici situati vicino agli elettrodi conduttori cambiano notevolmente.
Prima dell'esposizione e dell'applicazione di una certa tensione agli elettrodi, tutte le cariche che si erano formate in precedenza vengono ripristinate e tutti gli elementi vengono trasformati in uno stato identico o originale.
La combinazione di tensioni sugli elettrodi crea una riserva potenziale o un cosiddetto pozzo, dove gli elettroni si accumulano in un determinato pixel della matrice durante l'esposizione sotto l'influenza dei raggi luminosi. A seconda dell'intensità del flusso luminoso, viene determinato anche il volume degli elettroni accumulati nel pozzo potenziale, quindi maggiore è, maggiore sarà la potenza della carica finale di un determinato pixel.
Dopo che l'esposizione è stata completata, in ogni singolo pixel si verificano cambiamenti successivi nella tensione di alimentazione degli elettrodi, accanto al quale si osserva una distribuzione di potenziale, a seguito della quale le cariche si muovono in una determinata direzione - verso i pixel di uscita della matrice CCD.
Composizione degli elementi della matrice CCD
In termini generali, la progettazione di un elemento CCD può essere rappresentata come un substrato di silicio di tipo p dotato di canali semiconduttori di tipo n. Sopra questi canali si trovano elettrodi di silicio policristallino con una membrana isolante di ossido di silicio.
Dopo aver applicato un potenziale elettrico a questi elettrodi, nella zona indebolita sotto il canale di tipo n appare una trappola di potenziale (pozzo). Il suo compito principale è conservare gli elettroni. Una particella di luce che entra nel silicio provoca la generazione di elettroni, che vengono attratti dalla trappola di potenziale e vi rimangono. Un gran numero di fotoni o luce intensa fornisce una carica potente alla trappola, dopo di che è necessario calcolare e amplificare il valore della carica risultante, che gli esperti chiamano fotocorrente.
Il processo di lettura delle fotocorrenti degli elementi CCD viene effettuato con i cosiddetti registri a spostamento seriale, che convertono una stringa di cariche all'ingresso in una serie di impulsi all'uscita. Questo flusso di impulsi è in realtà un segnale analogico che va all'amplificatore.
Pertanto, le cariche di una linea proveniente da elementi CCD possono essere convertite in un segnale analogico utilizzando un registro. In pratica, il registro a scorrimento sequenziale nelle matrici CCD viene eseguito utilizzando gli stessi elementi CCD costruiti su una riga. Inoltre, il funzionamento di questo dispositivo si basa sulla capacità dei dispositivi ad accoppiamento di carica di scambiare le cariche delle loro potenziali trappole. Questo processo viene eseguito grazie alla presenza di elettrodi di trasferimento specializzati, posizionati tra elementi CCD adiacenti. Nel momento in cui viene applicato un potenziale aumentato all'elettrodo più vicino, la carica passa sotto di esso dal pozzo di potenziale. Allo stesso tempo, tra gli elementi CCD si trovano solitamente da due a quattro elettrodi di trasferimento, il cui numero determina la fase del registro a scorrimento, chiamata bifase, trifase o quadrifase.
La fornitura di potenziali diversi agli elettrodi di trasferimento è sincronizzata in modo tale che la transizione delle cariche delle trappole potenziali di tutti gli elementi CCD del registro viene eseguita quasi simultaneamente. Quindi, in un “passo” di trasferimento, gli elementi CCD spostano le cariche lungo la catena da destra a sinistra o da sinistra a destra. In questo caso, l'elemento CCD più esterno cede la sua carica all'amplificatore, che si trova all'uscita del registro. Pertanto, diventa abbastanza ovvio che un registro a scorrimento seriale è un dispositivo con uscita seriale e ingresso parallelo.
Dopo che il processo di lettura di tutti gli addebiti dal registro è stato completato, diventa possibile inviare una nuova riga al suo input, poi un'altra e così via. Il risultato è un segnale analogico continuo basato su un flusso bidimensionale di fotocorrenti. Successivamente, il flusso di ingresso parallelo al registro a scorrimento seriale è fornito da una raccolta di registri a scorrimento seriale orientati verticalmente chiamati registro a scorrimento parallelo. L'intera struttura assemblata è proprio il dispositivo chiamato oggi matrice CCD.
Matrice CCD(abbreviato da " P ribor con H aryadova Con legatura") o Matrice CCD(abbreviato da Inglese CCD, "Dispositivo ad accoppiamento di carica") - analogico specializzato circuito integrato, costituito da fotosensibile fotodiodi, realizzato sulla base silicio utilizzando la tecnologia CCD- dispositivi con accoppiamento di carica.
Le matrici CCD sono prodotte e utilizzate attivamente dalle aziende Nikon, Canone, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips e molti altri. In Russia, le matrici CCD sono oggi sviluppate e prodotte da NPP ELAR CJSC, San Pietroburgo.
1 Storia del CCD 2 Struttura generale e principio di funzionamento 3 Classificazione per metodo di buffering 4 Classificazione per tipo di scansione 5 Dimensioni delle matrici fotografiche 6 Alcuni tipi speciali di matrici 7 Fotosensibilità 8 Guarda anche 9 Appunti |
Storia del CCD
Il dispositivo ad accoppiamento di carica è stato inventato nel 1969 Willard Boyle E George Smith presso i Bell Laboratories (AT&T Laboratori Bell). I laboratori stavano lavorando sulla videotelefonia ( Inglese immagine telefono) e lo sviluppo della “memoria a bolle di semiconduttori” ( Inglese semiconduttore bolla memoria ). I dispositivi ad accoppiamento di carica sono nati come dispositivi di memoria in cui una carica poteva essere inserita solo nel registro di ingresso del dispositivo. Tuttavia, la capacità dell'elemento di memoria del dispositivo di ricevere una carica è dovuta a effetto fotoelettrico ha reso questa applicazione dei dispositivi CCD quella principale.
IN 1970 ricercatori Laboratori Bell imparato a catturare immagini utilizzando semplici dispositivi lineari.
Successivamente, sotto la guida di Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama) azienda Sony divenne attivamente coinvolta nel settore dei CCD, investendo molto in esso, e riuscì a stabilire una produzione di massa di CCD per le sue videocamere.
Iwama è morto in agosto 1982. Patata fritta CCDè stato posto sulla sua lapide per commemorare i suoi contributi.
A gennaio 2006 per lavorare sul CCD W. Boyle E J.Smith sono stati premiati Accademia nazionale di ingegneria degli Stati Uniti (Inglese Nazionale Accademia Di Ingegneria).
IN 2009 questi creatori di CCD sono stati premiati Premio Nobel per la fisica.
Struttura generale e principio di funzionamento
La matrice CCD è composta da polisilicio, separato dal substrato di silicio, in cui, quando viene applicata tensione attraverso porte di polisilicio, i potenziali elettrici nelle vicinanze cambiano elettrodi.
Prima dell'esposizione, solitamente applicando una certa combinazione di tensioni agli elettrodi, tutte le cariche precedentemente formate vengono ripristinate e tutti gli elementi vengono portati in uno stato identico.
Successivamente, la combinazione di tensioni sugli elettrodi crea un pozzo di potenziale in cui possono accumularsi gli elettroni formati in un dato pixel della matrice a seguito dell'esposizione alla luce durante l'esposizione. Più intenso è il flusso luminoso durante esposizione, più si accumula elettroni in un pozzo potenziale, di conseguenza, maggiore è la carica finale di un dato pixel.
Dopo l'esposizione, i successivi cambiamenti nella tensione sugli elettrodi formano una distribuzione potenziale in ciascun pixel e nelle sue vicinanze, che porta al flusso di carica in una determinata direzione, verso gli elementi di uscita della matrice.
Esempio di subpixel CCD con una tasca di tipo n
I produttori hanno diverse architetture di pixel.
Schema dei subpixel di una matrice CCD con una tasca di tipo n (usando l'esempio di un fotorivelatore rosso)
Simboli sul diagramma subpixel CCD:
1 - Fotoni di luce che passano attraverso l'obiettivo della fotocamera;
2 - Microlente subpixel;
3 - R - filtro subpixel rosso, frammento Filtro Bayer;
4 - Elettrodo trasparente in policristallino silicio O ossido di stagno;
5 - Isolante (ossido di silicio);
6 - Canale in silicio di tipo N. Zona di generazione del vettore (zona di effetto fotoelettrico interno);
7 - Zona del pozzo potenziale (tasca di tipo n), dove vengono raccolti gli elettroni dalla zona di generazione del portatore;
8 - substrato di silicio di tipo p;
Classificazione per metodo di buffering
[Sensori di trasferimento full frame
Matrici frame bufferizzate
Matrici bufferizzate su colonna
Dimensioni delle matrici fotografiche
Sensori di coordinate e angoli
Matrici retroilluminate
Nel classico circuito CCD, che utilizza elettrodi di silicio policristallino, la sensibilità alla luce è limitata a causa della parziale diffusione della luce da parte della superficie dell'elettrodo. Pertanto, quando si scatta in condizioni speciali che richiedono una maggiore fotosensibilità nelle regioni blu e ultraviolette dello spettro, vengono utilizzate matrici retroilluminate ( Inglese Indietro- illuminato matrice). Nei sensori di questo tipo, il registrato leggero cade sul supporto, ma per il fotoeffetto interno richiesto il supporto viene macinato fino ad uno spessore di 10-15 µm. Questa fase di lavorazione ha aumentato significativamente il costo della matrice; i dispositivi si sono rivelati molto fragili e richiedevano maggiore cura durante l'assemblaggio e il funzionamento. E quando si utilizzano filtri che indeboliscono il flusso luminoso, tutte le operazioni costose per aumentare la sensibilità diventano prive di significato. Pertanto, le matrici retroilluminate vengono utilizzate principalmente in fotografia astronomica.
Fotosensibilità
La sensibilità della matrice consiste nella fotosensibilità di tutti i suoi sensori fotografici(pixel) e generalmente dipende da:
fotosensibilità integrale, che è il rapporto tra la quantità effetto fotoelettrico A leggero flusso (in lumen) da una sorgente di radiazioni con composizione spettrale normalizzata;
fotosensibilità monocromatica"- rapporto di magnitudo effetto fotoelettrico alla dimensione leggero energia della radiazione (in millielettronvolt) corrispondente ad una certa lunghezza d'onda;
insieme di tutti i valori ISO monocromatici per la parte selezionata spettro la luce è fotosensibilità spettrale- dipendenza della fotosensibilità dalla lunghezza d'onda della luce;
Il sensore è l'elemento principale di una fotocamera digitale
Il cuore di qualsiasi videocamera o fotocamera digitale (i confini tra questi tipi di dispositivi si stanno gradualmente sfumando) è un sensore sensibile alla luce. Converte la luce visibile in segnali elettrici che vengono utilizzati per l'ulteriore elaborazione da parte dei circuiti elettronici. Sappiamo dal corso di fisica scolastica che la luce può essere considerata come un flusso di particelle elementari: i fotoni. I fotoni che colpiscono la superficie di alcuni materiali semiconduttori possono portare alla formazione di elettroni e lacune (ricordiamo che una lacuna nei semiconduttori è solitamente chiamata un posto vacante per un elettrone, formato a seguito della rottura dei legami covalenti tra gli atomi di un semiconduttore sostanza). Il processo di generazione di coppie elettrone-lacuna sotto l'influenza della luce è possibile solo nel caso in cui l'energia del fotone sia sufficiente per “strappare” un elettrone dal nucleo “nativo” e trasferirlo nella banda di conduzione. L'energia di un fotone è direttamente correlata alla lunghezza d'onda della luce incidente, cioè dipende dal cosiddetto colore della radiazione. Nell'ambito della radiazione visibile (cioè percepita dall'occhio umano), l'energia dei fotoni è sufficiente per generare la generazione di coppie elettrone-lacuna nei materiali semiconduttori come, ad esempio, il silicio.
Poiché il numero di fotoelettroni prodotti è direttamente proporzionale all'intensità del flusso luminoso, diventa possibile correlare matematicamente la quantità di luce incidente alla quantità di carica generata. È su questo semplice fenomeno fisico che si basa il principio di funzionamento dei sensori fotosensibili. Il sensore esegue cinque operazioni fondamentali: assorbe i fotoni, li converte in carica, li immagazzina, li trasmette e li converte in tensione. A seconda della tecnologia di produzione, diversi sensori svolgono il compito di immagazzinare e accumulare fotoelettroni in modi diversi. Inoltre è possibile utilizzare vari metodi per convertire gli elettroni immagazzinati in una tensione elettrica (segnale analogico), che a sua volta viene convertita in un segnale digitale.
Sensori CCD
Storicamente, le cosiddette matrici CCD sono state le prime ad essere utilizzate come elementi fotosensibili per le videocamere, la cui produzione in serie è iniziata nel 1973. L'abbreviazione CCD sta per dispositivo ad accoppiamento di carica; nella letteratura inglese viene utilizzato il termine CCD (Charge-Coupled Device). Il sensore CCD più semplice è un condensatore che può accumulare una carica elettrica quando esposto alla luce. In questo caso un condensatore convenzionale, costituito da due piastre metalliche separate da uno strato dielettrico, non funziona, quindi vengono utilizzati i cosiddetti condensatori MOS. Nella loro struttura interna, tali condensatori sono un sandwich di metallo, ossido e semiconduttore (prendono il nome dalle prime lettere dei componenti utilizzati). Come semiconduttore viene utilizzato il silicio drogato di tipo p, cioè un semiconduttore in cui si formano fori in eccesso a causa dell'aggiunta di atomi di impurità (doping). Sopra il semiconduttore c'è un sottile strato di dielettrico (ossido di silicio) e sopra c'è uno strato di metallo che funge da gate, se si segue la terminologia dei transistor ad effetto di campo (Fig. 1).
Come già notato, sotto l'influenza della luce, nel semiconduttore si formano coppie elettrone-lacuna. Tuttavia, insieme al processo di generazione, avviene anche il processo inverso: la ricombinazione di lacune ed elettroni. Pertanto, è necessario adottare misure per separare gli elettroni e le lacune risultanti e conservarli per il tempo richiesto. Dopotutto, è il numero di fotoelettroni formati che trasporta informazioni sull'intensità della luce assorbita. Questo è lo scopo per cui sono progettati il gate e lo strato dielettrico isolante. Supponiamo che al cancello sia applicato un potenziale positivo. In questo caso, sotto l'influenza del campo elettrico creato, penetrando attraverso il dielettrico nel semiconduttore, i fori, che sono i principali portatori di carica, inizieranno ad allontanarsi dal dielettrico, cioè nella profondità del semiconduttore. All'interfaccia del semiconduttore con il dielettrico si forma una regione priva di portatori maggioritari, cioè lacune, e la dimensione di questa regione dipende dall'entità del potenziale applicato. È questa regione impoverita che costituisce la “immagazzinamento” dei fotoelettroni. Infatti, se un semiconduttore viene esposto alla luce, gli elettroni e i fori risultanti si sposteranno in direzioni opposte: i fori nella profondità del semiconduttore e gli elettroni verso lo strato di esaurimento. Poiché in questo strato non sono presenti buchi, gli elettroni rimarranno lì senza processo di ricombinazione per il tempo richiesto. Naturalmente, il processo di accumulo degli elettroni non può continuare indefinitamente. All'aumentare del numero di elettroni, viene creato un campo elettrico indotto tra loro e le lacune caricate positivamente, diretto in direzione opposta al campo creato dal gate. Di conseguenza, il campo all'interno del semiconduttore diminuisce fino a zero, dopodiché il processo di separazione spaziale di lacune ed elettroni diventa impossibile. Di conseguenza, la formazione di una coppia elettrone-lacuna è accompagnata dalla sua ricombinazione, cioè il numero di elettroni “informativi” nello strato impoverito cessa di aumentare. In questo caso si può parlare di riempimento eccessivo della capacità del sensore.
Il sensore che abbiamo considerato è in grado di svolgere due compiti importanti: convertire i fotoni in elettroni e accumularli. Resta da risolvere il problema del trasferimento di questi elettroni di informazione ai corrispondenti blocchi di conversione, cioè il problema del recupero dell'informazione.
Immaginiamo non uno, ma diversi gate ravvicinati sulla superficie dello stesso dielettrico (Fig. 2). Lascia che gli elettroni si accumuli sotto una delle porte come risultato della fotogenerazione. Se al cancello adiacente viene applicato un potenziale positivo più elevato, gli elettroni inizieranno a fluire nell'area di un campo più forte, cioè si sposteranno da un cancello all'altro. Dovrebbe ora essere chiaro che se abbiamo una catena di porte, allora applicando ad esse opportune tensioni di controllo, possiamo spostare un pacchetto di cariche localizzato lungo tale struttura. È su questo semplice principio che si basano i dispositivi ad accoppiamento di carica.
Una proprietà notevole dei CCD è che per spostare la carica accumulata sono sufficienti solo tre tipi di porte: una trasmittente, una ricevente e una isolante, che separano le coppie di ricezione e trasmissione l'una dall'altra e le porte con lo stesso nome di tali triplette possono essere collegati tra loro in un unico bus di clock che richiede solo un pin esterno (Fig. 3). Questo è il registro a scorrimento trifase più semplice su un CCD.
Finora abbiamo considerato il sensore CCD solo su un piano, lungo la sezione laterale. Ciò che resta fuori dal nostro campo visivo è il meccanismo di confinamento degli elettroni in direzione trasversale, in cui la porta è come una lunga striscia. Considerando che l'illuminazione di un semiconduttore non è uniforme all'interno di tale striscia, la velocità di produzione di elettroni sotto l'influenza della luce varierà lungo la lunghezza del gate. Se non vengono prese misure per localizzare gli elettroni vicino alla regione della loro formazione, come risultato della diffusione, la concentrazione di elettroni si livellerà e le informazioni sui cambiamenti nell'intensità della luce nella direzione longitudinale andranno perse. Naturalmente, sarebbe possibile rendere la stessa dimensione del gate sia in direzione longitudinale che trasversale, ma ciò richiederebbe la produzione di troppi gate sulla matrice CCD. Pertanto, per localizzare gli elettroni risultanti nella direzione longitudinale, vengono utilizzati i cosiddetti canali di arresto (figura 4), che sono una stretta striscia di semiconduttore con un elevato contenuto di drogante. Maggiore è la concentrazione di impurità, più buchi si formano all'interno di tale conduttore (ogni atomo di impurità porta alla formazione di un buco). Ma la concentrazione dei buchi determina a quale specifica tensione di gate si forma una regione di svuotamento al di sotto di essi. È intuitivamente chiaro che maggiore è la concentrazione di buchi in un semiconduttore, più difficile sarà spingerli più in profondità.
La struttura della matrice CCD da noi considerata è chiamata CCD con canale di trasmissione superficiale, poiché il canale attraverso il quale viene trasmessa la carica accumulata si trova sulla superficie del semiconduttore. Il metodo di trasmissione superficiale presenta una serie di svantaggi significativi associati alle proprietà del confine del semiconduttore. Il fatto è che la limitazione del semiconduttore nello spazio viola la simmetria ideale del suo reticolo cristallino con tutte le conseguenze che ne conseguono. Senza approfondire le complessità della fisica dello stato solido, notiamo che tale limitazione porta alla formazione di trappole energetiche per gli elettroni. Di conseguenza, gli elettroni accumulati sotto l'influenza della luce possono essere catturati da queste trappole invece di essere trasferiti da una porta all'altra. Tra le altre cose, tali trappole possono rilasciare elettroni in modo imprevedibile e non sempre quando sono realmente necessari. Si scopre che il semiconduttore inizia a "fare rumore" - in altre parole, il numero di elettroni accumulati sotto il gate non corrisponderà esattamente all'intensità della radiazione assorbita. È possibile evitare tali fenomeni, ma per fare ciò è necessario che il canale di trasferimento stesso venga spostato più in profondità nel conduttore. Questa soluzione è stata implementata dagli specialisti Philips nel 1972. L'idea era che nella regione superficiale del semiconduttore di tipo p fosse creato un sottile strato di semiconduttore di tipo n, cioè un semiconduttore in cui i principali portatori di carica sono elettroni (Fig. 5).
È noto che il contatto di due semiconduttori con diversi tipi di conduttività porta alla formazione di uno strato di svuotamento al confine della giunzione. Ciò accade a causa della diffusione di lacune ed elettroni in direzioni reciprocamente opposte e della loro ricombinazione. L'applicazione di un potenziale positivo alla porta aumenta la dimensione della regione di svuotamento. È caratteristico che ora la regione di svuotamento stessa, o la capacità dei fotoelettroni, non sia in superficie, e quindi non ci sono trappole superficiali per gli elettroni. Un canale di trasferimento di questo tipo è chiamato nascosto e tutti i moderni CCD sono prodotti con un canale di trasferimento nascosto.
I principi di base di funzionamento di un sensore CCD che abbiamo considerato vengono utilizzati per costruire matrici CCD di varie architetture. Strutturalmente si possono distinguere due principali schemi di matrice: con trasferimento frame-by-frame e con trasferimento interline.
In una matrice con trasferimento fotogramma per fotogramma ci sono due sezioni equivalenti con lo stesso numero di righe: accumulazione e memorizzazione. Ogni fila di queste sezioni è formata da tre porte (trasmissione, ricezione e isolamento). Inoltre, come notato sopra, tutte le linee sono separate da numerosi canali di arresto che formano celle di accumulo in direzione orizzontale. Pertanto, l'elemento strutturale più piccolo di una matrice CCD (pixel) è creato da tre gate orizzontali e due canali di arresto verticali (Fig. 6).
Durante l'esposizione nella sezione di accumulo si formano fotoelettroni. Successivamente, gli impulsi di clock applicati ai gate trasferiscono le cariche accumulate dalla sezione di accumulo alla sezione di stoccaggio ombreggiata, ovvero l'intero frame viene effettivamente trasferito. Pertanto, questa architettura è chiamata CCD a trasferimento di frame. Dopo il trasferimento, la sezione di memoria viene svuotata e può riaccumulare cariche, mentre dalla sezione di memoria le cariche confluiscono nel registro di lettura orizzontale. La struttura del registro orizzontale è simile alla struttura del sensore CCD: le stesse tre porte per il trasferimento di carica. Ogni elemento del registro orizzontale ha una connessione di carica con la corrispondente colonna della sezione di memoria e per ogni impulso di clock dalla sezione di accumulo l'intera riga entra nel registro di lettura, che viene poi trasferito all'amplificatore di uscita per ulteriore elaborazione.
Il circuito a matrice CCD considerato presenta un indubbio vantaggio: un elevato fattore di riempimento. Questo termine viene solitamente utilizzato per riferirsi al rapporto tra l'area fotosensibile della matrice e la sua area totale. Per le matrici con trasferimento fotogramma per fotogramma, il fattore di riempimento raggiunge quasi il 100%. Questa funzionalità consente di creare dispositivi molto sensibili basati su di essi.
Oltre ai vantaggi considerati, le matrici con trasferimento fotogramma per fotogramma presentano anche una serie di svantaggi. Innanzitutto notiamo che il processo di trasferimento in sé non può essere eseguito istantaneamente. È questa circostanza che porta a una serie di fenomeni negativi. Durante il processo di trasferimento di carica dalla sezione di accumulo alla sezione di stoccaggio, la prima rimane illuminata e in essa prosegue il processo di accumulo dei fotoelettroni. Ciò porta al fatto che le aree luminose dell'immagine hanno il tempo di contribuire al pacchetto di cariche estranee anche durante il breve tempo in cui le attraversa. Di conseguenza, nella cornice appaiono distorsioni caratteristiche sotto forma di strisce verticali che si estendono attraverso l'intera cornice dalle aree luminose dell'immagine. Naturalmente per contrastare tali fenomeni si possono usare diversi accorgimenti, ma il metodo più radicale è quello di separare la sezione di accumulo e quella di trasferimento in modo che il trasferimento avvenga in una zona d'ombra. Le matrici di questa architettura sono chiamate CCD con trasferimento interline (Fig. 7).
A differenza della matrice di trasferimento fotogramma per fotogramma descritta in precedenza, qui i fotodiodi agiscono come elementi di immagazzinamento della carica (i fotodiodi verranno discussi più dettagliatamente in seguito). Le cariche accumulate dai fotodiodi vengono trasferite agli elementi CCD ombreggiati, che effettuano un ulteriore trasferimento di carica. Si noti che il trasferimento dell'intero fotogramma dai fotodiodi ai registri di trasferimento CCD verticali avviene in un ciclo di clock. Sorge spontanea una domanda: perché questa architettura ha preso il nome di trattino interlinea (viene utilizzato anche il termine “trattino interlacciato”)? Per comprendere l'origine del nome interline, nonché il trasferimento fotogramma per fotogramma, ricordiamo il principio di base della visualizzazione di un'immagine sullo schermo di generazione del segnale video. Il segnale di frame è costituito da segnali di linea separati da un intervallo di linea, ovvero il tempo necessario affinché il fascio di elettroni che esegue la scansione sullo schermo si sposti dalla fine di una riga all'inizio di quella successiva. Esistono anche degli intervalli tra i frame: il tempo necessario per spostare il raggio dalla fine dell'ultima riga all'inizio della prima riga (transizione a un nuovo frame).
Se ricordiamo l'architettura di una matrice CCD con trasferimento interframe, diventa chiaro che il trasferimento di un frame dalla sezione di accumulo alla sezione di memorizzazione avviene durante il gap interframe del segnale video. Ciò è comprensibile, poiché il trasferimento dell'intero frame richiederà una notevole quantità di tempo. In un'architettura di trasferimento interline, la trasmissione del frame avviene in un ciclo di clock e per questo è sufficiente un breve periodo di tempo. Successivamente, l'immagine entra nel registro a spostamento orizzontale e la trasmissione avviene riga per riga durante gli intervalli interlinea del segnale video.
Oltre ai due tipi di matrici CCD discussi, esistono altri schemi. Ad esempio, uno schema che combina meccanismi interframe e interline (trasferimento line-frame) si ottiene aggiungendo una sezione di memorizzazione alla matrice CCD di trasferimento interline. In questo caso, il trasferimento della trama dagli elementi fotosensibili avviene in un ciclo di clock durante l'intervallo interline, e durante l'intervallo interframe la trama viene trasferita alla sezione di memorizzazione (trasferimento interframe); Dalla sezione di stoccaggio, il frame viene trasferito al registro a spostamento orizzontale durante l'interlinea (trasferimento interframe).
Recentemente si sono diffusi i cosiddetti super-CCD (Super CCD), che utilizzano un'originale architettura cellulare formata da pixel ottagonali. Per questo motivo, la superficie di lavoro del silicio aumenta e la densità dei pixel (il numero di pixel CCD) aumenta. Inoltre, la forma ottagonale dei pixel aumenta l'area della superficie sensibile alla luce.
Sensori CMOS
Un tipo di sensore fondamentalmente diverso è il cosiddetto sensore CMOS (CMOS - semiconduttore a ossido di metallo complementare; nella terminologia inglese - CMOS).
L'architettura interna dei sensori CMOS può essere diversa. Pertanto, fotodiodi, fototransistor o fotogate possono fungere da elemento fotosensibile. Indipendentemente dal tipo di elemento fotosensibile, il principio di separazione delle lacune e degli elettroni ottenuti durante il processo di fotogenerazione rimane invariato. Consideriamo il tipo più semplice di fotodiodo, dal quale è facile comprendere il principio di funzionamento di tutte le fotocellule.
Il fotodiodo più semplice è un contatto tra semiconduttori di tipo n e p. All'interfaccia di questi semiconduttori si forma una regione di svuotamento, cioè uno strato senza lacune ed elettroni. Tale regione si forma a seguito della diffusione dei principali portatori di carica in direzioni opposte. Le lacune si spostano dal semiconduttore p (cioè dalla regione in cui ce n'è un eccesso) al semiconduttore n (cioè alla regione dove la loro concentrazione è bassa) e gli elettroni si muovono nella direzione opposta, cioè è, dal semiconduttore n al semiconduttore p.semiconduttore. Come risultato di questa ricombinazione, le lacune e gli elettroni scompaiono e si crea una regione di svuotamento. Inoltre, gli ioni impurità sono esposti ai confini della regione impoverita, e nella regione n gli ioni impurità hanno una carica positiva, e nella regione p hanno una carica negativa. Queste cariche, distribuite lungo il confine della regione di svuotamento, formano un campo elettrico simile a quello creato in un condensatore a piastre parallele costituito da due piastre. È questo campo che svolge la funzione di separazione spaziale delle lacune e degli elettroni formati durante la fotogenerazione. La presenza di un tale campo locale (chiamato anche barriera di potenziale) è un punto fondamentale in qualsiasi sensore fotosensibile (non solo in un fotodiodo).
Supponiamo che il fotodiodo sia illuminato dalla luce e che la luce cada sul semiconduttore n e che la giunzione p-n sia perpendicolare ai raggi luminosi (Fig. 8). Fotoelettroni e fotobuchi si diffonderanno in profondità nel cristallo e alcuni di essi, che non hanno il tempo di ricombinarsi, raggiungeranno la superficie della giunzione pn. Tuttavia, per gli elettroni, il campo elettrico esistente è un ostacolo insormontabile, una potenziale barriera, quindi gli elettroni non saranno in grado di superare la giunzione p-n. Le lacune, al contrario, vengono accelerate dal campo elettrico e penetrano nella regione p. Come risultato della separazione spaziale delle lacune e degli elettroni, la regione n viene caricata negativamente (fotoelettroni in eccesso) e la regione p viene caricata positivamente (fotoelettroni in eccesso).
La differenza principale tra sensori CMOS e sensori CCD non sta nel metodo di accumulo della carica, ma nel metodo del suo ulteriore trasferimento. La tecnologia CMOS, a differenza del CCD, consente di effettuare un maggior numero di operazioni direttamente sul chip su cui è situata la matrice fotosensibile. Oltre a rilasciare elettroni e trasmetterli, i sensori CMOS possono anche elaborare immagini, evidenziare i bordi delle immagini, ridurre il rumore ed eseguire conversioni da analogico a digitale. Inoltre è possibile realizzare sensori CMOS programmabili, quindi si può ottenere un dispositivo multifunzionale molto flessibile.
Una gamma così ampia di funzioni eseguite da un singolo chip è il principale vantaggio della tecnologia CMOS rispetto a CCD. Ciò riduce il numero di componenti esterni richiesti. L'utilizzo di un sensore CMOS in una fotocamera digitale consente di installare altri chip nello spazio libero, ad esempio processori di segnale digitale (DSP) e convertitori da analogico a digitale.
Il rapido sviluppo delle tecnologie CMOS è iniziato nel 1993, quando sono stati creati i sensori a pixel attivi. Con questa tecnologia, ogni pixel ha il proprio amplificatore a transistor di lettura, che consente di convertire la carica in tensione direttamente sul pixel. Inoltre, è diventato possibile l'accesso casuale a ciascun pixel del sensore (simile a come funziona la memoria ad accesso casuale). La carica viene letta dai pixel attivi del sensore CMOS utilizzando un circuito parallelo (Fig. 9), che consente di leggere il segnale direttamente da ciascun pixel o da una colonna di pixel. L'accesso casuale consente al sensore CMOS di leggere non solo l'intera matrice, ma anche aree selezionate (metodo di lettura a finestra).
Nonostante gli evidenti vantaggi delle matrici CMOS rispetto ai CCD (il principale dei quali è il prezzo più basso), presentano anche una serie di svantaggi. La presenza di circuiti aggiuntivi sul chip della matrice CMOS porta alla comparsa di una serie di rumori, come la dispersione di transistor e diodi, nonché l'effetto della carica residua, ovvero le matrici CMOS oggi sono più rumorose. Pertanto, nel prossimo futuro, le fotocamere digitali professionali utilizzeranno matrici CCD di alta qualità e i sensori CMOS stanno entrando nel mercato dei dispositivi più economici, che, in particolare, includono le fotocamere Web.
Come si ottiene il colore
I sensori fotosensibili discussi sopra sono in grado di rispondere solo all'intensità della luce assorbita: maggiore è l'intensità, maggiore è la carica accumulata. Sorge spontanea una domanda: come si ottiene un'immagine a colori?
Per consentire alla fotocamera di distinguere i colori, una serie di filtri colorati (CFA, matrici di filtri colorati) viene applicata direttamente al pixel attivo. Il principio di un filtro colorato è molto semplice: lascia passare solo la luce di un determinato colore (in altre parole, solo la luce con una determinata lunghezza d'onda). Ma quanti filtri di questo tipo saranno necessari se il numero delle diverse sfumature di colore è praticamente illimitato? Si scopre che qualsiasi tonalità di colore può essere ottenuta mescolando diversi colori primari (base) in determinate proporzioni. Nel modello additivo più popolare, RGB (Rosso, Verde, Blu), esistono tre colori: rosso, verde e blu. Ciò significa che sono necessari solo tre filtri colorati. Tieni presente che il modello di colore RGB non è l'unico, ma viene utilizzato dalla stragrande maggioranza delle fotocamere Web digitali.
I più popolari sono gli array di filtri modello Bayer. In questo sistema, i filtri rosso, verde e blu sono sfalsati e il numero di filtri verdi è doppio rispetto a quello rosso o blu. La disposizione è tale che i filtri rosso e blu si trovano tra quelli verdi (Fig. 10).
Questo rapporto tra filtri verde, rosso e blu è spiegato dalle peculiarità della percezione visiva umana: i nostri occhi sono più sensibili al colore verde.
Nelle telecamere CCD, la combinazione di tre canali di colore viene effettuata nel dispositivo di formazione dell'immagine dopo aver convertito il segnale da analogico a digitale. Nei sensori CMOS questa combinazione può avvenire anche direttamente sul chip. In entrambi i casi, i colori primari di ciascun filtro vengono interpolati matematicamente in base ai colori dei filtri vicini. Pertanto, per ottenere il vero colore di un pixel dell'immagine, è necessario conoscere non solo l'intensità della luce che passa attraverso il filtro luminoso di questo pixel, ma anche i valori delle intensità della luce che passa attraverso i filtri luminosi dei pixel circostanti.
Come già notato, il modello cromatico RGB utilizza tre colori primari, con i quali è possibile ottenere qualsiasi sfumatura dello spettro visibile. Quante sfumature riescono a distinguere le fotocamere digitali? Il numero massimo di diverse sfumature di colore è determinato dalla profondità del colore, che a sua volta è determinata dal numero di bit utilizzati per codificare il colore. Il popolare modello RGB 24, con una profondità di colore di 24 bit, assegna 8 bit per ciascun colore. Con 8 bit è possibile specificare 256 colori diversi rispettivamente per rosso, verde e blu. Ad ogni tonalità viene assegnato un valore da 0 a 255. Ad esempio, il colore rosso può assumere 256 gradazioni: dal rosso puro (255) al nero (0). Il valore massimo del codice corrisponde a un colore puro e il codice per ciascun colore viene solitamente inserito nel seguente ordine: rosso, verde e blu. Ad esempio, il codice per il rosso puro è scritto come (255, 0, 0), il codice per il verde è (0, 255, 0) e il codice per il blu è (0, 0, 255). Il giallo può essere ottenuto mescolando rosso e verde e il suo codice è scritto come (255, 255, 0).
Oltre al modello RGB, hanno trovato largo impiego anche i modelli YUV e YСrCb, che sono simili tra loro e si basano sulla separazione dei segnali di luminosità e colore. Il segnale Y è un segnale di luminanza determinato mescolando rosso, verde e blu. I segnali U e V (Cr, Cb) sono differenze di colore. Pertanto, il segnale U è vicino alla differenza tra le componenti blu e gialla di un'immagine a colori e il segnale V è vicino alla differenza tra le componenti rossa e verde di un'immagine a colori.
Il vantaggio principale del modello YUV (YCrCb) è che questo metodo di codifica, sebbene più complesso dell'RGB, richiede meno larghezza di banda. Il fatto è che la sensibilità dell'occhio umano alla componente Y della luminosità e alle componenti della differenza di colore non è la stessa, quindi sembra abbastanza accettabile eseguire questa trasformazione con l'assottigliamento (interleaving) delle componenti della differenza di colore, quando la Y -le componenti sono calcolate per un gruppo di quattro pixel adiacenti (2×2), e le componenti della differenza cromatica sono utilizzate in comune (il cosiddetto schema 4:1:1). È facile calcolare che già lo schema 4:1:1 consente di ridurre della metà il flusso di output (invece di 12 byte per quattro pixel adiacenti, ne bastano sei). Nella codifica YUV 4:2:2, viene trasmesso un segnale di luminanza per ogni punto, ma i segnali di crominanza U e V vengono trasmessi solo per ogni secondo punto della linea.
Come funzionano quelli digitali
Telecamere Web
Il principio di funzionamento di tutti i tipi di fotocamere digitali è più o meno lo stesso. Consideriamo uno schema tipico della webcam più semplice, la cui principale differenza rispetto ad altri tipi di fotocamere è la presenza di un'interfaccia USB per la connessione a un computer.
Oltre al sistema ottico (lente) e al sensore CCD o CMOS fotosensibile, è necessario disporre di un convertitore analogico-digitale (ADC), che converte i segnali analogici del sensore fotosensibile in un codice digitale. Inoltre è necessario anche un sistema per formare un'immagine a colori. Un altro elemento importante della fotocamera è il circuito responsabile della compressione dei dati e della preparazione per la trasmissione nel formato richiesto. Ad esempio, nella webcam in questione, i dati video vengono trasmessi al computer tramite un'interfaccia USB, quindi alla sua uscita deve essere presente un controller dell'interfaccia USB. Lo schema a blocchi di una fotocamera digitale è mostrato in Fig. undici .
Un convertitore analogico-digitale è progettato per campionare un segnale analogico continuo ed è caratterizzato da una frequenza di campionamento che determina gli intervalli di tempo in cui viene misurato il segnale analogico, nonché la sua profondità di bit. La larghezza dell'ADC è il numero di bit utilizzati per rappresentare ciascun campione di segnale. Ad esempio, se viene utilizzato un ADC a 8 bit, verranno utilizzati 8 bit per rappresentare il segnale, consentendo di distinguere 256 gradazioni del segnale originale. Quando si utilizza un ADC a 10 bit, è possibile distinguere tra 1024 diverse gradazioni di un segnale analogico.
A causa della larghezza di banda ridotta dell'USB 1.1 (solo 12 Mbit/s, di cui la webcam non utilizza più di 8 Mbit/s), i dati devono essere compressi prima di essere trasferiti al computer. Ad esempio, con una risoluzione del fotogramma di 320x240 pixel e una profondità di colore di 24 bit, la dimensione del fotogramma non compresso sarà di 1,76 Mbit. Con una larghezza di banda USB di 8 Mbps, la velocità di trasferimento massima del segnale non compresso è di soli 4,5 fotogrammi al secondo e per video di alta qualità è necessaria una velocità di trasferimento di 24 o più fotogrammi al secondo. Pertanto, diventa chiaro che senza la compressione hardware delle informazioni trasmesse, il normale funzionamento della fotocamera è impossibile.
Secondo la documentazione tecnica, questo sensore CMOS ha una risoluzione di 664x492 (326.688 pixel) e può funzionare fino a 30 fotogrammi al secondo. Il sensore supporta sia il tipo di scansione progressiva che quella orizzontale e fornisce un rapporto segnale-rumore superiore a 48 dB.
Come si può vedere dallo schema a blocchi, il blocco di formazione del colore (processore di segnale analogico) ha due canali: RGB e YСrCb, e per il modello YСrCb i segnali di luminosità e differenza di colore vengono calcolati utilizzando le formule:
Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,
Cr = 0,713 × (R – Y),
Cb = 0,564 × (B – Y).
I segnali analogici RGB e YCrCb generati dal processore di segnale analogico vengono elaborati da due ADC a 10 bit, ciascuno funzionante a 13,5 MSPS, fornendo sincronizzazione alla velocità dei pixel. Una volta digitalizzati, i dati vengono inviati a un convertitore digitale che produce dati video in formato YUV 4:2:2 a 16 bit o Y 4:0:0 a 8 bit, che vengono inviati alla porta di uscita tramite un formato a 16 bit o autobus a 8 bit.
Inoltre, il sensore CMOS in questione ha una vasta gamma di funzionalità di correzione dell'immagine: vengono forniti bilanciamento del bianco, controllo dell'esposizione, correzione gamma, correzione del colore, ecc. Il funzionamento del sensore può essere controllato tramite l'interfaccia SCCB (Serial Camera Control Bus).
Microcircuito OV511+, il cui schema a blocchi è mostrato in Fig. 13, è un controller USB.
Il controller consente di trasferire dati video tramite bus USB a velocità fino a 7,5 Mbit/s. È facile calcolare che tale larghezza di banda non consentirà la trasmissione del flusso video a una velocità accettabile senza una compressione preliminare. In realtà, la compressione è lo scopo principale del controller USB. Fornendo la compressione necessaria in tempo reale fino ad un rapporto di compressione di 8:1, il controller consente di trasmettere un flusso video ad una velocità di 10-15 fotogrammi al secondo con una risoluzione di 640x480 e ad una velocità di 30 fotogrammi al secondo con una risoluzione di 320x240 e inferiore.
Il blocco OmniCE, che implementa un algoritmo di compressione proprietario, è responsabile della compressione dei dati. OmniCE fornisce non solo la velocità del flusso video richiesta, ma anche una decompressione rapida con un carico minimo sulla CPU (almeno secondo gli sviluppatori). Il rapporto di compressione fornito dal blocco OmniCE varia da 4 a 8 a seconda della velocità del flusso video richiesta.
ComputerPress 12"2001
