Per la prima volta il principio CCD con l'idea di immagazzinare e poi leggere le cariche elettroniche è stato sviluppato da due ingegneri BELL alla fine degli anni '60 nel corso della ricerca di nuovi tipi di memoria per computer che potessero sostituire la memoria sugli anelli di ferrite (sì, c'era un tale ricordo). Questa idea si è rivelata poco promettente, ma è stata notata la capacità del silicio di rispondere allo spettro visibile delle radiazioni ed è stata sviluppata l'idea di utilizzare questo principio per l'elaborazione delle immagini.

Partiamo dalla definizione del termine.

L'abbreviazione CCD significa "Charge-Coupled Devices" - questo termine è stato formato dall'inglese "Charge-Coupled Devices" (CCD).

Questo tipo di dispositivo ha attualmente una gamma molto ampia di applicazioni in una varietà di dispositivi optoelettronici per la registrazione di immagini. Nella vita di tutti i giorni, si tratta di fotocamere digitali, videocamere, scanner vari.

Cosa distingue un ricevitore CCD da un fotodiodo a semiconduttore convenzionale, che ha un'area fotosensibile e due contatti elettrici per captare un segnale elettrico?

In primo luogo, ci sono molte di queste aree sensibili alla luce (spesso chiamate pixel - elementi che ricevono luce e la convertono in cariche elettriche) in un ricevitore CCD, da diverse migliaia a diverse centinaia di migliaia e persino diversi milioni. Le dimensioni dei singoli pixel sono le stesse e possono variare da unità a decine di micron. I pixel possono essere allineati in una riga - quindi il ricevitore è chiamato linea CCD o riempire una superficie in file pari - quindi il ricevitore è chiamato matrice CCD.

Posizione degli elementi che ricevono la luce (rettangoli blu) nell'array CCD e nella matrice CCD.

In secondo luogo, in un ricevitore CCD, che sembra un microcircuito convenzionale, non c'è un numero enorme di contatti elettrici per l'emissione di segnali elettrici, che, sembrerebbe, dovrebbero provenire da ciascun elemento che riceve la luce. Ma al ricevitore CCD è collegato un circuito elettronico, che permette di estrarre da ogni elemento fotosensibile un segnale elettrico proporzionale alla sua illuminazione.

L'azione di un CCD può essere descritta come segue: ogni elemento fotosensibile - un pixel - funziona come un salvadanaio per gli elettroni. Gli elettroni sono generati in pixel dall'azione della luce proveniente da una sorgente. In un dato periodo di tempo, ogni pixel si riempie gradualmente di elettroni in proporzione alla quantità di luce che vi entra, come un secchio fuori quando piove. Al termine di questo tempo, le cariche elettriche accumulate da ciascun pixel vengono trasferite a loro volta all'"uscita" del dispositivo e misurate. Tutto ciò è possibile grazie a una certa struttura cristallina, in cui si trovano elementi fotosensibili, e a un circuito elettrico di controllo.

La matrice CCD funziona quasi esattamente allo stesso modo. Dopo l'esposizione (illuminazione dell'immagine proiettata), il circuito di controllo elettronico del dispositivo applica ad esso un insieme complesso di tensioni pulsate, che iniziano a spostare le colonne con gli elettroni accumulati in pixel sul bordo della matrice, dove un CCD di misurazione simile si trova il registro, le cui cariche sono già spostate in direzione perpendicolare e cadono sull'elemento di misura, creando in esso segnali proporzionali alle singole cariche. Pertanto, per ogni momento successivo, possiamo ottenere il valore della carica accumulata e capire a quale pixel della matrice (numero di riga e numero di colonna) corrisponde.

Brevemente sulla fisica del processo.

Per cominciare, notiamo che i CCD sono prodotti della cosiddetta elettronica funzionale e non possono essere rappresentati come un insieme di singoli elementi radio: transistor, resistenze e condensatori. Il lavoro si basa sul principio del legame di carica. Il principio dell'accoppiamento di carica utilizza due posizioni note dall'elettrostatica:

1. come le accuse si respingono
2. Le cariche tendono a stabilizzarsi dove la loro energia potenziale è minima. Quelli. rudemente - "il pesce sta cercando dove è più profondo".

Iniziamo con un condensatore MOS (MOS è l'abbreviazione di semiconduttore di ossido di metallo). Questo è ciò che rimane del MOSFET quando si rimuove il drain e il source da esso, ovvero solo un elettrodo separato dal silicio da uno strato di dielettrico. Per definizione, assumiamo che il semiconduttore sia di tipo p, cioè la concentrazione di lacune in condizioni di equilibrio è molto (diversi ordini di grandezza) maggiore di quella degli elettroni. In elettrofisica, un "buco" è una carica inversa alla carica di un elettrone, cioè Carica positiva.

Cosa accadrà se a un tale elettrodo viene applicato un potenziale positivo (si chiama gate)? Il campo elettrico creato dal cancello, penetrando nel silicio attraverso il dielettrico, respinge i fori mobili; appare una regione impoverita - un certo volume di silicio, libero dai vettori maggioritari. Con i parametri dei substrati semiconduttori tipici dei CCD, la profondità di questa regione è di circa 5 μm. Al contrario, gli elettroni che sono sorti qui sotto l'azione della luce saranno attratti dal gate e si accumuleranno all'interfaccia ossido-silicio direttamente sotto il gate, cioè cadranno in un pozzo potenziale (Fig. 1).

Riso. uno
Formazione di un pozzo di potenziale quando viene applicata tensione al gate

In questo caso, man mano che gli elettroni si accumulano nel pozzo, neutralizzano parzialmente il campo elettrico creato nel semiconduttore dal gate, e alla fine possono compensarlo completamente, in modo che l'intero campo elettrico ricada solo sul dielettrico, e tutto tornerà al suo stato originale, con l'eccezione che all'interfaccia si forma un sottile strato di elettroni.

Si collochi ora un'altra porta accanto alla porta, e ad essa si applichi anche un potenziale positivo, inoltre, maggiore della prima (Fig. 2). Se solo le porte sono abbastanza vicine, i loro pozzi di potenziale si combinano e gli elettroni in un pozzo di potenziale si spostano in quello adiacente se è "più profondo".
Riso. 2
Potenziali pozzi sovrapposti di due cancelli ravvicinati. La carica fluisce nel punto in cui il pozzo potenziale è più profondo.

Ora dovrebbe essere chiaro che se abbiamo una catena di porte, allora è possibile, applicando loro opportune tensioni di controllo, trasferire un pacchetto di cariche localizzato lungo una tale struttura. Una proprietà notevole dei CCD, la proprietà di auto-scansione, è che solo tre bus dell'orologio sono sufficienti per guidare una catena di cancelli di qualsiasi lunghezza. (Il termine bus in elettronica è un conduttore di corrente elettrica che collega elementi dello stesso tipo, un bus di clock sono i conduttori attraverso i quali viene trasmessa una tensione sfasata.) Infatti, per trasferire i pacchetti di cariche, sono necessari e sufficienti tre elettrodi: una trasmittente, una ricevente e una isolante, separando le coppie che ricevono e trasmettono l'una dall'altra, e gli elettrodi omonimi di tali triple possono essere collegati tra loro in un unico bus di clock, richiedendo solo un'uscita esterna (Fig. 3).

Riso. 3
Il più semplice registro CCD trifase.
La carica in ogni pozzo potenziale è diversa.

Questo è il più semplice registro a scorrimento CCD trifase. I diagrammi dell'orologio del funzionamento di tale registro sono mostrati in Fig. 4.

Riso. 4
I diagrammi dell'orologio per il controllo di un registro trifase sono tre meandri spostati di 120 gradi.
Quando i potenziali cambiano, le cariche si muovono.

Si può vedere che per il suo normale funzionamento in ogni momento, almeno un bus di clock deve avere un potenziale alto e almeno uno - un potenziale basso (potenziale di barriera). Quando il potenziale aumenta su un bus e lo diminuisce sull'altro (precedente), tutti i pacchetti di carica vengono trasferiti simultaneamente alle porte vicine e per un ciclo completo (un ciclo su ciascun bus di fase), i pacchetti di carica vengono trasferiti (spostati) a uno elemento di registro.

Per localizzare i pacchetti di cariche nella direzione trasversale, si formano i cosiddetti canali di arresto: strisce strette con una maggiore concentrazione del drogante principale, che corrono lungo il canale di trasferimento (Fig. 5).

Riso. cinque.
Vista del registro dall'alto.
Il canale di trasferimento in direzione laterale è limitato dai canali di arresto.

Il fatto è che la concentrazione del drogante determina a quale tensione specifica sul gate si forma una regione di svuotamento al di sotto di essa (questo parametro non è altro che la tensione di soglia della struttura MOS). Da considerazioni intuitive, è chiaro che maggiore è la concentrazione di impurità, cioè più buchi nel semiconduttore, più difficile è spingerli in profondità, cioè maggiore è la tensione di soglia o, ad una tensione, minore è il potenziale nel pozzo potenziale.

I problemi

Se nella produzione di dispositivi digitali la diffusione dei parametri attraverso la piastra può raggiungere più volte senza un effetto evidente sui parametri dei dispositivi risultanti (poiché il lavoro viene eseguito con livelli di tensione discreti), allora in un CCD, una variazione di , diciamo, la concentrazione di drogante del 10% è già evidente nell'immagine. La dimensione del cristallo e l'impossibilità di ridondanza, come nella memoria LSI, aggiungono i propri problemi, così che aree difettose portano all'inutilizzabilità dell'intero cristallo.

Risultato

Diversi pixel di una matrice CCD hanno tecnologicamente una diversa sensibilità alla luce e questa differenza deve essere corretta.

Nelle CMA digitali, questa correzione è chiamata sistema AGC (Auto Gain Control).

Come funziona il sistema AGC

Per semplicità, non prenderemo nulla di specifico. Assumiamo che ci siano dei livelli potenziali all'uscita dell'ADC del nodo CCD. Diciamo che 60 è il livello medio di bianco.

1. Per ogni pixel della linea CCD si legge il valore quando è illuminato con luce bianca di riferimento (e nei dispositivi più seri si legge anche il “livello di nero”).
2. Il valore viene confrontato con un livello di riferimento (es. media).
3. La differenza tra il valore di uscita e il livello di riferimento viene memorizzata per ogni pixel.
4. In futuro, durante la scansione, questa differenza viene compensata per ogni pixel.

Il sistema AGC viene inizializzato ogni volta che viene inizializzato il sistema dello scanner. Probabilmente avrai notato che all'accensione della macchina, dopo un po' di tempo, il carrello dello scanner inizia a fare dei movimenti di andata e ritorno (strisciare la striscia b/n). Questo è il processo di inizializzazione del sistema AGC. Il sistema tiene conto anche delle condizioni della lampada (invecchiamento).

Probabilmente hai anche notato che i piccoli MFP dotati di scanner a colori "accendono la lampada" in tre colori a turno: rosso, blu e verde. Quindi solo la retroilluminazione dell'originale diventa bianca. Questo viene fatto per correggere meglio la sensibilità della matrice separatamente per i canali RGB.

Prova mezzitoni (PROVA OMBREGGIANTE) consente di avviare questa procedura su richiesta dell'ingegnere e riportare i valori di correzione a condizioni reali.

Proviamo a considerare tutto questo su una vera macchina da "combattimento". Prendiamo come base un dispositivo noto e popolare SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Va notato che nel nostro caso, CCD diventa CIS (Contact Image Sensor), ma l'essenza di ciò che sta accadendo fondamentalmente non cambia da questo. Proprio come una sorgente luminosa, viene utilizzata una linea di LED.

Così:

Il segnale dell'immagine dal CIS ha un livello di circa 1,2 V e viene inviato alla sezione ADC (ADCP) del controller del dispositivo (ADCP). Dopo il SADC, il segnale CIS analogico verrà convertito in un segnale digitale a 8 bit.

Il processore di immagini nel SADC utilizza prima la funzione di correzione del tono e poi la funzione di correzione della gamma. Successivamente, i dati vengono inviati a diversi moduli in base alla modalità di funzionamento. In modalità Testo, i dati dell'immagine vengono inviati al modulo LAT, in modalità Foto, i dati dell'immagine vengono inviati al modulo "Error Diffusion", in modalità PC-Scan, i dati dell'immagine vengono inviati direttamente al personal computer tramite accesso DMA.

Prima del test, posizionare diversi fogli di carta bianca sul vetro di esposizione. Va da sé che l'ottica, la striscia b/n e il gruppo scanner in generale, devono essere “leccati” prima dall'interno.

1. Selezionare in MODALITÀ TECNOLOGIA
2. Premere il pulsante INVIO per eseguire la scansione dell'immagine.
3. Dopo la scansione, verrà stampato "CIS SHADING PROFILE" (profilo mezzitoni CIS). Un esempio di tale foglio è mostrato di seguito. Non deve essere una copia del risultato, ma chiudere nell'immagine.
4. Se l'immagine stampata è molto diversa dall'immagine mostrata nella figura, il CIS è difettoso. Si prega di notare che "Risultati: OK" è scritto in fondo al foglio del rapporto. Ciò significa che il sistema non ha diritti seri sul modulo CIS. In caso contrario, verranno forniti risultati di errore.

Esempio di stampa del profilo:

Buona fortuna a te!!

I materiali degli articoli e le lezioni degli insegnanti dell'Università statale di San Pietroburgo (LGU), dell'Università elettrotecnica di San Pietroburgo (LETI) e di Axl sono presi come base. Ringraziali.

Materiale preparato da V. Shelenberg

Il CCD è stato inventato nel 1969 da Willard Boyle e George Smith presso AT&T Bell Labs. I laboratori si sono occupati di videotelefonia (ing. telefono con foto) e lo sviluppo della "memoria a bolle a semiconduttore" (ing. memoria a bolle a semiconduttore). I dispositivi ad accoppiamento di carica sono nati come dispositivi di memoria in cui si poteva solo inserire una carica nel registro di input del dispositivo. Tuttavia, la capacità dell'elemento di memoria del dispositivo di ricevere una carica a causa dell'effetto fotoelettrico ha reso questa applicazione dei dispositivi CCD mainstream.

Dispositivo generale e principio di funzionamento

Prima dell'esposizione, solitamente applicando una certa combinazione di tensioni agli elettrodi, tutte le cariche precedentemente formate vengono scaricate e tutti gli elementi vengono portati in uno stato identico.

Inoltre, la combinazione di tensioni sugli elettrodi crea un potenziale pozzo in cui possono accumularsi elettroni, formato in un dato pixel della matrice come risultato dell'esposizione alla luce durante l'esposizione. Più intenso è il flusso luminoso durante l'esposizione, più elettroni si accumulano nel pozzo di potenziale, rispettivamente, maggiore è la carica finale di un dato pixel.

Dopo l'esposizione, variazioni successive della tensione sugli elettrodi formano una distribuzione di potenziale in ciascun pixel e accanto ad esso, che porta a un flusso di carica in una determinata direzione verso gli elementi di uscita della matrice.

Un esempio di subpixel CCD tascabile di tipo n

L'architettura dei pixel varia da produttore a produttore.

Designazioni sul diagramma del subpixel CCD: 1 - fotoni di luce che passano attraverso l'obiettivo della fotocamera;
2 - ;
3 - R - filtro luce rossa subpixel, frammento di filtro Bayer;
4 - elettrodo trasparente in silicio policristallino o una lega di ossido di indio e stagno;
5 - ossido di silicio;
6 - canale di silicio di tipo n: zona di generazione portante - zona di effetto fotoelettrico interno;
7 - zona del pozzo potenziale (sacca di tipo n), dove gli elettroni vengono raccolti dalla zona di generazione del portatore di carica;
8 - substrato di silicio di tipo p.

Classificazione per metodo di buffering

Sensori di trasferimento full frame

L'immagine formata dalla lente cade sulla matrice CCD, ovvero i raggi luminosi cadono sulla superficie fotosensibile degli elementi CCD, il cui compito è convertire l'energia del fotone in una carica elettrica. Succede approssimativamente come segue.

Per un fotone che è caduto su un elemento CCD, ci sono tre scenari per lo sviluppo di eventi: o "rimbalzerà" dalla superficie o sarà assorbito nello spessore del semiconduttore (materiale a matrice) o "perforerà" la sua “zona di lavoro”. È ovvio che gli sviluppatori sono tenuti a creare un tale sensore, in cui le perdite dovute al "rimbalzo" e allo "sparatutto" sarebbero ridotte al minimo. Gli stessi fotoni che sono stati assorbiti dalla matrice formano una coppia elettrone-lacuna se c'è stata un'interazione con un atomo del reticolo cristallino del semiconduttore, o solo un elettrone (o lacuna) se l'interazione è avvenuta con atomi di impurità donatori o accettori, e entrambi questi fenomeni sono chiamati effetto fotoelettrico interno. Naturalmente, il funzionamento del sensore non si limita all'effetto fotoelettrico interno: è necessario conservare i portatori di carica "portati via" dal semiconduttore in un apposito spazio di archiviazione e quindi leggerli.

elemento CCD

In generale, il progetto di un elemento CCD si presenta così: un substrato di silicio di tipo p è dotato di canali da un semiconduttore di tipo n. Sopra i canali, gli elettrodi sono realizzati in silicio policristallino con uno strato isolante di ossido di silicio. Dopo che un potenziale elettrico è stato applicato a un tale elettrodo, viene creato un pozzo di potenziale nella zona di esaurimento sotto il canale di tipo n, il cui scopo è immagazzinare elettroni. Un fotone che penetra nel silicio porta alla generazione di un elettrone, che viene attratto dal pozzo di potenziale e vi rimane. Più fotoni (luce intensa) forniscono più carica al pozzo. Quindi è necessario leggere il valore di questa carica, detta anche fotocorrente, e amplificarla.

La lettura delle fotocorrenti degli elementi CCD viene effettuata dai cosiddetti registri a scorrimento seriali, che convertono una fila di cariche in ingresso in un treno di impulsi in uscita. Questa serie è un segnale analogico, che viene poi inviato all'amplificatore.

Pertanto, utilizzando il registro, è possibile convertire le cariche di una riga di elementi CCD in un segnale analogico. In effetti, un registro a scorrimento seriale in un array CCD viene implementato utilizzando gli stessi elementi CCD combinati in una riga. Il funzionamento di un tale dispositivo si basa sulla capacità dei dispositivi ad accoppiamento di carica (questo è ciò che sta per l'abbreviazione CCD) di scambiare le cariche dei loro potenziali pozzi. Lo scambio avviene per la presenza di apposite porte di trasferimento poste tra elementi CCD adiacenti. Quando un potenziale aumentato viene applicato all'elettrodo più vicino, la carica "scorre" sotto di esso dal pozzo del potenziale. Tra gli elementi CCD possono essere posizionati da due a quattro elettrodi di trasferimento, la "fase" del registro a scorrimento dipende dal loro numero, che può essere chiamato bifase, trifase o quadrifase.

La fornitura di potenziali agli elettrodi di trasferimento è sincronizzata in modo tale che il movimento delle cariche dei pozzetti di potenziale di tutti gli elementi CCD del registro avvenga contemporaneamente. E in un ciclo di trasferimento, gli elementi CCD, per così dire, "trasmettono cariche lungo la catena" da sinistra a destra (o da destra a sinistra). Ebbene, l'elemento CCD che si è rivelato "estremo" dà la sua carica al dispositivo situato all'uscita del registro, cioè l'amplificatore.

In generale, un registro a scorrimento seriale è un dispositivo di uscita seriale con ingresso parallelo. Pertanto, dopo aver letto tutte le cariche dal registro, è possibile applicare al suo ingresso una nuova riga, poi quella successiva, e formare così un segnale analogico continuo basato su una matrice bidimensionale di fotocorrenti. A sua volta, il flusso parallelo di ingresso per il registro a scorrimento seriale (cioè righe di una matrice bidimensionale di fotocorrenti) è fornito da un insieme di registri a scorrimento seriali orientati verticalmente, chiamato registro a scorrimento parallelo, e l'intera struttura come un intero è solo un dispositivo chiamato matrice CCD.

I registri di scorrimento seriali "verticali" che compongono il registro di scorrimento parallelo sono chiamati colonne CCD e il loro funzionamento è completamente sincronizzato. L'array bidimensionale di fotocorrenti dell'array CCD viene contemporaneamente spostato verso il basso di una riga, e ciò accade solo dopo che le cariche della riga precedente dal registro di scorrimento seriale situato "in fondo" sono andate all'amplificatore. Fino a quando il registro seriale non viene rilasciato, il registro parallelo è costretto a rimanere inattivo. Bene, per il normale funzionamento, la matrice CCD stessa deve essere collegata a un microcircuito (o un insieme di essi), che fornisce potenziali agli elettrodi dei registri a scorrimento sia seriali che paralleli e sincronizza anche il funzionamento di entrambi i registri. Inoltre, è necessario un generatore di clock.

Sensore full frame

Questo tipo di sensore è il più semplice da un punto di vista costruttivo ed è chiamato matrice CCD full frame (matrice CCD full frame). Oltre ai microcircuiti "strapping", questo tipo di matrice necessita anche di un otturatore meccanico che blocchi il flusso luminoso una volta completata l'esposizione. Prima che l'otturatore sia completamente chiuso, la lettura delle cariche non può essere avviata - durante il ciclo di lavoro del registro a scorrimento parallelo, verranno aggiunti elettroni extra alla fotocorrente di ciascuno dei suoi pixel, causati dai fotoni che colpiscono la superficie aperta della matrice CCD . Questo fenomeno è chiamato "sbavatura" della carica in una matrice full frame (striscio di matrice full frame).

Pertanto, la velocità di lettura della trama in un tale schema è limitata dalla velocità dei registri a scorrimento sia paralleli che seriali. È anche ovvio che è necessario bloccare la luce proveniente dall'obiettivo fino al completamento del processo di lettura, quindi l'intervallo tra le esposizioni dipende anche dalla velocità di lettura.

Matrici frame buffer

Esiste una versione migliorata della matrice full-frame, in cui le cariche del registro parallelo non arrivano riga per riga all'ingresso di quello seriale, ma vengono “immagazzinate” nel registro buffer parallelo. Questo registro si trova sotto il registro a scorrimento parallelo principale, le fotocorrenti vengono spostate riga per riga al registro buffer e da esso vengono alimentate all'ingresso del registro a scorrimento seriale. La superficie del registro buffer è ricoperta da un pannello opaco (solitamente metallico) e l'intero sistema è chiamato matrice con frame buffering (frame - transfer CCD). Frame Buffered Matrix In questo schema, i potenziali pozzi del registro a scorrimento parallelo principale si "svuotano" notevolmente più velocemente, poiché quando si trasferiscono le righe al buffer, non è necessario che ciascuna riga attenda un ciclo completo del registro sequenziale. Pertanto, l'intervallo tra le esposizioni è ridotto, sebbene anche la velocità di lettura diminuisca: la linea deve "viaggiare" due volte più lontano. Pertanto, l'intervallo tra le esposizioni è ridotto solo per due fotogrammi, sebbene il costo del dispositivo dovuto al registro del buffer aumenti notevolmente. Tuttavia, lo svantaggio più evidente delle matrici con frame buffering è il "percorso" allungato delle fotocorrenti, che influisce negativamente sulla sicurezza dei loro valori. E in ogni caso, un otturatore meccanico dovrebbe funzionare tra i fotogrammi, quindi non c'è bisogno di parlare di un segnale video continuo.

Matrici con buffering di colonna

Soprattutto per le apparecchiature video è stato sviluppato un nuovo tipo di matrice, in cui l'intervallo tra le esposizioni è stato ridotto al minimo non per un paio di fotogrammi, ma per un flusso continuo. Naturalmente, per garantire questa continuità, è stato necessario prevedere lo scarto di un otturatore meccanico.

In effetti, questo schema, chiamato matrice CCD interline, è in qualche modo simile ai sistemi con buffer di frame: utilizza anche un registro a scorrimento parallelo del buffer, i cui elementi CCD sono nascosti sotto un rivestimento opaco. Tuttavia, questo buffer non si trova in un unico blocco sotto il registro principale parallelo: le sue colonne vengono "mescolate" tra le colonne del registro principale. Di conseguenza, accanto a ciascuna colonna del registro principale c'è una colonna buffer e, subito dopo l'esposizione, le fotocorrenti non si spostano "dall'alto verso il basso", ma "da sinistra a destra" (o "da destra a sinistra" ) ed in un solo ciclo di lavoro entrare nel registro del buffer, liberando completamente e completamente eventuali buchi per la prossima esposizione. Le cariche cadute nel registro buffer vengono lette nell'ordine consueto attraverso un registro a scorrimento seriale, ovvero "dall'alto verso il basso". Poiché l'azzeramento delle fotocorrenti al registro buffer avviene in un solo ciclo, anche in assenza di un otturatore meccanico, non c'è nulla di simile alla “sbavatura” di carica in una matrice full frame. Ma il tempo di esposizione per ogni fotogramma nella maggior parte dei casi corrisponde in durata all'intervallo speso per la lettura completa del registro parallelo del buffer. Grazie a tutto ciò, diventa possibile creare un segnale video con un frame rate elevato - almeno 30 frame al secondo. Matrice con buffering di colonna Spesso, nella letteratura russa, le matrici con buffering di colonna sono erroneamente chiamate "interlacciate". Ciò è probabilmente dovuto al fatto che i nomi inglesi "interline" (line buffering) e "interlaced" (scansione interlacciata) suonano molto simili. Infatti, quando si leggono tutte le righe di un ciclo, si può parlare di una matrice di scansione progressiva (scansione progressiva), e quando si leggono righe dispari nel primo ciclo e pari nel secondo (o viceversa), si ha parlando di una matrice di scansione interlacciata (scansione interlacciata).

Dimensioni delle matrici di telecamere

Designazione		Larghezza	Altezza	Diagonale	La zona	Esempio
fotogramma intero, tipo di pellicola 135.	1 - 1,01	35,8 - 36	23,8 - 24	43 - 43,3	852-864	Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (sensore CMOS)
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 (sensore CMOS)
	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	Olimpo 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	Olimpo SP-560
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	Olimpo C-900
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

Dimensioni delle matrici delle macchine da presa per il cinema digitale

Designazione	conformità formato pellicola cinematografica	Larghezza

Informazioni generali sulle matrici CCD.

Attualmente, i sensori CCD (Charge-Coupled Device, equivalente inglese di CCD) sono utilizzati come dispositivi fotosensibili nella maggior parte dei sistemi di acquisizione di immagini.

Il principio di funzionamento della matrice CCD è il seguente: viene creata una matrice di elementi fotosensibili (sezione di accumulo) sulla base del silicio. Ogni elemento fotosensibile ha la capacità di accumulare cariche in proporzione al numero di fotoni che lo colpiscono. Si ottiene così per un certo tempo (tempo di esposizione) sulla sezione di accumulo una matrice di cariche bidimensionale proporzionale alla luminosità dell'immagine originale. Le cariche accumulate vengono inizialmente trasferite alla sezione di archiviazione, quindi riga per riga e pixel per pixel all'output della matrice.

La dimensione della sezione di accumulo rispetto alla sezione di accumulo è diversa:

• per fotogramma (matrici con trasferimento fotogramma per scansione progressiva);
• per mezzo fotogramma (matrici con trasferimento fotogramma per scansione interlacciata);

Esistono anche matrici in cui non è presente la sezione di accumulo, quindi il trasferimento della linea viene effettuato direttamente sulla sezione di accumulo. È ovvio che per il funzionamento di tali matrici è richiesto un otturatore ottico.

La qualità delle moderne matrici CCD è tale che la carica praticamente non cambia durante il processo di trasferimento.

Nonostante l'apparente diversità delle telecamere, le matrici CCD utilizzate in esse sono praticamente le stesse, poiché la produzione di massa e su larga scala di matrici CCD è effettuata solo da poche aziende. Questi sono SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

I parametri principali delle matrici CCD sono:

• dimensione in pixel;
• dimensione fisica in pollici (2/3, 1/2, 1/3, ecc.). Allo stesso tempo, i numeri stessi non determinano l'esatta dimensione dell'area sensibile, ma determinano la classe del dispositivo;
• sensibilità.

Risoluzione delle telecamere CCD.

La risoluzione delle telecamere CCD è determinata principalmente dalle dimensioni della matrice CCD in pixel e dalla qualità dell'obiettivo. In una certa misura, questo può essere influenzato dall'elettronica della fotocamera (se è fatta male, può peggiorare la risoluzione, ma francamente raramente lo fanno male ora).

È importante fare qui un'osservazione. In alcuni casi, nelle telecamere vengono installati filtri spaziali ad alta frequenza per migliorare la risoluzione apparente. In questo caso, un'immagine di un oggetto ottenuta da una fotocamera di dimensioni inferiori può sembrare persino più nitida di un'immagine dello stesso oggetto ottenuta da una fotocamera oggettivamente migliore. Naturalmente, questo è accettabile quando la telecamera viene utilizzata in sistemi di sorveglianza visiva, ma è del tutto inadatta per i sistemi di misurazione degli edifici.

Risoluzione e formato CCD.

Attualmente, diverse aziende producono matrici CCD che coprono la più ampia gamma di dimensioni da diverse centinaia a diverse migliaia. Si è quindi parlato di una matrice con una dimensione di 10000x10000, e in questo messaggio si è notato non tanto il problema del costo di tale matrice, ma i problemi di memorizzazione, elaborazione e trasmissione delle immagini ricevute. Come sappiamo, le matrici con dimensioni fino a 2000x2000 sono ormai più o meno diffuse.

Le matrici CCD più ampiamente, più precisamente utilizzate in modo massiccio, ovviamente, dovrebbero includere matrici con una risoluzione orientata allo standard televisivo. Queste sono matrici, fondamentalmente, di due formati:

• 512*576;
• 768*576.

Le matrici 512*576 sono solitamente utilizzate in sistemi di videosorveglianza semplici ed economici.

Le matrici 768*576 (a volte un po' di più, a volte un po' meno) consentono di ottenere la massima risoluzione per un segnale TV standard. Allo stesso tempo, a differenza delle matrici del formato 512*576, hanno una griglia di elementi fotosensibili vicina a un quadrato e, di conseguenza, uguale risoluzione orizzontale e verticale.

Spesso i produttori di fotocamere indicano la risoluzione nelle linee televisive. Ciò significa che la fotocamera consente di vedere N/2 tratti verticali scuri su sfondo chiaro, disposti in un quadrato inscritto nel campo dell'immagine, dove N è il numero dichiarato di linee televisive. Per quanto riguarda un tavolo televisivo standard, ciò implica quanto segue: selezionando la distanza e mettendo a fuoco l'immagine del tavolo, è necessario assicurarsi che i bordi superiore e inferiore dell'immagine del tavolo sul monitor coincidano con il contorno esterno del tavolo, segnato dalle cime di prismi bianchi e neri; inoltre, dopo la messa a fuoco finale, il numero viene letto in quel punto del cuneo verticale, dove per la prima volta cessano di risolversi i tratti verticali. L'ultima osservazione è molto importante. e sull'immagine dei campi di prova della tavola, che hanno 600 o più battute, sono spesso visibili delle bande intermittenti, che, infatti, sono moiré formate dal battito delle frequenze spaziali delle battute della tavola e dalla griglia di gli elementi sensibili della matrice CCD. Questo effetto è particolarmente pronunciato nelle fotocamere con filtri spaziali ad alta frequenza (vedi sopra)!

Vorrei notare che, a parità di altre condizioni (per lo più l'obiettivo può influire su questo), la risoluzione delle telecamere in bianco e nero è determinata in modo univoco dalla dimensione della matrice CCD. Quindi una fotocamera in formato 768*576 avrà una risoluzione di 576 linee TV, anche se in alcuni opuscoli puoi trovare un valore di 550, e in altri 600.

Lente.

La dimensione fisica delle celle CCD è il parametro principale che determina i requisiti per la risoluzione dell'obiettivo. Un altro parametro di questo tipo potrebbe essere il requisito per garantire il funzionamento della matrice in condizioni di sovraccarico leggero, che sarà considerato di seguito.

Per un sensore SONY ICX039 da 1/2 pollice, la dimensione dei pixel è 8,6μm*8,3μm. Pertanto, l'obiettivo deve avere una risoluzione migliore di:

1/8.3*10e-3= 120 linee (60 coppie di linee per millimetro).

Per obiettivi realizzati per sensori da 1/3 di pollice, questo valore dovrebbe essere ancora più alto, anche se questo, stranamente, non influisce sul costo e su un parametro come l'apertura, poiché questi obiettivi sono realizzati tenendo conto della necessità di formare un'immagine su un campo fotosensibile più piccolo della matrice. Ne consegue inoltre che gli obiettivi per sensori più piccoli non sono adatti per sensori di grandi dimensioni a causa del significativo deterioramento delle prestazioni ai bordi dei sensori di grandi dimensioni. Allo stesso tempo, gli obiettivi per sensori di grandi dimensioni possono limitare la risoluzione delle immagini ottenute da sensori più piccoli.

Sfortunatamente, con tutta la moderna abbondanza di obiettivi per telecamere, è molto difficile ottenere informazioni sulla loro risoluzione.

In generale, non selezioniamo spesso obiettivi, poiché quasi tutti i nostri clienti installano sistemi video su ottiche esistenti: microscopi, telescopi, ecc., quindi le nostre informazioni sul mercato delle lenti sono nella natura delle note. Possiamo solo dire che la risoluzione di obiettivi semplici ed economici è nell'intervallo di 50-60 coppie di linee per mm, il che generalmente non è sufficiente.

D'altra parte, abbiamo informazioni che gli obiettivi speciali prodotti da Zeiss con una risoluzione di 100-120 coppie di linee per mm costano più di $ 1000.

Quindi, quando si acquista un obiettivo, è necessario condurre test preliminari. Devo dire che la maggior parte dei venditori di Mosca fornisce lenti per i test. Qui, ancora una volta, è opportuno richiamare l'effetto moiré, la cui presenza, come sopra osservato, può essere fuorviante per quanto riguarda la risoluzione della matrice. Quindi, la presenza di moiré sull'immagine di sezioni del tavolo con tratti superiori a 600 linee TV rispetto all'obiettivo indica un certo margine di risoluzione di quest'ultimo, che, ovviamente, non guasterà.

Un'altra nota forse importante per chi è interessato alle misure geometriche. Tutti gli obiettivi in ​​una certa misura hanno una distorsione (distorsione a forma di puntaspilli della geometria dell'immagine) e più corto è l'obiettivo, maggiori sono queste distorsioni, di regola. A nostro avviso, obiettivi con lunghezze focali superiori a 8-12 mm hanno una distorsione accettabile per fotocamere da 1/3" e 1/2". Sebbene il livello di "accettabilità", ovviamente, dipenda dai compiti che la fotocamera deve risolvere.

Risoluzione dei controller di input immagine

La risoluzione dei controller di input immagine deve essere intesa come la frequenza di conversione del convertitore analogico-digitale (ADC) del controller, i cui dati vengono quindi registrati nella memoria del controller. Ovviamente, c'è un limite ragionevole per aumentare la frequenza della digitalizzazione. Per i dispositivi con una struttura continua dello strato fotosensibile, come i vidicon, la frequenza di campionamento ottimale è pari al doppio della frequenza superiore del segnale vidicon utile.

A differenza di tali rivelatori di luce, le matrici CCD hanno una topologia discreta, quindi la frequenza di digitalizzazione ottimale per esse è determinata come frequenza di spostamento del registro di uscita della matrice. Allo stesso tempo, è importante che l'ADC del controller funzioni in modo sincrono con il registro di uscita della matrice CCD. Solo in questo caso è possibile ottenere la migliore qualità di conversione sia in termini di fornire una geometria "rigida" delle immagini risultanti, sia in termini di minimizzazione del rumore da impulsi e transitori di clock.

Sensibilità delle telecamere CCD

Dal 1994 utilizziamo nei nostri dispositivi telecamere per kart SONY basate sul sensore CCD ICX039. La descrizione SONY per questo dispositivo indica una sensibilità di 0,25 lux su un oggetto con un'apertura dell'obiettivo di 1,4. Già più volte abbiamo visto fotocamere con parametri simili (dimensione 1/2 pollice, risoluzione 752*576) e con una sensibilità dichiarata 10 o addirittura 100 volte maggiore di quella della "nostra" SONY.

Abbiamo controllato questi numeri più volte. Nella maggior parte dei casi, abbiamo trovato lo stesso CCD ICX039 in telecamere di diversi produttori. Allo stesso tempo, anche tutti i microcircuiti "reggianti" erano SONY. Sì, e i test comparativi hanno mostrato l'identità quasi completa di tutte queste telecamere. Allora qual è la domanda?

E l'intera domanda è a quale sensibilità del rapporto segnale-rumore (s / w) viene determinata. Nel nostro caso, SONY ha mostrato coscienziosamente una sensibilità a s / w \u003d 46 dB, mentre altre società non lo hanno indicato o l'hanno indicato in modo tale che non sia chiaro in quali condizioni sono state effettuate queste misurazioni.

Questo è, in generale, un flagello comune della maggior parte dei produttori di fotocamere: non indicare le condizioni per misurare i parametri delle fotocamere.

Il fatto è che con una diminuzione del requisito per il rapporto s / w, la sensibilità della fotocamera aumenta inversamente al quadrato del rapporto s / w richiesto:

dove:
I - sensibilità;
K - fattore di conversione;
rapporto s/w - s/w in unità lineari,

pertanto, molte aziende sono tentate di indicare la sensibilità delle telecamere con un basso rapporto S/N.

Si può dire che la capacità delle matrici di “vedere” meglio o peggio è determinata dal numero di cariche convertite dai fotoni incidenti sulla sua superficie e dalla qualità di consegna di queste cariche all'output. La quantità di cariche accumulate dipende dall'area dell'elemento fotosensibile e dall'efficienza quantistica dell'array CCD e la qualità del trasporto è determinata da molti fattori che spesso si riducono a una cosa: il rumore di lettura. Il rumore di lettura per le moderne matrici è dell'ordine di 10-30 elettroni e anche meno!

L'area degli elementi delle matrici CCD è diversa, ma il valore tipico per le matrici da 1/2 pollice per le telecamere è 8,5 µm * 8,5 µm. Un aumento delle dimensioni degli elementi porta ad un aumento delle dimensioni delle matrici stesse, che ne aumenta il costo non tanto per l'aumento effettivo del prezzo di produzione, ma per il fatto che la produzione in serie di tali dispositivi è diversi ordini di grandezza più piccoli. Inoltre, la topologia della matrice interessa l'area della zona fotosensibile nella misura in cui l'area sensibile (fattore di riempimento) occupa una percentuale della superficie totale del cristallo. Alcune matrici speciali richiedono un fattore di riempimento del 100%.

L'efficienza quantistica (di quanto cambia in media la carica di una cella sensibile negli elettroni quando un fotone cade sulla sua superficie) per le matrici moderne è 0,4-0,6 (per le singole matrici senza anti-blooming, raggiunge 0,85).

Si può quindi notare che la sensibilità delle camere CCD, relativa ad un certo valore di s/n, si è avvicinata al limite fisico. Secondo la nostra conclusione, i valori di sensibilità tipici delle fotocamere per uso generale a s/n=46 si trovano nell'intervallo di 0,15-0,25 lux di illuminazione sull'oggetto con un'apertura dell'obiettivo di 1,4.

A questo proposito, non consigliamo di fidarsi ciecamente dei valori di sensibilità indicati nelle descrizioni delle telecamere, soprattutto quando non sono fornite le condizioni per determinare questo parametro e se nel passaporto della telecamera si vede una sensibilità di 0,01-0,001 lux in modalità televisione un prezzo fino a $ 500, quindi prima di assaggiare, per usare un eufemismo, informazioni errate.

Informazioni sui modi per aumentare la sensibilità delle telecamere CCD

Cosa fare se è necessario ottenere l'immagine di un oggetto molto debole, ad esempio una galassia lontana?

Una delle soluzioni è l'accumulo dell'immagine nel tempo. L'implementazione di questo metodo consente di aumentare significativamente la sensibilità del CCD. Naturalmente, questo metodo può essere applicato a oggetti di osservazione fissi o nel caso in cui il movimento possa essere compensato, come si fa in astronomia.

Fig1 Nebulosa planetaria M57.

Telescopio: 60 cm, esposizione - 20 sec., temperatura durante l'esposizione - 20 C.
Al centro della nebulosa c'è un oggetto stellare di magnitudine 15.
L'immagine è stata ottenuta da V. Amirkhanyan presso il SAO RAS.

Si può sostenere con sufficiente precisione che la sensibilità delle telecamere CCD è direttamente proporzionale al tempo di esposizione.

Ad esempio, la sensibilità con una velocità dell'otturatore di 1 secondo rispetto all'originale 1/50 s aumenterà di 50 volte, ad es. sarà meglio - 0,005 lux.

Certo, ci sono problemi lungo questo percorso, e questa è, prima di tutto, la corrente oscura delle matrici, che porta le cariche accumulate contemporaneamente al segnale utile. La corrente oscura è determinata, in primo luogo, dalla tecnologia di fabbricazione del cristallo e, in secondo luogo, dal livello di tecnologia e, naturalmente, in larga misura, dalla temperatura di esercizio della matrice stessa.

Solitamente, per ottenere lunghi tempi di accumulo, dell'ordine di minuti o decine di minuti, le matrici vengono raffreddate a meno 20-40 gradi. C. Il compito di raffreddare le matrici a tali temperature è stato risolto di per sé, ma è semplicemente impossibile dire che ciò sia semplicemente impossibile, poiché ci sono sempre problemi di progettazione e funzionamento associati all'appannamento dei vetri protettivi e alla perdita di calore dalla giunzione calda di un frigorifero termoelettrico.

Allo stesso tempo, il progresso tecnologico nella produzione di matrici CCD ha influito anche su un parametro come la dark current. Qui i risultati sono molto significativi e la corrente oscura di alcune buone matrici moderne è molto piccola. Secondo la nostra esperienza, le fotocamere senza raffreddamento consentono di effettuare esposizioni entro decine di secondi a temperatura ambiente e fino a diversi minuti con compensazione per uno sfondo scuro. Ad esempio, ecco una fotografia della nebulosa planetaria M57, ottenuta dal sistema video VS-a-tandem-56/2 senza raffreddamento con un'esposizione di 20 s.

Il secondo modo per aumentare la sensibilità è l'uso di convertitori elettro-ottici (EC). I tubi intensificatori di immagine sono dispositivi che amplificano il flusso luminoso. I moderni tubi intensificatori d'immagine possono avere valori di guadagno molto elevati, tuttavia, senza entrare nei dettagli, possiamo dire che l'uso di tubi intensificatori d'immagine può solo migliorare la sensibilità di soglia della fotocamera, e quindi il suo guadagno non dovrebbe essere troppo grande.

Sensibilità spettrale delle camere CCD

Fig.2 Caratteristiche spettrali di varie matrici

Per alcune applicazioni, la sensibilità spettrale del CCD è un fattore importante. Poiché tutti i CCD sono realizzati sulla base del silicio, nella forma "nuda" la sensibilità spettrale del CCD corrisponde a questo parametro per il silicio (vedi Fig. 2).

Come puoi vedere, con tutta la varietà di caratteristiche, i sensori CCD hanno una sensibilità massima nelle gamme del rosso e del vicino infrarosso (IR) e non vedono assolutamente nulla nella parte blu-viola dello spettro. La sensibilità del CCD nel vicino infrarosso viene utilizzata nei sistemi di sorveglianza nascosti con illuminazione da sorgenti di luce a infrarossi, nonché durante la misurazione dei campi termici di oggetti ad alta temperatura.

Riso. 3 Tipica risposta spettrale delle matrici SONY in bianco e nero.

SONY produce tutte le sue matrici in bianco e nero con la seguente risposta spettrale (vedi Fig. 3). Come si può vedere da questa figura, la sensibilità del CCD nel vicino IR è significativamente ridotta, ma la matrice ha cominciato a percepire la regione blu dello spettro.

Le matrici sensibili nella gamma dei raggi ultravioletti e persino dei raggi X vengono sviluppate per vari scopi speciali. Di solito questi dispositivi sono unici e il loro prezzo è piuttosto alto.

Informazioni sulla scansione progressiva e interlacciata

Il segnale televisivo standard è stato sviluppato per il sistema televisivo di trasmissione e presenta un grosso inconveniente dal punto di vista dei moderni sistemi di input e di elaborazione delle immagini. Sebbene il segnale TV contenga 625 linee (di cui circa 576 con informazioni video), vengono mostrati in sequenza 2 semiquadri, costituiti da linee pari (mezzo fotogramma pari) e linee dispari (mezzo fotogramma dispari). Ciò porta al fatto che se viene inserita un'immagine in movimento, l'analisi non può utilizzare una risoluzione Y superiore al numero di linee in un semiquadro (288). Inoltre, nei sistemi moderni, quando l'immagine viene riprodotta sul monitor di un computer (che ha una scansione progressiva), l'immagine inserita dalla telecamera interlacciata mentre l'oggetto di osservazione è in movimento provoca uno spiacevole effetto di scissione visiva.

Tutti i metodi per affrontare questa carenza portano a un deterioramento della risoluzione verticale. L'unico modo per superare questa lacuna e ottenere una risoluzione simile al CCD è passare alla scansione progressiva nel CCD. I produttori di CCD producono tali matrici, ma a causa della piccola produzione in serie, il prezzo di tali matrici e telecamere è molto più alto di quello di quelli convenzionali. Ad esempio, il prezzo di una matrice SONY con scansione progressiva ICX074 è 3 volte superiore a ICX039 (scansione interlacciata).

Altre opzioni della fotocamera

Questi altri includono un parametro come "fioritura", ad es. carica che si diffonde sulla superficie della matrice quando i suoi singoli elementi sono sovraesposti. In pratica, un caso del genere può verificarsi, ad esempio, osservando oggetti con abbagliamento. Questo è un effetto piuttosto sgradevole dei CCD, poiché alcuni punti luminosi possono distorcere l'intera immagine. Fortunatamente, molte matrici moderne contengono dispositivi anti-blooming. Quindi nelle descrizioni di alcune delle ultime matrici SONY, abbiamo trovato 2000, che caratterizza il sovraccarico di luce consentito delle singole celle, che non porta ancora alla diffusione della carica. Si tratta di un valore abbastanza alto, soprattutto perché, come ha dimostrato la nostra esperienza, questo risultato può essere ottenuto solo con una speciale regolazione dei driver che controllano direttamente la matrice e il canale di preamplificazione del segnale video. Inoltre, l'obiettivo contribuisce anche alla "diffusione" dei punti luminosi, poiché con sovraccarichi di luce così grandi, anche una piccola dispersione all'esterno dello spot principale offre un notevole supporto luminoso per gli elementi vicini.

Va anche notato qui che, secondo alcuni dati che non abbiamo verificato noi stessi, le matrici con anti-blooming hanno un'efficienza quantistica 2 volte inferiore rispetto alle matrici senza anti-blooming. A questo proposito, in sistemi che richiedono una sensibilità molto elevata, può avere senso utilizzare matrici senza anti-blooming (di solito si tratta di compiti speciali come quelli astronomici).

A proposito di fotocamere a colori

I materiali di questa sezione esulano in qualche modo dall'ambito di considerazione dei sistemi di misura che abbiamo stabilito, tuttavia, l'uso diffuso di telecamere a colori (anche più di quelle in bianco e nero) ci costringe a chiarire questo aspetto, soprattutto perché i Clienti spesso cercano di usa i nostri frame grabber in bianco e nero usa telecamere TV a colori e sono molto sorpresi quando trovano alcune strisce sulle immagini ricevute e la risoluzione delle immagini risulta essere insufficiente. Spieghiamo cosa sta succedendo qui.

Ci sono 2 modi per generare un segnale di colore:

• 1. utilizzando una telecamera a sensore singolo.
• 2. utilizzando un sistema di 3 matrici CCD con una testina di separazione del colore per ottenere componenti di segnale colore R, G, B su queste matrici.

Il secondo modo fornisce la migliore qualità e solo ti consente di ottenere sistemi di misurazione, tuttavia, le telecamere che funzionano secondo questo principio sono piuttosto costose (più di $ 3000).

Nella maggior parte dei casi vengono utilizzate telecamere CCD a matrice singola. Considera il loro principio di funzionamento.

Come risulta dalla caratteristica spettrale piuttosto ampia della matrice CCD, essa non è in grado di determinare il "colore" di un fotone che colpisce la superficie. Pertanto, per inserire un'immagine a colori, viene installato un filtro luce davanti a ciascun elemento della matrice CCD. In questo caso, il numero totale di elementi della matrice rimane lo stesso. SONY, ad esempio, produce esattamente le stesse matrici CCD per le versioni in bianco e nero ea colori, che si differenziano solo per la presenza di una griglia di filtri luminosi nella matrice colore applicata direttamente alle aree sensibili. Esistono diversi schemi per colorare le matrici. Eccone uno.

Qui vengono utilizzati 4 diversi filtri (vedi fig. 4 e fig. 5).

Fig 4. Distribuzione dei filtri luminosi sugli elementi della matrice CCD

Figura 5. Sensibilità spettrale di elementi CCD con diversi filtri di luce.

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

Nella riga A1, il segnale di differenza di colore "rosso" si ottiene come:

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

e nella riga A2 ricevono un segnale di differenza di colore "blu":

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

Da qui è chiaro che la risoluzione spaziale di una matrice CCD a colori rispetto alla stessa in bianco e nero è solitamente 1,3-1,5 volte peggiore in orizzontale e in verticale. A causa dell'uso di filtri per la luce, la sensibilità di un CCD a colori è anche peggiore di quella di uno in bianco e nero. Pertanto, possiamo dire che se esiste un ricevitore a matrice singola 1000 * 800, puoi effettivamente ottenere circa 700 * 550 per il segnale di luminosità e 500 * 400 (700 * 400 è possibile) per il segnale di colore.

Distraendo dalle questioni tecniche, vorrei sottolineare che a fini pubblicitari, molti produttori di fotocamere elettroniche riportano dati completamente incomprensibili sulla loro tecnologia. Ad esempio, Kodak annuncia la risoluzione della sua fotocamera elettronica DC120 come 1200*1000 con una matrice di 850x984 pixel. Ma signori, le informazioni da un posto vuoto non emergono, anche se visivamente sembrano buone!

Riguardo alla risoluzione spaziale di un segnale di colore (un segnale che trasporta informazioni sul colore di un'immagine), possiamo dire che è almeno 2 volte peggiore della risoluzione di un segnale in bianco e nero. Inoltre, il colore "calcolato" del pixel di output non è il colore dell'elemento corrispondente dell'immagine sorgente, ma solo il risultato dell'elaborazione della luminosità di vari elementi dell'immagine sorgente. In parole povere, a causa di una forte differenza nella luminosità degli elementi adiacenti dell'oggetto, è possibile calcolare un colore che non è affatto qui, mentre un leggero spostamento della telecamera comporterà un forte cambiamento nel colore di output. Ad esempio: il bordo di un campo scuro e grigio chiaro apparirà come quadrati multicolori.

Tutti questi argomenti riguardano solo il principio fisico di ottenere informazioni sulle matrici CCD a colori, mentre va tenuto conto che solitamente il segnale video all'uscita delle telecamere a colori è presentato in uno dei formati standard PAL, NTSC, meno spesso S- video.

I formati PAL e NTSC vanno bene perché possono essere immediatamente riprodotti su monitor standard dotati di ingresso video, ma va ricordato che questi standard prevedono una banda notevolmente più stretta per il segnale colore, quindi è più corretto parlare di un immagine colorata qui, e non su un'immagine a colori. Un'altra spiacevole caratteristica delle telecamere con segnali video che trasportano una componente di colore è la comparsa delle suddette striature nell'immagine ottenuta dai frame grabber in bianco e nero. E il punto qui è che il segnale del colore si trova quasi al centro della banda del segnale video, creando interferenze quando si entra nel frame dell'immagine. Non vediamo questa interferenza su un monitor televisivo perché la fase di questa "interferenza" cambia in quella opposta dopo quattro fotogrammi ed è mediata dall'occhio. Da qui lo smarrimento del Cliente, che riceve un'immagine con interferenza che non vede.

Ne consegue che se è necessario eseguire alcune misurazioni o decifrare oggetti in base al colore, è necessario affrontare questo problema tenendo conto sia di quanto sopra che di altre caratteristiche del proprio compito.

Informazioni sui sensori CMOS

Nel mondo dell'elettronica, tutto sta cambiando molto rapidamente e, sebbene il campo dei fotorilevatori sia uno dei più conservatori, ultimamente sono in arrivo nuove tecnologie. Innanzitutto, questo si riferisce all'aspetto delle matrici televisive CMOS.

In effetti, il silicio è un elemento fotosensibile e qualsiasi prodotto a semiconduttore può essere utilizzato come sensore. L'uso della tecnologia CMOS offre diversi ovvi vantaggi rispetto alla tecnologia tradizionale.

In primo luogo, la tecnologia CMOS è ben padroneggiata e consente la produzione di celle con un'elevata resa di buoni prodotti.

In secondo luogo, la tecnologia CMOS consente di posizionare sulla matrice, oltre all'area fotosensibile, vari dispositivi di inquadratura (fino all'ADC), che prima erano installati "all'esterno". Ciò consente di produrre fotocamere con uscita digitale "su un singolo chip".

Grazie a questi vantaggi, diventa possibile la produzione di telecamere molto più economiche. Inoltre, la gamma di aziende produttrici di matrici si sta espandendo in modo significativo.

Al momento, il rilascio di matrici televisive e telecamere basate su tecnologia CMOS sta solo migliorando. Le informazioni sui parametri di tali dispositivi sono molto scarse. Si può solo notare che i parametri di queste matrici non superano quelli raggiunti ora, per quanto riguarda il prezzo, quindi i loro vantaggi sono innegabili.

Darò come esempio una fotocamera a colori a chip singolo di Photobit PB-159. La fotocamera è realizzata su un unico chip e presenta i seguenti parametri tecnici:

• risoluzione - 512*384;
• dimensione dei pixel: 7,9 μm * 7,9 μm;
• sensibilità - 1lux;
• uscita - SRGB digitale a 8 bit;
• corpo - 44 piedi PLCC.

Pertanto, la fotocamera perde di sensibilità di un fattore quattro, inoltre, dalle informazioni su un'altra fotocamera, è chiaro che questa tecnologia ha problemi con una corrente oscura relativamente grande.

A proposito di fotocamere digitali

Di recente è emerso un nuovo segmento di mercato che sta crescendo rapidamente, utilizzando CCD e matrici CMOS: le fotocamere digitali. Inoltre, al momento attuale si registra un forte aumento della qualità di questi prodotti con un forte calo dei prezzi. In effetti, 2 anni fa, una matrice con una risoluzione di 1024 * 1024 da sola costava circa $ 3000-7000, e ora le fotocamere con tali matrici e un sacco di campanelli e fischietti (schermo LCD, memoria, obiettivo zoom, corpo conveniente, ecc. ) può essere acquistato per meno di $ 1000 . Ciò può essere spiegato solo con il passaggio alla produzione su larga scala di matrici.

Poiché queste telecamere sono basate su CCD e matrici CMOS, tutte le argomentazioni in questo articolo sulla sensibilità, sui principi di formazione del segnale colore valgono anche per loro.

Invece di una conclusione

La nostra esperienza pratica ci permette di trarre le seguenti conclusioni:

• La tecnologia di fabbricazione dei CCD in termini di sensibilità e rumore è molto vicina ai limiti fisici;
• nel mercato delle telecamere si possono trovare telecamere di qualità accettabile, sebbene possa essere necessaria una regolazione per ottenere parametri più elevati;
• non bisogna lasciarsi ingannare dalle cifre di alta sensibilità riportate nei prospetti per macchine fotografiche;
• eppure, i prezzi per fotocamere assolutamente identiche e anche solo per le stesse fotocamere di venditori diversi possono differire di più di due volte!

La matrice è l'elemento strutturale principale della telecamera e uno dei parametri chiave presi in considerazione dall'utente nella scelta di una telecamera. Le matrici delle moderne fotocamere digitali possono essere classificate secondo diversi prosign, ma la principale e più comune è la divisione delle matrici secondo metodo di lettura della carica, su: matrici CCD digitare e CMOS matrici. In questo articolo considereremo i principi di funzionamento, nonché i vantaggi e gli svantaggi di questi due tipi di matrici, poiché sono ampiamente utilizzati nelle moderne apparecchiature fotografiche e video.

matrice CCD

Matrice CCD chiamato anche CCD(Dispositivi ad accoppiamento di carica). CCD la matrice è una lastra rettangolare di elementi fotosensibili (fotodiodi) posta su un cristallo semiconduttore di silicio. Il principio del suo funzionamento si basa sul movimento linea per linea delle cariche che si sono accumulate negli spazi vuoti formati dai fotoni negli atomi di silicio. Cioè, in caso di collisione con un fotodiodo, un fotone di luce viene assorbito e contemporaneamente viene rilasciato un elettrone (si verifica un effetto fotoelettrico interno). Di conseguenza, si forma un addebito, che deve essere in qualche modo archiviato per un'ulteriore elaborazione. A tale scopo, nel substrato di silicio della matrice è annegato un semiconduttore, al di sopra del quale si trova un elettrodo trasparente di silicio policristallino. E come risultato dell'applicazione di un potenziale elettrico a questo elettrodo nella zona esaurita sotto il semiconduttore, si forma un cosiddetto pozzo di potenziale, in cui viene immagazzinata la carica ricevuta dai fotoni. Durante la lettura di una carica elettrica dalla matrice, le cariche (immagazzinate in pozzi di potenziale) vengono trasferite lungo gli elettrodi di trasferimento al bordo della matrice (registro a scorrimento seriale) e verso l'amplificatore, che amplifica il segnale e lo trasmette all'analogico- convertitore digitale (ADC), da cui il segnale convertito viene inviato a un processore che elabora il segnale e salva l'immagine risultante su una scheda di memoria .

I fotodiodi in polisilicio sono usati per produrre matrici CCD. Tali matrici sono di piccole dimensioni e consentono di ottenere fotografie di qualità abbastanza elevata durante le riprese con illuminazione normale.

Vantaggi dei CCD:

1. Il design della matrice prevede un'elevata densità di fotocellule (pixel) sul substrato;
2. Alta efficienza (il rapporto tra i fotoni registrati e il loro numero totale è di circa il 95%);
3. Alta sensibilità;
4. Buona riproduzione dei colori (con illuminazione sufficiente).

Svantaggi delle matrici CCD:

1. Elevato rumore ad alti ISO (a bassi ISO, il livello di rumore è moderato);
2. Bassa velocità rispetto alle matrici CMOS;
3. Elevato consumo energetico;
4. Tecnologia di lettura del segnale più complessa, poiché sono necessari molti microcircuiti di controllo;
5. La produzione è più costosa delle matrici CMOS.

matrice CMOS

La matrice CMOS, o sensore CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) utilizza sensori puntiformi attivi. A differenza dei CCD, i sensori CMOS contengono un transistor separato in ciascun elemento fotosensibile (pixel), con conseguente conversione della carica eseguita direttamente nel pixel. La carica risultante può essere letta individualmente da ciascun pixel, quindi non è necessario trasferire la carica (come nel caso dei CCD). I pixel CMOS sono integrati direttamente con un convertitore analogico-digitale o addirittura con un processore. Come risultato di questa tecnologia razionale, si ha un risparmio energetico dovuto alla riduzione delle catene di azioni rispetto alle matrici CCD, nonché una riduzione del costo del dispositivo dovuto ad un design più semplice.

Breve principio di funzionamento del sensore CMOS: 1) Prima di scattare, viene applicato un segnale di ripristino al transistor di ripristino. 2) Durante l'esposizione, la luce penetra attraverso l'obiettivo e filtra fino al fotodiodo e, come risultato della fotosintesi, una carica si accumula nel pozzo di potenziale. 3) Viene letto il valore della tensione ricevuta. 4) Elaborazione dati e salvataggio immagini.

Vantaggi dei sensori CMOS:

1. Basso consumo energetico (soprattutto in modalità standby);
2. Alte prestazioni;
3. Richiede minori costi di produzione, per la somiglianza della tecnologia con la produzione di microcircuiti;
4. L'unità della tecnologia con altri elementi digitali, che consente di combinare parti analogiche, digitali e di elaborazione su un cristallo (ovvero, oltre a catturare la luce in un pixel, è possibile convertire, elaborare e pulire il segnale dal rumore).
5. La possibilità di accedere in modo casuale a ciascun pixel o gruppo di pixel, che può ridurre le dimensioni dell'immagine acquisita e aumentare la velocità di lettura.

Svantaggi delle matrici CMOS:

1. Il fotodiodo occupa una piccola area del pixel, risultando in una bassa sensibilità alla luce della matrice, ma nelle moderne matrici CMOS questo meno è praticamente eliminato;
2. La presenza di rumore termico dal riscaldamento dei transistor all'interno del pixel durante il processo di lettura.
3. Di dimensioni relativamente grandi, l'attrezzatura fluoro con questo tipo di matrice è caratterizzata da peso e dimensioni importanti.

Oltre ai tipi di cui sopra, ci sono anche matrici a tre strati, ogni strato delle quali è un CCD. La differenza è che le cellule possono percepire contemporaneamente tre colori, che sono formati da prismi dicroici quando un raggio di luce li colpisce. Quindi ogni raggio è diretto a una matrice separata. Di conseguenza, la luminosità dei colori blu, rosso e verde viene determinata immediatamente sulla fotocellula. Le matrici a tre strati sono utilizzate nelle videocamere di alto livello, che hanno una designazione speciale - 3CCD.

Riassumendo, vorrei far notare che con lo sviluppo delle tecnologie per la produzione di matrici CCD e CMOS cambiano anche le loro caratteristiche, per cui è sempre più difficile dire quale delle matrici sia decisamente migliore, ma allo stesso tempo , le matrici CMOS sono diventate sempre più popolari nella produzione di fotocamere SLR. Sulla base delle caratteristiche dei vari tipi di matrici, si può avere un'idea chiara del motivo per cui l'attrezzatura fotografica professionale che fornisce riprese di alta qualità è piuttosto ingombrante e pesante. Queste informazioni dovrebbero essere ricordate quando si sceglie una fotocamera, ovvero tenere conto delle dimensioni fisiche della matrice e non del numero di pixel.

introduzione

In questo corso prenderò in considerazione informazioni generali sui dispositivi ad accoppiamento di carica, parametri, storia della creazione, caratteristiche delle moderne telecamere CCD a medio infrarosso.

Come risultato del lavoro del corso, ho studiato la letteratura sulla creazione, il principio di funzionamento, le caratteristiche tecniche e l'applicazione delle telecamere CCD nella gamma dei medi infrarossi.

CCD. Il principio fisico del CCD. CCD

Un dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) è una serie di semplici strutture MIS (metallo-dielettrico-semiconduttore) formate su un substrato semiconduttore comune in modo tale che strisce di elettrodi metallici formino un sistema lineare o regolare a matrice in cui la distanza tra gli elettrodi sono sufficientemente piccoli (Fig. 1). Questa circostanza determina il fatto che il fattore determinante nel funzionamento del dispositivo è l'influenza reciproca delle strutture MIS vicine.

Figura 1 - Struttura del CCD

I principali scopi funzionali dei CCD fotosensibili sono la conversione di immagini ottiche in una sequenza di impulsi elettrici (formazione di un segnale video), nonché la memorizzazione e l'elaborazione di informazioni digitali e analogiche.

I CCD sono realizzati sulla base di silicio monocristallino. Per fare ciò, sulla superficie di un wafer di silicio viene creato un film dielettrico sottile (0,1-0,15 μm) di biossido di silicio mediante ossidazione termica. Questo processo viene eseguito in modo tale da garantire la perfezione dell'interfaccia semiconduttore-dielettrico e ridurre al minimo la concentrazione di centri di ricombinazione all'interfaccia. Gli elettrodi dei singoli elementi MIS sono realizzati in alluminio, la loro lunghezza è di 3-7 micron, lo spazio tra gli elettrodi è di 0,2-3 micron. Il numero tipico di elementi MIS è 500-2000 in un CCD lineare ea matrice; area della piastra Sotto gli elettrodi estremi di ogni riga, vengono realizzate giunzioni p-n, progettate per inserire - uscire porzioni di cariche (pacchetti di carica) elettriche. metodo (iniezione di giunzione p-n). Con fotoelettrico quando si inseriscono i pacchetti di ricarica, il CCD si illumina frontalmente o posteriormente. Nell'illuminazione frontale, per evitare l'effetto di ombreggiamento degli elettrodi, l'alluminio viene solitamente sostituito da pellicole di silicio policristallino fortemente drogato (polisilicio), che è trasparente nelle regioni spettrali del visibile e del vicino infrarosso.

Il principio di funzionamento del CCD

Il principio generale di funzionamento del CCD è il seguente. Se viene applicata una tensione negativa a qualsiasi elettrodo CCD metallico, sotto l'azione del campo elettrico risultante, gli elettroni, che sono i principali vettori nel substrato, si allontanano dalla superficie in profondità nel semiconduttore. In superficie si forma una regione impoverita, che sul diagramma energetico è un potenziale pozzo per portatori di minoranza: i buchi. I fori che in qualche modo entrano in questa regione sono attratti dall'interfaccia dielettrico-semiconduttore e sono localizzati in uno stretto strato vicino alla superficie.

Se ora viene applicata una tensione negativa di maggiore ampiezza all'elettrodo adiacente, si forma un pozzo di potenziale più profondo e i fori vi passano. Applicando le necessarie tensioni di controllo a vari elettrodi CCD, è possibile garantire sia l'accumulo di cariche in varie regioni prossime alla superficie sia il movimento diretto delle cariche lungo la superficie (da struttura a struttura). L'introduzione di un pacchetto di carica (registrazione) può essere effettuata sia da una giunzione p-n, situata, ad esempio, vicino all'elemento CCD estremo, sia dalla generazione di luce. Anche la rimozione di una carica dal sistema (lettura) è più semplice da eseguire utilizzando una giunzione p-n. Pertanto, un CCD è un dispositivo in cui le informazioni esterne (segnali elettrici o luminosi) vengono convertite in pacchetti di carica di vettori mobili, collocati in un certo modo in regioni vicine alla superficie, e l'elaborazione delle informazioni viene eseguita dal movimento controllato di questi pacchetti lungo la superficie. È ovvio che i sistemi digitali e analogici possono essere costruiti sulla base dei CCD. Per i sistemi digitali, è importante solo la presenza o l'assenza di una carica di buchi in un particolare elemento CCD; nell'elaborazione analogica, si occupano delle grandezze delle cariche in movimento.

Se un flusso luminoso che trasporta un'immagine viene diretto a un CCD multielemento oa matrice, la fotogenerazione di coppie elettrone-lacuna inizierà nella maggior parte del semiconduttore. Entrando nella regione di svuotamento del CCD, i portatori vengono separati e i buchi si accumulano nei potenziali pozzi (inoltre, la carica accumulata è proporzionale all'illuminazione locale). Dopo un po' di tempo (dell'ordine di alcuni millisecondi) sufficiente per la percezione dell'immagine, l'array CCD memorizzerà uno schema di pacchetti di carica corrispondente alla distribuzione dell'illuminazione. Quando gli impulsi di clock sono attivati, i pacchetti di carica si sposteranno al lettore di uscita, che li convertirà in segnali elettrici. Di conseguenza, l'uscita sarà una sequenza di impulsi con diverse ampiezze, l'inviluppo che fornisce il segnale video.

Il principio di funzionamento del CCD sull'esempio di un frammento di una linea di un FPCD controllato da un circuito a tre cicli (trifase) è illustrato nella Figura 2. Durante il ciclo I (percezione, accumulo e memorizzazione di informazioni video) , cosiddetto. tensione di immagazzinamento Uxp, che spinge i vettori principali - buchi nel caso del silicio di tipo p - in profondità nel semiconduttore e forma strati impoveriti 0,5-2 μm di profondità - potenziali pozzi per gli elettroni. L'illuminazione della superficie dell'FPCD genera coppie elettrone-lacuna in eccesso nel volume del silicio, mentre gli elettroni vengono attirati in pozzi potenziali, localizzati in uno strato sottile (0,01 μm) vicino alla superficie sotto gli elettrodi 1, 4, 7, formando pacchetti di carica del segnale.

caricare la telecamera di comunicazione a infrarossi

Figura 2 - diagramma del funzionamento di un dispositivo trifase con una connessione di carica - un registro a scorrimento

La quantità di carica in ciascun pacchetto è proporzionale all'esposizione della superficie vicino all'elettrodo dato. In strutture MIS ben formate, le cariche formate vicino agli elettrodi possono persistere per un tempo relativamente lungo, ma gradualmente, a causa della generazione di portatori di carica da parte di centri di impurità, difetti nella massa o all'interfaccia, queste cariche si accumuleranno in potenziali pozzi fino a quando non superano le cariche di segnale e addirittura riempiono completamente i pozzi.

Durante il II ciclo (trasferimento di carica), gli elettrodi 2, 5, 8 e così via vengono applicati con una tensione di lettura superiore alla tensione di immagazzinamento. Pertanto, sotto gli elettrodi 2, 5 e 8, sorgono potenziali più profondi. pozzi rispetto agli elettroni 1, 4 e 7 e, a causa della vicinanza degli elettrodi 1 e 2, 4 e 5, 7 e 8, le barriere tra di loro scompaiono e gli elettroni fluiscono nei pozzi di potenziale vicini e più profondi.

Durante il ciclo III, la tensione sugli elettrodi 2, 5, 8 viene ridotta da e verso gli elettrodi 1, 4, 7 viene rimossa.

Quella. tutti i pacchetti di carica vengono trasferiti lungo la linea CCD a destra di un passo pari alla distanza tra gli elettrodi adiacenti.

Durante tutto il tempo di funzionamento, viene mantenuta una piccola tensione di polarizzazione (1–3 V) sugli elettrodi che non sono direttamente collegati ai potenziali, il che garantisce l'esaurimento dei portatori di carica sull'intera superficie del semiconduttore e l'attenuazione degli effetti di ricombinazione su di esso.

Ripetendo più volte il processo di commutazione della tensione, tutti i pacchetti di carica vengono emessi in sequenza attraverso la giunzione r-h estrema, eccitata, ad esempio, dalla luce nella linea. In questo caso, nel circuito di uscita compaiono impulsi di tensione, proporzionali alla quantità di carica di questo pacchetto. Il pattern di illuminazione si trasforma in un rilievo di carica superficiale, che, dopo essersi spostato lungo l'intera linea, viene convertito in una sequenza di impulsi elettrici. Maggiore è il numero di elementi in una riga o matrice (il numero 1 - ricevitori IR; 2 - elementi buffer; 3 - CCD, si verifica un trasferimento incompleto del pacchetto di carica da un elettrodo a quello adiacente e la risultante distorsione delle informazioni si amplifica. Per evitare la distorsione del segnale video accumulato dovuta al perdurare durante il trasferimento dell'illuminazione, sul cristallo FCCD vengono create aree di percezione - accumulo e memorizzazione - lettura spazialmente separate, e nel primo forniscono la massima fotosensibilità, e il secondo, su al contrario, schermano dalla luce.1 in un ciclo vengono trasferiti al registro 2 (dagli elementi pari) e al registro 3 (dagli elementi dispari).Mentre questi registri vengono trasmessi attraverso l'uscita 4 al circuito combinatore di segnali 5, viene accumulato nella riga 1. In FPCD con trasferimento di frame (Figura 3), le informazioni percepite dalla matrice di accumulazione 7 vengono rapidamente "scaricate" nella matrice di archiviazione 2, da cui il successore ma viene letto dal registro CCD 3; contemporaneamente la matrice 1 accumula una nuova trama.

Figura 3 - Accumulo e lettura di informazioni in un dispositivo fotosensibile lineare (a), matrice (b) con accoppiamento di carica e in un dispositivo con iniezione di carica.

Oltre ai CCD della struttura più semplice (Figura 1), si sono diffuse altre varietà di essi, in particolare dispositivi con elettrodi sovrapposti in polisilicio (Figura 4), che forniscono fotoinfluenza attiva sull'intera superficie del semiconduttore e un piccolo spazio tra gli elettrodi, e dispositivi con asimmetria delle proprietà vicino alla superficie (ad esempio, ., con uno strato dielettrico di spessore variabile - Figura 4), operanti in modalità push-pull. La struttura di un CCD con un canale volumetrico (Figura 4) formato dalla diffusione delle impurità è fondamentalmente diversa. Accumulo, immagazzinamento e trasferimento di carica si verificano nella maggior parte del semiconduttore, dove c'è una minore ricombinazione dei centri rispetto alla superficie e una maggiore mobilità del vettore. La conseguenza di ciò è un aumento di un ordine di grandezza del valore e una diminuzione rispetto a tutti i tipi di CCD con canale di superficie.

Figura 4 - Varietà di dispositivi ad accoppiamento di carica con canali di superficie e bulk.

Per percepire le immagini a colori, viene utilizzato uno dei due metodi: separazione del flusso ottico utilizzando un prisma in rosso, verde, blu, percezione di ciascuno di essi da parte di uno speciale cristallo FPCD, miscelazione degli impulsi di tutti e tre i cristalli in un unico video segnale; creazione di un filtro luminoso di codifica a pellicola oa mosaico sulla superficie dell'FPCD, formando un raster di triadi multicolori.