(limbă: „ru”)
Continui conversația despre dispozitiv începută în publicația anterioară.
Unul dintre elementele principale ale unei camere digitale care o deosebește de camerele cu film este elementul fotosensibil, așa-numitul intensificator de imagine sau fotosensibil. camera digitala. Am vorbit deja despre matricele camerei, dar acum să ne uităm puțin mai detaliat la structura și principiul de funcționare al matricei, deși destul de superficial pentru a nu obosi prea mult cititorul.
În prezent, majoritatea camerelor digitale sunt echipate cu matrici CCD.
matricea CCD. Dispozitiv. Principiul de funcționare.
Să ne uităm la dispozitiv în termeni generali matrici CCD.
Se știe că semiconductorii sunt împărțiți în semiconductori de tip n și de tip p. Un semiconductor de tip n are un exces de electroni liberi, în timp ce un semiconductor de tip p are un exces de sarcini pozitive, „găuri” (și, prin urmare, o lipsă de electroni). Toată microelectronica se bazează pe interacțiunea acestor două tipuri de semiconductori.
Deci, elementul Matrici CCD ale unei camere digitale este dispusă după cum urmează. Vezi Fig.1:
Fig.1
Fără a intra în detalii, un element CCD sau un dispozitiv charge-coupled, în transcrierea engleză: charge-coupled-device - CCD, este un condensator MIS (metal-dielectric-semiconductor). Este format dintr-un substrat de tip p - un strat de siliciu, un izolator de dioxid de siliciu și plăci cu electrozi. Atunci când unui potențial pozitiv este aplicat unuia dintre electrozi, sub acesta se formează o zonă care este epuizată de purtătorii principali - găuri, deoarece acestea sunt împinse de câmpul electric de la electrod mai adânc în substrat. Astfel, sub acest electrod se formează un puț de potențial, adică o zonă de energie favorabilă mișcării purtătorilor minoritari - electroni - în el. În această gaură se acumulează o sarcină negativă. Poate fi depozitat în acest puț pentru o perioadă destul de lungă din cauza absenței găurilor în el și, prin urmare, din motive pentru recombinarea electronilor.
În fotosensibil matrici Electrozii sunt filme de siliciu policristalin, transparente în regiunea vizibilă a spectrului.
Fotonii luminii incidente pe matrice intră în substratul de siliciu, formând o pereche gaură-electron în el. Găurile, așa cum sa menționat mai sus, sunt deplasate mai adânc în substrat, iar electronii se acumulează în puțul de potențial.
Sarcina acumulată este proporțională cu numărul de fotoni incidenti pe element, adică cu intensitatea fluxului de lumină. Astfel, pe matrice se creează un relief de sarcină, corespunzător imaginii optice.
Mișcarea sarcinilor în matricea CCD.
Fiecare element CCD are mai mulți electrozi cărora li se aplică potențiale diferite.
Când un potențial mai mare decât cel aplicat acestui electrod este aplicat electrodului adiacent (vezi Fig. 3), sub acesta se formează un puț de potențial mai adânc, în care se deplasează sarcina de la primul puț de potențial. În acest fel, încărcarea se poate muta de la o celulă CCD la alta. Elementul CCD prezentat în Fig. 3 se numește trifazat, există și elemente cu 4 faze.
Fig.4. Schema de funcționare a unui dispozitiv trifazat cuplat cu sarcină - un registru de deplasare.
Pentru a converti sarcinile în impulsuri de curent (fotocurent), se folosesc registre de deplasare în serie (vezi Fig. 4). Acest registru de deplasare este un rând de elemente CCD. Amplitudinea impulsurilor de curent este proporțională cu cantitatea de sarcină transferată și, prin urmare, proporțională cu fluxul de lumină incidentă. Secvența de impulsuri de curent generate prin citirea secvenței de încărcări este apoi aplicată la intrarea amplificatorului.
Rețele de elemente CCD distanțate sunt combinate în matricea CCD. Funcționarea unei astfel de matrice se bazează pe crearea și transferul de sarcină locală în puțurile potențiale create de un câmp electric.
Fig.5.
Încărcările tuturor elementelor CCD ale registrului se deplasează sincron către elementele CCD adiacente. Sarcina care a fost în ultima celulă este scoasă din registru și apoi alimentată la intrarea amplificatorului.
Intrarea unui registru de deplasare în serie primește taxe de la registrele de deplasare aranjate perpendicular, care sunt numite colectiv registru de deplasare paralel. Registrele de deplasare paralelă și serială formează matricea CCD (vezi Fig. 4).
Registrele de deplasare perpendiculare pe registrul serial se numesc coloane.
Mișcarea sarcinilor registrului paralel este strict sincronizată. Toate taxele de pe un rând sunt mutate simultan pe cel adiacent. Taxele ultimului rând intră în registrul secvenţial. Astfel, într-un ciclu de operare, un șir de sarcini din registrul paralel ajunge la intrarea registrului serial, eliberând spațiu pentru încărcăturile nou formate.
Funcționarea registrelor seriale și paralele este sincronizată de un generator de ceas. Parte matricea camerei digitale De asemenea, include un microcircuit care furnizează potențiale electrozilor de transfer de registru și controlează funcționarea acestora.
Un tub intensificator de imagine de acest tip se numește matrice CCD full-frame. Pentru funcționarea sa, este necesar să existe un capac rezistent la lumină, care deschide mai întâi tubul intensificator de imagine pentru expunerea la lumină, apoi, când a primit numărul de fotoni necesari pentru a acumula o încărcare suficientă în elementele matricei, se închide. e din lumină. Această husă este un obturator mecanic, ca în camerele cu film. Absența unei astfel de porți duce la faptul că atunci când sarcinile se mișcă în registrul de deplasare, celulele continuă să fie iradiate cu lumină, adăugând electroni suplimentari la sarcina fiecărui pixel care nu corespund fluxului luminos al unui punct dat. Acest lucru duce la „pătarea” încărcăturii și, în consecință, la distorsiunea imaginii rezultate.
Convertoarele fotoelectrice în stare solidă (SPEC) ale imaginilor sunt analoge ale CRT-urilor de transmisie.
TFEC-urile datează din 1970, cu așa-numitele CCD și sunt formate pe baza celulelor individuale, care sunt condensatoare ale structurii MIS sau MOS. Una dintre plăcile unui astfel de condensator elementar este o peliculă metalică M, a doua este un substrat semiconductor P ( p- sau n-conductivitate), dielectricul D este un semiconductor depus sub forma unui strat subtire pe substratul P. Substratul P este siliciu dopat cu acceptor ( p-tip) sau donator ( n-tip) impuritate, iar ca D – oxid de siliciu SiO 2 (vezi Fig. 8.8).
Orez. 8.8. Condensator MOS
Orez. 8.9. Mișcarea sarcinilor sub influența unui câmp electric
Orez. 8.10. Principiul de funcționare al sistemului CCD trifazat
Orez. 8.11. Mișcarea sarcinilor într-un sistem CCD în două faze
Când se aplică tensiune unui electrod metalic, sub acesta se formează un „buzunar” sau un puț de potențial, în care purtătorii minoritari (în cazul nostru, electroni) se pot „acumula”, iar purtătorii majoritari, găurile, vor fi respinși din M. La o anumită distanță de suprafață, concentrația de purtători minoritari poate fi mai mare decât concentrația de purtători majori. În apropierea dielectricului D, în substratul P apare un strat de inversiune, în care tipul de conductivitate se schimbă în sens opus.
Pachetul de încărcare din CCD poate fi introdus electric sau folosind generarea de lumină. În timpul generării luminii, procesele fotoelectrice care au loc în siliciu vor duce la acumularea de purtători minoritari în puțurile potențiale. Sarcina acumulată este proporțională cu iluminarea și timpul de acumulare. Transferul direcțional al încărcăturii în CCD este realizat prin plasarea condensatoarelor MOS atât de aproape unul de celălalt încât regiunile lor de epuizare se suprapun și puțurile de potențial sunt conectate. În acest caz, taxa de telefonie mobilă a transportatorilor minoritari se va acumula în locul unde potențialul put este mai adânc.
Lasă o sarcină să se acumuleze sub electrod sub influența luminii U 1 (vezi Fig. 8.9). Dacă acum la electrodul adiacent U 2 aplicați tensiune U 2 >U 1, apoi va apărea o altă gaură potențială în apropiere, mai adâncă ( U 2 >U 1). Între ele va apărea o regiune de câmp electric, iar purtătorii minoritari (electroni) vor deriva (curge) într-un „buzunar” mai adânc (vezi Fig. 8.9). Pentru a elimina bidirecționalitatea în transferul sarcinilor, se utilizează o secvență de electrozi, combinați în grupuri de 3 electrozi (vezi Fig. 8.10).
Dacă, de exemplu, o sarcină s-a acumulat sub electrodul 4 și este necesar să o transferați la dreapta, atunci electrodulului drept 5 se aplică o tensiune mai mare ( U 2 >U 1) și sarcina curge către ea etc.
Aproape întregul set de electrozi este conectat la trei magistrale:
I – 1, 4, 7, …
II – 2, 5, 8, …
III – 3, 6, 9, …
În cazul nostru, tensiunea de „recepție” ( U 2) va fi pe electrozii 2 și 5, dar electrodul 2 este separat de electrodul 4, unde este stocată sarcina, de electrodul 3 (care
U 3 = 0), deci nu va exista nici un flux spre stânga.
Funcționarea CCD în trei cicluri implică prezența a trei electrozi (celule) per element de imagine TV, ceea ce reduce suprafața utilizabilă utilizată de fluxul luminos. Pentru a reduce numărul de celule CCD (electrozi), electrozi metalici și un strat dielectric sunt formați în formă în trepte (vezi Fig. 8.11). Acest lucru permite, atunci când pulsurile de tensiune sunt aplicate electrozilor, să se creeze puțuri de potențial de diferite adâncimi sub diferite părți ale electrozilor. Majoritatea sarcinilor din celula vecină curg în gaura mai adâncă.
Cu un sistem CCD cu două faze, numărul de electrozi (celule) din matrice este redus cu o treime, ceea ce are un efect benefic asupra citirii potențialului relief.
CCD-urile au fost propuse inițial pentru a fi utilizate în calcul ca dispozitive de stocare și registre de deplasare. La începutul lanțului, a fost plasată o diodă de injecție, introducând o sarcină în sistem, iar la sfârșitul lanțului - o diodă de ieșire, de obicei n-p- sau p-n- tranziții ale structurilor MOS care formează tranzistori cu efect de câmp cu primul și ultimul electrod (celule) ai unui lanț CCD.
Dar curând a devenit clar că CCD-urile sunt foarte sensibile la lumină și, prin urmare, sunt mai bune și mai eficiente de utilizat ca detectoare de lumină, mai degrabă decât ca dispozitive de stocare.
Dacă o matrice CCD este utilizată ca fotodetector, atunci acumularea de încărcare sub unul sau altul electrod poate fi efectuată folosind metoda optică (injecție de lumină). Putem spune că CCD-urile sunt în esență registre de deplasare analogice sensibile la lumină. Astăzi, CCD-urile nu sunt folosite ca dispozitive de stocare (dispozitive de memorie), ci doar ca fotodetectoare. Acestea sunt utilizate în aparate de fax, scanere (matrice CCD) și camere și camere video (matrice CCD). De obicei, camerele TV folosesc așa-numitele cipuri CCD.
Am presupus că 100% din taxe sunt transferate în buzunarul adiacent. Cu toate acestea, în practică trebuie să luăm în calcul pierderile. Una dintre sursele de pierderi sunt „capcanele” care pot captura și reține acuzații pentru o perioadă de timp. Aceste taxe nu au timp să curgă în buzunarul vecin dacă viteza de transmisie este mare.
Al doilea motiv este mecanismul de curgere în sine. În primul moment, transferul de sarcină are loc într-un câmp electric puternic - deriva în interior E. Cu toate acestea, pe măsură ce sarcinile curg, puterea câmpului scade și procesul de derive se estompează, astfel încât ultima porțiune se mișcă din cauza difuziei, de 100 de ori mai lent decât derivea. Așteptarea ultimei porțiuni înseamnă reducerea performanței. Drift asigură mai mult de 90% din transfer. Dar ultimul procent este cel mai important în determinarea pierderilor.
Fie coeficientul de transmisie al unui ciclu de transfer egal cu k= 0,99, presupunând că numărul de cicluri este egal N= 100, determinăm coeficientul total de transmisie:
0,99 100 = 0,366
Devine evident că, cu un număr mare de elemente, chiar și pierderile minore ale unui element devin de mare importanță pentru lanțul în ansamblu.
Prin urmare, problema reducerii numărului de transferuri de taxe în matricea CCD este deosebit de importantă. În acest sens, coeficientul de transfer de sarcină al unei matrice CCD bifazate va fi puțin mai mare decât într-un sistem trifazat.
Ce este o matrice CCD?
Matricea CCD / Dispozitiv cuplat cu încărcare sau matrice CCD / Dispozitiv cuplat cu încărcare este un circuit integrat analog care conține fotodiode fotosensibile din siliciu sau oxid de staniu. Principiul de funcționare al acestui microcircuit se bazează pe tehnologia dispozitivului cuplat cu încărcare (CCD).
Istoria matricei CCD
Dispozitivul cuplat cu încărcare a fost folosit pentru prima dată de George Smith și Willard Boyle la Bell Laboratories ale celei mai mari corporații americane AT&T Bell Labs în 1969. Ei au efectuat cercetări în domeniul telefoniei video și a așa-numitei „memorii cu bule de semiconductor”.
Curând, dispozitivele miniaturale au devenit destul de răspândite și au început să fie folosite ca dispozitive de memorie în care încărcarea a fost plasată în registrul de intrare al microcircuitului. După ceva timp, capacitatea unui element de memorie de a primi o încărcare datorită efectului fotoelectric a devenit scopul principal pentru utilizarea dispozitivelor CCD.
Un an mai târziu, în 1970, cercetătorii de la același Laborator au reușit să captureze imagini folosind cele mai simple dispozitive liniare, pe care inginerii Sony le-au adoptat de fapt. Această companie lucrează în continuare activ în domeniul tehnologiilor CCD, investind investiții financiare uriașe în acest domeniu și dezvoltând în orice mod posibil producția de matrice CCD pentru camerele sale video. Apropo, cipul CCD a fost instalat pe piatra funerară a CEO-ului Sony Kazuo Iwama, care a murit în 1982. La urma urmei, el a fost cel care a stat la originile începutului producției în masă a matricelor CCD.
Contribuția inventatorilor matricei CCD nu a trecut neobservată; în 2006, Willard Boyle și George Smith au primit un premiu de la Academia Națională de Inginerie din SUA pentru dezvoltarea lor în acest domeniu, iar în 2009 li s-a acordat Premiul Nobel pentru Fizică. .
Principiul de funcționare al matricei CCD
Matricea CCD este realizată aproape în întregime din polisiliciu, care a fost inițial separată de substratul de siliciu printr-o membrană specială. Când tensiunea este aplicată membranei prin porți din polisiliciu, potențialele electrice situate în apropierea electrozilor conductori se modifică foarte mult.
Înainte de expunere și aplicarea unei anumite puteri de tensiune la electrozi, toate sarcinile care s-au format anterior sunt resetate și toate elementele sunt transformate într-o stare identică sau originală.
Combinația de tensiuni pe electrozi creează o rezervă de potențial sau așa-numita put, unde electronii se acumulează într-un anumit pixel al matricei în timpul expunerii sub influența razelor de lumină. În funcție de intensitatea fluxului luminos, se determină și volumul de electroni acumulați în puțul de potențial, deci cu cât acesta este mai mare, cu atât va fi mai mare puterea sarcinii finale a unui anumit pixel.
După finalizarea expunerii, în fiecare pixel individual apar modificări succesive ale tensiunii de alimentare a electrozilor, alături de care se observă o distribuție potențială, în urma căreia sarcinile se deplasează într-o direcție dată - către pixelii de ieșire ai matricei CCD.
Compoziția elementelor matricei CCD
În termeni generali, designul unui element CCD poate fi reprezentat ca un substrat de siliciu de tip p echipat cu canale semiconductoare de tip n. Deasupra acestor canale sunt electrozi de siliciu policristalin cu o membrană izolatoare de oxid de siliciu.
După aplicarea unui potențial electric acestor electrozi, apare o capcană de potențial (puț) în zona slăbită sub canalul de tip n. Sarcina sa principală este conservarea electronilor. O particulă de lumină care intră în siliciu provoacă generarea de electroni, care sunt atrași de capcana potențialului și rămân în ea. Un număr mare de fotoni sau lumină puternică asigură o încărcare puternică capcanei, după care este necesar să se calculeze și să se amplifice valoarea încărcării rezultate, pe care experții o numesc fotocurent.
Procesul de citire a fotocurenților elementelor CCD se realizează cu așa-numitele registre de deplasare în serie, care convertesc un șir de sarcini la intrare într-o serie de impulsuri la ieșire. Acest flux de impulsuri este de fapt un semnal analogic care merge la amplificator.
Astfel, încărcările unei linii din elemente CCD pot fi convertite într-un semnal analogic folosind un registru. În practică, registrul de deplasare secvențială în matrice CCD este realizat folosind aceleași elemente CCD construite pe un rând. Mai mult, funcționarea acestui dispozitiv se bazează pe capacitatea dispozitivelor cuplate de încărcare de a schimba încărcăturile potențialelor lor capcane. Acest proces se realizează datorită prezenței electrozilor de transfer specializați, care sunt plasați între elementele CCD adiacente. În momentul în care un potențial crescut este aplicat celui mai apropiat electrod, sarcina trece pe sub acesta din puțul de potențial. În același timp, între elementele CCD se află de obicei doi până la patru electrozi de transfer, al căror număr determină faza registrului de deplasare, numită bifazată, trifazată sau cu patru faze.
Alimentarea cu diferite potențiale la electrozii de transfer este sincronizată în așa fel încât tranziția sarcinilor capcanelor de potențial ale tuturor elementelor CCD ale registrului să fie efectuată aproape simultan. Deci, într-un „pas” de transfer, elementele CCD mută încărcăturile de-a lungul lanțului de la dreapta la stânga sau de la stânga la dreapta. În acest caz, elementul CCD cel mai exterior își dă sarcina amplificatorului, care este situat la ieșirea registrului. Astfel, devine destul de evident că un registru de deplasare serial este un dispozitiv de ieșire în serie, de intrare paralelă.
După ce procesul de citire a absolut toate taxele din registru este finalizat, devine posibil să trimiteți o nouă linie la intrarea sa, apoi alta și așa mai departe. Rezultatul este un semnal analogic continuu bazat pe un flux bidimensional de fotocurenți. După aceea, fluxul de intrare paralel către registrul de deplasare în serie este furnizat de o colecție de registre de deplasare în serie orientate vertical numite registru de deplasare în paralel. Întreaga structură asamblată este tocmai dispozitivul numit astăzi matrice CCD.
matricea CCD(prescurtat din " P ribor cu h aryadova Cu ligatură") sau matricea CCD(abreviat din Engleză CCD, „Charge-Coupled Device”) - analog specializat circuit integrat, constând din fotosensibile fotodiode, realizată pe bază siliciu folosind tehnologia CCD- dispozitive cu cuplaj de încărcare.
Matricele CCD sunt produse și utilizate în mod activ de companii Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philipsși multe altele. În Rusia, matricele CCD sunt astăzi dezvoltate și produse de NPP ELAR CJSC, St. Petersburg.
1 Istoria CCD 2 Structura generală și principiul de funcționare 3 Clasificare prin metoda tamponării 4 Clasificare după tipul de măturare 5 Dimensiunile matricelor fotografice 6 Unele tipuri speciale de matrice 7 Fotosensibilitate 8 Vezi si 9 Note |
Istoria CCD
Dispozitivul cuplat la încărcare a fost inventat în 1969 Willard BoyleȘi George Smith la Laboratoarele Bell (AT&T Laboratoarele Bell). Laboratoarele lucrau la video telefonie ( Engleză imagine telefon) și dezvoltarea „memoriei cu bule semiconductoare” ( Engleză semiconductor bule memorie ). Dispozitivele cuplate cu încărcare și-au început viața ca dispozitive de memorie în care o încărcare putea fi plasată doar în registrul de intrare al dispozitivului. Cu toate acestea, capacitatea elementului de memorie al dispozitivului de a primi o taxă datorită efect fotoelectric a făcut ca această aplicație a dispozitivelor CCD să fie cea principală.
ÎN 1970 cercetători Laboratoarele Bell a învățat să capteze imagini folosind dispozitive liniare simple.
Ulterior, sub conducerea lui Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama) companie Sony s-a implicat activ în CCD-uri, investind masiv în ele și a reușit să producă în masă CCD-uri pentru camerele sale video.
Iwama a murit în august 1982. Chip CCD a fost pus pe piatra funerară a lui pentru a comemora contribuțiile sale.
În ianuarie 2006 pentru lucrul la CCD W. BoyleȘi J. Smith au fost premiate Academia Națională de Inginerie din SUA (Engleză Naţional Academie de Inginerie).
ÎN 2009 aceşti creatori CCD au fost premiaţi Premiul Nobel pentru Fizică.
Structura generală și principiul de funcționare
Matricea CCD este formată din polisiliciu, separat de substratul de siliciu, în care, atunci când se aplică tensiune prin porți din polisiliciu, potențialele electrice din vecinătate se modifică electrozi.
Înainte de expunere, de obicei prin aplicarea unei anumite combinații de tensiuni la electrozi, toate sarcinile formate anterior sunt resetate și toate elementele sunt aduse într-o stare identică.
În continuare, combinația de tensiuni pe electrozi creează un puț de potențial în care se pot acumula electronii formați într-un anumit pixel al matricei ca urmare a expunerii la lumină în timpul expunerii. Cu cât fluxul luminos este mai intens în timpul expunere, cu atât se acumulează mai mult electroniîntr-un puț potențial, în consecință, cu atât sarcina finală a unui dat este mai mare pixel.
După expunere, modificările succesive ale tensiunii pe electrozi formează o distribuție de potențial în fiecare pixel și alături de acesta, care duce la fluxul de sarcină într-o direcție dată, către elementele de ieșire ale matricei.
Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n
Producătorii au arhitecturi de pixeli diferite.
Diagrama subpixelilor unei matrice CCD cu un buzunar de tip n (folosind exemplul unui fotodetector roșu)
Simboluri pe diagrama subpixeli CCD:
1 - Fotonii luminii care trec prin obiectivul camerei;
2 - Microlens subpixel;
3 - R - filtru subpixel roșu, fragment filtru Bayer;
4 - Electrod transparent din policristalin siliciu sau oxid de staniu;
5 - Izolator (oxid de siliciu);
6 - Canal de siliciu de tip N. Zona de generare a purtătorului (zonă cu efect fotoelectric intern);
7 - Zona sondei de potențial (buzunar de tip n), unde sunt colectați electronii din zona de generare a purtătorului;
8 - substrat de siliciu de tip p;
Clasificare prin metoda tamponării
[Senzori de transfer full frame
Matrici cu cadru tampon
Matrici cu tampon de coloană
Dimensiunile matricelor fotografice
Senzori de coordonate și unghi
Matrici retro-iluminate
În circuitul clasic CCD, care utilizează electrozi de siliciu policristalin, sensibilitatea la lumină este limitată datorită împrăștierii parțiale a luminii de către suprafața electrodului. Prin urmare, atunci când fotografiați în condiții speciale care necesită o fotosensibilitate crescută în regiunile albastre și ultraviolete ale spectrului, se folosesc matrici retroiluminate ( Engleză înapoi- iluminat matrice). La senzorii de acest tip, se înregistrează ușoară cade pe substrat, dar pentru efectul foto intern necesar, substratul este măcinat la o grosime de 10-15 µm. Această etapă de procesare a crescut semnificativ costul matricei; dispozitivele s-au dovedit a fi foarte fragile și au necesitat îngrijire sporită în timpul asamblarii și funcționării. Și atunci când folosiți filtre care slăbesc fluxul de lumină, toate operațiunile costisitoare de creștere a sensibilității devin lipsite de sens. Prin urmare, matricele retroiluminate sunt utilizate în principal în fotografie astronomică.
Fotosensibilitate
Sensibilitatea matricei constă în fotosensibilitatea tuturor ei senzori foto(pixeli) și, în general, depinde de:
fotosensibilitate integrală, care este raportul dintre cantitate efect fotoelectric La ușoară flux (în lumeni) de la o sursă de radiație cu compoziție spectrală normalizată;
fotosensibilitate monocromatică"- raportul de mărime efect fotoelectric la dimensiune ușoară energia radiației (în milielectronvolți) corespunzătoare unei anumite lungimi de undă;
set de toate valorile ISO monocromatice pentru piesa selectată spectru lumina este fotosensibilitatea spectrală- dependența fotosensibilității de lungimea de undă a luminii;
Senzorul este elementul principal al unei camere digitale
Inima oricărei camere video digitale sau foto (limitele dintre aceste tipuri de dispozitive se estompează acum treptat) este un senzor sensibil la lumină. Acesta convertește lumina vizibilă în semnale electrice care sunt utilizate pentru procesarea ulterioară de către circuitele electronice. Din cursul școlii de fizică știm că lumina poate fi considerată ca un flux de particule elementare - fotoni. Fotonii care lovesc suprafața unor materiale semiconductoare pot duce la formarea de electroni și găuri (amintim că o gaură în semiconductori este de obicei numită un loc liber pentru un electron, format ca urmare a rupturii legăturilor covalente dintre atomii unui semiconductor. substanţă). Procesul de generare a perechilor electron-gaură sub influența luminii este posibil numai în cazul în care energia fotonului este suficientă pentru a „smulge” un electron din nucleul „nativ” și a-l transfera în banda de conducție. Energia unui foton este direct legată de lungimea de undă a luminii incidente, adică depinde de așa-numita culoare a radiației. În intervalul de radiații vizibile (adică percepute de ochiul uman), energia fotonului este suficientă pentru a genera generarea de perechi electron-gaură în materiale semiconductoare, cum ar fi, de exemplu, siliciul.
Deoarece numărul de fotoelectroni produși este direct proporțional cu intensitatea fluxului de lumină, devine posibil să se relaționeze matematic cantitatea de lumină incidentă cu cantitatea de sarcină pe care o generează. Pe acest fenomen fizic simplu se bazează principiul de funcționare al senzorilor fotosensibili. Senzorul efectuează cinci operații de bază: absoarbe fotonii, îi convertește în sarcină, îi stochează, îi transmite și îi transformă în tensiune. În funcție de tehnologia de fabricație, diferiți senzori îndeplinesc sarcinile de stocare și acumulare a fotoelectronilor în moduri diferite. În plus, se pot folosi diverse metode pentru a converti electronii stocați într-o tensiune electrică (semnal analogic), care la rândul său este transformată într-un semnal digital.
senzori CCD
Din punct de vedere istoric, așa-numitele matrici CCD au fost primele care au fost folosite ca elemente fotosensibile pentru camerele video, producția în masă a cărora a început în 1973. Abrevierea CCD înseamnă dispozitiv cuplat cu încărcare; în literatura engleză este folosit termenul CCD (Charge-Coupled Device). Cel mai simplu senzor CCD este un condensator care poate acumula o sarcină electrică atunci când este expus la lumină. Un condensator convențional, format din două plăci metalice separate de un strat dielectric, nu va funcționa aici, așa-numitele condensatoare MOS sunt utilizate. În ceea ce privește structura lor internă, astfel de condensatoare sunt un sandviș de metal, oxid și semiconductor (și își iau numele de la primele litere ale componentelor utilizate). Siliciul de tip p dopat este folosit ca semiconductor, adică un semiconductor în care se formează găuri în exces datorită adăugării atomilor de impurități (doping). Deasupra semiconductorului este un strat subțire de dielectric (oxid de siliciu), iar deasupra este un strat de metal care acționează ca o poartă, dacă urmați terminologia tranzistoarelor cu efect de câmp (Fig. 1).
După cum sa menționat deja, sub influența luminii, perechile electron-gaură se formează într-un semiconductor. Cu toate acestea, odată cu procesul de generare, are loc și procesul invers - recombinarea găurilor și a electronilor. Prin urmare, trebuie luate măsuri pentru a separa electronii și găurile rezultate și pentru a le stoca pentru timpul necesar. La urma urmei, numărul de fotoelectroni formați este cel care transportă informații despre intensitatea luminii absorbite. Pentru asta sunt proiectate poarta și stratul dielectric izolator. Să presupunem că la poartă se aplică un potențial pozitiv. În acest caz, sub influența câmpului electric creat care pătrunde prin dielectric în semiconductor, găurile, care sunt principalii purtători de sarcină, vor începe să se îndepărteze de dielectric, adică în adâncimea semiconductorului. La interfața semiconductorului cu dielectricul, se formează o regiune epuizată de purtători majoritari, adică găuri, iar dimensiunea acestei regiuni depinde de mărimea potențialului aplicat. Această regiune epuizată este „depozitarea” fotoelectronilor. Într-adevăr, dacă un semiconductor este expus la lumină, atunci electronii și găurile rezultate se vor deplasa în direcții opuse - găuri în adâncimea semiconductorului și electronii către stratul de epuizare. Deoarece nu există găuri în acest strat, electronii vor rămâne acolo fără proces de recombinare pentru timpul necesar. Desigur, procesul de acumulare de electroni nu poate continua la infinit. Pe măsură ce numărul de electroni crește, se creează un câmp electric indus între aceștia și găurile încărcate pozitiv, îndreptate opus câmpului creat de poartă. Ca urmare, câmpul din interiorul semiconductorului scade la zero, după care procesul de separare spațială a găurilor și a electronilor devine imposibil. În consecință, formarea unei perechi electron-gaură este însoțită de recombinarea acesteia, adică numărul de electroni „informații” din stratul epuizat încetează să crească. În acest caz, putem vorbi despre supraumplerea capacității senzorului.
Senzorul pe care l-am considerat este capabil să îndeplinească două sarcini importante - conversia fotonilor în electroni și acumularea acestora. Rămâne de rezolvat problema transferului acestor electroni informaționali către blocurile de conversie corespunzătoare, adică problema regăsirii informațiilor.
Să ne imaginăm nu una, ci mai multe porți strâns distanțate pe suprafața aceluiași dielectric (Fig. 2). Lăsați electronii să se acumuleze sub una dintre porți ca rezultat al fotogenerării. Dacă se aplică un potențial pozitiv mai mare porții adiacente, atunci electronii vor începe să curgă în regiunea unui câmp mai puternic, adică se vor muta de la o poartă la alta. Acum ar trebui să fie clar că, dacă avem un lanț de porți, atunci prin aplicarea tensiunilor de control adecvate acestora, putem muta un pachet de încărcare localizat de-a lungul unei astfel de structuri. Pe acest principiu simplu se bazează dispozitivele cuplate la încărcare.
O proprietate remarcabilă a CCD-urilor este că, pentru a muta încărcătura acumulată, sunt suficiente doar trei tipuri de porți - una care transmite, una care primește și una care izolează, perechi de separare de recepție și transmisie una de cealaltă și porțile cu același nume ale unor astfel de tripleți. pot fi conectate între ele într-o singură magistrală de ceas care necesită un singur pin extern (Fig. 3). Acesta este cel mai simplu registru cu deplasare trifazată de pe un CCD.
Până acum, am considerat senzorul CCD doar într-un singur plan - de-a lungul secțiunii laterale. Ceea ce rămâne în afara câmpului nostru vizual este mecanismul de limitare a electronilor în direcția transversală, în care poarta este ca o bandă lungă. Având în vedere că iluminarea unui semiconductor este neuniformă într-o astfel de bandă, rata de producție de electroni sub influența luminii va varia pe lungimea porții. Dacă nu se iau măsuri pentru a localiza electronii în apropierea regiunii de formare a acestora, atunci, ca urmare a difuziei, concentrația de electroni se va nivela și informațiile despre modificările intensității luminii pe direcția longitudinală se vor pierde. Desigur, ar fi posibil ca dimensiunea porții să fie aceeași atât în direcția longitudinală, cât și în cea transversală, dar acest lucru ar necesita fabricarea prea multor porți pe matricea CCD. Prin urmare, pentru a localiza electronii rezultați în direcția longitudinală, se folosesc așa-numitele canale de oprire (Fig. 4), care sunt o bandă îngustă de semiconductor cu un conținut ridicat de dopanți. Cu cât concentrația de impurități este mai mare, cu atât se formează mai multe găuri în interiorul unui astfel de conductor (fiecare atom de impurități duce la formarea unei găuri). Dar concentrația de găuri determină la ce tensiune specifică de poartă se formează o regiune de epuizare sub ea. Este clar intuitiv că, cu cât concentrația de găuri într-un semiconductor este mai mare, cu atât este mai dificil să le adâncim.
Structura matricei CCD pe care am considerat-o se numește CCD cu un canal de transmisie de suprafață, deoarece canalul prin care se transmite sarcina acumulată este situat pe suprafața semiconductorului. Metoda de transmisie la suprafață are o serie de dezavantaje semnificative asociate cu proprietățile limitei semiconductoarelor. Faptul este că limitarea unui semiconductor în spațiu încalcă simetria ideală a rețelei sale cristaline cu toate consecințele care decurg. Fără să ne adâncim în complexitatea fizicii stării solide, observăm că o astfel de limitare duce la formarea de capcane de energie pentru electroni. Ca rezultat, electronii acumulați sub influența luminii pot fi capturați de aceste capcane în loc să fie transferați de la o poartă la alta. Printre altele, astfel de capcane pot elibera electroni în mod imprevizibil și nu întotdeauna atunci când sunt cu adevărat necesare. Se pare că semiconductorul începe să „facă zgomot” - cu alte cuvinte, numărul de electroni acumulați sub poartă nu va corespunde exact cu intensitatea radiației absorbite. Este posibil să se evite astfel de fenomene, dar pentru a face acest lucru, canalul de transfer în sine trebuie mutat mai adânc în conductor. Această soluție a fost implementată de specialiștii Philips în 1972. Ideea a fost că în regiunea de suprafață a semiconductorului de tip p a fost creat un strat subțire de semiconductor de tip n, adică un semiconductor în care principalii purtători de sarcină sunt electronii (Fig. 5).
Este bine cunoscut faptul că contactul a doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate duce la formarea unui strat de epuizare la limita joncțiunii. Acest lucru se întâmplă datorită difuzării găurilor și electronilor în direcții reciproc opuse și recombinării lor. Aplicarea unui potențial pozitiv la poartă crește dimensiunea regiunii de epuizare. Este caracteristic că acum regiunea de epuizare în sine, sau capacitatea fotoelectronilor, nu se află la suprafață și, prin urmare, nu există capcane de suprafață pentru electroni. Un astfel de canal de transfer se numește ascuns, iar toate CCD-urile moderne sunt fabricate cu un canal de transfer ascuns.
Principiile de bază de funcționare a unui senzor CCD pe care le-am luat în considerare sunt utilizate pentru a construi matrice CCD de diferite arhitecturi. Din punct de vedere structural, se pot distinge două scheme matrice principale: cu transfer cadru cu cadru și cu transfer interlinie.
Într-o matrice cu transfer cadru cu cadru, există două secțiuni echivalente cu același număr de rânduri: acumulare și stocare. Fiecare rând din aceste secțiuni este format din trei porți (emițătoare, receptoare și izolatoare). În plus, după cum sa menționat mai sus, toate liniile sunt separate de multe canale de oprire care formează celule de acumulare în direcția orizontală. Astfel, cel mai mic element structural al unei matrice CCD (pixel) este creat din trei porți orizontale și două canale de oprire verticale (Fig. 6).
În timpul expunerii, în secțiunea de acumulare se formează fotoelectroni. După aceasta, impulsurile de ceas aplicate porților transferă sarcinile acumulate din secțiunea de acumulare în secțiunea de stocare umbrită, adică întregul cadru este efectiv transferat. Prin urmare, această arhitectură se numește CCD de transfer de cadre. După transfer, secțiunea de stocare este ștearsă și poate reacumula încărcături, în timp ce din secțiunea de memorie taxele curg în registrul de citire orizontal. Structura registrului orizontal este similară cu structura senzorului CCD - aceleași trei porți pentru transferul de încărcare. Fiecare element al registrului orizontal are o conexiune de încărcare cu coloana corespunzătoare a secțiunii de memorie, iar pentru fiecare impuls de ceas din secțiunea de acumulare, întregul rând intră în registrul de citire, care este apoi transferat la amplificatorul de ieșire pentru procesare ulterioară.
Circuitul matricei CCD considerat are un avantaj incontestabil - un factor de umplere ridicat. Acest termen este de obicei folosit pentru a se referi la raportul dintre suprafața fotosensibilă a matricei și aria sa totală. Pentru matricele cu transfer cadru cu cadru, factorul de umplere ajunge la aproape 100%. Această caracteristică face posibilă crearea de dispozitive foarte sensibile pe baza acestora.
Pe lângă avantajele considerate, matricele cu transfer cadru cu cadru au și o serie de dezavantaje. În primul rând, observăm că procesul de transfer în sine nu poate fi efectuat instantaneu. Această circumstanță este cea care duce la o serie de fenomene negative. În timpul procesului de transfer de sarcină de la secțiunea de acumulare la secțiunea de stocare, prima rămâne iluminată și procesul de acumulare a fotoelectronilor continuă în ea. Acest lucru duce la faptul că zonele luminoase ale imaginii au timp să contribuie la pachetul de taxe străine chiar și în timpul scurt în care trece prin ele. Ca urmare, în cadru apar distorsiuni caracteristice sub formă de dungi verticale care se extind pe întregul cadru din zonele luminoase ale imaginii. Desigur, se pot folosi diverse trucuri pentru a combate astfel de fenomene, dar cea mai radicală metodă este separarea secțiunii de acumulare și a secțiunii de transfer, astfel încât transferul să aibă loc într-o zonă umbrită. Matricele acestei arhitecturi sunt numite CCD-uri cu transfer interlinie (Fig. 7).
Spre deosebire de matricea de transfer cadru cu cadru descrisă mai devreme, fotodiodele acționează aici ca elemente de stocare a sarcinii (fotodiodele vor fi discutate mai detaliat mai târziu). Sarcinile acumulate de fotodiode sunt transferate la elementele CCD umbrite, care efectuează transferul suplimentar de sarcină. Vă rugăm să rețineți că transferul întregului cadru de la fotodiode la registrele verticale de transfer CCD are loc într-un singur ciclu de ceas. Apare o întrebare firească: de ce a primit această arhitectură denumirea de cratimă interliniară (se folosește și termenul „cratima întrețesată”)? Pentru a înțelege originea numelui interlinei, precum și transferul cadru cu cadru, să ne amintim principiul de bază al afișării unei imagini pe ecranul de generare a semnalului video. Semnalul cadru constă din semnale de linie separate printr-un interval de linie, adică timpul necesar scanării fasciculului de electroni pe ecran pentru a se muta de la sfârșitul unei linii la începutul următoarei. Există, de asemenea, goluri între cadre - timpul necesar pentru a muta fasciculul de la sfârșitul ultimei linii până la începutul primei linii (tranziție la un nou cadru).
Dacă ne amintim de arhitectura unei matrice CCD cu transfer între cadre, devine clar că transferul unui cadru din secțiunea de acumulare în secțiunea de stocare are loc în timpul intervalului intercadru al semnalului video. Acest lucru este de înțeles, deoarece transferul întregului cadru va necesita o perioadă semnificativă de timp. Într-o arhitectură de transfer între linii, transmisia cadrelor are loc într-un singur ciclu de ceas și o perioadă scurtă de timp este suficientă pentru aceasta. Apoi, imaginea intră în registrul de deplasare orizontală, iar transmisia are loc linie cu linie în intervalele interlinie ale semnalului video.
Pe lângă cele două tipuri de matrice CCD discutate, există și alte scheme. De exemplu, o schemă care combină mecanismele intercadru și interlinie (transfer linie-cadru) este obținută prin adăugarea unei secțiuni de stocare la matricea CCD de transfer interlinie. În acest caz, transferul cadrului de la elementele fotosensibile are loc într-un ciclu de ceas în timpul intervalului interlinie, iar în timpul intervalului intercadre cadrul este transferat în secțiunea de stocare (transfer intercadre); Din secțiunea de stocare, cadrul este transferat în registrul de deplasare orizontală în timpul distanței dintre linii (transfer între cadre).
Recent, așa-numitele super-CCD (Super CCD-uri) s-au răspândit, folosind o arhitectură celulară originală formată din pixeli octogonali. Din acest motiv, suprafața de lucru a siliciului crește și densitatea pixelilor (numărul de pixeli CCD) crește. În plus, forma octogonală a pixelilor mărește aria suprafeței sensibile la lumină.
Senzori CMOS
Un tip de senzor fundamental diferit este așa-numitul senzor CMOS (CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor; în terminologia engleză - CMOS).
Arhitectura internă a senzorilor CMOS poate fi diferită. Astfel, fotodiodele, fototranzistoarele sau fotoporțile pot acționa ca un element fotosensibil. Indiferent de tipul de element fotosensibil, principiul separării găurilor și electronilor obținuți în timpul procesului de fotogenerare rămâne neschimbat. Să luăm în considerare cel mai simplu tip de fotodiodă, din care este ușor de înțeles principiul de funcționare al tuturor fotocelulelor.
Cea mai simplă fotodiodă este un contact între semiconductori de tip n și p. La interfața acestor semiconductori se formează o regiune de epuizare, adică un strat fără găuri și electroni. O astfel de regiune se formează ca urmare a difuzării purtătorilor de sarcină principali în direcții reciproc opuse. Găurile se deplasează de la p-semiconductor (adică din regiunea în care există un exces de ele) la n-semiconductor (adică în regiunea în care concentrația lor este scăzută), iar electronii se mișcă în direcția opusă, că este, de la semiconductorul n la semiconductorul p. semiconductor. Ca rezultat al acestei recombinări, găurile și electronii dispar și se creează o regiune de epuizare. În plus, ionii de impurități sunt expuși la limitele regiunii epuizate, iar în regiunea n ionii de impurități au o sarcină pozitivă, iar în regiunea p au o sarcină negativă. Aceste sarcini, distribuite de-a lungul limitei regiunii de epuizare, formează un câmp electric similar cu cel creat într-un condensator cu plăci paralele format din două plăci. Acest câmp îndeplinește funcția de separare spațială a găurilor și a electronilor formați în timpul fotogenerării. Prezența unui astfel de câmp local (numit și barieră potențială) este un punct fundamental în orice senzor fotosensibil (nu doar într-o fotodiodă).
Să presupunem că fotodioda este iluminată de lumină, iar lumina cade pe n-semiconductor, iar joncțiunea p-n este perpendiculară pe razele de lumină (Fig. 8). Fotoelectronii și fotogăurile vor difuza adânc în cristal, iar unii dintre ei, care nu au timp să se recombine, vor ajunge la suprafața joncțiunii pn. Cu toate acestea, pentru electroni, câmpul electric existent este un obstacol de netrecut - o barieră de potențial, astfel încât electronii nu vor putea depăși joncțiunea p-n. Găurile, dimpotrivă, sunt accelerate de câmpul electric și pătrund în regiunea p. Ca urmare a separării spațiale a găurilor și electronilor, regiunea n este încărcată negativ (fotoelectroni în exces), iar regiunea p este încărcată pozitiv (fotogăuri în exces).
Principala diferență dintre senzorii CMOS și senzorii CCD nu constă în metoda de acumulare a încărcăturii, ci în metoda transferului său ulterior. Tehnologia CMOS, spre deosebire de CCD, permite un număr mai mare de operații direct pe cipul pe care se află matricea fotosensibilă. Pe lângă eliberarea electronilor și transmiterea acestora, senzorii CMOS pot, de asemenea, să proceseze imagini, să evidențieze marginile imaginii, să reducă zgomotul și să efectueze conversii analog-digitale. Mai mult, este posibil să se creeze senzori CMOS programabili, prin urmare se poate obține un dispozitiv multifuncțional foarte flexibil.
O gamă atât de largă de funcții realizate de un singur cip este principalul avantaj al tehnologiei CMOS față de CCD. Acest lucru reduce numărul de componente externe necesare. Utilizarea unui senzor CMOS într-o cameră digitală vă permite să instalați alte cipuri în spațiul liber - de exemplu, procesoare de semnal digital (DSP) și convertoare analog-digitale.
Dezvoltarea rapidă a tehnologiilor CMOS a început în 1993, când au fost creați senzori activi de pixeli. Cu această tehnologie, fiecare pixel are propriul amplificator cu tranzistor de citire, care permite ca sarcina să fie convertită în tensiune direct la pixel. În plus, a devenit posibil accesul aleatoriu la fiecare pixel al senzorului (similar cu modul în care funcționează memoria cu acces aleatoriu). Încărcarea este citită de la pixelii activi ai senzorului CMOS folosind un circuit paralel (Fig. 9), care vă permite să citiți semnalul de la fiecare pixel sau dintr-o coloană de pixeli direct. Accesul aleatoriu permite senzorului CMOS să citească nu numai întreaga matrice, ci și zonele selectate (metoda de citire în fereastră).
În ciuda avantajelor aparente ale matricelor CMOS față de CCD (principalul fiind prețul mai mic), acestea au și o serie de dezavantaje. Prezența unor circuite suplimentare pe cipul matricei CMOS duce la apariția unui număr de zgomote, cum ar fi împrăștierea tranzistorului și a diodei, precum și efectul sarcinii reziduale, adică matricele CMOS astăzi sunt mai zgomotoase. Prin urmare, în viitorul apropiat, camerele digitale profesionale vor folosi matrici CCD de înaltă calitate, iar senzorii CMOS intră pe piața dispozitivelor mai ieftine, care, în special, includ camere Web.
Cum se obține culoarea
Senzorii fotosensibili discutați mai sus sunt capabili să răspundă doar la intensitatea luminii absorbite - cu cât este mai mare intensitatea, cu atât mai mare se acumulează încărcătura. Apare o întrebare firească: cum se obține o imagine color?
Pentru a permite camerei să distingă culorile, o serie de filtre de culoare (CFA, matrice de filtre de culoare) este aplicată direct pixelului activ. Principiul unui filtru de culoare este foarte simplu: permite trecerea doar luminii de o anumită culoare (cu alte cuvinte, doar luminii cu o anumită lungime de undă). Dar de câte astfel de filtre vor fi necesare dacă numărul de nuanțe de culori diferite este practic nelimitat? Se dovedește că orice nuanță de culoare poate fi obținută prin amestecarea mai multor culori primare (de bază) în anumite proporții. În cel mai popular model aditiv, RGB (Roșu, Verde, Albastru), există trei astfel de culori: roșu, verde și albastru. Aceasta înseamnă că sunt necesare doar trei filtre de culoare. Rețineți că modelul de culoare RGB nu este singurul, dar marea majoritate a camerelor Web digitale îl folosesc.
Cele mai populare sunt matricele de filtre de tip Bayer. În acest sistem, filtrele roșu, verde și albastru sunt eșalonate, iar numărul de filtre verzi este de două ori mai mare decât roșu sau albastru. Aranjamentul este astfel încât filtrele roșu și albastru să fie situate între cele verzi (Fig. 10).
Acest raport de filtre verde, roșu și albastru se explică prin particularitățile percepției vizuale umane: ochii noștri sunt mai sensibili la culoarea verde.
În camerele CCD, combinația a trei canale de culoare se realizează în dispozitivul de formare a imaginii după conversia semnalului din analog în digital. În senzorii CMOS, această combinație poate apărea și direct pe cip. În ambele cazuri, culorile primare ale fiecărui filtru sunt interpolate matematic pe baza culorilor filtrelor învecinate. Prin urmare, pentru a obține culoarea adevărată a unui pixel de imagine, este necesar să se cunoască nu numai intensitatea luminii care trece prin filtrul de lumină al acestui pixel, ci și valorile intensităților luminii care trece prin filtrele de lumină. a pixelilor din jur.
După cum sa menționat deja, modelul de culoare RGB folosește trei culori primare, cu care puteți obține orice nuanță a spectrului vizibil. Câte nuanțe pot distinge camerele digitale? Numărul maxim de nuanțe de culoare diferite este determinat de adâncimea culorii, care, la rândul său, este determinată de numărul de biți utilizați pentru a codifica culoarea. Popularul model RGB 24, cu o adâncime de culoare de 24 de biți, alocă 8 biți pentru fiecare culoare. Cu 8 biți, pot fi specificate 256 de culori diferite pentru roșu, verde și, respectiv, albastru. Fiecărei nuanțe i se atribuie o valoare de la 0 la 255. De exemplu, culoarea roșie poate avea 256 de gradări: de la roșu pur (255) la negru (0). Valoarea maximă a codului corespunde unei culori pure, iar codul pentru fiecare culoare este de obicei plasat în următoarea ordine: roșu, verde și albastru. De exemplu, codul pentru roșu pur este scris ca (255, 0, 0), codul pentru verde este (0, 255, 0), iar codul pentru albastru este (0, 0, 255). Galbenul poate fi obținut amestecând roșu și verde, iar codul său este scris ca (255, 255, 0).
Pe lângă modelul RGB, modelele YUV și YСrCb, care sunt similare între ele și se bazează pe separarea semnalelor de luminozitate și culoare, au găsit și o utilizare pe scară largă. Semnalul Y este un semnal de luminanță care este determinat prin amestecarea roșu, verde și albastru. Semnalele U și V (Cr, Cb) sunt diferențe de culoare. Astfel, semnalul U este aproape de diferența dintre componentele albastru și galben ale unei imagini color, iar semnalul V este aproape de diferența dintre componentele roșie și verde ale unei imagini color.
Principalul avantaj al modelului YUV (YCrCb) este că această metodă de codare, deși mai complexă decât RGB, necesită o lățime de bandă mai mică. Faptul este că sensibilitatea ochiului uman la componentele de luminozitate Y-componentă și componentele de diferență de culoare nu este aceeași, așa că pare destul de acceptabil să se efectueze această transformare cu subțierea (intercalarea) componentelor diferenței de culoare, atunci când Y -componentele sunt calculate pentru un grup de patru pixeli adiacenți (2×2), iar componentele de diferență de culoare sunt utilizate în comun (așa-numita schemă 4:1:1). Este ușor de calculat că deja schema 4:1:1 vă permite să reduceți fluxul de ieșire la jumătate (în loc de 12 octeți pentru patru pixeli adiacenți, șase sunt suficienți). În codificarea YUV 4:2:2, un semnal de luminanță este transmis pentru fiecare punct, dar semnalele cromatice U și V sunt transmise numai pentru fiecare al doilea punct din linie.
Cum funcționează cele digitale
Camere web
Principiul de funcționare al tuturor tipurilor de camere digitale este aproximativ același. Să luăm în considerare o diagramă tipică a celei mai simple camere Web, a cărei diferență principală față de alte tipuri de camere este prezența unei interfețe USB pentru conectarea la un computer.
Pe langa sistemul optic (lentila) si senzorul fotosensibil CCD sau CMOS, este necesar sa existe un convertor analog-digital (ADC), care converteste semnalele analogice ale senzorului fotosensibil intr-un cod digital. În plus, este necesar și un sistem pentru formarea unei imagini color. Un alt element important al camerei este circuitul responsabil cu compresia datelor și pregătirea pentru transmiterea în formatul necesar. De exemplu, în camera web în cauză, datele video sunt transmise computerului printr-o interfață USB, deci trebuie să existe un controler de interfață USB la ieșire. Schema bloc a unei camere digitale este prezentată în Fig. unsprezece .
Un convertor analog-digital este conceput pentru a eșantiona un semnal analogic continuu și este caracterizat de o frecvență de eșantionare care determină intervalele de timp la care este măsurat semnalul analogic, precum și adâncimea de biți a acestuia. Lățimea ADC este numărul de biți utilizați pentru a reprezenta fiecare eșantion de semnal. De exemplu, dacă este utilizat un ADC de 8 biți, atunci 8 biți sunt utilizați pentru a reprezenta semnalul, ceea ce permite 256 de gradări ale semnalului original să fie distinse. Când se utilizează un ADC de 10 biți, este posibil să se facă distincția între 1024 de gradări diferite ale unui semnal analogic.
Datorită lățimii de bandă reduse a USB 1.1 (doar 12 Mbit/s, din care camera web nu folosește mai mult de 8 Mbit/s), datele trebuie comprimate înainte de a fi transferate pe un computer. De exemplu, cu o rezoluție a cadrului de 320x240 pixeli și o adâncime de culoare de 24 de biți, dimensiunea cadrului necomprimat va fi de 1,76 Mbit. Cu o lățime de bandă USB de 8 Mbps, rata maximă de transfer a semnalului necomprimat este de numai 4,5 cadre pe secundă, iar pentru videoclipuri de înaltă calitate, este necesară o rată de transfer de 24 sau mai multe cadre pe secundă. Astfel, devine clar că fără compresia hardware a informațiilor transmise, funcționarea normală a camerei este imposibilă.
Conform documentației tehnice, acest senzor CMOS are o rezoluție de 664x492 (326.688 pixeli) și poate funcționa cu până la 30 de cadre pe secundă. Senzorul acceptă atât tipurile de scanare progresivă, cât și orizontală și oferă un raport semnal-zgomot de peste 48 dB.
După cum se poate vedea din diagrama bloc, blocul de formare a culorii (procesor de semnal analogic) are două canale - RGB și YСrCb, iar pentru modelul YСrCb semnalele de luminozitate și diferența de culoare sunt calculate folosind formulele:
Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,
Cr = 0,713 × (R – Y),
Cb = 0,564 × (B – Y).
Semnalele analogice RGB și YCrCb generate de procesorul de semnal analogic sunt procesate de două ADC-uri de 10 biți, fiecare funcționând la 13,5 MSPS, oferind sincronizare la viteza pixelilor. Odată digitalizate, datele sunt trimise la un convertor digital care produce date video în format YUV 4:2:2 de 16 biți sau Y 4:0:0 de 8 biți, care este trimis la portul de ieșire printr-un format de 16 biți sau Autobuz de 8 biți.
În plus, senzorul CMOS în cauză are o gamă largă de capabilități de corectare a imaginii: sunt furnizate balansul de alb, controlul expunerii, corecția gama, corecția culorilor etc. Funcționarea senzorului poate fi controlată prin interfața SCCB (Serial Camera Control Bus).
Microcircuit OV511+, a cărui diagramă bloc este prezentată în Fig. 13, este un controler USB.
Controlerul vă permite să transferați date video printr-o magistrală USB la viteze de până la 7,5 Mbit/s. Este ușor de calculat că o astfel de lățime de bandă nu va permite transmiterea unui flux video la o viteză acceptabilă fără compresie preliminară. De fapt, compresia este scopul principal al controlerului USB. Oferind compresia necesară în timp real până la un raport de compresie de 8:1, controlerul vă permite să transmiteți un flux video cu o viteză de 10-15 cadre pe secundă la o rezoluție de 640x480 și cu o viteză de 30 de cadre pe secundă la o rezoluție de 320x240 și mai mică.
Blocul OmniCE, care implementează un algoritm de compresie proprietar, este responsabil pentru compresia datelor. OmniCE oferă nu numai viteza de flux video necesară, ci și decompresie rapidă cu încărcare minimă a procesorului (cel puțin conform dezvoltatorilor). Raportul de compresie oferit de blocul OmniCE variază de la 4 la 8, în funcție de viteza de flux video necesară.
ComputerPress 12"2001
