(gjuhë: 'ru')
Vazhdoj bisedën për pajisjen e nisur në publikimin e mëparshëm.
Një nga elementët kryesorë të një aparati fotografik dixhital që e dallon atë nga kamerat filmike është elementi fotosensitiv, i ashtuquajturi intensifikues i imazhit ose fotosensitive. Kamera dixhitale. Ne kemi folur tashmë për matricat e kamerës, por tani le të shohim strukturën dhe parimin e funksionimit të matricës në pak më shumë detaje, megjithëse mjaft sipërfaqësisht, në mënyrë që të mos e lodhim shumë lexuesin.
Në ditët e sotme, shumica e kamerave dixhitale janë të pajisura me matricat CCD.
matrica CCD. Pajisja. Parimi i funksionimit.
Le ta shohim pajisjen në terma të përgjithshëm matricat CCD.
Dihet se gjysmëpërçuesit ndahen në gjysmëpërçues të tipit n dhe të tipit p. Një gjysmëpërçues i tipit n ka një tepricë të elektroneve të lira, ndërsa një gjysmëpërçues i tipit p ka një tepricë ngarkesash pozitive, "vrima" (dhe për rrjedhojë mungesë elektronesh). E gjithë mikroelektronika bazohet në ndërveprimin e këtyre dy llojeve të gjysmëpërçuesve.
Pra, elementi Matricat CCD të një aparati fotografik dixhitalështë rregulluar si më poshtë. Shih Fig.1:
Fig.1
Pa hyrë në detaje, një element CCD ose një pajisje e lidhur me ngarkesë, në transkriptimin anglisht: charge-coupled-device - CCD, është një kondensator MIS (metal-dielektrik-gjysmëpërçues). Ai përbëhet nga një substrat i tipit p - një shtresë silikoni, një izolues i dioksidit të silikonit dhe pllaka elektrodë. Kur një potencial pozitiv aplikohet në njërën prej elektrodave, nën të formohet një zonë që është e varfëruar nga bartësit kryesorë - vrimat, pasi ato shtyhen nga fusha elektrike nga elektroda më thellë në nënshtresë. Kështu, nën këtë elektrodë formohet një pus potencial, d.m.th., një zonë energjie e favorshme për lëvizjen e transportuesve të pakicës - elektroneve - në të. Një ngarkesë negative grumbullohet në këtë vrimë. Mund të ruhet në këtë pus për një kohë mjaft të gjatë për shkak të mungesës së vrimave në të dhe, për rrjedhojë, arsyeve të rikombinimit të elektroneve.
Në fotosensitive matricat Elektrodat janë filma të silikonit polikristaline, transparente në zonën e dukshme të spektrit.
Fotonet e dritës që bien në matricë hyjnë në nënshtresën e silikonit, duke formuar një çift vrimë-elektroni në të. Vrimat, siç u përmend më lart, zhvendosen më thellë në substrat dhe elektronet grumbullohen në pusin e mundshëm.
Ngarkesa e akumuluar është proporcionale me numrin e fotoneve që bien në element, d.m.th., intensiteti i fluksit të dritës. Kështu, në matricë krijohet një lehtësim ngarkese, që korrespondon me imazhin optik.
Lëvizja e ngarkesave në matricën CCD.
Çdo element CCD ka disa elektroda në të cilat aplikohen potenciale të ndryshme.
Kur një potencial më i madh se ai i aplikuar në këtë elektrodë aplikohet në elektrodën ngjitur (shih Fig. 3), nën të formohet një pus potencial më i thellë, në të cilin lëviz ngarkesa nga pusi i parë potencial. Në këtë mënyrë, ngarkesa mund të lëvizë nga një qelizë CCD në tjetrën. Elementi CCD i paraqitur në figurën 3 quhet trefazor; ka edhe elementë 4fazor.
Fig.4. Skema e funksionimit të një pajisjeje trefazore të lidhur me ngarkesë - një regjistër ndërrimi.
Për të kthyer ngarkesat në impulse aktuale (fotorryma), përdoren regjistrat e zhvendosjes serike (shih Fig. 4). Ky regjistër ndërrimi është një rresht elementësh CCD. Amplituda e impulseve aktuale është proporcionale me sasinë e ngarkesës së transferuar, dhe në këtë mënyrë proporcionale me fluksin e dritës rënëse. Sekuenca e pulseve aktuale të krijuara nga leximi i sekuencës së ngarkesave aplikohet më pas në hyrjen e amplifikatorit.
Vargjet e elementeve CCD të ndarë ngushtë janë të kombinuara në matrica CCD. Funksionimi i një matrice të tillë bazohet në krijimin dhe transferimin e ngarkesës lokale në puset e mundshme të krijuara nga një fushë elektrike.
Fig.5.
Ngarkesat e të gjithë elementëve CCD të regjistrit lëvizin në mënyrë sinkronike në elementët CCD ngjitur. Ngarkesa që ishte në qelizën e fundit del nga regjistri dhe më pas futet në hyrjen e amplifikatorit.
Hyrja e një regjistri të ndërrimit serik merr ngarkesa nga regjistrat e ndërrimit të rregulluar pingul, të cilët së bashku quhen regjistër ndërrimi paralel. Regjistrat e zhvendosjes paralele dhe serike përbëjnë matricën CCD (shih Fig. 4).
Regjistrat e zhvendosjes pingul me regjistrin serial quhen kolona.
Lëvizja e ngarkesave të regjistrit paralel është rreptësisht e sinkronizuar. Të gjitha tarifat në një rresht zhvendosen njëkohësisht në atë ngjitur. Ngarkesat e rreshtit të fundit hyjnë në regjistrin sekuencial. Kështu, në një cikël funksionimi, një varg ngarkesash nga regjistri paralel arrin në hyrjen e regjistrit serial, duke liruar hapësirë për ngarkesat e sapoformuara.
Funksionimi i regjistrave serialë dhe paralelë sinkronizohet nga një gjenerator i orës. Pjesë matrica e kamerave dixhitale Ai përfshin gjithashtu një mikroqark që furnizon me potencial elektrodat e transferimit të regjistrit dhe kontrollon funksionimin e tyre.
Një tub përforcues imazhi i këtij lloji quhet një matricë CCD me kornizë të plotë. Për funksionimin e tij, është e nevojshme të keni një mbulesë rezistente ndaj dritës, e cila fillimisht hap tubin e intensifikimit të imazhit për ekspozimin ndaj dritës, pastaj, kur të ketë marrë numrin e fotoneve të nevojshme për të grumbulluar një ngarkesë të mjaftueshme në elementët e matricës, ai mbyllet. atë nga drita. Ky mbulesë është një grilë mekanike, si në kamerat filmike. Mungesa e një porte të tillë çon në faktin se kur ngarkesat lëvizin në regjistrin e zhvendosjes, qelizat vazhdojnë të rrezatohen me dritë, duke shtuar elektrone shtesë në ngarkesën e secilit piksel që nuk korrespondojnë me fluksin e dritës të një pike të caktuar. Kjo çon në "njollosjen" e ngarkesës dhe, në përputhje me rrethanat, në shtrembërimin e imazhit që rezulton.
Konvertuesit fotoelektrikë në gjendje të ngurtë (SPEC) të imazheve janë analoge të CRT-ve transmetuese.
TFEC datojnë në vitin 1970, me të ashtuquajturat CCD dhe formohen në bazë të qelizave individuale, të cilat janë kondensatorë të strukturës MIS ose MOS. Një nga pllakat e një kondensatori të tillë elementar është një film metalik M, i dyti është një substrat gjysmëpërçues P ( fq- ose n-përçueshmëria), dielektriku D është një gjysmëpërçues i depozituar në formën e një shtrese të hollë në nënshtresën P. Nënshtresa P është silikon i dopuar me pranues ( fq-lloj) ose donator ( n-lloj) papastërti, dhe si D – oksid silikoni SiO 2 (shih Fig. 8.8).
Oriz. 8.8. Kondensator MOS
Oriz. 8.9. Lëvizja e ngarkesave nën ndikimin e një fushe elektrike
Oriz. 8.10. Parimi i punës së sistemit CCD trefazor
Oriz. 8.11. Lëvizja e ngarkesave në një sistem CCD dyfazor
Kur voltazhi aplikohet në një elektrodë metalike, nën të formohet një "xhep" ose një pus potencial, në të cilin transportuesit e pakicës (në rastin tonë, elektronet) mund të "akumulohen", dhe transportuesit e shumicës, vrimat, do të zmbrapsen nga M. Në një farë distance nga sipërfaqja, përqendrimi i bartësve të pakicës mund të jetë më i lartë se përqendrimi i bartësve kryesorë. Pranë dielektrikut D, në nënshtresën P shfaqet një shtresë inversioni, në të cilën lloji i përçueshmërisë ndryshon në të kundërtën.
Paketa e ngarkimit në CCD mund të futet në mënyrë elektrike ose duke përdorur gjenerimin e dritës. Gjatë gjenerimit të dritës, proceset fotoelektrike që ndodhin në silikon do të çojnë në akumulimin e bartësve të pakicës në puset e mundshme. Ngarkesa e akumuluar është proporcionale me ndriçimin dhe kohën e akumulimit. Transferimi i drejtimit të ngarkesës në CCD arrihet duke vendosur kondensatorët MOS aq afër njëri-tjetrit sa që rajonet e tyre të varfërimit të mbivendosen dhe puset potenciale të lidhen. Në këtë rast, tarifa celulare e transportuesve të pakicave do të grumbullohet në vendin ku pusi potencial është më i thellë.
Lëreni një ngarkesë të grumbullohet nën elektrodë nën ndikimin e dritës U 1 (shih Fig. 8.9). Nëse tani tek elektroda ngjitur U 2 aplikoni tension U 2 > U 1, atëherë një vrimë tjetër e mundshme do të shfaqet afër, më e thellë ( U 2 > U 1). Një rajon i fushës elektrike do të lindë midis tyre dhe bartësit e pakicës (elektronet) do të lëvizin (rrjedhin) në një "xhep" më të thellë (shih Fig. 8.9). Për të eliminuar dydrejtimin në transferimin e ngarkesave, përdoret një sekuencë elektrodash, të kombinuara në grupe prej 3 elektrodash (shih Fig. 8.10).
Nëse, për shembull, një ngarkesë është grumbulluar nën elektrodën 4 dhe është e nevojshme ta transferoni atë në të djathtë, atëherë një tension më i lartë aplikohet në elektrodën e djathtë 5 ( U 2 > U 1) dhe ngarkesa rrjedh në të, etj.
Pothuajse i gjithë grupi i elektrodave është i lidhur me tre autobusë:
Unë – 1, 4, 7,…
II - 2, 5, 8,…
III – 3, 6, 9,…
Në rastin tonë, tensioni "pritës" ( U 2) do të jetë në elektroda 2 dhe 5, por elektroda 2 ndahet nga elektroda 4, ku ruhet ngarkesa, nga elektroda 3 (e cila
U 3 = 0), kështu që nuk do të ketë rrjedhje në të majtë.
Funksionimi me tre cikle CCD përfshin praninë e tre elektrodave (qelizave) për element të imazhit të televizorit, gjë që redukton zonën e përdorshme të përdorur nga fluksi i dritës. Për të reduktuar numrin e qelizave CCD (elektroda), elektrodat metalike dhe një shtresë dielektrike formohen në formë të shkallëzuar (shih Fig. 8.11). Kjo lejon, kur impulset e tensionit aplikohen në elektroda, të krijohen puse potenciale me thellësi të ndryshme nën pjesë të ndryshme të elektrodave. Shumica e ngarkesave nga qeliza fqinje derdhen në vrimën më të thellë.
Me një sistem CCD dyfazor, numri i elektrodave (qelizave) në matricë zvogëlohet me një të tretën, gjë që ka një efekt të dobishëm në leximin e lehtësimit të mundshëm.
CCD-të fillimisht u propozuan për t'u përdorur në informatikë si pajisje ruajtëse dhe regjistra ndërrimi. Në fillim të zinxhirit, u vendos një diodë injeksioni, duke futur një ngarkesë në sistem, dhe në fund të zinxhirit - një diodë dalëse, zakonisht n-p- ose p-n- tranzicionet e strukturave MOS që formojnë transistorë me efekt në terren me elektrodat (qelizat) e parë dhe të fundit të një zinxhiri CCD.
Por shpejt u bë e qartë se CCD-të janë shumë të ndjeshëm ndaj dritës, dhe për këtë arsye ato janë më të mira dhe më efikase për t'u përdorur si detektorë drite, sesa si pajisje ruajtëse.
Nëse një matricë CCD përdoret si një fotodetektor, atëherë akumulimi i ngarkesës nën një ose një elektrodë tjetër mund të kryhet duke përdorur metodën optike (injeksion drite). Mund të themi se CCD-të janë në thelb regjistra të zhvendosjes analoge të ndjeshme ndaj dritës. Sot, CCD-të nuk përdoren si pajisje ruajtëse (pajisje memorie), por vetëm si fotodetektorë. Ato përdoren në makinat e faksit, skanerët (vargjet CCD) dhe kamerat dhe kamerat video (vargjet CCD). Në mënyrë tipike, kamerat televizive përdorin të ashtuquajturat çipa CCD.
Ne supozuam se 100% e tarifave transferohen në xhepin ngjitur. Megjithatë, në praktikë duhet të llogarisim me humbje. Një nga burimet e humbjeve janë "kurthe" që mund të kapin dhe mbajnë ngarkesa për ca kohë. Këto ngarkesa nuk kanë kohë të derdhen në xhepin fqinj nëse shpejtësia e transmetimit është e lartë.
Arsyeja e dytë është vetë mekanizmi i rrjedhës. Në momentin e parë, transferimi i ngarkesës ndodh në një fushë të fortë elektrike - zhvendosje brenda E. Megjithatë, ndërsa ngarkesat rrjedhin, forca e fushës bie dhe procesi i lëvizjes zbehet, kështu që pjesa e fundit lëviz për shkak të difuzionit, 100 herë më ngadalë se lëvizja. Të presësh për pjesën e fundit do të thotë ulje e performancës. Drift siguron më shumë se 90% të transferimit. Por është përqindja e fundit që është kryesore në përcaktimin e humbjeve.
Le të jetë i barabartë koeficienti i transmetimit të një cikli transferimi k= 0,99, duke supozuar numrin e cikleve të barabartë N= 100, ne përcaktojmë koeficientin total të transmetimit:
0,99 100 = 0,366
Është e qartë se me një numër të madh elementësh, edhe humbjet e vogla në një element bëhen të një rëndësie të madhe për zinxhirin në tërësi.
Prandaj, çështja e zvogëlimit të numrit të transferimeve të ngarkesave në matricën CCD është veçanërisht e rëndësishme. Në këtë drejtim, koeficienti i transferimit të ngarkesës së një matrice CCD dyfazor do të jetë pak më i lartë se në një sistem trefazor.
Çfarë është një matricë CCD?
Matrica CCD / Pajisja me ngarkim ose matrica CCD / Pajisja e çiftuar me ngarkesë është një qark i integruar analog që përmban fotodioda fotosensitive të bëra nga silikoni ose oksid kallaji. Parimi i funksionimit të këtij mikroqarku bazohet në teknologjinë e pajisjes me ngarkim (CCD).
Historia e matricës CCD
Pajisja e lidhur me karikimin u përdor për herë të parë nga George Smith dhe Willard Boyle në Bell Laboratories të korporatës më të madhe amerikane AT&T Bell Labs në vitin 1969. Ata kryen kërkime në fushën e videotelefonisë dhe të ashtuquajturës "memorie flluskash gjysmëpërçuese".
Së shpejti, pajisjet miniaturë u përhapën mjaft dhe filluan të përdoren si pajisje memorie në të cilat ngarkesa vendosej në regjistrin e hyrjes së mikroqarkut. Pas ca kohësh, aftësia e një elementi memorie për të marrë një ngarkesë për shkak të efektit fotoelektrik u bë qëllimi kryesor për përdorimin e pajisjeve CCD.
Një vit më vonë, në vitin 1970, studiuesit nga i njëjti Laborator ishin në gjendje të kapnin imazhe duke përdorur pajisjet më të thjeshta lineare, të cilat inxhinierët e Sony i miratuan në të vërtetë. Kjo kompani është ende duke punuar në mënyrë aktive në fushën e teknologjive CCD, duke investuar investime të mëdha financiare në këtë fushë dhe duke zhvilluar në çdo mënyrë të mundshme prodhimin e matricave CCD për videokamerat e saj. Nga rruga, çipi CCD u instalua në gurin e varrit të CEO të Sony, Kazuo Iwama, i cili vdiq në 1982. Në fund të fundit, ishte ai që qëndroi në origjinën e fillimit të prodhimit masiv të matricave CCD.
Kontributi i shpikësve të matricës CCD nuk kaloi pa u vënë re; në vitin 2006, Willard Boyle dhe George Smith morën një çmim nga Akademia Kombëtare e Inxhinierisë së SHBA-së për zhvillimet e tyre në këtë fushë, dhe në vitin 2009 ata u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë. .
Parimi i funksionimit të matricës CCD
Matrica CCD është bërë pothuajse tërësisht nga polisilikoni, i cili fillimisht u nda nga nënshtresa e silikonit me një membranë të veçantë. Kur voltazhi aplikohet në membranë përmes portave të polisilikonit, potencialet elektrike të vendosura pranë elektrodave të përcjellësit ndryshojnë shumë.
Para ekspozimit dhe aplikimit të një fuqie të caktuar tensioni në elektroda, të gjitha ngarkesat që janë formuar më herët rivendosen dhe të gjithë elementët shndërrohen në një gjendje identike ose origjinale.
Kombinimi i tensioneve në elektroda krijon një rezervë potenciale ose të ashtuquajtur pus, ku elektronet grumbullohen në një piksel të caktuar të matricës gjatë ekspozimit nën ndikimin e rrezeve të dritës. Në varësi të intensitetit të fluksit të dritës, përcaktohet edhe vëllimi i elektroneve të grumbulluara në pusin potencial, kështu që sa më i madh të jetë, aq më e lartë do të jetë fuqia e ngarkesës përfundimtare të një piksel të caktuar.
Pas përfundimit të ekspozimit, ndryshimet e njëpasnjëshme në tensionin e furnizimit të elektrodave ndodhin në secilin piksel individual, pranë të cilit vërehet një shpërndarje potenciale, si rezultat i së cilës ngarkesat lëvizin në një drejtim të caktuar - në pikselët dalës të matricës CCD.
Përbërja e elementeve të matricës CCD
Në terma të përgjithshëm, dizajni i një elementi CCD mund të përfaqësohet si një substrat silikoni i tipit p i pajisur me kanale gjysmëpërçuese të tipit n. Mbi këto kanale janë elektroda polikristalore silikoni me një membranë izoluese të oksidit të silikonit.
Pas aplikimit të një potenciali elektrik në këto elektroda, një kurth potencial (pus) shfaqet në zonën e dobësuar nën kanalin e tipit n. Detyra e tij kryesore është të ruajë elektronet. Një grimcë drite që hyn në silikon provokon gjenerimin e elektroneve, të cilat tërhiqen nga kurthi i mundshëm dhe mbeten në të. Një numër i madh fotonesh ose dritë e ndritshme siguron një ngarkesë të fuqishme në kurth, pas së cilës është e nevojshme të llogaritet dhe të përforcohet vlera e ngarkesës që rezulton, të cilën ekspertët e quajnë fotorrymë.
Procesi i leximit të fotorrymave të elementeve CCD kryhet me të ashtuquajturit regjistra të zhvendosjes serike, të cilët shndërrojnë një varg ngarkesash në hyrje në një seri pulsesh në dalje. Ky rrymë pulsi është në fakt një sinjal analog që shkon në amplifikator.
Kështu, ngarkesat e një linje nga elementët CCD mund të shndërrohen në një sinjal analog duke përdorur një regjistër. Në praktikë, regjistri i zhvendosjes sekuenciale në matricat CCD kryhet duke përdorur të njëjtat elementë CCD të ndërtuar në një rresht. Për më tepër, funksionimi i kësaj pajisjeje bazohet në aftësinë e pajisjeve të lidhura me ngarkesë për të shkëmbyer ngarkesat e kurtheve të tyre të mundshme. Ky proces kryhet për shkak të pranisë së elektrodave të specializuara të transferimit, të cilat vendosen midis elementëve CCD ngjitur. Në momentin që një potencial i rritur aplikohet në elektrodën më të afërt, ngarkesa kalon nën të nga pusi potencial. Në të njëjtën kohë, dy deri në katër elektroda transferuese zakonisht ndodhen midis elementeve CCD, numri i të cilave përcakton fazën e regjistrit të ndërrimit, të quajtur dyfazor, trefazor ose katërfazor.
Furnizimi i potencialeve të ndryshme në elektrodat e transferimit sinkronizohet në atë mënyrë që kalimi i ngarkesave të kurtheve potenciale të të gjithë elementëve CCD të regjistrit të kryhet pothuajse njëkohësisht. Pra, në një "hap" transferimi, elementët CCD lëvizin ngarkesat përgjatë zinxhirit nga e djathta në të majtë ose nga e majta në të djathtë. Në këtë rast, elementi më i jashtëm CCD i jep ngarkesën e tij amplifikatorit, i cili ndodhet në daljen e regjistrit. Kështu, bëhet mjaft e qartë se një regjistër i zhvendosjes serike është një pajisje dalëse serike, hyrje paralele.
Pas përfundimit të procesit të leximit të absolutisht të gjitha tarifave nga regjistri, bëhet e mundur të dërgohet një rresht i ri në hyrjen e tij, pastaj një tjetër, e kështu me radhë. Rezultati është një sinjal analog i vazhdueshëm i bazuar në një rrjedhë dy-dimensionale të rrymave foto. Më pas, rryma hyrëse paralele në regjistrin e zhvendosjes serike sigurohet nga një koleksion regjistrash të ndërrimit serial të orientuar vertikalisht të quajtur regjistër i zhvendosjes paralele. E gjithë kjo strukturë e montuar është pikërisht pajisja që sot quhet matricë CCD.
matrica CCD(shkurtuar nga " P ribor me h aryadova Me ligatura") ose matrica CCD(shkurtuar nga anglisht CCD, "Pajisja e bashkuar me ngarkim") - analog i specializuar qark i integruar, i përbërë nga fotosensitive fotodioda, bërë në bazë silikoni duke përdorur teknologjinë CCD- pajisje me bashkim ngarkimi.
Matricat CCD prodhohen dhe përdoren në mënyrë aktive nga kompanitë Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips dhe shume te tjere. Në Rusi, matricat CCD sot zhvillohen dhe prodhohen nga NPP ELAR CJSC, Shën Petersburg.
1 Historia e CCD 2 Struktura e përgjithshme dhe parimi i funksionimit 3 Klasifikimi sipas metodës buffering 4 Klasifikimi sipas llojit të pastrimit 5 Dimensionet e matricave fotografike 6 Disa lloje të veçanta matricash 7 Fotosensitiviteti 8 Shiko gjithashtu 9 Shënime |
Historia e CCD
Pajisja e lidhur me ngarkesë u shpik në 1969 Willard Boyle Dhe George Smith në Bell Laboratories (AT&T Bell Labs). Laboratorët po punonin në videotelefoninë ( anglisht Foto telefon) dhe zhvillimi i "memorjes së flluskave gjysmëpërçuese" ( anglisht gjysmëpërçues flluskë memorie ). Pajisjet e lidhura me karikim filluan jetën si pajisje memorie në të cilat ngarkesa mund të vendosej vetëm në regjistrin e hyrjes së pajisjes. Megjithatë, aftësia e elementit të kujtesës së pajisjes për të marrë një tarifë për shkak të efekt fotoelektrik e bëri këtë aplikim të pajisjeve CCD kryesore.
NË 1970 Kërkuesit Bell Labs mësoi të kapte imazhe duke përdorur pajisje të thjeshta lineare.
Më pas, nën udhëheqjen e Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama) kompania Sony u përfshi në mënyrë aktive në CCD, duke investuar shumë në të dhe arriti të krijojë prodhimin masiv të CCD-ve për videokamerat e saj.
Iwama vdiq në gusht 1982. Çip CCD u vendos në gurin e varrit të tij për të përkujtuar kontributet e tij.
Ne janar 2006 për punë në CCD W. Boyle Dhe J. Smith janë shpërblyer Akademia Kombëtare e Inxhinierisë e SHBA (anglisht Kombëtare Akademia e Inxhinieri).
NË 2009 këta krijues të CCD u shpërblyen Çmimi Nobel në Fizikë.
Struktura e përgjithshme dhe parimi i funksionimit
Matrica CCD përbëhet nga polisilikon, e ndarë nga nënshtresa e silikonit, në të cilën, kur tensioni aplikohet përmes portave polisilikoni, potencialet elektrike në afërsi ndryshojnë elektrodat.
Para ekspozimit, zakonisht duke aplikuar një kombinim të caktuar tensionesh në elektroda, të gjitha ngarkesat e formuara më parë rivendosen dhe të gjithë elementët sillen në një gjendje identike.
Më pas, kombinimi i tensioneve në elektroda krijon një pus potencial në të cilin elektronet e formuara në një piksel të caktuar të matricës si rezultat i ekspozimit ndaj dritës gjatë ekspozimit mund të grumbullohen. Sa më intensiv të jetë fluksi ndriçues gjatë ekspoze, aq më shumë grumbullohet elektronet në një pus potencial, në përputhje me rrethanat, aq më e lartë është ngarkesa përfundimtare e një të dhënë piksel.
Pas ekspozimit, ndryshimet e njëpasnjëshme të tensionit në elektroda formojnë një shpërndarje potenciale në çdo piksel dhe pranë tij, e cila çon në rrjedhën e ngarkesës në një drejtim të caktuar, në elementët dalës të matricës.
Shembull i një nënpikseli CCD me një xhep të tipit n
Prodhuesit kanë arkitektura të ndryshme pixel.
Diagrami i nënpikselave të një matrice CCD me një xhep të tipit n (duke përdorur shembullin e një fotodetektori të kuq)
Simbolet në diagramin nënpiksel CCD:
1 - Fotonet e dritës që kalojnë nëpër thjerrëzat e kamerës;
2 - mikrolentë nënpikselë;
3 - R - filtri nënpiksel i kuq, fragment Filtri Bayer;
4 - Elektroda transparente e bërë nga polikristaline silikoni ose oksid kallaji;
5 - Izolator (oksid silikoni);
6 - Kanal silikoni i tipit N. Zona e gjenerimit të bartësit (zona e brendshme e efektit fotoelektrik);
7 - Zona e pusit potencial (xhepi i tipit n), ku mblidhen elektronet nga zona e gjenerimit të bartësit;
8 - substrate silikoni e tipit p;
Klasifikimi sipas metodës buffering
[Sensorë të transferimit të kornizës së plotë
Matricat me korniza
Matricat me kolonë
Dimensionet e matricave fotografike
Sensorët e koordinatave dhe këndit
Matricat me ndriçim të pasëm
Në qarkun klasik CCD, i cili përdor elektroda polikristaline të silikonit, ndjeshmëria ndaj dritës është e kufizuar për shkak të shpërndarjes së pjesshme të dritës nga sipërfaqja e elektrodës. Prandaj, kur shkrepni në kushte të veçanta që kërkojnë rritje të ndjeshmërisë ndaj fotos në rajonet blu dhe ultravjollcë të spektrit, përdoren matrica me ndriçim të pasëm ( anglisht mbrapa- i ndriçuar matricë). Në sensorë të këtij lloji, të regjistruar dritë bie mbi nënshtresë, por për fotoefektin e brendshëm të kërkuar, nënshtresa bluhet në një trashësi 10-15 μm. Kjo fazë e përpunimit rriti ndjeshëm koston e matricës; pajisjet doli të ishin shumë të brishta dhe kërkonin kujdes të shtuar gjatë montimit dhe funksionimit. Dhe kur përdorni filtra që dobësojnë fluksin e dritës, të gjitha operacionet e shtrenjta për të rritur ndjeshmërinë bëhen të pakuptimta. Prandaj, matricat me ndriçim të pasmë përdoren kryesisht në fotografia astronomike.
Fotosensitiviteti
Ndjeshmëria e matricës përbëhet nga fotondjeshmëria e të gjithë saj sensorë fotografish(pikselë) dhe në përgjithësi varet nga:
fotosensitiviteti integral, që është raporti i sasisë efekt fotoelektrik te dritë fluksi (në lumen) nga një burim rrezatimi me përbërje spektrale të normalizuar;
fotosensitiviteti monokromatik"- raporti i madhësisë efekt fotoelektrik ndaj madhësisë dritë energjia e rrezatimit (në milielektronvolt) që korrespondon me një gjatësi vale të caktuar;
grup i të gjitha vlerave monokromatike ISO për pjesën e zgjedhur spektrit drita është fotondjeshmëria spektrale- varësia e fotondjeshmërisë nga gjatësia valore e dritës;
Sensori është elementi kryesor i një aparati fotografik dixhital
Zemra e çdo kamere dixhitale video ose fotografie (kufijtë midis këtyre llojeve të pajisjeve tani po mjegullohen gradualisht) është një sensor i ndjeshëm ndaj dritës. Ai konverton dritën e dukshme në sinjale elektrike që përdoren për përpunim të mëtejshëm nga qarqet elektronike. Nga kursi i fizikës shkollore dimë se drita mund të konsiderohet si një rrjedhë e grimcave elementare - fotoneve. Fotonet që godasin sipërfaqen e disa materialeve gjysmëpërçuese mund të çojnë në formimin e elektroneve dhe vrimave (kujtoni se një vrimë në gjysmëpërçues zakonisht quhet një vend i lirë për një elektron, i formuar si rezultat i këputjes së lidhjeve kovalente midis atomeve të një gjysmëpërçuesi substancë). Procesi i gjenerimit të çifteve elektron-vrima nën ndikimin e dritës është i mundur vetëm në rastin kur energjia e fotonit është e mjaftueshme për të "shkëputur" një elektron nga bërthama "vendase" dhe për ta transferuar atë në brezin e përcjelljes. Energjia e një fotoni lidhet drejtpërdrejt me gjatësinë e valës së dritës rënëse, domethënë varet nga e ashtuquajtura ngjyra e rrezatimit. Në gamën e rrezatimit të dukshëm (d.m.th., të perceptuar nga syri i njeriut), energjia e fotonit është e mjaftueshme për të gjeneruar gjenerimin e çifteve elektron-vrima në materiale gjysmëpërçuese siç është, për shembull, silikoni.
Meqenëse numri i fotoelektroneve të prodhuara është drejtpërdrejt proporcional me intensitetin e fluksit të dritës, bëhet e mundur që matematikisht të lidhet sasia e dritës rënëse me sasinë e ngarkesës që ajo gjeneron. Pikërisht në këtë fenomen të thjeshtë fizik bazohet parimi i funksionimit të sensorëve fotosensitive. Sensori kryen pesë operacione bazë: thith fotonet, i shndërron ato në ngarkesë, e ruan atë, e transmeton dhe e shndërron në tension. Në varësi të teknologjisë së prodhimit, sensorë të ndryshëm kryejnë detyrat e ruajtjes dhe akumulimit të fotoelektroneve në mënyra të ndryshme. Përveç kësaj, metoda të ndryshme mund të përdoren për të shndërruar elektronet e ruajtura në një tension elektrik (sinjal analog), i cili nga ana tjetër shndërrohet në një sinjal dixhital.
Sensorët CCD
Historikisht, të ashtuquajturat matrica CCD ishin të parat që u përdorën si elemente fotosensitive për kamerat video, prodhimi masiv i të cilave filloi në 1973. Shkurtesa CCD qëndron për pajisjen me ngarkesë; në literaturën angleze përdoret termi CCD (Charge-Coupled Device). Sensori më i thjeshtë CCD është një kondensator që mund të grumbullojë një ngarkesë elektrike kur ekspozohet ndaj dritës. Një kondensator konvencional, i përbërë nga dy pllaka metalike të ndara nga një shtresë dielektrike, nuk do të funksionojë këtu, kështu që përdoren të ashtuquajturat kondensatorë MOS. Për sa i përket strukturës së tyre të brendshme, kondensatorë të tillë janë një sanduiç prej metali, oksidi dhe gjysmëpërçuesi (ato e marrin emrin nga shkronjat e para të përbërësve të përdorur). Silikoni i dopuar i tipit p përdoret si gjysmëpërçues, domethënë një gjysmëpërçues në të cilin krijohen vrima të tepërta për shkak të shtimit të atomeve të papastërtive (doping). Mbi gjysmëpërçuesin është një shtresë e hollë dielektrike (oksid silikoni), dhe sipër është një shtresë metali që vepron si portë, nëse ndiqni terminologjinë e transistorëve me efekt në terren (Fig. 1).
Siç u përmend tashmë, nën ndikimin e dritës, çiftet elektron-vrima formohen në një gjysmëpërçues. Megjithatë, së bashku me procesin e gjenerimit, ndodh edhe procesi i kundërt - rikombinimi i vrimave dhe elektroneve. Prandaj, duhet të ndërmerren hapa për të ndarë elektronet dhe vrimat që rezultojnë dhe për t'i ruajtur ato për kohën e kërkuar. Në fund të fundit, është numri i fotoelektroneve të formuara që mbart informacion në lidhje me intensitetin e dritës së absorbuar. Për këtë është projektuar porta dhe shtresa dielektrike izoluese. Le të supozojmë se një potencial pozitiv aplikohet në portë. Në këtë rast, nën ndikimin e fushës elektrike të krijuar që depërton përmes dielektrikut në gjysmëpërçues, vrimat, të cilat janë bartësit kryesorë të ngarkesës, do të fillojnë të largohen nga dielektriku, domethënë në thellësinë e gjysmëpërçuesit. Në ndërfaqen e gjysmëpërçuesit me dielektrikun, formohet një rajon i varfëruar nga shumica e bartësve, domethënë vrima, dhe madhësia e këtij rajoni varet nga madhësia e potencialit të aplikuar. Është ky rajon i varfëruar që është "magazina" e fotoelektroneve. Në të vërtetë, nëse një gjysmëpërçues ekspozohet ndaj dritës, atëherë elektronet dhe vrimat që rezultojnë do të lëvizin në drejtime të kundërta - vrima në thellësinë e gjysmëpërçuesit dhe elektronet drejt shtresës së varfërimit. Meqenëse nuk ka vrima në këtë shtresë, elektronet do të qëndrojnë atje pa proces rikombinimi për kohën e kërkuar. Natyrisht, procesi i akumulimit të elektroneve nuk mund të vazhdojë pafundësisht. Ndërsa numri i elektroneve rritet, midis tyre dhe vrimave të ngarkuara pozitivisht krijohet një fushë elektrike e induktuar, e drejtuar përballë fushës së krijuar nga porta. Si rezultat, fusha brenda gjysmëpërçuesit zvogëlohet në zero, pas së cilës procesi i ndarjes hapësinore të vrimave dhe elektroneve bëhet i pamundur. Si pasojë, formimi i një çifti elektron-vrima shoqërohet me rikombinimin e tij, domethënë, numri i elektroneve "informacion" në shtresën e varfëruar pushon së rrituri. Në këtë rast, mund të flasim për mbimbushjen e kapacitetit të sensorit.
Sensori që kemi konsideruar është i aftë të kryejë dy detyra të rëndësishme - shndërrimin e fotoneve në elektrone dhe grumbullimin e tyre. Mbetet për të zgjidhur problemin e transferimit të këtyre elektroneve të informacionit në blloqet përkatëse të konvertimit, domethënë problemin e marrjes së informacionit.
Le të imagjinojmë jo një, por disa porta të vendosura ngushtë në sipërfaqen e të njëjtit dielektrik (Fig. 2). Lërini elektronet të grumbullohen nën njërën nga portat si rezultat i fotogjenerimit. Nëse një potencial pozitiv më i lartë aplikohet në portën ngjitur, atëherë elektronet do të fillojnë të rrjedhin në rajonin e një fushe më të fortë, domethënë, të lëvizin nga një portë në tjetrën. Tani duhet të jetë e qartë se nëse kemi një zinxhir portash, atëherë duke aplikuar tensione të përshtatshme kontrolli në to, ne mund të lëvizim një paketë ngarkese të lokalizuar përgjatë një strukture të tillë. Pikërisht në këtë parim të thjeshtë bazohen pajisjet e lidhura me ngarkesë.
Një veti e jashtëzakonshme e CCD-ve është se për të lëvizur ngarkesën e akumuluar, mjaftojnë vetëm tre lloje portash - një transmetuese, një marrëse dhe një izoluese, duke ndarë palët e marrjes dhe transmetimit nga njëra-tjetra, dhe portat me të njëjtin emër të treshe të tilla. mund të lidhen me njëri-tjetrin në një autobus të vetëm orësh që kërkon vetëm një kunj të jashtëm (Fig. 3). Ky është regjistri më i thjeshtë i ndërrimit trefazor në një CCD.
Deri më tani, ne kemi konsideruar sensorin CCD vetëm në një aeroplan - përgjatë seksionit anësor. Ajo që mbetet jashtë fushës sonë të shikimit është mekanizmi për kufizimin e elektroneve në drejtim tërthor, në të cilin porta është si një shirit i gjatë. Duke marrë parasysh që ndriçimi i një gjysmëpërçuesi është jouniform brenda një brezi të tillë, shpejtësia e prodhimit të elektroneve nën ndikimin e dritës do të ndryshojë përgjatë gjatësisë së portës. Nëse nuk merren masa për lokalizimin e elektroneve pranë rajonit të formimit të tyre, atëherë si rezultat i difuzionit, përqendrimi i elektroneve do të nivelizohet dhe informacioni për ndryshimet në intensitetin e dritës në drejtimin gjatësor do të humbasë. Natyrisht, do të ishte e mundur që madhësia e portës të bëhet e njëjtë si në drejtimin gjatësor ashtu edhe në atë tërthor, por kjo do të kërkonte prodhimin e shumë portave në matricën CCD. Prandaj, për të lokalizuar elektronet që rezultojnë në drejtimin gjatësor, përdoren të ashtuquajturat kanale ndalimi (Fig. 4), të cilat janë një rrip i ngushtë gjysmëpërçuesi me përmbajtje të lartë dopante. Sa më i madh të jetë përqendrimi i papastërtisë, aq më shumë vrima krijohen brenda një përcjellësi të tillë (çdo atom papastërtie çon në formimin e një vrime). Por përqendrimi i vrimave përcakton se në çfarë tensioni specifik të portës formohet një zonë shterimi nën të. Është intuitivisht e qartë se sa më i madh përqendrimi i vrimave në një gjysmëpërçues, aq më e vështirë është t'i çosh ato më thellë.
Struktura e matricës CCD që shqyrtuam quhet CCD me një kanal transmetimi sipërfaqësor, pasi kanali përmes të cilit transmetohet ngarkesa e akumuluar ndodhet në sipërfaqen e gjysmëpërçuesit. Metoda e transmetimit sipërfaqësor ka një sërë disavantazhesh të rëndësishme që lidhen me vetitë e kufirit gjysmëpërçues. Fakti është se kufizimi i një gjysmëpërçuesi në hapësirë shkel simetrinë ideale të rrjetës së tij kristalore me të gjitha pasojat që pasojnë. Pa u thelluar në ndërlikimet e fizikës së gjendjes së ngurtë, vërejmë se një kufizim i tillë çon në formimin e kurtheve të energjisë për elektronet. Si rezultat, elektronet e grumbulluara nën ndikimin e dritës mund të kapen nga këto kurthe në vend që të transferohen nga një portë në tjetrën. Ndër të tjera, kurthe të tilla mund të lëshojnë elektrone në mënyrë të paparashikueshme, dhe jo gjithmonë kur ato janë vërtet të nevojshme. Rezulton se gjysmëpërçuesi fillon të "bëjë zhurmë" - me fjalë të tjera, numri i elektroneve të grumbulluara nën portë nuk do të korrespondojë saktësisht me intensitetin e rrezatimit të zhytur. Është e mundur të shmangen fenomene të tilla, por për ta bërë këtë, vetë kanali i transferimit duhet të zhvendoset më thellë në përcjellës. Kjo zgjidhje u zbatua nga specialistët e Philips në 1972. Ideja ishte që në zonën e sipërfaqes së gjysmëpërçuesit të tipit p të krijohej një shtresë e hollë gjysmëpërçuesi i tipit n, domethënë një gjysmëpërçues në të cilin bartësit kryesorë të ngarkesës janë elektronet (Fig. 5).
Dihet mirë se kontakti i dy gjysmëpërçuesve me lloje të ndryshme përçueshmërie çon në formimin e një shtrese varfërimi në kufirin e kryqëzimit. Kjo ndodh për shkak të difuzionit të vrimave dhe elektroneve në drejtime reciproke të kundërta dhe rikombinimit të tyre. Zbatimi i një potenciali pozitiv në portë rrit madhësinë e rajonit të varfërimit. Është karakteristikë që tani vetë rajoni i varfërimit, ose kapaciteti për fotoelektrone, nuk është në sipërfaqe, dhe për këtë arsye nuk ka kurthe sipërfaqësore për elektronet. Një kanal i tillë transferimi quhet i fshehur, dhe të gjitha CCD-të moderne prodhohen me një kanal transferimi të fshehur.
Parimet bazë të funksionimit të një sensori CCD që kemi shqyrtuar përdoren për të ndërtuar matrica CCD të arkitekturave të ndryshme. Strukturisht, mund të dallohen dy skema kryesore matricore: me transferim kornizë për kornizë dhe me transferim ndërlinjë.
Në një matricë me transferim kornizë për kornizë, ekzistojnë dy seksione ekuivalente me të njëjtin numër rreshtash: akumulimi dhe ruajtja. Çdo rresht në këto seksione formohet nga tre porta (transmetuese, marrëse dhe izoluese). Përveç kësaj, siç u përmend më lart, të gjitha linjat janë të ndara nga shumë kanale ndalimi që formojnë qeliza akumulimi në drejtimin horizontal. Kështu, elementi më i vogël strukturor i një matrice CCD (piksel) krijohet nga tre porta horizontale dhe dy kanale vertikale ndaluese (Fig. 6).
Gjatë ekspozimit, fotoelektrone formohen në seksionin e akumulimit. Pas kësaj, impulset e orës të aplikuara në portat transferojnë ngarkesat e grumbulluara nga seksioni i akumulimit në seksionin e ruajtjes me hije, domethënë, e gjithë korniza transferohet në të vërtetë. Prandaj, kjo arkitekturë quhet CCD i transferimit të kornizës. Pas transferimit, seksioni i ruajtjes pastrohet dhe mund të riakumulojë ngarkesa, ndërsa nga seksioni i memories ngarkesat derdhen në regjistrin horizontal të leximit. Struktura e regjistrit horizontal është e ngjashme me strukturën e sensorit CCD - të njëjtat tre porta për transferimin e ngarkesës. Çdo element i regjistrit horizontal ka një lidhje ngarkimi me kolonën përkatëse të seksionit të memories dhe për çdo puls të orës nga seksioni i grumbullimit, i gjithë rreshti hyn në regjistrin e leximit, i cili më pas transferohet në amplifikatorin e daljes për përpunim të mëtejshëm.
Qarku i konsideruar i matricës CCD ka një avantazh të padyshimtë - një faktor të lartë mbushjeje. Ky term zakonisht përdoret për t'iu referuar raportit të zonës fotosensitive të matricës me sipërfaqen e saj totale. Për matricat me transferim kornizë për kornizë, faktori i mbushjes arrin pothuajse 100%. Kjo veçori bën të mundur krijimin e pajisjeve shumë të ndjeshme në bazë të tyre.
Përveç avantazheve të konsideruara, matricat me transferim kornizë për kornizë kanë gjithashtu një sërë disavantazhesh. Para së gjithash, vërejmë se vetë procesi i transferimit nuk mund të kryhet menjëherë. Është kjo rrethanë që çon në një sërë fenomenesh negative. Gjatë procesit të transferimit të ngarkesës nga seksioni i grumbullimit në seksionin e ruajtjes, i pari mbetet i ndriçuar dhe në të vazhdon procesi i akumulimit të fotoelektronit. Kjo çon në faktin se zonat e ndritshme të imazhit kanë kohë për të kontribuar në paketën e ngarkimit të huaj edhe gjatë kohës së shkurtër gjatë së cilës ajo kalon nëpër to. Si rezultat, shtrembërimet karakteristike shfaqen në kornizë në formën e vijave vertikale që shtrihen në të gjithë kornizën nga zonat e ndritshme të figurës. Natyrisht, truket e ndryshme mund të përdoren për të luftuar fenomene të tilla, por metoda më radikale është ndarja e seksionit të akumulimit dhe seksionit të transferimit në mënyrë që transferimi të ndodhë në një zonë me hije. Matricat e kësaj arkitekture quhen CCD me transferim interline (Fig. 7).
Ndryshe nga matrica e transferimit kornizë për kornizë e përshkruar më herët, fotodiodat veprojnë si elementë të ruajtjes së ngarkesës këtu (fotodiodat do të diskutohen më në detaje më vonë). Ngarkesat e grumbulluara nga fotodiodat transferohen në elementët CCD me hije, të cilat kryejnë transferim të mëtejshëm të ngarkesës. Ju lutemi vini re se transferimi i të gjithë kornizës nga fotodioda në regjistrat vertikal të transferimit të CCD ndodh në një cikël orar. Shtrohet një pyetje e natyrshme: pse kjo arkitekturë mori emrin vizë interline (përdoret edhe termi "vijë e ndërthurur")? Për të kuptuar origjinën e emrit të interline, si dhe transferimin kornizë pas kornizash, le të kujtojmë parimin bazë të shfaqjes së një imazhi në ekranin e gjenerimit të sinjalit video. Sinjali i kornizës përbëhet nga sinjale të linjës të ndara nga një hendek i linjës, domethënë koha e nevojshme që tufa e elektroneve që skanon nëpër ekran të lëvizë nga fundi i njërës rresht në fillimin e tjetrës. Ekzistojnë gjithashtu boshllëqe ndërmjet kornizave - koha e nevojshme për të lëvizur rreze nga fundi i rreshtit të fundit në fillim të rreshtit të parë (kalimi në një kornizë të re).
Nëse kujtojmë arkitekturën e një matrice CCD me transferim ndërkornizor, bëhet e qartë se transferimi i një kornize nga seksioni i akumulimit në seksionin e ruajtjes ndodh gjatë hendekut ndërkornizor të sinjalit video. Kjo është e kuptueshme, pasi transferimi i të gjithë kornizës do të kërkojë një kohë të konsiderueshme. Në një arkitekturë të transferimit të linjës, transmetimi i kornizës ndodh në një cikël orar, dhe një periudhë e shkurtër kohe është e mjaftueshme për këtë. Më pas, imazhi hyn në regjistrin e zhvendosjes horizontale dhe transmetimi ndodh rresht pas rreshti gjatë intervaleve ndërlinjë të sinjalit video.
Përveç dy llojeve të matricave CCD të diskutuara, ka edhe skema të tjera. Për shembull, një skemë që kombinon mekanizmat ndërkornizë dhe ndërlinjë (transferimi line-frame) përftohet duke shtuar një seksion ruajtjeje në matricën CCD të transferimit ndërlinjë. Në këtë rast, transferimi i kornizës nga elementët fotosensitive ndodh në një cikël orësh gjatë intervalit ndërlinjë, dhe gjatë intervalit të ndërkornizës korniza transferohet në seksionin e ruajtjes (transferimi ndërkornizor); Nga seksioni i ruajtjes, korniza transferohet në regjistrin e zhvendosjes horizontale gjatë ndarjes së linjave (transferimi ndërmjet kornizave).
Kohët e fundit, të ashtuquajturat super-CCD (Super CCD) janë bërë të përhapura, duke përdorur një arkitekturë celulare origjinale të formuar nga pikselë tetëkëndësh. Për shkak të kësaj, sipërfaqja e punës e silikonit rritet dhe densiteti i pikselit (numri i pikselave CCD) rritet. Për më tepër, forma tetëkëndore e pikselëve rrit sipërfaqen e sipërfaqes së ndjeshme ndaj dritës.
Sensorët CMOS
Një lloj thelbësisht i ndryshëm sensori është i ashtuquajturi sensor CMOS (CMOS - gjysmëpërçues metal-oksid-plotësues; në terminologjinë angleze - CMOS).
Arkitektura e brendshme e sensorëve CMOS mund të jetë e ndryshme. Kështu, fotodiodat, fototransistorët ose fotoportat mund të veprojnë si një element fotosensiv. Pavarësisht nga lloji i elementit fotosensiv, parimi i ndarjes së vrimave dhe elektroneve të marra gjatë procesit të fotogjenerimit mbetet i pandryshuar. Le të shqyrtojmë llojin më të thjeshtë të fotodiodës, nga e cila është e lehtë të kuptohet parimi i funksionimit të të gjitha fotocelave.
Fotodioda më e thjeshtë është një kontakt midis gjysmëpërçuesve të tipit n dhe p. Në ndërfaqen e këtyre gjysmëpërçuesve, formohet një rajon varfërimi, domethënë një shtresë pa vrima dhe elektrone. Një rajon i tillë formohet si rezultat i difuzionit të bartësve kryesorë të ngarkesës në drejtime reciprokisht të kundërta. Vrimat lëvizin nga gjysmëpërçuesi p (d.m.th., nga rajoni ku ka një tepricë të tyre) në gjysmëpërçuesin n (d.m.th., në rajonin ku përqendrimi i tyre është i ulët), dhe elektronet lëvizin në drejtim të kundërt, që është, nga gjysmëpërçuesi n në gjysmëpërçues p. gjysmëpërçues. Si rezultat i këtij rikombinimi, vrimat dhe elektronet zhduken dhe krijohet një rajon varfërimi. Përveç kësaj, jonet e papastërtive janë të ekspozuara në kufijtë e rajonit të varfëruar, dhe në rajonin n jonet e papastërtive kanë një ngarkesë pozitive, dhe në rajonin p kanë një ngarkesë negative. Këto ngarkesa, të shpërndara përgjatë kufirit të rajonit të varfërimit, formojnë një fushë elektrike të ngjashme me atë të krijuar në një kondensator me pllaka paralele të përbërë nga dy pllaka. Është kjo fushë që kryen funksionin e ndarjes hapësinore të vrimave dhe elektroneve të formuara gjatë fotogjenerimit. Prania e një fushe të tillë lokale (e quajtur edhe një pengesë potenciale) është një pikë themelore në çdo sensor fotosensiv (jo vetëm në një fotodiodë).
Le të supozojmë se fotodioda ndriçohet nga drita, dhe drita bie mbi n-gjysmëpërçuesin, dhe kryqëzimi p-n është pingul me rrezet e dritës (Fig. 8). Fotoelektronet dhe fotovrimat do të shpërndahen thellë në kristal dhe disa prej tyre, të cilat nuk kanë kohë për t'u rikombinuar, do të arrijnë në sipërfaqen e kryqëzimit pn. Sidoqoftë, për elektronet, fusha elektrike ekzistuese është një pengesë e pakapërcyeshme - një pengesë potenciale, kështu që elektronet nuk do të jenë në gjendje të kapërcejnë kryqëzimin p-n. Vrimat, përkundrazi, përshpejtohen nga fusha elektrike dhe depërtojnë në rajonin p. Si rezultat i ndarjes hapësinore të vrimave dhe elektroneve, rajoni n ngarkohet negativisht (fotoelektronet e tepërta), dhe rajoni p ngarkohet pozitivisht (fotovrimat e tepërta).
Dallimi kryesor midis sensorëve CMOS dhe sensorëve CCD nuk është në metodën e akumulimit të ngarkesës, por në metodën e transferimit të tij të mëtejshëm. Teknologjia CMOS, ndryshe nga CCD, lejon një numër më të madh operacionesh direkt në çipin në të cilin ndodhet matrica fotosensitive. Përveç lëshimit të elektroneve dhe transmetimit të tyre, sensorët CMOS gjithashtu mund të përpunojnë imazhe, të nxjerrin në pah skajet e imazhit, të zvogëlojnë zhurmën dhe të kryejnë konvertime analoge në dixhitale. Për më tepër, është e mundur të krijohen sensorë CMOS të programueshëm, kështu që mund të merret një pajisje shumëfunksionale shumë fleksibël.
Një gamë kaq e gjerë funksionesh të kryera nga një çip i vetëm është avantazhi kryesor i teknologjisë CMOS ndaj CCD. Kjo zvogëlon numrin e komponentëve të jashtëm të kërkuar. Përdorimi i një sensori CMOS në një aparat fotografik dixhital ju lejon të instaloni çipa të tjerë në hapësirën e lirë - për shembull, procesorët e sinjalit dixhital (DSP) dhe konvertuesit analog në dixhital.
Zhvillimi i shpejtë i teknologjive CMOS filloi në vitin 1993, kur u krijuan sensorë aktivë të pikselëve. Me këtë teknologji, çdo piksel ka amplifikuesin e vet të transistorit të leximit, i cili lejon që ngarkesa të shndërrohet në tension direkt në piksel. Për më tepër, u bë e mundur aksesi i rastësishëm në çdo piksel të sensorit (ngjashëm me mënyrën se si funksionon memoria me akses të rastësishëm). Ngarkesa lexohet nga pikselët aktivë të sensorit CMOS duke përdorur një qark paralel (Fig. 9), i cili ju lejon të lexoni sinjalin nga çdo piksel ose nga një kolonë pikselësh drejtpërdrejt. Qasja e rastësishme lejon sensorin CMOS të lexojë jo vetëm të gjithë matricën, por edhe zonat e zgjedhura (metoda e leximit me dritare).
Pavarësisht nga avantazhet e dukshme të matricave CMOS ndaj CCD-ve (kryesori është çmimi më i ulët), ato gjithashtu kanë një sërë disavantazhesh. Prania e qarqeve shtesë në çipin e matricës CMOS çon në shfaqjen e një numri zhurmash, të tilla si shpërndarja e transistorit dhe diodës, si dhe efekti i ngarkesës së mbetur, domethënë, matricat CMOS sot janë më të zhurmshme. Prandaj, në të ardhmen e afërt, kamerat dixhitale profesionale do të përdorin matrica CCD me cilësi të lartë, dhe sensorët CMOS po hyjnë në tregun e pajisjeve më të lira, të cilat, në veçanti, përfshijnë kamera në internet.
Si fitohet ngjyra
Sensorët fotosensiv të diskutuar më sipër janë në gjendje t'i përgjigjen vetëm intensitetit të dritës së përthithur - sa më i lartë të jetë intensiteti, aq më e madhe akumulohet ngarkesa. Shtrohet një pyetje e natyrshme: si fitohet një imazh me ngjyra?
Për të mundësuar kamerën të dallojë ngjyrat, një grup filtrash me ngjyra (CFA, grupe filtri me ngjyra) aplikohet drejtpërdrejt në pikselin aktiv. Parimi i një filtri me ngjyra është shumë i thjeshtë: lejon që vetëm drita e një ngjyre të caktuar të kalojë (me fjalë të tjera, vetëm dritë me një gjatësi vale të caktuar). Por sa filtra të tillë do të nevojiten nëse numri i nuancave të ndryshme të ngjyrave është praktikisht i pakufizuar? Rezulton se çdo hije ngjyre mund të merret duke përzier disa ngjyra kryesore (bazë) në përmasa të caktuara. Në modelin më të njohur të aditivëve, RGB (E kuqe, jeshile, blu), ekzistojnë tre ngjyra të tilla: e kuqe, jeshile dhe blu. Kjo do të thotë se kërkohen vetëm tre filtra me ngjyra. Vini re se modeli i ngjyrave RGB nuk është i vetmi, por shumica dërrmuese e kamerave dixhitale në internet e përdorin atë.
Më të njohurit janë grupet e filtrave të modelit Bayer. Në këtë sistem, filtrat e kuq, jeshil dhe blu janë të shkallëzuar, dhe numri i filtrave të gjelbër është dy herë më i madh se i kuqja ose bluja. Rregullimi është i tillë që filtrat e kuq dhe blu janë të vendosur midis atyre të gjelbër (Fig. 10).
Ky raport i filtrave të gjelbër, të kuq dhe blu shpjegohet me veçoritë e perceptimit vizual të njeriut: sytë tanë janë më të ndjeshëm ndaj ngjyrës së gjelbër.
Në kamerat CCD, kombinimi i tre kanaleve me ngjyra kryhet në pajisjen e formimit të imazhit pas konvertimit të sinjalit nga analog në dixhital. Në sensorët CMOS, ky kombinim mund të ndodhë edhe drejtpërdrejt në çip. Në secilin rast, ngjyrat kryesore të secilit filtër ndërthuren matematikisht bazuar në ngjyrat e filtrave fqinjë. Prandaj, për të marrë ngjyrën e vërtetë të një piksel imazhi, është e nevojshme të dihet jo vetëm intensiteti i dritës që kalon përmes filtrit të dritës së këtij piksel, por edhe vlerat e intensiteteve të dritës që kalon nëpër filtrat e dritës. të pikselëve përreth.
Siç u përmend tashmë, modeli i ngjyrave RGB përdor tre ngjyra kryesore, me të cilat mund të merrni çdo hije të spektrit të dukshëm. Sa nuanca mund të dallojnë kamerat dixhitale? Numri maksimal i nuancave të ndryshme të ngjyrave përcaktohet nga thellësia e ngjyrës, e cila nga ana tjetër përcaktohet nga numri i pjesëve të përdorura për të koduar ngjyrën. Modeli popullor RGB 24, me një thellësi ngjyrash 24 bit, ndan 8 bit për secilën ngjyrë. Me 8 bit, 256 ngjyra të ndryshme mund të specifikohen përkatësisht për të kuqe, jeshile dhe blu. Çdo ngjyre i është caktuar një vlerë nga 0 në 255. Për shembull, ngjyra e kuqe mund të marrë 256 gradime: nga e kuqja e pastër (255) në e zeza (0). Vlera maksimale e kodit korrespondon me një ngjyrë të pastër, dhe kodi për secilën ngjyrë zakonisht vendoset në rendin e mëposhtëm: e kuqe, jeshile dhe blu. Për shembull, kodi për të kuqe të pastër shkruhet si (255, 0, 0), kodi për jeshile është (0, 255, 0), dhe kodi për blu është (0, 0, 255). E verdha mund të merret duke përzier të kuqe dhe jeshile, dhe kodi i saj shkruhet si (255, 255, 0).
Përveç modelit RGB, përdorim të gjerë kanë gjetur edhe modelet YUV dhe YСrCb, të cilat janë të ngjashme me njëri-tjetrin dhe bazohen në ndarjen e sinjaleve të ndriçimit dhe ngjyrave. Sinjali Y është një sinjal ndriçimi që përcaktohet duke përzier të kuqe, jeshile dhe blu. Sinjalet U dhe V (Cr, Cb) janë dallime ngjyrash. Kështu, sinjali U është afër ndryshimit midis përbërësve blu dhe të verdhë të një imazhi me ngjyra, dhe sinjali V është afër ndryshimit midis përbërësve të kuq dhe të gjelbër të një imazhi me ngjyra.
Avantazhi kryesor i modelit YUV (YCrCb) është se kjo metodë e kodimit, edhe pse më komplekse se RGB, kërkon më pak gjerësi bande. Fakti është se ndjeshmëria e syrit të njeriut ndaj komponentëve të ndriçimit Y dhe komponentëve të ndryshimit të ngjyrave nuk është e njëjtë, kështu që duket mjaft e pranueshme që ky transformim të kryhet me rrallimin (ndërthurjen) e komponentëve të ndryshimit të ngjyrave, kur Y -komponentët llogariten për një grup prej katër pikselësh ngjitur (2×2), dhe komponentët e ndryshimit të ngjyrave përdoren në mënyrë të përbashkët (e ashtuquajtura skema 4:1:1). Është e lehtë të llogaritet se tashmë skema 4:1:1 ju lejon të zvogëloni rrjedhën e daljes përgjysmë (në vend të 12 bajt për katër pikselë ngjitur, gjashtë janë të mjaftueshëm). Në kodimin YUV 4:2:2, një sinjal ndriçimi transmetohet për çdo pikë, por sinjalet kroma U dhe V transmetohen vetëm për çdo pikë të dytë në linjë.
Si funksionojnë ato dixhitale
Web kamerat
Parimi i funksionimit të të gjitha llojeve të kamerave dixhitale është afërsisht i njëjtë. Le të shqyrtojmë një diagram tipik të kamerës më të thjeshtë në internet, ndryshimi kryesor i të cilit nga llojet e tjera të kamerave është prania e një ndërfaqe USB për t'u lidhur me një kompjuter.
Përveç sistemit optik (lentet) dhe sensorit fotosensiv CCD ose CMOS, është e nevojshme të kemi një konvertues analog në dixhital (ADC), i cili konverton sinjalet analoge të sensorit fotosensiv në një kod dixhital. Përveç kësaj, një sistem për formimin e një imazhi me ngjyra është gjithashtu i nevojshëm. Një element tjetër i rëndësishëm i kamerës është qarku përgjegjës për kompresimin e të dhënave dhe përgatitjen për transmetim në formatin e kërkuar. Për shembull, në web-kamerën në fjalë, të dhënat video transmetohen në kompjuter përmes një ndërfaqe USB, kështu që duhet të ketë një kontrollues të ndërfaqes USB në daljen e saj. Blloku i një aparati fotografik dixhital është paraqitur në Fig. njëmbëdhjetë .
Një konvertues analog në dixhital është projektuar për të mostruar një sinjal analog të vazhdueshëm dhe karakterizohet nga një frekuencë kampionimi që përcakton intervalet kohore në të cilat matet sinjali analog, si dhe thellësia e bitit të tij. Gjerësia ADC është numri i biteve të përdorura për të përfaqësuar çdo mostër sinjali. Për shembull, nëse përdoret një ADC 8-bit, atëherë përdoren 8 bit për të përfaqësuar sinjalin, i cili lejon që të dallohen 256 shkallëzime të sinjalit origjinal. Kur përdorni një ADC 10-bit, është e mundur të dalloni midis 1024 shkallëzimeve të ndryshme të një sinjali analog.
Për shkak të gjerësisë së brezit të ulët të USB 1.1 (vetëm 12 Mbit/s, nga të cilat kamera në internet nuk përdor më shumë se 8 Mbit/s), të dhënat duhet të kompresohen përpara se të transferohen në kompjuter. Për shembull, me një rezolucion të kornizës prej 320x240 piksele dhe një thellësi ngjyrash 24 bit, madhësia e kornizës së pakompresuar do të jetë 1.76 Mbit. Me gjerësinë e brezit USB 8 Mbps, shpejtësia maksimale e transferimit të sinjalit të pakompresuar është vetëm 4,5 korniza për sekondë, dhe për video me cilësi të lartë, kërkohet një shpejtësi transferimi prej 24 ose më shumë korniza për sekondë. Kështu, bëhet e qartë se pa kompresimin e harduerit të informacionit të transmetuar, funksionimi normal i kamerës është i pamundur.
Sipas dokumentacionit teknik, ky sensor CMOS ka një rezolucion prej 664x492 (326,688 piksele) dhe mund të funksionojë deri në 30 korniza për sekondë. Sensori mbështet të dyja llojet e skanimit progresiv dhe horizontal dhe siguron një raport sinjal-zhurmë prej më shumë se 48 dB.
Siç shihet nga diagrami i bllokut, blloku i formimit të ngjyrave (procesori i sinjalit analog) ka dy kanale - RGB dhe YСrCb, dhe për modelin YСrCb sinjalet e shkëlqimit dhe ndryshimit të ngjyrave llogariten duke përdorur formulat:
Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,
Cr = 0,713 × (R – Y),
Cb = 0,564 × (B – Y).
Sinjalet analoge RGB dhe YCrCb të gjeneruara nga procesori i sinjalit analog përpunohen nga dy ADC 10-bit, secili që funksionon me 13,5 MSPS, duke siguruar sinkronizim me shpejtësinë e pikselit. Pasi të digjitalizohen, të dhënat dërgohen në një konvertues dixhital që prodhon të dhëna video në formatin 16-bit YUV 4:2:2 ose 8-bit Y 4:0:0, i cili dërgohet në portën e daljes nëpërmjet një 16-bit ose autobus 8-bit.
Përveç kësaj, sensori CMOS në fjalë ka një gamë të gjerë të aftësive të korrigjimit të imazhit: ofrohet ekuilibri i bardhë, kontrolli i ekspozimit, korrigjimi i gamës, korrigjimi i ngjyrave, etj. Funksionimi i sensorit mund të kontrollohet nëpërmjet ndërfaqes SCCB (Serial Camera Control Bus).
Mikroqark OV511+, bllok diagrami i të cilit është paraqitur në Fig. 13, është një kontrollues USB.
Kontrolluesi ju lejon të transferoni të dhëna video përmes një autobusi USB me shpejtësi deri në 7,5 Mbit/s. Është e lehtë të llogaritet se një gjerësi e tillë bande nuk do të lejojë transmetimin e një transmetimi video me një shpejtësi të pranueshme pa kompresim paraprak. Në fakt, kompresimi është qëllimi kryesor i kontrolluesit USB. Duke siguruar kompresimin e nevojshëm në kohë reale deri në një raport kompresimi prej 8:1, kontrolluesi ju lejon të transmetoni një transmetim video me një shpejtësi prej 10-15 korniza për sekondë me një rezolucion prej 640x480 dhe me një shpejtësi prej 30 korniza për sekondë me një rezolucion prej 320x240 dhe më të ulët.
Blloku OmniCE, i cili zbaton një algoritëm kompresimi në pronësi, është përgjegjës për kompresimin e të dhënave. OmniCE siguron jo vetëm shpejtësinë e kërkuar të transmetimit të videos, por edhe dekompresim të shpejtë me ngarkesë minimale të CPU-së (të paktën sipas zhvilluesve). Raporti i kompresimit i siguruar nga blloku OmniCE varion nga 4 në 8 në varësi të shpejtësisë së kërkuar të transmetimit të videos.
ComputerPress 12"2001
