Për herë të parë, parimi CCD me idenë e ruajtjes dhe më pas leximit të ngarkesave elektronike u zhvillua nga dy inxhinierë të BELL Corporation në fund të viteve '60 gjatë kërkimit për lloje të reja të memories kompjuterike që mund të zëvendësonin memorien në unazat e ferritit ( po, po, kishte një kujtim të tillë). Kjo ide doli të mos ishte premtuese, por aftësia e silikonit për t'iu përgjigjur spektrit të dukshëm të rrezatimit u vu re dhe u zhvillua ideja e përdorimit të këtij parimi për përpunimin e imazhit.

Le të fillojmë me deshifrimin e termit.

Shkurtesa CCD do të thotë "Pajisje të lidhura me ngarkesë" - ky term rrjedh nga anglishtja "Pajisjet e çiftuara me karikim" (CCD).

Ky lloj pajisjeje aktualisht ka një gamë shumë të gjerë aplikimesh në një shumëllojshmëri të gjerë pajisjesh optoelektronike për regjistrimin e imazheve. Në jetën e përditshme këto janë kamera dixhitale, video kamera dhe skanerë të ndryshëm.

Çfarë e dallon një marrës CCD nga një fotodiodë gjysmëpërçuese konvencionale, e cila ka një jastëk fotosensiv dhe dy kontakte elektrike për marrjen e një sinjali elektrik?

Së pari, ka shumë zona të tilla të ndjeshme ndaj dritës (shpesh të quajtura piksel - elementë që marrin dritën dhe e shndërrojnë atë në ngarkesa elektrike) në një marrës CCD, nga disa mijëra në disa qindra mijëra dhe madje disa miliona. Madhësitë e pikselëve individualë janë të njëjta dhe mund të variojnë nga njësitë në dhjetëra mikronë. Piksele mund të rreshtohen në një rresht - atëherë marrësi quhet një grup CCD, ose ata mund të mbushin një zonë të sipërfaqes në rreshta të barabartë - atëherë marrësi quhet matricë CCD.

Vendndodhja e elementeve që marrin dritë (drejtkëndëshat blu) në grupin CCD dhe matricën CCD.

Së dyti, në një marrës CCD, i cili duket si një mikroqark i rregullt, nuk ka një numër të madh kontaktesh elektrike për daljen e sinjaleve elektrike, të cilat, me sa duket, duhet të vijnë nga çdo element që merr dritë. Por një qark elektronik është i lidhur me marrësin CCD, i cili bën të mundur nxjerrjen nga secili element fotosensiv i një sinjali elektrik proporcional me ndriçimin e tij.

Funksionimi i një CCD mund të përshkruhet si më poshtë: çdo element i ndjeshëm ndaj dritës - një piksel - funksionon si një bankë derrkuc për elektronet. Elektronet krijohen në pixel nën ndikimin e dritës që vjen nga një burim. Gjatë një periudhe të caktuar kohe, çdo piksel mbushet gradualisht me elektrone në proporcion me sasinë e dritës që hyn në të, si një kovë e vendosur jashtë gjatë shiut. Në fund të kësaj kohe, ngarkesat elektrike të grumbulluara nga çdo piksel transferohen me radhë në "daljen" e pajisjes dhe maten. E gjithë kjo është e mundur për shkak të strukturës specifike të kristalit, ku ndodhen elementët e ndjeshëm ndaj dritës dhe qarkut elektrik të kontrollit.

Një matricë CCD funksionon pothuajse saktësisht në të njëjtën mënyrë. Pas ekspozimit (ndriçimi i imazhit të projektuar), qarku elektronik i kontrollit të pajisjes e furnizon atë me një grup kompleks tensionesh pulsi, të cilat fillojnë të zhvendosin kolonat me elektrone të grumbulluara në pikselë në skajin e matricës, ku një matje e ngjashme Gjendet regjistri CCD, ngarkesat në të cilat zhvendosen në drejtim pingul dhe bien mbi elementin matës, duke krijuar sinjale në të që janë proporcionale me ngarkesat individuale. Kështu, për çdo moment pasues në kohë mund të marrim vlerën e ngarkesës së akumuluar dhe të kuptojmë se cilit piksel në matricë (numri i rreshtit dhe numri i kolonës) i përgjigjet.

Shkurtimisht për fizikën e procesit.

Për të filluar, vërejmë se CCD-të i përkasin produkteve të të ashtuquajturës elektronikë funksionale Ato nuk mund të imagjinohen si një koleksion i elementeve individuale të radios - tranzistorë, rezistorë dhe kondensatorë. Operacioni bazohet në parimin e bashkimit të ngarkesës. Parimi i bashkimit të ngarkesës përdor dy dispozita të njohura nga elektrostatika:

1. si akuzat sprapsin njëra-tjetrën
2. tarifat priren të vendosen aty ku energjia e tyre potenciale është minimale. Ato. përafërsisht - "peshku duket aty ku është më thellë."

Së pari, le të imagjinojmë një kondensator MOS (MOS është një shkurtim për gjysmëpërçues metal-oksid). Kjo është ajo që mbetet nga transistori MOS nëse hiqni kullimin dhe burimin prej tij, domethënë vetëm një elektrodë e ndarë nga silikoni nga një shtresë dielektrike. Për saktësi, do të supozojmë se gjysmëpërçuesi është i tipit p, d.m.th., përqendrimi i vrimave në kushte ekuilibri është shumë (disa rend të madhësisë) më i madh se ai i elektroneve. Në elektrofizikë, një "vrimë" është ngarkesa që është e kundërt me ngarkesën e një elektroni, d.m.th. ngarkesë pozitive.

Çfarë ndodh nëse një potencial pozitiv aplikohet në një elektrodë të tillë (ajo quhet portë)? Fusha elektrike e krijuar nga porta, duke depërtuar në silikon përmes dielektrikut, i largon vrimat lëvizëse; shfaqet një rajon zbrazjeje - një vëllim i caktuar silikoni pa bartës të shumtë. Me parametrat e nënshtresave gjysmëpërçuese tipike për CCD-të, thellësia e këtij rajoni është rreth 5 μm. Përkundrazi, elektronet e krijuara këtu nën ndikimin e dritës do të tërhiqen nga porta dhe do të grumbullohen në ndërfaqen oksid-silikon direkt nën portë, d.m.th., ato do të bien në pusin potencial (Fig. 1).

Oriz. 1
Formimi i një pusi potencial kur aplikohet tension në portë

Në këtë rast, elektronet, ndërsa grumbullohen në pus, neutralizojnë pjesërisht fushën elektrike të krijuar në gjysmëpërçues nga porta, dhe në fund mund ta kompensojnë plotësisht atë, kështu që e gjithë fusha elektrike do të bjerë vetëm mbi dielektrik, dhe gjithçka do të kthehet në gjendjen e saj origjinale - me përjashtim që një shtresë e hollë elektronesh formohet në ndërfaqe.

Tani le të vendoset një portë tjetër pranë portës dhe një potencial pozitiv zbatohet gjithashtu për të, për më tepër, më i madh se i pari (Fig. 2). Nëse vetëm portat janë mjaft afër, puset e tyre potenciale kombinohen dhe elektronet në një pus potencial lëvizin në atë fqinj, nëse është "më i thellë".
Oriz. 2
Puset potenciale të mbivendosura të dy portave të vendosura ngushtë. Ngarkesa rrjedh në vendin ku pusi potencial është më i thellë.

Tani duhet të jetë e qartë se nëse kemi një zinxhir portash, atëherë është e mundur, duke aplikuar tensione të përshtatshme kontrolli në to, të transmetojmë një paketë ngarkese të lokalizuar përgjatë një strukture të tillë. Një veti e jashtëzakonshme e CCD-ve - vetia e vetë-skanimit - është se për të kontrolluar një zinxhir portash të çdo gjatësie, mjaftojnë vetëm tre linja ore. (Termi autobus në elektronikë është një përcjellës i elementeve lidhëse të rrymës elektrike të të njëjtit lloj; autobusi i orës është përçues përmes të cilit transmetohet një tension i zhvendosur në fazë.) Në të vërtetë, për të transmetuar paketat e ngarkesës, tre elektroda janë të nevojshme dhe të mjaftueshme: një duke transmetuar, një marrës dhe një izolues, duke ndarë çiftet që marrin dhe transmetojnë nga njëra-tjetra, dhe elektrodat me të njëjtin emër në treshe të tilla mund të lidhen me njëra-tjetrën në një autobus të vetëm orësh, duke kërkuar vetëm një dalje të jashtme (Fig. 3 ).

Oriz. 3
Regjistri më i thjeshtë trefazor CCD.
Ngarkesa në çdo pus potencial është e ndryshme.

Ky është regjistri më i thjeshtë i ndërrimit trefazor në një CCD. Diagramet e orës së funksionimit të një regjistri të tillë janë paraqitur në Fig. 4.

Oriz. 4
Diagramet e orës për kontrollin e një regjistri trefazor janë tre gjarpërime të zhvendosura me 120 gradë.
Kur potencialet ndryshojnë, ngarkesat lëvizin.

Mund të shihet se për funksionimin normal të tij në çdo moment të kohës, të paktën një autobus i orës duhet të ketë një potencial të lartë, dhe të paktën një duhet të ketë një potencial të ulët (potencial barrierë). Kur potenciali rritet në një autobus dhe zvogëlohet në tjetrin (i mëparshëm), të gjitha paketat e ngarkimit transferohen njëkohësisht në portat ngjitur, dhe për një cikël të plotë (një cikël në çdo autobus fazor), paketat e ngarkimit transferohen (zhvendosen) në një. element regjistër.

Për të lokalizuar paketat e ngarkimit në drejtim tërthor, formohen të ashtuquajturat kanale ndalimi - shirita të ngushtë me një përqendrim të shtuar të dopantit kryesor, që kalojnë përgjatë kanalit të transferimit (Fig. 5).

Oriz. 5.
Pamja e sipërme e regjistrit.
Kanali i transferimit në drejtimin anësor është i kufizuar nga kanalet e ndalimit.

Fakti është se përqendrimi i papastërtisë së dopingut përcakton se në cilin tension specifik të portës formohet një rajon zbrazjeje nën të (ky parametër nuk është asgjë më shumë se voltazhi i pragut të strukturës MOS). Nga konsideratat intuitive, është e qartë se sa më i lartë të jetë përqendrimi i papastërtisë, d.m.th., sa më shumë vrima në gjysmëpërçues, aq më e vështirë është t'i futni ato më thellë, d.m.th., sa më i lartë të jetë voltazhi i pragut ose, në një tension, aq më i ulët është potenciali. në pusin potencial.

Problemet

Nëse në prodhimin e pajisjeve dixhitale shpërndarja e parametrave nëpër vafer mund të arrijë disa herë pa një efekt të dukshëm në parametrat e pajisjeve që rezultojnë (pasi puna kryhet me nivele diskrete të tensionit), atëherë në një CCD një ndryshim, të themi , përqendrimi i dopantit me 10% është tashmë i dukshëm në imazh. Madhësia e kristalit dhe pamundësia e tepricës, si në memorien LSI, shtojnë problemet e veta, në mënyrë që zonat me defekt të çojnë në papërdorshmërinë e të gjithë kristalit.

Fundi

Piksele të ndryshme të matricës CCD teknologjikisht kanë ndjeshmëri të ndryshme ndaj dritës dhe ky ndryshim duhet korrigjuar.

Në KMA dixhitale ky korrigjim quhet sistemi Auto Gain Control (AGC).

Si funksionon sistemi AGC

Për thjeshtësinë e shqyrtimit, ne nuk do të marrim asgjë specifike. Le të supozojmë se ka nivele të caktuara potenciale në daljen e ADC të nyjës CCD. Le të supozojmë se 60 është niveli mesatar i ngjyrës së bardhë.

1. Për çdo piksel të linjës CCD, një vlerë lexohet kur ndriçohet me dritë të bardhë referuese (dhe në pajisjet më serioze lexohet gjithashtu "niveli i zi").
2. Vlera krahasohet me një nivel referencë (për shembull, mesatarja).
3. Diferenca midis vlerës së daljes dhe nivelit të referencës ruhet për çdo piksel.
4. Më vonë, gjatë skanimit, kjo diferencë kompensohet për çdo piksel.

Sistemi AGC inicializohet sa herë që inicializohet sistemi i skanerit. Ju ndoshta keni vënë re se kur ndizni makinën, pas ca kohësh karroca e skanerit fillon të bëjë lëvizje kthimi përpara (duke zvarritur përgjatë vijave bardh e zi). Ky është procesi i inicializimit të sistemit AGC. Sistemi gjithashtu merr parasysh gjendjen e llambës (plakje).

Ju ndoshta keni vënë re gjithashtu se MFP-të e vegjël të pajisur me një skaner me ngjyra "ndizin llambën" me tre ngjyra nga ana tjetër: e kuqe, blu dhe jeshile. Atëherë vetëm drita e prapme origjinale bëhet e bardhë. Kjo është bërë për të korrigjuar më mirë ndjeshmërinë e matricës veçmas për kanalet RGB.

Testi gjysmëton (TESTI I HYJES) ju lejon të filloni këtë procedurë me kërkesë të inxhinierit dhe të sillni vlerat e rregullimit në kushte reale.

Le të përpiqemi t'i konsiderojmë të gjitha këto në një makinë të vërtetë, "luftarake". Le të marrim si bazë një pajisje të njohur dhe të njohur. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Duhet të theksohet se në rastin tonë, CCD bëhet CIS (Contakt Image Sensor), por thelbi i asaj që po ndodh nuk ndryshon rrënjësisht. Thjesht, linjat e LED-ve përdoren si burim drite.

Kështu që:

Sinjali i imazhit nga CIS ka një nivel prej rreth 1.2 V dhe furnizohet në seksionin ADC (SADC) të kontrolluesit të pajisjes (SADC). Pas SADC, sinjali analog CIS do të konvertohet në një sinjal dixhital 8-bit.

Procesori i imazhit në SADC fillimisht përdor funksionin e korrigjimit të tonit dhe më pas funksionin e korrigjimit të gama. Pas kësaj, të dhënat furnizohen në module të ndryshme sipas mënyrës së funksionimit. Në modalitetin Text, të dhënat e imazhit dërgohen në modulin LAT, në modalitetin Photo, të dhënat e imazhit dërgohen në modulin "Error Diffusion", në modalitetin PC-Scan, të dhënat e imazhit dërgohen drejtpërdrejt në një kompjuter personal përmes aksesit DMA.

Përpara testimit, vendosni disa fletë letre të bardhë në xhamin e ekspozimit. Është e vetëkuptueshme që fillimisht duhet të "lëpihen" optika, shiriti b/w dhe, në përgjithësi, montimi i skanerit nga brenda.

1. Zgjidhni në TECH MODE
2. Shtypni butonin ENTER për të skanuar imazhin.
3. Pas skanimit, do të printohet një "CIS SHADING PROFILE". Një shembull i një fletë të tillë është paraqitur më poshtë. Nuk duhet të jetë një kopje e rezultatit tuaj, por duhet të jetë afër imazhit.
4. Nëse imazhi i printuar është shumë i ndryshëm nga imazhi i paraqitur në ilustrim, CIS është i gabuar. Ju lutemi vini re se në fund të fletës së raportit shkruan "Rezultatet: OK". Kjo do të thotë që sistemi nuk ka ankesa serioze për modulin CIS. Përndryshe do të jepen rezultatet e gabimit.

Shembull i printimit të profilit:

Paç fat!!

Bazuar në materialet nga artikujt dhe leksionet e mësuesve të Universitetit Shtetëror të Shën Petersburgut (LSU), Universitetit Elektroteknik të Shën Petersburgut (LETI) dhe Axl. Falë tyre.

Materiali i përgatitur nga V. Schelenberg

Pajisja e lidhur me ngarkesë u shpik në vitin 1969 nga Willard Boyle dhe George Smith në AT&T Bell Labs. Laboratorët punonin në videotelefoninë. telefon me foto) dhe zhvillimi i "memorjes së flluskave gjysmëpërçuese" (eng. memorie flluskë gjysmëpërçuese). 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 memories së pajisjes për të marrë një ngarkesë për shkak të efektit fotoelektrik e ka bërë këtë aplikim të pajisjeve CCD kryesore.

Struktura e përgjithshme dhe parimi i funksionimit

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 i dritës gjatë ekspozimit, aq më shumë elektrone grumbullohen në pusin e mundshëm, dhe në përputhje me rrethanat, aq më e lartë është ngarkesa përfundimtare e një piksel të caktuar.

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.

Emërtimet në diagramin e nënpikselit CCD: 1 - fotonet e dritës që kalojnë nëpër thjerrëzat e kamerës;
2 - ;
3 - R - filtri nënpiksel i kuq, fragment filtri Bayer;
4 - elektrodë transparente e bërë nga silikoni polikristalor ose një aliazh i indiumit dhe oksidit të kallajit;
5 - 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 të ngarkesës;
8 - substrate silikoni e tipit p.

Klasifikimi sipas metodës buffering

Sensorë të transferimit të kornizës së plotë

Imazhi i formuar nga thjerrëza bie në matricën CCD, domethënë, rrezet e dritës bien në sipërfaqen fotosensitive të elementeve CCD, detyra e të cilave është të shndërrojë energjinë e fotoneve në një ngarkesë elektrike. Ndodh afërsisht si më poshtë.

Për një foton që bie mbi një element CCD, ekzistojnë tre opsione për zhvillimin e ngjarjeve - ai ose do të "rikoset" nga sipërfaqja, ose do të përthithet në trashësinë e gjysmëpërçuesit (materiali i matricës), ose do të "shpojë" “zonën e saj të punës”. Natyrisht, zhvilluesve u kërkohet të krijojnë një sensor në të cilin humbjet nga "rikoshet" dhe "xhirimi përmes" do të minimizohen. Të njëjtat fotone që janë përthithur nga matrica formojnë një çift elektron-vrimë nëse ka pasur një ndërveprim me një atom të rrjetës kristalore gjysmëpërçuese, ose vetëm një elektron (ose vrimë) nëse bashkëveprimi ka qenë me atomet e papastërtive të dhuruesit ose marrësit, dhe të dyja këto dukuri quhen efekti i brendshëm fotoelektrik. Sigurisht, puna e sensorit nuk kufizohet në efektin e brendshëm fotoelektrik - është e nevojshme të ruani transportuesit e ngarkesës "të marrë" nga gjysmëpërçuesi në një ruajtje të veçantë, dhe pastaj t'i numëroni ato.

element CCD

Në përgjithësi, dizajni i një elementi CCD duket si ky: një substrat silikoni i tipit p është i pajisur me kanale të bëra nga një gjysmëpërçues i tipit n. Mbi kanale krijohen elektroda të bëra nga silikoni polikristalor me një shtresë izoluese të oksidit të silikonit. Pas aplikimit të një potenciali elektrik në një elektrodë të tillë, një pus potencial krijohet në zonën e varfërimit nën kanalin e tipit n, qëllimi i të cilit është ruajtja e elektroneve. Një foton që depërton në silikon rezulton në gjenerimin e një elektroni, i cili tërhiqet nga pusi potencial dhe mbetet në të. Më shumë fotone (dritë e ndritshme) sigurojnë më shumë ngarkesë në pus. Pastaj duhet të llogarisni vlerën e kësaj ngarkese, e quajtur edhe fotorrymë, dhe ta amplifikoni atë.

Leximi i fotorrymave të elementeve CCD kryhet nga të ashtuquajturat regjistra të zhvendosjes serike, të cilët konvertojnë një varg ngarkesash në hyrje në një seri pulsesh në dalje. Kjo seri përfaqëson një sinjal analog, i cili më pas futet në një përforcues.

Kështu, duke përdorur një regjistër, është e mundur të konvertohen ngarkesat e një linje të elementeve CCD në një sinjal analog. Në fakt, regjistri i zhvendosjes serike në matricat CCD zbatohet duke përdorur të njëjtat elementë CCD të kombinuar në një rresht. Funksionimi i një pajisjeje të tillë bazohet në aftësinë e pajisjeve të lidhura me ngarkesë (kjo është ajo që do të thotë shkurtesa CCD) për të shkëmbyer ngarkesat e puseve të tyre të mundshme. Shkëmbimi kryhet falë pranisë së elektrodave speciale të transferimit (porta e transferimit) të vendosura midis elementëve CCD ngjitur. Kur një potencial i rritur aplikohet në elektrodën më të afërt, ngarkesa "rrjedh" nën të nga pusi potencial. Nga dy deri në katër elektroda transferuese mund të vendosen midis elementeve CCD "faza" e regjistrit të ndërrimit, e cila mund të quhet dyfazore, trefazore ose katërfazore, varet nga numri i tyre.

Furnizimi i potencialeve në elektrodat e transferimit sinkronizohet në atë mënyrë që lëvizja e ngarkesave të puseve potenciale të të gjithë elementëve CCD të regjistrit të ndodhë njëkohësisht. Dhe gjatë një cikli transferimi, elementët CCD duket se "transmetojnë ngarkesa përgjatë një zinxhiri" nga e majta në të djathtë (ose nga e djathta në të majtë). Epo, elementi CCD që rezulton të jetë "ekstremi" i jep ngarkesën e tij pajisjes së vendosur në daljen e regjistrit, domethënë amplifikatorit.

Në përgjithësi, një regjistër i zhvendosjes serike është një pajisje me hyrje paralele, me dalje serike. Prandaj, pas leximit të të gjitha ngarkesave nga regjistri, është e mundur të aplikohet një linjë e re në hyrjen e saj, pastaj ajo tjetër, dhe kështu të gjenerohet një sinjal analog i vazhdueshëm i bazuar në një grup dydimensional të rrymave foto. Nga ana tjetër, hyrja paralele në regjistrin e zhvendosjes serike (d.m.th., rreshtat e një grupi dydimensional të rrymave foto) sigurohet nga një grup regjistrash të zhvendosjes serike të orientuar vertikalisht, i cili quhet regjistër i zhvendosjes paralele, dhe e gjithë struktura është pikërisht një pajisje e quajtur matricë CCD.

Regjistrat e zhvendosjes serike "vertikale" që përbëjnë ato paralele quhen kolona CCD dhe funksionimi i tyre është plotësisht i sinkronizuar. Gama dydimensionale e fotorrymave të matricës CCD zhvendoset njëkohësisht poshtë një rreshti, dhe kjo ndodh vetëm pasi ngarkesat e rreshtit të mëparshëm nga regjistri i ndërrimit serial i vendosur "në fund" kanë shkuar në amplifikator. Derisa të lëshohet regjistri serial, ai paralel detyrohet të mos funksionojë. Epo, për funksionimin normal, vetë matrica CCD duhet të lidhet me një mikroqark (ose një grup prej tyre) që furnizon me potencial elektrodat e regjistrave të zhvendosjes serike dhe paralele, si dhe sinkronizon funksionimin e të dy regjistrave. Përveç kësaj, nevojitet një gjenerator i orës.

Sensori me kornizë të plotë

Ky lloj sensori është më i thjeshti nga pikëpamja e projektimit dhe quhet matricë CCD me kornizë të plotë. Përveç mikroqarqeve "tubacionesh", kjo lloj matrice kërkon gjithashtu një grilë mekanike që bllokon fluksin e dritës pas përfundimit të ekspozimit. Përpara se kapaku të mbyllet plotësisht, ngarkesat e leximit nuk mund të fillojnë - gjatë ciklit të funksionimit të një regjistri të zhvendosjes paralele, elektronet shtesë do të shtohen në fotorrymën e secilit prej pikselëve të tij, të shkaktuar nga fotonet që godasin sipërfaqen e hapur të matricës CCD. Ky fenomen quhet "njollosje" e ngarkesës në një matricë me kornizë të plotë (njollosje matrice me kornizë të plotë).

Kështu, shpejtësia e leximit të kornizës në një skemë të tillë është e kufizuar nga shpejtësia e funksionimit të regjistrave të zhvendosjes paralele dhe serike. Është gjithashtu e qartë se është e nevojshme të bllokohet rrjedha e dritës që vjen nga lentet derisa të përfundojë procesi i leximit, kështu që intervali midis ekspozimeve varet edhe nga shpejtësia e leximit.

Matricat me korniza

Ekziston një version i përmirësuar i matricës me kornizë të plotë, në të cilën ngarkesat e regjistrit paralel nuk furnizohen rresht pas rreshti në hyrjen e atij serik, por "ruhen" në një regjistër paralel bufer. Ky regjistër ndodhet nën regjistrin kryesor të ndërrimit paralel, fotorrymat zhvendosen rresht pas rreshti në regjistrin e tamponit dhe prej andej futen në regjistrin e zhvendosjes serike. Sipërfaqja e regjistrit të tamponit është e mbuluar me një panel të errët (zakonisht metalik) dhe i gjithë sistemi quhet matricë CCD i transferimit të kornizës. Matrica me buferim të kornizës Në këtë skemë, vrimat e mundshme të regjistrit kryesor të zhvendosjes paralele "zbrazen" shumë më shpejt, pasi gjatë transferimit të rreshtave në bufer, nuk ka nevojë të pritet një cikël i plotë i regjistrit serial për çdo rresht. Prandaj, intervali ndërmjet ekspozimeve zvogëlohet, megjithëse shpejtësia e leximit gjithashtu zvogëlohet; Kështu, intervali midis ekspozimeve zvogëlohet vetëm për dy korniza, megjithëse kostoja e pajisjes për shkak të regjistrit të tamponit rritet ndjeshëm. Sidoqoftë, disavantazhi më i dukshëm i matricave me buferim të kornizës është "rruga" e zgjatur e fotorrymave, e cila ndikon negativisht në sigurinë e vlerave të tyre. Dhe në çdo rast, grila mekanike duhet të aktivizohet midis kornizave, kështu që nuk ka nevojë të flasim për një sinjal të vazhdueshëm video.

Matricat me kolonë

Një lloj i ri matrice u zhvillua veçanërisht për teknologjinë video, në të cilën intervali midis ekspozimeve u minimizua jo për një palë korniza, por për një transmetim të vazhdueshëm. Natyrisht, për të siguruar këtë vazhdimësi, ishte e nevojshme të parashikohej braktisja e grilës mekanike.

Në fakt, kjo skemë, e quajtur matricë me kolonë (matricë CCD-ndërlinjë), është disi e ngjashme me sistemet me korniza - ajo përdor gjithashtu një regjistër të zhvendosjes paralele të tamponit, elementët CCD të të cilit janë të fshehur nën një shtresë të errët. Megjithatë, ky bufer nuk është i vendosur si një bllok i vetëm nën regjistrin kryesor paralel, kolonat e tij janë të "përziera" midis kolonave të regjistrit kryesor. Si rezultat, pranë secilës kolonë të regjistrit kryesor ka një kolonë tampon dhe menjëherë pas ekspozimit, rrymat foto nuk lëvizin "nga lart poshtë", por "nga e majta në të djathtë" (ose "nga e djathta në të majtë") dhe vetëm një cikël pune ato hyjnë në regjistrin e tamponit, duke çliruar plotësisht dhe plotësisht vrimat e mundshme për ekspozimin e ardhshëm. Ngarkesat e vendosura në regjistrin e tamponit lexohen në mënyrën e zakonshme përmes një regjistri të zhvendosjes serike, domethënë "nga lart poshtë". Meqenëse hedhja e rrymave fotografike në regjistrin e tamponit ndodh në vetëm një cikël, edhe në mungesë të një grila mekanike, nuk vërehet asgjë e ngjashme me "njollosjen" e ngarkesës në sensorin e kornizës së plotë. Por koha e ekspozimit për çdo kornizë në shumicën e rasteve korrespondon në kohëzgjatje me intervalin e shpenzuar për leximin e plotë të regjistrit paralel të tamponit. Falë gjithë kësaj, bëhet e mundur krijimi i një sinjali video me një shpejtësi të lartë kuadri - të paktën 30 korniza për sekondë. Matrica e ngulitur me kolona Shpesh në literaturën ruse, matricat e vendosura në kolonë quhen gabimisht "të ndërthurura". Kjo është ndoshta për shkak të faktit se emrat anglisht "interline" (linja buffering) dhe "interlaced" (skanim i ndërthurur) tingëllojnë shumë të ngjashëm. Në fakt, kur të gjitha rreshtat lexohen në një cikël orar, mund të flasim për një matricë me skanim progresiv, dhe kur linjat tek lexohen në ciklin e parë të orës, dhe rreshtat çift në të dytin (ose anasjelltas), flasim. rreth një matrice me skanim të ndërthurjes).

Madhësitë e sensorit të kamerës

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

Dimensionet e kamerave dixhitale të kinemasë

Emërtimi	korrespondencë format filmat	Gjerësia

Informacione të përgjithshme rreth matricave CCD.

Aktualisht, shumica e sistemeve të kapjes së imazheve përdorin matricat CCD (pajisja e lidhur me ngarkesë) si pajisje fotosensitive.

Parimi i funksionimit të një matrice CCD është si më poshtë: një matricë e elementeve fotosensitive (seksioni i akumulimit) krijohet në bazë të silikonit. Çdo element fotosensiv ka vetinë e akumulimit të ngarkesave në përpjesëtim me numrin e fotoneve që e godasin atë. Kështu, me kalimin e një kohe (koha e ekspozimit) në seksionin e akumulimit, fitohet një matricë dy-dimensionale e ngarkesave në përpjesëtim me shkëlqimin e imazhit origjinal. Ngarkesat e akumuluara fillimisht transferohen në seksionin e ruajtjes, dhe më pas rresht pas rreshti dhe piksel pas piksel në daljen e matricës.

Madhësia e seksionit të ruajtjes në lidhje me seksionin e akumulimit ndryshon:

• për kornizë (matrica me transferim të kornizës për skanim progresiv);
• për gjysmë-kornizë (matrica me transferim të kornizës për skanim të ndërthurur);

Ekzistojnë gjithashtu matrica në të cilat nuk ka seksion ruajtjeje, dhe më pas transferimi i linjës kryhet drejtpërdrejt përmes seksionit të akumulimit. Natyrisht, që matrica të tilla të funksionojnë, kërkohet një grilë optike.

Cilësia e matricave moderne CCD është e tillë që ngarkesa mbetet praktikisht e pandryshuar gjatë procesit të transferimit.

Pavarësisht nga shumëllojshmëria e dukshme e kamerave televizive, matricat CCD të përdorura në to janë praktikisht të njëjta, pasi prodhimi masiv dhe në shkallë të gjerë i matricave CCD kryhet nga vetëm disa kompani. Këto janë SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Parametrat kryesorë të matricave CCD janë:

• dimensioni në pixel;
• madhësia fizike në inç (2/3, 1/2, 1/3, etj.). Për më tepër, vetë numrat nuk përcaktojnë madhësinë e saktë të zonës së ndjeshme, por përkundrazi përcaktojnë klasën e pajisjes;
• ndjeshmëri.

Rezolucioni i kamerave CCD.

Rezolucioni i kamerave CCD përcaktohet kryesisht nga madhësia e matricës CCD në pixel dhe cilësia e lenteve. Në një farë mase, kjo mund të ndikohet nga elektronika e kamerës (nëse është bërë keq, mund të përkeqësojë rezolucionin, por ato rrallë bëjnë ndonjë gjë sinqerisht të keqe këto ditë).

Është e rëndësishme të bëni një shënim këtu. Në disa raste, filtra hapësinorë me frekuencë të lartë instalohen në kamera për të përmirësuar rezolucionin e dukshëm. Në këtë rast, një imazh i një objekti i marrë nga një aparat fotografik më i vogël mund të duket edhe më i mprehtë se një imazh i të njëjtit objekt i marrë objektivisht nga një aparat fotografik më i mirë. Sigurisht, kjo është e pranueshme kur kamera përdoret në sistemet e mbikëqyrjes vizuale, por është plotësisht e papërshtatshme për ndërtimin e sistemeve të matjes.

Rezolucioni dhe formati i matricave CCD.

Aktualisht, kompani të ndryshme prodhojnë matrica CCD që mbulojnë një gamë të gjerë dimensionesh nga disa qindra në disa mijëra. Kështu u raportua një matricë me dimension 10000x10000, dhe ky mesazh vinte në dukje jo aq problemin e kostos së kësaj matrice sa problemin e ruajtjes, përpunimit dhe transmetimit të imazheve që rezultojnë. Siç e dimë, matricat me dimensione deri në 2000x2000 tani janë pak a shumë të përdorura gjerësisht.

Matricat CCD më gjerësisht, ose më saktë, në masë të përdorura me siguri përfshijnë matrica me një rezolucion të orientuar në standardin televiziv. Këto janë matrica kryesisht të dy formateve:

• 512*576;
• 768*576.

Matricat 512*576 zakonisht përdoren në sistemet e thjeshta dhe të lira të mbikëqyrjes video.

Matricat 768*576 (nganjëherë pak më shumë, ndonjëherë pak më pak) ju lejojnë të merrni rezolucionin maksimal për një sinjal standard televiziv. Në të njëjtën kohë, ndryshe nga matricat e formatit 512 * 576, ato kanë një sistem rrjeti të elementeve fotosensitive afër një katrori, dhe, për rrjedhojë, rezolucion të barabartë horizontal dhe vertikal.

Shpesh, prodhuesit e kamerave tregojnë rezolucionin në linjat televizive. Kjo do të thotë që kamera ju lejon të shihni N/2 goditje vertikale të errëta në një sfond të lehtë, të renditura në një katror të gdhendur në fushën e imazhit, ku N është numri i deklaruar i linjave televizive. Në lidhje me një tavolinë standarde televizive, kjo supozon si vijon: duke zgjedhur distancën dhe duke fokusuar imazhin e tabelës, është e nevojshme të sigurohet që skajet e sipërme dhe të poshtme të figurës së tabelës në monitor të përkojnë me konturin e jashtëm të tabelës. shënuar nga kulmet e prizmave bardh e zi; më pas, pas nënfokusimit përfundimtar, numri lexohet në vendin e pykës vertikale ku goditjet vertikale për herë të parë pushojnë së zgjidhuri. Vërejtja e fundit është shumë e rëndësishme sepse... dhe në imazhin e fushave të testimit të një tabele me 600 ose më shumë rreshta, shpesh shihen vija të alternuara, të cilat, në fakt, janë moire të formuara nga rrahja e frekuencave hapësinore të vijave të tabelës dhe rrjetit të elementeve të ndjeshme të matrica CCD. Ky efekt është veçanërisht i theksuar në kamerat me filtra hapësinorë me frekuencë të lartë (shih më lart)!

Do të doja të theksoja se, duke qenë të gjitha gjërat e tjera të barabarta (kjo mund të ndikohet kryesisht nga lentet), rezolucioni i kamerave bardh e zi përcaktohet në mënyrë unike nga madhësia e matricës CCD. Pra, një aparat fotografik me format 768*576 do të ketë një rezolucion prej 576 linjash televizive, megjithëse në disa prospekte mund të gjeni vlerën 550 dhe në të tjera 600.

Lente.

Madhësia fizike e qelizave CCD është parametri kryesor që përcakton kërkesën për rezolucionin e lenteve. Një tjetër parametër i tillë mund të jetë kërkesa për të siguruar funksionimin e matricës në kushte të mbingarkesës së lehtë, e cila do të diskutohet më poshtë.

Për një matricë SONY ICX039 1/2 inç, madhësia e pikselit është 8,6µm*8,3µm. Prandaj, lentet duhet të kenë një rezolucion më të mirë se:

1/8.3*10e-3= 120 rreshta (60 palë rreshta për milimetër).

Për lentet e bëra për matrica 1/3 inç, kjo vlerë duhet të jetë edhe më e lartë, megjithëse kjo, çuditërisht, nuk ndikon në koston dhe një parametër të tillë si hapja, pasi këto lente janë bërë duke marrë parasysh nevojën për të formuar një imazh në një fushë më të vogël të matricës, e ndjeshme ndaj dritës. Nga kjo rrjedh gjithashtu se lentet për matrica më të vogla nuk janë të përshtatshme për matrica të mëdha për shkak të karakteristikave të përkeqësuara ndjeshëm në skajet e matricave të mëdha. Në të njëjtën kohë, lentet për sensorë të mëdhenj mund të kufizojnë rezolucionin e imazheve të marra nga sensorë më të vegjël.

Fatkeqësisht, me gjithë bollëkun moderne të lenteve për kamerat televizive, është shumë e vështirë të merret informacion mbi rezolucionin e tyre.

Në përgjithësi, ne nuk zgjedhim shpesh lente, pasi pothuajse të gjithë klientët tanë instalojnë sisteme video në optikën ekzistuese: mikroskopë, teleskopë, etj., kështu që informacioni ynë për tregun e lenteve është në natyrën e shënimeve. Mund të themi vetëm se rezolucioni i lenteve të thjeshta dhe të lira është në intervalin 50-60 palë linjash për mm, gjë që përgjithësisht nuk mjafton.

Nga ana tjetër, kemi informacione se lentet speciale të prodhuara nga Zeiss me rezolucion 100-120 çifte linjash për mm kushtojnë më shumë se 1000 dollarë.

Pra, kur blini një lente, është e nevojshme të bëni testime paraprake. Duhet të them që shumica e shitësve të Moskës ofrojnë lente për testim. Këtu është edhe një herë e përshtatshme të kujtojmë efektin moire, prania e të cilit, siç u përmend më lart, mund të mashtrojë në lidhje me zgjidhjen e matricës. Pra, prania e moires në imazhin e seksioneve të tabelës me goditje mbi 600 linja televizive në lidhje me lentet tregon një rezervë të caktuar të rezolucionit të kësaj të fundit, e cila, natyrisht, nuk dëmton.

Një shënim tjetër, ndoshta i rëndësishëm për ata që janë të interesuar në matjet gjeometrike. Të gjitha lentet kanë shtrembërim në një shkallë ose në një tjetër (shtrembërim në formë jastëku të gjeometrisë së imazhit), dhe sa më e shkurtër të jetë lentet, aq më të mëdha janë këto shtrembërime, si rregull. Sipas mendimit tonë, lentet me gjatësi fokale më të madhe se 8-12 mm kanë shtrembërim të pranueshëm për kamerat 1/3" dhe 1/2". Edhe pse niveli i "pranueshmërisë", natyrisht, varet nga detyrat që duhet të zgjidhë kamera televizive.

Rezolucioni i kontrollorëve të hyrjes së imazhit

Rezolucioni i kontrolluesve të hyrjes së imazhit duhet të kuptohet si frekuenca e konvertimit të konvertuesit analog në dixhital (ADC) të kontrolluesit, të dhënat e të cilit më pas regjistrohen në memorien e kontrolluesit. Natyrisht, ekziston një kufi i arsyeshëm për rritjen e frekuencës së dixhitalizimit. Për pajisjet që kanë një strukturë të vazhdueshme të shtresës fotosensitive, për shembull, vidikonët, frekuenca optimale e dixhitalizimit është e barabartë me dyfishin e frekuencës së sipërme të sinjalit të dobishëm të vidikonit.

Ndryshe nga detektorë të tillë të dritës, matricat CCD kanë një topologji diskrete, kështu që frekuenca optimale e dixhitalizimit për to përcaktohet si frekuenca e zhvendosjes së regjistrit të daljes së matricës. Në këtë rast, është e rëndësishme që ADC e kontrolluesit të funksionojë në mënyrë sinkronike me regjistrin e daljes së matricës CCD. Vetëm në këtë rast mund të arrihet cilësia më e mirë e konvertimit si nga pikëpamja e sigurimit të një gjeometrie "të ngurtë" të imazheve që rezultojnë dhe nga pikëpamja e minimizimit të zhurmës nga pulset e orës dhe proceset kalimtare.

Ndjeshmëria e kamerave CCD

Që nga viti 1994, ne kemi përdorur kamera me karta SONY në pajisjet tona bazuar në matricën CCD ICX039. Përshkrimi i SONY për këtë pajisje tregon një ndjeshmëri prej 0,25 luks në një objekt me një hapje lente 1,4. Tashmë disa herë kemi hasur në kamera me parametra të ngjashëm (madhësia 1/2 inç, rezolucion 752*576) dhe me ndjeshmëri të deklaruar 10 apo edhe 100 herë më të madhe se ajo e SONY “tonë”.

Ne i kontrolluam këto numra disa herë. Në shumicën e rasteve, në kamerat e kompanive të ndryshme, gjetëm të njëjtën matricë CCD ICX039. Për më tepër, të gjitha mikroqarqet "tubacionesh" ishin gjithashtu të prodhuara nga SONY. Dhe testimi krahasues tregoi identitetin pothuajse të plotë të të gjitha këtyre kamerave. Pra, cila është pyetja?

Dhe e gjithë pyetja është se në çfarë raporti sinjal-zhurmë (s/n) përcaktohet ndjeshmëria. Në rastin tonë, kompania SONY me ndërgjegje ka treguar ndjeshmëri në s/n = 46 dB, ndërsa kompanitë e tjera ose nuk e kanë treguar këtë ose e kanë treguar në mënyrë të tillë që është e paqartë se në çfarë kushtesh janë bërë këto matje.

Kjo është, në përgjithësi, një fatkeqësi e zakonshme e shumicës së prodhuesve të kamerave - duke mos specifikuar kushtet për matjen e parametrave të kamerës.

Fakti është se ndërsa kërkesa për raportin S/N zvogëlohet, ndjeshmëria e kamerës rritet në proporcion të kundërt me katrorin e raportit të kërkuar S/N:

Ku:
I - ndjeshmëria;
K - faktori i konvertimit;
Raporti s/n - s/n në njësi lineare,

Prandaj, shumë kompani tundohen të tregojnë ndjeshmërinë e kamerës me një raport të ulët S/N.

Mund të themi se aftësia e matricave për të "shikuar" më mirë ose më keq përcaktohet nga numri i ngarkesave të konvertuara nga fotonet që bien në sipërfaqen e saj dhe cilësia e dërgimit të këtyre ngarkesave në dalje. Sasia e ngarkesave të akumuluara varet nga zona e elementit fotosensiv dhe efikasiteti kuantik i matricës CCD, dhe cilësia e transportit përcaktohet nga shumë faktorë, të cilët shpesh zbresin në një gjë - zhurmën e leximit. Zhurma e leximit për matricat moderne është në rendin e 10-30 elektroneve ose edhe më pak!

Zonat e elementeve të matricave CCD janë të ndryshme, por vlera tipike për matricat 1/2 inç për kamerat televizive është 8,5 µm * 8,5 µm. Një rritje në madhësinë e elementeve çon në një rritje të madhësisë së vetë matricave, gjë që rrit koston e tyre jo aq shumë për shkak të rritjes aktuale të çmimit të prodhimit, por për shkak të faktit se prodhimi serik i pajisjeve të tilla është disa renditje të madhësisë më të vogla. Për më tepër, zona e zonës fotosensitive ndikohet nga topologjia e matricës në masën që përqindja e sipërfaqes totale të kristalit është e zënë nga zona e ndjeshme (faktori i mbushjes). Në disa matrica të veçanta, faktori i mbushjes deklarohet të jetë 100%.

Efikasiteti kuantik (sa ndryshon mesatarisht ngarkesa e një qelize të ndjeshme në elektrone kur një foton bie në sipërfaqen e tij) për matricat moderne është 0.4-0.6 (për disa matrica pa lulëzim arrin 0.85).

Kështu, mund të shihet se ndjeshmëria e kamerave CCD, e lidhur me një vlerë të caktuar S/N, i është afruar kufirit fizik. Sipas përfundimit tonë, vlerat tipike të ndjeshmërisë së kamerave për përdorim të përgjithshëm në s/w = 46 shtrihen në intervalin 0,15-0,25 luks të ndriçimit në objekt me një hapje lente 1,4.

Në këtë drejtim, ne nuk rekomandojmë t'u besoni verbërisht shifrave të ndjeshmërisë të treguara në përshkrimet e kamerave televizive, veçanërisht kur nuk jepen kushtet për përcaktimin e këtij parametri dhe, nëse në pasaportën shihni një aparat fotografik që kushton deri në 500 dollarë, një ndjeshmëri prej 0,01-0,001 lux në modalitetin televiziv, atëherë para se të jeni një shembull i, për ta thënë butë, informacioni i pasaktë.

Rreth mënyrave për të rritur ndjeshmërinë e kamerave CCD

Çfarë duhet të bëni nëse keni nevojë të imazhoni një objekt shumë të zbehtë, si për shembull një galaktikë të largët?

Një zgjidhje është grumbullimi i imazheve me kalimin e kohës. Zbatimi i kësaj metode mund të rrisë ndjeshëm ndjeshmërinë e CCD. Natyrisht, kjo metodë mund të zbatohet për objektet e palëvizshme të vëzhgimit ose në rastet kur lëvizja mund të kompensohet, siç bëhet në astronomi.

Fig1 Mjegullnaja planetare M57.

Teleskopi: 60 cm, ekspozimi - 20 sek., temperatura gjatë ekspozimit - 20 C.
Në qendër të mjegullnajës ndodhet një objekt yjor me magnitudë 15.
Imazhi është marrë nga V. Amirkhanyan në Observatorin Special Astrofizik të Akademisë së Shkencave Ruse.

Mund të thuhet me saktësi të arsyeshme se ndjeshmëria e kamerave CCD është drejtpërdrejt proporcionale me kohën e ekspozimit.

Për shembull, ndjeshmëria me një shpejtësi mbyllëse prej 1 sekondë në krahasim me 1/50-at origjinale do të rritet 50 herë, d.m.th. do të jetë më mirë - 0,005 lux.

Sigurisht, në këtë rrugë ka probleme dhe kjo është, para së gjithash, rryma e errët e matricave, e cila sjell ngarkesa që grumbullohen njëkohësisht me sinjalin e dobishëm. Rryma e errët përcaktohet, së pari, nga teknologjia e prodhimit të kristalit, së dyti, nga niveli i teknologjisë dhe, natyrisht, në një masë shumë të madhe nga temperatura e funksionimit të vetë matricës.

Zakonisht, për të arritur kohë të gjata akumulimi, në rendin e minutave ose dhjetëra minutave, matricat ftohen në minus 20-40 gradë. C. Problemi i ftohjes së matricave në temperatura të tilla është zgjidhur, por është thjesht e pamundur të thuhet se kjo nuk mund të bëhet, pasi ka gjithmonë probleme të projektimit dhe funksionimit që lidhen me mjegullimin e gotave mbrojtëse dhe lëshimin e nxehtësisë nga kryqëzimi i nxehtë i një frigorifer termoelektrik.

Në të njëjtën kohë, përparimi teknologjik në prodhimin e matricave CCD ka ndikuar gjithashtu në një parametër të tillë si rryma e errët. Këtu arritjet janë shumë domethënëse dhe rryma e errët e disa matricave të mira moderne është shumë e vogël. Në përvojën tonë, kamerat pa ftohje lejojnë ekspozimin në temperaturën e dhomës brenda dhjetëra sekondave dhe me kompensim të sfondit të errët deri në disa minuta. Si shembull, këtu është një fotografi e mjegullnajës planetare M57, e marrë me sistemin video VS-a-tandem-56/2 pa ftohje me një ekspozim prej 20 s.

Mënyra e dytë për të rritur ndjeshmërinë është përdorimi i konvertuesve elektronoptikë (EOC). Intensifikuesit e imazhit janë pajisje që rrisin fluksin e dritës. Intensifikuesit modernë të imazhit mund të kenë vlera shumë të mëdha fitimi, megjithatë, pa hyrë në detaje, mund të themi se përdorimi i intensifikuesve të imazhit mund të përmirësojë vetëm ndjeshmërinë e pragut të kamerës, dhe për këtë arsye fitimi i tij nuk duhet të bëhet shumë i madh.

Ndjeshmëria spektrale e kamerave CCD

Fig.2 Karakteristikat spektrale të matricave të ndryshme

Për disa aplikime, ndjeshmëria spektrale e CCD është një faktor i rëndësishëm. Meqenëse të gjitha CCD-të janë bërë në bazë të silikonit, në formën e tyre "të zhveshur", ndjeshmëria spektrale e CCD korrespondon me këtë parametër të silikonit (shih Fig. 2).

Siç mund ta shihni, me gjithë shumëllojshmërinë e karakteristikave, matricat CCD kanë ndjeshmëri maksimale në intervalin e kuq dhe afër infra të kuqe (IR) dhe nuk shohin absolutisht asgjë në pjesën blu-vjollcë të spektrit. Ndjeshmëria afër IR e CCD-ve përdoret në sistemet e mbikqyrjes së fshehtë të ndriçuara nga burimet e dritës IR, si dhe gjatë matjes së fushave termike të objekteve me temperaturë të lartë.

Oriz. 3 Karakteristikat tipike spektrale të matricave bardh e zi SONY.

SONY prodhon të gjitha matricat e saj bardh e zi me karakteristikat spektrale të mëposhtme (shih Fig. 3). Siç mund ta shihni nga kjo figurë, ndjeshmëria e CCD në IR afër është zvogëluar ndjeshëm, por matrica filloi të perceptojë rajonin blu të spektrit.

Për qëllime të ndryshme të veçanta, po zhvillohen matrica të ndjeshme në rrezet ultravjollcë dhe madje edhe me rreze X. Zakonisht këto pajisje janë unike dhe çmimi i tyre është mjaft i lartë.

Rreth skanimit progresiv dhe të ndërthurur

Sinjali standard televiziv u zhvillua për një sistem televiziv të transmetimit, dhe nga pikëpamja e sistemeve moderne të futjes dhe përpunimit të imazhit, ai ka një pengesë të madhe. Edhe pse sinjali televiziv përmban 625 rreshta (nga të cilat rreth 576 përmbajnë informacion video), shfaqen 2 gjysmëkorniza në mënyrë sekuenciale, të përbërë nga linja çift (çift gjysmë korniza) dhe linja tek (gjysmë korniza tek). Kjo çon në faktin se nëse futet një imazh në lëvizje, atëherë rezolucioni Y nuk mund të përdoret në analizë më shumë se numri i rreshtave në një gjysmë-kornizë (288). Për më tepër, në sistemet moderne, kur imazhi vizualizohet në një monitor kompjuteri (i cili ka skanim progresiv), hyrja e imazhit nga kamera e ndërthurur kur objekti lëviz, shkakton një efekt të pakëndshëm vizual të dyfishimit.

Të gjitha metodat për të luftuar këtë mangësi çojnë në një përkeqësim të rezolucionit vertikal. Mënyra e vetme për të kapërcyer këtë disavantazh dhe për të arritur rezolucionin që përputhet me rezolucionin e CCD është kalimi në skanim progresiv në CCD. Prodhuesit CCD prodhojnë matrica të tilla, por për shkak të vëllimit të ulët të prodhimit, çmimi i matricave dhe kamerave të tilla është shumë më i lartë se ai i atyre konvencionale. Për shembull, çmimi i një matrice SONY me skanim progresiv ICX074 është 3 herë më i lartë se ICX039 (skanimi i ndërthurjes).

Opsione të tjera të kamerës

Këto të tjera përfshijnë një parametër të tillë si "lulëzimi", d.m.th. përhapja e ngarkesës mbi sipërfaqen e matricës kur elementët e saj individualë janë të mbiekspozuar. Në praktikë, një rast i tillë mund të ndodhë, për shembull, kur vëzhgoni objekte me shkëlqim. Ky është një efekt mjaft i pakëndshëm i CCD-ve, pasi disa pika të ndritshme mund të shtrembërojnë të gjithë imazhin. Për fat të mirë, shumë matrica moderne përmbajnë pajisje kundër lulëzimit. Pra, në përshkrimet e disa prej matricave më të fundit të SONY, gjetëm vitin 2000, i cili karakterizon mbingarkesën e lejuar të dritës së qelizave individuale, e cila ende nuk çon në përhapjen e ngarkesës. Kjo është një vlerë mjaft e lartë, veçanërisht pasi ky rezultat mund të arrihet, siç ka treguar përvoja jonë, vetëm me rregullim të veçantë të drejtuesve që kontrollojnë drejtpërdrejt matricën dhe kanalin e paraamplifikimit të sinjalit video. Për më tepër, lentet gjithashtu japin kontributin e saj në "përhapjen" e pikave të ndritshme, pasi me mbingarkesa kaq të mëdha drite, edhe shpërndarja e vogël përtej pikës kryesore siguron një mbështetje të dukshme të dritës për elementët fqinjë.

Këtu duhet të theksohet gjithashtu se sipas disa të dhënave, të cilat nuk i kemi verifikuar vetë, matricat me anti-lulëzim kanë një efikasitet kuantik 2-fish më të ulët se matricat pa anti-lulëzim. Në këtë drejtim, në sistemet që kërkojnë ndjeshmëri shumë të lartë, mund të ketë kuptim të përdoren matrica pa lulëzim (zakonisht këto janë detyra të veçanta si ato astronomike).

Rreth kamerave me ngjyra

Materialet në këtë seksion shkojnë disi përtej fushës së shqyrtimit të sistemeve matëse që kemi krijuar, megjithatë, përdorimi i gjerë i kamerave me ngjyra (madje më shumë se bardh e zi) na detyron ta sqarojmë këtë çështje, veçanërisht pasi klientët shpesh përpiqen të përdorin kamera bardh e zi me kamerat tona televizive me ngjyra me kapëse të kornizave të bardha, dhe ata habiten shumë kur gjejnë disa njolla në imazhet që rezultojnë dhe rezolucioni i imazheve rezulton të jetë i pamjaftueshëm. Le të shpjegojmë se çfarë po ndodh këtu.

Ekzistojnë 2 mënyra për të gjeneruar një sinjal me ngjyra:

• 1. përdorimi i një kamere me matricë të vetme.
• 2. përdorimi i një sistemi prej 3 matricash CCD me një kokë ndarëse ngjyrash për të marrë komponentët R, G, B të sinjalit të ngjyrave në këto matrica.

Mënyra e dytë ofron cilësinë më të mirë dhe është e vetmja mënyrë për të marrë sisteme matëse, megjithatë, kamerat që funksionojnë sipas këtij parimi janë mjaft të shtrenjta (më shumë se 3000 dollarë).

Në shumicën e rasteve, përdoren kamera CCD me një çip. Le të shohim parimin e funksionimit të tyre.

Siç është e qartë nga karakteristikat mjaft të gjera spektrale të matricës CCD, ajo nuk mund të përcaktojë "ngjyrën" e një fotoni që godet sipërfaqen. Prandaj, për të futur një imazh me ngjyra, një filtër drite është instaluar përpara çdo elementi të matricës CCD. Në këtë rast, numri i përgjithshëm i elementeve të matricës mbetet i njëjtë. SONY, për shembull, prodhon saktësisht të njëjtat matrica CCD për versionet bardh e zi dhe me ngjyra, të cilat ndryshojnë vetëm në praninë e një rrjeti filtrash drite në matricën e ngjyrave, të aplikuara drejtpërdrejt në zonat e ndjeshme. Ekzistojnë disa skema të ngjyrosjes së matricës. Këtu është një prej tyre.

Këtu përdoren 4 filtra të ndryshëm (shih Fig. 4 dhe Fig. 5).

Figura 4. Shpërndarja e filtrave në elementët e matricës CCD

Figura 5. Ndjeshmëria spektrale e elementeve CCD me filtra të ndryshëm.

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

Në rreshtin A1, sinjali i ndryshimit të ngjyrës "e kuqe" merret si:

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

dhe në rreshtin A2 është marrë një sinjal "blu" i ndryshimit të ngjyrave:

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

Nga kjo është e qartë se rezolucioni hapësinor i një matrice CCD me ngjyra, në krahasim me të njëjtën bardh e zi, zakonisht është 1.3-1.5 herë më i keq horizontalisht dhe vertikalisht. Për shkak të përdorimit të filtrave, ndjeshmëria e një CCD me ngjyra është gjithashtu më e keqe se ajo e një bardh e zi. Kështu, mund të themi se nëse keni një marrës me një matricë 1000 * 800, atëherë në të vërtetë mund të merrni rreth 700 * 550 për sinjalin e shkëlqimit dhe 500 * 400 (700 * 400 është e mundur) për sinjalin me ngjyra.

Duke lënë mënjanë çështjet teknike, dua të vërej se për qëllime reklamimi, shumë prodhues të kamerave elektronike raportojnë të dhëna krejtësisht të pakuptueshme për pajisjet e tyre. Për shembull, kompania Kodak shpall rezolucionin e kamerës së saj elektronike DC120 si 1200*1000 me një matricë prej 850x984 piksele. Por zotërinj, informacioni nuk shfaqet nga hiçi, megjithëse vizualisht duket mirë!

Rezolucioni hapësinor i një sinjali me ngjyra (një sinjal që mbart informacion për ngjyrën e imazhit) mund të thuhet se është të paktën 2 herë më i keq se rezolucioni i një sinjali bardh e zi. Për më tepër, ngjyra "e llogaritur" e pikselit të daljes nuk është ngjyra e elementit përkatës të imazhit burimor, por vetëm rezultati i përpunimit të shkëlqimit të elementeve të ndryshëm të imazhit burimor. Përafërsisht, për shkak të ndryshimit të mprehtë në shkëlqimin e elementeve fqinjë të një objekti, mund të llogaritet një ngjyrë që nuk është fare aty, ndërsa një zhvendosje e lehtë e kamerës do të çojë në një ndryshim të mprehtë në ngjyrën e daljes. Për shembull: kufiri i një fushe gri të errët dhe të hapur do të duket sikur përbëhet nga katrorë me shumë ngjyra.

Të gjitha këto konsiderata kanë të bëjnë vetëm me parimin fizik të marrjes së informacionit mbi matricat CCD me ngjyra, ndërsa duhet të merret parasysh se zakonisht sinjali video në daljen e kamerave me ngjyra paraqitet në një nga formatet standarde PAL, NTSC, ose më rrallë. S-video.

Formatet PAL dhe NTSC janë të mira sepse ato mund të riprodhohen menjëherë në monitorët standardë me një hyrje video, por duhet të kujtojmë se këto standarde ofrojnë një brez dukshëm më të ngushtë për sinjalin e ngjyrave, kështu që është më e saktë të flasim këtu për një ngjyrë të ngjyrosur, në vend të një imazhi me ngjyra. Një veçori tjetër e pakëndshme e kamerave me sinjale video që mbartin një komponent me ngjyra është shfaqja e vijave të sipërpërmendura në imazhin e marrë nga grabitësit e kornizave bardh e zi. Dhe çështja këtu është se sinjali i krominancës ndodhet pothuajse në mes të brezit të sinjalit video, duke krijuar ndërhyrje kur futet në një kornizë imazhi. Ne nuk e shohim këtë ndërhyrje në një monitor televiziv, sepse faza e kësaj "ndërhyrjeje" përmbyset pas katër kornizave dhe mesatarizohet nga syri. Prandaj hutimi i Klientit, i cili merr një imazh me ndërhyrje që nuk e sheh.

Nga kjo rrjedh se nëse keni nevojë të kryeni disa matje ose të deshifroni objektet sipas ngjyrës, atëherë kjo çështje duhet të trajtohet duke marrë parasysh veçoritë e mësipërme dhe të tjera të detyrës suaj.

Rreth matricave CMOS

Në botën e elektronikës, gjithçka po ndryshon shumë shpejt, dhe megjithëse fusha e fotodetektorëve është një nga më konservatorët, teknologjitë e reja po afrohen këtu kohët e fundit. Para së gjithash, kjo lidhet me shfaqjen e matricave televizive CMOS.

Në të vërtetë, silikoni është një element i ndjeshëm ndaj dritës dhe çdo produkt gjysmëpërçues mund të përdoret si sensor. Përdorimi i teknologjisë CMOS ofron disa avantazhe të dukshme mbi teknologjinë tradicionale.

Së pari, teknologjia CMOS është zotëruar mirë dhe lejon prodhimin e elementeve me një rendiment të lartë të produkteve të dobishme.

Së dyti, teknologjia CMOS ju lejon të vendosni në matricë, përveç zonës fotosensitive, pajisje të ndryshme inkuadrimi (deri në ADC), të cilat ishin instaluar më parë "jashtë". Kjo bën të mundur prodhimin e kamerave me dalje dixhitale "në një çip të vetëm".

Falë këtyre avantazheve, bëhet e mundur prodhimi i kamerave televizive dukshëm më të lira. Përveç kësaj, gama e kompanive që prodhojnë matrica po zgjerohet ndjeshëm.

Për momentin, prodhimi i matricave dhe kamerave televizive duke përdorur teknologjinë CMOS sapo ka filluar. Informacioni për parametrat e pajisjeve të tilla është shumë i pakët. Mund të vërejmë vetëm se parametrat e këtyre matricave nuk e kalojnë atë që arrihet aktualisht, për sa i përket çmimit, avantazhet e tyre janë të pamohueshme.

Më lejoni të jap si shembull një aparat fotografik me ngjyra me një çip të vetëm nga Photobit PB-159. Kamera është bërë në një çip të vetëm dhe ka parametrat e mëposhtëm teknik:

• rezolucioni - 512 * 384;
• madhësia e pikselit - 7,9µm*7,9µm;
• ndjeshmëria - 1 luks;
• dalje - SRGB dixhitale 8-bit;
• trupi - 44 këmbë PLCC.

Kështu, kamera humbet katër herë në ndjeshmëri, përveç kësaj, nga informacioni në një aparat tjetër është e qartë se kjo teknologji ka probleme me një rrymë relativisht të madhe të errët.

Rreth kamerave dixhitale

Kohët e fundit, një segment i ri tregu është shfaqur dhe po rritet me shpejtësi, duke përdorur matricat CCD dhe CMOS - kamera dixhitale. Për më tepër, në momentin aktual ka një rritje të mprehtë të cilësisë së këtyre produkteve njëkohësisht me një ulje të mprehtë të çmimit. Në të vërtetë, vetëm 2 vjet më parë, vetëm një matricë me rezolucion 1024*1024 kushtonte rreth 3000-7000 dollarë, por tani kamerat me matrica të tilla dhe një tufë këmbanash dhe bilbilash (ekran LCD, memorie, lentet variante, trup i përshtatshëm, etj. .) mund të blihet për më pak se 1000 dollarë. Kjo mund të shpjegohet vetëm me kalimin në prodhimin në shkallë të gjerë të matricave.

Meqenëse këto kamera bazohen në matricat CCD dhe CMOS, të gjitha diskutimet në këtë artikull në lidhje me ndjeshmërinë dhe parimet e formimit të sinjalit të ngjyrave janë të vlefshme për to.

Në vend të një përfundimi

Përvoja praktike që kemi grumbulluar na lejon të nxjerrim përfundimet e mëposhtme:

• Teknologjia e prodhimit të matricave CCD për sa i përket ndjeshmërisë dhe zhurmës është shumë afër kufijve fizikë;
• në tregun e kamerave televizive mund të gjeni kamera me cilësi të pranueshme, megjithëse mund të kërkohen rregullime për të arritur parametra më të lartë;
• Mos u mashtroni nga shifrat e ndjeshmërisë së lartë të dhëna në broshurat e kamerave;
• E megjithatë, çmimet për kamerat që janë absolutisht identike në cilësi dhe madje edhe për kamerat thjesht identike nga shitës të ndryshëm mund të ndryshojnë më shumë se dy herë!

Matrica është elementi kryesor strukturor i kamerës dhe një nga parametrat kryesorë që merret parasysh nga përdoruesi kur zgjedh një aparat fotografik. Matricat e kamerave dixhitale moderne mund të klasifikohen sipas disa shenjave, por kryesore dhe më e zakonshme është ende ndarja e matricave sipas metoda e leximit të tarifës, në: matricat CCD lloji dhe CMOS matricat. Në këtë artikull do të shqyrtojmë parimet e funksionimit, si dhe avantazhet dhe disavantazhet e këtyre dy llojeve të matricave, pasi ato janë ato që përdoren gjerësisht në pajisjet moderne fotografike dhe video.

matrica CCD

Matricë CCD quajtur edhe matrica CCD(Ngarkimi i pajisjeve të çiftuara). CCD matrica është një pllakë drejtkëndore e elementeve fotosensitive (fotodioda) e vendosur në një kristal silikoni gjysmëpërçues. Parimi i funksionimit të tij bazohet në lëvizjen rresht pas rreshti të ngarkesave që janë grumbulluar në vrimat e formuara nga fotonet në atomet e silikonit. Kjo do të thotë, kur përplaset me një fotodiodë, një foton i dritës absorbohet dhe një elektron lëshohet (ndodh një efekt i brendshëm fotoelektrik). Si rezultat, formohet një ngarkesë që duhet të ruhet disi për përpunim të mëtejshëm. Për këtë qëllim, në nënshtresën e silikonit të matricës është ndërtuar një gjysmëpërçues, mbi të cilin ndodhet një elektrodë transparente e bërë nga silikoni polikristalor. Dhe si rezultat i aplikimit të një potenciali elektrik në këtë elektrodë, në zonën e varfërimit nën gjysmëpërçues formohet një i ashtuquajtur pus potencial, në të cilin ruhet ngarkesa e marrë nga fotonet. Kur lexoni ngarkesën elektrike nga matrica, ngarkesat (të ruajtura në puse potenciale) transferohen përgjatë elektrodave të transferimit në skajin e matricës (regjistri i zhvendosjes serike) dhe drejt amplifikatorit, i cili amplifikon sinjalin dhe e transmeton atë në një analog në- konverteri dixhital (ADC), nga ku sinjali i konvertuar dërgohet në një procesor që përpunon sinjalin dhe ruan imazhin që rezulton në një kartë memorie .

Fotodioda poliilikonike përdoren për të prodhuar matrica CCD. Matrica të tilla kanë përmasa të vogla dhe ju lejojnë të merrni fotografi mjaft të cilësisë së lartë kur shkrepni në ndriçim normal.

Përparësitë e CCD-ve:

1. Dizajni i matricës siguron një densitet të lartë të vendosjes së fotocelave (pikselave) në substrat;
2. Efikasitet i lartë (raporti i fotoneve të regjistruara me numrin e tyre total është rreth 95%);
3. Ndjeshmëri e lartë;
4. Përkthim i mirë i ngjyrave (me ndriçim të mjaftueshëm).

Disavantazhet e CCD-ve:

1. Niveli i lartë i zhurmës në ISO të lartë (në ISO të ulët, niveli i zhurmës është i moderuar);
2. Shpejtësi e ulët e funksionimit në krahasim me matricat CMOS;
3. Konsumi i lartë i energjisë;
4. Teknologji më komplekse e leximit të sinjalit, pasi kërkohen shumë çipa kontrolli;
5. Prodhimi është më i shtrenjtë se matricat CMOS.

Matrica CMOS

Matricë CMOS, ose Matrica CMOS(Gjysmëpërçuesit plotësues të oksidit të metalit) përdor sensorë të pikës aktive. Ndryshe nga CCD, sensorët CMOS përmbajnë një tranzistor të veçantë në çdo element të ndjeshëm ndaj dritës (piksel), si rezultat i të cilit konvertimi i ngarkesës kryhet drejtpërdrejt në piksel. Ngarkesa që rezulton mund të lexohet nga çdo piksel individualisht, duke eliminuar nevojën për transferim të ngarkesës (siç ndodh në CCD). Piksele të sensorit CMOS janë të integruara drejtpërdrejt me konvertuesin analog në dixhital apo edhe me procesorin. Si rezultat i përdorimit të një teknologjie të tillë racionale, kursimet e energjisë ndodhin për shkak të një reduktimi të zinxhirëve të veprimeve në krahasim me matricat CCD, si dhe një ulje të kostos së pajisjes për shkak të një dizajni më të thjeshtë.

Parimi i shkurtër i funksionimit të një sensori CMOS: 1) Para shkrepjes, një sinjal rivendosjeje aplikohet në transistorin e rivendosjes. 2) Gjatë ekspozimit, drita depërton përmes thjerrëzave dhe filtrit në fotodiodë dhe, si rezultat i fotosintezës, një ngarkesë grumbullohet në pusin e mundshëm. 3) Lexohet vlera e tensionit të marrë. 4) Përpunimi i të dhënave dhe ruajtja e imazhit.

Përparësitë e sensorëve CMOS:

1. Konsumi i ulët i energjisë (veçanërisht në modalitetet e gatishmërisë);
2. Performancë e lartë;
3. Kërkon më pak kosto prodhimi për shkak të ngjashmërisë së teknologjisë me prodhimin e mikroqarqeve;
4. Uniteti i teknologjisë me elementë të tjerë dixhitalë, i cili ju lejon të kombinoni pjesë analoge, dixhitale dhe përpunuese në një çip (d.m.th., përveç kapjes së dritës në një piksel, ju mund të konvertoni, përpunoni dhe pastroni sinjalin nga zhurma).
5. Mundësia e aksesit të rastësishëm në çdo piksel ose grup pikselësh, që ju lejon të zvogëloni madhësinë e imazhit të kapur dhe të rrisni shpejtësinë e leximit.

Disavantazhet e matricave CMOS:

1. Fotodioda zë një zonë të vogël pixel, duke rezultuar në ndjeshmëri të ulët ndaj dritës së matricës, por në matricat moderne CMOS ky disavantazh praktikisht është eliminuar;
2. Prania e zhurmës termike nga transistorët ngrohës brenda pikselit gjatë procesit të leximit.
3. Përmasa relativisht të mëdha, fotopajisjet me këtë lloj matrice karakterizohen nga pesha dhe madhësia e madhe.

Përveç llojeve të mësipërme, ekzistojnë edhe matrica me tre shtresa, secila shtresë e të cilave është një CCD. Dallimi është se qelizat mund të perceptojnë njëkohësisht tre ngjyra, të cilat formohen nga prizma dykroike kur një rreze drite i godet. Çdo rreze më pas drejtohet në një matricë të veçantë. Si rezultat, shkëlqimi i ngjyrave blu, të kuqe dhe jeshile përcaktohet menjëherë në fotocelë. Matricat me tre shtresa përdoren në kamerat video të nivelit të lartë, të cilat kanë një përcaktim të veçantë - 3CCD.

Për ta përmbledhur, dua të vërej se me zhvillimin e teknologjive për prodhimin e matricave CCD dhe CMOS, karakteristikat e tyre gjithashtu ndryshojnë, kështu që është gjithnjë e më e vështirë të thuhet se cila nga matricat është padyshim më e mirë, por në të njëjtën kohë, CMOS matricat kohët e fundit janë bërë gjithnjë e më popullore në prodhimin e kamerave SLR. Bazuar në tiparet karakteristike të llojeve të ndryshme të matricave, mund të merret një ide e qartë pse pajisjet fotografike profesionale që ofrojnë shkrepje me cilësi të lartë janë mjaft të rënda dhe të rënda. Ky informacion duhet të mbahet mend patjetër kur zgjidhni një aparat fotografik - domethënë, merrni parasysh dimensionet fizike të matricës, dhe jo numrin e pikselëve.

Prezantimi

Në këtë punë kursi, unë do të shqyrtoj informacione të përgjithshme rreth pajisjeve të lidhura me ngarkesë, parametrave, historisë së krijimit dhe karakteristikave të kamerave moderne CCD me infra të kuqe të mesme.

Si rezultat i punës së kursit, studiova literaturën mbi krijimin, parimin e funksionimit, karakteristikat teknike dhe aplikimin e kamerave CCD të mesit IR.

CCD. Parimi fizik i funksionimit të CCD. matrica CCD

Një pajisje e lidhur me ngarkesë (CCD) është një seri strukturash të thjeshta MIS (metal-dielektrik-gjysmëpërçues) të formuara në një substrat të përbashkët gjysmëpërçues në mënyrë të tillë që shiritat e elektrodave metalike të formojnë një sistem të rregullt linear ose matricë, në të cilin distanca midis fqinjëve elektrodat janë mjaft të vogla (Fig. 1). Kjo rrethanë përcakton faktin se faktori përcaktues në funksionimin e pajisjes është ndikimi i ndërsjellë i strukturave fqinje MIS.

Figura 1 - Struktura CCD

Qëllimet kryesore funksionale të CCD-ve fotosensitive janë shndërrimi i imazheve optike në një sekuencë pulsesh elektrike (formimi i një sinjali video), si dhe ruajtja dhe përpunimi i informacionit dixhital dhe analog.

CCD-të janë bërë nga silikoni monokristalor. Për ta bërë këtë, një film i hollë (0,1-0,15 mikron) dielektrik i dioksidit të silikonit krijohet në sipërfaqen e një meshë silikoni duke përdorur oksidim termik. Ky proces kryhet në mënyrë të tillë që të sigurojë përsosjen e ndërfaqes gjysmëpërçues-dielektrike dhe të minimizojë përqendrimin e qendrave të rikombinimit në ndërfaqe. Elektrodat e elementeve individuale MIS janë prej alumini, gjatësia e tyre është 3-7 mikronë, hendeku midis elektrodave është 0,2-3 mikronë. Numri tipik i elementeve MIS është 500-2000 në një CCD linear dhe matricë; zona e pllakës Nën elektrodat e jashtme të çdo rreshti, bëhen kryqëzime p-n, të destinuara për hyrjen dhe daljen e pjesëve të ngarkesave (paketave të ngarkimit) elektrike. metodë (injeksion me kryqëzim p-n). Me fotovoltaik Kur futni paketat e ngarkimit, CCD ndizet nga ana e përparme ose e pasme. Kur ndriçohet nga pjesa e përparme, për të shmangur efektin e hijes së elektrodave, alumini zakonisht zëvendësohet me filma të silikonit polikristalin shumë të dopuar (polisilikon), transparent në rajonet e dukshme dhe afër IR të spektrit.

Parimi i funksionimit të CCD

Parimi i përgjithshëm i funksionimit të CCD është si më poshtë. Nëse një tension negativ aplikohet në çdo elektrodë metalike të një CCD, atëherë nën veprimin e fushës elektrike që rezulton, elektronet, të cilat janë bartësit kryesorë në substrat, largohen nga sipërfaqja në thellësinë e gjysmëpërçuesit. Pranë sipërfaqes formohet një rajon i varfëruar, i cili në diagramin energjetik paraqet një pus potencial për transportuesit minoritarë - vrimat. Vrimat që hyjnë disi në këtë rajon tërhiqen nga ndërfaqja dielektrike-gjysmëpërçuese dhe lokalizohen në një shtresë të ngushtë afër sipërfaqes.

Nëse një tension negativ me amplitudë më të madhe aplikohet tani në elektrodën ngjitur, formohet një pus potencial më i thellë dhe vrimat lëvizin në të. Duke aplikuar tensionet e nevojshme të kontrollit në elektroda të ndryshme CCD, është e mundur të sigurohet ruajtja e ngarkesave në zona të caktuara afër sipërfaqes dhe lëvizja e drejtuar e ngarkesave përgjatë sipërfaqes (nga struktura në strukturë). Futja e një pakete ngarkimi (shkrimi) mund të kryhet ose nga një kryqëzim p-n, i vendosur, për shembull, pranë elementit më të jashtëm CCD, ose nga gjenerimi i dritës. Mënyra më e lehtë për të hequr ngarkesën nga sistemi (leximi) është gjithashtu përdorimi i një kryqëzimi p-n. Kështu, një CCD është një pajisje në të cilën informacioni i jashtëm (sinjalet elektrike ose të lehta) shndërrohet në pako ngarkimi të transportuesve celularë, të vendosur në një mënyrë të caktuar në rajonet afër sipërfaqes, dhe përpunimi i informacionit kryhet nga lëvizja e kontrolluar e këtyre paketave përgjatë siperfaqja. Është e qartë se sistemet dixhitale dhe analoge mund të ndërtohen në bazë të CCD-ve. Për sistemet dixhitale, vetëm fakti i pranisë ose mungesës së një ngarkese vrime në një element të veçantë CCD është i rëndësishëm në përpunimin analog, ato merren me madhësinë e ngarkesave lëvizëse.

Nëse një fluks drite që mban një imazh drejtohet në një CCD me shumë elementë ose matricë, atëherë fotogjenerimi i çifteve elektron-vrima do të fillojë në vëllimin e gjysmëpërçuesit. Pasi në rajonin e varfëruar të CCD, transportuesit ndahen dhe vrimat grumbullohen në puset e mundshme (dhe sasia e ngarkesës së akumuluar është proporcionale me ndriçimin lokal). Pas njëfarë kohe (në rendin e disa milisekondave), të mjaftueshme për perceptimin e imazhit, një model i paketave të ngarkimit që korrespondojnë me shpërndarjen e ndriçimit do të ruhet në matricën CCD. Kur pulset e orës janë të ndezura, paketat e ngarkimit do të lëvizin te lexuesi i daljes, i cili i konverton ato në sinjale elektrike. Si rezultat, dalja do të jetë një sekuencë pulsesh me amplituda të ndryshme, zarfi i të cilit jep sinjali video.

Parimi i funksionimit të një CCD është ilustruar në Figurën 2 duke përdorur shembullin e një fragmenti të një linje FPCD të kontrolluar nga një qark me tre cikle (trefazor) Gjatë ciklit I (perceptimi, akumulimi dhe ruajtja e informacionit video). - thirri Tensioni i ruajtjes Uxp, duke shtyrë bartësit e shumicës - vrimat në rastin e silikonit të tipit p - në thellësitë e gjysmëpërçuesit dhe duke formuar shtresa shterimi 0,5-2 μm të thella - puse potenciale për elektronet. Ndriçimi i sipërfaqes së FPCD gjeneron çifte të tepërta elektron-vrima në vëllimin e silikonit, ndërsa elektronet tërhiqen në puse potenciale dhe lokalizohen në një shtresë të hollë sipërfaqësore (0,01 μm) nën elektrodat 1, 4, 7, duke formuar pako të ngarkesave sinjalizuese.

kamerë bashkuese e ngarkimit me rreze infra të kuqe

Figura 2 - diagrami i funksionimit të një pajisjeje trefazore të lidhur me ngarkesë - regjistri i ndërrimit

Sasia e ngarkesës në secilën pako është proporcionale me ekspozimin e sipërfaqes pranë një elektrode të caktuar. Në strukturat MIS të formuara mirë, ngarkesat që rezultojnë pranë elektrodave mund të vazhdojnë për një kohë relativisht të gjatë, por gradualisht, për shkak të gjenerimit të bartësve të ngarkesës nga qendrat e papastërtive, defekteve në masë ose në ndërfaqe, këto ngarkesa do të grumbullohen në potencial. puse derisa të tejkalojnë ngarkesat e sinjalit dhe madje të mbushin plotësisht pusetat.

Gjatë ciklit II (transferimi i ngarkesës), një tension leximi më i lartë se tensioni i ruajtjes aplikohet në elektrodat 2, 5, 8, e kështu me radhë. Prandaj, potencialet më të thella lindin nën elektrodat 2, 5 dhe 8. puset se sa nën elektronet 1, 4 dhe 7, dhe për shkak të afërsisë së elektrodave 1 dhe 2, 4 dhe 5, 7 dhe 8, barrierat midis tyre zhduken dhe elektronet derdhen në puse potenciale fqinje, më të thella.

Gjatë ciklit III, tensioni në elektrodat 2, 5, 8 zvogëlohet dhe largohet nga elektrodat 1, 4, 7.

Se. të gjitha paketat e ngarkimit transferohen përgjatë vijës CCD në të djathtë me një hap të barabartë me distancën midis elektrodave ngjitur.

Gjatë gjithë funksionimit, një tension i vogël i paragjykimit (1-3 V) mbahet në elektroda që nuk janë të lidhura drejtpërdrejt me potencialet, duke siguruar që e gjithë sipërfaqja e gjysmëpërçuesit është e varfëruar nga transportuesit e ngarkesës dhe efektet e rikombinimit në të janë dobësuar.

Duke përsëritur shumë herë procesin e ndërrimit të tensionit, të gjitha paketat e ngarkimit të ngacmuara, për shembull, nga drita në linjë, dalin me radhë përmes kryqëzimit të jashtëm r-h. Në këtë rast, pulset e tensionit shfaqen në qarkun e daljes, në përpjesëtim me sasinë e ngarkesës së kësaj pakete. Modeli i ndriçimit shndërrohet në një lehtësim të ngarkesës sipërfaqësore, i cili, pasi lëviz përgjatë gjithë linjës, shndërrohet në një sekuencë impulsesh elektrike. Sa më i madh të jetë numri i elementeve në një rresht ose matricë (numri 1 - marrës IR; 2 - elementë tampon; 3 - CCD), ndodh transferimi jo i plotë i paketës së ngarkesës nga një elektrodë në atë ngjitur dhe shtohet shtrembërimi që rezulton i informacionit. Për të shmangur shtrembërimin e sinjalit të akumuluar video për shkak të vazhdimësisë gjatë transferimit të ndriçimit, në kristalin FPCD ato krijojnë zona të ndara hapësinore të perceptimit - akumulimit dhe ruajtjes - leximit, dhe në të parën sigurojnë fotondjeshmëri maksimale, dhe në këtë të fundit, në. përkundrazi, mburoja nga drita në një FPCD lineare (Fig. 3, a) ngarkesat e grumbulluara në rreshtin 1 në një cikël transferohen në regjistrin 2 (nga elementët çift) dhe në regjistrimin 3 (nga elementët tek). transmetohet përmes daljes 4 në qarkun e kombinimit të sinjalit 5, një kornizë e re video B grumbullohet në linjën 1. FPCD me transferimin e kornizës (Figura 3) informacioni i perceptuar nga matrica e akumulimit 7 "derdhet" shpejt në matricën e ruajtjes 2, nga e cila lexohet në mënyrë sekuenciale nga regjistri CCD 3; në të njëjtën kohë, matrica 1 grumbullon një kornizë të re.

Figura 3 - grumbullimi dhe leximi i informacionit në një pajisje lineare (a), matricë (b) fotosensitive të lidhur me ngarkesë dhe në një pajisje me injeksion ngarkese.

Përveç CCD-ve të strukturës më të thjeshtë (Figura 1), varietetet e tjera janë përhapur gjerësisht, në veçanti pajisjet me elektroda të mbivendosura polisilikoni (Figura 4), të cilat sigurojnë fotoekspozim aktiv në të gjithë sipërfaqen e gjysmëpërçuesit dhe një hendek të vogël midis elektrodave, dhe pajisje me asimetri të vetive të sipërfaqes (për shembull ., një shtresë dielektrike me trashësi të ndryshueshme - Figura 4), që funksionojnë në modalitetin shtytje-tërheqje. Struktura e një CCD me një kanal vëllimor (Figura 4) i formuar nga difuzioni i papastërtive është thelbësisht i ndryshëm. Akumulimi, ruajtja dhe transferimi i ngarkesës ndodhin në pjesën më të madhe të gjysmëpërçuesit, ku ka më pak rikombinim të qendrave sesa në sipërfaqe dhe lëvizshmëri më të lartë të transportuesve. Pasoja e kësaj është një rritje e vlerës me një renditje të madhësisë dhe një rënie në krahasim me të gjitha llojet e CCD-ve me një kanal sipërfaqësor.

Figura 4 - Varietetet e pajisjeve të lidhura me ngarkesë me kanale sipërfaqësore dhe vëllimore.

Për të perceptuar imazhet me ngjyra, përdoret një nga dy metodat: ndarja e rrjedhës optike duke përdorur një prizëm në të kuqe, jeshile, blu, perceptimi i secilit prej tyre me një kristal të veçantë FPCD, përzierja e pulseve nga të tre kristalet në një sinjal të vetëm video; Krijimi në sipërfaqen e FPCD të një linje filmi ose një filtri drite kodues mozaik, duke formuar një raster treshe me shumë ngjyra.