Что такое CCD-матрица?
Что такое CCD-матрица?
CCD-матрица / Charge-Coupled Device или ПЗС-матрица / Прибор с зарядовой связью – это аналоговая интегральная микросхема, в составе которой есть светочувствительные фотодиоды, выполненные из кремния или оксида олова. Принцип работы данной микросхемы основан на технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).
История CCD-матрицы
Впервые прибор с зарядовой связью был применен Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) в Лабораториях Белла крупнейшей в США корпорации AT&T Bell Labs в 1969 г. Они вели исследования в области видеотелефонии и так называемой «полупроводниковой пузырьковой памяти».
Вскоре миниатюрные приборы получили довольно широкое распространение и стали использоваться как устройства памяти, в которых заряд размещался во входном регистре микросхемы. Спустя какое-то время способность элемента памяти получать заряд за счет фотоэлектрического эффекта стала основной целью применение CCD устройств.
Еще через год, в 1970 году, исследователи все той же Лаборатории смогли зафиксировать изображения с помощью простейших линейных устройств, что собственно и взяли на вооружение инженеры Sony. Данная компания и по сей день активно работает в области CCD технологий, вкладывая в данное направление огромные финансовые вложения, всячески развивая производство ПЗС-матриц для своих видеокамер. Кстати, микросхема ПЗС-матрицы была установлена на надгробной плите главы компании Sony Кадзуо Ивама, который скончался в 1982 году. Ведь именно он стоял у истоков начала производства ПЗС-матрицы в массовом объеме.
Не остался без внимания и вклад изобретателей CCD-матрицы, так в 2006 году Уиллард Бойл и Джордж Смит получили награду Национальной Инженерной Академии США за свои разработки в данной сфере, а в 2009-м году им вручили Нобелевскую премию по физике.
Принцип работы ПЗС-матрицы
CCD-матрица практически полностью выполнена из поликремния, который изначально был отделен от кремниевой подложки специальной мембраной.
При подаче напряжения на мембрану посредством поликремневые затворы сильно изменяются электрические потенциалы, расположенные вблизи электродов проводника.
Перед экспонированием и подачей на электроды определенной мощности напряжения, происходит сброс всех зарядов, которые образовались ранее, а также наблюдается преобразование всех элементов в идентичное или первоначальное состояние.
Комбинация напряжений на электродах создает потенциальный запас или так называемую яму, где скапливаются электроны, появившиеся в определенном пикселе матрицы в процессе экспонирования под воздействием световых лучей. В зависимости от интенсивности силы светового потока находится и объем накопившихся электронов в потенциальной яме, поэтому чем она больше, тем выше будет мощность итогового заряда определенного пикселя.
После завершения экспонирования, последовательные изменения напряжения питания электродов происходят в каждом отдельно взятом пикселе, рядом с которым наблюдается распределение потенциалов, в результате чего заряды перемещаются в заданном направлении — к выходным пикселям ПЗС-матрицы.
Состав элементов CCD-матрицы
В общих чертах конструкция CCD-элемента может быть представлена в виде кремниевой подложки p-типа, снабженной каналами из полупроводника n-типа. Над данными каналами располагаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей мембраной из оксида кремния.
После подачи электрического потенциала на данные электроды, в ослабленной зоне под каналом n-типа возникает потенциальная ловушка (яма). Ее основной задачей является сохранение электронов. Частица света, попадающая в кремний, провоцирует генерацию электронов, которые притягиваются потенциальной ловушкой и остаются в ней. Большое количество фотонов или яркий свет обеспечивает мощный заряд ловушки, после чего необходимо рассчитать и усилить значение полученного заряда, который специалисты именуют фототоком.
Процесс считывания фототоков CCD-элементов осуществляется с так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые конвертируют строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе.
Данный поток импульсов собственно и является аналоговым сигналом, который поступает на усилитель.
Таким образом, в аналоговый сигнал можно преобразовать заряды строки из CCD-элементов с помощь регистра. На практике же последовательный регистр сдвига в CCD-матрицах выполняется посредством все тех же CCD-элементов, построенных в одну строку. При этом работа данного устройства основывается на умении приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ловушек. Такой процесс осуществляется за счет наличия специализированных электродов переноса, которые размещаются между соседними CCD-элементами. В момент подачи на ближайший электрод повышенного потенциала, при этом заряд переходит под него из потенциальной ямы. В то же время между CCD-элементами обычно располагаются два-четыре электрода переноса, от количества которых зависит фазность регистра сдвига, именуемого двухфазным, трёхфазным или четырёхфазным.
Подача разных потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что переход зарядов потенциальных ловушек всех CCD-элементов регистра выполняется практически одновременно.
Так за один «шаг» переноса, CCD-элементы перемещают по цепочке заряды справа налево или слева направо. При этом крайний CCD-элемент отдаёт свой заряд усилителю, который расположен на выходе регистра. Таким образом, становится вполне очевидно, что последовательный регистр сдвига является устройством с последовательным выходом и параллельным входом.
После того, как завершается процесс считывания абсолютно всех зарядов из регистра появляется возможность подать на его вход новую строку, затем еще одну и так далее. В результате получается непрерывный аналоговый сигнал, в основе которого лежит двумерный поток фототоков. После этого, входной параллельный поток, поступающий на последовательный регистр сдвига, обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, именуемой параллельным регистром сдвига. Вся эта конструкция в собранном виде как раз и является устройством, именуемым сегодня CCD-матрицей.
Технология CCD — особенности и недостатки
Аббревиатура CCD (Charge-Coupled Device) означает “прибор с зарядовой связью” (ПЗС).
Технология сканирования CCD получила свое название по типу датчиков изображения, который в ней используется – CCD (ПЗС).
Процесс сканирования:
Оригинал протягивается над стеклом экспонирования, подсвечивается с помощью источника света – флуоресцентной лампы. Отраженный от оригинала свет, преломляясь системой зеркал, фокусируется при помощи сферической линзы, на CCD-камеру с датчиками изображения, вызывает в них электрический сигнал, который затем преобразуется в цифровой код и сохраняется в виде файла.
Для того чтобы охватить всю ширину области сканирования в CCD сканерах используется от 1 до 4 CCD-камер. Например, в сканере Contex HD 2530 (25”) – 1 камера, в сканере Contex HD 5450 (54”) – 4 камеры. Каждая камера отвечает за свой участок по ширине области сканирования.
Особенности CCD-технологии:
1) Источник света – флуоресцентная лампа
В технологии CCD оригинал подсвечивается белым светом.
В качестве источника белого света используется флуоресцентная лампа.
Недостатки:
Увеличенное время выхода в готовность
Для того, чтобы достичь белого цвета нужной температуры такая лампа должна выходить на режим в течение часа с момента включения. Можно начинать сканировать и раньше, но возникнет искажение цветов.
Повышенное потребление энергии и невысокий ресурс лампы
Для того, чтобы быть готовым к работе сканер должен поддерживать лампу в рабочем состоянии – лампа должна постоянно “гореть” (если её выключить, то сканер вновь придется выводить на режим). Эта особенность приводит к повышенному потреблению энергии, а главное, к снижению ресурса лампы.
2) Камера CCD включает 4 датчика
Камера CCD состоит из 4-х линейных светочувствительных датчиков. Перед 3-мя из них установлены светофильтры соответственно красного, зеленого и синего цветов (RGB).
Светофильтры выделяют красную, зеленую и синюю составляющие из отраженного от оригинала белого света. Четвертый линейный датчик служит для сканирования в монохромном режиме.
Недостатки:
Повышенная стоимость технологии и увеличенное время сканирования в цвете связанное с дополнительной обработкой данных.
Линейные датчики пространственно разнесены друг относительно друга. Во время сканирования красная составляющая будет считываться в позиции [x,y] и в то же время зеленая составляющая в позиции [x,y + смещение], а синяя в позиции [x,y + 2*смещение]. Для получения достоверной информации о цвете в заданной точке, требуется дополнительная математическая обработка данных, что приводит к удорожанию технологии.
3) Оптическая система состоит из линз и зеркал
Линейный размер CCD-камеры составляет 50-80 мм в зависимости от модели сканера. Этот размер существенно меньше ширины области сканирования (свыше 300 мм), с которой производит считывание эта камера.
Поэтому для каждой камеры нужна оптическая система, состоящая из линзы и зеркал. Линза используется для уменьшения изображение оригинала до размеров CCD-камеры. Кроме того, чтобы изображение было резким оно должно оказаться в фокусе линзы, а для этого требуется разнести считывающий датчик и сканируемый оригинал на расстояние около 1 метра. Понятно, что при этом габариты сканера сильно возрастают. Для уменьшения габаритов до разумных размеров используется система преломляющих зеркал.
Недостатки:
Повышенные габариты и масса сканера
Оптическая система, состоящая из линз и зеркал, увеличивает габариты и массу сканера
Ограниченная геометрическая точность сканирования
Проходя через линзу, отраженный свет претерпевает искажения, которые известны в оптике под названием сферических аберраций. В силу этого геометрическая точность сканирования снижается. Возникающие искажения производитель компенсирует путем сложной математической обработки данных.
Высокая чувствительность к внешним воздействиям
Элементы оптической системы крепятся на отдельных кронштейнах. Минимальные смещения элементов оптической системы, приводят к рассогласованию изображения в местах стыковки соседних CCD-камер. Возникает так называемый “эффект склейки”.
В силу этой причины CCD-сканеры очень чувствительны к вибрациям, механическим воздействиям, перепадам температур и требуют регулярной калибровки. Пользователь должен быть внимательным и постоянно проверять, не появился ли указанный недостаток вновь и не пора ли провести калибровку.
Что такое ПЗС? — Спектральные приборы
Устройство с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой интегральную схему, выгравированную на поверхности кремния и формирующую светочувствительные элементы, называемые пикселями. Фотоны, падающие на эту поверхность, генерируют заряд, который электроника может считывать и превращать в цифровую копию световых узоров, падающих на устройство.
Функцию ПЗС можно представить в виде массива ведер (пикселей), собирающих дождевую воду (фотоны). Каждое ведро в массиве одинаковое время подвергается воздействию дождя. Затем ведра наполняются разным количеством воды, а ПЗС-матрица считывается по одному ведру за раз. Этот процесс инициируется заливкой воды в соседнюю пустую колонку. Ведра в этой колонке переносят свою воду в последний суммирующий пиксель, где электроника камеры считывает этот пиксель и превращает его в число, которое может быть распознано и сохранено компьютером. Хотя эта модель является чрезмерным упрощением, мы даем подробное объяснение ниже.
Фотоны, падающие на поверхность кремния, создают свободные электроны за счет фотоэлектрического эффекта. Также генерируется одновременный положительный заряд или
Небольшие тепловые флуктуации очень трудно измерить, поэтому предпочтительнее собирать электроны в том месте, где они образовались, и подсчитывать их для создания изображения. Это достигается за счет положительного смещения дискретных областей для притяжения электронов, генерируемых, когда фотоны ударяются о поверхность.Простая схема ПЗС-пикселя.
Подложка ПЗС-матрицы изготовлена из кремния, но фотоны, идущие сверху затвора, ударяются об эпитаксиальный слой — по существу, кремний с добавленными в него различными элементами — и генерируют фотоэлектроны. Затвор удерживается под положительным зарядом по отношению к остальной части устройства, что притягивает электроны. Из-за изолирующего слоя — по сути, слоя стекла — электроны не могут пройти к затвору и удерживаются на месте положительным зарядом над ними.
На рисунке справа показано, как электроны удерживаются на месте и перемещаются туда, где их можно измерить. Верхняя черная линия представляет потенциальную яму для электронов, представленных синим цветом, и низкий , или нисходящий , где потенциал высокий , поскольку противоположности притягиваются.
Когда напряжение, соседнее с пикселем электрона, становится высоким, они начинают мигрировать в этом направлении до тех пор, пока напряжение в предыдущем затворе не станет равным нулю или низким, таким образом, эффективно перенося все электроны в соседний пиксель.
Электроны смещаются в двух направлениях на ПЗС, называемом параллельным или последовательным направлением. Один параллельный сдвиг происходит справа налево (показано слева). Последовательный сдвиг выполняется сверху вниз и направляет электронные пакеты в измерительную электронику.
Многие ПЗС-матрицы имеют несколько усилителей в каждом углу ПЗС-матрицы, что позволяет быстрее считывать данные. В примере слева изображение разбивается на 2, а затем на 4 разных части и считывается.
Аналого-цифровая (A/D) электроника измеряет напряжение, создаваемое пакетом электронов на последовательном выходе, и преобразует его в электронное число, которое затем можно сохранить в цифровом виде. Метод считывания этого напряжения называется интеграцией с двойным наклоном (DSI) и используется, когда требуется максимально низкий уровень шума.
Вообще говоря, чем быстрее считывается пиксель, тем больше шума вносится в измерение. Блоки аналогово-цифрового вывода электроники называются аналого-цифровыми блоками или «ADU». Если усиление измерения известно, число ADU для каждого сгенерированного пикселя может быть напрямую соотнесено с количеством электронов, обнаруженных в этом пикселе. Все камеры Spectral Instruments поставляются с подробным отчетом об испытаниях, показывающим усиление при заданной скорости считывания
АЦП имеет ограничения на максимальное число, которое они могут описать. Например, 8-битная АЦП не может представить число больше 28 = 256. 16-битная электроника не может описать число больше 216 = 65 536. Таким образом, 16-битная камера никогда не может отображать более 65 535 ADU в одном пикселе. ПЗС-матрицы научного уровня обычно могут содержать от 70 000 до 500 000 электронов в любом заданном пикселе. Поскольку это больше, чем количество ADU, которое может выразить электроника аналого-цифрового преобразователя, для доступа электроники ко всему динамическому диапазону ПЗС необходимо использовать различные коэффициенты усиления.
Галактика Андромеды
Полная емкость ямы — это максимальное количество электронов, которое может удерживать пиксель на ПЗС. Это число может варьироваться в широких пределах (от 10 кэ до 500 кэ) и в основном зависит от физических размеров пикселя (чем больше пиксель, тем больше электронов он может хранить).
Когда в пикселе слишком много электронов, избыточный заряд начинает проливать на соседние пиксели и создавать артефакты изображения, известные как цветение . Слева показано изображение галактики Андромеды, где видны слабые детали пыли в спиральных рукавах, но более близкие звезды в нашей собственной галактике цветут.
выигрывают от работы при более низких температурах, поскольку одной тепловой энергии достаточно для возбуждения посторонних электронов в пикселях, которые невозможно отличить от реальных электронов, создаваемых фотонами. Этот шум называется темнового тока . На каждые 6-8 °C охлаждения приходится примерно 2-кратное снижение общей скорости генерации темнового тока. Однако у этого есть свои пределы, поскольку ПЗС-матрицы не работают при температурах ниже –120°C из-за негативного влияния на эффективность переноса заряда. Обратите внимание, что особенно для глубоко обедненных ПЗС охлаждение ниже -90°C имеет решающее значение для снижения темнового тока до приемлемого уровня.
Это видно на видео слева. При температуре –90°C изображение выглядит так, как должно быть на ПЗС-матрице с глубоким охлаждением, с присутствием только случайного шума считывания. Обратите внимание, что если было включено небольшое превышение сканирования, можно сказать электронике, что считывает с ПЗС на больше, чем есть на самом деле, чтобы помочь получить представление об электронном шуме считывания, не связанном с электронами, хранящимися в пикселях ПЗС. По мере повышения температуры генерируется больше тепловых электронов. Помните, что электроны в любом заданном пикселе перемещаются по ПЗС, поэтому те электронные пакеты, которые были считаны последними, накапливают больше заряда по мере их перемещения при параллельном смещении ПЗС. Это создает градиент сигнала темнового тока, увеличивающийся по мере считывания с ПЗС — характеристика теплой ПЗС. Также обратите внимание на дефект в этом конкретном устройстве, дефект столбца в нижней части изображения во время процесса изготовления ПЗС-матрицы могут быть созданы пиксели, которые генерируют тепловые электроны со скоростью, намного большей, чем их соседние пиксели, и вводят заряд в каждый электронный пакет, пронесшийся мимо него.
.
Охлаждение ПЗС до –110°C требует, чтобы устройство было термически изолировано от окружающей среды и, следовательно, должно находиться в вакуумной камере . В настоящее время ПЗС обычно охлаждаются переходами Пельтье (термоэлектрические охладители) и механическими насосами (криоохладители). Жидкий азот ранее был основным методом охлаждения; однако сегодня он редко используется, поскольку LN2 влияет на ориентацию камеры и может быть громоздким в работе. Компания Spectral Instruments предлагает современные камеры с ТЭО или камерами с криогенным охлаждением.
ПЗС-матрицы генерируют фотоэлектроны с разной скоростью в зависимости от длины волны света. Преобразование фотонов в электрический сигнал называется квантовой эффективностью (КЭ). Антиотражающие покрытия оказывают некоторое влияние на QE, но обратное утонение оказывает большее влияние на увеличение QE, поскольку свет не должен проходить через «материал затвора» ПЗС с фронтальной подсветкой. Как показано ниже, обычное устройство с фронтальной подсветкой создает сигнал после того, как свет прошел через структуру затвора, что приводит к ослаблению входящего излучения.
У ПЗС с утонением или обратной засветкой избыток кремния на нижней части устройства вытравлен, что позволяет беспрепятственно генерировать фотоэлектроны.
Процесс обратного утонения варьируется от компании к компании, что приводит к различиям между производителями. Ниже показан пример некоторых типичных значений QE от производителя ПЗС (Teledyne e2v), который обычно используется в системах камер Spectral Instruments.
ПЗС-сенсоры были впервые использованы для научных измерений в начале 1980-х годов и стали предпочтительным датчиком почти для всех приложений обработки изображений, включая машинное зрение и бытовую электронику. В начале 19В 90-х годах разработка датчиков изображения CMOS достигла точки, когда они начали заменять ПЗС-матрицы для некоторых приложений с низкой производительностью. Со временем технология датчиков CMOS быстро расширилась, а технология CCD достигла зрелости. В настоящее время оба типа датчиков находят свое место в приложениях для научных измерений.
Как правило, датчики изображения CMOS являются первым выбором, когда приложение требует высокой частоты кадров и особенно низкого уровня шума при высокой частоте кадров. В таких приложениях время оптической интеграции настолько мало, что темновой ток и любая люминесценция от сенсорных транзисторов несущественны. Параллельное считывание из каждого столбца означает, что практическая частота кадров на 2–3 порядка выше, чем у типичной ПЗС. Очень маленькие транзисторы в каждом пикселе приводят к высокой чувствительности с точки зрения выходного сигнала на фотоэлектрон, но это также приводит к ограниченному динамическому диапазону и характеристикам шума, которые менее желательны, чем выход ПЗС, в котором используется физически большой выходной транзистор, рассчитанный на низкое значение 1/. ф шум. КМОП-сенсоры, предназначенные для научных измерений, в настоящее время доступны в ограниченном количестве, но предпринимаются значительные усилия, чтобы расширить их возможности, в которых ПЗС-сенсоры традиционно были предпочтительными датчиками.
ПЗС лучше всего подходят для приложений, где время считывания менее важно, а считывание следует за большим временем интегрирования. Достаточно охлажденная ПЗС практически не имеет темнового тока и люминесценции, маскирующей интересующий сигнал. Выходной транзистор имеет хорошие характеристики с низким уровнем шума и динамический диапазон, равный или превышающий диапазон преобразователей данных. Пиксели в ПЗС-матрице могут быть «сгруппированы» для бесшумного объединения зарядов от соседних пикселей, что может быть использовано с большим преимуществом в приложениях с низким освещением (обратите внимание, что термин «биннинг» также используется для датчиков CMOS, но это усреднение пикселей и улучшение отношение сигнал/шум совсем другое). Из-за долгой истории развития ПЗС-матрицы могут быть оптимизированы для достижения наилучшей чувствительности в различных диапазонах длин волн от ближнего ИК до рентгеновского излучения за счет использования кремния разной толщины, задней подсветки (все еще редкой для КМОП-сенсоров), оптимизированной обработки обратной стороны и просветляющих покрытий.
Массивы большой площади с большими пикселями обычно доступны. Короче говоря, если есть достаточно времени для длительного времени считывания ПЗС, нет лучшего датчика для приложений с очень низким освещением.
Ссылки:
Научные устройства с зарядовой связью, Джеймс Р. Джейнсик, SPIE Press, 2001 SPIE Press, 2011 г.
Справочник по ПЗС-астрономии, Steve B. Howell, Cambridge University Press, 2000 г.
Что такое ПЗС (устройство с зарядовой связью) и как оно используется?
Чтобы сделать цифровой снимок, современная камера должна улавливать свет и преобразовывать его в цифровую информацию. Для этого камере потребуется датчик, который точно и быстро регистрирует фотоны из окружающей среды.
Вы, вероятно, уже знаете о CMOS-датчике, используемом в смартфонах и бытовых цифровых камерах. Но знаете ли вы, что есть еще один тип сенсора, обеспечивающий более высокий уровень детализации и динамический диапазон? Эти датчики камеры известны как ПЗС.
Итак, что такое ПЗС? Как это работает и как используется? Давайте поговорим об этом.
Что такое ПЗС (устройство с зарядовой связью)?
ПЗС, или устройство с зарядовой связью, представляет собой электронный датчик, который преобразует свет в цифровые сигналы за счет зарядов, генерируемых отражением фотонов на тонкой кремниевой пластине.
ПЗС-матрицыбыли золотым стандартом для сенсоров камер с начала 80-х до конца 2000-х годов. Это связано с тем, что примерно в 2010 году датчики CMOS получили значительные технологические инновации, которые сделали их более дешевыми в производстве как системы на кристалле (SoC), имея при этом качество изображения, сравнимое с датчиком CCD.
С тех пор как КМОП приобрела популярность, за последнее десятилетие стало редкостью видеть ПЗС-сенсоры на смартфонах и камерах. Однако датчики CCD не совсем устарели. Хотя они, возможно, постепенно исчезли с рынка потребительских камер, датчики ПЗС по-прежнему являются предпочтительным датчиком, используемым в определенных областях фотографии.
Применение технологии ПЗС в фотографии
Помимо дороговизны в производстве, ПЗС-матрица также имела другие проблемы, из-за которых ее постепенно убрали с потребительского рынка. Это будет включать в себя его требования к высокой мощности, которая в 100 раз больше, чем у CMOS, и медленную обработку изображений, что является проблемой при серийной фотосъемке и съемке видео.
Несмотря на все эти недостатки, ПЗС-матрицы по-прежнему процветают в различных промышленных и научных приложениях, требующих машинного зрения. Это связано с тем, что ПЗС-матрицы по-прежнему обеспечивают более качественные изображения с низким уровнем шума, которые требуются в этих областях специализированной фотографии. Кроме того, стоимость покупки и эксплуатации ПЗС-камер не является проблемой для хорошо финансируемых учреждений и предприятий.
Так что же это за специализированные области фотографии, в которых до сих пор используется ПЗС? Давайте узнаем ниже:
Оптическая микроскопия
ПЗС-матрицы используются в различных приложениях микроскопии для наблюдения за пищевыми продуктами, химией, машиностроением и другими приложениями, где необходимо четкое изображение микроскопических объектов.
ПЗС-матрица выбрана для оптической микроскопии, потому что она может регистрировать объекты размером более 10 пикселей с высокой чувствительностью и низким коэффициентом шума.
Космическая фотография
Фотографировать космос лучше всего на ПЗС-камеры. Это связано с тем, что ПЗС-сенсоры обладают наивысшей квантовой эффективностью, что обеспечивает низкий уровень шума, широкий динамический диапазон и лучшую однородность — все важные аспекты космической фотографии.
Визуализация в ближнем инфракрасном диапазоне
ПЗС-матрицы используются в различных промышленных приложениях для обработки изображений, одним из которых является получение изображений в ближнем инфракрасном диапазоне. Датчик должен иметь высокоэффективное поглощение фотонов для создания изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, поскольку инфракрасные фотоны менее заметны, чем обычно видимые фотоны. Поскольку ПЗС обеспечивают высокочувствительные датчики, которые могут лучше улавливать инфракрасные фотоны, они всегда используются в этих приложениях.
процветают в сфере научной, промышленной и медицинской фотографии, прежде всего, благодаря их высокой квантовой эффективности, малошумному изображению и высокому уровню единообразия. Но как именно ПЗС-сенсоры обеспечивают такие качества? Сначала вам нужно узнать, как работают датчики CCD, чтобы лучше понять это.
Как работает система CCD?
ПЗС-матрица— это всего лишь один из различных типов сенсоров камеры. Как и другие датчики камеры, ПЗС-матрицы улавливают свет и преобразуют его в цифровые сигналы, которые затем обрабатываются и отображаются в виде пикселей при просмотре на электронном дисплее, таком как монитор.
Несмотря на то, что все датчики изображения выполняют одну и ту же задачу захвата аналогового сигнала для создания цифровых сигналов, режим или процесс, необходимые для выполнения указанных задач, будут отличаться от других датчиков.
Чтобы ПЗС-матрица могла записывать изображения, она проходит пятиэтапный процесс, начиная с преобразования света в заряд, накопления заряда, переноса заряда, преобразования заряда в напряжение и затем усиления сигнала.
Давайте рассмотрим процесс шаг за шагом:
Шаг 1: Преобразование света в заряд
ПЗС-датчик улавливает свет, позволяя фотонам (энергии света) отражаться от тонкой кремниевой пластины, которая затем высвобождает электрон. Затем крошечный положительно заряженный конденсатор действует как ведро, которое собирает и хранит высвободившиеся электроны. Блок этой тонкой кремниевой пластины поверх крошечного конденсатора известен как фотосайт.
Этапы 2 и 3: накопление и передача заряда
ПЗС-датчик продолжает собирать и хранить такие электроны, пока не закроется затвор камеры. Все сохраненные электроны из конденсатора составляют заряд.
Когда затвор камеры закрывается, весь заряд с фотоэлементов передается в цепь чувствительного конденсатора. Передача осуществляется путем смещения зарядов по горизонтали к краю датчика, а затем по вертикали до тех пор, пока каждый заряд не будет отправлен в цепь измерительного конденсатора.
Датчики CCD используют этот механизм регистра сдвига для передачи заряда, в то время как датчики CMOS используют локальное преобразование напряжения и усиление сигнала.
Хотя это делает CMOS более быстрым датчиком, это также делает их выход довольно шумным, поскольку огромное количество локальных усилителей создает шум или артефакты на изображении. Напротив, ПЗС использует только одну схему усилителя для усиления сигналов.
Еще одним недостатком использования локального усиления на высоких скоростях является то, что оно приводит к неравномерности изображения. Датчики CCD не имеют таких проблем из-за их линейного процесса при обработке зарядов в каждом фотосайте.
Шаги 4 и 5: Преобразование заряда в напряжение и усиление сигнала
Аналоговые заряды, посылаемые на сенсорный конденсатор, автоматически преобразуются в напряжения, благодаря которым необработанные цифровые данные используются для создания изображений. После преобразования заряда в напряжение цифровые сигналы все еще слишком слабы для использования процессором.
Для усиления цифровых сигналов используется усилитель сигнала. Затем этот усиленный сигнал отправляется на процессор изображений, который собирает изображение.