 |
|
Матрица ПЗС. Устройство и принцип работы. Сенсор и пиксел матрицы. Фильтр Байера. Форматы матрицы.
В цифровой фотографии или цифровой видеозаписи, относящихся к электронному виду записи изображения, светочувствительным материалом, регистрирующим световое излучение, является фоточувствительная матрица, которая в свою очередь состоит из светочувствительных элементов - сенсоров. Рабочие параметры цифровой камеры зависят в первую очередь от свойств сенсора, так как именно он прежде всего, определяет разрешающую способность и качество изображения.
В качестве сенсора в матрице могут использоваться фотодиоды (светочувствительные полупроводники) или МОП-конденсаторы.
Фоточувствительная матрица обычно содержит 100000 - 1000000 элементов изображения (пикселов) размером от 10х10 мкм (микрометров) до 30х30 мкм.
Для ясности рассмотрим некоторые данные по числу элементов изображения:
Почтовая марка 18х22 мм - 4000 пикселов
Цветная негативная плёнка обычного формата 24х36 мм - 20 000 000 пкс (20 Мпкс)
Цветное изображение на бумаге 12х16 см - 12 800 000 пкс (12,8 Мпкс)
В ПЗС(CCD) матрицах используется фотоэффект, возникающий между металлом и образованной на нём плёнкой оксида. Между металлом и оксидом образуется тонкий слой полупроводящего вещества, обладающего свойством пропускать электроны, выделяющиеся из металла, и препятствовать прохождению электронов проивоположного направления (полупроводник), образующего так называемый запорный слой.
Основная идея ПЗС (прибор с зарядовой связью) или Charge Coupled Device (CCD). Состоит в накоплении зарядов в конденсаторах, имеющих твёрдотельную структуру металл-оксид-полупроводник (МОП), и передаче накопленных зарядов к устройству, измеряющему значение каждого из этих зарядов.
ПЗС - плоская тонкая светочувствительная матрица. Она представляет собой ортогональную, ячеистую структуру, формируемую на единой полупроводниковой подложке методами микроэлектронной технологии. Используется в качестве узла для формирования изображения в большинстве современных фотокамер. Размер матрицы измеряется по диагонали. Существует два типа матриц: с покадровым сканированием или черезстрочным.
Рассмотрим работу ПЗС подробнее. ПЗС представляет собой микросхему, состоящую из соединённых между собой полупроводниковых конденсаторов. Каждый из них держит определённый заряд. С помощью управлющей электрической схемы эти заряды определённым, синхронизированным во времени образом, последовательно по цепочке сдвигаются с одного конденсатора на другой, соседний.
Под действием света, проходящего через объектив, светочувствительные конденсаторы заряжаются. Чем больше света попадает на поверхность, тем больший заряд передаётся на второй слой, откуда пакеты зарядов выводятся (по одному пакуту в единицу времени) на преобразователь "заряд - напряжение". В результате получается аналоговый электрический сигнал, представляющий собой оптическое изображение. Пройдя через аналогово-цифровой конвертор (analog-digital converter, ADC), информация преобразуется в цифровую форму, после чего её можно сжимать, сохранять и обрабатывать различными способами.
Чтобы получить цветное изображение, необходимо приложить некоторые дополнительные усилия, поскольку чувствительность элементов матрицы к разным излучениям видимого спектра примерно одинакова. Простейшее решение - при помощи призм и фильтров разбить поступающий через объектив свет на цветовые составляющие, а затем отправить красную, зелёную и синюю составляющие на отдельные матрицы ПЗС. Такую систему называют 3CCD.
Более разумный способ - использовать один ПЗС, но поместить перед ним мельчайщий фильтр с отдельной цветовой ячейкой для каждого пиксела. В результате получается ПЗС обычно с набором вертикальных красных, зелёных и синих полос. Благодаря этим светофильтрам МОП-конденсатор способен сохранять информацию не только о яркости объекта съемки, но и о его цвете. Пикселы группируются в тройки: каждый из них передаёт своё собственное значение яркости, а цветовая состовляющая вычисляется как среднее из трёх значений. Как правил, используют фильтр Байера (сотрудник фирмы Kodak - Bryce Bayer), состоящий из повторяющихся шаблонов из красного, синего и двух зелёных фильтров, причем зелёные светофильтры расположены по диагонали. Такое расположение называется GRGB. Встречаются фильтры RGEB (красный, зелёный, изумрудный, синий), CGMY (голубой, зелёный, пурпурный, жёлтый) и другие. В результате группа из четырёх (а не трёх, как в простейшем случае) пикселов формирует одну цветовую точку.
Если посмотреть на фильтр Байера и другие подобные светофильтры, то можно заметить, что в них количество зелёных или родственных к ним светофильтров больше, чем других. Это на прямую связано со спектральной чувствительностью глаза человека. Глаз человека, если вспомнить кривую видности, имеет максимальную чувствительность в зелёной области спектра. Под него и подстроена матрица.
Одна из важных характеристик ПЗС матрицы - её размер. Матрица - аналог фотоплёнки, поэтому поначалу производители цифровых зеркальных фотокамер ориентировались на плёночный стандарт. А он ещё с 1925 года был 36х24 мм - размер кадра с соотношением сторон 3:2 (35-мм плёнка). Зеркальная фотокамера с таким форматом матрицы была аналогом плёночной камеры, то есть достаточно велика и тяжела. Поэтому в 1999 году был разработан новый стандарт зеркальной цифровой фотографии, получивший название "четыре третьих". В основу стандарта легло использование матриц типа 4/3, произведимых фирмой Kodak. Размер такой матрицы 18х13,5 мм (рабочая область -17,3х13 мм), 4/3 - формально означает размер диагонали матрицы, но с реальным размером это число не совпадает. Размер матрицы типа 4/3 заметно меньше плёночного кадра, да и соотношение сторон другое - 4:3. Такое соотношение соответствует стандарту телевизионного изображения и размеру экрана монитора.
Выбор нового стандарта матрицы подразумевал и разработку новой системы оптики, изначально ориентированной на цифровой формат. Здесь возникли некоторые проблемы, не характерные для плёночных фотокамер. Например, для равномерного экспонирования ПЗС матрицы желательно, чтобы лучи попадали практически перпендикулярно, поскольку перегородки, разделяющие элементы ПЗС матрицы, отсекают часть косых лучей. Чтобы освещеннность каждого элемента была равномерной, его накрывают специальной микролинзой. Микролинзы как и всякие другие линзы имеют аберрации, которые, как известно, качество изображения не повышают. Поэтому был разработаны (компания Olympus) линейку телецентрических объективов, позволивших отказаться от микролинз. Такой объектив попадание света на матрицу практически под прямым углом.
Другая точка зрения!! (из яндекса)
Светочувствительный сенсор. Он преобразует видимый свет в электрические сигналы, используемые для дальнейшей обработки с помощью электронных схем. Из школьного курса физики известно, что свет можно рассматривать как поток элементарных частиц — фотонов. Фотоны, попадая на поверхность некоторых полупроводниковых материалов, способны приводить к образованию электронов и дырок (напомним, что дыркой в полупроводниках принято называть вакантное место для электрона, образующееся в результате разрыва ковалентных связей между атомами полупроводникового вещества). Процесс генерации электронно-дырочных пар под воздействием света возможен только в том случае, когда энергии фотона достаточно, чтобы «оторвать» электрон от «родного» ядра и перевести его в зону проводимости. Энергия фотона напрямую связана с длиной волны падающего света, то есть зависит от так называемого цвета излучения. В диапазоне видимого (то есть воспринимаемого человеческим глазом) излучения энергии фотонов оказывается достаточно для того, чтобы порождать генерацию электронно-дырочных пар в таких полупроводниковых материалах, как, например, кремний.
ПЗС-сенсоры
Исторически первыми в качестве светочувствительных элементов для видеокамер были использованы так называемые ПЗС-матрицы, массовое производство которых началось в 1973 году. Аббревиатура ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью. используют так называемые МОП-конденсаторы. По своей внутренней структуре такие конденсаторы представляют собой сандвич из металла, оксида и полупроводника (от первых букв используемых компонентов они и получили свое название). В качестве полупроводника используется легированный кремний p-типа, то есть такой полупроводник, в котором за счет добавления атомов примеси (легирования) образуются избыточные дырки. Над полупроводником расположен тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху — слой металла, выполняющий функцию затвора, если следовать терминологии полевых транзисторов.
На границе полупроводника с диэлектриком образуется обедненная основными носителями, то есть дырками, область, причем размер этой области зависит от величины приложенного потенциала. Именно эта обедненная область и является «хранилищем» для фотоэлектронов.
Рассмотренный нами сенсор способен выполнять две важные задачи — преобразовывать фотоны в электроны и накапливать их. Осталось решить задачу передачи этих информационных электронов в соответствующие блоки преобразования, то есть задачу съема информации.
Представим себе не один, а несколько близко расположенных затворов на поверхности одного и того же диэлектрика (рис. 2). Пусть в результате фотогенерации под одним из затворов накоплены электроны. Если на соседний затвор подать более высокий положительный потенциал, то электроны начнут перетекать в область более сильного поля, то есть перемещаться от одного затвора к другому. Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, можно перемещать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Именно на этом простом принципе и основаны приборы с зарядовой связью.
Замечательное свойство ПЗС состоит в том, что для перемещения накопленного заряда достаточно всего трех типов затворов — одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причем одноименные затворы таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3). Это и есть простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.
Учитывая, что освещение полупроводника неоднородно в пределах такой полоски, скорость образования электронов под воздействием света будет меняться по длине затвора. Если не принять мер по локализации электронов вблизи области их образования, то в результате диффузии концентрация электронов выравняется и информация об изменении интенсивности света в продольном направлении будет утеряна. Естественно, можно было бы сделать размер затвора одинаковым как в продольном, так и поперечном направлении, но это потребовало бы изготовления слишком большого числа затворов на ПЗС-матрице. Поэтому для локализации образующихся электронов в продольном направлении используют так называемые стоп-каналы (рис. 4), представляющие собой узкую полоску полупроводника с повышенным содержанием легирующей примеси. Чем больше концентрация примеси, тем больше дырок образуется внутри такого проводника (каждый атом примеси приводит к образованию дырки). Но от концентрации дырок зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обедненная область. Интуитивно понятно, что чем больше концентрация дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь.
Рассмотренная нами структура ПЗС-матрицы носит название ПЗС с поверхностным каналом передачи, так как канал, по которому передается накопленный заряд, находится на поверхности полупроводника.
Хорошо известно, что контакт двух полупроводников с различными типами проводимости приводит к образованию обедненного слоя на границе перехода. Происходит это за счет диффузии дырок и электронов во взаимно противоположных направлениях и их рекомбинации. Подача положительного потенциала на затвор увеличивает размер обедненной области. Характерно, что теперь сама обедненная область, или емкость для фотоэлектронов, находится не на поверхности, а следовательно, отсутствуют и поверхностные ловушки для электронов. Такой канал переноса называется скрытым, и все современные ПЗС изготавливаются именно со скрытым каналом переноса.
Рассмотренные нами основные принципы функционирования ПЗС-сенсора используются для построения различных по архитектуре ПЗС-матриц. Конструктивно можно выделить две основные схемы матриц: с покадровым переносом и с межстрочным переносом.
В матрице с покадровым переносом имеются две равнозначные секции с одинаковым числом строк: накопления и хранения. Каждая строка в этих секциях образована тремя затворами (передающий, принимающий и изолирующий). Кроме того, как уже отмечалось выше, все строки разделены множеством стоп-каналов, формирующих ячейки накопления в горизонтальном направлении. Таким образом, наименьший структурный элемент ПЗС-матрицы (пиксел) создается из трех горизонтальных затворов и двух вертикальных стоп-каналов (рис. 6).
За время экспозиции в секции накопления образуются фотоэлектроны. После этого тактовые импульсы, подаваемые на затворы, переносят накопленные заряды из секции накопления в затененную секцию хранения, то есть фактически происходит передача всего кадра целиком. Поэтому такая архитектура и получила название ПЗС с покадровым переносом. После переноса секция накопления очищается и может повторно накапливать заряды, в то время как из секции памяти заряды поступают в горизонтальный регистр считывания. Структура горизонтального регистра аналогична структуре ПЗС-сенсора — те же три затвора для переноса заряда. Каждый элемент горизонтального регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за каждый тактовый импульс из секции накопления в регистр считывания поступает вся строка целиком, которая после этого передается в выходной усилитель для дальнейшей обработки.
Рассмотренная схема ПЗС-матрицы имеет одно несомненное достоинство — высокий коэффициент заполнения (fill factor). Этим термином принято называть отношение фоточувствительной площади матрицы к ее общей площади. У матриц с покадровым переносом коэффициент заполнения достигает практически 100%. Такая особенность позволяет создавать на их основе очень чувствительные приборы.
5. Принцип электронной регистрации изображения. Цифровая фотография (последовательность преобразования оптического сигнала).
Принцип электронной записи изображения состоит в превращении оптического изображения в последовательность электрических сигналов.
При экспонировании пространственное распределение яркостей объекта, пройдя через оптическую систему фотокамеры, образует в плоскости светочувствительной матрицы оптическое изображение, состоящее из распределения освещенностей, соответствующего распределениею яркостей. На светочувствительных полупроводниковых сенсорах (матрица) оно превращается в соответствующее распределение заряда или фототока. При считывании они преобразуются в токи или напряжения, изменения которых кодируют информацию об изображении.
Экспонирование создаёт в элементах матрицы скрытое изображение за счет появления зарядов или токов, которое затем считывается и прекращается путем квантования в ряд цифровых сигналов. Обычно электронное считывание проходит построчно, при этом для каждой точки устанавливается зависимость информационного параметра (z) — яркости (или интенсивности) от пространственных координат (x, y). Число точек считывания (элементов изображения или пикселов) зависит от конкретной задачи. Полученные считыванием дискретные величины превращаются с помощью аналого-цифрового преобразователя в кодируемый цифрами сингал, который записывается и обрабатывается компьютером. Важно, что во всех цифровых камерах идёт непосредственная обработка и запись сигнала изображения (в фотокамерах, как правило, обработки проводят вне камеры), в результате чего упрощается переход от записи к воспроизведению. Для рассматривания записанного изображения на дисплее осуществляется обратное превращение цифрового сигнала в аналоговый. Для печати изображения цифровая информация выводятся непосредственно на принтер.