CCD

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. května 2020; kontroly vyžadují 4 úpravy .

CCD matrice (zkráceně „ charge - coupled device “ ) nebo CCD matrice (zkráceně z angličtiny CCD , „ charge-coupled device “) je specializovaný analogový integrovaný obvod sestávající ze světlocitlivých fotodiod vyrobených na bázi křemíku s využitím CCD . technologie  - nabíjecí zařízení.  

CCD vyráběly a aktivně používaly společnosti Nikon , Canon , Sony , Fujitsu , Kodak , Panasonic , Philips a mnoho dalších. V Rusku jsou v současné době vyvíjeny a vyráběny CCD matrice: JSC "TsNII Electron" (St. Petersburg) a její dceřiná společnost JSC "NPP" Elar "" (St. Petersburg,) a také JSC "NPP" Pulsar "" ( Moskva).

Historie CCD

Zařízení s nábojovou vazbou vynalezli v roce 1969 Willard Boyle a George Smith v AT&T Bell Labs . Laboratoře pracovaly na videotelefonii a vývoji „polovodičové bublinkové paměti“. Nábojově spřažená zařízení začala žít jako paměťová zařízení, do kterých bylo možné umístit náboj pouze do vstupního registru zařízení. Avšak schopnost paměťového prvku zařízení přijímat náboj v důsledku fotoelektrického jevu učinila tuto aplikaci CCD zařízení běžnou.

V roce 1970 se výzkumníci Bell Labs naučili, jak zachytit obrázky pomocí jednoduchých lineárních zařízení.

Následně, pod vedením Kazuo Iwamy, se Sony aktivně zapojila do CCD, hodně do toho investovala a byla schopna sériově vyrábět CCD pro své videokamery.

Iwama zemřel v srpnu 1982 . Na jeho náhrobek byl umístěn CCD čip jako připomínka jeho zásluh.

V lednu 2006 byli W. Boyle a J. Smith oceněni Národní akademií inženýrství USA [1] za práci na CCD .

V roce 2009 byli tito tvůrci CCD oceněni Nobelovou cenou za fyziku .

Obecné uspořádání a princip činnosti

Pole CCD se skládá z polysilikonu odděleného od křemíkového substrátu, ve kterém se při přivedení napětí přes polysilikonová hradla mění elektrické potenciály v blízkosti elektrod .

Před expozicí - obvykle aplikací určité kombinace napětí na elektrody - jsou všechny dříve vytvořené náboje resetovány a všechny prvky jsou uvedeny do identického stavu.

Dále kombinace napětí na elektrodách vytváří potenciálovou jámu, ve které se mohou akumulovat elektrony, vytvořené v daném pixelu matrice jako výsledek vystavení světlu během expozice. Čím intenzivnější je světelný tok při expozici , tím více elektronů se akumuluje v potenciálové jámě, respektive, tím vyšší je konečný náboj daného pixelu .

Po expozici postupné změny napětí na elektrodách vytvářejí rozložení potenciálu v každém pixelu a vedle něj, což vede k toku náboje v daném směru k výstupním prvkům matrice.

Příklad kapesního CCD subpixelu typu n

Výrobci mají různé architektury pixelů.

Označení na CCD subpixelovém diagramu :

  1. fotony světla procházející čočkou fotoaparátu ;
  2. subpixelové mikročočky;
  3. R - subpixelový filtr červeného světla , fragment Bayerova filtru ;
  4. transparentní elektroda vyrobená z polykrystalického křemíku nebo slitiny india a oxidu cínu ;
  5. oxid křemičitý;
  6. křemíkový kanál typu n: zóna generování nosiče - vnitřní zóna fotoelektrického efektu ;
  7. zóna potenciální studny (kapsa typu n), kde se shromažďují elektrony ze zóny generování nosiče náboje ;
  8. křemíkový substrát typu p .

Klasifikace metodou vyrovnávací paměti

Přenosové matice plného rámce

Obraz tvořený čočkou dopadá na CCD matrici, to znamená, že světelné paprsky dopadají na světlocitlivý povrch CCD prvků, jejichž úkolem je přeměnit energii fotonu na elektrický náboj. Děje se to přibližně následovně.

Pro foton, který dopadl na CCD prvek, existují tři scénáře vývoje událostí – buď se „odrazí“ od povrchu, nebo bude absorbován v tloušťce polovodiče (materiálu matrice), nebo „prorazí“ jeho „pracovní zóna“. Je zřejmé, že od vývojářů se vyžaduje vytvoření takového snímače, u kterého by byly minimalizovány ztráty z „odrazu“ a „prostřelení“. Stejné fotony, které byly absorbovány matricí, tvoří pár elektron-díra, pokud došlo k interakci s atomem krystalové mřížky polovodiče, nebo pouze elektron (nebo díra), pokud došlo k interakci s atomy donorových nebo akceptorových nečistot, a oba tyto jevy se nazývají vnitřní fotoelektrický jev. Činnost snímače se samozřejmě neomezuje pouze na vnitřní fotoelektrický jev - nosiče náboje „odebírané“ z polovodiče je nutné uložit do speciálního úložiště a následně je načíst.

CCD prvek

Obecně návrh CCD prvku vypadá takto: křemíkový substrát typu p je vybaven kanály z polovodiče typu n. Nad kanály jsou elektrody vyrobeny z polykrystalického křemíku s izolační vrstvou oxidu křemíku. Po přivedení elektrického potenciálu na takovou elektrodu se v ochuzovací zóně pod kanálem typu n vytvoří potenciálová jáma, jejímž účelem je ukládání elektronů. Foton pronikající do křemíku vede ke vzniku elektronu, který je přitahován potenciálovou jámou a zůstává v ní. Více fotonů (jasné světlo) poskytuje větší náboj do studny. Poté je nutné odečíst hodnotu tohoto náboje, nazývaného také fotoproud, a zesílit ji.

Čtení fotoproudů CCD prvků je prováděno tzv. sekvenčními posuvnými registry, které převádějí řadu nábojů na vstupu na sled impulsů na výstupu. Tato řada je analogový signál, který je pak přiváděn do zesilovače.

Pomocí registru je tedy možné převést náboje řady CCD prvků na analogový signál. Ve skutečnosti je sériový posuvný registr v poli CCD implementován pomocí stejných prvků CCD kombinovaných v řadě. Provoz takového zařízení je založen na schopnosti zařízení s nábojovou komunikací (takto je zkratka CCD) vyměňovat náboje svých potenciálních jímek. Výměna se provádí díky přítomnosti speciálních přenosových bran umístěných mezi sousedními prvky CCD. Když je na nejbližší elektrodu aplikován zvýšený potenciál, náboj pod ní „protéká“ z potenciálové studny. Mezi CCD prvky mohou být umístěny dvě až čtyři přenosové elektrody, na jejich počtu závisí „fáze“ posuvného registru, který lze nazvat dvoufázový, třífázový nebo čtyřfázový.

Přívod potenciálů k přenosovým elektrodám je synchronizován tak, že k pohybu nábojů potenciálových jamek všech CCD-prvků registru dochází současně. A v jednom přenosovém cyklu prvky CCD jakoby „přenášejí náboje podél řetězce“ zleva doprava (nebo zprava doleva). CCD prvek, který se ukázal jako „extrémní“, dává svůj náboj zařízení umístěnému na výstupu registru - tedy zesilovači.

Obecně je sériový posuvný registr zařízení s paralelním vstupem a sériovým výstupem. Po načtení všech nábojů z registru je tedy možné přivést na jeho vstup nový řádek, pak další a vytvořit tak spojitý analogový signál na základě dvourozměrného pole fotoproudů. Vstupní paralelní tok pro sériový posuvný registr (tedy řady dvourozměrného pole fotoproudů) zase zajišťuje sada vertikálně orientovaných sériových posuvných registrů, která se nazývá paralelní posuvný registr, a celý struktura jako celek je pouze zařízení zvané CCD matice.

"Vertikální" sériové posuvné registry, které tvoří paralelní posuvný registr, se nazývají CCD sloupce a jejich činnost je plně synchronizována. Dvourozměrné pole fotoproudů CCD pole je současně posunuto o jednu řadu dolů, a to až poté, co náboje předchozí řady ze sériového posuvného registru umístěného „úplně dole“ odejdou do zesilovače. Dokud není sériový registr uvolněn, paralelní registr je nucen nečinně. No a pro normální provoz musí být samotná CCD matice zapojena do mikroobvodu (nebo jejich sady), který dodává potenciály elektrodám sériových i paralelních posuvných registrů a také synchronizuje činnost obou registrů. Kromě toho je zapotřebí generátor hodin.

Full frame snímač

Tento typ snímače je z konstruktivního hlediska nejjednodušší a nazývá se full-frame CCD matice (full-frame CCD-matrix). Kromě „páskovacích“ mikroobvodů potřebuje tento typ matrice také mechanickou závěrku, která po dokončení expozice blokuje světelný tok. Před úplným uzavřením závěrky nelze spustit čtení nábojů - během pracovního cyklu paralelního posuvného registru se do fotoproudu každého jeho pixelu přidávají elektrony navíc, způsobené dopadem fotonů na otevřený povrch CCD matice. Tento jev se nazývá „rozmazání“ náboje v matici s plným snímkem (full-frame matrix smear).

Rychlost čtení rámce v takovém schématu je tedy omezena rychlostí paralelních i sériových posuvných registrů. Je také zřejmé, že je nutné blokovat světlo vycházející z objektivu, dokud není proces čtení dokončen, takže interval mezi expozicemi závisí také na rychlosti čtení.

Rámcové vyrovnávací matice

Existuje vylepšená verze full-frame matice, ve které náboje paralelního registru nepřicházejí řádek po řádku na vstup sériového registru, ale jsou „ukládány“ do vyrovnávacího paralelního registru. Tento registr je umístěn pod hlavním paralelním posuvným registrem, fotoproudy jsou po řádcích posouvány do vyrovnávacího registru a z něj jsou přiváděny na vstup sériového posuvného registru. Povrch vyrovnávacího registru je pokryt neprůhledným (obvykle kovovým) panelem a celý systém se nazývá matrice s vyrovnávací pamětí snímků (frame-transfer CCD).

V tomto schématu se potenciální jamky hlavního paralelního posuvného registru "vyprázdní" znatelně rychleji, protože při přenosu řádků do vyrovnávací paměti není potřeba, aby každý řádek čekal na celý cyklus sériového registru. Interval mezi expozicemi se tedy zkracuje, i když rychlost čtení také klesá - čára musí „ujet“ dvakrát tak daleko. Interval mezi expozicemi se tedy zkrátí pouze na dva snímky, i když cena zařízení díky registru vyrovnávací paměti výrazně vzroste. Nejnápadnější nevýhodou matic s framebufferem je však prodloužená "trasa" fotoproudů, což negativně ovlivňuje bezpečnost jejich hodnot. A každopádně mezi snímky by měla fungovat mechanická závěrka, takže o kontinuálním videosignálu není třeba mluvit.

Matice s vyrovnávací pamětí sloupců

Speciálně pro video zařízení byl vyvinut nový typ matice, ve které byl interval mezi expozicemi minimalizován nikoli na pár snímků, ale na nepřetržitý proud. Samozřejmě, aby byla zajištěna tato kontinuita, bylo nutné zajistit odmítnutí mechanické závěrky.

Ve skutečnosti je toto schéma, nazývané meziřádková CCD matice, poněkud podobné systémům s vyrovnávací pamětí snímků – využívá také vyrovnávací paralelní posuvný registr, jehož prvky CCD jsou skryty pod neprůhledným povlakem. Tento buffer se však nenachází v jediném bloku pod hlavním paralelním registrem – jeho sloupce jsou „přeházeny“ mezi sloupce hlavního registru. Výsledkem je, že vedle každého sloupce hlavního registru je sloupec vyrovnávací paměti a bezprostředně po expozici se fotoproudy nepohybují „shora dolů“, ale „zleva doprava“ (nebo „zprava doleva“ ) a v jediném pracovním cyklu vstoupíte do vyrovnávací paměti, čímž se zcela a úplně uvolní potenciální otvory pro další expozici.

Náboje, které spadly do vyrovnávací paměti, jsou čteny v obvyklém pořadí přes sériový posuvný registr, tedy „shora dolů“. Vzhledem k tomu, že reset fotoproudů do vyrovnávacího registru nastává během jediného cyklu, dokonce i bez mechanické závěrky, neexistuje nic podobného „rozmazání“ náboje v matici plného snímku. Doba expozice pro každý snímek však ve většině případů odpovídá trváním intervalu strávenému úplným čtením paralelního registru vyrovnávací paměti. Díky tomu všemu je možné vytvořit video signál s vysokou snímkovou frekvencí - alespoň 30 snímků za sekundu.

Často se v domácí literatuře matice s vyrovnávací pamětí sloupců mylně nazývá „prokládané“. Je to pravděpodobně způsobeno tím, že anglické názvy „interline“ (vyrovnávací paměť řádků) a „interlaced“ (prokládané skenování) znějí velmi podobně. Ve skutečnosti, když čteme všechny řádky v jednom cyklu, můžeme mluvit o matici progresivního skenování (progressive scan), a když se liché řádky čtou v prvním cyklu a sudé řádky ve druhém (nebo naopak), mluvíme o prokládané skenovací matici (interlace scan).

Matice s ortogonálním přenosem obrazu

V těchto matricích se mohou náboje přesouvat do sousedních buněk na příkaz řídicího systému. Používají se ve vesmírných dalekohledech ke kompenzaci atmosférických turbulencí, vibrací mechanismu dalekohledu a dalších mechanických a optických rušení. [2]

Velikosti snímačů fotoaparátu

Označení Šířka

(mm)

Výška

(mm)

Úhlopříčka

(mm)

Náměstí

(mm²)

Příklad

kamery

Full frame,
typ 135 film . 		1 - 1.01 35,8 - 36 23.8 - 24 43 - 43,3 852-864 Canon EOS 5D , Canon EOS-1Ds ( snímač 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 ( snímač CMOS )
1.33 27 osmnáct 32.4 486 Leica M8
DX [3] 1,44 - 1,74 20.7 - 25.1 13.8 - 16.7 24.9 - 30.1 285,7 - 419,2 Pentax K10D
APS-C 1,74 20.7 13.8 24.9 285,7 Sigma SD14 (snímač CMOS typu Foveon X3)
4/3 " 1,92 - 2 17.3–18 13 -13,5 21.6 - 22.5 224,9 - 243 Olympus E-330
jeden" 2.7 12.8 9.6 16 122,9 Sony ProMavica MVC-5000
2/3" 3,93 8.8 6.6 jedenáct 58,1 Pentax EI-2000
1/1,6" ≈4 osm 6 deset 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 osm 30.7 Sony DSC-D700
1/2,3" 5.6 6.16 4.62 7,70 28,46 Olympus SP-560
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 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 čtyři 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

Rozměry digitálních filmových fotoaparátů

Označení soulad s
formátem
filmu 		Šířka

(mm)

Výška

(mm)

Úhlopříčka

(mm)

Náměstí

(mm²)

Příklad

kamery

Super-35 Super-35 24,89 18,66 31 465 Arri D-21, Red One
65 mm širokoúhlý 49 23 54 1127 Sony F65, Phantom 65

Některé speciální typy matic

Fotocitlivá pravítka

Hlavním oborem lineárních zařízení pro příjem světla jsou skenery, panoramatická fotografická zařízení, stejně jako spektrální analyzátory a další výzkumná zařízení.

Souřadnicové a úhlové snímače

Podsvícené senzory

V klasickém provedení CCD prvku, který využívá polykrystalické křemíkové elektrody, je fotosenzitivita omezena částečným rozptylem světla povrchem elektrody. Proto se při fotografování ve speciálních podmínkách, které vyžadují zvýšenou světelnou citlivost v modré a ultrafialové oblasti spektra, používají podsvícené matrice .  U snímačů tohoto typu dopadá zaznamenané světlo na substrát, ale pro požadovaný vnitřní fotoelektrický efekt je substrát vyleštěn na tloušťku 10–15 µm . Tato fáze zpracování výrazně prodražila matrici, zařízení se ukázala jako velmi křehká a vyžadovala zvýšenou péči při montáži a provozu. A při použití světelných filtrů, které zeslabují světelný tok, ztrácejí všechny drahé operace na zvýšení citlivosti smysl. Matrice se zadním osvětlením se proto používají hlavně v astronomické fotografii .

Citlivost na světlo

Světelná citlivost matice je součtem světelné citlivosti všech jejích fotosenzorů (snímačů) a obecně závisí na:

Pro zvýšení fotosenzitivity a odstupu signálu od šumu se používá metoda seskupování sousedních smyslů ( angl.  binning ). Princip fungování metody spočívá v hardwarovém sčítání signálů ze skupiny sousedních senzorů. Například čtyři sousední smysly tvořící čtverec se spojí v jeden. Tím se sníží rozlišení matice (v tomto příkladu čtyřikrát). Podobné režimy se používají při vesmírných a mikroskopických průzkumech.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Historie CCD . Získáno 24. května 2008. Archivováno z originálu 5. března 2008.
  2. ↑ Marat Musin Všechny strany matice // Populární mechanika . - 2016. - č. 5. - S. 65-69. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2016/163-issue/ Archivováno 16. května 2021 na Wayback Machine
  3. ↑ Rozměry matic. Archivováno 28. listopadu 2007 na Wayback Machine 

Literatura

Odkazy