Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №9
Шрифт:
Пиксели
Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников — пикселов, которые образуют прямоугольную матрицу. Хотя структура пикселов зависит от типа сенсора, принципы их работы одинаковы.
Падающий свет попадает на фоточувствительную зону пикселов, где генерирует электроны, которые собираются в потенциальных ямах. Величина аккумулируемого заряда определяется интенсивностью падающего света. Время, за которое собирается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, потенциальная яма содержит информацию
В своей основе сенсор изображений должен выполнять четыре основные задачи: сгенерировать заряд от падающего фотона, собрать полученные заряды, перенести суммарный заряд и преобразовать его в напряжение. И ПЗС-, и КМОП-сенсоры решают все четыре задачи. Первые две они выполняют одинаково, но расходятся в методах переноса заряда и преобразования его в напряжение. В дальнейшем мы уделим большее внимание сенсорам на базе ПЗС.
Как работает ПЗС-сенсор
Он выполняет меньше функций на чипе, чем КМОП-сенсоры, но изящная простота ПЗС позволяет обеспечить превосходное качество изображения. Конечно, только наличие матрицы ПЗС в фотокамере не означает, что она будет делать хорошие снимки. Их качество определяется всей системой, включающей оптику, АЦП, схемы обработки изображений и другие компоненты. Более того, важным фактором является и способ взаимодействия всех составляющих.
На рис. 2 представлена схема формирования потенциальной ямы.
ПЗС-структура состоит из легированного поликремния, отделенного от подложки изолирующим слоем двуокиси кремния. Прикладывая напряжение к поликремниевым электродам, которые служат своеобразными вентилями (затворами), можно менять электрические потенциалы в прилегающих зонах внутри кремния. Так, положительное напряжение создает потенциальную яму, куда устремляются электроны, выбитые фотонами из валентной зоны. Электроны удерживаются в зоне под затвором за счет создания вокруг нее потенциального барьера — посредством приложения отрицательного потенциала к соседним электродам. Потенциальную яму или барьер можно сформировать под любым затвором.
Собранный заряд, соответствующий некоторому элементу изображения и удерживаемый в потенциальной яме, необходимо теперь каким-то образом доставить к преобразователям и усилителям, которые физически отделены от пиксела. Применяемые сегодня методы включают четыре различных способа переноса заряда: четырехфазный, трехфазный, псевдодвухфазный и истинный двухфазный. Остановимся подробнее на первом, поскольку остальные являются его вариациями.
Для переноса заряда в ПЗС-матрице с помощью поликремниевых электродов создаются сдвиговые регистры — так, что они образуют цепочку вдоль одной оси (строку или колонку). В названии метода отражено то, что пиксел формируется четырьмя электродами (Ф1, Ф2, ФЗ и Ф4 на рис. 3).
Если приложить к Ф1 и Ф2 высокое напряжение, удерживая низкое на ФЗ и Ф4, можно создать потенциальную яму под пикселом Рп, в которую будут стекаться электроны проводимости (фаза t1). Если затем изменить полярность на электродах Ф1 и ФЗ (фаза t2), то "зарядовый пакет" под действием электростатических сил будет перемещаться от Ф1 к ФЗ. В следующей фазе (t3) меняется полярность электродов Ф2 и Ф4, и заряд перетекает в потенциальную яму, образованную под электродами ФЗ и Ф4. Этот процесс применяется синхронно для всех сдвиговых
Форматы ПЗС-матриц
Существуют три формата ПЗС-матриц, определяющих способ получения (сканирования) изображения: точечные, линейные и просматривающие изображение по площади.
При точечном сканировании используется один фотодетектор, а полное изображение получается путем перемещения детектора в плоскости XY. Линейное сканирование предполагает, что массив фотодетекторов размещается в один ряд и сканирование выполняется в одном направлении (рис. 4,а). При таком способе изображение формируется построчно, и, прежде чем отсканировать очередную строку, текущие данные передаются на выходные цепи. Это медленные процессы, к тому же они требуют шаговых двигателей, которые усложняют систему, создают шум и служат дополнительным источником отказов.
Для захвата изображения по всей площади формируется двумерный массив детекторов, на который проецируется полное изображение (рис. 4,б), — таким образом устраняется необходимость использования механических компонентов, а значит, сложность системы сводится к минимуму. Данный метод формирования изображения обеспечивает в фотокамерах максимальную скорость съемки и точность в расположении пикселов. Недостатками этой схемы являются пониженное значение отношения сигнал/шум и высокая стоимость, поскольку из одной пластины получается меньшее количество устройств.
Архитектура ПЗС-матриц
ПЗС-матрицы строятся по различной архитектуре. Наиболее распространенными сегодня являются матрицы с двумя разными механизмами сдвига кадра, которые называются перенос полного кадра (Full-Frame Transfer — FFT) и перенос кадра (Frame-Transfer — FT). В таких устройствах в качестве детекторов используются фотоконденсаторы. В третьем типе архитектуры — матрицы с межстрочным переносом (Interline Transfer — IT) детектор состоит из фотодиода и фотоконденсатора.
Из всех трех FFT-матрицы имеют простейшую архитектуру, технологию производства и способ функционирования. Они содержат параллельный сдвиговый регистр, последовательный сдвиговый регистр и выходной усилитель (рис. 5).
Сцена оптически проецируется на параллельный массив детекторов, служащий плоскостью изображения. Затем строки, содержащие информацию о сцене, параллельно сдвигаются, попадая в последовательный сдвиговый регистр, который передает строку информации на выходные цепи. Процесс повторяется до тех пор, пока все строки изображения не передадутся на выход. Далее выполняется реконструкция образа. Поскольку параллельный регистр используется как для формирования изображения, так и для его переноса, то на время процесса сенсорная матрица защищается от попадания света. Ввиду простоты конструкции такие матрицы обладают наивысшим разрешением и плотностью.