CCD

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 maj 2020; kontroller kräver 4 redigeringar .

CCD-matris (förkortad från " charge - coupled device " ), eller CCD-matris (förkortat från engelska CCD , " charge-coupled device ") är en specialiserad analog integrerad krets som består av ljuskänsliga fotodioder , gjorda på kiselbaserade , med CCD teknologi  - laddningskopplade enheter.  

CCD:er producerades och användes aktivt av Nikon , Canon , Sony , Fujitsu , Kodak , Panasonic , Philips och många andra. I Ryssland utvecklas och produceras CCD-matriser för närvarande av: JSC "TsNII Electron" (St. Petersburg) och dess dotterbolag JSC "NPP" Elar "" (St. Petersburg,) samt JSC "NPP" Pulsar "" ( Moskva).

Historia om CCD

Den laddningskopplade enheten uppfanns 1969 av Willard Boyle och George Smith vid AT&T Bell Labs . Laboratorier arbetade med videotelefoni och utvecklingen av "halvledarbubbleminne". Laddningskopplade enheter började livet som minnesenheter där man bara kunde placera en laddning i enhetens ingångsregister. Emellertid har förmågan hos enhetens minneselement att ta emot en laddning på grund av den fotoelektriska effekten gjort denna tillämpning av CCD-enheter mainstream.

1970 lärde sig Bell Labs forskare hur man tar bilder med enkla linjära enheter.

Därefter, under ledning av Kazuo Iwama, blev Sony aktivt engagerad i CCD:er och investerade mycket i detta och kunde massproducera CCD:er för sina videokameror.

Iwama dog i augusti 1982 . Ett CCD -chip placerades på hans gravsten för att fira hans bidrag.

I januari 2006 tilldelades W. Boyle och J. Smith US National Academy of Engineering [1] för deras arbete med CCD .

År 2009 tilldelades dessa CCD-skapare Nobelpriset i fysik .

Allmänt arrangemang och funktionsprincip

CCD-arrayen består av polykisel , separerat från ett kiselsubstrat, i vilket, när spänning appliceras genom polykiselgrindar, elektriska potentialer nära elektroderna ändras .

Före exponering - vanligtvis genom att applicera en viss kombination av spänningar på elektroderna - återställs alla tidigare bildade laddningar och alla element bringas till ett identiskt tillstånd.

Vidare skapar kombinationen av spänningar på elektroderna en potentiell brunn i vilken elektroner kan ackumuleras, bildade i en given pixel i matrisen som ett resultat av exponering för ljus under exponering. Ju mer intensivt ljusflödet är under exponeringen , desto fler elektroner ackumuleras i den potentiella brunnen, desto högre blir den slutliga laddningen för en given pixel .

Efter exponering bildar successiva förändringar i spänningen på elektroderna en potentialfördelning i varje pixel och bredvid den, vilket leder till ett laddningsflöde i en given riktning till matrisens utgångselement.

Ett exempel på en n-typ fick-CCD-subpixel

Tillverkare har olika pixelarkitekturer.

Beteckningar på CCD -subpixeldiagrammet :

  1. fotoner av ljus som passerar genom en kameralins ;
  2. subpixel mikrolins;
  3. R-subpixel rött ljusfilter , Bayer filterfragment ;
  4. transparent elektrod gjord av polykristallint kisel eller en legering av indium och tennoxid ;
  5. kiseloxid;
  6. n-typ kiselkanal: bärargenereringszon - intern fotoelektrisk effektzon ;
  7. potentiell brunnszon ( ficka av n-typ) där elektroner från laddningsbärargenereringszonen samlas ;
  8. kiselsubstrat av p- typ .

Klassificering efter buffringsmetod

Full-frame överföringsmatriser

Bilden som bildas av linsen faller på CCD-matrisen, det vill säga ljusstrålarna faller på den ljuskänsliga ytan av CCD-elementen, vars uppgift är att omvandla fotonenergi till en elektrisk laddning. Det sker ungefär som följer.

För en foton som har fallit på ett CCD-element finns det tre scenarier för utveckling av händelser - den kommer antingen "rikoschettera" från ytan eller absorberas i halvledarens tjocklek (matrismaterial) eller "sticka igenom" dess "arbetszon". Det är uppenbart att utvecklarna måste skapa en sådan sensor, där förlusterna från "rikoschetten" och "skjuta igenom" skulle minimeras. Samma fotoner som absorberades av matrisen bildar ett elektron-hålpar om det förekom en interaktion med en atom i halvledarkristallgittret, eller endast en elektron (eller hål) om interaktionen var med atomer av donator- eller acceptorföroreningar, och båda dessa fenomen kallas den interna fotoelektriska effekten. Givetvis är sensorns funktion inte begränsad till den interna fotoelektriska effekten - det är nödvändigt att lagra laddningsbärarna "borttagna" från halvledaren i en speciell lagring och sedan läsa dem.

CCD-element

I allmänhet ser utformningen av ett CCD-element ut så här: ett kiselsubstrat av p-typ är utrustat med kanaler från en halvledare av n-typ. Ovanför kanalerna är elektroder gjorda av polykristallint kisel med ett isolerande lager av kiseloxid. Efter att en elektrisk potential applicerats på en sådan elektrod skapas en potentialbrunn i utarmningszonen under kanalen av n-typ, vars syfte är att lagra elektroner. En foton som tränger in i kisel leder till generering av en elektron, som attraheras av potentialbrunnen och förblir i den. Fler fotoner (starkt ljus) ger mer laddning till brunnen. Då är det nödvändigt att läsa av värdet på denna laddning, även kallad fotoström, och förstärka den.

Avläsningen av CCD-elementens fotoströmmar utförs av de så kallade sekventiella skiftregistren, som omvandlar en rad laddningar vid ingången till ett tåg av pulser vid utgången. Denna serie är en analog signal, som sedan matas till förstärkaren.

Med hjälp av registret är det således möjligt att omvandla laddningarna för en rad CCD-element till en analog signal. Faktum är att ett seriellt skiftregister i en CCD-uppsättning implementeras med användning av samma CCD-element kombinerade i en rad. Driften av en sådan enhet är baserad på förmågan hos enheter med laddningskommunikation ( detta är vad förkortningen CCD står för) att utbyta laddningar av sina potentiella brunnar. Utbytet utförs på grund av närvaron av speciella överföringsgrindar placerade mellan intilliggande CCD-element. När en ökad potential appliceras på närmaste elektrod "flödar" laddningen under den från potentialbrunnen. Mellan CCD-elementen kan placeras från två till fyra överföringselektroder, skiftregistrets "fas" beror på deras antal, som kan kallas tvåfas, trefas eller fyrfas.

Tillförseln av potentialer till överföringselektroderna är synkroniserad på ett sådant sätt att rörelsen av laddningarna av potentialbrunnar för alla CCD-element i registret sker samtidigt. Och i en överföringscykel "sänder CCD-elementen så att säga "laddningar längs kedjan" från vänster till höger (eller från höger till vänster). Tja, CCD-elementet som visade sig vara det "extrema" ger sin laddning till enheten som ligger vid utgången av registret - det vill säga förstärkaren.

I allmänhet är ett seriellt skiftregister en parallellingång, seriell utgångsenhet. Därför, efter att ha läst alla laddningar från registret, är det möjligt att applicera en ny linje till dess ingång, sedan nästa, och därmed bilda en kontinuerlig analog signal baserad på en tvådimensionell matris av fotoströmmar. I sin tur tillhandahålls den parallella ingångsströmmen för det seriella skiftregistret (det vill säga raderna i en tvådimensionell matris av fotoströmmar) av en uppsättning vertikalt orienterade seriella skiftregister, som kallas ett parallellskiftregister, och hela strukturen som helhet är bara en enhet som kallas CCD-matris.

De "vertikala" seriella skiftregistren som utgör parallellskiftregistret kallas CCD-kolumner och deras funktion är helt synkroniserad. Den tvådimensionella matrisen av fotoströmmar i CCD-matrisen skiftas samtidigt ned en rad, och detta händer först efter att laddningarna från den föregående raden från det seriella skiftregistret som ligger "längst ner" har gått till förstärkaren. Tills det seriella registret släpps, tvingas parallellregistret att gå i viloläge. Tja, för normal drift måste själva CCD-matrisen vara ansluten till en mikrokrets (eller en uppsättning av dem), som tillför potentialer till elektroderna i både seriella och parallella skiftregister, och även synkroniserar driften av båda registren. Dessutom behövs en klockgenerator.

Helskärmssensor

Denna typ av sensor är den enklaste ur en konstruktiv synvinkel och kallas en full-frame CCD-matris (full-frame CCD-matris). Förutom de "bandande" mikrokretsarna behöver denna typ av matris också en mekanisk slutare som blockerar ljusflödet efter att exponeringen är klar. Innan slutaren är helt stängd kan avläsningen av laddningar inte startas - under arbetscykeln för parallellskiftregistret läggs extra elektroner till fotoströmmen för var och en av dess pixlar, orsakade av fotoner som träffar den öppna ytan av CCD-matrisen. Detta fenomen kallas att "smeta ut" laddningen i en helbildsmatris (fullbildsmatrissmeta).

Sålunda begränsas ramläshastigheten i ett sådant schema av hastigheten för både parallella och seriella skiftregister. Det är också uppenbart att det är nödvändigt att blockera ljuset som kommer från linsen tills läsningsprocessen är klar, så intervallet mellan exponeringarna beror också på läshastigheten.

Rambuffrade matriser

Det finns en förbättrad version av helbildsmatrisen, där laddningarna för parallellregistret inte kommer linje för rad till ingången på den seriella, utan "lagras" i buffertparallellregistret. Detta register är placerat under huvudparallellskiftregistret, fotoströmmarna flyttas linje för rad till buffertregistret och matas från det till ingången till serieskiftregistret. Ytan på buffertregistret är täckt med en ogenomskinlig (vanligtvis metall) panel, och hela systemet kallas en matris med rambuffring (frame-transfer CCD).

I detta schema "töms" de potentiella brunnarna i huvudparallellskiftregistret märkbart snabbare, eftersom det inte finns något behov av att varje linje väntar på en hel cykel av det sekventiella registret vid överföring av ledningar till bufferten. Därför minskar intervallet mellan exponeringarna, även om läshastigheten också sjunker - linjen måste "färdas" dubbelt så långt. Således reduceras intervallet mellan exponeringarna för endast två bildrutor, även om kostnaden för enheten på grund av buffertregistret ökar markant. Den mest märkbara nackdelen med matriser med rambuffring är dock den förlängda "vägen" av fotoströmmar, vilket negativt påverkar säkerheten för deras värden. Och i alla fall bör en mekanisk slutare fungera mellan bildrutor, så det finns ingen anledning att prata om en kontinuerlig videosignal.

Matriser med kolumnbuffring

Speciellt för videoutrustning utvecklades en ny typ av matris, där intervallet mellan exponeringarna minimerades inte för ett par bilder, utan för en kontinuerlig ström. Naturligtvis, för att säkerställa denna kontinuitet, var det nödvändigt att se till att en mekanisk slutare avvisades.

Faktum är att detta schema, som kallas interline CCD-matrisen, är något likt rambuffrade system - det använder också ett buffrat parallellskiftregister, vars CCD-element är gömda under en ogenomskinlig beläggning. Denna buffert finns dock inte i ett enda block under huvudparallellregistret - dess kolumner "blandas" mellan huvudregistrets kolumner. Som ett resultat, bredvid varje kolumn i huvudregistret finns det en buffertkolumn, och omedelbart efter exponering rör sig fotoströmmarna inte "uppifrån och ned", utan "från vänster till höger" (eller "från höger till vänster" ) och på bara en arbetscykel gå in i buffertregistret, helt och hållet frigör potentiella hål för nästa exponering.

De avgifter som har hamnat i buffertregistret läses i vanlig ordning genom ett seriellt skiftregister, det vill säga "uppifrån och ner". Eftersom återställningen av fotoströmmar till buffertregistret sker på bara en cykel, även i frånvaro av en mekanisk slutare, finns det inget som liknar "smetningen" av laddning i en fullbildsmatris. Men exponeringstiden för varje bildruta motsvarar i de flesta fall i varaktighet det intervall som spenderas på full avläsning av buffertparallellregistret. Tack vare allt detta blir det möjligt att skapa en videosignal med hög bildfrekvens - minst 30 bilder per sekund.

Ofta i den inhemska litteraturen kallas matriser med kolumnbuffring av misstag "interlaced". Detta beror förmodligen på att de engelska namnen "interline" (linebuffring) och "interlaced" (interlaced scanning) låter väldigt lika. Faktum är att när man läser alla raderna i en cykel kan vi tala om en progressiv skanningsmatris (progressiv skanning), och när udda rader läses i den första cykeln, och jämna rader i den andra (eller vice versa), är vi talar om en sammanflätad skanningsmatris (interlaced scan).

Matriser med ortogonal bildöverföring

I dessa matriser kan laddningar flyttas till närliggande celler på kontrollsystemets kommando. De används i rymdteleskop för att kompensera för atmosfärisk turbulens, vibrationer i teleskopmekanismen och andra mekaniska och optiska störningar. [2]

Kamerasensorstorlekar

Beteckning Bredd

(mm)

Höjd

(mm)

Diagonal

(mm)

Fyrkant

(mm²)

Exempel

kameror

Helbild,
typ 135 film . 		1 - 1,01 35,8 - 36 23,8 - 24 43 - 43,3 852-864 Canon EOS 5D , Canon EOS-1Ds ( CMOS-sensor )
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 ( CMOS-sensor )
1,33 27 arton 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 (Foveon X3 typ CMOS-sensor)
4/3 " 1,92 - 2 17.3 - 18 13 -13,5 21.6 - 22.5 224,9 - 243 Olympus E-330
ett" 2.7 12.8 9.6 16 122,9 Sony ProMavica MVC-5000
2/3" 3,93 8.8 6.6 elva 58,1 Pentax EI-2000
1/1,6" ≈4 åtta 6 tio 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 åtta 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 fyra 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

Dimensioner för digitala filmkameror

Beteckning överensstämmelse med
filmformatet
 Bredd

(mm)

Höjd

(mm)

Diagonal

(mm)

Fyrkant

(mm²)

Exempel

kameror

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

Vissa speciella typer av matriser

Fotokänsliga linjaler

Den huvudsakliga omfattningen av linjära ljusmottagande enheter är skannrar, panoramafotoutrustning, såväl som spektrumanalysatorer och annan forskningsutrustning.

Koordinat- och vinkelsensorer

Bakgrundsbelysta sensorer

I den klassiska CCD-elementdesignen, som använder polykristallina kiselelektroder, är ljuskänsligheten begränsad på grund av partiell spridning av ljus från elektrodytan. Därför, vid fotografering under speciella förhållanden som kräver ökad ljuskänslighet i de blå och ultravioletta områdena av spektrumet, används bakbelysta matriser .  I sensorer av denna typ faller det registrerade ljuset in på substratet, men för den erforderliga interna fotoelektriska effekten poleras substratet till en tjocklek av 10–15 µm . Detta steg av bearbetning ökade kostnaden för matrisen avsevärt, enheterna visade sig vara mycket ömtåliga och krävde ökad omsorg under montering och drift. Och när man använder ljusfilter som försvagar ljusflödet förlorar alla dyra operationer för att öka känsligheten sin mening. Därför används bakbelysta matriser främst inom astronomisk fotografering .

Ljuskänslighet

Matrisens ljuskänslighet är summan av ljuskänsligheten för alla dess fotosensorer (sensorer) och beror i allmänhet på:

För att öka ljuskänsligheten och signal-brus-förhållandet används metoden för att gruppera närliggande sinnen ( eng.  binning ). Funktionsprincipen för metoden ligger i hårdvaru-summeringen av signaler från en grupp av närliggande sensorer. Till exempel kommer fyra intilliggande sinnen som bildar en kvadrat att smälta samman till en. Detta minskar matrisens upplösning (i detta exempel fyra gånger). Liknande lägen används i rymd- och mikroskopiska undersökningar.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Historia av CCD . Hämtad 24 maj 2008. Arkiverad från originalet 5 mars 2008.
  2. ↑ Marat Musin Alla sidor av matrisen // Popular Mechanics . - 2016. - Nr 5. - S. 65-69. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2016/163-issue/ Arkiverad 16 maj 2021 på Wayback Machine
  3. ↑ Mått på matriser. Arkiverad 28 november 2007 på Wayback Machine 

Litteratur

Länkar