Ce este un CCD? Dispozitive cuplate cu încărcare (CCD). Principiul de funcționare al CCD

matricea CCD(prescurtat din " n ribor cu h aryadova Cu ligatură") sau matricea CCD(abreviat din engleză CCD, „Charge-Coupled Device”) - analog specializat circuit integrat, constând din fotosensibile fotodiode, realizat pe baza siliciu folosind tehnologia CCD- dispozitive cu cuplaj de încărcare.

Matricele CCD sunt produse și utilizate în mod activ de companii Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips si multi altii. În Rusia, matricele CCD sunt astăzi dezvoltate și produse de NPP ELAR CJSC, St. Petersburg.

1 Istoria CCD 2 Structura generală și principiul de funcționare 2.1 Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n 3 Clasificare prin metoda tamponării 3.1 Senzori de transfer full frame 3.2 Matrici cu cadru tampon 3.3 Matrici cu tampon de coloană 4 Clasificare după tipul de măturare 4.1 Matrice pentru camere video 5 Dimensiunile matricelor fotografice 6 Unele tipuri speciale de matrice 6.1 Rigle fotosensibile 6.2 Senzori de coordonate și unghi 6.3 Matrici retro-iluminate 7 Fotosensibilitate 8 Vezi de asemenea 9 Note

Istoria CCD

Dispozitivul cuplat cu încărcare a fost inventat în 1969 Willard BoyleŞi George Smith la Laboratoarele Bell (AT&T Laboratoarele Bell). Laboratoarele lucrau la video telefonie ( engleză imagine telefon) și dezvoltarea „memoriei cu bule semiconductoare” ( engleză semiconductor bule memorie ). Dispozitivele cuplate cu încărcare și-au început viața ca dispozitive de memorie în care o încărcare putea fi plasată doar în registrul de intrare al dispozitivului. Cu toate acestea, capacitatea elementului de memorie al dispozitivului de a primi o taxă datorită efect fotoelectric a făcut ca această aplicație a dispozitivelor CCD să fie cea principală.

ÎN 1970 cercetători Laboratoarele Bell a învățat să capteze imagini folosind dispozitive liniare simple.

Ulterior, sub conducerea lui Katsuo Iwama ( Kazuo Iwama) companie Sony s-a implicat activ în CCD-uri, investind masiv în ele și a reușit să producă în masă CCD-uri pentru camerele sale video.

Iwama a murit în august 1982. Chip CCD a fost pus pe piatra funerară a lui pentru a comemora contribuțiile sale.

În ianuarie 2006 pentru lucrul la CCD W. BoyleŞi J. Smith au fost premiate Academia Națională de Inginerie din SUA (engleză Naţional Academie de Inginerie).

ÎN 2009 aceşti creatori CCD au fost premiaţi Premiul Nobel pentru Fizică.

Structura generală și principiul de funcționare

Matricea CCD este formată din polisiliciu, separat de substratul de siliciu, în care, atunci când se aplică tensiune prin porți din polisiliciu, potențialele electrice din vecinătate se modifică electrozi.

Înainte de expunere, de obicei prin aplicarea unei anumite combinații de tensiuni la electrozi, toate sarcinile formate anterior sunt resetate și toate elementele sunt aduse într-o stare identică.

În continuare, combinația de tensiuni pe electrozi creează un puț de potențial în care se pot acumula electronii formați într-un anumit pixel al matricei ca urmare a expunerii la lumină în timpul expunerii. Cu cât fluxul luminos este mai intens în timpul expunere, cu atât se acumulează mai mult electroniîntr-un puț potențial, în consecință, cu atât sarcina finală a unui dat este mai mare pixel.

După expunere, modificările succesive ale tensiunii pe electrozi formează o distribuție de potențial în fiecare pixel și alături de acesta, care duce la fluxul de sarcină într-o direcție dată, către elementele de ieșire ale matricei.

Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n

Producătorii au arhitecturi de pixeli diferite.

Diagrama subpixelilor unei matrice CCD cu un buzunar de tip n (folosind exemplul unui fotodetector roșu)

Simboluri pe diagrama subpixeli CCD:

1 - Fotonii luminii care trec prin obiectivul camerei;

2 - Microlens subpixel;

3 - R - filtru subpixel roșu, fragment filtru Bayer;

4 - Electrod transparent din policristalin siliciu sau oxid de staniu;

5 - Izolator (oxid de siliciu);

6 - Canal de siliciu de tip N. Zona de generare a purtătorului (zonă cu efect fotoelectric intern);

7 - Zona sondei de potențial (buzunar de tip n), unde sunt colectați electronii din zona de generare a purtătorului;

8 - substrat de siliciu de tip p;

Clasificare prin metoda tamponării

[Senzori de transfer cu cadru întreg

Matrici cu cadru tampon

Matrici cu tampon de coloană

Dimensiunile matricelor fotografice

Senzori de coordonate și unghi

Matrici retro-iluminate

În circuitul clasic CCD, care utilizează electrozi de siliciu policristalin, sensibilitatea la lumină este limitată datorită împrăștierii parțiale a luminii de către suprafața electrodului. Prin urmare, atunci când fotografiați în condiții speciale care necesită o fotosensibilitate crescută în regiunile albastre și ultraviolete ale spectrului, se folosesc matrici retroiluminate ( engleză spate- iluminat matrice). La senzorii de acest tip, se înregistrează aprinde cade pe substrat, dar pentru efectul foto intern necesar, substratul este măcinat la o grosime de 10-15 µm. Această etapă de procesare a crescut semnificativ costul matricei, dispozitivele s-au dovedit a fi foarte fragile și au necesitat îngrijire sporită în timpul asamblarii și al funcționării. Și atunci când folosiți filtre care slăbesc fluxul de lumină, toate operațiunile costisitoare de creștere a sensibilității devin lipsite de sens. Prin urmare, matricele retroiluminate sunt utilizate în principal în fotografie astronomică.

Fotosensibilitate

Sensibilitatea matricei constă în fotosensibilitatea tuturor ei senzori foto(pixeli) și, în general, depinde de:

fotosensibilitate integrală, care este raportul dintre cantitate efect fotoelectric La aprinde flux (în lumeni) de la o sursă de radiație cu compoziție spectrală normalizată;

fotosensibilitate monocromatică"- raportul de mărime efect fotoelectric la dimensiune aprinde energia radiației (în milielectronvolți) corespunzătoare unei anumite lungimi de undă;

set de toate valorile ISO monocromatice pentru piesa selectată spectru lumina este fotosensibilitatea spectrală- dependența fotosensibilității de lungimea de undă a luminii;

Matricea este principalul element structural al camerei și unul dintre parametrii cheie luați în considerare de utilizator atunci când alege o cameră. Matricele camerelor digitale moderne pot fi clasificate după mai multe semne, dar principalul și cel mai comun este încă împărțirea matricelor în funcție de metoda de citire a încărcăturii, pe: matrice CCD tip și CMOS matrici. În acest articol ne vom uita la principiile de funcționare, precum și la avantajele și dezavantajele acestor două tipuri de matrice, deoarece acestea sunt cele care sunt utilizate pe scară largă în echipamentele fotografice și video moderne.

matricea CCD

Matrice CCD numit si matricea CCD(Dispozitive cuplate de încărcare). CCD matricea este o placă dreptunghiulară de elemente fotosensibile (fotodiode) situată pe un cristal de siliciu semiconductor. Principiul funcționării sale se bazează pe mișcarea linie cu linie a sarcinilor care s-au acumulat în găurile formate de fotonii din atomii de siliciu. Adică, la ciocnirea cu o fotodiodă, un foton de lumină este absorbit și un electron este eliberat (are loc un efect fotoelectric intern). Ca rezultat, se formează o încărcare care trebuie să fie într-un fel stocată pentru procesare ulterioară. În acest scop, în substratul de siliciu al matricei este construit un semiconductor, deasupra căruia se află un electrod transparent din siliciu policristalin. Și ca urmare a aplicării unui potențial electric acestui electrod, se formează un așa-numit puț de potențial în zona de epuizare de sub semiconductor, în care este stocată sarcina primită de la fotoni. La citirea sarcinii electrice din matrice, sarcinile (stocate în puțurile de potențial) sunt transferate de-a lungul electrozilor de transfer către marginea matricei (registru de deplasare în serie) și către amplificator, care amplifică semnalul și îl transmite la un analog-to- convertor digital (ADC), de unde semnalul convertit este trimis într-un procesor care procesează semnalul și salvează imaginea rezultată pe un card de memorie .

Fotodiodele din polisiliciu sunt folosite pentru a produce matrice CCD. Astfel de matrici sunt de dimensiuni mici și vă permit să obțineți fotografii de înaltă calitate atunci când fotografiați în lumină normală.

Avantajele CCD-urilor:

1. Designul matricei asigură o densitate mare de plasare a fotocelulelor (pixeli) pe substrat;
2. Eficiență ridicată (raportul fotonii înregistrați la numărul lor total este de aproximativ 95%);
3. Sensibilitate ridicată;
4. Redare bună a culorilor (cu iluminare suficientă).

Dezavantajele CCD-urilor:

1. Nivel ridicat de zgomot la ISO ridicat (la ISO scăzut, nivelul de zgomot este moderat);
2. Viteză scăzută de operare în comparație cu matricele CMOS;
3. Consum mare de energie;
4. Tehnologie de citire a semnalului mai complexă, deoarece sunt necesare multe cipuri de control;
5. Producția este mai scumpă decât matricele CMOS.

matrice CMOS

Matrice CMOS, sau matrice CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) utilizează senzori de punct activ. Spre deosebire de CCD, senzorii CMOS conțin un tranzistor separat în fiecare element sensibil la lumină (pixel), drept urmare conversia de încărcare se realizează direct în pixel. Încărcarea rezultată poate fi citită de la fiecare pixel în mod individual, eliminând necesitatea transferului de încărcare (cum se întâmplă cu CCD-urile). Pixelii senzorului CMOS sunt integrați direct cu convertorul analog-digital sau chiar cu procesorul. Ca urmare a utilizării unei astfel de tehnologii raționale, se produc economii de energie datorită unei reduceri a lanțurilor de acțiuni în comparație cu matricele CCD, precum și a unei reduceri a costului dispozitivului datorită unui design mai simplu.

Scurt principiu de funcționare al unui senzor CMOS: 1) Înainte de fotografiere, un semnal de resetare este aplicat tranzistorului de resetare. 2) În timpul expunerii, lumina pătrunde prin lentilă și se filtrează către fotodiodă și, ca urmare a fotosintezei, în puțul de potențial se acumulează o sarcină. 3) Se citește valoarea tensiunii primite. 4) Procesarea datelor și salvarea imaginilor.

Avantajele senzorilor CMOS:

1. Consum redus de energie (mai ales în modurile de așteptare);
2. Performanță ridicată;
3. Necesită costuri de producție mai mici datorită asemănării tehnologiei cu producția de microcircuite;
4. Unitatea tehnologiei cu alte elemente digitale, care vă permite să combinați părți analogice, digitale și de procesare pe un singur cip (adică, pe lângă captarea luminii într-un pixel, puteți converti, procesa și șterge semnalul de zgomot).
5. Posibilitatea de acces aleatoriu la fiecare pixel sau grup de pixeli, ceea ce vă permite să reduceți dimensiunea imaginii capturate și să creșteți viteza de citire.

Dezavantajele matricelor CMOS:

1. Fotodioda ocupă o zonă mică a pixelului, rezultând o sensibilitate scăzută la lumină a matricei, dar în matricele CMOS moderne acest dezavantaj a fost practic eliminat;
2. Prezența zgomotului termic de la încălzirea tranzistorilor în interiorul pixelului în timpul procesului de citire.
3. Dimensiuni relativ mari, echipamentele foto cu acest tip de matrice se caracterizează prin greutate și dimensiune mare.

Pe lângă tipurile menționate mai sus, există și matrici cu trei straturi, fiecare strat fiind un CCD. Diferența este că celulele pot percepe simultan trei culori, care sunt formate din prisme dicroice atunci când un fascicul de lumină le lovește. Fiecare fascicul este apoi direcționat către o matrice separată. Ca urmare, luminozitatea culorilor albastru, roșu și verde este determinată imediat pe fotocelula. Matricele cu trei straturi sunt utilizate în camerele video de nivel înalt, care au o denumire specială - 3CCD.

Pentru a rezuma, aș dori să remarc că odată cu dezvoltarea tehnologiilor pentru producerea matricelor CCD și CMOS, caracteristicile acestora se schimbă și ele, așa că este din ce în ce mai greu de spus care dintre matrice este cu siguranță mai bună, dar, în același timp, CMOS matricele au devenit recent din ce în ce mai populare în producția de camere SLR. Pe baza trăsăturilor caracteristice ale diferitelor tipuri de matrice, se poate face o idee clară despre motivul pentru care echipamentul fotografic profesional care oferă fotografiere de înaltă calitate este destul de voluminos și greu. Aceste informații ar trebui cu siguranță reținute atunci când alegeți o cameră - adică luați în considerare dimensiunile fizice ale matricei și nu numărul de pixeli.

Dispozitivul cuplat cu încărcare a fost inventat în 1969 de Willard Boyle și George Smith la AT&T Bell Labs. Laboratoarele lucrau la videotelefonie. telefon poza) și dezvoltarea „memoriei cu bule semiconductoare” (ing. memorie cu bule de semiconductor). Dispozitivele cuplate cu încărcare și-au început viața ca dispozitive de memorie în care o încărcare putea fi plasată doar în registrul de intrare al dispozitivului. Cu toate acestea, capacitatea elementului de memorie al dispozitivului de a primi o încărcare datorită efectului fotoelectric a făcut ca această aplicație a dispozitivelor CCD să fie cea principală.

Structura generală și principiul de funcționare

Înainte de expunere, de obicei prin aplicarea unei anumite combinații de tensiuni la electrozi, toate sarcinile formate anterior sunt resetate și toate elementele sunt aduse într-o stare identică.

În continuare, combinația de tensiuni pe electrozi creează un puț de potențial în care se pot acumula electronii formați într-un anumit pixel al matricei ca urmare a expunerii la lumină în timpul expunerii. Cu cât fluxul de lumină este mai intens în timpul expunerii, cu atât se acumulează mai mulți electroni în puțul de potențial și, în consecință, cu atât sarcina finală a unui pixel dat este mai mare.

După expunere, modificările succesive ale tensiunii pe electrozi formează o distribuție de potențial în fiecare pixel și alături de acesta, care duce la fluxul de sarcină într-o direcție dată, către elementele de ieșire ale matricei.

Exemplu de subpixel CCD cu un buzunar de tip n

Producătorii au arhitecturi de pixeli diferite.

Denumiri pe diagrama subpixelilor CCD: 1 - fotoni de lumină care trec prin lentila camerei;
2 - ;
3 - R - filtru subpixel roșu, fragment de filtru Bayer;
4 - electrod transparent din siliciu policristalin sau un aliaj de oxid de indiu și staniu;
5 - oxid de siliciu;
6 - canal de siliciu de tip n: zonă de generare a purtătorului - zonă de efect fotoelectric intern;
7 - zona puțului de potențial (buzunar de tip n), unde sunt colectați electronii din zona de generare a purtătorului de sarcină;
8 - substrat de siliciu de tip p.

Clasificare prin metoda tamponării

Senzori de transfer full frame

Imaginea formată de lentilă cade pe matricea CCD, adică razele de lumină cad pe suprafața fotosensibilă a elementelor CCD, a căror sarcină este să transforme energia fotonilor într-o sarcină electrică. Se întâmplă aproximativ după cum urmează.

Pentru un foton care cade pe un element CCD, există trei opțiuni pentru desfășurarea evenimentelor - fie va „ricoșeta” de la suprafață, fie va fi absorbit în grosimea semiconductorului (materialul matricei) sau va „perfora” „zona sa de lucru”. În mod evident, dezvoltatorii sunt obligați să creeze un senzor în care pierderile de la „ricoșetare” și „trage prin” să fie minimizate. Aceiași fotoni care au fost absorbiți de matrice formează o pereche electron-gaură dacă a existat o interacțiune cu un atom al rețelei cristaline semiconductoare sau doar un electron (sau gaură) dacă interacțiunea a fost cu atomi de impurități donor sau acceptor și ambele fenomene se numesc efect fotoelectric intern. Desigur, activitatea senzorului nu se limitează la efectul fotoelectric intern - este necesar să stocați purtătorii de sarcină „luați” din semiconductor într-un depozit special și apoi să îi numărați.

element CCD

În general, designul unui element CCD arată astfel: un substrat de siliciu de tip p este echipat cu canale realizate dintr-un semiconductor de tip n. Electrozi din siliciu policristalin cu un strat izolator de oxid de siliciu sunt creați deasupra canalelor. După aplicarea unui potențial electric unui astfel de electrod, se creează un puț de potențial în zona de epuizare de sub canalul de tip n, al cărui scop este stocarea electronilor. Un foton care pătrunde în siliciu are ca rezultat generarea unui electron, care este atras de puțul de potențial și rămâne în el. Mai mulți fotoni (lumină strălucitoare) asigură mai multă încărcare puțului. Apoi trebuie să calculați valoarea acestei încărcături, numită și fotocurent, și să o amplificați.

Citirea fotocurenților elementelor CCD este efectuată de așa-numitele registre de deplasare în serie, care convertesc un șir de sarcini la intrare într-o serie de impulsuri la ieșire. Această serie reprezintă un semnal analogic, care este ulterior alimentat la un amplificator.

Astfel, folosind un registru, este posibilă convertirea sarcinilor unei linii de elemente CCD într-un semnal analogic. De fapt, registrul de deplasare serială în matrice CCD este implementat folosind aceleași elemente CCD combinate într-un rând. Funcționarea unui astfel de dispozitiv se bazează pe capacitatea dispozitivelor cuplate la sarcină (asta este ceea ce înseamnă abrevierea CCD) de a schimba încărcături ale puțurilor lor potențiale. Schimbul se realizează datorită prezenței electrozilor de transfer speciali (poarta de transfer) amplasați între elementele CCD adiacente. Când un potențial crescut este aplicat celui mai apropiat electrod, sarcina „curge” sub acesta din puțul de potențial. Între elementele CCD pot fi amplasați de la doi până la patru electrozi de transfer, „faza” registrului de deplasare, care poate fi numită bifazată, trifazată sau cu patru faze, depinde de numărul acestora.

Alimentarea cu potențiale la electrozii de transfer este sincronizată în așa fel încât mișcarea sarcinilor puțurilor de potențial ale tuturor elementelor CCD ale registrului să aibă loc simultan. Și în timpul unui ciclu de transfer, elementele CCD par să „transmite sarcini de-a lungul lanțului” de la stânga la dreapta (sau de la dreapta la stânga). Ei bine, elementul CCD care se dovedește a fi „extremul” își dă sarcina dispozitivului situat la ieșirea registrului, adică amplificatorului.

În general, un registru de deplasare serial este un dispozitiv cu intrare paralelă și ieșire în serie. Prin urmare, după citirea tuturor sarcinilor din registru, este posibil să se aplice o nouă linie la intrarea sa, apoi următoarea, și astfel să se genereze un semnal analogic continuu bazat pe o matrice bidimensională de fotocurenți. La rândul său, intrarea paralelă către registrul de deplasare în serie (adică șiruri ale unei rețele bidimensionale de fotocurenți) este furnizată de un set de registre de deplasare în serie orientate vertical, care se numește registru de deplasare paralelă, iar întreaga structură este tocmai un dispozitiv numit matrice CCD.

Registrele de deplasare seriale „verticale” care alcătuiesc cel paralel se numesc coloane CCD, iar funcționarea lor este complet sincronizată. Matricea bidimensională de fotocurenți ai matricei CCD este deplasată simultan pe un rând în jos, iar acest lucru se întâmplă numai după ce încărcările rândului anterior din registrul de deplasare în serie situat „în partea de jos” au ajuns la amplificator. Până la eliberarea registrului serial, cel paralel este forțat să funcționeze în gol. Ei bine, pentru funcționare normală, matricea CCD în sine trebuie să fie conectată la un microcircuit (sau la un set al acestora) care furnizează potențiale electrozilor ambelor registre de deplasare seriale și paralele, precum și să sincronizeze funcționarea ambelor registre. În plus, este nevoie de un generator de ceas.

Senzor cadru complet

Acest tip de senzor este cel mai simplu din punct de vedere al designului și se numește matrice CCD full-frame. În plus față de microcircuitele „tuburi”, acest tip de matrice necesită și un obturator mecanic care blochează fluxul de lumină după terminarea expunerii. Înainte ca obturatorul să fie complet închis, încărcăturile de citire nu pot începe - în timpul ciclului de funcționare al unui registru cu deplasare paralelă, electronii suplimentari vor fi adăugați la fotocurent al fiecăruia dintre pixelii săi, cauzați de fotonii care lovesc suprafața deschisă a matricei CCD. Acest fenomen se numește „smearing” a încărcăturii într-o matrice full-frame (full-frame matrix smear).

Astfel, viteza de citire a cadrelor într-o astfel de schemă este limitată de viteza de funcționare atât a registrelor de deplasare paralele cât și seriale. De asemenea, este evident că este necesară blocarea fluxului de lumină care vine de la lentilă până la finalizarea procesului de citire, astfel că intervalul dintre expuneri depinde și de viteza de citire.

Matrici cu cadru tampon

Există o versiune îmbunătățită a matricei full-frame, în care sarcinile registrului paralel nu sunt furnizate linie cu linie la intrarea celui serial, ci sunt „stocate” într-un registru paralel tampon. Acest registru se află sub registrul principal de deplasare paralelă, fotocurenții sunt mutați linie cu linie către registrul tampon și de acolo intră în intrarea registrului de deplasare în serie. Suprafața registrului tampon este acoperită cu un panou opac (de obicei metalic), iar întregul sistem se numește matrice CCD de transfer de cadru. Matrice cu cadru tampon În această schemă, găurile potențiale ale registrului principal de deplasare paralelă sunt „golite” mult mai repede, deoarece la transferul rândurilor în buffer, nu este nevoie să așteptați un ciclu complet al registrului serial pentru fiecare rând. Prin urmare, intervalul dintre expuneri este redus, deși viteza de citire scade și ea; Astfel, intervalul dintre expuneri este redus pentru doar două cadre, deși costul dispozitivului datorită registrului tampon crește considerabil. Cu toate acestea, cel mai vizibil dezavantaj al matricelor cu cadru tampon este „traseul” prelungit al fotocurenților, care afectează negativ siguranța valorilor acestora. Și în orice caz, obturatorul mecanic trebuie activat între cadre, deci nu este nevoie să vorbim despre un semnal video continuu.

Matrici cu tampon de coloană

Un nou tip de matrice a fost dezvoltat special pentru tehnologia video, în care intervalul dintre expuneri a fost minimizat nu pentru o pereche de cadre, ci pentru un flux continuu. Desigur, pentru a asigura această continuitate a fost necesar să se prevadă abandonarea oblonului mecanic.

De fapt, această schemă, numită matrice cu tampon de coloană (matrice CCD-interline), este oarecum similară cu sistemele cu tampon de cadru - folosește, de asemenea, un registru de deplasare paralelă a tamponului, ale cărui elemente CCD sunt ascunse sub un strat opac. Cu toate acestea, acest buffer nu este situat ca un singur bloc sub registrul paralel principal, coloanele sale sunt „amestecate” între coloanele registrului principal. Ca urmare, lângă fiecare coloană a registrului principal există o coloană tampon, iar imediat după expunere, fotocurenții se deplasează nu „de sus în jos”, ci „de la stânga la dreapta” (sau „de la dreapta la stânga”) și doar în un ciclu de lucru ei intră în registrul tampon, eliberând complet și complet găurile potențiale pentru următoarea expunere. Taxele plasate în registrul tampon sunt citite în mod obișnuit printr-un registru de deplasare în serie, adică „de sus în jos”. Deoarece descărcarea fotocurenților în registrul tampon are loc într-un singur ciclu, chiar și în absența unui obturator mecanic, nu se observă nimic asemănător cu „pătarea” încărcăturii în senzorul cu cadru complet. Dar timpul de expunere pentru fiecare cadru în majoritatea cazurilor corespunde ca durată cu intervalul petrecut pentru citirea completă a registrului paralel al tamponului. Datorită tuturor acestora, devine posibil să se creeze un semnal video cu o rată de cadre ridicată - cel puțin 30 de cadre pe secundă. Matrice cu tampon de coloană Adesea, în literatura rusă, matricele cu tampon de coloană sunt numite în mod eronat „intercalate”. Acest lucru se datorează probabil faptului că denumirile englezești „interline” (line buffering) și „interlaced” (interlaced scanning) sună foarte asemănător. De fapt, atunci când toate liniile sunt citite într-un singur ciclu de ceas, putem vorbi despre o matrice cu scanare progresivă, iar când sunt citite linii impare în primul ciclu de ceas și linii pare în al doilea (sau invers), vorbim despre o matrice cu scanare intercalată).

Dimensiunile senzorilor camerei

Desemnare		Lăţime	Înălţime	Diagonală	Pătrat	Exemplu
cadru complet, film tip 135.	1 - 1,01	35,8 - 36	23,8 - 24	43 - 43,3	852-864	Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (senzor 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 (senzor CMOS)
	1,33	27	18	32,4	486	Leica M8
APS-C, , 1,8"	1,44 - 1,74	20,7 - 25,1	13,8 - 16,7	24,9 - 30,1	285,7 - 419,2	Pentax K10D
Foveon X3	1,74	20,7	13,8	24,9	285,7	Sigma SD14
4/3 "	1,92 - 2	17,3 - 18	13 −13,5	21,6 - 22,5	224,9 - 243	Olympus E-330
1"	2,7	12,8	9,6	16	122,9	Sony ProMavica MVC-5000
2/3"	3,93	8,8	6,6	11	58,1	Pentax EI-2000
1/1,6"	≈4	8	6	10	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	8	30,7	Sony DSC-D700
1/2,3"	≈6	6,16	4,62	7,70	28,46	Olympus SP-560 Marea Britanie
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	Zoom 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	4	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

Dimensiunile camerelor digitale de cinema

Desemnare	corespondenţă format filme	Lăţime

Convertoarele fotoelectrice în stare solidă (SPEC) ale imaginilor sunt analoge ale CRT-urilor de transmisie.

TFEC-urile datează din 1970, cu așa-numitele CCD și sunt formate pe baza celulelor individuale, care sunt condensatoare ale structurii MIS sau MOS. Una dintre plăcile unui astfel de condensator elementar este o peliculă metalică M, a doua este un substrat semiconductor P ( p- sau n-conductivitate), dielectricul D este un semiconductor depus sub forma unui strat subtire pe substratul P. Substratul P este siliciu dopat cu acceptor ( p-tip) sau donator ( n-tip) impuritate, iar ca D – oxid de siliciu SiO 2 (vezi Fig. 8.8).

Orez. 8.8. Condensator MOS

Orez. 8.9. Mișcarea sarcinilor sub influența unui câmp electric

Orez. 8.10. Principiul de funcționare al sistemului CCD trifazat

Orez. 8.11. Mișcarea sarcinilor într-un sistem CCD în două faze

Când se aplică tensiune unui electrod metalic, sub acesta se formează un „buzunar” sau un puț de potențial, în care purtătorii minoritari (în cazul nostru electroni) se pot „acumula”, iar purtătorii majoritari, găurile, vor fi respinși din M. La la o anumită distanță de suprafață, concentrația de purtători minoritari poate fi mai mare decât concentrația de purtători majori. În apropierea dielectricului D, în substratul P apare un strat de inversare, în care tipul de conductivitate se schimbă în sens invers.

Pachetul de încărcare din CCD poate fi introdus electric sau folosind generarea de lumină. În timpul generării luminii, procesele fotoelectrice care au loc în siliciu vor duce la acumularea de purtători minoritari în puțurile potențiale. Sarcina acumulată este proporțională cu iluminarea și timpul de acumulare. Transferul direcțional al încărcăturii în CCD este realizat prin plasarea condensatoarelor MOS atât de aproape unul de celălalt încât regiunile lor de epuizare se suprapun și puțurile de potențial sunt conectate. În acest caz, taxa de telefonie mobilă a transportatorilor minoritari se va acumula în locul unde potențialul put este mai adânc.

Lasă o sarcină să se acumuleze sub electrod sub influența luminii U 1 (vezi Fig. 8.9). Dacă acum la electrodul adiacent U 2 aplicați tensiune U 2 >U 1, apoi va apărea o altă gaură potențială în apropiere, mai adâncă ( U 2 >U 1). Între ele va apărea o regiune de câmp electric, iar purtătorii minoritari (electroni) vor deriva (curge) într-un „buzunar” mai adânc (vezi Fig. 8.9). Pentru a elimina bidirecționalitatea în transferul sarcinilor, se utilizează o secvență de electrozi, combinați în grupuri de 3 electrozi (vezi Fig. 8.10).

Dacă, de exemplu, o sarcină s-a acumulat sub electrodul 4 și este necesar să o transferați la dreapta, atunci electrodulului drept 5 se aplică o tensiune mai mare ( U 2 >U 1) și sarcina curge către ea etc.

Aproape întregul set de electrozi este conectat la trei magistrale:

I – 1, 4, 7, …

II – 2, 5, 8, …

III – 3, 6, 9, …

În cazul nostru, tensiunea de „recepție” ( U 2) va fi pe electrozii 2 și 5, dar electrodul 2 este separat de electrodul 4, unde este stocată sarcina, de electrodul 3 (care

U 3 = 0), deci nu va exista flux spre stânga.

Funcționarea CCD în trei cicluri implică prezența a trei electrozi (celule) per element de imagine TV, ceea ce reduce suprafața utilizabilă utilizată de fluxul luminos. Pentru a reduce numărul de celule CCD (electrozi), electrozi metalici și un strat dielectric sunt formați în formă în trepte (vezi Fig. 8.11). Acest lucru permite, atunci când pulsurile de tensiune sunt aplicate electrozilor, să se creeze puțuri de potențial de diferite adâncimi sub diferite părți ale electrozilor. Majoritatea sarcinilor din celula vecină curg în gaura mai adâncă.

Cu un sistem CCD cu două faze, numărul de electrozi (celule) din matrice este redus cu o treime, ceea ce are un efect benefic asupra citirii potențialului relief.

CCD-urile au fost propuse inițial pentru a fi utilizate în calcul ca dispozitive de stocare și registre de deplasare. La începutul lanțului s-a plasat o diodă de injecție, introducând o sarcină în sistem, iar la sfârșitul lanțului s-a instalat o diodă de ieșire, de obicei aceasta n-p- sau p-n- tranziții ale structurilor MOS care formează tranzistori cu efect de câmp cu primul și ultimul electrod (celule) ai unui lanț CCD.

Dar curând a devenit clar că CCD-urile sunt foarte sensibile la lumină și, prin urmare, sunt mai bune și mai eficiente de utilizat ca detectoare de lumină, mai degrabă decât ca dispozitive de stocare.

Dacă o matrice CCD este utilizată ca fotodetector, atunci acumularea de încărcare sub unul sau altul electrod poate fi efectuată folosind metoda optică (injecție de lumină). Putem spune că CCD-urile sunt în esență registre de deplasare analogice sensibile la lumină. Astăzi, CCD-urile nu sunt folosite ca dispozitive de stocare (dispozitive de memorie), ci doar ca fotodetectoare. Acestea sunt utilizate în aparate de fax, scanere (matrice CCD) și camere și camere video (matrice CCD). De obicei, camerele TV folosesc așa-numitele cipuri CCD.

Am presupus că 100% din taxe sunt transferate în buzunarul adiacent. Cu toate acestea, în practică trebuie să luăm în calcul pierderile. Una dintre sursele de pierderi sunt „capcanele” care pot captura și reține acuzații pentru o perioadă de timp. Aceste taxe nu au timp să curgă în buzunarul vecin dacă viteza de transmisie este mare.

Al doilea motiv este mecanismul de curgere în sine. În primul moment, transferul de sarcină are loc într-un câmp electric puternic - deriva în interior E. Cu toate acestea, pe măsură ce sarcinile curg, puterea câmpului scade și procesul de derive se estompează, astfel încât ultima porțiune se mișcă din cauza difuziei, de 100 de ori mai lent decât derivea. Așteptarea ultimei porțiuni înseamnă reducerea performanței. Drift asigură mai mult de 90% din transfer. Dar ultimul procent este cel mai important în determinarea pierderilor.

Fie coeficientul de transmisie al unui ciclu de transfer egal cu k= 0,99, presupunând că numărul de cicluri este egal N= 100, determinăm coeficientul total de transmisie:

0,99 100 = 0,366

Devine evident că, cu un număr mare de elemente, chiar și pierderile minore ale unui element devin de mare importanță pentru lanțul în ansamblu.

Prin urmare, problema reducerii numărului de transferuri de taxe în matricea CCD este deosebit de importantă. În acest sens, o matrice CCD cu două faze va avea un coeficient de transfer de sarcină puțin mai mare decât un sistem trifazat.

Senzorul este elementul principal al unei camere digitale

Inima oricărei camere video digitale sau foto (limitele dintre aceste tipuri de dispozitive se estompează acum treptat) este un senzor sensibil la lumină.

Acesta convertește lumina vizibilă în semnale electrice care sunt utilizate pentru procesarea ulterioară de către circuitele electronice. Din cursul școlii de fizică știm că lumina poate fi considerată ca un flux de particule elementare - fotoni. Fotonii care lovesc suprafața unor materiale semiconductoare pot duce la formarea de electroni și găuri (amintim că o gaură în semiconductori este de obicei numită un loc liber pentru un electron, format ca urmare a rupturii legăturilor covalente dintre atomii unui semiconductor. substanţă). Procesul de generare a perechilor electron-gaură sub influența luminii este posibil numai în cazul în care energia fotonului este suficientă pentru a „smulge” un electron din nucleul „nativ” și a-l transfera în banda de conducție. Energia unui foton este direct legată de lungimea de undă a luminii incidente, adică depinde de așa-numita culoare a radiației. În intervalul de radiații vizibile (adică percepute de ochiul uman), energia fotonului este suficientă pentru a genera generarea de perechi electron-gaură în materiale semiconductoare precum siliciul.

Deoarece numărul de fotoelectroni produși este direct proporțional cu intensitatea fluxului de lumină, devine posibil să se relaționeze matematic cantitatea de lumină incidentă cu cantitatea de sarcină pe care o generează. Principiul de funcționare al senzorilor fotosensibili se bazează pe acest fenomen fizic simplu. Senzorul efectuează cinci operații de bază: absoarbe fotonii, îi transformă în sarcină, îi stochează, îi transmite și îi transformă în tensiune. În funcție de tehnologia de fabricație, diferiți senzori îndeplinesc sarcinile de stocare și acumulare a fotoelectronilor în moduri diferite.

Din punct de vedere istoric, așa-numitele matrici CCD au fost primele care au fost folosite ca elemente fotosensibile pentru camerele video, producția în masă a cărora a început în 1973. Abrevierea CCD înseamnă dispozitiv cuplat cu încărcare; în literatura engleză este folosit termenul CCD (Charge-Coupled Device).

După cum sa menționat deja, sub influența luminii, perechile electron-gaură se formează într-un semiconductor. Cu toate acestea, odată cu procesul de generare, are loc și procesul invers - recombinarea găurilor și a electronilor. Prin urmare, trebuie luate măsuri pentru a separa electronii și găurile rezultate și pentru a le stoca pentru timpul necesar. La urma urmei, numărul de fotoelectroni formați este cel care transportă informații despre intensitatea luminii absorbite. Pentru asta sunt proiectate poarta și stratul dielectric izolator. Să presupunem că la poartă se aplică un potențial pozitiv. În acest caz, sub influența câmpului electric creat care pătrunde prin dielectric în semiconductor, găurile, care sunt principalii purtători de sarcină, vor începe să se îndepărteze de dielectric, adică în adâncimea semiconductorului. La interfața semiconductorului cu dielectricul, se formează o regiune epuizată de purtători majoritari, adică găuri, iar dimensiunea acestei regiuni depinde de mărimea potențialului aplicat. Această regiune epuizată este „depozitarea” fotoelectronilor. Într-adevăr, dacă un semiconductor este expus la lumină, atunci electronii și găurile rezultate se vor deplasa în direcții opuse - găuri în adâncimea semiconductorului și electronii către stratul de epuizare. Deoarece nu există găuri în acest strat, electronii vor rămâne acolo fără proces de recombinare pentru timpul necesar.

Desigur, procesul de acumulare de electroni nu poate continua la infinit.

Să ne imaginăm nu una, ci mai multe porți strâns distanțate pe suprafața aceluiași dielectric (Fig. 2). Lăsați electronii să se acumuleze sub una dintre porți ca rezultat al fotogenerării. Dacă se aplică un potențial pozitiv mai mare porții adiacente, atunci electronii vor începe să curgă în regiunea unui câmp mai puternic, adică se vor muta de la o poartă la alta.

Acum ar trebui să fie clar că, dacă avem un lanț de porți, atunci prin aplicarea tensiunilor de control adecvate acestora, putem muta un pachet de încărcare localizat de-a lungul unei astfel de structuri. Pe acest principiu simplu se bazează dispozitivele cuplate la încărcare.

O proprietate remarcabilă a CCD-urilor este că pentru a deplasa încărcătura acumulată sunt suficiente doar trei tipuri de porți - una care transmite, una care primește și una izolatoare, perechi de separare de recepție și transmisie una de cealaltă și porțile cu același nume ale unor astfel de tripleți. pot fi conectate între ele într-o singură magistrală de ceas care necesită un singur pin extern (Fig. 3). Acesta este cel mai simplu registru cu deplasare trifazată de pe un CCD.

Structura matricei CCD pe care am considerat-o se numește CCD cu un canal de transmisie de suprafață, deoarece canalul prin care se transmite sarcina acumulată este situat pe suprafața semiconductorului. Metoda de transmisie la suprafață are o serie de dezavantaje semnificative asociate cu proprietățile limitei semiconductoarelor. Faptul este că limitarea unui semiconductor în spațiu încalcă simetria ideală a rețelei sale cristaline cu toate consecințele care decurg. Fără să ne adâncim în complexitatea fizicii stării solide, observăm că o astfel de limitare duce la formarea de capcane de energie pentru electroni. Ca rezultat, electronii acumulați sub influența luminii pot fi capturați de aceste capcane în loc să fie transferați de la o poartă la alta. Printre altele, astfel de capcane pot elibera electroni în mod imprevizibil și nu întotdeauna atunci când sunt cu adevărat necesare. Se pare că semiconductorul începe să „facă zgomot” - cu alte cuvinte, numărul de electroni acumulați sub poartă nu va corespunde exact cu intensitatea radiației absorbite.

Este posibil să se evite astfel de fenomene, dar pentru a face acest lucru, canalul de transfer în sine trebuie mutat mai adânc în conductor. Această soluție a fost implementată de specialiștii Philips în 1972. Ideea a fost că în regiunea de suprafață a semiconductorului de tip p a fost creat un strat subțire de semiconductor de tip n, adică un semiconductor în care principalii purtători de sarcină sunt electronii (Fig. 5).

Este bine cunoscut faptul că contactul a doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate duce la formarea unui strat de epuizare la limita joncțiunii. Acest lucru se întâmplă din cauza difuziei găurilor și a electronilor în direcții reciproc opuse și recombinării lor. Aplicarea unui potențial pozitiv la poartă crește dimensiunea regiunii de epuizare. Este caracteristic că acum regiunea de epuizare în sine, sau capacitatea fotoelectronilor, nu se află la suprafață și, prin urmare, nu există capcane de suprafață pentru electroni. Un astfel de canal de transfer se numește ascuns, iar toate CCD-urile moderne sunt fabricate cu un canal de transfer ascuns.

Într-o matrice cu transfer cadru cu cadru, există două secțiuni echivalente cu același număr de rânduri: acumulare și stocare. Fiecare rând din aceste secțiuni este format din trei porți (emițătoare, receptoare și izolatoare). În plus, după cum sa menționat mai sus, toate liniile sunt separate de multe canale de oprire care formează celule de acumulare în direcția orizontală. Astfel, cel mai mic element structural al unei matrice CCD (pixel) este creat din trei porți orizontale și două canale de oprire verticale (Fig. 6).

În timpul expunerii, în secțiunea de acumulare se formează fotoelectroni. După aceasta, impulsurile de ceas aplicate porților transferă sarcinile acumulate din secțiunea de acumulare în secțiunea de stocare umbrită, adică întregul cadru este efectiv transferat. Prin urmare, această arhitectură se numește CCD de transfer de cadre. După transfer, secțiunea de stocare este ștearsă și poate reacumula încărcături, în timp ce din secțiunea de memorie taxele curg în registrul de citire orizontal. Structura registrului orizontal este similară cu structura senzorului CCD - aceleași trei porți pentru transferul de încărcare. Fiecare element al registrului orizontal are o conexiune de încărcare cu coloana corespunzătoare a secțiunii de memorie, iar pentru fiecare impuls de ceas din secțiunea de acumulare, întregul rând intră în registrul de citire, care este apoi transferat la amplificatorul de ieșire pentru procesare ulterioară.

Circuitul matricei CCD considerat are un avantaj incontestabil - un factor de umplere ridicat. Acest termen este de obicei folosit pentru a se referi la raportul dintre suprafața fotosensibilă a matricei și aria sa totală. Pentru matricele cu transfer cadru cu cadru, factorul de umplere ajunge la aproape 100%. Această caracteristică face posibilă crearea de dispozitive foarte sensibile pe baza acestora.

Pe lângă avantajele considerate, matricele cu transfer cadru cu cadru au și o serie de dezavantaje. În primul rând, observăm că procesul de transfer în sine nu poate fi efectuat instantaneu. Această circumstanță este cea care duce la o serie de fenomene negative. În timpul procesului de transfer de sarcină de la secțiunea de acumulare la secțiunea de stocare, prima rămâne iluminată și procesul de acumulare a fotoelectronilor continuă în ea. Acest lucru duce la faptul că zonele luminoase ale imaginii au timp să contribuie la pachetul de taxe străine chiar și în timpul scurt în care trece prin ele. Ca urmare, în cadru apar distorsiuni caracteristice sub formă de dungi verticale care se extind pe întregul cadru din zonele luminoase ale imaginii. Desigur, se pot folosi diverse trucuri pentru a combate astfel de fenomene, dar cea mai radicală metodă este separarea secțiunii de acumulare și a secțiunii de transfer, astfel încât transferul să aibă loc într-o zonă umbrită. Matricele acestei arhitecturi sunt numite CCD-uri cu transfer interlinie (Fig. 7).

Spre deosebire de matricea de transfer cadru cu cadru descrisă mai devreme, fotodiodele acționează ca elemente de stocare a sarcinii aici (fotodiodele vor fi discutate mai detaliat mai târziu). Sarcinile acumulate de fotodiode sunt transferate la elementele CCD umbrite, care efectuează transferul suplimentar de sarcină. Vă rugăm să rețineți că transferul întregului cadru de la fotodiode la registrele verticale de transfer CCD are loc într-un singur ciclu de ceas. Apare o întrebare logică: de ce a primit această arhitectură denumirea de cratimă interliniară (se folosește și termenul „cratima întrețesată”)?

Dacă ne amintim de arhitectura unei matrice CCD cu transfer între cadre, devine clar că transferul unui cadru din secțiunea de acumulare în secțiunea de stocare are loc în timpul intervalului intercadru al semnalului video. Acest lucru este de înțeles, deoarece va dura o perioadă semnificativă de timp pentru a transfera întregul cadru. Într-o arhitectură de transfer între linii, transmisia cadrelor are loc într-un singur ciclu de ceas și o perioadă scurtă de timp este suficientă pentru aceasta. Apoi, imaginea intră în registrul de deplasare orizontală, iar transmisia are loc linie cu linie în intervalele interlinie ale semnalului video.

Pe lângă cele două tipuri de matrice CCD discutate, există și alte scheme. De exemplu, o schemă care combină mecanisme inter-cadru și inter-linie (transfer linie-cadru) este obținută prin adăugarea unei secțiuni de stocare la matricea CCD de transfer inter-linie.

În acest caz, transferul cadrului de la elementele fotosensibile are loc într-un ciclu de ceas în timpul intervalului interlinie, iar în timpul intervalului intercadre cadrul este transferat în secțiunea de stocare (transfer intercadre); Din secțiunea de stocare, cadrul este transferat în registrul de deplasare orizontală în timpul distanței dintre linii (transfer intercadre).

Recent, așa-numitele super-CCD (Super CCD-uri) s-au răspândit, folosind o arhitectură celulară originală formată din pixeli octogonali. Din acest motiv, suprafața de lucru a siliciului crește și densitatea pixelilor (numărul de pixeli CCD) crește. În plus, forma octogonală a pixelilor mărește aria suprafeței sensibile la lumină.

Senzori CMOS

Un tip de senzor fundamental diferit este așa-numitul senzor CMOS (CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor; în terminologia engleză - CMOS).

Cea mai simplă fotodiodă este un contact între semiconductori de tip n și p.

La interfața acestor semiconductori se formează o regiune de epuizare, adică un strat fără găuri și electroni. O astfel de regiune se formează ca urmare a difuzării purtătorilor de sarcină principali în direcții reciproc opuse. Găurile se deplasează de la p-semiconductor (adică din regiunea în care există un exces de ele) la n-semiconductor (adică în regiunea în care concentrația lor este scăzută), iar electronii se mișcă în direcția opusă, că este, de la semiconductorul n la semiconductorul p. Ca rezultat al acestei recombinări, găurile și electronii dispar și se creează o regiune de epuizare. În plus, ionii de impurități sunt expuși la limitele regiunii epuizate, iar în regiunea n ionii de impurități au o sarcină pozitivă, iar în regiunea p au o sarcină negativă. Aceste sarcini, distribuite de-a lungul limitei regiunii de epuizare, formează un câmp electric similar cu cel creat într-un condensator cu plăci paralele format din două plăci. Acest câmp îndeplinește funcția de separare spațială a găurilor și a electronilor formați în timpul fotogenerării. Prezența unui astfel de câmp local (numit și barieră potențială) este un punct fundamental în orice senzor fotosensibil (nu doar într-o fotodiodă).

Principala diferență dintre senzorii CMOS și senzorii CCD nu constă în metoda de acumulare a încărcăturii, ci în metoda transferului său ulterior. Tehnologia CMOS, spre deosebire de CCD, permite un număr mai mare de operații direct pe cipul pe care se află matricea fotosensibilă. Pe lângă eliberarea electronilor și transmiterea acestora, senzorii CMOS pot, de asemenea, să proceseze imagini, să evidențieze marginile imaginii, să reducă zgomotul și să efectueze conversii analog-digitale.

Mai mult, este posibil să se creeze senzori CMOS programabili, prin urmare se poate obține un dispozitiv multifuncțional foarte flexibil.

O gamă atât de largă de funcții realizate de un singur cip este principalul avantaj al tehnologiei CMOS față de CCD. Acest lucru reduce numărul de componente externe necesare. Utilizarea unui senzor CMOS într-o cameră digitală vă permite să instalați alte cipuri în spațiul liber - de exemplu, procesoare de semnal digital (DSP) și convertoare analog-digitale.

Dezvoltarea rapidă a tehnologiilor CMOS a început în 1993, când au fost creați senzori activi de pixeli. Cu această tehnologie, fiecare pixel are propriul amplificator cu tranzistor de citire, care permite ca sarcina să fie convertită în tensiune direct la pixel. În plus, a devenit posibil accesul aleatoriu la fiecare pixel al senzorului (similar cu modul în care funcționează memoria cu acces aleatoriu). Încărcarea este citită de la pixelii activi ai senzorului CMOS folosind un circuit paralel (Fig. 9), care vă permite să citiți semnalul de la fiecare pixel sau dintr-o coloană de pixeli direct. Accesul aleatoriu permite senzorului CMOS să citească nu numai întreaga matrice, ci și zonele selectate (metoda de citire în fereastră).

În ciuda avantajelor aparente ale matricelor CMOS față de CCD (principalul fiind prețul mai mic), acestea au și o serie de dezavantaje. Prezența unor circuite suplimentare pe cipul matricei CMOS duce la apariția unui număr de interferențe, cum ar fi împrăștierea tranzistorului și a diodei, precum și efectul sarcinii reziduale, adică matricele CMOS astăzi sunt mai zgomotoase. Prin urmare, în viitorul apropiat, camerele digitale profesionale vor folosi matrici CCD de înaltă calitate, iar senzorii CMOS intră pe piața dispozitivelor mai ieftine, care, în special, includ camere Web.

Senzorii fotosensibili discutați mai sus sunt capabili să răspundă doar la intensitatea luminii absorbite - cu cât este mai mare intensitatea, cu atât mai mare se acumulează încărcătura.

Apare o întrebare firească: cum se obține o imagine color?

Pentru a permite camerei să distingă culorile, o serie de filtre de culoare (CFA, matrice de filtre de culoare) este aplicată direct pixelului activ. Principiul unui filtru de culoare este foarte simplu: permite trecerea doar luminii de o anumită culoare (cu alte cuvinte, doar luminii cu o anumită lungime de undă). Dar de câte astfel de filtre vor fi necesare dacă numărul de nuanțe de culori diferite este practic nelimitat? Se dovedește că orice nuanță de culoare poate fi obținută prin amestecarea mai multor culori primare (de bază) în anumite proporții. În cel mai popular model aditiv, RGB (Roșu, Verde, Albastru), există trei astfel de culori: roșu, verde și albastru. Aceasta înseamnă că sunt necesare doar trei filtre de culoare. Rețineți că modelul de culoare RGB nu este singurul, dar marea majoritate a camerelor Web digitale îl folosesc.

Cele mai populare sunt matricele de filtre de tip Bayer. În acest sistem, filtrele roșu, verde și albastru sunt eșalonate, iar numărul de filtre verzi este de două ori mai mare decât roșu sau albastru.

Aranjamentul este astfel încât filtrele roșu și albastru să fie situate între cele verzi (Fig. 10).

După cum sa menționat deja, modelul de culoare RGB folosește trei culori primare, cu care puteți obține orice nuanță a spectrului vizibil. Câte nuanțe pot distinge camerele digitale? Numărul maxim de nuanțe de culoare diferite este determinat de adâncimea culorii, care, la rândul său, este determinată de numărul de biți utilizați pentru a codifica culoarea. Popularul model RGB 24, cu o adâncime de culoare de 24 de biți, alocă 8 biți pentru fiecare culoare. Cu 8 biți, pot fi specificate 256 de culori diferite pentru roșu, verde și, respectiv, albastru. Fiecărei nuanțe i se atribuie o valoare de la 0 la 255. De exemplu, roșul poate avea 256 de gradări: de la roșu pur (255) la negru (0). Valoarea maximă a codului corespunde unei culori pure, iar codul pentru fiecare culoare este de obicei plasat în următoarea ordine: roșu, verde și albastru.

De exemplu, codul pentru roșu pur este scris ca (255, 0, 0), codul pentru verde este (0, 255, 0), iar codul pentru albastru este (0, 0, 255). Galbenul poate fi obținut amestecând roșu și verde, iar codul său este scris ca (255, 255, 0).

Pe lângă modelul RGB, modelele YUV și YСrCb, care sunt similare între ele și se bazează pe separarea semnalelor de luminozitate și culoare, au găsit și o utilizare pe scară largă.

Cum funcționează cele digitale

Camere web

Principiul de funcționare al tuturor tipurilor de camere digitale este aproximativ același. Să luăm în considerare o diagramă tipică a celei mai simple camere Web, a cărei diferență principală față de alte tipuri de camere este prezența unei interfețe USB pentru conectarea la un computer.

Pe langa sistemul optic (lentila) si senzorul fotosensibil CCD sau CMOS, este necesar sa existe un convertor analog-digital (ADC), care converteste semnalele analogice ale senzorului fotosensibil intr-un cod digital.

În plus, este necesar și un sistem pentru formarea unei imagini color. Un alt element important al camerei este circuitul responsabil cu compresia datelor și pregătirea pentru transmiterea în formatul necesar. De exemplu, în camera web în cauză, datele video sunt transmise computerului printr-o interfață USB, deci trebuie să existe un controler de interfață USB la ieșire. Schema bloc a unei camere digitale este prezentată în Fig.

11.

Un convertor analog-digital este conceput pentru a eșantiona un semnal analogic continuu și este caracterizat de o frecvență de eșantionare care determină intervalele de timp la care este măsurat semnalul analogic, precum și adâncimea de biți a acestuia. Lățimea ADC este numărul de biți utilizați pentru a reprezenta fiecare eșantion de semnal. De exemplu, dacă este utilizat un ADC de 8 biți, atunci 8 biți sunt utilizați pentru a reprezenta semnalul, ceea ce permite 256 de gradări ale semnalului original să fie distinse. Când se utilizează un ADC de 10 biți, este posibil să se facă distincția între 1024 de gradări diferite ale unui semnal analogic.

După cum se poate vedea din diagrama bloc, blocul de formare a culorii (procesor de semnal analogic) are două canale - RGB și YСrCb, iar pentru modelul YСrCb semnalele de luminozitate și diferența de culoare sunt calculate folosind formulele:

Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 × (B – Y).

Semnalele analogice RGB și YCrCb generate de procesorul de semnal analogic sunt procesate de două ADC-uri de 10 biți, fiecare funcționând la 13,5 MSPS, oferind sincronizare la viteza pixelilor. După digitizare, datele sunt trimise la un convertor digital, care generează date video în format YUV 4:2:2 de 16 biți sau Y 4:0:0 de 8 biți, care sunt trimise la portul de ieșire printr-un format de 16 biți. sau magistrală de 8 biți.

În plus, senzorul CMOS în cauză are o gamă largă de capabilități de corectare a imaginii: sunt furnizate balansul de alb, controlul expunerii, corecția gama, corecția culorilor etc. Funcționarea senzorului poate fi controlată prin interfața SCCB (Serial Camera Control Bus).

Microcircuit OV511+, a cărui diagramă bloc este prezentată în Fig. 13, este un controler USB.

Controlerul vă permite să transferați date video printr-o magistrală USB la viteze de până la 7,5 Mbit/s. Este ușor de calculat că o astfel de lățime de bandă nu va permite transmiterea unui flux video la o viteză acceptabilă fără compresie preliminară. De fapt, compresia este scopul principal al controlerului USB. Oferind compresia necesară în timp real până la un raport de compresie de 8:1, controlerul vă permite să transmiteți un flux video cu o viteză de 10-15 cadre pe secundă la o rezoluție de 640x480 și cu o viteză de 30 de cadre pe secundă la o rezoluție de 320x240 și mai mică.

Blocul OmniCE, care implementează un algoritm de compresie proprietar, este responsabil pentru compresia datelor.

OmniCE oferă nu numai viteza de flux video necesară, ci și decompresie rapidă cu încărcare minimă a CPU (cel puțin conform dezvoltatorilor). Raportul de compresie furnizat de blocul OmniCE variază de la 4 la 8, în funcție de viteza de flux video necesară.