Matrica je hlavným konštrukčným prvkom kamery a jedným z kľúčových parametrov, ktoré používateľ berie do úvahy pri výbere kamery. Matice moderných digitálnych fotoaparátov možno klasifikovať podľa viacerých znakov, ale hlavným a najbežnejším je stále delenie matíc podľa metóda čítania nabitia, na: matriky CCD typu a CMOS matice. V tomto článku sa pozrieme na princípy fungovania, ako aj na výhody a nevýhody týchto dvoch typov matríc, pretože sú to tie, ktoré sú široko používané v moderných fotografických a video zariadeniach.

CCD matrica

Matrix CCD tiež nazývaný CCD matrica(Zariadenia spojené s nabíjaním). CCD matrica je obdĺžniková doska fotosenzitívnych prvkov (fotiód) umiestnená na polovodičovom kremíkovom kryštáli. Princíp jeho fungovania je založený na riadkovom pohybe nábojov, ktoré sa nahromadili v dierach tvorených fotónmi v atómoch kremíka. To znamená, že pri zrážke s fotodiódou sa absorbuje fotón svetla a uvoľní sa elektrón (dochádza k vnútornému fotoelektrickému javu). V dôsledku toho sa vytvorí náboj, ktorý sa musí nejako uložiť na ďalšie spracovanie. Na tento účel je do kremíkového substrátu matrice zabudovaný polovodič, nad ktorým je umiestnená priehľadná elektróda z polykryštalického kremíka. A v dôsledku aplikovania elektrického potenciálu na túto elektródu sa v zóne vyčerpania pod polovodičom vytvorí takzvaná potenciálová jamka, v ktorej je uložený náboj prijatý z fotónov. Pri čítaní elektrického náboja z matrice sa náboje (uložené v potenciálových jamkách) prenášajú pozdĺž prenosových elektród na okraj matrice (sekvenčne posuvný register) a smerom k zosilňovaču, ktorý zosilňuje signál a prenáša ho na analóg digitálny prevodník(ADC), odkiaľ je prevedený signál odoslaný do procesora, ktorý signál spracuje a výsledný obraz uloží na pamäťovú kartu .

Polysilikónové fotodiódy sa používajú na výrobu CCD matríc. Takéto matrice majú malú veľkosť a umožňujú získať dostatočné množstvo fotografie vysokej kvality pri fotografovaní za normálneho osvetlenia.

Výhody CCD:

1. Konštrukcia matrice poskytuje vysokú hustotu umiestnenia fotobuniek (pixelov) na substráte;
2. Vysoká účinnosť (pomer registrovaných fotónov k ich celkovému počtu je asi 95%);
3. Vysoká citlivosť;
4. Dobré podanie farieb (pri dostatočnom osvetlení).

Nevýhody CCD:

1. Vysoká úroveň šumu pri vysokom ISO (pri nízkom ISO je úroveň šumu stredná);
2. Pomalá rychlosť práca v porovnaní s matricami CMOS;
3. Vysoká spotreba energie;
4. Zložitejšia technológia čítania signálu, pretože je potrebných veľa riadiacich čipov;
5. Výroba je drahšia ako matrice CMOS.

CMOS matrica

Matrix CMOS, alebo CMOS matrica(Complementary Metal Oxide Semiconductors) využíva aktívne bodové senzory. Na rozdiel od CCD snímače CMOS obsahujú v každom svetlocitlivom prvku (pixeli) samostatný tranzistor, v dôsledku čoho sa konverzia náboja vykonáva priamo v pixeli. Výsledný náboj je možné čítať z každého pixelu jednotlivo, čím sa eliminuje potreba prenosu náboja (ako sa vyskytuje v CCD). Pixely snímača CMOS sú integrované priamo s analógovo-digitálnym prevodníkom alebo dokonca s procesorom. V dôsledku použitia takejto racionálnej technológie dochádza k úsporám energie v dôsledku zníženia reťazcov akcií v porovnaní s CCD matrice, ako aj zníženie nákladov na zariadenie vďaka jednoduchšej konštrukcii.

Stručný princípČinnosť snímača CMOS: 1) Pred snímaním sa na resetovací tranzistor privedie resetovací signál. 2) Počas expozície svetlo preniká cez šošovku a filter až k fotodióde a následkom fotosyntézy sa v potenciálovej jamke hromadí náboj. 3) Načíta sa hodnota prijatého napätia. 4) Spracovanie údajov a ukladanie obrázkov.

Výhody CMOS snímačov:

1. Nízka spotreba energie (najmä v pohotovostnom režime);
2. Vysoký výkon;
3. Vyžaduje nižšie výrobné náklady v dôsledku podobnosti technológie s výrobou mikroobvodov;
4. Jednota technológie s ostatnými digitálnych prvkov, ktorý umožňuje kombinovať analógové, digitálne a spracovateľské časti na jednom čipe (t. j. okrem zachytenia svetla v pixeli môžete konvertovať, spracovať a vyčistiť signál od šumu).
5. Možnosť náhodného prístupu ku každému pixelu alebo skupine pixelov, čo umožňuje zmenšiť veľkosť snímaného obrazu a zvýšiť rýchlosť čítania.

Nevýhody matíc CMOS:

1. Fotodióda zaberá malú plochu pixelu, čo vedie k nízkej citlivosti matrice na svetlo, ale v moderných matriciach CMOS je táto nevýhoda prakticky eliminovaná;
2. Prítomnosť tepelného šumu z vykurovacích tranzistorov vo vnútri pixelu počas procesu čítania.
3. Pomerne veľké veľkosti, fotozariadenie s týmto typom matrice sa vyznačuje veľkou hmotnosťou a rozmermi.

Okrem vyššie uvedených typov existujú aj trojvrstvové matrice, z ktorých každá vrstva je CCD. Rozdiel je v tom, že bunky dokážu súčasne vnímať tri farby, ktoré sú tvorené dichroickými hranolmi, keď na ne dopadá lúč svetla. Každý lúč je potom nasmerovaný do samostatnej matrice. V dôsledku toho sa na fotobunke okamžite určí jas modrej, červenej a zelenej farby. Vo videokamerách sa používajú trojvrstvové matrice vysoký stupeň, ktoré majú špeciálne označenie - 3CCD.

Aby som to zhrnul, rád by som poznamenal, že s vývojom technológií na výrobu matíc CCD a CMOS sa menia aj ich charakteristiky, takže je čoraz ťažšie povedať, ktorá z matíc je určite lepšia, no zároveň V poslednej dobe CMOS matrice sa stávajú čoraz obľúbenejšími pri výrobe zrkadloviek. Na základe charakteristických vlastností rôznych typov matríc možno získať jasnú predstavu, prečo profesionálne fotografické vybavenie poskytuje vysoká kvalita filmovanie, dosť objemné a ťažké. Na tento údaj treba určite pamätať pri výbere fotoaparátu – teda zohľadniť fyzické rozmery matice, nie počet pixelov.

Čo je CCD?

Trochu histórie

Predtým sa ako prijímače svetla používali fotografické materiály: fotografické dosky, fotografický film, fotografický papier. Neskôr sa objavili televízne kamery a fotonásobiče (PMT).
Koncom 60. a začiatkom 70. rokov sa začali vyvíjať takzvané „Charge Coupled Devices“, skrátene CCD. V angličtine to vyzerá ako „charge-coupled devices“ alebo skrátene ako CCD. Princípom CCD matríc bola skutočnosť, že kremík je schopný reagovať na viditeľné svetlo. A táto skutočnosť viedla k myšlienke, že tento princíp možno použiť na získanie obrazov svietiacich predmetov.

Astronómovia boli medzi prvými, ktorí rozpoznali mimoriadne schopnosti CCD pre záznam obrazu. V roku 1972 skupina výskumníkov z JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) založila program na vývoj CCD pre astronómiu a výskum vesmíru. Tri rokov neskôr, spolu s vedcami z University of Arizona tím získal prvý astronomický CCD obrázok. Blízka infračervená snímka Uránu pomocou jeden a pol metrového ďalekohľadu odhalila tmavé škvrny v blízkosti južného pólu planéty, čo naznačuje prítomnosť metánu...

Použitie matíc CCD dnes našlo široké uplatnenie: digitálne fotoaparáty, videokamery; Je možné integrovať maticu CCD ako fotoaparát aj do mobilných telefónov.

CCD zariadenie

Typické CCD zariadenie(obr. 1): na povrchu polovodiča je tenká (0,1-0,15 μm) vrstva dielektrika (zvyčajne oxidu), na ktorej sú umiestnené pásiky vodivých elektród (z kovu alebo polykryštalického kremíka). Tieto elektródy tvoria lineárny alebo maticový pravidelný systém a vzdialenosti medzi elektródami sú také malé, že účinky vzájomného ovplyvňovania susedných elektród sú značné. Princíp činnosti CCD je založený na vzniku, ukladaní a smerovom prenose nábojových paketov v potenciálových jamkách vytvorených v povrchovej vrstve polovodiča, keď sú na elektródy privedené vonkajšie elektrické napätia.

Ryža. 1. Základné zariadenie CCD matrice.

Na obr. 1, symboly C1, C2 a C3 označujú MOS kondenzátory (kov-oxid-polovodič).

Ak sa na ktorúkoľvek elektródu privedie kladné napätie U, tak v štruktúre MIS vzniká elektrické pole, pod vplyvom ktorého sa väčšinové nosiče (diery) veľmi rýchlo (v priebehu niekoľkých pikosekúnd) vzdiali od povrchu polovodiča. V dôsledku toho sa na povrchu vytvorí ochudobnená vrstva, ktorej hrúbka je zlomky alebo jednotky mikrometra.
V priebehu daného časového intervalu sa každý pixel postupne naplní elektrónmi v pomere k množstvu svetla, ktoré doň vstúpi. Na konci tohto času sa elektrické náboje nahromadené každým pixelom prenesú na „výstup“ zariadenia a zmerajú sa.

Veľkosť fotosenzitívneho pixelu matríc sa pohybuje od jedného alebo dvoch do niekoľkých desiatok mikrónov. Veľkosť kryštálov halogenidu striebra vo fotocitlivej vrstve fotografického filmu sa pohybuje od 0,1 (pozitívne emulzie) do 1 mikrónu (vysoko citlivý negatív).

Jedným z hlavných parametrov matice je takzvaná kvantová účinnosť. Tento názov odráža účinnosť premeny absorbovaných fotónov (kvantát) na fotoelektróny a je podobný fotografickému konceptu fotosenzitivity. Keďže energia svetelných kvánt závisí od ich farby (vlnovej dĺžky), nie je možné jednoznačne určiť, koľko elektrónov sa zrodí v pixeli matrice, keď absorbuje napríklad tok sto heterogénnych fotónov. Preto sa kvantová účinnosť zvyčajne uvádza v maticovom údajovom liste ako funkcia vlnovej dĺžky a oddelené oblasti spektrum môže dosiahnuť 80%. To je oveľa viac ako pri fotografickej emulzii alebo oku (asi 1 %).

Aké typy CCD existujú?

Ak sú pixely zoradené v jednom rade, potom sa prijímač nazýva pole CCD, ale ak je povrch vyplnený párnymi riadkami, potom sa prijímač nazýva matica CCD.

Pole CCD malo v 80. a 90. rokoch široké uplatnenie pri astronomických pozorovaniach. Stačilo posunúť obraz po čiare CCD a objavil sa na monitore počítača. Tento proces bol však sprevádzaný mnohými ťažkosťami, a preto sa v súčasnosti CCD polia čoraz viac nahrádzajú CCD matricami.

Nežiaduce účinky

Jedným nežiadúcim vedľajším účinkom prenosu náboja na CCD, ktorý môže interferovať s pozorovaniami, sú svetlé vertikálne pruhy (stĺpiky) namiesto jasných oblastí na maloplošnom obrázku. Možné nežiaduce účinky matíc CCD tiež zahŕňajú: vysoký tmavý šum, prítomnosť „slepých“ alebo „horúcich“ pixelov, nerovnomernú citlivosť v poli matrice. Pre redukciu tmavého šumu sa používa autonómne chladenie CCD matríc na teploty -20°C a nižšie. Alebo sa nasníma tmavá snímka (napríklad so zatvoreným objektívom) s rovnakou dobou trvania (expozícia) a teplotou, ako bola nasnímaná predchádzajúca snímka. Následne špeciálny program v počítači odpočíta tmavý rám od obrazu.

Dobrá vec na televíznych kamerách založených na CCD je, že dokážu zachytiť obraz rýchlosťou až 25 snímok za sekundu s rozlíšením 752 x 582 pixelov. Ale nevhodnosť niektorých kamier tohto typu na astronomické pozorovania spočíva v tom, že v nich výrobca implementuje interné predspracovanie obrazu (čítaj: skreslenie) pre lepšie vnímanie výsledných snímok videním. Patrí sem AGC (automatizované nastavenie riadenia) a tzv. efekt „ostrých hraníc“ a iné.

Pokrok…

Vo všeobecnosti je použitie CCD prijímačov oveľa pohodlnejšie ako použitie nedigitálnych svetelných prijímačov, keďže prijaté dáta sú okamžite vo forme vhodnej na spracovanie v počítači a navyše rýchlosť získavania jednotlivých snímok je veľmi vysoká. vysoká (od niekoľkých snímok za sekundu až po minúty).

IN v súčasnosti Výroba CCD matríc sa rýchlo rozvíja a zlepšuje. Zvyšuje sa počet „megapixelov“ matíc - počet jednotlivých pixelov na jednotku plochy matice. Zlepšuje sa kvalita obrázkov získaných pomocou matíc CCD atď.

Použité zdroje:
1. 1. Viktor Belov. Presnosť na desatiny mikrónu.
2. 2. S.E. Guryanov. Zoznámte sa s CCD.

Prvýkrát bol princíp CCD s myšlienkou ukladania a následného čítania elektronických nábojov vyvinutý dvoma inžiniermi spoločnosti BELL Corporation koncom 60. rokov počas hľadania nových typov počítačovej pamäte, ktorá by mohla nahradiť pamäť na feritových krúžkoch ( áno, áno, bola taká spomienka). Táto myšlienka sa ukázala ako neperspektívna, ale bola zaznamenaná schopnosť kremíka reagovať na viditeľné spektrum žiarenia a bola vyvinutá myšlienka využitia tohto princípu na spracovanie obrazu.

Začnime dešifrovaním pojmu.

Skratka CCD znamená „Charge-Coupled Devices“ – tento výraz je odvodený z anglického „Charge-Coupled Devices“ (CCD).

Tento typ zariadenia má v súčasnosti veľmi široké uplatnenie v širokej škále optoelektronických zariadení na záznam obrazu. V každodennom živote sú to digitálne fotoaparáty, videokamery a rôzne skenery.

Čo odlišuje CCD prijímač od bežnej polovodičovej fotodiódy, ktorá má fotocitlivú podložku a dva elektrické kontakty na snímanie elektrického signálu?

Po prvé, takýchto svetlocitlivých oblastí (často nazývaných pixely - prvky, ktoré prijímajú svetlo a premieňajú ho na elektrické náboje) je v CCD prijímači veľa, od niekoľkých tisíc až po niekoľko stotisíc a dokonca niekoľko miliónov. Veľkosti jednotlivých pixelov sú rovnaké a môžu sa pohybovať od jednotiek až po desiatky mikrónov. Pixely môžu byť zoradené do jedného radu - potom sa prijímač nazýva CCD pole, alebo môžu vyplniť oblasť povrchu v párnych radoch - potom sa prijímač nazýva CCD matica.

Umiestnenie prvkov prijímajúcich svetlo (modré obdĺžniky) v poli CCD a matrici CCD.

Po druhé V prijímači CCD, ktorý vyzerá ako bežný mikroobvod, nie je veľké množstvo elektrických kontaktov na výstup elektrických signálov, ktoré by, ako sa zdá, mali pochádzať z každého prvku prijímajúceho svetlo. K CCD prijímaču je však pripojený elektronický obvod, ktorý umožňuje extrahovať z každého fotocitlivého prvku elektrický signál úmerný jeho osvetleniu.

Činnosť CCD možno opísať nasledovne: každý svetlocitlivý prvok – pixel – funguje ako prasiatko pre elektróny. Elektróny sa vytvárajú v pixeloch pod vplyvom svetla prichádzajúceho zo zdroja. Počas daného časového obdobia sa každý pixel postupne naplní elektrónmi v pomere k množstvu svetla, ktoré doň vstúpi, ako vedro umiestnené vonku počas dažďa. Na konci tohto času sa elektrické náboje nahromadené každým pixelom prenesú na „výstup“ zariadenia a zmerajú sa. To všetko je možné vďaka špecifickej kryštálovej štruktúre, kde sa nachádzajú prvky citlivé na svetlo, a elektrická schéma zvládanie.

CCD matica funguje takmer presne rovnakým spôsobom. Po expozícii (osvetlení premietaného obrazu) ho elektronický riadiaci obvod prístroja zásobí zložitou sadou impulzných napätí, ktoré začnú posúvať stĺpce s elektrónmi nahromadenými v pixeloch na okraj matice, kde prebieha podobné meranie. Nachádza sa CCD register, v ktorom sú náboje posunuté v kolmom smere a dopadajú na merací prvok a vytvárajú v ňom signály úmerné jednotlivým nábojom. Pre každý nasledujúci časový okamih teda môžeme získať hodnotu akumulovaného náboja a zistiť, ktorému pixelu na matici (číslo riadku a číslo stĺpca) zodpovedá.

Stručne o fyzike procesu.

Na úvod poznamenávame, že CCD patria medzi produkty takzvanej funkčnej elektroniky, nemožno si ich predstaviť ako súbor jednotlivých rádiových prvkov – tranzistorov, rezistorov a kondenzátorov. Prevádzka je založená na princípe nábojovej väzby. Princíp nábojovej väzby využíva dve ustanovenia známe z elektrostatiky:

1. ako sa náboje navzájom odpudzujú
2. náboje majú tendenciu sa usadzovať tam, kde je ich potenciálna energia minimálna.

Tie. zhruba - "ryba sa pozerá tam, kde je hlbšie."

Najprv si predstavme MOS kondenzátor (MOS je skratka pre metal-oxide-semiconductor). To je to, čo zostane z MOS tranzistora, ak z neho odstránite kolektor a zdroj, teda len elektródu oddelenú od kremíka dielektrickou vrstvou. Pre istotu budeme predpokladať, že polovodič je typu p, t.j. koncentrácia dier za rovnovážnych podmienok je oveľa (niekoľko rádov) väčšia ako koncentrácia elektrónov. V elektrofyzike je „diera“ náboj, ktorý je opačný ako náboj elektrónu, t.j. kladný náboj.

Čo sa stane, ak sa na takúto elektródu (nazýva sa brána) privedie kladný potenciál? Elektrické pole vytvorené bránou, prenikajúce do kremíka cez dielektrikum, odpudzuje pohyblivé otvory; objaví sa oblasť vyčerpania - určité množstvo kremíka bez majoritných nosičov. Pri parametroch polovodičových substrátov typických pre CCD je hĺbka tejto oblasti asi 5 μm. Naopak, elektróny tu vznikajúce vplyvom svetla budú priťahované k hradlu a budú sa hromadiť na rozhraní oxid-kremík priamo pod hradlom, teda padať do potenciálovej jamy (obr. 1).
Ryža. 1

V tomto prípade elektróny, keď sa hromadia v studni, čiastočne neutralizujú elektrické pole vytvorené v polovodiči bránou a nakoniec ho môžu úplne kompenzovať, takže celé elektrické pole dopadne iba na dielektrikum a všetko sa vráti do pôvodného stavu - s výnimkou, že na rozhraní sa vytvorí tenká vrstva elektrónov.

Teraz nech je pri bráne umiestnená ďalšia brána a na ňu je tiež aplikovaný pozitívny potenciál, navyše väčší ako na prvú (obr. 2). Ak sú brány dostatočne blízko, ich potenciálne jamky sa spoja a elektróny v jednej potenciálovej jamke sa presunú do ďalšej, ak je „hlbšia“.
Ryža. 2
Prekrývajúce sa potenciálne studne dvoch tesne umiestnených brán.

Náboj prúdi do miesta, kde je potenciálny vrt hlbšie.

Teraz by malo byť jasné, že ak máme reťaz brán, potom je možné, ak na ne aplikujeme vhodné riadiace napätie, prenášať lokalizovaný nábojový paket pozdĺž takejto štruktúry. Pozoruhodnou vlastnosťou CCD - vlastnosťou samosnímania - je to, že na ovládanie reťaze brán akejkoľvek dĺžky stačia iba tri hodinové riadky. (Pojem zbernica v elektronike je vodič elektrického prúdu spájajúci prvky rovnakého typu; hodinová zbernica sú vodiče, cez ktoré sa prenáša fázovo posunuté napätie.) Na prenos nábojových paketov sú potrebné a postačujúce tri elektródy: jedna vysielacia, jedna prijímacia a jedna izolačná, oddeľujúce od seba dvojice prijímajúce a vysielajúce a elektródy rovnakého mena v takýchto trojiciach môžu byť navzájom spojené do jedinej hodinovej zbernice, vyžadujúcej len jeden externý výstup (obr. 3 ).
Ryža. 3
Najjednoduchší trojfázový CCD register.

Náboj v každej potenciálnej studni je iný.

Toto je najjednoduchší trojfázový posuvný register na CCD. Hodinové diagramy činnosti takéhoto registra sú znázornené na obr. 4.
Ryža. 4
Hodinové diagramy pre ovládanie trojfázového registra sú tri meandre posunuté o 120 stupňov.

Keď sa potenciály menia, náboje sa pohybujú. Je jasné, že pre neho normálna operácia V každom danom čase musí mať aspoň jedna hodinová zbernica vysoký potenciál a aspoň jedna musí mať nízky potenciál (bariérový potenciál). Keď sa potenciál na jednej zbernici zvýši a na druhej (predchádzajúcej) zníži, dôjde k súčasnému prenosu všetkých nábojových paketov do susedných brán a ďalej.(jeden hodinový cyklus na každej fázovej zbernici) dochádza k prenosu (posunu) nábojových paketov jedným registrovým prvkom.

Na lokalizáciu nábojových paketov v priečnom smere sa vytvárajú tzv. stop kanály - úzke pásiky so zvýšenou koncentráciou hlavnej dopantu, prebiehajúce pozdĺž prenosového kanála (obr. 5).

Ryža. 5.
Pohľad zhora na register.
Prenosový kanál v laterálnom smere je ohraničený dorazovými kanálmi.

Faktom je, že koncentrácia dopingovej nečistoty určuje, pri akom špecifickom napätí brány sa pod ňou vytvorí oblasť vyčerpania (tento parameter nie je nič iné ako prahové napätie štruktúry MOS). Z intuitívnych úvah je zrejmé, že čím vyššia je koncentrácia nečistôt, t. j. čím viac dier v polovodiči, tým ťažšie je zahnať ich hlbšie, t. j. čím vyššie je prahové napätie alebo pri jednom napätí tým nižší je potenciál. v potenciálnej studni.

Problémy

Ak pri výrobe digitálnych zariadení môže rozptyl parametrov na doštičke dosiahnuť niekoľkonásobok bez citeľného vplyvu na parametre výsledných zariadení (keďže sa pracuje s diskrétnymi napäťovými úrovňami), tak v CCD je zmena napr. , na obrázku je už viditeľná koncentrácia dopantu o 10 %. Veľkosť kryštálu a nemožnosť redundancie, ako pri LSI pamäti, pridáva svoje problémy, takže chybné oblasti vedú k nepoužiteľnosti celého kryštálu.

Spodná čiara

Rôzne pixely matice CCD majú technologicky rôznu citlivosť na svetlo a tento rozdiel je potrebné korigovať.

V digitálnom KMA sa táto korekcia nazýva systém Auto Gain Control (AGC).

Ako funguje systém AGC

Pre jednoduchosť úvahy nebudeme brať nič konkrétne. Predpokladajme, že na výstupe ADC uzla CCD sú určité potenciálne úrovne. Predpokladajme, že 60 je priemerná úroveň bielej.

1. Pre každý pixel riadku CCD sa načíta hodnota, keď je osvetlený referenčným bielym svetlom (a vo vážnejších zariadeniach sa načíta aj „úroveň čiernej“).
2. Hodnota sa porovnáva s referenčnou úrovňou (napríklad s priemerom).
3. Rozdiel medzi výstupnou hodnotou a referenčnou úrovňou je uložený pre každý pixel.
4. Neskôr, počas skenovania, je tento rozdiel kompenzovaný pre každý pixel.

Systém AGC sa inicializuje pri každej inicializácii systému skenera. Pravdepodobne ste si všimli, že keď zapnete zariadenie, po určitom čase sa vozík skenera začne pohybovať dopredu a dozadu (plazí sa po čiernobielych pruhoch). Toto je proces inicializácie systému AGC. Systém zohľadňuje aj stav lampy (starnutie).

Pravdepodobne ste si všimli, že malé multifunkčné zariadenia vybavené farebným skenerom „rozsvietia lampu“ postupne tromi farbami: červenou, modrou a zelenou.

Potom sa len pôvodné podsvietenie zmení na biele. Toto sa robí pre lepšiu korekciu citlivosti matice oddelene pre RGB kanály. Poltónový test(TESTOVANIE TIENENIA)

umožňuje spustiť tento postup na žiadosť inžiniera a uviesť hodnoty nastavenia do reálnych podmienok. Skúsme to všetko zvážiť na skutočnom, „bojovom“ stroji. Ako základ si vezmime známe a obľúbené zariadenie.

SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Treba poznamenať, že v našom prípade sa CCD stáva CIS (Contact Image Sensor), ale podstata toho, čo sa deje, sa zásadne nemení. Jednoducho, ako zdroj svetla sa používajú rady LED.

Takže:

Obrazový signál z CIS má úroveň asi 1,2 V a je privádzaný do sekcie ADC (SADC) ovládača zariadenia (SADC). Po SADC sa analógový signál CIS skonvertuje na 8-bitový digitálny signál. Obrazový procesor v SADC najskôr používa funkciu korekcie tónu a potom funkciu korekcie gama. Potom sú údaje dodávané do rôznych modulov podľa prevádzkového režimu. V textovom režime idú obrazové dáta do modulu LAT, v režime Foto idú obrazové dáta do modulu "Error Diffusion", v režime PC-Scan idú obrazové dáta priamo do Osobný počítač

cez DMA prístup. Pred testovaním umiestnite niekoľkočisté listy

1. biely papier. Je samozrejmé, že najprv treba „olízať“ optiku, čiernobiely pásik a vo všeobecnosti zostavu skenera zvnútra.
2. Vyberte v TECH MODE
3. Stlačením tlačidla ENTER naskenujte obrázok.
4. Ak sa vytlačený obrázok veľmi líši od obrázku na obrázku, CIS je chybný. Všimnite si prosím, že v spodnej časti hárku správy je uvedené „Výsledky: OK“. To znamená, že systém nemá žiadne vážne sťažnosti na modul CIS. V opačnom prípade sa zobrazia chybové výsledky.

Príklad výtlačku profilu:

Veľa šťastia!!

Na základe materiálov z článkov a prednášok učiteľov Petrohradskej štátnej univerzity (LSU), Petrohradskej elektrotechnickej univerzity (LETI) a Axl.

Vďaka nim.

Materiál pripravil V. Schelenberg Senzor - hlavným prvkom

digitálny fotoaparát Srdcom každého digitálneho fotoaparátu alebo fotoaparátu (hranice medzi týmito typmi zariadení sa teraz postupne stiera) je snímač citlivý na svetlo. Premieňa viditeľné svetlo na elektrické signály, ktoré sa používajú na ďalšie spracovanie elektronickými obvodmi. Zo školského kurzu fyziky vieme, že svetlo môžeme považovať za prúd elementárnych častíc – fotónov. Fotóny dopadajúce na povrch niektorých polovodičových materiálov môžu viesť k tvorbe elektrónov a dier (pripomeňme, že diera v polovodičoch sa zvyčajne nazýva prázdne miesto pre elektrón, ktoré vzniká v dôsledku prasknutia kovalentných väzieb medzi atómami polovodiča látka). Proces generovania párov elektrón-diera pod vplyvom svetla je možný iba v prípade, keď je energia fotónu dostatočná na to, aby „odtrhla“ elektrón z „natívneho“ jadra a preniesla ho do vodivého pásma. Energia fotónu priamo súvisí s vlnovou dĺžkou dopadajúceho svetla, to znamená, že závisí od takzvanej farby žiarenia. V oblasti viditeľného (tj vnímaného ľudským okom) žiarenia je fotónová energia dostatočná na generovanie párov elektrón-diera v takom

polovodičových materiálov , ako je kremík. Pretože počet vyprodukovaných fotoelektrónov je priamo úmerný intenzite svetelného toku, je možné matematicky priradiť množstvo dopadajúceho svetla k množstvu náboja, ktorý generuje. Práve na tomto jednoduchom fyzikálnom jave je založený princíp fungovania fotosenzitívnych senzorov. Senzor vykonáva päť základných operácií: absorbuje fotóny, premieňa ich na náboj, ukladá ho, prenáša a premieňa na napätie. V závislosti od výrobnej technológie rôzne senzory vykonávajú úlohy ukladania a akumulácie fotoelektrónov rôznymi spôsobmi. Okrem toho sa dajú použiť(analógový signál), ktorý sa následne prevedie na digitálny signál.

CCD snímače

Historicky boli ako fotosenzitívne prvky pre videokamery prvé použité takzvané CCD matrice, ktorých masová výroba začala v roku 1973. Skratka CCD znamená nábojovo viazané zariadenie; v anglickej literatúre sa používa pojem CCD (Charge-Coupled Device). Najjednoduchším CCD snímačom je kondenzátor, ktorý môže pri vystavení svetlu akumulovať elektrický náboj. Bežný kondenzátor pozostávajúci z dvoch kovových dosiek oddelených dielektrickou vrstvou tu nebude fungovať, preto sa používajú takzvané MOS kondenzátory. Svojím spôsobom vnútorná štruktúra Takéto kondenzátory sú sendvičom kovu, oxidu a polovodiča (svoj názov dostali podľa prvých písmen použitých komponentov). Ako polovodič sa používa dopovaný kremík typu p, to znamená polovodič, v ktorom sa vytvárajú prebytočné otvory v dôsledku pridávania atómov nečistôt (doping). Nad polovodičom je tenká vrstva dielektrika (oxid kremíka) a na vrchu je vrstva kovu, ktorá funguje ako brána, ak budete postupovať podľa terminológie tranzistory s efektom poľa

Ako už bolo uvedené, pod vplyvom svetla sa v polovodiči vytvárajú páry elektrón-diera. Spolu s procesom generovania však nastáva aj opačný proces – rekombinácia dier a elektrónov. Preto treba podniknúť kroky na oddelenie vzniknutých elektrónov a dier a ich uloženie na potrebný čas. Koniec koncov, je to počet vytvorených fotoelektrónov, ktorý nesie informáciu o intenzite absorbovaného svetla. Na to je určená brána a izolačná dielektrická vrstva. Predpokladajme, že na bránu je aplikovaný pozitívny potenciál. V tomto prípade sa vplyvom vytvoreného elektrického poľa prenikajúceho cez dielektrikum do polovodiča začnú otvory, ktoré sú hlavnými nosičmi náboja, posúvať smerom od dielektrika, teda do hĺbky polovodiča. Na rozhraní polovodiča s dielektrikom vzniká oblasť ochudobnená o väčšinové nosiče, teda diery, pričom veľkosť tejto oblasti závisí od veľkosti aplikovaného potenciálu. Práve táto vyčerpaná oblasť je „zásobníkom“ pre fotoelektróny. Ak je polovodič vystavený svetlu, potom sa výsledné elektróny a diery budú pohybovať opačnými smermi - diery do hĺbky polovodiča a elektróny smerom k vyčerpanej vrstve. Keďže v tejto vrstve nie sú žiadne diery, elektróny tam zostanú bez procesu rekombinácie počas požadovaného času.

Prirodzene, proces akumulácie elektrónov nemôže pokračovať donekonečna.

Predstavme si nie jednu, ale niekoľko tesne umiestnených brán na povrchu toho istého dielektrika (obr. 2). Nechajte elektróny nahromadiť pod jednou z brán v dôsledku fotogenerácie. Ak sa na susednú bránu aplikuje vyšší kladný potenciál, elektróny začnú prúdiť do oblasti silnejšieho poľa, to znamená, že sa budú pohybovať od jednej brány k druhej. Teraz by malo byť jasné, že ak máme reťaz brán, potom použitím vhodných riadiacich napätí na ne môžeme presunúť lokalizovaný nábojový paket pozdĺž takejto štruktúry. Je to na tomto jednoduchý princíp

a nabíjacie zariadenia sú založené.

Pozoruhodnou vlastnosťou CCD je, že na pohyb nahromadeného náboja stačia len tri typy brán – jedna vysielacia, jedna prijímacia a jedna izolačná, oddeľujúce od seba dvojice prijímania a vysielania, a brány s rovnakým názvom takýchto trojíc. môžu byť navzájom prepojené do jednej hodinovej zbernice vyžadujúcej len jeden externý pin (obr. 3). Toto je najjednoduchší trojfázový posuvný register na CCD. Doteraz sme CCD snímač uvažovali len v jednej rovine – pozdĺž bočnej časti. Čo zostáva mimo nášho zorného poľa, je mechanizmus na zadržiavanie elektrónov v priečnom smere, v ktorom je brána ako dlhý pás. Vzhľadom na to, že osvetlenie polovodiča je v rámci takéhoto pásu nerovnomerné, rýchlosť produkcie elektrónov pod vplyvom svetla sa bude meniť pozdĺž dĺžky brány. Ak sa neprijmú opatrenia na lokalizáciu elektrónov v blízkosti oblasti ich vzniku, potom sa v dôsledku difúzie koncentrácia elektrónov vyrovná a informácie o zmenách intenzity svetla v pozdĺžnom smere sa stratia. Prirodzene, bolo by možné urobiť veľkosť uzáveru rovnakú v pozdĺžnom aj priečnom smere, ale to by vyžadovalo príliš veľa výroby veľké číslo brány na CCD matrici. Preto sa na lokalizáciu výsledných elektrónov v pozdĺžnom smere používajú tzv. stop kanály (obr. 4), ktoré sú

Štruktúra CCD matice, ktorú sme uvažovali, sa nazýva CCD s povrchovým prenosovým kanálom, pretože kanál, cez ktorý sa prenáša nahromadený náboj, je umiestnený na povrchu polovodiča. Spôsob povrchového prenosu má množstvo významných nevýhod spojených s vlastnosťami polovodičovej hranice. Faktom je, že obmedzenie polovodiča v priestore porušuje ideálnu symetriu jeho kryštálovej mriežky so všetkými z toho vyplývajúcimi dôsledkami. Bez toho, aby sme sa ponorili do zložitosti fyziky pevných látok, poznamenávame, že takéto obmedzenie vedie k vytvoreniu energetických pascí pre elektróny. Výsledkom je, že elektróny nahromadené pod vplyvom svetla môžu byť zachytené týmito pascami namiesto toho, aby boli prenášané z jednej brány do druhej. Okrem iného môžu takéto pasce nepredvídateľne uvoľňovať elektróny a nie vždy, keď sú skutočne potrebné. Ukazuje sa, že polovodič začína „vydávať hluk“ - inými slovami, počet elektrónov nahromadených pod bránou nebude presne zodpovedať intenzite absorbovaného žiarenia.

Takýmto javom je možné predísť, ale aby to bolo možné, samotný prenosový kanál musí byť posunutý hlbšie do vodiča. Toto riešenie implementovali špecialisti Philips v roku 1972. Myšlienka bola taká, že v povrchovej oblasti polovodiča typu p sa vytvorí tenká vrstva polovodiča typu n, teda polovodiča, v ktorom sú hlavnými nosičmi náboja elektróny (obr. 5). Je dobre známe, že kontakt dvoch polovodičov s rôzne druhy

vodivosť vedie k vytvoreniu ochudobnenej vrstvy na hranici prechodu. Deje sa tak v dôsledku difúzie dier a elektrónov vo vzájomne opačných smeroch a ich rekombinácie. Aplikácia pozitívneho potenciálu na bránu zväčšuje veľkosť oblasti vyčerpania. Je charakteristické, že teraz samotná oblasť vyčerpania alebo kapacita pre fotoelektróny nie je na povrchu, a preto neexistujú žiadne povrchové pasce pre elektróny. Takýto prenosový kanál sa nazýva skrytý a všetky moderné CCD sa vyrábajú so skrytým prenosovým kanálom.

V matici s prenosom po jednotlivých snímkach existujú dve ekvivalentné sekcie s rovnakým počtom riadkov: akumulácia a ukladanie. Každý rad v týchto sekciách tvoria tri brány (vysielacia, prijímacia a izolačná). Okrem toho, ako je uvedené vyššie, všetky línie sú oddelené mnohými zastavovacími kanálmi, ktoré tvoria akumulačné bunky v horizontálnom smere. Najmenší štruktúrny prvok CCD matice (pixel) je teda vytvorený z troch horizontálnych brán a dvoch vertikálnych dorazových kanálov (obr. 6).

Počas expozície sa v akumulačnej časti tvoria fotoelektróny. Potom hodinové impulzy aplikované na brány prenesú nahromadené náboje z akumulačnej sekcie do tieňovanej úložnej sekcie, to znamená, že sa skutočne prenesie celý rámec. Preto sa táto architektúra nazýva frame-transfer CCD. Po prenose sa pamäťová časť vyčistí a môže znovu akumulovať náboje, pričom z pamäťovej časti prúdia náboje do horizontálneho čítacieho registra. Štruktúra horizontálneho registra je podobná štruktúre snímača CCD - rovnaké tri brány na prenos náboja. Každý prvok horizontálneho registra má nábojové spojenie s príslušným stĺpcom pamäťovej sekcie a pre každý hodinový impulz z akumulačnej sekcie vstupuje celý riadok do čítacieho registra, ktorý sa následne prenáša do výstupného zosilňovača na ďalšie spracovanie.

Uvažovaný maticový obvod CCD má jednu nepochybnú výhodu - vysoký faktor plnenia. Tento termín sa zvyčajne používa na označenie pomeru fotosenzitívnej plochy matrice k jej celkovej ploche. Pre matice s prenosom snímok po snímke dosahuje faktor plnenia takmer 100 %. Táto funkcia umožňuje na ich základe vytvárať veľmi citlivé zariadenia.

Okrem uvažovaných výhod majú matice s prenosom snímok po snímke aj množstvo nevýhod. V prvom rade si všimneme, že samotný proces prevodu nemožno vykonať okamžite. Práve táto okolnosť vedie k množstvu negatívnych javov. Počas procesu prenosu náboja z akumulačnej sekcie do akumulačnej sekcie zostáva prvá osvetlená a pokračuje v nej proces akumulácie fotoelektrónov. To vedie k tomu, že svetlé oblasti obrazu dokážu prispieť k balíku nábojov niekoho iného aj potom krátky čas, počas ktorého nimi prechádza. V dôsledku toho sa v rámčeku vo formulári objavia charakteristické skreslenia zvislé pruhy, ktorá sa rozprestiera cez celý rám od svetlých oblastí obrazu. Samozrejme, na boj s takýmito javmi sa dajú použiť rôzne triky, ale najradikálnejšou metódou je oddelenie akumulačnej časti a prenosovej časti tak, aby k prenosu došlo v zatienenej oblasti. Matice tejto architektúry sa nazývajú CCD s medziriadkovým prenosom (obr. 7).

Na rozdiel od matice prenosu po snímke opísanej vyššie, fotodiódy tu fungujú ako prvky na ukladanie náboja (fotiódy budú podrobnejšie diskutované neskôr). Náboje nahromadené fotodiódami sa prenesú na zatienené prvky CCD, ktoré uskutočnia ďalší prenos náboja. Upozorňujeme, že prenos celého rámca z fotodiód do vertikálnych prenosových registrov CCD prebieha v jednom hodinovom cykle. Vynára sa prirodzená otázka: prečo dostala táto architektúra názov medziriadkový spojovník (používa sa aj výraz „prekladaný spojovník“)? Aby sme pochopili pôvod názvu interline, ako aj prenos po snímke, pripomeňme si základný princíp zobrazovania obrazu na obrazovke generovania video signálu. Rámcový signál pozostáva z riadkových signálov oddelených riadkovou medzerou, čo je čas potrebný na to, aby sa elektrónový lúč skenoval cez obrazovku, aby sa presunul z konca jedného riadku na začiatok ďalšieho. Existujú aj medzirámcové medzery - čas potrebný na pohyb lúča od konca

posledný riadok

Okrem diskutovaných dvoch typov matíc CCD existujú aj iné schémy. Napríklad schéma, ktorá kombinuje medzirámcové a medziriadkové mechanizmy (linkový-rámcový prenos), sa získa pridaním úložného úseku do CCD matice medziriadkového prenosu.

V tomto prípade sa prenos snímok z fotosenzitívnych prvkov uskutoční v jednom hodinovom cykle počas medziriadkového intervalu a počas medzisnímkového intervalu sa snímka prenesie do pamäťovej sekcie (medzisnímkový prenos); Z úložnej časti sa pri riadkovaní (medzirámcový prenos) prenesie rámec do horizontálneho posuvného registra.

V poslednej dobe sa rozšírili takzvané super-CCD (Super CCD), ktoré využívajú originálnu bunkovú architektúru tvorenú osemuholníkovými pixelmi. Vďaka tomu sa zväčšuje pracovná plocha kremíka a zvyšuje sa hustota pixelov (počet pixelov CCD). Okrem toho, osemuholníkový tvar pixelov zväčšuje plochu svetlocitlivého povrchu.

CMOS snímače

Zásadne odlišným typom snímača je takzvaný CMOS snímač (CMOS - komplementárny metal-oxide-semiconductor; v anglickej terminológii - CMOS).

Vnútorná architektúra CMOS snímačov môže byť rôzna. Ako fotosenzitívny prvok teda môžu pôsobiť fotodiódy, fototranzistory alebo fotobrány. Bez ohľadu na typ fotosenzitívneho prvku zostáva princíp oddeľovania dier a elektrónov získaných počas procesu fotogenerácie nezmenený. Uvažujme o najjednoduchšom type fotodiódy, z ktorej je ľahké pochopiť princíp fungovania všetkých fotobuniek. plochý kondenzátor, pozostávajúce z dvoch dosiek. Práve toto pole plní funkciu priestorového oddelenia dier a elektrónov vzniknutých pri fotogenerácii. Prítomnosť takéhoto lokálneho poľa (nazývaného aj potenciálna bariéra) je základným bodom každého fotosenzitívneho senzora (nielen fotodiódy).

Predpokladajme, že fotodióda je osvetlená svetlom a svetlo dopadá na n-polovodič a p-n prechod je kolmý na svetelné lúče (obr. 8). Fotoelektróny a fotodiery budú difundovať hlboko do kryštálu a niektoré z nich, ktoré sa nestihnú rekombinovať, sa dostanú na povrch pn prechodu. Pre elektróny je však existujúce elektrické pole neprekonateľnou prekážkou – potenciálnou bariérou, takže elektróny nebudú schopné prekonať p-n prechod. Diery sú naopak urýchľované elektrickým poľom a prenikajú do p-oblasti. V dôsledku priestorového oddelenia dier a elektrónov je n-oblasť nabitá negatívne (nadbytok fotoelektrónov) a p-oblasť je nabitá kladne (nadbytok fotodier).

Hlavný rozdiel medzi CMOS snímačmi a CCD snímačmi nie je v spôsobe akumulácie náboja, ale v spôsobe jeho ďalšieho prenosu. Technológia CMOS na rozdiel od CCD umožňuje veľká kvantita operácie priamo na čipe, na ktorom je umiestnená fotosenzitívna matrica. Okrem uvoľňovania elektrónov a ich prenosu môžu snímače CMOS tiež spracovávať obrázky, zvýrazňovať okraje obrazu, znižovať šum a vykonávať analógovo-digitálne konverzie.

Okrem toho je možné vytvárať programovateľné CMOS snímače, čím je možné získať veľmi flexibilné multifunkčné zariadenie.

Takáto široká škála funkcií vykonávaných jedným čipom je hlavnou výhodou technológie CMOS oproti CCD. Tým sa znižuje počet potrebných externých komponentov. Použitie snímača CMOS v digitálnom fotoaparáte vám umožňuje nainštalovať ďalšie čipy do voľného priestoru - napríklad procesory digitálneho signálu (DSP) a analógovo-digitálne prevodníky. Rýchly rozvoj CMOS technológií sa začal v roku 1993, kedy boli vytvorené aktívne pixelové snímače. Vďaka tejto technológii má každý pixel svoj vlastný čítací tranzistorový zosilňovač, ktorý umožňuje premenu náboja na napätie priamo na pixeli. Okrem toho bol možný náhodný prístup ku každému pixelu snímača (podobne ako to funguje s náhodným prístupom). Náboj sa načítava z aktívnych pixelov snímača CMOS pomocou paralelného obvodu (obr. 9), ktorý umožňuje čítať signál z každého pixelu alebo priamo zo stĺpca pixelov. Náhodný prístup umožňuje snímaču CMOS čítať nielen celú maticu, ale aj vybrané oblasti (metóda čítania v okne).

Napriek zjavným výhodám matíc CMOS oproti CCD (hlavným z nich je viac nízka cena), majú tiež niekoľko nevýhod. Prítomnosť ďalších obvodov na čipe matice CMOS vedie k výskytu množstva šumov, ako je rozptyl tranzistorov a diód, ako aj vplyv zvyškového náboja, to znamená, že dnes sú matrice CMOS hlučnejšie. Profesionálne digitálne fotoaparáty preto budú v blízkej budúcnosti využívať kvalitné CCD matrice a CMOS snímače sa dostávajú na trh lacnejších zariadení, medzi ktoré patria najmä Web kamery.

Ako sa získava farba

Vyššie diskutované fotosenzitívne senzory sú schopné reagovať len na intenzitu absorbovaného svetla – čím vyššia je intenzita, tým väčší náboj sa akumuluje.

Vzniká prirodzená otázka: ako sa získa farebný obraz? Aby kamera mohla rozlišovať farby, priamo na aktívny pixel sa aplikuje pole farebných filtrov (CFA, pole farebných filtrov). Princíp farebného filtra je veľmi jednoduchý: prepúšťa len svetlo určitej farby (inými slovami, iba svetlo s určitou vlnovou dĺžkou). Koľko takýchto filtrov však bude potrebných, ak je počet rôznych farebných odtieňov prakticky neobmedzený? Ukazuje sa, že zmiešaním možno získať akýkoľvek farebný odtieň určité proporcie niekoľko základných (základných) farieb. V najpopulárnejších aditívny model RGB (červená, zelená, modrá) existujú tri takéto farby: červená, zelená a modrá. To znamená, že sú potrebné iba tri farebné filtre. Všimnite si prosím tú farbu RGB model nie jediný, ale drvivá väčšina digitálne webové kamery

Presne toto sa používa.

Tento pomer zelených, červených a modrých filtrov sa vysvetľuje zvláštnosťami ľudského vizuálneho vnímania: naše oči sú citlivejšie na zelenú farbu.

V CCD kamerách kombinácia troch farebné kanály sa vykonáva v zariadení na vytváranie obrazu po konverzii signálu z analógového na digitálny.

V CMOS snímačoch sa táto kombinácia môže vyskytnúť aj priamo na čipe. V oboch prípadoch sú primárne farby každého filtra matematicky interpolované na základe farieb susedných filtrov. Preto na získanie skutočnej farby obrazového pixelu je potrebné poznať nielen intenzitu svetla prechádzajúceho cez svetelný filter tohto pixelu, ale aj hodnoty intenzít svetla prechádzajúceho cez svetelné filtre. okolitých pixelov. Ako už bolo uvedené, farebný model RGB používa tri základné farby, pomocou ktorých môžete získať akýkoľvek odtieň viditeľného spektra. Koľko odtieňov dokážu digitálne fotoaparáty rozlíšiť? Maximálny počet rôznych farebných odtieňov je určený farebnou hĺbkou, ktorá je zase určená počtom bitov použitých na kódovanie farby. IN populárny model

RGB 24 s farebnou hĺbkou 24 bitov má 8 bitov pre každú farbu. S 8 bitmi je možné špecifikovať 256 rôznych farieb pre červenú, zelenú a modrú. Každému odtieňu je priradená hodnota od 0 do 255. Napríklad červená farba môže mať 256 stupňov: od čisto červenej (255) po čiernu (0). Maximálna hodnota kódu zodpovedá čistej farbe a kód pre každú farbu je zvyčajne umiestnený v nasledujúcom poradí: červená, zelená a modrá.

Hlavnou výhodou modelu YUV (YCrCb) je, že táto metóda kódovania, hoci je zložitejšia ako RGB, vyžaduje menšiu šírku pásma. Faktom je, že citlivosť ľudského oka na jasovú zložku Y a zložky farebného rozdielu nie je rovnaká, takže sa zdá byť celkom prijateľné vykonať túto transformáciu so stenčovaním (prekladaním) zložiek farebného rozdielu, keď Y -komponenty sa počítajú pre skupinu štyroch susedných pixelov (2×2) a zložky farebného rozdielu sa používajú spoločne (tzv. schéma 4:1:1). Je ľahké vypočítať, že už schéma 4:1:1 umožňuje znížiť výstupný tok na polovicu (namiesto 12 bajtov pre štyri susediace pixely stačí šesť).

Pri kódovaní YUV 4:2:2 sa jasový signál prenáša pre každý bod, ale signály U a V chroma sa prenášajú iba pre každý druhý bod v riadku.

Ako fungujú digitálne

Webové kamery

Princíp fungovania všetkých typov digitálnych fotoaparátov je približne rovnaký. Zoberme si typický diagram najjednoduchšej webovej kamery, ktorej hlavným rozdielom od iných typov kamier je prítomnosť rozhrania USB na pripojenie k počítaču. Okrem optického systému (šošoviek) a fotosenzitívneho CCD alebo CMOS snímača je potrebné mať analógovo-digitálny prevodník (ADC), ktorý konvertuje analógové signály fotosenzitívneho snímača na digitálny kód. Okrem toho je potrebný aj systém na vytváranie farebného obrazu. Ďalším dôležitým prvkom kamery je obvod zodpovedný za kompresiu dát a prípravu na prenos do v požadovanom formáte. Napríklad v predmetnej webovej kamere sa video dáta prenášajú do počítača cez

USB rozhranie

, takže na jeho výstupe musí byť ovládač rozhrania USB. Bloková schéma digitálneho fotoaparátu je znázornená na obr. jedenásť . Dáta cez USB 1.1 (celkovo 12 Mbit/s, z čoho webová kamera nevyužíva viac ako 8 Mbit/s) musia byť pred prenosom do počítača skomprimované. Napríklad pri rozlíšení snímky 320 x 240 pixelov a farebnej hĺbke 24 bitov bude veľkosť nekomprimovanej snímky 1,76 Mbit. So šírkou pásma kanála USB 8 Mbps maximálna rýchlosť prenos nekomprimovaného signálu bude iba 4,5 snímky za sekundu a na získanie vysokokvalitného videa je potrebná prenosová rýchlosť 24 alebo viac snímok za sekundu. Je teda zrejmé, že bez hardvérovej kompresie prenášané informácie normálna prevádzka fotoaparátu nie je možná.

Podľa technickej dokumentácie má tento snímač CMOS rozlíšenie 664 x 492 (326 688 pixelov) a dokáže pracovať rýchlosťou až 30 snímok za sekundu. Snímač podporuje progresívne aj horizontálne skenovanie a poskytuje odstup signálu od šumu viac ako 48 dB.

Ako je vidieť z blokovej schémy, blok tvorby farieb (analógový signálový procesor) má dva kanály - RGB a YСrCb a pre model YСrCb sa signály jasu a rozdielu farieb vypočítajú pomocou vzorcov:

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

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 x (B – Y).

Analógové signály RGB a YCrCb generované analógovým signálovým procesorom sú spracované dvoma 10-bitovými ADC, z ktorých každý pracuje s rýchlosťou 13,5 MSPS, čo poskytuje synchronizáciu s rýchlosťou pixelov. Po digitalizácii sa dáta odošlú do digitálneho konvertora, ktorý vytvára video dáta v 16-bitovom YUV 4:2:2 alebo 8-bitovom formáte Y 4:0:0, ktoré sa posielajú na výstupný port cez 16-bitový resp. 8-bitová zbernica.

Okrem toho má príslušný snímač CMOS širokú škálu možností korekcie obrazu: poskytuje vyváženie bielej, ovládanie expozície, gama korekciu, korekciu farieb atď. Činnosť snímača môžete ovládať cez rozhranie SCCB (Serial Camera Control Bus).

Mikroobvod OV511+, ktorého bloková schéma je znázornená na obr. 13, je radič USB.

Ovládač umožňuje prenášať video dáta cez USB zbernicu rýchlosťou až 7,5 Mbit/s. Je ľahké vypočítať, že takáto šírka pásma neumožní prenášať video stream prijateľnou rýchlosťou bez predbežnej kompresie. V skutočnosti je hlavným účelom ovládača USB kompresia. Zabezpečuje potrebnú kompresiu v reálnom čase až do kompresného pomeru 8:1, ovládač umožňuje prenášať video stream rýchlosťou 10-15 snímok za sekundu v rozlíšení 640x480 a rýchlosťou 30 snímok za sekundu. v rozlíšení 320x240 a nižšom.

Za kompresiu dát je zodpovedný blok OmniCE, ktorý implementuje vlastný kompresný algoritmus. OmniCE nielen poskytuje požadovaná rýchlosť

video stream, ale aj rýchla dekompresia s minimálnou záťažou CPU (aspoň podľa vývojárov). Kompresný pomer poskytovaný blokom OmniCE sa mení od 4 do 8 v závislosti od požadovanej rýchlosti toku videa.

ComputerPress 12"2001

(jazyk: "ru")

Pokračujem v rozhovore o zariadení začatom v predchádzajúcej publikácii. Jeden z hlavných prvkov digitálny fotoaparát To, čo ho odlišuje od filmových kamier, je fotosenzitívny prvok, takzvaný zosilňovač obrazu alebo fotosenzitív digitálny fotoaparát

. O kamerových matriciach sme už hovorili, ale teraz sa pozrime na štruktúru a princíp fungovania matrice trochu podrobnejšie, aj keď dosť povrchne, aby sme čitateľa príliš neunavili. V súčasnosti je väčšina digitálnych fotoaparátov vybavená

CCD matrice.

CCD matrica. Zariadenie. Princíp činnosti. Pozrime sa na zariadenie všeobecne.

CCD matrice

Je známe, že polovodiče sa delia na polovodiče typu n a polovodiče typu p. Polovodič typu n má prebytok voľných elektrónov, zatiaľ čo polovodič typu p má prebytok kladných nábojov, „dier“ (a teda nedostatok elektrónov). Celá mikroelektronika je založená na interakcii týchto dvoch typov polovodičov. Takže prvok CCD matrice digitálneho fotoaparátu

je usporiadaná nasledovne. Pozri obr.1:

Bez toho, aby sme zachádzali do detailov, CCD prvok alebo nábojovo viazané zariadenie, v anglickom prepise: charge-coupled-device - CCD, je MIS (metal-dielectric-semiconductor) kondenzátor. Pozostáva zo substrátu typu p - vrstvy kremíka, izolátora oxidu kremičitého a elektródových dosiek. Pri privedení kladného potenciálu na jednu z elektród sa pod ňou vytvorí zóna, ktorá je ochudobnená o hlavné nosiče - diery, keďže tie sú elektrickým poľom z elektródy odtláčané hlbšie do substrátu. Pod touto elektródou tak vzniká potenciálová jamka, teda energetická zóna priaznivá pre pohyb menšinových nosičov - elektrónov - do nej. V tomto otvore sa hromadí záporný náboj. Môže byť v tejto studni uložený pomerne dlho kvôli absencii otvorov v nej, a teda dôvodom na rekombináciu elektrónov.

Vo fotosenzitívnej matice Elektródy sú filmy z polykryštalického kremíka, transparentné vo viditeľnej oblasti spektra.

Fotóny svetla dopadajúce na matricu vstupujú do kremíkového substrátu a vytvárajú v ňom pár diera-elektrón. Otvory, ako je uvedené vyššie, sú posunuté hlbšie do substrátu a elektróny sa hromadia v potenciálovej studni.

Akumulovaný náboj je úmerný počtu fotónov dopadajúcich na prvok, t.j. intenzite svetelného toku. Na matrici sa tak vytvorí nábojový reliéf zodpovedajúci optickému obrazu.

Pohyb nábojov v matrici CCD.

Každý prvok CCD má niekoľko elektród, na ktoré sú aplikované rôzne potenciály.

Keď sa na susednú elektródu privedie väčší potenciál ako je privedený na túto elektródu (pozri obr. 3), vytvorí sa pod ňou hlbšia potenciálová jamka, do ktorej sa presunie náboj z prvej potenciálovej jamky. Týmto spôsobom sa môže náboj presúvať z jedného CCD článku do druhého. CCD prvok znázornený na obr. 3 sa nazýva trojfázové, existujú aj 4-fázové prvky.

Obr.4. Schéma činnosti trojfázového nabíjacieho zariadenia - posuvného registra.

Na premenu nábojov na prúdové impulzy (fotoprúd) sa používajú sériové posuvné registre (pozri obr. 4). Tento posuvný register je rad prvkov CCD. Amplitúda prúdových impulzov je úmerná množstvu preneseného náboja, a teda úmerná incidentu svetelný tok. Sekvencia prúdových impulzov generovaných čítaním sekvencie nábojov sa potom privedie na vstup zosilňovača.

Polia tesne rozmiestnených CCD prvkov sú kombinované do CCD matrica. Fungovanie takejto matrice je založené na vytváraní a prenose lokálneho náboja v potenciálnych studniach vytvorených elektrickým poľom.

Obr.5.

Náboje všetkých CCD prvkov registra sa synchrónne presúvajú k susedným CCD prvkom. Náboj, ktorý bol v poslednom článku, je vyvedený z registra a následne privedený na vstup zosilňovača.

Vstup sériového posuvného registra prijíma náboje z kolmo usporiadaných posuvných registrov, ktoré sa súhrnne nazývajú paralelný posuvný register. Paralelné a sériové posuvné registre tvoria maticu CCD (pozri obr. 4).

Posuvné registre kolmé na sériový register sa nazývajú stĺpce.

Pohyb nábojov paralelného registra je prísne synchronizovaný. Všetky náboje v jednom rade sú posunuté súčasne do susedného. Náboje posledného radu idú do sekvenčného registra. V jednom pracovnom cykle sa tak reťazec nábojov z paralelného registra dostane na vstup sériového registra, čím sa uvoľní priestor pre novovzniknuté náboje.

Činnosť sériových a paralelných registrov je synchronizovaná generátorom hodín. Časť matica digitálneho fotoaparátu Obsahuje tiež mikroobvod, ktorý dodáva potenciály elektródam prenosu registra a riadi ich činnosť.

Rúrka zosilňovača obrazu tohto typu sa nazýva full-frame CCD-matica. Pre jeho fungovanie je potrebné mať svetlo nepriepustný kryt, ktorý najskôr otvorí trubicu zosilňovača obrazu pre vystavenie svetlu a potom, keď dostane potrebný počet fotónov na nahromadenie dostatočného náboja v maticových prvkoch, uzatvorí to od svetla. Tento kryt je mechanická uzávierka, ako vo filmových fotoaparátoch. Neprítomnosť takejto brány vedie k tomu, že keď sa náboje pohybujú v posuvnom registri, bunky sú naďalej ožarované svetlom, čím sa k náboju každého pixelu pridávajú ďalšie elektróny, ktoré nezodpovedajú svetelnému toku daného bodu. To vedie k „rozmazaniu“ náboja, a teda k skresleniu výsledného obrazu.