Bu tür çevresel cihazlarda CCD'ler kullanılır. CCD matrisi nedir

CCD matrisi nedir?

CCD matrisi / Yük Bağlantılı Cihaz veya CCD matrisi / Cihaz şarj bağlı silikon veya kalay oksitten yapılmış ışığa duyarlı fotodiyotlar içeren analog bir entegre devredir. Bu mikro devrenin çalışma prensibi şarj bağlantılı cihaz (CCD) teknolojisine dayanmaktadır.

CCD matrisinin tarihi

Şarj bağlantılı cihaz ilk olarak George Smith ve Willard Boyle tarafından Amerika Birleşik Devletleri'nin en büyük şirketi olan AT&T'nin Bell Laboratuvarlarında kullanıldı. Bell Laboratuvarları 1969'da. Görüntülü telefon ve sözde "yarı iletken kabarcık hafızası" alanında araştırmalar yaptılar.

Kısa süre sonra minyatür cihazlar oldukça yaygınlaştı ve yükün mikro devrenin giriş kaydına yerleştirildiği hafıza cihazları olarak kullanılmaya başlandı. Bir süre sonra, bir bellek elemanının fotoelektrik etki nedeniyle şarj alabilme yeteneği CCD cihazlarının kullanımının temel amacı haline geldi.

Bir yıl sonra, 1970 yılında, aynı Laboratuvardan araştırmacılar, Sony mühendislerinin gerçekten benimsediği en basit doğrusal cihazları kullanarak görüntü yakalamayı başardılar. Bu şirket halen CCD teknolojileri alanında aktif olarak çalışıyor, bu alana büyük finansal yatırımlar yapıyor ve video kameraları için CCD matrislerinin üretimini mümkün olan her şekilde geliştiriyor. Bu arada bölümün mezar taşına CCD çipi takıldı sony 1982'de ölen Kazuo Iwama. Sonuçta, CCD matrislerinin seri üretiminin başlangıcındaki kökenlerde duran oydu.

CCD matrisinin mucitlerinin katkıları gözden kaçmadı; 2006 yılında Willard Boyle ve George Smith bu alandaki gelişmelerinden dolayı ABD Ulusal Mühendislik Akademisi'nden ödül aldılar ve 2009'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler. .

Prensip CCD işlemi-matrisler

CCD matrisi neredeyse tamamen polisilikondan yapılmıştır ve bu polisilikon, başlangıçta silikon substrattan özel bir membranla ayrılmıştır. Polisilikon kapılar aracılığıyla membrana voltaj uygulandığında, iletken elektrotların yakınında bulunan elektrik potansiyelleri büyük ölçüde değişir.

Elektrotlara belirli bir voltaj gücü uygulanmadan ve maruz bırakılmadan önce, daha önce oluşan tüm yükler sıfırlanır ve tüm elemanlar aynı veya orijinal duruma dönüştürülür.

Elektrotlar üzerindeki voltajların kombinasyonu, ışık ışınlarının etkisi altında maruz kalma sırasında elektronların matrisin belirli bir pikselinde biriktiği potansiyel bir rezerv veya sözde kuyu oluşturur. Işık akısının yoğunluğuna bağlı olarak, potansiyel kuyusunda biriken elektronların hacmi de belirlenir, yani ne kadar büyük olursa, belirli bir pikselin son yükünün gücü de o kadar yüksek olur.

Maruziyetin tamamlanmasından sonra, ardışık değişiklikler Elektrotların besleme voltajları, yüklerin belirli bir yönde - CCD matrisinin çıkış piksellerine doğru hareket etmesinin bir sonucu olarak, yanında bir potansiyel dağılımının gözlendiği her bir pikselde meydana gelir.

CCD matris elemanlarının bileşimi

Genel anlamda, bir CCD elemanının tasarımı, n-tipi yarı iletken kanallarla donatılmış bir p-tipi silikon alt tabaka olarak temsil edilebilir. Bu kanalların üstünde, yalıtkan bir silikon oksit membranına sahip çok kristalli silikon elektrotlar bulunur.

Bu elektrotlara elektrik potansiyeli uygulandıktan sonra n tipi kanalın altındaki zayıflamış bölgede bir potansiyel tuzağı (kuyu) ortaya çıkar. Ana görevi elektronları korumaktır. Silikona giren bir ışık parçacığı, potansiyel tuzak tarafından çekilen ve içinde kalan elektronların oluşumunu tetikler. Çok sayıda fotonlar veya parlak ışık tuzağa güçlü bir yük sağlar, bundan sonra uzmanların fotoakım dediği ortaya çıkan yükün değerini hesaplamak ve yükseltmek gerekir.

CCD elemanlarının foto akımlarını okuma işlemi, girişteki bir yük dizisini çıkışta bir dizi darbeye dönüştüren seri kaydırma yazmaçları adı verilen birimlerle gerçekleştirilir. Bu konu darbeler aslında amplifikatöre giden analog bir sinyaldir.

Böylece, analog sinyal Bir kayıt kullanarak CCD öğelerindeki dizi ücretlerini dönüştürebilirsiniz. Uygulamada, CCD matrislerindeki sıralı kaydırma yazmacı, bir satırda yerleşik aynı CCD elemanları kullanılarak gerçekleştirilir. Aynı zamanda iş bu cihazın yük bağlı cihazların potansiyel tuzaklarının yüklerini değiştirme yeteneğine dayanmaktadır. Bu işlem, bitişik CCD elemanları arasına yerleştirilen özel transfer elektrotlarının varlığı nedeniyle gerçekleştirilir. En yakın elektroda artan bir potansiyel uygulandığında, yük potansiyel kuyusundan onun altından geçer. Aynı zamanda, CCD elemanlarının arasına genellikle iki ila dört transfer elektrotu yerleştirilir; bunların sayısı, iki fazlı, üç fazlı veya dört fazlı olarak adlandırılan kaydırma yazmacının fazını belirler.

Transfer elektrotlarına farklı potansiyellerin sağlanması, kaydın tüm CCD elemanlarının potansiyel tuzaklarının yüklerinin geçişi neredeyse aynı anda gerçekleştirilecek şekilde senkronize edilir. Yani, tek bir transfer “adımında” CCD elemanları yükleri zincir boyunca sağdan sola veya soldan sağa hareket ettirir. Bu durumda en dıştaki CCD elemanı, yükünü yazmacın çıkışında bulunan amplifikatöre verir. Böylece seri kaydırma yazmacının seri çıkışlı, paralel girişli bir cihaz olduğu oldukça açık hale gelir.

Kayıttan tüm ücretlerin mutlaka okunması işlemi tamamlandıktan sonra başvuru yapmak mümkün hale gelir. Yeni hat, sonra bir tane daha vb. Sonuç, iki boyutlu bir fotoakım akışına dayanan sürekli bir analog sinyaldir. Daha sonra seri kaydırma yazmacına paralel giriş akışı, paralel kaydırma yazmacı adı verilen dikey yönelimli seri kaydırma yazmaçlarının bir koleksiyonu tarafından sağlanır. Bu bir araya getirilmiş yapının tamamı, bugün CCD matrisi olarak adlandırılan cihazdır.

İlk kez, elektronik yükleri saklama ve sonra okuma fikrine sahip CCD ilkesi, 60'lı yılların sonlarında, ferrit halkalarındaki belleğin yerini alabilecek yeni bilgisayar belleği türlerinin araştırılması sırasında BELL Corporation'ın iki mühendisi tarafından geliştirildi ( evet evet böyle bir anı vardı). Bu fikrin ümit verici olmadığı ortaya çıktı, ancak silikonun görünür radyasyon spektrumuna tepki verme yeteneği fark edildi ve bu prensibi görüntü işleme için kullanma fikri geliştirildi.

Terimin şifresini çözerek başlayalım.

CCD kısaltması "Yük Bağlantılı Cihazlar" anlamına gelir - bu terim İngilizce "Yük Bağlantılı Cihazlar" (CCD) kelimesinden türetilmiştir.

Bu tip cihaz şu anda görüntü kaydına yönelik çok çeşitli optoelektronik cihazlarda çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. Günlük yaşamda öyle dijital kameralar, video kameralar, çeşitli tarayıcılar.

Bir CCD alıcısını, ışığa duyarlı bir ped ve bir elektrik sinyalini almak için iki elektrik kontağı bulunan geleneksel bir yarı iletken fotodiyottan ayıran şey nedir?

İlk önce Bir CCD alıcısında birkaç binden birkaç yüz bine ve hatta birkaç milyona kadar çok sayıda ışığa duyarlı alan (genellikle piksel adı verilen - ışığı alan ve onu elektrik yüklerine dönüştüren öğeler) vardır. Bireysel piksellerin boyutları aynıdır ve birimlerden onlarca mikrona kadar değişebilir. Pikseller bir sıra halinde dizilebilir - o zaman alıcıya CCD dizisi denir veya yüzeyin bir alanını çift sıralar halinde doldurabilirler - o zaman alıcıya CCD matrisi denir.

Işık alıcı elemanların konumu (dikdörtgenler) mavi renkli) CCD dizisinde ve CCD matrisinde.

ikinci olarak Normal bir mikro devreye benzeyen bir CCD alıcısında, elektrik sinyallerinin çıkışı için çok sayıda elektrik kontağı yoktur ve görünüşe göre her ışık alıcı elemandan gelmesi gerekir. Ancak CCD alıcısına bağlanır elektronik devre, her ışığa duyarlı elemandan aydınlatmasıyla orantılı bir elektrik sinyali çıkarmanıza olanak tanır.

CCD'nin eylemi açıklanabilir Aşağıdaki şekilde: Işığa duyarlı her öğe (bir piksel) elektronlar için bir kumbara gibi çalışır. Elektronlar, bir kaynaktan gelen ışığın etkisi altında pikseller halinde oluşturulur. Belirli bir süre boyunca, her piksel, yağmur sırasında dışarıya bırakılan bir kova gibi, içine giren ışık miktarıyla orantılı olarak yavaş yavaş elektronlarla dolar. Bu sürenin sonunda her pikselin biriktirdiği elektrik yükleri sırasıyla cihazın “çıkışına” aktarılır ve ölçülür. Bütün bunlar, ışığa duyarlı elemanların bulunduğu özel kristal yapı sayesinde mümkündür ve elektrik şeması yönetmek.

Bir CCD matrisi neredeyse tamamen aynı şekilde çalışır. Maruz kaldıktan sonra (yansıtılan görüntüye maruz bırakıldığında), cihazın elektronik kontrol devresi ona karmaşık bir dizi sinyal sağlar. darbe voltajı Piksellerde biriken elektronların bulunduğu sütunları, benzer bir ölçüm CCD kaydının bulunduğu matrisin kenarına kaydırmaya başlayan, yükler dik yönde kaydırılan ve ölçüm elemanının üzerine düşerek içinde sinyaller oluşturan bunlar bireysel ücretlerle orantılıdır. Böylece, sonraki her an için, biriken yükün değerini elde edebilir ve matristeki hangi pikselin (satır numarası ve sütun numarası) karşılık geldiğini bulabiliriz.

Kısaca sürecin fiziği hakkında.

Başlangıç ​​olarak, CCD'lerin sözde fonksiyonel elektronik ürünlere ait olduğunu not ediyoruz. Transistörler, dirençler ve kapasitörler gibi bireysel radyo elemanlarının bir koleksiyonu olarak hayal edilemezler. Çalışma, şarj bağlantısı prensibine dayanmaktadır. Yük birleştirme ilkesi, elektrostatikten bilinen iki hükmü kullanır:

1. yüklerin birbirini itmesi gibi
2. yükler potansiyel enerjilerinin minimum olduğu yere yerleşme eğilimindedir. Onlar. kabaca - "balık daha derin olduğu yere bakar."

Öncelikle bir MOS kapasitörünü hayal edelim (MOS, metal-oksit-yarı iletkenin kısaltmasıdır). Bu, drenajı ve kaynağı ondan çıkarırsanız MOS transistöründen geriye kalan şeydir, yani sadece silikondan bir dielektrik katmanla ayrılmış bir elektrottur. Kesinlik sağlamak için, yarı iletkenin p-tipi olduğunu, yani denge koşulları altındaki deliklerin konsantrasyonunun elektronlarınkinden çok daha fazla (birkaç büyüklük sırası) olduğunu varsayacağız. Elektrofizikte bir “delik”, bir elektronun yükünün tersi olan yüktür; pozitif yük.

Böyle bir elektroda (buna kapı denir) pozitif bir potansiyel uygulanırsa ne olur? Geçit tarafından oluşturulan ve dielektrik yoluyla silikonun içine nüfuz eden elektrik alanı, hareketli delikleri iter; bir tükenme bölgesi belirir - çoğunluk taşıyıcılardan arınmış belirli bir hacimdeki silikon. CCD'lere özgü yarı iletken substrat parametreleriyle bu bölgenin derinliği yaklaşık 5 μm'dir. Tam tersine, ışığın etkisi altında burada üretilen elektronlar kapıya çekilecek ve kapının hemen altındaki oksit-silikon arayüzünde birikecek, yani potansiyel kuyusuna düşeceklerdir (Şekil 1).

Pirinç. 1
Geçide voltaj uygulandığında potansiyel kuyusunun oluşumu

Bu durumda, kuyuda biriken elektronlar, kapı tarafından yarı iletkende oluşturulan elektrik alanını kısmen nötralize eder ve sonunda bunu tamamen telafi edebilir, böylece tüm elektrik alanı yalnızca dielektrik üzerine düşecek ve her şey eski haline dönecek başlangıç ​​durumu- arayüzde ince bir elektron tabakasının oluşması haricinde.

Şimdi kapının yanına başka bir kapı yerleştirilsin ve ona birinciden daha büyük bir pozitif potansiyel de uygulansın (Şekil 2). Sadece kapılar yeterince yakınsa, potansiyel kuyuları birleştirilir ve bir potansiyel kuyusundaki elektronlar, eğer "daha derin" ise, komşu olana doğru hareket eder.
Pirinç. 2
Birbirine yakın iki kapının örtüşen potansiyel kuyuları. Yük, potansiyel kuyusunun daha derin olduğu yere akar.

Şimdi, eğer bir kapı zincirimiz varsa, onlara uygun kontrol voltajları uygulayarak, böyle bir yapı boyunca lokalize bir yük paketini iletmenin mümkün olduğu açık olmalıdır. CCD'lerin dikkate değer bir özelliği - kendi kendini tarama özelliği - herhangi bir uzunluktaki kapı zincirini kontrol etmek için yalnızca üç saat çizgisinin yeterli olmasıdır. (Elektronikteki veri yolu terimi bir iletkendir elektrik akımı, aynı tipteki bağlantı elemanları, saat veriyolu, faz kaydırmalı bir voltajın iletildiği iletkenlerdir.) Gerçekten de, şarj paketlerinin iletimi için üç elektrot gerekli ve yeterlidir: biri iletici, biri alıcı ve biri yalıtkan, alma ve gönderme çiftlerini birbirinden ayıran ve aynı adı taşıyan bu üçlülerin elektrotları, yalnızca bir tane gerektiren tek bir saat veriyoluna birbirine bağlanabilir. harici çıkış(Şek. 3).

Pirinç. 3
En basit üç fazlı CCD kaydı.
Her potansiyel kuyunun yükü farklıdır.

Bu, bir CCD'deki en basit üç fazlı kaydırma yazmacıdır. Böyle bir kaydın çalışmasının saat diyagramları Şekil 1'de gösterilmektedir. 4.

Pirinç. 4
Üç fazlı bir kaydı kontrol etmek için saat diyagramları, 120 derece kaydırılmış üç kıvrımlıdır.
Potansiyeller değiştiğinde yükler hareket eder.

Açıktır ki onun için normal operasyon Herhangi bir zamanda, en az bir saat veri yolunun yüksek potansiyele sahip olması ve en az birinin düşük potansiyele (bariyer potansiyeli) sahip olması gerekir. Bir veri yolundaki potansiyel arttığında ve diğerinde (önceki) azaldığında, tüm şarj paketlerinin bitişik kapılara ve ötesine eşzamanlı olarak aktarılması sağlanır. tam döngü(her faz veriyolunda bir saat döngüsü) şarj paketlerinin aktarımı (kayması) bir kayıt elemanı tarafından gerçekleşir.

Yük paketlerini enine yönde lokalize etmek için, durdurma kanalları adı verilen kanallar oluşturulur - transfer kanalı boyunca uzanan, ana katkı maddesinin artan konsantrasyonuna sahip dar şeritler (Şekil 5).

Pirinç. 5.
Kayıt defterinin üstten görünümü.
Yanal yöndeki transfer kanalı durdurma kanalları ile sınırlıdır.

Gerçek şu ki, katkı safsızlığının konsantrasyonu, altında hangi spesifik kapı voltajında ​​bir tükenme bölgesinin oluşturulduğunu belirler (bu parametre, MOS yapısının eşik voltajından başka bir şey değildir). Sezgisel değerlendirmelerden, safsızlık konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, yani yarı iletkende ne kadar çok delik olursa, onları daha derine sürmenin o kadar zor olacağı, yani eşik voltajı ne kadar yüksek olursa veya bir voltajda potansiyel o kadar düşük olursa, açıktır. potansiyel kuyusunda.

Sorunlar

Üretim sırasında ise dijital cihazlar parametrelerin levha boyunca dağılması, ortaya çıkan cihazların parametreleri üzerinde gözle görülür bir etki olmadan birkaç kata ulaşabilir (çünkü iş ayrı voltaj seviyeleriyle yapılır), daha sonra bir CCD'de katkı konsantrasyonunda% 10'luk bir değişiklik olur. görüntüde zaten farkediliyor. LSI belleğinde olduğu gibi kristalin boyutu ve artıklığın imkansızlığı kendi sorunlarını da ekler, böylece kusurlu alanlar kristalin tamamının kullanılamaz olmasına yol açar.

Sonuç olarak

CCD matrisinin farklı pikselleri teknolojik olarak ışığa karşı farklı hassasiyete sahiptir ve bu farkın düzeltilmesi gerekir.

Dijital KMA'da bu düzeltmeye Otomatik Kazanç Kontrolü (AGC) sistemi denir.

AGC sistemi nasıl çalışır?

Basitlik açısından, spesifik bir şey almayacağız. CCD düğümünün ADC çıkışında belirli potansiyel seviyelerin olduğunu varsayalım. Diyelim ki 60 - ortalama seviye beyaz.

1. CCD hattının her pikseli için referans beyaz ışıkla aydınlatıldığında bir değer okunur (ve daha ciddi cihazlarda “siyah seviyesi” de okunur).
2. Değer bir referans düzeyiyle (örneğin ortalama) karşılaştırılır.
3. Çıkış değeri ile referans seviyesi arasındaki fark her piksel için saklanır.
4. Daha sonra tarama sırasında bu fark her piksel için telafi edilir.

AGC sistemi, tarayıcı sistemi her başlatıldığında başlatılır. Muhtemelen makineyi açtığınızda, bir süre sonra tarayıcı taşıyıcısının ileri geri hareketler yapmaya başladığını (siyah beyaz şeritler boyunca sürünerek) fark etmişsinizdir. Bu, AGC sistemi başlatma işlemidir. Sistem aynı zamanda lambanın durumunu (eskimesini) de dikkate alır.

Renkli tarayıcıyla donatılmış küçük MFP'lerin sırayla üç renkle "lambayı yaktığını" da muhtemelen fark etmişsinizdir: kırmızı, mavi ve yeşil. Daha sonra yalnızca orijinal arka ışık beyaza döner. Bu, matrisin hassasiyetini RGB kanalları için ayrı ayrı daha iyi düzeltmek için yapılır.

Yarı ton testi (GÖLGELEME TESTİ) mühendisin talebi üzerine bu prosedürü başlatmanıza ve ayar değerlerini gerçek koşullara getirmenize olanak sağlar.

Bütün bunları gerçek bir "savaş" makinesinde düşünmeye çalışalım. Tanınmış ve popüler bir cihazı temel alalım. SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Bizim durumumuzda CCD'nin CIS (Temaslı Görüntü Sensörü) haline geldiğini, ancak olup bitenlerin özünün temelde değişmediğini belirtmekte fayda var. Basitçe LED hatları ışık kaynağı olarak kullanılır.

Bu yüzden:

CIS'den gelen görüntü sinyali yaklaşık 1,2 V'luk bir seviyeye sahiptir ve cihaz denetleyicisinin (SADC) ADC bölümüne (SADC) beslenir. SADC'den sonra analog CIS sinyali 8 bitlik dijital sinyale dönüştürülecektir.

SADC'deki görüntü işlemcisi önce ton düzeltme işlevini, ardından gama düzeltme işlevini kullanır. Bundan sonra veriler, çalışma moduna göre çeşitli modüllere sağlanır. Metin modunda görüntü verileri LAT modülüne, Fotoğraf modunda görüntü verileri "Hata Dağılımı" modülüne, PC Tarama modunda görüntü verileri doğrudan LAT modülüne gider. Kişisel bilgisayar DMA erişimi yoluyla.

Test etmeden önce birkaç tane yerleştirin temiz çarşaflar Beyaz kağıt. Optiklerin, siyah beyaz şeridin ve genel olarak tarayıcı düzeneğinin içeriden "yalanması" gerektiğini söylemeye gerek yok.

1. TEKNOLOJİ MODU'nu seçin
2. Görüntüyü taramak için ENTER düğmesine basın.
3. Taramanın ardından bir "CIS GÖLGELEME PROFİLİ" yazdırılacaktır. Böyle bir sayfanın bir örneği aşağıda gösterilmiştir. Sonucunuzun bir kopyası olması gerekmez, ancak görsel olarak yakın olmalıdır.
4. Yazdırılan görüntü çizimde gösterilen görüntüden çok farklıysa CIS arızalıdır. Lütfen rapor kağıdının altında “Sonuçlar: Tamam” yazdığını unutmayın. Bu, sistemin CIS modülüyle ilgili ciddi bir şikayeti olmadığı anlamına gelir. Aksi takdirde hata sonuçları verilecektir.

Profil çıktısı örneği:

Sana iyi şanslar!!

St. Petersburg Devlet Üniversitesi (LSU), St. Petersburg Elektroteknik Üniversitesi (LETI) ve Axl öğretmenlerinin makalelerinden ve derslerinden elde edilen materyallere dayanmaktadır. Onlara teşekkürler.

V. Schelenberg tarafından hazırlanan materyal

CCD nedir?

Biraz tarih

Daha önce ışık alıcıları olarak fotoğraf malzemeleri kullanılıyordu: fotoğraf plakaları, fotoğraf filmi, fotoğraf kağıdı. Daha sonra televizyon kameraları ve fotoçoğaltıcı tüpler (PMT) ortaya çıktı.
60'lı yılların sonu ve 70'li yılların başında, CCD olarak kısaltılan "Şarj Bağlantılı Cihazlar" geliştirilmeye başlandı. Açık ingilizce dili"şarj bağlantılı cihazlar" gibi görünür veya CCD olarak kısaltılır. CCD matrislerinin ardındaki prensip, silikonun görünür ışığa yanıt verebilme yeteneğiydi. Ve bu gerçek, bu prensibin parlak nesnelerin görüntülerini elde etmek için kullanılabileceği fikrini doğurdu.

Gökbilimciler, CCD'lerin görüntü kaydetme konusundaki olağanüstü yeteneklerini ilk fark edenler arasındaydı. 1972'de JPL'den (Jet Propulsion Laboratory, ABD) bir grup araştırmacı, astronomi ve uzay araştırmaları için CCD'ler geliştirmek üzere bir program kurdu. Üç yıllar sonra Ekip, Arizona Üniversitesi'ndeki bilim adamlarıyla birlikte ilk astronomik CCD görüntüsünü elde etti. Uranüs'ün bir buçuk metrelik teleskop kullanılarak çekilen yakın kızılötesi görüntüsü, gezegenin güney kutbunun yakınında metan gazının varlığına işaret eden karanlık noktaları ortaya çıkardı.

Günümüzde CCD matrislerinin kullanımı geniş bir uygulama alanı bulmuştur: dijital kameralar, video kameralar; Kamera gibi bir CCD matrisini cep telefonlarına bile entegre etmek mümkün hale geldi.

CCD cihazı

Tipik bir CCD cihazı (Şekil 1): yarı iletken yüzeyde, üzerine iletken elektrot şeritlerinin (metal veya polikristalin silikondan yapılmış) yerleştirildiği ince (0,1-0,15 μm) bir dielektrik (genellikle oksit) tabakası vardır. Bu elektrotlar doğrusal veya matris düzenli bir sistem oluşturur ve elektrotlar arasındaki mesafeler o kadar küçüktür ki, komşu elektrotların karşılıklı etkisinin etkileri önemlidir. CCD'lerin çalışma prensibi, elektrotlara harici elektrik voltajları uygulandığında yarı iletkenin yüzeye yakın katmanında oluşturulan potansiyel kuyularında yük paketlerinin ortaya çıkması, depolanması ve yönlendirilmiş iletilmesi esasına dayanır.

Pirinç. 1. Temel cihaz CCD matrisleri.

İncirde. Şekil 1'de C1, C2 ve C3 sembolleri MOS kapasitörlerini (metal-oksit-yarı iletken) gösterir.

Herhangi bir elektroda pozitif bir U voltajı uygulanırsa, MIS yapısında, çoğunluk taşıyıcılarının (deliklerin) çok hızlı bir şekilde (birkaç pikosaniye içinde) yarı iletken yüzeyinden uzaklaştığı etkisi altında bir elektrik alanı ortaya çıkar. Sonuç olarak, yüzeyde kalınlığı bir mikrometrenin kesirleri veya birimleri olan tükenmiş bir katman oluşur. Bazı işlemlerin (örneğin termal) etkisi altında tükenme katmanında üretilen veya difüzyonun etkisi altında yarı iletkenin nötr bölgelerinden oraya ulaşan azınlık taşıyıcıları (elektronlar) (alan etkisi altında) yarı iletkene hareket edecektir. - yalıtkan arayüzü ve dar bir ters katmanda lokalize edilebilir. Böylece yüzeyde, alanın etkisi altında tükenme katmanından yuvarlandıkları elektronlar için bir potansiyel kuyusu belirir. Tükenim katmanında üretilen çoğunluk taşıyıcıları (delikler), alanın etkisi altında yarı iletkenin nötr kısmına fırlatılır.
Belirli bir süre boyunca her piksel, içine giren ışık miktarıyla orantılı olarak yavaş yavaş elektronlarla dolar. Bu sürenin sonunda her pikselin biriktirdiği elektrik yükleri sırasıyla cihazın “çıkışına” aktarılır ve ölçülür.

Matrislerin ışığa duyarlı pikselinin boyutu bir veya iki ila birkaç on mikron arasında değişir. Fotoğraf filminin ışığa duyarlı katmanındaki gümüş halojenür kristallerinin boyutu, 0,1 (pozitif emülsiyonlar) ila 1 mikron (yüksek duyarlılığa sahip negatif) arasında değişir.

Matrisin ana parametrelerinden biri sözde kuantum verimliliğidir. Bu isim, emilen fotonların (kuanta) fotoelektronlara dönüştürülme verimliliğini yansıtır ve fotografik ışığa duyarlılık kavramına benzer. Işık kuantumunun enerjisi renklerine (dalga boyu) bağlı olduğundan, örneğin yüz heterojen foton akışını emdiğinde bir matris pikselinde kaç elektronun doğacağını kesin olarak belirlemek imkansızdır. Bu nedenle, kuantum verimliliği genellikle matrisin veri sayfasında dalga boyunun bir fonksiyonu olarak verilir ve spektrumun belirli kısımlarında %80'e ulaşabilir. Bu, fotografik emülsiyon veya gözdekinden (yaklaşık %1) çok daha fazladır.

Ne tür CCD'ler var?

Pikseller tek bir sıra halinde dizilmişse alıcıya CCD dizisi adı verilir, ancak yüzey alanı çift sıralarla doluysa alıcıya CCD matrisi adı verilir.

CCD dizisi, 80'li ve 90'lı yıllarda astronomik gözlemler için geniş bir uygulama alanına sahipti. Görüntüyü CCD çizgisi boyunca hareket ettirmek yeterliydi ve bilgisayar monitöründe belirdi. Ancak bu sürece birçok zorluk eşlik etti ve bu nedenle şu anda CCD dizilerinin yerini giderek daha fazla CCD matrisleri alıyor.

İstenmeyen etkiler

CCD üzerindeki yük transferinin gözlemlere müdahale edebilecek istenmeyen bir yan etkisi parlaktır. dikey çizgiler(sütunlar) görüntünün parlak alanları yerine küçük bir alan. CCD matrislerinin olası istenmeyen etkileri ayrıca şunları içerir: yüksek karanlık gürültü, "kör" veya "sıcak" piksellerin varlığı, matris alanı boyunca eşit olmayan hassasiyet. Karanlık gürültüyü azaltmak için -20°C ve altındaki sıcaklıklara kadar CCD matrislerinin otonom soğutulması kullanılır. Veya önceki karenin çekildiğiyle aynı süreye (pozlama) ve sıcaklığa sahip karanlık bir kare çekilir (örneğin, mercek kapalıyken). Daha sonra özel program Bilgisayar, koyu çerçeveyi görüntüden çıkarır.

CCD tabanlı televizyon kameralarının iyi yanı, 752 x 582 piksel çözünürlükte saniyede 25 kareye kadar görüntü yakalayabilmeleridir. Ancak bu tür bazı kameraların astronomik gözlemler için uygunsuzluğu, üreticinin, ortaya çıkan karelerin görüşe göre daha iyi algılanması için dahili görüntü ön işleme (okuma: bozulma) uygulaması gerçeğinde yatmaktadır. Buna AGC (otomatik kontrol ayarı) ve sözde dahildir. “keskin sınırların” ve diğerlerinin etkisi.

İlerlemek…

Genel olarak, CCD alıcılarının kullanımı, dijital olmayan ışık alıcılarının kullanımından çok daha uygundur, çünkü alınan veriler hemen bir bilgisayarda işlenmeye uygun bir biçimdedir ve ayrıca bireysel çerçevelerin elde edilme hızı çok yüksektir. yüksek (saniyede birkaç kareden dakikalara kadar).

İÇİNDE şu anda CCD matrislerinin üretimi hızla gelişiyor ve gelişiyor. Matrislerin "megapiksel" sayısı artar - matrisin birim alanı başına düşen bireysel piksel sayısı. CCD matrisleri vb. kullanılarak elde edilen görüntülerin kalitesi artar.

Kullanılan kaynaklar:
1. 1. Victor Belov. Mikronun onda birine kadar doğruluk.
2. 2. S.E. CCD'yle tanışın.

Şarj bağlantılı cihaz, 1969 yılında AT&T Bell Laboratuarlarında Willard Boyle ve George Smith tarafından icat edildi. Laboratuvarlar görüntülü telefon üzerinde çalışıyordu. resim telefonu) ve “yarı iletken kabarcık hafızasının” geliştirilmesi (İng. yarı iletken kabarcık belleği). Yük bağlantılı cihazlar, şarjın yalnızca cihazın giriş kaydına yerleştirilebildiği hafıza cihazları olarak hayata başladı. Ancak cihazın hafıza elemanının fotoelektrik etki nedeniyle şarj alabilmesi CCD cihazlarının bu uygulamasını ana uygulama haline getirmiştir.

Genel yapı ve çalışma prensibi

Maruz kalmadan önce, genellikle elektrotlara belirli bir voltaj kombinasyonu uygulanarak, önceden oluşturulmuş tüm yükler sıfırlanır ve tüm elemanlar aynı duruma getirilir.

Daha sonra, elektrotlar üzerindeki voltajların kombinasyonu, maruz kalma sırasında ışığa maruz kalmanın bir sonucu olarak matrisin belirli bir pikselinde oluşan elektronların birikebileceği bir potansiyel kuyusu oluşturur. Pozlama sırasında ışık akısı ne kadar yoğun olursa, potansiyel kuyusunda o kadar fazla elektron birikir ve buna bağlı olarak belirli bir pikselin son yükü de o kadar yüksek olur.

Maruz kaldıktan sonra, elektrotlar üzerindeki voltajdaki art arda değişiklikler, her pikselde ve onun yanında, matrisin çıkış elemanlarına belirli bir yönde yük akışına yol açan potansiyel bir dağılım oluşturur.

N tipi cebe sahip bir CCD alt piksel örneği

Üreticilerin farklı piksel mimarileri vardır.

CCD alt piksel diyagramındaki tanımlar: 1 - kamera merceğinden geçen ışığın fotonları;
2 - ;
3 - R - kırmızı alt piksel filtresi, Bayer filtre parçası;
4 - polikristalin silikondan veya indiyum ve kalay oksit alaşımından yapılmış şeffaf elektrot;
5 - silikon oksit;
6 - n-tipi silikon kanalı: taşıyıcı üretim bölgesi - dahili fotoelektrik etki bölgesi;
7 - yük taşıyıcı üretim bölgesinden gelen elektronların toplandığı potansiyel kuyu bölgesi (n-tipi cep);
8 - p tipi silikon substrat.

Tamponlama yöntemine göre sınıflandırma

Tam kare aktarım sensörleri

Lensin oluşturduğu görüntü CCD matrisine düşer, yani görevi fotonların enerjisini elektrik yüküne dönüştürmek olan CCD elemanlarının ışığa duyarlı yüzeyine ışık ışınları düşer. Yaklaşık olarak aşağıdaki gibi gerçekleşir.

Bir CCD elemanına düşen bir foton için, olayların gelişimi için üç seçenek vardır - ya yüzeyden "sekecek" ya da yarı iletkenin (matris malzemesi) kalınlığında emilecek ya da "delip geçecektir" “çalışma bölgesi”. Açıkçası, geliştiricilerin "sekme" ve "şut"tan kaynaklanan kayıpları en aza indirecek bir sensör yaratmaları gerekiyor. Matris tarafından emilen aynı fotonlar, yarı iletken kristal kafesin bir atomu ile etkileşim varsa bir elektron-delik çifti oluşturur veya etkileşim, donör veya alıcı safsızlıkların atomlarıyla ise yalnızca bir elektron (veya delik) oluşturur ve bu olayların her ikisine de iç fotoelektrik etki denir. Elbette sensörün çalışması dahili fotoelektrik etkiyle sınırlı değildir - yarı iletkenden "alınan" yük taşıyıcılarının özel bir depoda saklanması ve ardından sayılması gerekir.

CCD öğesi

İÇİNDE Genel görünüm Bir CCD elemanının tasarımı şuna benzer: p-tipi bir silikon alt tabaka, n-tipi bir yarı iletkenden yapılmış kanallarla donatılmıştır. Kanalların üzerinde yalıtkan bir silikon oksit tabakasına sahip polikristalin silikondan yapılmış elektrotlar oluşturulur. Böyle bir elektroda elektrik potansiyeli uygulandıktan sonra, tükenme bölgesinde n tipi kanalın altında amacı elektronları depolamak olan bir potansiyel kuyusu oluşturulur. Foton nüfuz eden bir silikon, potansiyel kuyusuna çekilen ve içinde kalan bir elektronun oluşmasıyla sonuçlanır. Büyük miktar fotonlar (parlak ışık) kuyuya daha fazla yük sağlar. Daha sonra fotoakım olarak da adlandırılan bu yükün değerini hesaplamanız ve yükseltmeniz gerekir.

CCD elemanlarının fotoakımlarının okunması, girişteki bir yük dizisini çıkışta bir dizi darbeye dönüştüren seri kaydırma yazmaçları olarak adlandırılanlar tarafından gerçekleştirilir. Bu diziler daha sonra bir amplifikatöre beslenen analog bir sinyaldir.

Böylece, bir yazmaç kullanarak bir CCD elemanları hattının yüklerini analog sinyale dönüştürmek mümkündür. Aslında, CCD matrislerindeki seri kaydırma yazmacı, aynı CCD elemanlarının bir sıra halinde birleştirilmesi kullanılarak uygulanır. Böyle bir cihazın çalışması, yük bağlantılı cihazların (CCD kısaltmasının anlamı budur) potansiyel kuyularının yüklerini değiştirme yeteneğine dayanır. Değişim, bitişik CCD elemanları arasında bulunan özel transfer elektrotlarının (transfer kapısı) varlığı sayesinde gerçekleştirilir. En yakın elektroda artan bir potansiyel uygulandığında, yük potansiyel kuyusundan onun altına “akar”. CCD elemanları arasına iki ila dört transfer elektrotu yerleştirilebilir; iki fazlı, üç fazlı veya dört fazlı olarak adlandırılabilecek kaydırma yazmacının "fazı" sayılarına bağlıdır.

Potansiyellerin transfer elektrotlarına beslenmesi, kaydın tüm CCD elemanlarının potansiyel kuyularının yüklerinin hareketi aynı anda gerçekleşecek şekilde senkronize edilir. Ve bir aktarım döngüsü sırasında, CCD elemanlarının "zincir boyunca yükleri soldan sağa (veya sağdan sola) ilettiği" görülmektedir. Peki, "ekstrem" olduğu ortaya çıkan CCD elemanı, yükünü yazmacın çıkışında bulunan cihaza yani amplifikatöre verir.

Genel olarak seri kaydırma yazmacı paralel girişli, seri çıkışlı bir cihazdır. Bu nedenle, kayıt defterindeki tüm yükleri okuduktan sonra, girişine yeni bir satır, ardından bir sonraki satır uygulamak ve böylece iki boyutlu bir fotoakım dizisine dayalı sürekli bir analog sinyal oluşturmak mümkündür. Buna karşılık, seri kaydırma yazmacına paralel giriş (yani, iki boyutlu bir fotoakım dizisinin satırları), paralel kaydırma yazmacı adı verilen bir dizi dikey yönelimli seri kaydırma yazmacı tarafından sağlanır ve tüm yapı tam olarak CCD matrisi adı verilen bir cihaz.

Paralel olanları oluşturan "dikey" seri kaydırma yazmaçlarına CCD sütunları adı verilir ve işlemleri tamamen senkronize edilir. İki boyutlu dizi CCD matrisinin foto akımları aynı anda bir sıra aşağı kaydırılır ve bu, yalnızca "en altta" bulunan seri kaydırma yazmacından önceki sıranın yükleri amplifikatöre gittikten sonra gerçekleşir. Seri kayıt serbest bırakılıncaya kadar paralel kayıt boşta kalmaya zorlanır. Normal çalışma için, CCD matrisinin kendisinin, hem seri hem de paralel kaydırma yazmaçlarının elektrotlarına potansiyel sağlayan ve her iki kaydın çalışmasını senkronize eden bir mikro devreye (veya bir dizisine) bağlanması gerekir. Ayrıca bir saat üretecine de ihtiyaç vardır.

Tam çerçeve sensörü

Bu tip sensör, tasarım açısından en basit olanıdır ve tam çerçeve CCD matrisi olarak adlandırılır. Bu tip matris, "borulama" mikro devrelerine ek olarak, pozlamanın bitiminden sonra ışık akısını bloke eden mekanik bir deklanşör gerektirir. Deklanşör tamamen kapanmadan önce okuma yükleri başlayamaz - paralel kaydırma yazmacının çalışma döngüsü sırasında, CCD matrisinin açık yüzeyine çarpan fotonların neden olduğu piksellerinin her birinin foto akımına ekstra elektronlar eklenecektir. Bu olaya, tam çerçeve matristeki yükün "yayılması" (tam çerçeve matris lekelenmesi) adı verilir.

Dolayısıyla böyle bir düzende çerçeve okuma hızı, hem paralel hem de seri kaydırmalı yazmaçların çalışma hızıyla sınırlıdır. Okuma işlemi tamamlanıncaya kadar mercekten gelen ışık akışının engellenmesi gerektiği de açıktır, dolayısıyla pozlamalar arasındaki aralık da okuma hızına bağlıdır.

Çerçeve tamponlu matrisler

Tam çerçeve matrisinin, paralel kaydın yüklerinin seri olanın girişine satır satır sağlanmadığı, ancak bir tampon paralel kayıt defterinde "depolandığı" geliştirilmiş bir versiyonu vardır. Bu kayıt ana paralel kaydırma yazmacının altında bulunur; foto akımlar satır satır tampon kaydına taşınır ve oradan seri kaydırma yazmacının girişine girerler. Tampon kaydının yüzeyi opak (genellikle metal) bir panel ile kaplıdır ve sistemin tamamına çerçeve aktarım CCD matrisi adı verilir. Çerçeve ara belleğe almalı matris Bu şemada, ana paralel kaydırma yazmacının potansiyel delikleri çok daha hızlı "boşaltılır", çünkü satırları ara belleğe aktarırken, her satır için seri yazmacın tam döngüsünü beklemeye gerek yoktur. Bu nedenle, okuma hızı da azalsa da, pozlamalar arasındaki aralık kısalır; satırın iki kat daha uzun süre "yolcu olması" gerekir. Böylece, arabellek kaydı nedeniyle cihazın maliyeti gözle görülür şekilde artmasına rağmen, pozlamalar arasındaki aralık yalnızca iki kare için azalır. Bununla birlikte, çerçeve tamponlamalı matrislerin en göze çarpan dezavantajı, fotoakımların "yolunun" uzamasıdır ve bu da değerlerinin güvenliğini olumsuz yönde etkiler. Ve her durumda, kareler arasında mekanik deklanşörün etkinleştirilmesi gerekir, böylece sürekli bir video sinyalinden bahsetmeye gerek kalmaz.

Sütun tamponlu matrisler

Özellikle video ekipmanı için geliştirildi yeni tip pozlamalar arasındaki aralığın bir çift kare için değil, sürekli bir akış için en aza indirildiği matrisler. Elbette bu sürekliliği sağlamak için mekanik kepenklerin terk edilmesini sağlamak gerekiyordu.

Aslında bu şema Sütun arabellekli matris (satırlar arası CCD matrisi) olarak adlandırılan, çerçeve arabellekli sistemlere biraz benzer - aynı zamanda CCD elemanları opak bir kaplamanın altına gizlenmiş bir tampon paralel kaydırma yazmacı kullanır. Ancak bu arabellek bulunamadı tek blok olarak ana paralel kayıt altında - sütunları ana kaydın sütunları arasında "karıştırılır". Sonuç olarak, ana kaydın her sütununun yanında bir tampon sütunu vardır ve fotoakımlar maruz kaldıktan hemen sonra "yukarıdan aşağıya" değil, "soldan sağa" (veya "sağdan sola") hareket eder ve sadece bir çalışma döngüsünde tampon kaydına girerler ve bir sonraki maruz kalma için potansiyel boşlukları tamamen serbest bırakırlar. Tampon kaydına giren masraflar her zaman olduğu gibi bir seri kaydırma yazmacı aracılığıyla, yani "yukarıdan aşağıya" okunur. Fotoakımların tampon kaydına boşaltılması, mekanik bir deklanşör olmasa bile yalnızca bir döngüde gerçekleştiğinden, tam çerçeve sensördeki şarjın "bulaşmasına" benzer bir şey gözlemlenmez. Ancak çoğu durumda her kare için pozlama süresi, süre olarak arabellek paralel kaydının tamamen okunması için harcanan aralığa karşılık gelir. Tüm bunlar sayesinde video sinyali oluşturmak mümkün hale geliyor. yüksek frekans kareler - saniyede en az 30 kare. Sütun tamponlu matris Rus literatüründe sıklıkla sütun tamponlu matrislere yanlışlıkla "titreşimli" adı verilir. Bunun nedeni muhtemelen İngilizce "interline" (satır ara belleğe alma) ve "interlaced" (titreşimli tarama) adlarının kulağa çok benzer gelmesidir. Aslında tek saat döngüsünde tüm satırlar okunduğunda aşamalı taramalı bir matristen bahsedebiliriz, ilk saat döngüsünde tek satırlar, ikinci saat döngüsünde çift satırlar okunduğunda (veya tam tersi) konuşuyoruz taramalı tarama taramasına sahip bir matris hakkında).

Kamera sensörü boyutları

Tanım		Genişlik	Yükseklik	Diyagonal	Kare	Örnek
Bütün çerçeve, film türü 135.	1 - 1,01	35,8 - 36	23,8 - 24	43 - 43,3	852-864	Canon EOS 5D, Canon EOS-1D'ler (CMOS sensörü)
APS-H	1,26 - 1,28	28,1 - 28,7	18,7 - 19,1	33,8 - 34,5	525,5 - 548,2	Canon EOS-1D Mark III (CMOS sensörü)
	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 İngiltere
1/2,35"	≈6					Pentax Optio V10
1/2,4"	≈6					Fujifilm FinePix S8000fd
1/2,5"	5,99	5,8	4,3	7,2	24,9	Panasonic Lumix DMC-FZ8
1/2,6"	≈6					HP Photosmart M447
1/2,7"	6,56	5,27	3,96	6,6	20,9	Olympus C-900 yakınlaştırma
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

Dijital sinema kameralarının boyutları

Tanım	yazışma biçim filmler	Genişlik