Matris, kameranın ana yapısal elemanıdır ve kullanıcı tarafından kamera seçerken dikkate alınan temel parametrelerden biridir. Modern dijital kameraların matrisleri çeşitli işaretlere göre sınıflandırılabilir, ancak ana ve en yaygın olanı hala matrisleri şu şekilde bölmektir: şarj okuma yöntemi, üzerinde: matrisler CCD yazın ve CMOS matrisler. Bu yazıda, modern fotoğraf ve video ekipmanlarında yaygın olarak kullanılan matrisler olduğundan, bu iki tip matrisin çalışma prensiplerinin yanı sıra avantaj ve dezavantajlarına da bakacağız.

CCD matrisi

Matris CCD olarak da adlandırılır CCD matrisi(Şarj Bağlantılı Cihazlar). CCD matris, yarı iletken bir silikon kristali üzerine yerleştirilmiş dikdörtgen bir ışığa duyarlı elemanlar (fotodiyotlar) plakasıdır. Çalışma prensibi, fotonların silikon atomlarında oluşturduğu deliklerde biriken yüklerin satır satır hareketine dayanmaktadır. Yani, bir fotodiyotla çarpıştığında, bir ışık fotonu emilir ve bir elektron serbest bırakılır (dahili bir fotoelektrik etki meydana gelir). Sonuç olarak, daha sonraki işlemler için bir şekilde depolanması gereken bir yük oluşur. Bu amaçla, matrisin silikon substratına, üzerine polikristalin silikondan yapılmış şeffaf bir elektrotun yerleştirildiği bir yarı iletken yerleştirilmiştir. Ve bu elektrota bir elektrik potansiyeli uygulanmasının bir sonucu olarak, yarı iletkenin altındaki tükenme bölgesinde, fotonlardan alınan yükün depolandığı sözde bir potansiyel kuyusu oluşur. Matristen bir elektrik yükü okunurken, yükler (potansiyel kuyucuklarında depolanır) transfer elektrotları boyunca matrisin kenarına (sıralı) aktarılır. kaydırma yazmacı) ve sinyali güçlendiren ve analoga ileten amplifikatöre doğru dijital dönüştürücü(ADC), dönüştürülen sinyalin, sinyali işleyen ve ortaya çıkan görüntüyü bir hafıza kartına kaydeden işlemciye gönderildiği yerden .

Polisilikon fotodiyotlar CCD matrisleri üretmek için kullanılır. Bu tür matrislerin boyutu küçüktür ve normal ışıkta çekim yaparken oldukça kaliteli fotoğraflar elde etmenizi sağlar.

CCD'lerin avantajları:

1. Matrisin tasarımı, alt tabaka üzerine yüksek yoğunlukta fotosel (piksel) yerleştirilmesini sağlar;
2. Yüksek verimlilik (kayıtlı fotonların toplam sayılarına oranı yaklaşık %95'tir);
3. Yüksek hassasiyet;
4. İyi renksel geriverim (yeterli ışıklandırmayla).

CCD'lerin dezavantajları:

1. Yüksek ISO'da yüksek gürültü düzeyi (düşük ISO'da gürültü düzeyi orta düzeydedir);
2. Düşük hız CMOS matrisleriyle karşılaştırmalı çalışma;
3. Yüksek güç tüketimi;
4. Daha karmaşık teknoloji birçok kontrol çipine ihtiyaç duyulduğundan sinyali okumak;
5. Üretim CMOS matrislerine göre daha pahalıdır.

CMOS matrisi

Matris CMOS, veya CMOS matrisi(Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletkenler) aktif nokta sensörlerini kullanır. CCD'lerden farklı olarak CMOS sensörleri, ışığa duyarlı her öğede (piksel) ayrı bir transistör içerir ve bunun sonucunda yük dönüşümü doğrudan piksel içinde gerçekleştirilir. Ortaya çıkan yük, her pikselden ayrı ayrı okunarak, yük aktarımı ihtiyacını ortadan kaldırır (CCD'lerde olduğu gibi). CMOS sensörünün pikselleri doğrudan analogdan dijitale dönüştürücüyle ve hatta işlemciyle entegre edilir. Bu kadar akılcı teknolojinin kullanılması sonucunda eylem zincirlerinin diğer ürünlere göre azalması nedeniyle enerji tasarrufu sağlanmaktadır. CCD matrisleri Daha basit bir tasarım nedeniyle cihazın maliyetini düşürmenin yanı sıra.

CMOS sensörünün kısa çalışma prensibi: 1) Çekimden önce sıfırlama transistörüne bir sıfırlama sinyali uygulanır. 2) Pozlama sırasında ışık mercekten geçerek fotodiyota filtrelenir ve fotosentez sonucunda potansiyel kuyusunda bir yük birikir. 3) Alınan voltajın değeri okunur. 4) Veri işleme ve görüntü kaydetme.

CMOS sensörlerinin avantajları:

1. Düşük güç tüketimi (özellikle bekleme modlarında);
2. Yüksek performans;
3. Teknolojinin mikro devre üretimine benzerliği nedeniyle daha az üretim maliyeti gerektirir;
4. Teknolojinin başkalarıyla birliği dijital elemanlar Analog, dijital ve işlem parçalarını tek bir çipte birleştirmenize olanak tanır (yani, ışığı bir pikselde yakalamanın yanı sıra, sinyali gürültüden dönüştürebilir, işleyebilir ve temizleyebilirsiniz).
5. Yakalanan görüntünün boyutunu azaltmanıza ve okuma hızını artırmanıza olanak tanıyan her piksele veya piksel grubuna rastgele erişim imkanı.

CMOS matrislerinin dezavantajları:

1. Fotodiyot küçük bir piksel alanı kaplar, bu da matrisin düşük ışık duyarlılığına neden olur, ancak modern CMOS matrislerinde bu dezavantaj pratik olarak ortadan kaldırılmıştır;
2. Okuma işlemi sırasında piksel içindeki ısıtma transistörlerinden kaynaklanan termal gürültünün varlığı.
3. Nispeten büyük boyutlar, bu tip matrisli fotoekipman, büyük ağırlık ve boyut ile karakterize edilir.

Yukarıdaki türlere ek olarak, her katmanı bir CCD olan üç katmanlı matrisler de vardır. Aradaki fark, hücrelerin, ışık demeti üzerine dikroik prizmaların oluşturduğu üç rengi aynı anda algılayabilmeleridir. Daha sonra her ışın ayrı bir matrise yönlendirilir. Bunun sonucunda mavi, kırmızı ve yeşil renklerin parlaklığı fotosel üzerinde anında belirlenir. Özel bir atama olan üst düzey video kameralarda üç katmanlı matrisler kullanılır - 3CCD.

Özetlemek gerekirse, CCD ve CMOS matrislerinin üretimine yönelik teknolojilerin gelişmesiyle birlikte özelliklerinin de değiştiğini, dolayısıyla matrislerden hangisinin kesinlikle daha iyi olduğunu söylemek giderek zorlaştığını ancak aynı zamanda CMOS'un da olduğunu belirtmek isterim. Matrisler son zamanlarda SLR fotoğraf makinelerinin üretiminde giderek daha popüler hale geldi. Temelli karakteristik özellikler farklı matris türleri sayesinde profesyonel fotoğraf ekipmanlarının neden sağlandığı konusunda net bir fikir edinebilirsiniz. yüksek kaliteçekimler oldukça hantal ve ağır. Bir kamera seçerken bu bilgi kesinlikle hatırlanmalıdır - yani piksel sayısı değil matrisin fiziksel boyutları dikkate alınmalıdır.

(dil: 'ru')

başladığım şeye devam ediyorum önceki yayın cihazdan bahsediyoruz.

Ana unsurlardan biri dijital kamera Onu filmli kameralardan ayıran şey, görüntü yoğunlaştırıcı veya ışığa duyarlı olarak adlandırılan ışığa duyarlı öğedir. dijital kamera. Kamera matrislerinden zaten bahsetmiştik ama şimdi okuyucuyu fazla yormamak adına yüzeysel de olsa biraz daha detaylı olarak matrisin yapısına ve çalışma prensibine bakalım.

Günümüzde çoğu dijital fotoğraf makinesi şu donanımlara sahiptir: CCD matrisleri.

CCD matrisi. Cihaz. Çalışma prensibi.

Cihaza genel hatlarıyla bakalım CCD matrisleri.

Yarı iletkenlerin n-tipi ve p-tipi yarı iletkenlere bölündüğü bilinmektedir. N-tipi bir yarı iletken aşırı miktarda serbest elektrona sahipken, p-tipi bir yarı iletken aşırı miktarda pozitif yüke, "deliklere" (ve dolayısıyla elektron eksikliğine) sahiptir. Tüm mikroelektronikler bu iki tür yarı iletkenin etkileşimine dayanmaktadır.

Yani, eleman Dijital kameranın CCD matrisleri düzenlenmiş Aşağıdaki şekilde. Bkz. Şekil 1:

Şekil 1

Ayrıntılara girmeden, bir CCD elemanı veya yük bağlantılı cihaz, İngilizce transkripsiyonda: şarj bağlantılı cihaz - CCD, bir MIS (metal-dielektrik-yarı iletken) kapasitördür. P tipi bir alt tabakadan (bir silikon tabakası, bir silikon dioksit yalıtkanı ve elektrot plakalarından) oluşur. Elektrotlardan birine pozitif bir potansiyel uygulandığında, altında ana taşıyıcıların tükendiği bir bölge oluşur - delikler, çünkü bunlar bir kenara itilir Elektrik alanı elektrottan alt tabakanın derinliklerine. Böylece, bu elektrotun altında bir potansiyel kuyusu, yani azınlık taşıyıcılarının - elektronların - içine hareketi için uygun bir enerji bölgesi oluşur. Bu delikte negatif yük birikir. İçinde delik bulunmaması ve dolayısıyla elektronların rekombinasyon nedenleri nedeniyle bu kuyuda oldukça uzun süre saklanabilir.

Işığa duyarlı matrisler Elektrotlar, spektrumun görünür bölgesinde şeffaf olan çok kristalli silikon filmlerdir.

Matris üzerine düşen ışığın fotonları silikon substrata girerek içinde bir delik-elektron çifti oluşturur. Yukarıda bahsedildiği gibi delikler alt tabakanın daha derinlerine doğru yer değiştirir ve elektronlar potansiyel kuyusunda birikir.

Birikmiş yük, elemana gelen fotonların sayısıyla, yani yoğunlukla orantılıdır. ışık akısı. Böylece matris üzerinde optik görüntüye karşılık gelen bir yük tahliyesi yaratılır.

CCD matrisindeki yüklerin hareketi.

Her CCD elemanının, farklı potansiyellerin uygulandığı birkaç elektrotu vardır.

Bu elektrota uygulanandan daha büyük bir potansiyel bitişik elektrota uygulandığında (bkz. Şekil 3), bunun altında, birinci potansiyel kuyusundan gelen yükün içine hareket ettiği daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur. Bu şekilde yük bir CCD hücresinden diğerine geçebilir. Şekil 3'te gösterilen CCD elemanına üç fazlı denir; ayrıca 4 fazlı elemanlar da vardır.

Şekil 4. Üç fazlı yük bağlantılı bir cihazın çalışma şeması - bir kaydırma yazmacı.

Yükleri akım darbelerine (foto akım) dönüştürmek için seri kaydırma kayıtları kullanılır (bkz. Şekil 4). Bu kaydırma yazmacı bir dizi CCD öğesidir. Akım darbelerinin genliği, aktarılan yük miktarıyla ve dolayısıyla gelen ışık akısı ile orantılıdır. Yüklerin sırası okunarak üretilen akım darbelerinin sırası daha sonra amplifikatörün girişine uygulanır.

Yakın aralıklı CCD elemanlarının dizileri birleştirilir CCD matrisi. Böyle bir matrisin çalışması, bir elektrik alanı tarafından oluşturulan potansiyel kuyularda yerel yükün oluşturulmasına ve aktarılmasına dayanmaktadır.

Şekil 5.

Kayıttaki tüm CCD elemanlarının yükleri eşzamanlı olarak bitişik CCD elemanlarına hareket eder. Son hücrede bulunan yük kayıt defterinden çıkarılır ve ardından yükselticinin girişine beslenir.

Bir seri kaydırma yazmacının girişi, toplu olarak paralel kaydırma yazmacı olarak adlandırılan, dikey olarak düzenlenmiş kaydırma yazmaçlarından yükleri alır. Paralel ve seri kaydırma kayıtları CCD matrisini oluşturur (bkz. Şekil 4).

Seri kayda dik olan kaydırmalı kaydedicilere sütun adı verilir.

Paralel kayıt ücretlerinin hareketi kesinlikle senkronize edilir. Bir sıradaki tüm yükler aynı anda bitişik olana kaydırılır. Son satırın ücretleri sıralı kayda gider. Böylece, bir çalışma döngüsünde, paralel kayıttan gelen bir dizi yük seri kaydın girişine ulaşarak yeni oluşan yükler için yer açar.

Seri ve paralel kayıtların çalışması bir saat üreteci tarafından senkronize edilir. Parça dijital kamera matrisi Aynı zamanda yazmaç transfer elektrotlarına potansiyel sağlayan ve bunların çalışmasını kontrol eden bir mikro devre içerir.

Bu tür bir görüntü yoğunlaştırıcı tüpe tam çerçeve CCD matrisi adı verilir. Çalışması için, önce görüntü yoğunlaştırıcı tüpü ışığa maruz bırakmak için açan, ardından matris elemanlarında yeterli yükü biriktirmek için gerekli foton sayısını aldığında kapanan ışık geçirmez bir kapağa sahip olmak gerekir. ışıktan. Bu kapak, film kameralarındaki gibi mekanik bir deklanşördür. Böyle bir kapının yokluğu, yükler kaydırma kaydında hareket ettiğinde hücrelerin ışıkla ışınlanmaya devam etmesine ve her pikselin yüküne belirli bir noktanın ışık akısına karşılık gelmeyen ekstra elektronlar eklenmesine yol açar. Bu, yükün "bulaşmasına" ve buna bağlı olarak ortaya çıkan görüntünün bozulmasına yol açar.

giriiş

Bu ders çalışmasında dikkate alacağım Genel bilgişarj bağlantılı cihazlar, parametreler, yaratım tarihi, modern orta kızılötesi CCD kameraların özellikleri hakkında.

Yürütme sonucunda ders çalışması yaratılış, çalışma prensibi ile ilgili literatürü inceledi, teknik özellikler ve orta IR CCD kameraların kullanımı.

CCD. CCD işleminin fiziksel prensibi. CCD matrisi

Yük bağlantılı bir cihaz (CCD), ortak bir yarı iletken alt tabaka üzerinde, metal elektrot şeritlerinin doğrusal veya matris oluşturacağı şekilde oluşturulan bir dizi basit MIS (metal-dielektrik-yarı iletken) yapıdır. düzenli sistem bitişik elektrotlar arasındaki mesafelerin oldukça küçük olduğu (Şekil 1). Bu durum, cihazın çalışmasında belirleyici faktörün komşu MIS yapılarının karşılıklı etkisi olduğu gerçeğini belirler.

Şekil 1 - CCD yapısı

Işığa duyarlı CCD'lerin temel işlevsel amacı dönüşümdür optik görseller bir dizi elektrik darbesine (bir video sinyalinin oluşumu) ve ayrıca dijital ve analog bilgilerin depolanmasına ve işlenmesine dönüştürülür.

CCD'ler monokristalin silikondan yapılmıştır. Bunu yapmak için, termal oksidasyon kullanılarak bir silikon levhanın yüzeyinde ince (0,1-0,15 mikron) bir dielektrik silikon dioksit filmi oluşturulur. Bu işlem, yarı iletken-dielektrik arayüzünün mükemmelliğini sağlayacak ve arayüzdeki rekombinasyon merkezlerinin konsantrasyonunu en aza indirecek şekilde gerçekleştirilir. Bireysel MIS elemanlarının elektrotları alüminyumdan yapılmıştır, uzunlukları 3-7 mikron, elektrotlar arasındaki boşluk 0,2-3 mikrondur. MIS elemanlarının tipik sayısı doğrusal ve matris CCD'de 500-2000'dir; plaka alanı Her sıranın dış elektrotlarının altında, elektrik yüklerinin (şarj paketleri) bölümlerinin girişi ve çıkışı için tasarlanmış p-n bağlantıları yapılır. yöntemi (p-n bağlantısıyla enjeksiyon). Fotovoltaik ile Şarj paketlerine girerken CCD önden veya arkadan aydınlatılır. Önden aydınlatıldığında, elektrotların gölgeleme etkisini önlemek için, alüminyum genellikle spektrumun görünür ve IR'ye yakın bölgelerinde şeffaf olan, ağır katkılı polikristalin silikon (polisilikon) filmleriyle değiştirilir.

CCD'nin çalışma prensibi

CCD'nin genel çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. CCD'nin herhangi bir metal elektroduna negatif voltaj uygulanırsa, ortaya çıkan elektrik alanının etkisi altında, alt tabakadaki ana taşıyıcılar olan elektronlar yüzeyden yarı iletkenin derinliğine doğru hareket eder. Enerji diyagramında azınlık taşıyıcıları için bir potansiyel kuyusunu (delikler) temsil eden, yüzeye yakın bir tükenmiş bölge oluşur. Bu bölgeye bir şekilde giren delikler, dielektrik-yarı iletken arayüzüne çekilir ve yüzeye yakın dar bir katmanda lokalize olur.

Eğer bitişik elektroda daha büyük genliğe sahip bir negatif voltaj uygulanırsa, daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve delikler bunun içine doğru hareket eder. Çeşitli CCD elektrotlarına gerekli kontrol voltajlarının uygulanmasıyla, hem yüklerin belirli yüzeye yakın bölgelerde depolanması hem de yüklerin yüzey boyunca (yapıdan yapıya) yönlendirilmiş hareketinin sağlanması mümkündür. Bir şarj paketinin eklenmesi (yazma), örneğin en dıştaki CCD elemanının yakınında bulunan bir p-n bağlantısıyla veya ışık üretimiyle gerçekleştirilebilir. Yükü sistemden çıkarmanın (okuma) en kolay yolu da bir p-n bağlantısı kullanmaktır. Dolayısıyla CCD, harici bilgilerin (elektrik veya ışık sinyalleri), yüzeye yakın bölgelere belirli bir şekilde yerleştirilen mobil taşıyıcıların yük paketlerine dönüştürüldüğü ve bu paketlerin kontrollü hareketi ile bilgi işlemenin gerçekleştirildiği bir cihazdır. yüzey. Dijital ve analog sistemlerin CCD'ler temelinde oluşturulabileceği açıktır. İçin dijital sistemlerÖnemli olan tek şey, bir veya diğerinde delik yükünün varlığı veya yokluğudur. CCD öğesi Analog işlem sırasında hareketli yüklerin büyüklüğü ile ilgilenirler.

Bir görüntüyü taşıyan ışık akısı çok elementli veya matris CCD'ye yönlendirilirse, yarı iletkenin hacminde elektron-delik çiftlerinin fotojenerasyonu başlayacaktır. CCD'nin tükenmiş bölgesine gelindiğinde, taşıyıcılar ayrılır ve potansiyel kuyucuklarında delikler birikir (ve biriken yükün miktarı yerel aydınlatmayla orantılıdır). Görüntü algısı için yeterli olan bir süre sonra (birkaç milisaniye civarında), aydınlatma dağılımına karşılık gelen yük paketlerinin bir modeli CCD matrisinde depolanacaktır. Saat darbeleri açıldığında, şarj paketleri onları elektrik sinyallerine dönüştüren çıkış okuyucusuna gidecektir. Sonuç olarak çıktı, zarfı video sinyalinin verdiği farklı genliklere sahip bir dizi darbe olacaktır.

Bir CCD'nin çalışma prensibi, üç döngülü (üç fazlı) bir devre tarafından kontrol edilen bir FPCD hattının bir parçası örneği kullanılarak Şekil 2'de gösterilmektedir. Döngü I sırasında (video bilgilerinin algılanması, birikmesi ve depolanması), böylece -isminde depolama voltajı Uxp, çoğunluk taşıyıcılarını - p tipi silikon durumunda delikler - yarı iletkenin derinliklerine iter ve 0,5-2 μm derinliğinde tükenme katmanları oluşturur - elektronlar için potansiyel kuyular. FPCD yüzeyinin aydınlatılması, silikon hacminde aşırı elektron-delik çiftleri oluştururken, elektronlar potansiyel kuyulara çekilir ve 1, 4, 7 numaralı elektrotların altında ince (0,01 μm) bir yüzey katmanında lokalize edilerek sinyal yük paketleri oluşturulur.

şarj bağlantısı kamera kızılötesi

Şekil 2 - üç fazlı yük bağlantılı bir cihazın çalışma şeması - kaydırma yazmacı

Her paketteki yük miktarı, belirli bir elektrot yakınındaki yüzeyin maruz kalmasıyla orantılıdır. İyi oluşturulmuş MIS yapılarında, elektrotların yakınında ortaya çıkan yükler nispeten uzun bir süre devam edebilir, ancak safsızlık merkezleri tarafından yük taşıyıcılarının üretilmesi, kütledeki veya arayüzdeki kusurlar nedeniyle yavaş yavaş bu yükler potansiyel olarak birikecektir. sinyal yüklerini aşana ve hatta kuyuları tamamen doldurana kadar kuyucuklar.

Döngü II (şarj aktarımı) sırasında, elektrotlara (2, 5, 8 vb.) depolama voltajından daha yüksek bir okuma voltajı uygulanır. Bu nedenle 2, 5 ve 8 numaralı elektrotların altında daha derin potansiyeller ortaya çıkar. Elektronlar 1, 4 ve 7'nin altındaki kuyulardan daha fazladır ve 1 ve 2, 4 ve 5, 7 ve 8 numaralı elektrotların yakınlığı nedeniyle aralarındaki bariyerler kaybolur ve elektronlar komşu, daha derin potansiyel kuyularına akar.

Döngü III sırasında, elektrotlar (2, 5, 8) üzerindeki voltaj azaltılır ve elektrotlar (1, 4, 7) kaldırılır.

O. tüm şarj paketleri CCD hattı boyunca sağdaki bir adıma aktarılır, mesafeye eşit Bitişik elektrotlar arasında.

Tüm çalışma boyunca, potansiyellere doğrudan bağlı olmayan elektrotlar üzerinde küçük bir öngerilim voltajı (1-3 V) korunarak, yarı iletkenin tüm yüzeyinin yük taşıyıcılardan arındırılması ve üzerindeki rekombinasyon etkilerinin zayıflaması sağlanır.

Gerilim anahtarlama işleminin birçok kez tekrarlanmasıyla, örneğin hattaki ışıkla uyarılan tüm yük paketleri, arka arkaya dış r-h bağlantısından çıkarılır. Bu durumda, çıkış devresinde şarj miktarıyla orantılı olarak voltaj darbeleri belirir. bu paketin. Aydınlatma modeli, tüm hat boyunca hareket ettikten sonra bir dizi elektrik darbesine dönüştürülen bir yüzey yükü tahliyesine dönüştürülür. Bir sıra veya matristeki elemanların sayısı ne kadar fazla olursa (1 numara - IR alıcıları; 2 - tampon elemanları; 3 - CCD), yük paketinin bir elektrottan bitişik olana eksik aktarımı meydana gelir ve sonuçta ortaya çıkan bilgi bozulması artar. Aydınlatmanın aktarımı sırasında devam eden nedeniyle biriken video sinyalinin bozulmasını önlemek için, FPCD kristali üzerinde uzamsal olarak ayrılmış algı - birikim ve depolama - okuma alanları oluştururlar ve birincisinde maksimum ışığa duyarlılık sağlarlar ve ikincisinde . aksine, doğrusal bir FPCD'de ışıktan korunur (Şekil 3, a) bir döngüde 1. hatta biriken yükler, kayıt 2'ye ('den) aktarılır. eşit elemanlar) ve kayıt 3'e (tek olanlardan). Bu kayıtlardan gelen bilgiler çıkış 4 aracılığıyla sinyal birleştirme devresine 5 iletilirken, yeni bir video çerçevesi 1. satırda toplanır. Çerçeve aktarımlı FPCD'de (Şekil 3), birikim matrisi (7) tarafından algılanan bilgi, CCD kaydı (3) tarafından sırayla okunduğu depolama matrisine (2) hızlı bir şekilde "boşaltılır"; aynı zamanda matris 1 yeni bir çerçeve biriktirir.

Şekil 3 - Doğrusal (a), matris (b) ışığa duyarlı yük bağlantılı bir cihazda ve yük enjeksiyonlu bir cihazda bilgilerin birikmesi ve okunması.

CCD hariç en basit yapı(Şekil 1) diğer çeşitler yaygınlaşmıştır, özellikle yarı iletkenin tüm yüzeyine aktif ışık maruziyeti ve elektrotlar arasında küçük bir boşluk sağlayan polisilikon üst üste binen elektrotlara sahip cihazlar (Şekil 4) ve yüzey özelliklerinde asimetriye sahip cihazlar (için) örneğin, itme-çekme modunda çalışan, değişken kalınlıkta bir dielektrik katman - Şekil 4). Safsızlıkların difüzyonuyla oluşturulan hacimsel kanallı bir CCD'nin yapısı (Şekil 4) temelde farklıdır. Birikme, depolama ve yük aktarımı yarı iletkenin büyük kısmında meydana gelir; burada yüzeye göre merkezlerin daha az yeniden birleşimi ve taşıyıcıların daha yüksek hareketliliği vardır. Bunun sonucu, yüzey kanallı tüm CCD türleriyle karşılaştırıldığında değerde büyüklük sırasına göre bir artış ve bir azalmadır.

Şekil 4 - Yüzey ve hacim kanallarına sahip yük bağlantılı cihaz çeşitleri.

Renkli görüntüleri algılamak için iki yöntemden biri kullanılır: optik akışı bir prizma kullanarak kırmızı, yeşil, maviye bölmek, her birini özel bir FPCD kristali ile algılamak, üç kristalden gelen darbeleri tek bir video sinyalinde karıştırmak; FPCD'nin yüzeyinde bir film çizgisinin veya mozaik kodlama ışık filtresinin oluşturulması, çok renkli üçlülerden oluşan bir raster oluşturma.

CCD matrisi nedir?

CCD matrisi / Yük Bağlantılı Cihaz veya CCD matrisi / Şarj Bağlantılı Cihaz analogdur entegre devre silikon veya kalay oksitten yapılmış ışığa duyarlı fotodiyotlar içerir. Bu mikro devrenin çalışma prensibi şarj bağlantılı cihaz (CCD) teknolojisine dayanmaktadır.

CCD matrisinin tarihi

Şarj bağlantılı cihaz ilk kez 1969 yılında George Smith ve Willard Boyle tarafından ABD'nin en büyük şirketi AT&T Bell Laboratuvarları'nın Bell Laboratuvarlarında kullanıldı. Görüntülü telefon ve sözde "yarı iletken kabarcık belleği" 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 ve bugüne kadar CCD teknolojileri alanında aktif olarak çalışıyor, bu alana büyük finansal yatırımlar yapıyor, video kameraları için CCD matrislerinin üretimini mümkün olan her şekilde geliştiriyor. Bu arada CCD çipi kafanın mezar taşına 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. .

CCD matrisinin çalışma prensibi

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.

Pozlama tamamlandıktan sonra, her bir pikselde elektrotların besleme voltajında ​​art arda değişiklikler meydana gelir ve bunun yanında yüklerin hareket ettiği bir potansiyel dağılımı gözlemlenir. verilen yön- CCD matrisinin çıkış piksellerine.

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 üzerinde yalıtkan silikon oksit membranlı polikristalin 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 darbe akışı aslında amplifikatöre giden analog bir sinyaldir.

Böylece CCD elemanlarından gelen bir hattın yükleri, bir kayıt kullanılarak analog sinyale dönüştürülebilir. Uygulamada, CCD matrislerindeki sıralı kaydırma yazmacı, bir satırda yerleşik aynı CCD elemanları kullanılarak gerçekleştirilir. Ayrıca, bu cihazın çalışması, yük bağlantılı 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.

Sensör - ana unsur dijital kamera

Herhangi bir dijital video veya fotoğraf kamerasının kalbi (bu tür cihazlar arasındaki sınırlar artık giderek bulanıklaşıyor) ışığa duyarlı bir sensördür. Görünür ışığı daha ileri işlemler için kullanılan elektrik sinyallerine dönüştürür. elektronik devreler. Okuldaki fizik dersinden ışığın temel parçacıkların (fotonlar) akışı olarak düşünülebileceğini biliyoruz. Bazı yarı iletken malzemelerin yüzeyine çarpan fotonlar, elektronların ve deliklerin oluşumuna yol açabilir (yarı iletkenlerdeki bir deliğin genellikle bir yarı iletkenin atomları arasındaki kovalent bağların kopması sonucu oluşan bir elektron için boş bir yer olarak adlandırıldığını hatırlayın) madde). Işığın etkisi altında elektron-delik çiftleri oluşturma süreci, yalnızca foton enerjisinin bir elektronu "doğal" çekirdekten "kopması" ve onu iletim bandına aktarması için yeterli olması durumunda mümkündür. Bir fotonun enerjisi, gelen ışığın dalga boyuyla doğrudan ilişkilidir, yani radyasyonun sözde rengine bağlıdır. Görünür (yani insan gözüyle algılanan) radyasyon aralığında foton enerjisi, örneğin silikon gibi yarı iletken malzemelerde elektron-delik çiftlerinin üretilmesi için yeterlidir.

Üretilen fotoelektronların sayısı ışık akısının yoğunluğuyla doğru orantılı olduğundan, gelen ışığın miktarını ürettiği yük miktarıyla matematiksel olarak ilişkilendirmek mümkün hale gelir. Işığa duyarlı sensörlerin çalışma prensibi bu basit fiziksel olaya dayanmaktadır. Sensör beş temel işlemi gerçekleştirir: fotonları emer, onları yüke dönüştürür, depolar, iletir ve voltaja dönüştürür. Üretim teknolojisine bağlı olarak farklı sensörler, fotoelektronların depolanması ve biriktirilmesi görevlerini farklı şekillerde gerçekleştirir. Ek olarak, depolanan elektronları elektrik voltajına (analog sinyal) dönüştürmek ve bu voltajın da dijital sinyale dönüştürülmesi için çeşitli yöntemler kullanılabilir.

CCD sensörleri

Tarihsel olarak CCD matrisleri, 1973'te seri üretimine başlanan video kameralar için ışığa duyarlı elemanlar olarak kullanılan ilk matrislerdi. CCD kısaltması, şarj bağlantılı cihaz anlamına gelir; İngiliz literatüründe CCD (Charge-Coupled Device) terimi kullanılmaktadır. En basit CCD sensörü, birikebilen bir kapasitördür. elektrik şarjı. Dielektrik bir katmanla ayrılmış iki metal plakadan oluşan geleneksel bir kapasitör burada çalışmayacaktır, bu nedenle MOS kapasitörleri kullanılır. İç yapıları açısından bu tür kapasitörler metal, oksit ve yarı iletkenden oluşan bir sandviçtir (adlarını kullanılan bileşenlerin ilk harflerinden alırlar). Katkılı p-tipi silikon, yarı iletken, yani safsızlık atomlarının eklenmesi (doping) nedeniyle fazla deliklerin oluştuğu bir yarı iletken olarak kullanılır. Yarı iletkenin üzerinde ince bir dielektrik (silikon oksit) tabakası vardır ve terminolojiyi takip ederseniz, üstte kapı görevi gören bir metal tabakası vardır. Alan Etkili Transistörler(Şekil 1).

Daha önce belirtildiği gibi, ışığın etkisi altında bir yarı iletkende elektron-delik çiftleri oluşur. Bununla birlikte, üretim süreciyle birlikte ters süreç de meydana gelir: deliklerin ve elektronların yeniden birleşimi. Bu nedenle ortaya çıkan elektronları ve delikleri ayırıp gereken süre boyunca depolamak için adımlar atılmalıdır. Sonuçta, emilen ışığın yoğunluğu hakkında bilgi taşıyan, oluşan fotoelektronların sayısıdır. Kapı ve yalıtkan dielektrik katman bunun için tasarlanmıştır. Geçide pozitif bir potansiyelin uygulandığını varsayalım. Bu durumda, dielektrikten yarı iletkene nüfuz eden oluşturulan elektrik alanının etkisi altında, ana yük taşıyıcıları olan delikler dielektrikten yani yarı iletkenin derinliğine doğru kaymaya başlayacaktır. Yarı iletkenin dielektrik ile arayüzünde çoğunluk taşıyıcılarından yoksun bir bölge yani delikler oluşur ve bu bölgenin boyutu uygulanan potansiyelin büyüklüğüne bağlıdır. Fotoelektronların “depolandığı” bölge bu tükenmiş bölgedir. Aslında, bir yarı iletken ışığa maruz kalırsa, ortaya çıkan elektronlar ve delikler zıt yönlerde hareket edecektir; delikler yarı iletkenin derinliğine doğru, elektronlar ise tükenme katmanına doğru. Bu katmanda delik bulunmadığından elektronlar gerekli süre boyunca rekombinasyon işlemine tabi tutulmadan orada kalacaktır. Doğal olarak elektron birikim süreci sonsuza kadar devam edemez. Elektron sayısı arttıkça, pozitif yüklü delikler ile aralarında, kapının oluşturduğu alanın tersi yönde indüklenen bir elektrik alanı yaratılır. Sonuç olarak, yarı iletken içindeki alan sıfıra düşer ve bunun ardından deliklerin ve elektronların uzaysal olarak ayrılması işlemi imkansız hale gelir. Sonuç olarak, bir elektron-delik çiftinin oluşumuna rekombinasyonu eşlik eder, yani tükenmiş katmandaki "bilgi" elektronlarının sayısı artmayı bırakır. Bu durumda sensör kapasitesinin aşırı dolduğundan bahsedebiliriz.

Düşündüğümüz sensör iki önemli görevi yerine getirebiliyor; fotonları elektronlara dönüştürmek ve biriktirmek. Geriye bu bilgi elektronlarını karşılık gelen dönüşüm bloklarına aktarma problemini, yani bilgi alma problemini çözmek kalıyor.

Aynı dielektrik yüzeyinde bir değil, birbirine yakın birkaç kapı hayal edelim (Şekil 2). Fotojenerasyonun bir sonucu olarak elektronların kapılardan birinin altında birikmesine izin verin. Bitişik kapıya daha yüksek bir pozitif potansiyel uygulanırsa, elektronlar daha yüksek olan bölgeye akmaya başlayacaktır. güçlü alan yani bir kapıdan diğerine geçmek. Artık açık olmalı ki, eğer bir kapı zincirimiz varsa, onlara uygun kontrol voltajları uygulayarak, lokalize bir yük paketini böyle bir yapı boyunca hareket ettirebiliriz. Yük bağlantılı cihazların temeli bu basit prensibe dayanmaktadır.

CCD'lerin dikkate değer bir özelliği, biriken yükü hareket ettirmek için yalnızca üç tip kapının yeterli olmasıdır - biri verici, biri alıcı ve biri izolasyonlu, alma ve gönderme çiftlerini birbirinden ayıran ve bu tür üçlülerin aynı adı taşıyan kapılar yalnızca bir tane gerektiren tek bir saat lastiğine birbirine bağlanabilir harici çıkış(Şek. 3). Bu, bir CCD'deki en basit üç fazlı kaydırma yazmacıdır.

Şimdiye kadar CCD sensörünü yan bölüm boyunca yalnızca tek bir düzlemde ele aldık. Görüş alanımızın dışında kalan şey, elektronları enine yönde hapseden mekanizmadır; kapı uzun bir şerit gibidir. Böyle bir şerit içerisinde yarı iletkenin aydınlatmasının eşit olmadığı göz önüne alındığında, ışığın etkisi altındaki elektron üretim hızı kapının uzunluğu boyunca değişecektir. Elektronları oluşum bölgelerinin yakınında lokalize etmek için önlemler alınmazsa, difüzyonun bir sonucu olarak elektron konsantrasyonu düzleşecek ve ışık yoğunluğundaki uzunlamasına yöndeki değişiklikler hakkındaki bilgiler kaybolacaktır. Doğal olarak kapının boyutunu hem boyuna hem de enine yönde aynı yapmak mümkün olacaktır ancak bu çok fazla imalat gerektirecektir. çok sayıda CCD matrisindeki kapılar. Bu nedenle, ortaya çıkan elektronları uzunlamasına yönde lokalize etmek için, yüksek katkı içeriğine sahip dar bir yarı iletken şerit olan durdurma kanalları adı verilen kanallar kullanılır (Şekil 4). Safsızlık konsantrasyonu ne kadar büyük olursa, böyle bir iletkenin içinde o kadar çok delik oluşur (her safsızlık atomu bir delik oluşumuna yol açar). Ancak deliklerin konsantrasyonu, altında hangi spesifik geçit voltajında ​​bir tükenme bölgesinin oluştuğunu belirler. Bir yarı iletkendeki deliklerin konsantrasyonu ne kadar fazla olursa, onları daha derine itmenin de o kadar zor olacağı sezgisel olarak açıktır.

Göz önünde bulundurduğumuz CCD matrisinin yapısına yüzey iletim kanallı CCD denir, çünkü biriken yükün iletildiği kanal yarı iletkenin yüzeyinde yer alır. Yüzey iletim yönteminin, yarı iletken sınırın özellikleriyle ilişkili bir takım önemli dezavantajları vardır. Gerçek şu ki, yarı iletkenin uzayda sınırlandırılması, kristal kafesinin ideal simetrisini, ortaya çıkan tüm sonuçlarla ihlal ediyor. Katı hal fiziğinin inceliklerine dalmadan, böyle bir sınırlamanın elektronlar için enerji tuzaklarının oluşmasına yol açtığını belirtiyoruz. Sonuç olarak ışığın etkisi altında biriken elektronlar bir kapıdan diğerine aktarılmak yerine bu tuzaklar tarafından yakalanabilir. Diğer şeylerin yanı sıra, bu tür tuzaklar elektronları tahmin edilemeyecek şekilde serbest bırakabilir ve bu her zaman gerçekten ihtiyaç duyulduğunda gerçekleşmeyebilir. Yarı iletkenin "gürültü çıkarmaya" başladığı ortaya çıktı - başka bir deyişle, kapının altında biriken elektronların sayısı, emilen radyasyonun yoğunluğuna tam olarak karşılık gelmeyecek. Bu tür olayları önlemek mümkündür, ancak bunu yapmak için transfer kanalının iletkenin daha derinlerine taşınması gerekir. Bu çözüm 1972 yılında Philips uzmanları tarafından hayata geçirildi. Buradaki fikir, p-tipi yarı iletkenin yüzey bölgesinde ince bir n-tipi yarı iletken tabakasının, yani ana yük taşıyıcılarının elektronlar olduğu bir yarı iletkenin yaratılmasıydı (Şekil 5).

İki yarı iletkenin temasının iyi olduğu iyi bilinmektedir. çeşitli türler iletkenlik geçiş sınırında bir tükenme tabakasının oluşmasına yol açar. Bu, deliklerin ve elektronların karşılıklı zıt yönlerde yayılması ve bunların rekombinasyonu nedeniyle olur. Geçide pozitif bir potansiyel uygulanması tükenme bölgesinin boyutunu arttırır. Artık tükenme bölgesinin kendisinin veya fotoelektron kapasitesinin yüzeyde olmaması ve dolayısıyla elektronlar için yüzey tuzaklarının bulunmaması karakteristiktir. Böyle bir aktarım kanalına gizli denir ve tüm modern CCD'ler gizli bir aktarım kanalıyla üretilir.

Düşündüğümüz bir CCD sensörünün temel çalışma prensipleri, çeşitli mimarilerin CCD matrislerini oluşturmak için kullanılır. Yapısal olarak iki ana matris şeması ayırt edilebilir: kare kare aktarım ve satırlar arası aktarım.

Kare kare aktarıma sahip bir matriste, aynı sayıda satıra sahip iki eşdeğer bölüm vardır: birikim ve depolama. Bu bölümlerdeki her sıra üç kapıdan (verici, alıcı ve izolasyonlu) oluşur. Ayrıca yukarıda da belirtildiği gibi tüm hatlar yatay yönde birikim hücrelerini oluşturan birçok durdurma kanalıyla ayrılmaktadır. Böylece, bir CCD matrisinin en küçük yapısal elemanı (piksel), üç yatay kapı ve iki dikey durdurma kanalından oluşturulur (Şekil 6).

Maruz kalma sırasında birikim bölümünde fotoelektronlar oluşur. Bundan sonra kapılara uygulanan saat darbeleri, biriken yükleri biriktirme bölümünden gölgeli depolama bölümüne aktarır, yani çerçevenin tamamı aktarılır. Bu nedenle bu mimariye çerçeve aktarımlı CCD adı verilir. Aktarımdan sonra, depolama bölümü temizlenir ve yükleri yeniden biriktirebilir; bu sırada bellek bölümünden yükler yatay okuma kaydına akar. Yatay kaydın yapısı CCD sensörünün yapısına benzer - yük aktarımı için aynı üç kapı. Her yatay kayıt elemanının şarj bağlantısı bellek bölümünün karşılık gelen sütunu ile ve birikim bölümünden gelen her saat darbesi için, satırın tamamı okuma kaydında alınır ve daha sonra daha sonraki işlemler için çıkış amplifikatörüne aktarılır.

Dikkate alınan CCD matris devresinin şüphesiz bir avantajı vardır - yüksek doldurma faktörü. Bu terim genellikle matrisin ışığa duyarlı alanının toplam alanına oranını ifade etmek için kullanılır. Kare kare aktarım yapılan matrisler için doldurma faktörü neredeyse %100'e ulaşır. Bu özellik, bunlara dayalı olarak çok hassas cihazlar oluşturmayı mümkün kılar.

Dikkate alınan avantajlara ek olarak, kare kare aktarıma sahip matrislerin bir takım dezavantajları da vardır. Öncelikle transfer işleminin kendisinin anında gerçekleştirilemeyeceğini belirtelim. Bir takım olumsuz olaylara yol açan da bu durumdur. Biriktirme bölümünden depolama bölümüne yük aktarımı işlemi sırasında birincisi yanık kalır ve burada fotoelektron birikim süreci devam eder. Bu, görüntünün parlak alanlarının, bir başkasının şarj paketine sonradan bile katkıda bulunmayı başarmasına yol açmaktadır. Kısa bir zaman, bu sırada onlardan geçer. Sonuç olarak, çerçevede karakteristik bozulmalar ortaya çıkar. dikey çizgiler, görüntünün parlak alanlarından çerçevenin tamamı boyunca uzanır. Elbette bu tür olaylarla mücadele etmek için çeşitli hileler kullanılabilir, ancak en çok radikal bir şekilde transferin gölgeli alanda gerçekleşmesi için depolama bölümü ile transfer bölümünü ayırmaktır. Bu mimarinin matrislerine hatlar arası aktarıma sahip CCD'ler denir (Şekil 7).

Daha önce açıklanan kare kare aktarım matrisinin aksine, fotodiyotlar burada yük depolama elemanları olarak görev yapar (fotodiyotlar daha sonra daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır). Fotodiyotlar tarafından biriken yükler, daha fazla yük aktarımı gerçekleştiren gölgeli CCD elemanlarına aktarılır. Lütfen tüm çerçevenin fotodiyotlardan dikey CCD aktarım kayıtlarına aktarımının bir saat döngüsünde gerçekleştiğini unutmayın. Mantıklı bir soru ortaya çıkıyor: Bu mimari neden satır arası kısa çizgi adını aldı (“titreşimli kısa çizgi” terimi de kullanılıyor)? Interline adının kökenini ve kare kare aktarımı anlamak için, bir görüntünün video sinyali oluşturma ekranında görüntülenmesinin temel prensibini hatırlayalım. Çerçeve sinyali, bir çizgi aralığıyla ayrılmış çizgi sinyallerinden, yani ekran boyunca taranan elektron ışınının bir satırın sonundan diğerinin başına geçmesi için gereken süreden oluşur. Ayrıca çerçeveler arası boşluklar da vardır - ışının son satırın sonundan ilk satırın başına (yeni bir çerçeveye geçiş) taşınması için gereken süre.

Çerçeveler arası aktarıma sahip bir CCD matrisinin mimarisini hatırlarsak, bir çerçevenin birikim bölümünden depolama bölümüne aktarımının video sinyalinin çerçeveler arası boşluğu sırasında gerçekleştiği açıkça ortaya çıkar. Bu anlaşılabilir bir durumdur, çünkü çerçevenin tamamının aktarılması önemli miktarda zaman gerektirecektir. Hatlar arası aktarım mimarisinde çerçeve aktarımı bir saat döngüsünde gerçekleşir ve bunun için kısa bir süre yeterlidir. Daha sonra görüntü yatay kaydırma kaydına girer ve video sinyalinin satırlar arası aralıkları sırasında satır satır iletim gerçekleşir.

Tartışılan iki tip CCD matrisine ek olarak başka şemalar da vardır. Örneğin, çerçeveler arası ve hatlar arası mekanizmaları (hat-kare aktarımı) birleştiren bir şema, hatlar arası aktarım CCD matrisine bir depolama bölümünün eklenmesiyle elde edilir. Bu durumda, ışığa duyarlı elemanlardan çerçeve aktarımı, satırlar arası aralık sırasında bir saat döngüsünde gerçekleşir ve çerçeveler arası aralık sırasında çerçeve, depolama bölümüne aktarılır (çerçeveler arası aktarım); Satır aralığı (çerçeveler arası aktarım) sırasında çerçeve, depolama bölümünden yatay kaydırma yazmacına aktarılır.

Son zamanlarda, sekizgen piksellerden oluşan orijinal bir hücresel mimariyi kullanan süper CCD'ler (Süper CCD'ler) yaygınlaştı. Bundan dolayı silikonun çalışma yüzeyi artar ve piksel yoğunluğu (CCD piksel sayısı) artar. Ayrıca piksellerin sekizgen şekli ışığa duyarlı yüzeyin alanını arttırır.

CMOS sensörleri

Temel olarak farklı bir sensör türü, CMOS sensörüdür (CMOS - tamamlayıcı metal oksit-yarı iletken; İngilizce terminolojide - CMOS).

CMOS sensörlerinin iç mimarisi farklı olabilir. Böylece fotodiyotlar, fototransistörler veya fotokapılar ışığa duyarlı bir eleman olarak işlev görebilir. Işığa duyarlı elemanın türü ne olursa olsun, fotojenerasyon işlemi sırasında elde edilen delikleri ve elektronları ayırma prensibi değişmeden kalır. Tüm fotosellerin çalışma prensibini anlamanın kolay olduğu en basit fotodiyot tipini ele alalım.

En basit fotodiyot, n ve p tipi yarı iletkenlerin temasıdır. Bu yarı iletkenlerin arayüzünde bir tükenme bölgesi, yani deliklerin ve elektronların bulunmadığı bir katman oluşur. Böyle bir bölge, ana yük taşıyıcılarının karşılıklı zıt yönlerde difüzyonu sonucu oluşur. Delikler p-yarıiletkenden (yani bunların fazla olduğu bölgeden) n-yarıiletkene (yani konsantrasyonlarının düşük olduğu bölgeye) doğru hareket eder ve elektronlar ters yönde hareket eder. n-yarı iletkenden p-yarı iletkene. Bu rekombinasyon sonucunda delikler ve elektronlar kaybolur ve bir tükenme bölgesi oluşur. Ek olarak, tükenmiş bölgenin sınırlarında safsızlık iyonları açığa çıkar ve n-bölgesinde safsızlık iyonları pozitif yüke, p-bölgesinde ise negatif yüke sahiptir. Tükenme bölgesinin sınırı boyunca dağılan bu yükler, burada yaratılana benzer bir elektrik alanı oluşturur. düz kapasitör, iki tabaktan oluşuyor. Fotojenerasyon sırasında oluşan deliklerin ve elektronların mekansal olarak ayrılması işlevini yerine getiren bu alandır. Böyle bir yerel alanın varlığı (potansiyel bariyer olarak da adlandırılır), herhangi bir ışığa duyarlı sensörde (sadece fotodiyotta değil) temel bir noktadır.

Fotodiyotun ışıkla aydınlatıldığını, ışığın n-yarı iletken üzerine düştüğünü ve p-n bağlantısının ışık ışınlarına dik olduğunu varsayalım (Şekil 8). Fotoelektronlar ve fotodelikler kristalin derinliklerine yayılacak ve yeniden birleşmek için zamanı olmayan bazıları pn ekleminin yüzeyine ulaşacak. Bununla birlikte, elektronlar için mevcut elektrik alanı aşılmaz bir engeldir, potansiyel bir bariyerdir, dolayısıyla elektronlar p-n bağlantısını aşamayacaktır. Delikler ise tam tersine elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve p-bölgesine nüfuz eder. Deliklerin ve elektronların uzaysal olarak ayrılmasının bir sonucu olarak, n-bölgesi negatif olarak yüklenir (fazla fotoelektronlar) ve p-bölgesi pozitif olarak yüklenir (fazla fotodelikler).

CMOS sensörleri ile CCD sensörleri arasındaki temel fark, şarj biriktirme yönteminde değil, daha fazla aktarma yöntemindedir. CMOS teknolojisi, CCD'den farklı olarak şunları sağlar: büyük miktar doğrudan ışığa duyarlı matrisin bulunduğu çip üzerinde işlemler. CMOS sensörleri, elektronları serbest bırakmanın ve iletmenin yanı sıra görüntüleri işleyebilir, görüntü kenarlarını vurgulayabilir, gürültüyü azaltabilir ve analogdan dijitale dönüşümler gerçekleştirebilir. Üstelik programlanabilir CMOS sensörleri oluşturmak mümkün olduğundan çok esnek, çok işlevli bir cihaz elde edilebilir.

Tek bir çip tarafından gerçekleştirilen bu kadar geniş bir işlev yelpazesi, CMOS teknolojisinin CCD'ye göre temel avantajıdır. Bu, gerekli harici bileşenlerin sayısını azaltır. Dijital kamerada CMOS sensörünün kullanılması, boş alana diğer çipleri (örneğin, dijital sinyal işlemcileri (DSP) ve analogdan dijitale dönüştürücüler) kurmanıza olanak tanır.

CMOS teknolojilerinin hızlı gelişimi, aktif piksel sensörlerinin yaratıldığı 1993 yılında başladı. Bu teknolojiyle her pikselin kendi okuma transistör yükselticisi bulunur ve bu da yükün doğrudan pikselde voltaja dönüştürülmesine olanak tanır. Ek olarak, sensörün her pikseline rastgele erişim mümkün hale geldi (rastgele erişim belleğinin işleyişine benzer şekilde). Yük, paralel bir devre (Şekil 9) kullanılarak CMOS sensörünün aktif piksellerinden okunur; bu, sinyali her pikselden veya bir piksel sütunundan doğrudan okumanıza olanak tanır. Rastgele erişim, CMOS sensörünün yalnızca matrisin tamamını değil aynı zamanda örnek alanlar(pencere okuma yöntemi).

CMOS matrislerinin CCD'lere göre bariz avantajlarına rağmen (bunlardan en önemlisi daha fazlasıdır) Düşük fiyat), ayrıca bir takım dezavantajları da var. CMOS matris çipinde ek devrelerin varlığı, transistör ve diyot saçılması gibi bir dizi gürültünün ortaya çıkmasına ve ayrıca artık yükün etkisine, yani CMOS matrislerinin bugün daha gürültülü olmasına yol açar. Bu nedenle, yakın gelecekte profesyonel dijital kameralar yüksek kaliteli CCD matrislerini kullanacak ve CMOS sensörleri, özellikle Web kameralarını içeren daha ucuz cihazlar pazarına girecek.

Renk nasıl elde edilir

Yukarıda tartışılan ışığa duyarlı sensörler yalnızca emilen ışığın yoğunluğuna yanıt verebilir; yoğunluk ne kadar yüksek olursa, yük o kadar fazla birikir. Mantıksal bir soru ortaya çıkıyor: Renkli bir görüntü nasıl elde edilir?

Kameranın renkleri ayırt etmesini sağlamak için bir dizi renk filtresi (CFA, renk filtresi dizileri) doğrudan aktif piksele uygulanır. Renk filtresinin çalışma prensibi çok basittir: yalnızca ışığı iletir belli bir renk(başka bir deyişle yalnızca belirli bir dalga boyuna sahip ışık). Ancak farklı renk tonlarının sayısı neredeyse sınırsızsa, bu tür kaç filtreye ihtiyaç duyulacak? Birkaç ana (temel) rengin belirli oranlarda karıştırılmasıyla herhangi bir renk tonunun elde edilebileceği ortaya çıktı. En popüler eklemeli model olan RGB'de (Kırmızı, Yeşil, Mavi) bu tür üç renk vardır: kırmızı, yeşil ve mavi. Bu, yalnızca üç renk filtresinin gerekli olduğu anlamına gelir. Bu renge dikkat edin RGB modeli tek değil ama dijital Web kameralarının büyük çoğunluğu bunu kullanıyor.

En popülerleri Bayer desen filtre dizileridir. Bu sistemde kırmızı, yeşil ve mavi filtreler kademeli olarak yerleştirilmiştir ve yeşil filtrelerin sayısı kırmızı veya mavinin iki katı kadardır. Düzenleme, kırmızı ve mavi filtreler yeşil filtrelerin arasına yerleştirilecek şekildedir (Şek. 10).

Yeşil, kırmızı ve mavi filtrelerin bu oranı, insanın görsel algısının özellikleriyle açıklanmaktadır: gözlerimiz yeşil renge daha duyarlıdır.

CCD kameralarda üç bileşenin birleşimi renk kanalları sinyal analogdan dijitale dönüştürüldükten sonra bir görüntü oluşturma cihazında gerçekleştirilir. CMOS sensörlerinde bu kombinasyon doğrudan çip üzerinde de gerçekleşebilir. Her iki durumda da, her filtrenin ana renkleri, komşu filtrelerin renklerine dayalı olarak matematiksel olarak enterpolasyona tabi tutulur. Bu nedenle bir görüntü pikselinin gerçek rengini elde edebilmek için bu pikselin ışık filtresinden geçen ışığın şiddetinin yanı sıra ışık filtrelerinden geçen ışığın yoğunluk değerlerinin de bilinmesi gerekir. çevreleyen piksellerden oluşur.

Daha önce de belirtildiği gibi, RGB renk modeli, görünür spektrumun herhangi bir tonunu elde edebileceğiniz üç ana renk kullanır. Dijital kameralar kaç tonu ayırt edebilir? En yüksek miktar Farklı renk tonları, rengi kodlamak için kullanılan bit sayısına göre belirlenen renk derinliğine göre belirlenir. İÇİNDE popüler model Renk derinliği 24 bit olan RGB 24'te her renk için 8 bit bulunur. 8 bit ile sırasıyla kırmızı, yeşil ve mavi için 256 farklı renk belirtilebilir. Her renk tonuna 0 ila 255 arasında bir değer atanır. Örneğin, kırmızı renk 256 geçiş alabilir: saf kırmızıdan (255) siyaha (0). Maksimum kod değeri saf bir renge karşılık gelir ve her rengin kodu genellikle şu sıraya göre düzenlenir: kırmızı, yeşil ve mavi. Örneğin saf kırmızının kodu (255, 0, 0), yeşilin kodu (0, 255, 0) ve mavi renkli - (0, 0, 255). Sarı kırmızı ve yeşilin karıştırılmasıyla elde edilebilir ve kodu (255, 255, 0) şeklinde yazılır.

RGB modelinin yanı sıra birbirine benzeyen ve parlaklık ile renk sinyallerinin ayrılmasına dayanan YUV ve YСrCb modelleri de yaygın kullanım alanı bulmuştur. Y sinyali, kırmızı, yeşil ve mavinin karıştırılmasıyla belirlenen bir parlaklık sinyalidir. U ve V (Cr, Cb) sinyalleri renk farkıdır. Böylece U sinyali mavi ve sarı bileşenler arasındaki farka yakındır. renkli görüntü ve V sinyali renkli görüntünün kırmızı ve yeşil bileşenleri arasındaki farka yakındır.

YUV (YCrCb) modelinin temel avantajı, bu kodlama yönteminin RGB'den daha karmaşık olmasına rağmen daha az bant genişliği gerektirmesidir. Önemli olan bu hassasiyet insan gözü parlaklık Y bileşeni ve renk farkı bileşenleri aynı değildir, bu nedenle, Y bileşenleri dört bitişik pikselden oluşan bir grup için hesaplandığında, bu dönüşümü renk farkı bileşenlerinin inceltilmesi (serpiştirilmesi) ile gerçekleştirmek oldukça kabul edilebilir görünmektedir ( 2×2) ve ortak renk farkı bileşenleri kullanılır (şema 4:1:1 olarak adlandırılır). Zaten 4:1:1 şemasının çıktı akışını yarı yarıya azaltmanıza izin verdiğini hesaplamak kolaydır (dört bitişik piksel için 12 bayt yerine altı yeterlidir). YUV 4:2:2 kodlamada, parlaklık sinyali her nokta için iletilir ve U ve V renklilik sinyalleri yalnızca satırdaki her ikinci nokta için iletilir.

Dijital olanlar nasıl çalışır?

Web kameraları

Tüm dijital kamera türlerinin çalışma prensibi yaklaşık olarak aynıdır. En basit Web kamerasının tipik bir diyagramını ele alalım; diğer kamera türlerinden temel farkı, bilgisayara bağlanmak için bir USB arayüzünün varlığıdır.

Optik sisteme (lens) ve ışığa duyarlı CCD veya CMOS sensörüne ek olarak, ışığa duyarlı sensörün analog sinyallerini dijital koda dönüştüren bir analog-dijital dönüştürücüye (ADC) sahip olmak gerekir. Ayrıca renkli görüntü oluşturmaya yönelik bir sistem de gereklidir. Bir tane daha önemli unsur Kamera, verinin sıkıştırılmasından ve iletilmeye hazırlanmasından sorumlu olan devredir. gerekli formatta. Örneğin söz konusu web kamerasında video verileri bilgisayara bir USB arayüzü üzerinden iletildiği için çıkışında bir USB arayüz kontrol cihazının bulunması gerekmektedir. Yapısal şemaŞekil 2'de dijital kamera gösterilmektedir. onbir.

Analogdan dijitale dönüştürücü, sürekli bir analog sinyali örneklemek için tasarlanmıştır ve analog sinyalin ölçüldüğü zaman aralıklarının yanı sıra bit derinliğini belirleyen bir örnekleme frekansı ile karakterize edilir. ADC genişliği, her sinyal örneğini temsil etmek için kullanılan bit sayısıdır. Örneğin, 8 bitlik bir ADC kullanılırsa, sinyali temsil etmek için 8 bit kullanılır; bu, orijinal sinyalin 256 derecelendirmesinin ayırt edilmesine olanak tanır. 10 bitlik bir ADC kullanıldığında, bir analog sinyalin 1024 farklı derecelendirmesini ayırt etmek mümkündür.

USB 1.1'in düşük bant genişliği nedeniyle (yalnızca 12 Mbit/s, Web kamerası bunun 8 Mbit/s'den fazlasını kullanmaz), verilerin bir bilgisayara aktarılmadan önce sıkıştırılması gerekir. Örneğin 320x240 piksel kare çözünürlüğü ve 24 bit renk derinliği ile sıkıştırılmamış kare boyutu 1,76 Mbit olacaktır. 8 Mbps USB kanal bant genişliği ile azami hız sıkıştırılmamış bir sinyalin iletimi saniyede yalnızca 4,5 kare olacaktır ve kaliteli video saniyede 24 kare veya daha fazla bit hızı gereklidir. Böylece, iletilen bilgilerin donanımsal olarak sıkıştırılması olmadan kameranın normal çalışmasının imkansız olduğu ortaya çıkıyor.

Uyarınca teknik döküman Bu CMOS sensör 664x492 (326.688 piksel) çözünürlüğe sahiptir ve saniyede 30 kareye kadar çalışabilir. Sensör hem aşamalı hem de yatay tarama türlerini destekler ve 48 dB'den fazla sinyal-gürültü oranı sağlar.

Blok şemasından görülebileceği gibi, renk oluşumu bloğunun (analog sinyal işlemcisi) iki kanalı vardır - RGB ve YСrCb ve YСrCb modeli için parlaklık ve renk farkı sinyalleri aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanır:

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

Cr = 0,713 × (R – Y),

Cb = 0,564 × (B – Y).

Analog tarafından oluşturulan analog RGB ve YCrCb sinyalleri sinyal işlemcisi, her biri 13,5 MSPS'de çalışan ve piksel hızında senkronizasyon sağlayan iki adet 10 bitlik ADC tarafından işlenir. Veriler sayısallaştırıldıktan sonra, 16 bit YUV 4:2:2 veya 8 bit Y 4:0:0 formatında video verileri üreten bir dijital dönüştürücüye gönderilir ve bu, 16 bit YUV 4:2:2 veya 8 bit Y 4:0:0 formatında çıkış portuna gönderilir. 8 bitlik veri yolu.

Ek olarak, söz konusu CMOS sensörün çok çeşitli görüntü düzeltme yetenekleri vardır: beyaz dengesi, pozlama kontrolü, gama düzeltmesi, Renk düzeltmesi vesaire. Sensörün çalışması SCCB (Seri Kamera Kontrol Veriyolu) arayüzü aracılığıyla kontrol edilebilir.

Blok şeması Şekil 2'de gösterilen OV511+ mikro devresi. 13, bir USB denetleyicisidir.

Denetleyici, video verilerini bir USB veri yolu üzerinden 7,5 Mbit/s'ye varan hızlarda aktarmanıza olanak tanır. Böyle bir bant genişliğinin, bir video akışının ön sıkıştırma olmadan kabul edilebilir bir hızda iletilmesine izin vermeyeceğini hesaplamak kolaydır. Aslında sıkıştırma, USB denetleyicinin ana amacıdır. 8:1 sıkıştırma oranına kadar gerçek zamanlı olarak gerekli sıkıştırmayı sağlayan denetleyici, 640x480 çözünürlükte ve saniyede 30 kare hızında saniyede 10-15 kare hızında video akışı aktarmanıza olanak tanır. 320x240 ve daha düşük çözünürlükte.

Tescilli bir sıkıştırma algoritması uygulayan OmniCE bloğu, veri sıkıştırmasından sorumludur. OmniCE yalnızca şunları sağlamakla kalmaz gerekli hız video akışı, aynı zamanda minimum CPU yüküyle hızlı sıkıştırma açma (en azından geliştiricilere göre). OmniCE bloğunun sağladığı sıkıştırma oranı, gerekli video akış hızına bağlı olarak 4 ila 8 arasında değişir.

BilgisayarBasın 12"2001