(dil: 'ru')

Bir önceki yayında başlattığımız cihaz hakkındaki sohbete devam ediyorum.

Dijital kamerayı film kameralarından ayıran ana unsurlardan biri, 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 bir cihaz şarj bağlıİngilizce transkripsiyonda: yük 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 elektrik alanı tarafından elektrottan alt tabakanın derinliklerine doğru itilirler. 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, element üzerine gelen fotonların sayısıyla, yani ışık akısının yoğunluğuyla orantılıdır. Böylece matris üzerinde optik görüntüye karşılık gelen bir yük tahliyesi yaratılır.

CCD matrisinde 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 yükün büyüklüğüyle ve dolayısıyla olayla orantılıdır. ışık akısı. 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. Masraflar son satır sıralı kayıt defterine gidin. 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.

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 bir cihazın hafıza elemanının fotoelektrik etki nedeniyle yük alabilme yeteneği bu başvuru CCD cihazları ana cihazlardır.

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.

Maruziyet sonrasında ardışık değişiklikler elektrotlardaki voltajlar, her pikselde ve yanında bir potansiyel dağılımı oluşturur ve bu da yükün piksellere akışına yol açar. verilen yön, matrisin çıktı elemanlarına.

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. Daha fazla foton ( parlak ışık) kuyuya daha büyük bir 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 temsil etmek analog sinyal, daha sonra amplifikatöre gider.

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. Peki, CCD matrisinin kendisi normal operasyon hem seri hem de paralel kaydırma yazmaçlarının elektrotlarına potansiyel sağlayan ve her iki kaydın çalışmasını senkronize eden bir mikro devreye (veya bir dizisine) bağlanmalıdır. 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; fotoakımlar satır satır tampon yazmacına 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 düşse de pozlamalar arasındaki aralık kısalır - çizginin yarı yarıya "hareket etmesi" gerekir daha uzun mesafe. 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 teknolojisi için, pozlamalar arasındaki aralığın bir çift kare için değil, sürekli bir akış için en aza indirildiği yeni bir matris türü geliştirildi. 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 "yayılmasına" 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

giriiş

Bu ders çalışmasında, modern orta kızılötesi CCD kameraların yük bağlantılı cihazlar, parametreler, yaratım geçmişi ve özellikleri hakkında genel bilgileri ele alacağım.

Ders çalışmasını tamamlamanın bir sonucu olarak, yaratılış, çalışma prensibi ile ilgili literatürü inceledim. teknik özellikler ve orta IR CCD kameraların kullanımı.

CCD. Fiziksel prensip CCD işlemi. 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

Temel işlevsel amaçlarışığa duyarlı CCD'ler - optik görüntüleri bir dizi elektrik darbesine dönüştürür (bir video sinyalinin oluşumu) ve ayrıca dijital ve analog bilgileri saklar ve işler.

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, bir CCD, içinde dış bilgi(elektrikli veya ışık sinyalleri) yüzeye yakın bölgelere belirli bir şekilde yerleştirilen mobil taşıyıcıların yük paketlerine dönüştürülür ve bu paketlerin yüzey boyunca kontrollü hareketi ile bilgi işleme gerçekleştirilir. CCD'ler temelinde dijital oluşturmanın mümkün olduğu açıktır ve analog sistemler. Dijital sistemler için, yalnızca belirli bir CCD elemanında bir delik yükünün varlığı veya yokluğu önemlidir; analog işlemede bunlar, hareketli yüklerin büyüklüğüyle ilgilenir.

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 derinlikte tükenme katmanları oluşturur - elektronlar için potansiyel kuyular. FPCD yüzeyinin aydınlatılması, silikon hacminde aşırı elektron-delik çiftleri oluştururken, elektronlar potansiyel kuyucuklara 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 (yük 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. Aydınlatma aktarımı sırasında devam eden nedeniyle biriken video sinyalinin bozulmasını önlemek için, FPCD kristali üzerinde mekansal olarak ayrılmış algı - birikim ve depolama - okuma alanları oluştururlar ve ilkinde maksimum ışığa duyarlılık sağlarlar ve ikincisinde, aksine, ışıktan korur.Doğrusal bir FPCD'de (Şekil 3, a) bir döngüde hat 1'de biriken yükler, kayıt 2'ye aktarılır ('dan 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 ışığa maruz kalma 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 yüzeydekine göre merkezlerin yeniden birleşimi daha azdır ve taşıyıcıların hareketliliği daha yüksektir. 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.

Hakkında genel bilgiler CCD matrisleri Ah.

Şu anda çoğu görüntü yakalama sistemi, ışığa duyarlı cihaz olarak CCD (şarj bağlantılı cihaz) matrislerini kullanıyor.

Bir CCD matrisinin çalışma prensibi aşağıdaki gibidir: silikon temelinde ışığa duyarlı elemanlardan oluşan bir matris (birikim bölümü) oluşturulur. Işığa duyarlı her element, kendisine çarpan fotonların sayısıyla orantılı olarak yük biriktirme özelliğine sahiptir. Böylece, birikim bölümünde bir süre sonra (maruz kalma süresi), parlaklığa orantılı iki boyutlu bir yük matrisi elde edilir. gerçek görüntü. Biriken yükler ilk olarak depolama bölümüne aktarılır ve daha sonra satır satır ve piksel piksel matrisin çıkışına aktarılır.

Biriktirme bölümüne göre depolama bölümünün boyutu değişiklik gösterir:

• kare başına (aşamalı tarama için kare aktarımlı matrisler);
• yarım çerçeve başına (geçmeli tarama için çerçeve aktarımlı matrisler);

Depolama bölümünün bulunmadığı matrisler de vardır ve daha sonra doğrudan birikim bölümü üzerinden hat aktarımı gerçekleştirilir. Açıkçası, bu tür matrislerin çalışması için bir optik deklanşöre ihtiyaç vardır.

Modern CCD matrislerinin kalitesi, aktarım işlemi sırasında yükün neredeyse hiç değişmeden kalacağı şekildedir.

Televizyon kameralarının bariz çeşitliliğine rağmen, bunlarda kullanılan CCD matrisleri hemen hemen aynıdır, çünkü kütle ve geniş kapsamlı üretim CCD matrisleri yalnızca birkaç şirket tarafından üretilmektedir. Bunlar SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak'tır.

CCD matrislerinin ana parametreleri şunlardır:

• piksel cinsinden boyut;
• inç cinsinden fiziksel boyut (2/3, 1/2, 1/3 vb.). Üstelik sayıların kendisi hassas alanın tam boyutunu belirlemez, aksine cihazın sınıfını belirler;
• duyarlılık.

CCD kameraların çözünürlüğü.

CCD kameraların çözünürlüğü esas olarak CCD matrisinin piksel cinsinden boyutuna ve lensin kalitesine göre belirlenir. Bu, bir dereceye kadar kameranın elektronik aksamından etkilenebilir (kötü yapılmışsa çözünürlüğü kötüleştirebilir, ancak bu günlerde nadiren açıkçası kötü bir şey yaparlar).

Burada bir notu düşmek önemli. Bazı durumlarda iyileştirme için görünür çözünürlük Kameralara yüksek frekanslı uzamsal filtreler takılıdır. Bu durumda, daha küçük bir kameradan elde edilen bir nesnenin görüntüsü, aynı nesnenin daha iyi bir kameradan objektif olarak elde edilen görüntüsünden bile daha keskin görünebilir. Elbette kamera görsel gözetim sistemlerinde kullanıldığında bu kabul edilebilir, ancak ölçüm sistemlerinin oluşturulması için kesinlikle uygun değildir.

CCD matrislerinin çözünürlüğü ve formatı.

Şu anda çeşitli şirketler, birkaç yüzden birkaç bine kadar geniş bir boyut aralığını kapsayan CCD matrisleri üretmektedir. 10000x10000 boyutunda bir matris bu şekilde rapor edildi ve bu mesajda, bu matrisin maliyeti sorunu kadar, ortaya çıkan görüntülerin depolanması, işlenmesi ve iletilmesi sorunu da belirtildi. Bildiğimiz gibi boyutları 2000x2000'e kadar olan matrisler artık az çok yaygın olarak kullanılıyor.

En yaygın olarak veya daha doğrusu kitlesel olarak kullanılan CCD matrisleri kesinlikle televizyon standardına yönelik bir çözünürlüğe sahip matrisleri içerir. Bunlar esas olarak iki formattaki matrislerdir:

• 512*576;
• 768*576.

512*576 matrisler genellikle basit ve ucuz video gözetim sistemlerinde kullanılır.

768*576 matrisleri (bazen biraz daha fazla, bazen biraz daha az) standart bir televizyon sinyali için maksimum çözünürlüğü elde etmenizi sağlar. Aynı zamanda, 512*576 formatındaki matrislerden farklı olarak, kareye yakın ışığa duyarlı elemanların ızgara düzenine sahiptirler ve bu nedenle eşit yatay ve dikey çözünürlüğe sahiptirler.

Çoğu zaman kamera üreticileri televizyon satırlarında çözünürlüğü belirtirler. Bu, kameranın, görüntü alanında yazılı bir kare şeklinde düzenlenmiş, açık renkli bir arka plan üzerinde N/2 koyu dikey vuruş görmenize olanak sağladığı anlamına gelir; burada N, beyan edilen televizyon satırı sayısıdır. Standart bir televizyon masasıyla ilgili olarak bu, aşağıdakileri varsayar: mesafeyi seçerek ve masa görüntüsüne odaklanarak, monitördeki masa görüntüsünün üst ve alt kenarlarının masanın dış konturuyla çakışmasını sağlamak gerekir; siyah ve beyaz prizmaların köşeleriyle işaretlenmiştir; daha sonra, son alt odaklamanın ardından, dikey vuruşların ilk kez çözümlenmeyi bıraktığı dikey kama yerinde sayı okunur. Son söz çok önemli çünkü... ve 600 veya daha fazla vuruşa sahip bir masanın test alanlarının görüntüsünde, aslında masanın vuruşlarının ve hassas ızgaranın uzamsal frekanslarının vuruşuyla oluşturulan hareli olan alternatif şeritler sıklıkla görülebilir. CCD öğeleri matrisler. Bu etki özellikle yüksek frekanslı uzamsal filtrelere sahip kameralarda belirgindir (yukarı bakın)!

Diğer her şey eşit olduğunda (bu esas olarak lensten etkilenebilir), siyah beyaz kameraların çözünürlüğünün benzersiz bir şekilde CCD matrisinin boyutuna göre belirlendiğini belirtmek isterim. Yani 768*576 formatlı bir kameranın çözünürlüğü 576 televizyon satırı olacaktır, ancak bazı prospektüslerde 550, bazılarında ise 600 değerini bulabilirsiniz.

Lens.

Fiziksel CCD boyutu Hücreler merceğin çözünürlük gereksinimini belirleyen ana parametredir. Bu tür bir başka parametre, aşağıda tartışılacak olan matrisin hafif aşırı yük koşulları altında çalışmasını sağlama gerekliliği olabilir.

1/2 inçlik bir SONY ICX039 matrisi için piksel boyutu 8,6 µm*8,3 µm'dir. Bu nedenle lensin çözünürlüğü aşağıdakilerden daha iyi olmalıdır:

1/8.3*10e-3= 120 satır (milimetre başına 60 çift satır).

1/3 inçlik matrisler için yapılmış lensler için bu değer daha da yüksek olmalıdır, ancak bu, garip bir şekilde, maliyeti ve diyafram açıklığı gibi bir parametreyi etkilemez, çünkü bu lensler bir görüntü oluşturma ihtiyacı dikkate alınarak yapılır. matrisin ışığa duyarlı daha küçük bir alanında. Ayrıca, daha küçük matrislere yönelik merceklerin, kenarlardaki önemli ölçüde kötüleşen özelliklerden dolayı daha büyük matrisler için uygun olmadığı da anlaşılmaktadır. büyük matrisler. Aynı zamanda büyük sensörlere yönelik lensler, daha küçük sensörlerden elde edilen görüntülerin çözünürlüğünü sınırlayabilmektedir.

Ne yazık ki, televizyon kameralarına yönelik modern lens bolluğu nedeniyle bunların çözünürlüğü hakkında bilgi edinmek çok zordur.

Genel olarak, neredeyse tüm Müşterilerimiz video sistemlerini mevcut optiklere (mikroskoplar, teleskoplar vb.) kurduğu için lensleri sıklıkla seçmiyoruz, bu nedenle lens pazarına ilişkin bilgilerimiz not niteliğindedir. Basit ve ucuz lenslerin çözünürlüğünün mm başına 50-60 çift çizgi aralığında olduğunu söyleyebiliriz ki bu da genellikle yeterli değildir.

Öte yandan Zeiss'in mm başına 100-120 hat çifti çözünürlüğe sahip ürettiği özel lenslerin maliyetinin 1000 dolardan fazla olduğu bilgisine sahibiz.

Bu nedenle lens satın alırken ön test yapmak gerekir. Çoğu Moskova satıcısının test için lens sağladığını söylemeliyim. Burada, varlığı yukarıda belirtildiği gibi matrisin çözünürlüğü konusunda yanıltıcı olabilecek hareli efektini bir kez daha hatırlamakta fayda var. Bu nedenle, merceğe göre 600 televizyon çizgisinin üzerinde vuruşlara sahip tablonun bölümlerinin görüntüsünde hareli varlığı, ikincisinin çözünürlüğünün belirli bir rezervine işaret eder ve bu elbette zarar vermez.

Geometrik ölçümlerle ilgilenenler için belki önemli bir not daha. Tüm lenslerde bir dereceye kadar distorsiyon vardır (görüntü geometrisinin iğne yastığı şeklindeki distorsiyonu) ve lens ne kadar kısa olursa, kural olarak bu distorsiyonlar da o kadar büyük olur. Bize göre lensler odak uzunlukları 8-12 mm'den fazla. Her ne kadar "kabul edilebilirlik" düzeyi elbette televizyon kamerasının çözmesi gereken görevlere bağlı olsa da.

Görüntü giriş denetleyicilerinin çözünürlüğü

Görüntü giriş denetleyicilerinin çözünürlüğü, verileri daha sonra denetleyicinin belleğine kaydedilen denetleyicinin analog-dijital dönüştürücüsünün (ADC) dönüşüm frekansı olarak anlaşılmalıdır. Açıkçası dijitalleşme sıklığını arttırmanın makul bir sınırı var. Vidiconlar gibi ışığa duyarlı katmanın sürekli yapısına sahip cihazlar için, optimum frekans sayısallaştırma, yararlı videocon sinyalinin üst frekansının iki katına eşittir.

Bu tür ışık dedektörlerinin aksine, CCD matrisleri ayrı bir topolojiye sahiptir, dolayısıyla onlar için en uygun sayısallaştırma frekansı, matrisin çıkış kaydının kaydırma frekansı olarak belirlenir. Bu durumda kontrolörün ADC'sinin CCD matrisinin çıkış yazmacıyla senkronize çalışması önemlidir. Sadece bu durumda başarılabilir en iyi kalite hem ortaya çıkan görüntülerin "katı" geometrisini sağlama açısından hem de saat darbelerinden ve geçici süreçlerden kaynaklanan gürültüyü en aza indirme açısından dönüşümler.

CCD kameraların hassasiyeti

1994 yılından bu yana cihazlarımızda ICX039 CCD matrisini temel alan SONY kart kameraları kullanıyoruz. İÇİNDE SONY açıklaması Bu cihazın, lens açıklığı 1,4 olan bir nesne üzerinde 0,25 lüks hassasiyete sahip olacağı belirtilmektedir. Benzer parametrelere sahip (1/2 inç boyut, 752*576 çözünürlük) ve "bizim" SONY'ninkinden 10, hatta 100 kat daha yüksek beyan edilen hassasiyete sahip kameralarla zaten birkaç kez karşılaştık.

Bu rakamları defalarca kontrol ettik. Çoğu durumda, farklı şirketlerin kameralarında aynı ICX039 CCD matrisini bulduk. Üstelik tüm "borulama" mikro devreleri de SONY yapımıydı. Karşılaştırmalı testler, tüm bu kameraların neredeyse tamamen aynı olduğunu gösterdi. Peki soru nedir?

Ve bütün soru, duyarlılığın hangi sinyal-gürültü oranının (s/n) belirlendiğidir. Bizim durumumuzda SONY şirketi s/n = 46 dB'de hassasiyeti titizlikle gösterirken diğer firmalar bunu ya belirtmediler ya da öyle bir şekilde belirttiler ki, bu ölçümlerin hangi koşullar altında yapıldığı belli değil.

Bu, genel olarak çoğu kamera üreticisinin ortak bir belasıdır - kamera parametrelerini ölçme koşullarını belirtmemek.

Gerçek şu ki, S/N oranı gereksinimi azaldıkça kameranın hassasiyeti, gerekli S/N oranının karesiyle ters orantılı olarak artıyor:

Nerede:
ben - duyarlılık;
K - dönüşüm faktörü;
Doğrusal birimlerde s/n - s/n oranı,

Bu nedenle birçok şirket kamera hassasiyetini düşük S/N oranında belirtme eğiliminde.

Matrislerin daha iyi veya daha kötü “görme” yeteneğinin, yüzeyine gelen fotonlardan dönüştürülen yüklerin sayısı ve bu yüklerin çıktıya iletilme kalitesi ile belirlendiğini söyleyebiliriz. Birikmiş yüklerin miktarı, ışığa duyarlı elemanın alanına ve CCD matrisinin kuantum verimliliğine bağlıdır ve taşıma kalitesi, çoğu zaman tek bir şeye - okuma gürültüsüne inen birçok faktör tarafından belirlenir. Modern matrisler için okuma gürültüsü 10-30 elektron veya hatta daha azdır!

CCD matrislerinin elemanlarının alanları farklıdır ancak televizyon kameraları için 1/2 inçlik matrisler için tipik değer 8,5 µm * 8,5 µm'dir. Elemanların boyutunda bir artış, matrislerin boyutunda bir artışa yol açar; bu, üretim fiyatındaki fiili artış nedeniyle değil, bu tür cihazların seri üretiminin zorunlu olması nedeniyle maliyetlerini çok fazla artırır. birkaç büyüklük sırası daha küçüktür. Ek olarak, ışığa duyarlı bölgenin alanı, kristalin toplam yüzeyinin yüzdesinin hassas alan (doldurma faktörü) tarafından kaplandığı ölçüde matrisin topolojisinden etkilenir. Bazı özel matrislerde doldurma faktörü %100 olarak belirtilmektedir.

Modern matrisler için kuantum verimliliği (bir foton yüzeyine düştüğünde elektronlardaki hassas bir hücrenin yükünün ortalama ne kadar değiştiği) 0,4-0,6'dır (anti-blooming olmayan bazı matrisler için 0,85'e ulaşır).

Böylece CCD kameraların duyarlılığının belli bir değer s/sh, fiziksel sınıra yaklaştı. Sonuçlarımıza göre genel kullanıma yönelik kameraların s/w = 46'daki tipik hassasiyet değerleri, 1,4 lens açıklığına sahip nesne üzerindeki aydınlatmanın 0,15-0,25 lüks aralığında yer almaktadır.

Bu bağlamda, televizyon kameralarının açıklamalarında belirtilen hassasiyet rakamlarına körü körüne güvenmenizi önermiyoruz, özellikle bu parametreyi belirleme koşulları verilmediğinde ve pasaportta maliyeti 500 $'a kadar olan bir kamera görürseniz. Televizyon modunda 0,01-0,001 lüks, o zaman önce bir örnek verelim, en hafif deyimle yanlış bilgi.

CCD kameraların hassasiyetini artırmanın yolları hakkında

Uzak bir galaksi gibi çok soluk bir nesneyi görüntülemeniz gerekirse ne yaparsınız?

Bunu çözmenin bir yolu zaman içinde görüntüleri biriktirmektir. Bu yöntemin uygulanması CCD'nin hassasiyetini önemli ölçüde artırabilir. Elbette bu yöntem sabit gözlem nesnelerine veya astronomide olduğu gibi hareketin telafi edilebildiği durumlarda uygulanabilir.

Şekil 1 Gezegenimsi bulutsu M57.

Teleskop: 60 cm, maruz kalma - 20 saniye, maruz kalma sırasındaki sıcaklık - 20 C.
Bulutsunun merkezinde 15 büyüklüğünde bir yıldız nesnesi var.
Görüntü, Rusya Bilimler Akademisi Özel Astrofizik Gözlemevi'nde V. Amirkhanyan tarafından elde edildi.

CCD kameraların hassasiyetinin pozlama süresiyle doğru orantılı olduğu makul bir doğrulukla ifade edilebilir.

Örneğin, orijinal 1/50 saniyeye göre 1 saniyelik deklanşör hızındaki hassasiyet 50 kat artacaktır; daha iyi olacak - 0,005 lüks.

Elbette bu yolda sorunlar var ve bu, her şeyden önce, yararlı sinyalle aynı anda biriken yükleri getiren matrislerin karanlık akımıdır. Karanlık akım öncelikle kristalin üretim teknolojisi, ikinci olarak teknoloji düzeyi ve tabii ki büyük ölçüde matrisin çalışma sıcaklığı tarafından belirlenir.

Genellikle, dakikalar veya onlarca dakikalar düzeyinde uzun birikim süreleri elde etmek için matrisler eksi 20-40 dereceye kadar soğutulur. C. Matrislerin bu sıcaklıklara soğutulması sorunu çözüldü, ancak sislemeyle ilgili her zaman tasarım ve işletme sorunları olduğundan bunun yapılamayacağını söylemek imkansızdır. koruyucu gözlük ve termoelektrik buzdolabının sıcak bağlantı noktasından ısı salınımı.

Aynı zamanda CCD matrislerinin üretimindeki teknolojik ilerleme de karanlık akım gibi bir parametreyi etkilemiştir. Burada başarılar çok önemli ve bazı iyi modern matrislerin karanlık akımı çok küçük. Deneyimlerimize göre, soğutmasız kameralar, oda sıcaklığında onlarca saniye içinde ve karanlık arka plan telafisiyle birkaç dakikaya kadar pozlama yapılmasına olanak tanıyor. Örnek olarak burada M57 gezegenimsi bulutsunun VS-a-tandem-56/2 video sistemi ile soğutma olmadan 20 saniyelik pozlamayla elde edilmiş bir fotoğrafı verilmiştir.

Hassasiyeti arttırmanın ikinci yolu elektron-optik dönüştürücülerin (EOC) kullanılmasıdır. Görüntü yoğunlaştırıcılar ışık akısını artıran cihazlardır. Modern görüntü yoğunlaştırıcı tüpler çok büyük kazanç değerlerine sahip olabiliyor ancak detaya girmeden görüntü yoğunlaştırıcı tüplerin kullanımının sadece kameranın eşik hassasiyetini artırabileceğini ve bu nedenle kazancının çok büyük yapılmaması gerektiğini söyleyebiliriz.

CCD kameraların spektral duyarlılığı

Şekil 2 Çeşitli matrislerin spektral özellikleri

Bazı uygulamalar için CCD'nin spektral duyarlılığı önemli bir faktördür. Tüm CCD'ler silikon temelinde yapıldığından, "çıplak" formlarında CCD'nin spektral duyarlılığı silikonun bu parametresine karşılık gelir (bkz. Şekil 2).

Gördüğünüz gibi, tüm özellikleriyle CCD matrisleri kırmızı ve yakın kızılötesi (IR) aralığında maksimum duyarlılığa sahiptir ve spektrumun mavi-mor kısmında kesinlikle hiçbir şey görmez. CCD'lerin IR'ye yakın hassasiyeti, IR ışık kaynaklarıyla aydınlatılan gizli gözetim sistemlerinde ve ayrıca yüksek sıcaklıktaki nesnelerin termal alanlarını ölçerken kullanılır.

Pirinç. 3 Siyah ve beyazın tipik spektral özelliği SONY matrisleri.

SONY, tüm siyah-beyaz matrislerini aşağıdakilerle üretir: spektral karakteristik(bkz. Şekil 3). Bu şekilden de görebileceğiniz gibi, CCD'nin yakın IR'deki hassasiyeti önemli ölçüde azaldı, ancak matris spektrumun mavi bölgesini algılamaya başladı.

Çeşitli özel amaçlara yönelik olarak ultraviyole ve hatta X-ışını aralığına duyarlı matrisler geliştirilmektedir. Genellikle bu cihazlar benzersizdir ve fiyatları oldukça yüksektir.

Aşamalı ve taramalı tarama hakkında

Standart televizyon sinyali, bir televizyon yayını sistemi için geliştirilmiştir ve modern görüntü giriş ve işleme sistemleri açısından büyük bir dezavantaja sahiptir. TV sinyali 625 satır içermesine rağmen (bunlardan yaklaşık 576'sı video bilgisi içerir), çift satırlardan (çift yarım çerçeve) ve tek satırlardan (tek yarım çerçeve) oluşan 2 yarım çerçeve sırayla görüntülenir. Bu, eğer hareketli bir görüntü girilirse, analizin bir yarım çerçevedeki (288) satır sayısından daha fazla bir Y çözünürlüğünü kullanamayacağı gerçeğine yol açar. Ek olarak, modern sistemlerde, görüntü bir bilgisayar monitöründe (progresif tarama özelliğine sahip) görselleştirildiğinde, nesne hareket ederken taramalı kameradan gelen görüntü girişi, rahatsız edici bir görsel ikiye katlama etkisine neden olur.

Bu eksiklikle mücadeleye yönelik tüm yöntemler dikey çözünürlükte bozulmaya yol açmaktadır. Bu dezavantajın üstesinden gelmenin ve CCD'nin çözünürlüğüne uygun çözünürlük elde etmenin tek yolu CCD'de aşamalı taramaya geçmektir. CCD üreticileri bu tür matrisler üretiyor ancak üretim hacminin düşük olması nedeniyle bu tür matrislerin ve kameraların fiyatı geleneksel olanlardan çok daha yüksek. Örneğin, aşamalı tarama ICX074'e sahip bir SONY matrisinin fiyatı, ICX039'dan (titreşimli tarama) 3 kat daha yüksektir.

Diğer kamera seçenekleri

Bu diğerleri “çiçeklenme” gibi bir parametreyi içerir, yani. bireysel elemanları aşırı maruz kaldığında yükün matrisin yüzeyine yayılması. Uygulamada böyle bir durum, örneğin nesneleri parlamayla gözlemlerken ortaya çıkabilir. Bu, CCD'lerin oldukça hoş olmayan bir etkisidir, çünkü birkaç parlak nokta tüm görüntüyü bozabilir. Neyse ki birçok modern matrislerçiçeklenmeyi önleyici cihazlar içerir. Dolayısıyla, en son SONY matrislerinden bazılarının açıklamalarında, bireysel hücrelerin izin verilen aşırı ışık yükünü karakterize eden ve henüz yük yayılmasına yol açmayan 2000'i bulduk. Bu oldukça yüksek bir değerdir, özellikle de bu sonuç, deneyimlerimizin gösterdiği gibi, yalnızca matrisi ve video sinyali ön amplifikasyon kanalını doğrudan kontrol eden sürücülerin özel olarak ayarlanmasıyla elde edilebildiğinden. Ek olarak lens, parlak noktaların "yayılmasına" da katkıda bulunur, çünkü bu kadar büyük ışık aşırı yüklemelerinde, ana noktanın ötesindeki küçük saçılma bile komşu elemanlar için gözle görülür bir ışık desteği sağlar.

Kendimiz doğrulamadığımız bazı verilere göre, çiçeklenme önleyici matrislerin, çiçeklenme önleyici olmayan matrislere göre 2 kat daha düşük kuantum verimliliğine sahip olduğunu da burada belirtmek gerekir. Bu bakımdan çok yüksek hassasiyet gerektiren sistemlerde anti-blooming içermeyen matrislerin kullanılması mantıklı olabilir (bunlar genellikle astronomik görevler gibi özel görevlerdir).

Renkli kameralar hakkında

Bu bölümdeki materyaller, kurduğumuz ölçüm sistemlerinin kapsamının biraz ötesine geçmektedir, ancak renkli kameraların (siyah beyaz kameralardan bile daha fazla) yaygın kullanımı, özellikle Müşteriler sıklıkla kullanmaya çalıştığından, bizi bu konuyu açıklığa kavuşturmaya zorlamaktadır. kameralarımız ile siyah beyaz kameralar, beyaz çerçeve yakalayıcılı renkli televizyon kameraları ve ortaya çıkan görüntülerde bazı lekeler bulduklarında çok şaşırıyorlar ve görüntülerin çözünürlüğü yetersiz çıkıyor. Burada neler olduğunu açıklayalım.

Renk sinyali oluşturmanın 2 yolu vardır:

• 1. Tek matrisli kameranın kullanılması.
• 2. Bu matrisler üzerinde renk sinyalinin R, G, B bileşenlerini elde etmek için renk ayırma başlığına sahip 3 CCD matrisinden oluşan bir sistemin kullanılması.

İkinci yol en iyi kaliteyi sağlar ve yalnızca o almanızı sağlar ölçüm sistemleri Ancak bu prensiple çalışan kameralar oldukça pahalıdır (3000 dolardan fazla).

Çoğu durumda tek çipli CCD kameralar kullanılır. Şimdi çalışma prensiplerine bakalım.

CCD matrisinin oldukça geniş spektral özelliklerinden de anlaşılacağı üzere yüzeye çarpan fotonun “rengini” belirleyemez. Bu nedenle renkli bir görüntüye girebilmek için CCD matrisinin her bir elemanının önüne bir ışık filtresi takılır. Bu durumda matris elemanlarının toplam sayısı aynı kalır. Örneğin SONY, siyah beyaz ve renkli versiyonlar için tam olarak aynı CCD matrislerini üretiyor; bu matrisler, yalnızca renk matrisinde hassas alanlara doğrudan uygulanan bir ışık filtreleri ızgarasının varlığında farklılık gösteriyor. Birkaç matris renklendirme şeması vardır. İşte onlardan biri.

Burada 4 farklı filtre kullanılmaktadır (bkz. Şekil 4 ve Şekil 5).

Şekil 4. Filtrelerin CCD matris elemanları üzerindeki dağılımı

Şekil 5. CCD elemanlarının çeşitli filtrelerle spektral duyarlılığı.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

A1 satırında "kırmızı" renk farkı sinyali şu şekilde elde edilir:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

ve A2 satırında “mavi” bir renk farkı sinyali elde edilir:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Bundan, renkli bir CCD matrisinin uzamsal çözünürlüğünün, aynı siyah beyaz olanla karşılaştırıldığında genellikle yatay ve dikey olarak 1,3-1,5 kat daha kötü olduğu açıktır. Filtrelerin kullanılması nedeniyle renkli CCD'nin hassasiyeti de siyah beyaz olandan daha kötüdür. Dolayısıyla, 1000 * 800 tek matrisli bir alıcınız varsa, aslında parlaklık sinyali için yaklaşık 700 * 550 ve renk sinyali için 500 * 400 (700 * 400 mümkündür) elde edebileceğinizi söyleyebiliriz.

Teknik sorunları bir kenara bırakarak, birçok elektronik kamera üreticisinin reklam amaçlı olarak ekipmanlarıyla ilgili tamamen anlaşılmaz veriler rapor ettiğini belirtmek isterim. Örneğin Kodak firması DC120 elektronik kamerasının çözünürlüğünü 850x984 piksel matrisli 1200*1000 olarak duyuruyor. Ama beyler, görsel olarak iyi görünse de bilgi birdenbire ortaya çıkmıyor!

Renkli bir sinyalin (görüntünün rengi hakkında bilgi taşıyan bir sinyal) uzaysal çözünürlüğünün, siyah beyaz bir sinyalin çözünürlüğünden en az 2 kat daha kötü olduğu söylenebilir. Ek olarak, çıkış pikselinin "hesaplanan" rengi, kaynak görüntünün karşılık gelen öğesinin rengi değil, yalnızca kaynak görüntünün çeşitli öğelerinin parlaklığının işlenmesinin sonucudur. Kabaca söylemek gerekirse, bir nesnenin komşu öğelerinin parlaklıklarındaki keskin fark nedeniyle, hiç orada olmayan bir renk hesaplanabilirken, hafif bir kamera kaydırması, çıktı renginde keskin bir değişikliğe yol açacaktır. Örneğin: koyu ve açık gri bir alanın sınırı çok renkli karelerden oluşuyormuş gibi görünecektir.

Tüm bu hususlar yalnızca renkli CCD matrisleri hakkında bilgi edinmenin fiziksel ilkesiyle ilgilidir; renkli kameraların çıkışındaki video sinyalinin genellikle PAL, NTSC veya daha az sıklıkla standart formatlardan birinde sunulduğu dikkate alınmalıdır. S-video.

PAL ve NTSC formatları iyidir çünkü video girişi olan standart monitörlerde anında çoğaltılabilirler, ancak bu standartların renk sinyali için önemli ölçüde daha dar bir bant sağladığını unutmamalıyız, bu nedenle renkli bir görüntüden bahsetmek daha doğrudur. renkli olandan daha. Renk bileşeni taşıyan video sinyallerine sahip kameraların bir diğer hoş olmayan özelliği, siyah beyaz çerçeve yakalayıcılar tarafından elde edilen görüntüde yukarıda bahsedilen çizgilerin ortaya çıkmasıdır. Buradaki önemli nokta, renklilik sinyalinin neredeyse video sinyal bandının ortasında yer alması ve bir görüntü çerçevesine girerken parazit yaratmasıdır. Bu müdahaleyi televizyon monitöründe görmüyoruz çünkü bu “parazitin” fazı dört kareden sonra tersine çevriliyor ve göz tarafından ortalaması alınıyor. Görmediği parazitli bir görüntüyü alan Müşterinin şaşkınlığı buradan kaynaklanmaktadır.

Bundan, bazı ölçümler yapmanız veya nesneleri renge göre deşifre etmeniz gerekiyorsa, bu konuya görevinizin hem yukarıdaki hem de diğer özellikleri dikkate alınarak yaklaşılması gerektiği sonucu çıkmaktadır.

CMOS matrisleri hakkında

Elektronik dünyasında her şey çok hızlı değişiyor ve fotodetektörler alanı en muhafazakar alanlardan biri olmasına rağmen son zamanlarda buraya yeni teknolojiler yaklaşıyor. Her şeyden önce bu, CMOS televizyon matrislerinin ortaya çıkışıyla ilgilidir.

Aslında silikon ışığa duyarlı bir elementtir ve herhangi bir yarı iletken ürün sensör olarak kullanılabilir. CMOS teknolojisinin kullanımı, geleneksel teknolojiye göre birçok belirgin avantaj sağlar.

İlk olarak, CMOS teknolojisi iyi bir şekilde öğrenilmiştir ve yüksek verimde faydalı ürünler içeren elemanların üretilmesine olanak sağlar.

İkincisi, CMOS teknolojisi, ışığa duyarlı alana ek olarak, daha önce "dışarıda" kurulmuş olan çeşitli çerçeveleme cihazlarını (ADC'ye kadar) matris üzerine yerleştirmenize olanak tanır. Bu, aşağıdaki özelliklere sahip kameraların üretilmesini mümkün kılar: dijital çıkış"bir kristal üzerinde."

Bu avantajlar sayesinde çok daha ucuza televizyon kameraları üretmek mümkün hale geliyor. Ayrıca matris üreten şirketlerin yelpazesi de önemli ölçüde genişliyor.

Şu anda CMOS teknolojisini kullanan televizyon matrisleri ve kameraların üretimi yeni başlıyor. Bu tür cihazların parametreleri hakkındaki bilgiler çok azdır. Sadece bu matrislerin parametrelerinin şu anda elde edilenleri aşmadığını not edebiliriz, fiyata gelince avantajları yadsınamaz.

Örnek olarak Photobit PB-159'un tek çipli renkli kamerasını vereyim. Kamera tek bir çip üzerinde yapılmıştır ve aşağıdaki teknik parametrelere sahiptir:

• çözünürlük - 512*384;
• piksel boyutu - 7,9 µm*7,9 µm;
• hassasiyet - 1 lüks;
• çıkış - dijital 8 bit SRGB;
• gövde - 44 PLCC ayağı.

Böylece kamera hassasiyetini dört kat kaybediyor, ayrıca başka bir kameradaki bilgilerden bu teknolojinin nispeten büyük bir karanlık akımla ilgili sorunları olduğu açık.

Dijital kameralar hakkında

İÇİNDE son zamanlarda CCD ve CMOS matrisleri - dijital kameralar kullanılarak yeni bir pazar segmenti ortaya çıktı ve hızla büyüyor. Üstelik şu anda bu ürünlerin kalitesinde keskin bir artışla eş zamanlı olarak fiyatlarda keskin bir düşüş yaşanıyor. Aslında, yalnızca 2 yıl önce, yalnızca 1024*1024 çözünürlüğe sahip bir matrisin maliyeti yaklaşık 3000-7000 dolardı, ancak şimdi bu tür matrislere ve bir sürü özelliğe sahip kameralar (LCD ekran, bellek, değişken lens, kullanışlı gövde vb.) .) 1000$'dan daha düşük bir fiyata satın alınabilir. Bu ancak büyük ölçekli matris üretimine geçişle açıklanabilir.

Bu kameralar CCD ve CMOS matrislerini temel aldığından dolayı bu yazıda hassasiyet ve renk sinyali oluşumunun prensipleri ile ilgili yapılan tüm tartışmalar onlar için de geçerlidir.

Bir sonuç yerine

tarafımızdan biriktirilen pratik tecrübe aşağıdaki sonuçları çıkarmamızı sağlar:

• CCD matrislerinin üretim teknolojisi hassasiyet ve gürültü açısından fiziksel sınırlara çok yakındır;
• Televizyon kamera pazarında kabul edilebilir kalitede kameralar bulabilirsiniz, ancak daha yüksek parametrelere ulaşmak için ayarlamalar yapılması gerekebilir;
• Kamera broşürlerinde verilen yüksek hassasiyet rakamlarına aldanmayın;
• Yine de, kalite açısından tamamen aynı olan ve hatta farklı satıcıların aynı kameralarının fiyatları iki kattan fazla farklılık gösterebilir!

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 yıl 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 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 iletilmesine dayanmaktadır.

Pirinç. 1. CCD matrisinin temel tasarımı.

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) yarı iletkene (alan etkisi altında) 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 elektrik ücretleri Her pikselin biriktirdiği veriler sırasıyla cihazın “çıkışına” iletilir 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 matris veri sayfasında dalga boyunun bir fonksiyonu olarak verilir ve ayrı alanlar spektrum %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. Etki " keskin sınırlar" ve diğerleri.

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).

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. Guryanov. CCD'yle tanışın.