giriiş

Bu ders çalışmasında, şarj bağlantılı cihazlar, parametreler, yaratılış tarihi, modern orta kızılötesi CCD kameraların özellikleri hakkında genel bilgileri ele alacağım.

Kurs çalışmasının bir sonucu olarak, orta IR aralığında CCD kameraların oluşturulması, çalışma prensibi, teknik özellikleri ve uygulaması ile ilgili literatürü inceledim.

CCD. CCD'nin fiziksel prensibi. CCD

Bir şarj bağlantılı cihaz (CCD), ortak bir yarı iletken substrat üzerinde, metal elektrot şeritlerinin, komşu arasındaki mesafenin olduğu doğrusal veya matris düzenli bir sistem oluşturacak şekilde oluşturulmuş bir dizi basit MIS yapısıdır (metal-dielektrik-yarı iletken). elektrotlar yeterince küçüktür (Şekil 1). Bu durum, cihazın çalışmasında belirleyici faktörün, komşu MIS yapılarının karşılıklı etkisi olduğunu belirlemektedir.

Şekil 1 - CCD'nin Yapısı

Işığa duyarlı CCD'lerin temel işlevsel amaçları, optik görüntülerin bir dizi elektriksel impulsa (bir video sinyalinin oluşumu) dönüştürülmesinin yanı sıra dijital ve analog bilgilerin depolanması ve işlenmesidir.

CCD'ler, tek kristal silikon temelinde yapılır. Bunu yapmak için, termal oksidasyon ile bir silikon gofretin yüzeyinde ince (0.1-0.15 μm) bir dielektrik silikon dioksit filmi oluşturulur. Bu işlem, yarı iletken-dielektrik arayüzünün mükemmelliğini sağlayacak ve arayüzdeki rekombinasyon merkezlerinin konsantrasyonunu en aza indirecek şekilde gerçekleştirilir. Ayrı ayrı MIS elemanlarının elektrotları alüminyumdan yapılmıştır, uzunlukları 3-7 mikron, elektrotlar arasındaki boşluk 0,2-3 mikrondur. MIS öğelerinin tipik sayısı, doğrusal ve matris CCD'de 500-2000'dir; plaka alanı Her sıranın uç elektrotlarının altında, yüklerin (şarj paketleri) elektrik giriş - çıkış kısımlarını tasarlamak için tasarlanmış p- n - bağlantıları yapılır. yöntemi (p-n-kavşak enjeksiyonu). fotoelektrik ile şarj paketleri yerleştirildiğinde, CCD önden veya arkadan aydınlatılır. Önden aydınlatmada, elektrotların gölgeleme etkisinden kaçınmak için, alüminyum genellikle spektrumun görünür ve IR'ye yakın bölgelerinde şeffaf olan, ağır katkılı polikristal silikon (polisilikon) filmleriyle değiştirilir.

CCD'nin çalışma prensibi

CCD'nin genel çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Herhangi bir metal CCD elektroduna negatif voltaj uygulanırsa, ortaya çıkan bir elektrik alanının etkisi altında, alt tabakadaki ana taşıyıcılar olan elektronlar yüzeyden yarı iletkenin derinliklerine doğru hareket eder. Yüzeyde, enerji diyagramında azınlık taşıyıcıları - delikler için potansiyel bir kuyu olan tükenmiş bir bölge oluşur. Bir şekilde bu bölgeye giren delikler, dielektrik-yarı iletken arayüzüne çekilir ve yüzeye yakın dar bir katmanda bulunur.

Şimdi bitişik elektroda daha büyük genlikte bir negatif voltaj uygulanırsa, daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve delikler bunun içine geçer. Çeşitli CCD elektrotlarına gerekli kontrol voltajlarını uygulayarak, hem yüklerin çeşitli yüzeye yakın bölgelerde depolanmasını hem de yüklerin yüzey boyunca (yapıdan yapıya) yönlendirilmiş hareketini sağlamak mümkündür. Bir şarj paketinin tanıtılması (kayıt), örneğin aşırı CCD elemanının yakınında bulunan bir p-n bağlantısı veya ışık üretimi ile gerçekleştirilebilir. Sistemden bir yükün çıkarılması (okuma) ayrıca bir p-n bağlantısı kullanılarak gerçekleştirilmesi en kolay olanıdır. Bu nedenle, bir CCD, harici bilgilerin (elektrik veya ışık sinyalleri), yüzeye yakın bölgelere belirli bir şekilde yerleştirilmiş mobil taşıyıcıların şarj paketlerine dönüştürüldüğü ve bu paketlerin kontrollü hareketi ile bilgi işlemenin gerçekleştirildiği bir cihazdır. yüzey. Dijital ve analog sistemlerin CCD'ler temelinde inşa edilebileceği açıktır. Sayısal sistemler için, yalnızca belirli bir CCD elemanındaki deliklerin yükünün varlığı veya yokluğu önemlidir; analog işlemede, hareketli yüklerin büyüklükleriyle ilgilenirler.

Bir görüntü taşıyan bir ışık akısı, çok elemanlı veya matris CCD'ye yönlendirilirse, elektron deliği çiftlerinin fotojenerasyonu, yarı iletkenin büyük bölümünde başlayacaktır. CCD'nin tükenme bölgesine girerken, taşıyıcılar ayrılır ve potansiyel kuyularda delikler birikir (ayrıca biriken yük, yerel aydınlatma ile orantılıdır). Görüntü algısı için yeterli bir süre (birkaç milisaniye mertebesinde) geçtikten sonra, CCD dizisi, aydınlatma dağılımına karşılık gelen bir şarj paketleri modelini depolayacaktır. Saat darbeleri açıldığında, şarj paketleri onları elektrik sinyallerine dönüştürecek olan çıkış okuyucusuna hareket edecektir. Sonuç olarak, çıktı, video sinyalinin verdiği zarf olan farklı genliklere sahip bir darbe dizisi olacaktır.

Üç döngülü (üç fazlı) bir devre tarafından kontrol edilen bir FPCD hattının bir parçası örneği kullanılarak bir CCD'nin çalışma prensibi Şekil 2'de gösterilmektedir. Döngü I sırasında (video bilgilerinin algılanması, toplanması ve depolanması) , Lafta. ana taşıyıcıları - p tipi silikon durumunda delikler - yarı iletkenin derinliklerine iten ve 0,5-2 μm derinliğinde tükenmiş katmanlar - elektronlar için potansiyel kuyular oluşturan depolama gerilimi Uxp. FPCD yüzeyinin aydınlatması, silikon hacminde fazla elektron deliği çiftleri üretirken, elektronlar, elektrotlar 1, 4, 7 altında yüzeye yakın ince (0.01 μm) bir katmanda lokalize olan potansiyel kuyulara çekilir ve sinyal şarj paketleri oluşturur.

şarjlı iletişim kamerası kızılötesi

Şekil 2 - şarj bağlantılı üç fazlı bir cihazın çalışmasının diyagramı - bir kaydırma yazmacı

Her paketteki yük miktarı, verilen elektrotun yakınındaki yüzeyin maruz kalmasıyla orantılıdır. İyi biçimlendirilmiş MIS yapılarında, elektrotların yakınında oluşan yükler nispeten uzun bir süre devam edebilir, ancak safsızlık merkezleri tarafından yük taşıyıcıların üretilmesi, yığındaki veya arayüzdeki kusurlar nedeniyle bu yükler kademeli olarak birikir. Potansiyel kuyular, sinyal ücretlerini geçene ve hatta kuyuları tamamen doldurana kadar.

Döngü II (yük transferi) sırasında, elektrotlar 2, 5, 8 vb., depolama voltajından daha yüksek bir okuma voltajı ile uygulanır. Bu nedenle, elektrot 2, 5 ve 8 altında daha derin potansiyeller ortaya çıkar. 1, 4 ve 7 numaralı elektronların altındaki kuyulardan daha iyi ve 1 ve 2, 4 ve 5, 7 ve 8 numaralı elektrotların yakınlığı nedeniyle, aralarındaki bariyerler ortadan kalkar ve elektronlar komşu, daha derin potansiyel kuyulara akar.

Döngü III sırasında, elektrotlar 2, 5, 8 üzerindeki voltaj elektrotlar 1, 4, 7'ye düşürülür ve elektrotlardan çıkarılır.

O. tüm şarj paketleri, bitişik elektrotlar arasındaki mesafeye eşit bir adım sağa doğru CCD hattı boyunca aktarılır.

Tüm işlem sırasında, potansiyellere doğrudan bağlı olmayan elektrotlarda küçük bir ön gerilim (1-3 V) korunur, bu da yarı iletkenin tüm yüzeyinde yük taşıyıcıların tükenmesini ve bunun üzerindeki rekombinasyon etkilerinin zayıflamasını sağlar.

Voltaj anahtarlama işleminin birçok kez tekrarlanmasıyla, tüm şarj paketleri, örneğin hattaki ışık tarafından uyarılan aşırı r-h-bağlantısından sırayla çıkarılır. Bu durumda, çıkış devresinde bu paketin şarj miktarıyla orantılı olarak voltaj darbeleri belirir. Aydınlatma modeli, tüm hat boyunca hareket ettikten sonra bir dizi elektriksel darbeye dönüştürülen bir yüzey yükü tahliyesine dönüştürülür. Bir sıradaki veya matristeki öğe sayısı ne kadar fazlaysa (sayı 1 - IR alıcıları; 2 - tampon öğeleri; 3 - CCD), şarj paketinin bir elektrottan bitişik olana eksik bir aktarımı meydana gelir ve ortaya çıkan bilgi bozulması artar. Aydınlatma aktarımı sırasında devam eden nedeniyle biriken video sinyalinin bozulmasını önlemek için, FPCD kristalinde uzamsal olarak ayrılmış algılama - birikim ve depolama - okuma bölgeleri oluşturulur ve ilkinde maksimum ışığa duyarlılık sağlarlar ve ikincisi, açık tersine, ışıktan kalkan.Bir döngüde 1 tanesi kayıt 2'ye (çift elemanlardan) ve kayıt 3'e (tek elemanlardan) aktarılır.Bu kayıtlar çıkış 4 aracılığıyla sinyal birleştirme devresi 5'e iletilirken, yeni bir video çerçevesi 1. satırda toplanır. Çerçeve aktarımına sahip FPCD'de (Şekil 3), birikim matrisi 7 tarafından algılanan bilgi, halefinin içinden geçtiği depolama matrisi 2'ye hızlı bir şekilde "dökülür". ancak CCD kaydı 3 tarafından okunur; aynı zamanda matris 1 yeni bir çerçeve biriktirir.

Şekil 3 - şarj kuplajlı bir doğrusal (a), matris (b) ışığa duyarlı cihazda ve şarj enjeksiyonlu bir cihazda bilgilerin toplanması ve okunması.

En basit yapıya sahip CCD'lere (Şekil 1) ek olarak, diğer çeşitleri, özellikle yarı iletkenin tüm yüzeyinde aktif fotoetki ve aralarında küçük bir boşluk sağlayan polisilikon örtüşen elektrotlara sahip cihazlar (Şekil 4) yaygınlaştı. elektrotlar ve yüzeye yakın özelliklerin asimetrisine sahip cihazlar (örneğin, değişken kalınlıkta bir dielektrik tabaka ile - Şekil 4), itme-çekme modunda çalışır. Safsızlıkların difüzyonu ile oluşturulan hacimsel bir kanala (Şekil 4) sahip bir CCD'nin yapısı temelde farklıdır. Birikme, depolama ve yük transferi, merkezlerin yüzeydekinden daha az rekombinasyonu ve daha yüksek taşıyıcı hareketliliği olduğu yarı iletken kütlesinde meydana gelir. Bunun sonucu, değerin büyüklük sırasına göre bir artış ve yüzey kanallı tüm CCD türlerine kıyasla bir azalmadır.

Şekil 4 - Yüzey ve toplu kanallara sahip şarj bağlantılı cihazların çeşitleri.

Renkli görüntüleri algılamak için iki yöntemden biri kullanılır: optik akışın bir prizma kullanılarak kırmızı, yeşil, maviye ayrılması, her birinin özel bir FPCD - kristal tarafından algılanması, üç kristalin hepsinden gelen darbelerin tek bir videoda karıştırılması sinyal; FPCD'nin yüzeyinde çok renkli triadlardan oluşan bir raster oluşturan, film kesikli veya mozaik kodlamalı bir ışık filtresinin oluşturulması.

Sensör, kameranın ana yapısal öğesidir ve kullanıcı tarafından bir kamera seçerken dikkate alınan temel parametrelerden biridir. Modern dijital kameraların matrisleri çeşitli prosignlara göre sınıflandırılabilir, ancak ana ve en yaygın olanı matrislerin göre bölünmesidir. şarj okuma yöntemi, üzerinde: matrisler CCD yazın ve CMOS matrisler. Bu yazıda, modern fotoğraf ve video ekipmanlarında yaygın olarak kullanıldıklarından, bu iki tür matrisin çalışma ilkelerinin yanı sıra avantaj ve dezavantajlarını ele alacağız.

CCD matrisi

Matris CCD olarak da adlandırılır CCD(Şarj Bağlantılı Cihazlar). CCD matris, bir silikon yarı iletken kristal üzerine yerleştirilmiş, ışığa duyarlı elemanların (fotodiyotlar) dikdörtgen bir plakasıdır. Çalışma prensibi, silikon atomlarında fotonların oluşturduğu boşluklarda biriken yüklerin satır satır hareketine dayanır. Yani, bir fotodiyot ile çarpışma üzerine, bir ışık fotonu emilir ve bir elektron salınır (dahili bir fotoelektrik etki meydana gelir). Sonuç olarak, daha sonraki işlemler için bir şekilde depolanması gereken bir yük oluşur. Bu amaçla, matrisin silikon substratına bir yarı iletken gömülür ve bunun üzerine polikristalin silikondan yapılmış şeffaf bir elektrot yerleştirilir. Ve yarı iletken altındaki tükenmiş bölgede bu elektroda bir elektrik potansiyeli uygulanması sonucunda, fotonlardan alınan yükün depolandığı potansiyel kuyusu oluşur. Matristen bir elektrik yükü okunurken, yükler (potansiyel kuyularda depolanır) transfer elektrotları boyunca matrisin kenarına (seri kaydırma yazmacı) ve sinyali yükselten ve analoga ileten amplifikatöre doğru aktarılır. dönüştürülen sinyalin, sinyali işleyen ve elde edilen görüntüyü bir hafıza kartına kaydeden bir işlemciye gönderildiği dijital dönüştürücü (ADC) .

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

CCD'lerin Faydaları:

1. Matrisin tasarımı, alt tabaka üzerinde yüksek yoğunlukta fotoseller (pikseller) sağlar;
2. Yüksek verimlilik (kayıtlı fotonların toplam sayılarına oranı yaklaşık %95'tir);
3. Yüksek hassasiyet;
4. İyi renk üretimi (yeterli aydınlatma altında).

CCD matrislerinin dezavantajları:

1. Yüksek ISO'da yüksek gürültü (düşük ISO'da, gürültü seviyesi orta düzeydedir);
2. CMOS matrislerine kıyasla düşük hız;
3. Yüksek güç tüketimi;
4. Birçok kontrol mikro devresine ihtiyaç duyulduğu için daha karmaşık sinyal okuma teknolojisi;
5. Üretim, CMOS matrislerinden daha pahalıdır.

CMOS matrisi

Matris CMOS, veya CMOS sensörü(Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletkenler) aktif nokta sensörleri kullanır. CCD'lerden farklı olarak, CMOS sensörleri, ışığa duyarlı her öğede (piksel) ayrı bir transistör içerir, bu da şarj dönüşümünün doğrudan pikselde gerçekleştirilmesine neden olur. Ortaya çıkan yük, her bir pikselden ayrı ayrı okunabilir, bu nedenle (CCD'lerde olduğu gibi) yük aktarımına gerek yoktur. CMOS pikselleri doğrudan bir analogdan dijitale dönüştürücüyle veya hatta bir işlemciyle entegre edilir. Bu akıllı teknoloji, CCD matrislerine kıyasla daha kısa işlem zincirleri ve daha basit bir tasarım nedeniyle daha düşük cihaz maliyeti nedeniyle enerji tasarrufu sağlar.

CMOS sensörünün kısa çalışma prensibi: 1) Ateşlemeden önce sıfırlama transistörüne bir sıfırlama sinyali uygulanır. 2) Maruz kalma sırasında, ışık mercekten geçer ve fotodiyoda filtre olur 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 üretimi ile benzerliği nedeniyle daha az üretim maliyeti gerektirir;
4. Analog, dijital ve işleme parçalarını tek bir kristal üzerinde birleştirmenize olanak tanıyan diğer dijital unsurlarla teknolojinin birliği (yani, ışığı bir pikselde yakalamanın yanı sıra, sinyali gürültüden dönüştürebilir, işleyebilir ve temizleyebilirsiniz).
5. Yakalanan görüntünün boyutunu azaltabilen ve okuma hızını artırabilen her bir piksele veya piksel grubuna rastgele erişme yeteneği.

CMOS matrislerinin dezavantajları:

1. Fotodiyot, pikselin küçük bir alanını kaplar ve matrisin düşük ışık duyarlılığına neden olur, ancak modern CMOS matrislerinde bu eksi pratik olarak ortadan kaldırılır;
2. Okuma işlemi sırasında piksel içindeki ısıtma transistörlerinden kaynaklanan termal gürültünün varlığı.
3. Nispeten büyük boyutlar, bu tip matrislere sahip floroekipman, büyük ağırlık ve boyutlarla karakterize edilir.

Yukarıdaki tiplere ek olarak, her katmanı bir CCD olan üç katmanlı matrisler de vardır. Aradaki fark, hücrelerin aynı anda bir ışık huzmesi çarptığında dikroik prizmalardan oluşan üç rengi algılayabilmesidir. Daha sonra her ışın ayrı bir matrise yönlendirilir. Sonuç olarak mavi, kırmızı ve yeşil renklerin parlaklıkları fotosel üzerinde tek seferde belirlenir. Üç katmanlı matrisler, özel bir atamaya sahip üst düzey video kameralarda kullanılır - 3CCD.

Özetle, CCD ve CMOS matrislerinin üretimi için teknolojilerin gelişmesiyle birlikte özelliklerinin de değiştiğini, bu nedenle matrislerden hangisinin kesinlikle daha iyi olduğunu söylemenin giderek daha zor olduğunu, ancak aynı zamanda olduğunu belirtmek isterim. , CMOS matrisleri, SLR kameraların üretiminde giderek daha popüler hale geldi. Çeşitli matris türlerinin karakteristik özelliklerine dayanarak, yüksek kaliteli çekim sağlayan profesyonel fotoğraf ekipmanının neden oldukça hantal ve ağır olduğu konusunda net bir fikir edinilebilir. Bir kamera seçerken bu bilgiler hatırlanmalıdır - yani piksel sayısını değil, matrisin fiziksel boyutlarını dikkate alın.

CCD, 1969'da AT&T Bell Laboratuarlarında Willard Boyle ve George Smith tarafından icat edildi. Laboratuvarlar görüntülü telefon üzerinde çalıştı (İng. resimli telefon) ve "yarı iletken kabarcık hafızasının" (İng. yarı iletken kabarcık hafızası). Şarj çiftli cihazlar, yalnızca cihazın giriş kaydına bir şarj yerleştirilebilen bellek cihazları olarak hayata başladı. Bununla birlikte, cihazın bellek elemanının fotoelektrik etki nedeniyle bir şarj alma yeteneği, CCD cihazlarının bu uygulamasını ana akım haline getirdi.

Genel cihaz ve çalışma prensibi

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

Ayrıca, elektrotlar üzerindeki voltajların kombinasyonu, maruz kalma sırasında ışığa maruz kalmanın bir sonucu olarak matrisin belirli bir pikselinde oluşan elektronların birikebileceği bir potansiyel kuyusu oluşturur. Maruz kalma sırasında ışık akısı ne kadar yoğun olursa, sırasıyla potansiyel kuyuda o kadar fazla elektron birikir ve belirli bir pikselin son yükü o kadar yüksek olur.

Maruz kaldıktan sonra, elektrotlar üzerindeki voltajdaki ardışık değişiklikler, her pikselde ve onun yanında bir potansiyel dağılımı oluşturur, bu da matrisin çıkış elemanlarına belirli bir yönde bir yük akışına yol açar.

n tipi cep CCD alt pikseline bir örnek

Piksel mimarisi, üreticiden üreticiye değişir.

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

Tamponlama yöntemine göre sınıflandırma

Tam çerçeve aktarım sensörleri

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

Bir CCD elemanına düşen bir foton için, olayların gelişimi için üç senaryo vardır - ya yüzeyden "sekecek" ya da yarı iletkenin (matris malzemesi) kalınlığı tarafından emilecek ya da "delip geçecek" "çalışma alanı". Geliştiricilerin, "sekme" ve "ateş etme" kayıplarının en aza indirileceği böyle bir sensör yaratmaları gerektiği açıktır. Matris tarafından emilen aynı fotonlar, yarı iletken kristal kafesin bir atomu ile bir etkileşim varsa bir elektron deliği çifti veya etkileşim donör veya alıcı safsızlıkların atomları ile ise yalnızca bir elektron (veya delik) oluşturur ve bu fenomenlerin her ikisi de dahili fotoelektrik etki olarak adlandırılır. Elbette, sensörün çalışması dahili fotoelektrik etki ile sınırlı değildir - yarı iletkenden "alınan" yük taşıyıcılarını özel bir depoda saklamak ve ardından okumak gerekir.

CCD elemanı

Genel olarak, bir CCD elemanının tasarımı şuna benzer: p-tipi bir silikon substrat, n-tipi bir yarı iletkenden kanallarla donatılmıştır. Kanalların üzerinde, elektrotlar, yalıtkan bir silikon oksit tabakası ile çok kristalli silikondan yapılmıştır. Böyle bir elektrota bir elektrik potansiyeli uygulandıktan sonra, amacı elektronları depolamak olan n-tipi kanalın altındaki tükenme bölgesinde bir potansiyel kuyusu oluşturulur. Silikona nüfuz eden bir foton, potansiyel kuyu tarafından çekilen ve içinde kalan bir elektronun oluşmasına yol açar. Daha fazla foton (parlak ışık) kuyuya daha fazla yük sağlar. Daha sonra fotoakım olarak da adlandırılan bu yükün değerini okumak ve yükseltmek gerekir.

CCD elemanlarının fotoakımlarının okunması, girişteki bir sıra yükü çıkışta bir darbe dizisine dönüştüren sıralı kaydırma yazmaçları tarafından gerçekleştirilir. Bu seri, daha sonra amplifikatöre beslenen bir analog sinyaldir.

Böylece, kayıt kullanılarak, bir dizi CCD elemanının yüklerini bir analog sinyale dönüştürmek mümkündür. Aslında, bir CCD dizisindeki bir seri kaydırma yazmacı, arka arkaya birleştirilmiş aynı CCD elemanları kullanılarak uygulanır. Böyle bir cihazın çalışması, şarj bağlantılı cihazların (CCD kısaltmasının anlamı budur) potansiyel kuyularının yüklerini değiş tokuş etme kabiliyetine dayanır. Değişim, bitişik CCD elemanları arasında bulunan özel transfer kapılarının varlığı nedeniyle gerçekleştirilir. En yakın elektrota artan bir potansiyel uygulandığında, yük potansiyel kuyusundan altından “akar”. CCD elemanları arasında iki ila dört transfer elektrotu bulunabilir, kaydırma yazmacının "fazı", iki fazlı, üç fazlı veya dört fazlı olarak adlandırılabilen sayılarına bağlıdır.

Transfer elektrotlarına potansiyel beslemesi, kaydın tüm CCD elemanlarının potansiyel kuyularının yüklerinin hareketi aynı anda gerçekleşecek şekilde senkronize edilir. Ve bir aktarım döngüsünde, CCD öğeleri olduğu gibi, "zincir boyunca yükleri iletir" soldan sağa (veya sağdan sola). Pekala, "aşırı" olduğu ortaya çıkan CCD elemanı, yükünü yazmacın çıkışında bulunan cihaza, yani amplifikatöre verir.

Genel olarak, bir seri kaydırma yazmacı bir paralel giriş, seri çıkış aygıtıdır. Bu nedenle, kayıttan tüm yükleri okuduktan sonra, girişine yeni bir satır, ardından bir sonrakini uygulamak ve böylece iki boyutlu bir fotoakım dizisine dayalı sürekli bir analog sinyal oluşturmak mümkündür. Buna karşılık, seri kaydırma yazmacı (yani, iki boyutlu bir fotoakım dizisinin satırları) için giriş paralel akışı, paralel kaydırma yazmacı olarak adlandırılan bir dizi dikey olarak yönlendirilmiş seri kaydırma yazmacı tarafından sağlanır ve tamamı yapı bir bütün olarak sadece CCD matrisi adı verilen bir cihazdır.

Paralel kaydırma kaydını oluşturan "dikey" seri kaydırma yazmaçlarına CCD sütunları denir ve bunların çalışması tamamen senkronizedir. CCD dizisinin iki boyutlu fotoakım dizisi aynı anda bir satır aşağı kaydırılır ve bu, yalnızca "en altta" bulunan seri kaydırma yazmacından önceki satırın yükleri amplifikatöre gittikten sonra olur. Seri kayıt serbest bırakılana kadar, paralel kayıt boşta kalmaya zorlanır. Eh, normal çalışma için, CCD matrisinin kendisi, hem seri hem de paralel kaydırma yazmaçlarının elektrotlarına potansiyel sağlayan ve ayrıca her iki yazmacın çalışmasını senkronize eden bir mikro devreye (veya bir dizine) bağlanmalıdır. Ek olarak, bir saat üretecine ihtiyaç vardır.

Tam çerçeve sensörü

Bu tip sensör, yapıcı bir bakış açısından en basit olanıdır ve tam çerçeve CCD matrisi (tam çerçeve CCD matrisi) olarak adlandırılır. "Çemberleme" mikro devrelerine ek olarak, bu tür bir matrisin ayrıca pozlama tamamlandıktan sonra ışık akısını engelleyen mekanik bir deklanşöre ihtiyacı vardır. Deklanşör tamamen kapanmadan önce, yüklerin okunması başlatılamaz - paralel kaydırma yazmacının çalışma döngüsü sırasında, CCD matrisinin açık yüzeyine çarpan fotonların neden olduğu piksellerinin her birinin foto akımına fazladan elektronlar eklenecektir. . Bu fenomene, tam çerçeve matriste (tam çerçeve matris lekesi) yükün "bulaşması" denir.

Bu nedenle, böyle bir şemada çerçeve okuma hızı, hem paralel hem de seri kaydırma yazmaçlarının hızı ile sınırlıdır. Okuma işlemi tamamlanana kadar mercekten gelen ışığın engellenmesi gerektiği de açıktır, bu nedenle pozlamalar arasındaki aralık da okuma hızına bağlıdır.

Çerçeve tamponlu matrisler

Tam çerçeve matrisinin, paralel yazmacın yüklerinin seri olanın girişine satır satır gelmediği, ancak arabellek paralel kaydında "depolandığı" geliştirilmiş bir versiyonu vardır. Bu kayıt ana paralel kaydırma yazmacının altında bulunur, fotoakımlar satır satır arabellek yazmacına taşınır ve buradan seri kaydırma yazmacının girişine beslenir. Tampon kaydının yüzeyi, opak (genellikle metal) bir panel ile kaplanmıştır ve tüm sistem, çerçeve tamponlamalı (çerçeve - transfer CCD) bir matris olarak adlandırılır. Çerçeve Arabelleğe Alınmış Matris Bu şemada, ana paralel kaydırma yazmacının potansiyel kuyuları belirgin şekilde daha hızlı "boşalır", çünkü satırları ara belleğe aktarırken, her satırın seri kaydın tam bir döngüsünü beklemesine gerek yoktur. Bu nedenle, okuma hızı da düşmesine rağmen, pozlamalar arasındaki aralık azalır - çizgi iki kat daha fazla "yol almak" zorundadır. Böylece, tampon kaydı nedeniyle cihazın maliyeti önemli ölçüde artmasına rağmen, pozlamalar arasındaki aralık yalnızca iki çerçeve için azaltılır. Bununla birlikte, çerçeve tamponlamalı matrislerin en göze çarpan dezavantajı, değerlerinin güvenliğini olumsuz yönde etkileyen fotoakımların uzatılmış "rotasıdır". Ve her durumda, kareler arasında mekanik bir deklanşör çalışmalıdır, bu nedenle sürekli bir video sinyalinden bahsetmeye gerek yoktur.

Sütun tamponlamalı matrisler

Özellikle video ekipmanı için, pozlamalar arasındaki aralığın birkaç kare için değil, sürekli bir akış için en aza indirildiği yeni bir matris türü geliştirildi. Elbette bu sürekliliği sağlamak için mekanik bir panjurun reddini sağlamak gerekiyordu.

Aslında, hatlar arası CCD matrisi olarak adlandırılan bu şema, çerçeve tamponlu sistemlere biraz benzer - aynı zamanda, CCD elemanları opak bir kaplamanın altına gizlenmiş, tamponlanmış bir paralel kaydırma yazmacı kullanır. Bununla birlikte, bu arabellek, ana paralel yazmacın altındaki tek bir blokta yer almaz - sütunları, ana yazmacın sütunları arasında "karıştırılır". Sonuç olarak, ana kaydın her sütununun yanında bir tampon sütun vardır ve pozlamadan hemen sonra, foto akımlar "yukarıdan aşağıya" değil, "soldan sağa" (veya "sağdan sola") hareket eder. ) ve yalnızca bir çalışma döngüsünde, bir sonraki pozlama için potansiyel boşlukları tamamen ve tamamen serbest bırakarak arabellek kaydına girin. Tampon kütüğüne düşen yükler, bir seri kaydırmalı kütük aracılığıyla, yani “yukarıdan aşağıya” olağan sırayla okunur. Fotoakımların tampon kaydına sıfırlanması, mekanik bir deklanşörün yokluğunda bile yalnızca bir döngüde gerçekleştiğinden, tam çerçeve bir matriste yükün "bulaşmasına" benzer hiçbir şey yoktur. Ancak çoğu durumda her çerçeve için maruz kalma süresi, süre olarak arabellek paralel kaydının tam okunması için harcanan aralığa karşılık gelir. Tüm bunlar sayesinde, saniyede en az 30 kare olmak üzere yüksek kare hızına sahip bir video sinyali oluşturmak mümkün hale geliyor. Sütun tamponlamalı matris Sütun tamponlamalı matrisler, Rus literatüründe genellikle yanlışlıkla "geçişmeli" olarak adlandırılır. Bunun nedeni muhtemelen İngilizce "interline" (satır arabelleğe alma) ve "interlaced" (interlaced tarama) adlarının kulağa çok benzer gelmesidir. Aslında, bir döngüdeki tüm satırları okurken, aşamalı bir tarama matrisinden (aşamalı tarama) bahsedebiliriz ve ilk döngüde tek satırlar ve ikinci döngüde çift satırlar (veya tersi) okunduğunda, biz taramalı tarama matrisinden (interlace tarama) bahsediyoruz.

Kamera matrislerinin boyutları

atama		Genişlik	Yükseklik	Diyagonal	Meydan	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-1Ds (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	Sıgma SD14
4/3 "	1,92 - 2	17,3 - 18	13 −13,5	21,6 - 22,5	224,9 - 243	Olimpos 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	Olimpos SP-560
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	Olimpos C-900
1/2,8"	≈7					Canon DC40
1/2,9"	≈7					Sony HDR-SR7E
1/3"	7,21	4,8	3,6	6	17,3	Canon PowerShot A460
1/3,1"	≈7					Sony HDR-SR12E
1/3,2"	7,62	4,536	3,416	5,7	15,5	Canon HF100
1/3,4"	≈8					Canon MVX35i
1/3,6"	8,65	4	3	5	12	JVC GR-DZ7
1/3,9"	≈9					Canon DC22
1/4"						Canon XM2
1/4,5"						Samsung VP-HMX10C
1/4,7"						Panasonic NV-GS500EE-S
1/5"						Sony DCR-SR80E
1/5,5"						JVC Everio GZ-HD7
1/6"	14,71	2,4	1,7	2,9	4,1	Sony DCR-DVD308E
1/8"						Sony DCR-SR45E

Dijital sinema kameralarının matris boyutları

atama	uygunluk biçim sinema filmi	Genişlik

CCD nedir?

biraz tarih

Fotoğraf malzemeleri daha önce ışık alıcısı olarak kullanılıyordu: fotoğraf plakaları, fotoğraf filmi, fotoğraf kağıdı. Daha sonra televizyon kameraları ve PMT'ler (fotoelektrik çarpan) ortaya çıktı.
60'ların sonunda ve 70'lerin başında, CCD olarak kısaltılan sözde "Şarj Bağlantılı Cihazlar" geliştirilmeye başlandı. İngilizce'de "şarj bağlantılı cihazlar" veya kısaca CCD gibi görünür. CCD'lerin arkasındaki ilke, silikonun görünür ışığa tepki verebilmesiydi. Ve bu gerçek, bu prensibin parlak nesnelerin görüntülerini elde etmek için kullanılabileceği fikrine yol açtı.

Gökbilimciler, CCD'lerin görüntüleme için olağanüstü yeteneklerini fark eden ilk kişiler arasındaydı. 1972'de JPL'den (Jet Propulsion Laboratory, ABD) bir grup araştırmacı, astronomi ve uzay araştırmaları için CCD geliştirme programını kurdu. Üç yıl sonra, bu ekip Arizona Üniversitesi'nden bilim adamlarıyla birlikte ilk astronomik CCD görüntüsünü elde etti. Uranüs'ün 1,5 metrelik bir teleskop kullanılarak yakın kızılötesi görüntüsünde, gezegenin güney kutbuna yakın yerlerde metan varlığını gösteren karanlık noktalar bulundu ...

Günümüzde CCD matrislerinin kullanımı geniş uygulama alanı bulmuştur: dijital kameralar, video kameralar; CCD matrix benzeri kameraları cep telefonlarına bile gömmek mümkün hale geldi.

CCD cihazı

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

Pirinç. 1. Bir CCD matrisinin ana aygıtı.

Şek. 1, C1, C2 ve C3 sembolleri MOS kapasitörlerini (metal oksit yarı iletken) belirtir.

Herhangi bir elektrota pozitif bir U voltajı uygulanırsa, MIS yapısında, çoğu taşıyıcının (deliklerin) çok hızlı bir şekilde (birkaç pikosaniyede) yarı iletken yüzeyi terk ettiği bir elektrik alanı ortaya çıkar. Sonuç olarak, yüzeyin yakınında, kalınlığı bir mikrometrenin kesirleri veya birimleri olan tükenmiş bir tabaka oluşur. Herhangi bir işlemin (örneğin termal) etkisi altında tükenme katmanında üretilen veya difüzyon etkisi altında yarı iletkenin nötr bölgelerinden oraya gelen azınlık taşıyıcıları (elektronlar) yarı iletkene (alanın etkisi altında) hareket edecektir. -dielektrik arabirim ve dar bir ters katmanda lokalize olabilir. Böylece, elektronlar için, alanın etkisi altında tükenmiş katmandan yuvarlandıkları yüzeyin yakınında bir potansiyel kuyusu belirir. Tükenme katmanında üretilen çoğunluk taşıyıcıları (delikler), alanın etkisi altında yarı iletkenin nötr kısmına atılır.
Belirli bir zaman aralığında, her piksel, içine giren ışık miktarıyla orantılı olarak yavaş yavaş elektronlarla dolar. Bu süre sonunda her bir pikselin biriktirdiği elektrik yükleri sırayla cihazın "çıkışına" aktarılır ve ölçülür.

Matrislerin ışığa duyarlı piksellerinin boyutu bir veya iki ila birkaç on mikron arasında değişir. Fotoğraf filminin ışığa duyarlı tabakasındaki gümüş halojenür kristallerinin boyutu 0,1 (pozitif emülsiyonlar) ila 1 mikron (çok hassas negatif olanlar) arasında değişir.

Matrisin ana parametrelerinden biri, sözde kuantum verimliliğidir. Bu ad, emilen fotonları (kuantum) fotoelektronlara dönüştürmenin etkinliğini yansıtır ve fotoğrafik ışığa duyarlılık kavramına benzer. Işık miktarının enerjisi rengine (dalga boyu) bağlı olduğundan, örneğin yüz heterojen foton akışını emdiğinde bir matris pikselinde kaç elektronun doğacağını kesin olarak belirlemek imkansızdır. Bu nedenle, kuantum verimliliği matris pasaportunda genellikle dalga boyunun bir fonksiyonu olarak verilir ve spektrumun bazı kısımlarında %80'e ulaşabilir. Bu, fotoğrafik emülsiyon veya gözden çok daha fazlasıdır (yaklaşık %1).

CCD matrisleri nedir?

Pikseller bir sıra halinde dizilmişse alıcıya CCD-çizgisi, yüzey alanı çift sıralarla doluysa alıcıya CCD-matris adı verilir.

CCD cetveli, astronomik gözlemler için 80'lerde ve 90'larda geniş bir uygulama yelpazesine sahipti. Görüntüyü CCD cetveli boyunca tutmak yeterliydi ve bilgisayar monitöründe belirdi. Ancak bu sürece birçok zorluk eşlik etti ve bu nedenle şu anda CCD dizilerinin yerini giderek artan bir şekilde CCD matrisleri alıyor.

İstenmeyen Etkiler

CCD yük transferinin gözlemlere müdahale edebilen istenmeyen yan etkilerinden biri, küçük bir alanın parlak görüntü alanları yerine parlak dikey şeritler (sütunlar) oluşmasıdır. Ayrıca, CCD matrislerinin olası istenmeyen etkileri şunları içerir: yüksek karanlık gürültü, "kör" veya "sıcak" piksellerin varlığı, matris alanı boyunca eşit olmayan hassasiyet. Karanlık gürültüyü azaltmak için CCD matrislerinin otonom soğutması -20°C ve altındaki sıcaklıklarda kullanılır. Veya önceki karenin yapıldığı süre (pozlama) ve sıcaklıkta koyu bir kare çekilir (örneğin, kapalı bir mercekle). Akabinde bilgisayardaki özel bir program, karanlık çerçeveyi görüntüden çıkarır.

CCD tabanlı televizyon kameraları, 752 x 582 piksel çözünürlükte saniyede 25 kareye kadar görüntü yakalama yeteneği sağlamaları açısından iyidir. Ancak bu türdeki bazı kameraların astronomik gözlemler için uygun olmaması, üreticinin alınan karelerin görerek daha iyi algılanması için içlerinde dahili görüntü ön işleme (okuma - bozulmalar) uygulamasıdır. Bu AGC (otomatik kontrol ayarı) ve sözde. "keskin sınırlar" ve diğerlerinin etkisi.

İlerlemek…

Genel olarak, CCD alıcılarının kullanımı, dijital olmayan ışık alıcılarının kullanımına göre çok daha uygundur, çünkü elde edilen veriler hemen bir bilgisayarda işlenmeye uygun bir biçimde görünür ve ayrıca tek tek çerçeveleri elde etme hızı da artar. çok yüksek (saniyede birkaç kareden dakikalara).

Şu anda, CCD matrislerinin üretimi hızla gelişiyor ve gelişiyor. Matrislerin "megapiksel" sayısı - matrisin birim alanı başına ayrı piksel sayısı - artıyor. CCD'ler vb. ile elde edilen görüntülerin kalitesinin iyileştirilmesi

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

İlk kez, elektronik yükleri depolama ve ardından okuma fikriyle CCD ilkesi, 60'ların sonlarında, ferrit halkalardaki belleğin yerini alabilecek bilgisayarlar için yeni bellek türleri ararken iki BELL mühendisi tarafından geliştirildi. (evet, böyle bir hatıra vardı). Bu fikrin ümit verici olmadığı ortaya çıktı, ancak silikonun görünür radyasyon spektrumuna yanıt verme yeteneği fark edildi ve bu prensibi görüntü işleme için kullanma fikri geliştirildi.

Terimin tanımıyla başlayalım.

CCD kısaltması, "Charge-Coupled Devices" anlamına gelir - bu terim, İngilizce "Charge-Coupled Devices" (CCD) kelimesinden oluşturulmuştur.

Bu tür bir cihaz şu anda görüntü kaydı için çeşitli optoelektronik cihazlarda çok geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Günlük yaşamda bunlar dijital kameralar, video kameralar, çeşitli tarayıcılardır.

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

birinci olarak, bir CCD alıcısında, birkaç binden birkaç yüz bine ve hatta birkaç milyona kadar bu tür pek çok ışığa duyarlı alan (genellikle piksel olarak adlandırılır - ışığı alan ve onu elektrik yüklerine dönüştüren öğeler) vardır. Bireysel piksellerin boyutları aynıdır ve birimlerden onlarca mikrona kadar olabilir. Pikseller bir sıra halinde sıralanabilir - bu durumda alıcıya CCD-çizgisi denir veya bir yüzey alanını çift sıralar halinde doldurur - bu durumda alıcıya CCD-matris adı verilir.

Işık alan elemanların (mavi dikdörtgenler) CCD dizisi ve CCD matrisindeki konumu.

ikincisi, geleneksel bir mikro devreye benzeyen bir CCD alıcısında, elektrik sinyallerini çıkarmak için çok sayıda elektrik kontağı yoktur ve görünüşe göre her bir ışık alıcı elemandan gelmesi gerekir. Ancak CCD alıcısına, her ışığa duyarlı elemandan aydınlatmasıyla orantılı bir elektrik sinyali çıkarmanıza izin veren bir elektronik devre bağlanır.

Bir CCD'nin eylemi şu şekilde açıklanabilir: ışığa duyarlı her öğe - bir piksel - elektronlar için bir kumbara gibi çalışır. Elektronlar, bir kaynaktan gelen ışığın etkisiyle piksel cinsinden üretilir. Belirli bir süre boyunca, her piksel, yağmur yağdığında dışarıdaki bir kova gibi, içine giren ışık miktarıyla orantılı olarak kademeli olarak elektronlarla dolar. Bu süre sonunda her bir pikselin biriktirdiği elektrik yükleri sırayla cihazın "çıkışına" aktarılır ve ölçülür. Tüm bunlar, ışığa duyarlı elemanların bulunduğu belirli bir kristal yapı ve bir elektrik kontrol devresi sayesinde mümkündür.

CCD matrisi neredeyse tamamen aynı şekilde çalışır. Maruz kaldıktan sonra (yansıtılan görüntü ile aydınlatma), cihazın elektronik kontrol devresi, piksellerde birikmiş elektronlarla sütunları benzer bir CCD ölçümünün olduğu matrisin kenarına kaydırmaya başlayan karmaşık bir darbeli voltaj seti uygular. Kayıt, içinde zaten dikey bir yönde kaydırılan ve ölçüm elemanına düşen ücretlerin bulunduğu, içinde ayrı yüklerle orantılı sinyaller yaratan yer alır. Böylece, sonraki her an için, biriken yükün değerini alabilir ve matriste (satır numarası ve sütun numarası) hangi piksele karşılık geldiğini bulabiliriz.

Kısaca sürecin fiziği hakkında.

Başlangıç ​​​​olarak, CCD'lerin sözde ürünler olduğunu not ediyoruz fonksiyonel elektronik... Bireysel radyo elemanlarının - transistörler, dirençler ve kapasitörler - bir koleksiyonu olarak temsil edilemezler. Çalışma yük bağlama prensibine dayanmaktadır. Yük birleştirme ilkesi, elektrostatikten bilinen iki konumu kullanır:

1. benzer yükler birbirini iter
2. Yükler, potansiyel enerjilerinin minimum olduğu yerde yerleşme eğilimindedir. Şunlar. kaba bir şekilde - "balık daha derin olduğu yeri arıyor."

Bir MOS kapasitörü ile başlayalım (MOS, metal oksit yarı iletkenin kısaltmasıdır). MOSFET'ten geriye kalan şey, tahliyeyi ve kaynağı ondan çıkarırsanız, yani silikondan bir dielektrik tabakasıyla ayrılmış bir elektrottur. Kesinlik için, yarı iletkenin p-tipi olduğunu varsayıyoruz, yani denge koşulları altındaki deliklerin konsantrasyonu elektronlarınkinden çok (birkaç büyüklük sırası) daha fazladır. Elektrofizikte bir "delik", bir elektronun yüküne ters olan bir yüktür, yani pozitif yük.

Böyle bir elektrota (kapı denir) pozitif bir potansiyel uygulanırsa ne olur? Dielektrikten silikona nüfuz eden kapının yarattığı elektrik alanı, hareketli delikleri iter; tükenmiş bir bölge belirir - çoğunluk taşıyıcılarından arınmış belirli bir silikon hacmi. CCD'ler için tipik olan yarı iletken substratların parametreleri ile bu bölgenin derinliği yaklaşık 5 μm'dir. Aksine, burada ışığın etkisi altında ortaya çıkan elektronlar kapıya çekilecek ve doğrudan kapının altındaki oksit-silikon arayüzünde birikecek, yani potansiyel bir kuyuya düşecektir (Şekil 1).

Pirinç. bir
Kapıya voltaj uygulandığında potansiyel kuyu oluşumu

Bu durumda elektronlar kuyuda biriktikçe, geçidin yarı iletkende oluşturduğu elektrik alanını kısmen nötralize ederler ve sonunda tamamen telafi edebilirler, böylece tüm elektrik alan sadece dielektrik üzerine düşer ve arayüzde ince bir elektron tabakası oluşması dışında her şey orijinal durumuna geri dönecektir.

Şimdi kapının yanında başka bir kapı bulunsun ve ona da birincisinden daha büyük bir pozitif potansiyel uygulansın (Şekil 2). Sadece kapılar yeterince yakınsa, potansiyel kuyuları birleştirilir ve bir potansiyel kuyudaki elektronlar, "daha derin" ise bitişik olana hareket eder.
Pirinç. 2
Yakın aralıklı iki kapının üst üste binen potansiyel kuyuları. Yük, potansiyel kuyunun daha derin olduğu yere akar.

Şimdi, bir kapı zincirimiz varsa, bunlara uygun kontrol voltajları uygulayarak, böyle bir yapı boyunca yerelleştirilmiş bir yük paketini aktarmanın mümkün olduğu açık olmalıdır. CCD'lerin dikkate değer bir özelliği, kendi kendini tarama özelliği, herhangi bir uzunluktaki bir kapı zincirini çalıştırmak için yalnızca üç saat veri yolunun yeterli olmasıdır. (Elektronikte bus terimi, aynı tipteki elemanları birbirine bağlayan bir elektrik akımı iletkenidir; bir saat bus, faz kaydırmalı bir voltajın iletildiği iletkenlerdir.) Gerçekten de, yük paketlerini aktarmak için üç elektrot gerekli ve yeterlidir: bir verici, bir alıcı ve bir yalıtkan, alıcı ve verici çiftleri birbirinden ayırır ve bu tür üçlülerin aynı adlı elektrotları, yalnızca bir harici çıkış gerektiren tek bir saat veriyolunda birbirine bağlanabilir (Şekil 3).

Pirinç. 3
En basit üç fazlı CCD kaydı.
Her potansiyel kuyudaki yük farklıdır.

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

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

Zamanın her anında normal çalışması için en az bir saat veriyolunun yüksek potansiyele ve en az birinin - düşük potansiyele (bariyer potansiyeli) sahip olması gerektiği görülebilir. Potansiyel bir veri yolunda yükselip diğerinde (önceki) düştüğünde, tüm şarj paketleri aynı anda komşu kapılara aktarılır ve tam bir döngü için (her faz veriyolunda bir döngü), şarj paketleri bire aktarılır (kaydırılır). kayıt elemanı

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

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

Gerçek şu ki, katkı maddesinin konsantrasyonu, kapı üzerinde hangi spesifik voltajda altında bir tükenme bölgesinin oluştuğunu belirler (bu parametre, MOS yapısının eşik voltajından başka bir şey değildir). Sezgisel değerlendirmelerden, safsızlık konsantrasyonu ne kadar yüksekse, yani yarı iletkende ne kadar fazla delik varsa, onları derine sürmenin o kadar zor olduğu, yani eşik voltajı ne kadar yüksek veya bir voltajda potansiyel o kadar düşük olduğu açıktır. potansiyel kuyuda.

problemler

Dijital cihazların üretiminde, parametrelerin plaka boyunca yayılması, ortaya çıkan cihazların parametreleri üzerinde gözle görülür bir etki olmaksızın birkaç kez ulaşabilirse (çünkü iş, ayrık voltaj seviyeleri ile yapılır), o zaman bir CCD'de bir değişiklik, diyelim ki, %10'luk katkı maddesi konsantrasyonu görüntüde zaten fark ediliyor. Kristalin boyutu, hafıza LSI'da olduğu gibi fazlalığın imkansızlığının yanı sıra kendi sorunlarını da ekler, böylece kusurlu alanlar tüm kristalin kullanılamazlığına yol açar.

Sonuç

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

Dijital CMA'larda bu düzeltmeye Otomatik Kazanç Kontrolü (AGC) sistemi denir.

AGC sistemi nasıl çalışır?

Basitlik için, belirli bir şey almayacağız. CCD düğümünün ADC çıkışında bazı potansiyel seviyelerin olduğunu varsayalım. 60'ın ortalama beyaz seviyesi olduğunu varsayalım.

1. CCD satırının her bir pikseli için, referans beyaz ışıkla aydınlatıldığında değer okunur (ve daha ciddi cihazlarda "siyah seviye" de okunur).
2. Değer, bir referans düzeyiyle (örn. ortalama) karşılaştırılır.
3. Çıkış değeri ile referans seviyesi arasındaki fark, her piksel için saklanır.
4. Gelecekte, tarama sırasında bu fark her piksel için telafi edilir.

AGC sistemi, tarayıcı sistemi her başlatıldığında başlatılır. Makineyi açtığınızda bir süre sonra tarayıcı taşıyıcının ileri-geri hareketler yapmaya başladığını (s/b şeridinde gezinme) muhtemelen fark etmişsinizdir. Bu, AGC sisteminin başlatma işlemidir. Sistem ayrıca lambanın durumunu da (eskime) dikkate alır.

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

noktalı resim testi (GÖLGELEME TESTİ) mühendisin isteği üzerine bu prosedürü başlatmanıza ve düzeltme değerlerini gerçek koşullara getirmenize olanak tanır.

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

Bizim durumumuzda CCD'nin CIS (Temas Görüntüsü Sensörü) haline geldiğine dikkat edilmelidir, ancak temelde olanların özü bundan değişmez. Tıpkı bir ışık kaynağı olarak, bir dizi LED kullanılır.

Yani:

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

SADC'deki görüntü işlemcisi önce ton düzeltme işlevini, ardından gama düzeltme işlevini kullanır. Bundan sonra veriler, çalışma moduna göre farklı modüllere beslenir. Metin modunda görüntü verileri LAT modülüne, Fotoğraf modunda görüntü verileri "Error Diffusion" modülüne gönderilir, PC-Scan modunda görüntü verileri DMA erişimi yoluyla doğrudan kişisel bilgisayara gönderilir.

Testten önce, şaryo camı üzerine birkaç boş beyaz kağıt yerleştirin. Optiklerin, s/b şeridinin ve genel olarak tarayıcı düzeneğinin önce içeriden "yalanması" gerektiğini söylemeye gerek yok.

1. TECH MODE'da seçin
2. Görüntüyü taramak için ENTER düğmesine basın.
3. Taramadan sonra "CIS SHADING PROFILE" (CIS noktalı resim profili) yazdırılacaktır. Böyle bir sayfanın bir örneği aşağıda gösterilmiştir. Sonucunuzun bir kopyası olması gerekmez, ancak görsel olarak yakındır.
4. Yazdırılan görüntü şekilde gösterilen görüntüden çok farklıysa CIS arızalıdır. Lütfen rapor sayfasının altında "Sonuçlar: Tamam" yazdığını unutmayın. Bu, sistemin CIS modülü üzerinde ciddi bir iddiası olmadığı anlamına gelir. Aksi takdirde hata sonuçları verilecektir.

Profil çıktısı örneği:

Sana iyi şanslar!!

St. Petersburg Eyalet Üniversitesi (LSU), St. Petersburg Elektroteknik Üniversitesi (LETI) ve Axl'den öğretmenlerin makale ve derslerinin materyalleri esas alınır. Onlara teşekkür et.

V. Shelenberg tarafından hazırlanan materyal