Для преобразования светового потока в электронный сигнал, который затем переводится в цифровой код, записываемый на карту памяти фотоаппарата.
Матрица состоит из пикселей, назначение каждого - выдать на выходе электронный сигнал, соответствующий количеству света, попадаемого на него.
Различие в матрицах ПЗС и КМОП - в методике преобразования
полученного от пикселя сигнала. В случае ПЗС - последовательно и с минимумом шумов, в случае КМОП - быстро и с меньшим энергопотреблением (а благодаря дополнительным схемам количество шумов существенно уменьшается).
Впрочем, обо всём по порядку...
Различают матрицы ПЗС и КМОП
 |
Прибор с зарядовой связью (ПЗС, по англ. - CCD) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами - от пикселя к пикселю и, в конечном итоге, выводе заряда из сенсора .
Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу множества регистров (столбцов).
Перед тем, как покинуть ПЗС - сенсор, заряд каждого пикселя усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксель).
Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный
(вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.
Так как ПЗС передаёт электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП- сенсоров.
 |
 |
В КМОП - матрице (КМОП -комплементарный металл - оксидный полупроводник, по англ. - CMOS), обрабатывающее устройство находится рядом с каждым пикселем (порой монтируется на саму матрицу), благодаря чему увеличивается быстродействие системы. Также, в связи с отсутствием дополнительных устройств обработки, отметим низкий уровень энергопотребления КМОП - матриц.
Некоторое представление о процессе считывания информации с матриц можно получить из следующего ролика
Технологии постоянно усовершенствуются, и на сегодняшний день наличие в фотоаппарате либо видеокамере именно КМОП-матрицы говорит о более высоком классе модели. Производители часто акцентируют внимание на моделях с КМОП - матрицами.
В последнее время популярна разработка КМОП-матрицы с тыловым размещением проводников, показывающая лучшие результаты при съёмке в условиях низкого освещения, а также имеющая меньший уровень шумов.
После прочтения предыдущей части у нашего читателя могло сложиться впечатление, что ПЗС-матрица – это некий «чёрный ящик», выдающий «электронный негатив» после того, как на его регистрирующую поверхность было спроецировано созданное объективом световое изображение, и что на качество снимка влияет исключительно размер сенсора.
Той же точки зрения придерживаются продавцы цифровой фототехники, мягко, но настойчиво подталкивающие потенциального покупателя к приобретению модели с как можно более крупногабаритной матрицей, даже если объективных причин для такой покупки нет. Ещё чаще в качестве «наживки» для клиента выступают разного рода «уникальные разработки», использованные при создании матрицы, которые, как ни странно, никем из прочих производителей не применяются.
Начинающему фотолюбителю трудно отличить рекламные обещания от действительно эффективных инженерных находок. В настоящей статье будет сделана попытка «отделить зерна от плевел», однако для начала необходимо ознакомиться с базовыми определениями цифровой фотографии.
В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Это может быть либо пара «электрон + дырка», либо единичный носитель заряда – последнее происходит при использовании донорных либо акцепторных примесей в полупроводнике. Очевидно, что образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо как-то сохранить.
Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка p-типа – оснащается каналами из полупроводника n-типа, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд, «добываемый» посредством внутреннего фотоэффекта. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой.
Элемент ПЗС-матрицы
Сечение пикселя ПЗС-матрицы
Чтобы получить «электронный негатив», необходимо считать заряд каждой потенциальной ямы матрицы. Данный заряд получил название фототок, его значение довольно мало и после считывания требует обязательного усиления.
Считывание заряда производится устройством, подключённым к самой крайней строке матрицы, которое называется последовательным регистром сдвига. Данный регистр представляет собой строку из ПЗС-элементов, заряды которой считываются поочерёдно. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – собственно, именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью. Для этого используются электроды переноса (transfer gate), расположенные в промежутке между ПСЗ-элементами. На эти электроды подаются потенциалы, «выманивающие» заряд из одной потенциальной ямы и передающие его в другую.
При синхронной подаче потенциала на электроды переноса обеспечивается одновременный перенос всех зарядов строки справа налево (или слева направо) за один рабочий цикл. Оказавшийся «лишним» заряд поступает на выход ПЗС-матрицы. Таким образом, последовательный регистр сдвига преобразовывает заряды, поступающие на его вход в виде параллельных «цепочек», в последовательность электрических импульсов разной величины на выходе. Чтобы подать эти параллельные «цепочки» на вход последовательного регистра, опять-таки используется регистр сдвига, но на этот раз параллельный.
ПЗС-матрица
Сечение пикселя ПЗС-матрицы
Фактически параллельным регистром является сама ПЗС-матрица, создающая посредством совокупности фототоков электронный «слепок» светового изображения. Матрица представляет собой множество последовательных регистров, называемых столбцами и синхронизированных между собой. В результате за рабочий цикл происходит синхронное «сползание» фототоков вниз, а оказавшиеся «лишними» заряды нижней строки матрицы поступают на вход последовательного регистра.
Как следует из вышесказанного, необходимо достаточно большое количество управляющих микросхем, синхронизирующих подачу потенциалов как на параллельный, так и на последовательный регистры сдвига. Очевидно, что последовательный регистр должен полностью освободиться от зарядов в промежутке между тактами параллельного регистра, поэтому требуется микросхема, синхронизирующая между собой оба регистра.
По указанной выше схеме работает так называемая полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD-matrix), её режим работы накладывает некоторое ограничение на конструкцию камеры: если в процессе считывания фототоков экспонирование не прекращается, «лишний» заряд, генерируемый попадающими на пиксели фотонами, «размазывается» по кадру. Поэтому необходим механический затвор, перекрывающий поступление света к сенсору на время, необходимое для считывания зарядов всех пикселей. Очевидно, что такая схема считывания фототоков не позволяет формировать видеопоток на выходе с матрицы, поэтому применяется она только в фототехнике.
Впрочем, избыточный заряд может накопиться в потенциальной яме и при фотосъёмке – например, при слишком «длинной» выдержке. «Лишние» электроны стремятся «растечься» по соседним пикселям, что на снимке отображается в виде белых пятен, размер которых связан с величиной переполнения. Данный эффект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).
Боковой дренаж ПЗС-матрицы
Схема бокового дренажа
Для реализации вертикального дренажа на подложку ЭОП подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон. А в матрицах с обратной засветкой (в них фотоны проникают внутрь сенсора не сквозь электрод потенциальной ямы, а со стороны подложки) вертикальный дренаж вообще неприменим.
Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных «дренажных канавок», в которые «стекают» избыточные электроны. Для формирования этих канавок прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному «бегству» электронов из потенциальной ямы.
Как следует из описания, при боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех. Поэтому производители вынуждены идти на усложнение конструкции матриц.
Таким образом, «обвязка» любого пикселя состоит как минимум из электродов переноса заряда и из компонентов дренажной системы. Однако большинство ПЗС-матриц отличается более сложной структурой своих элементов.
ПЗС-матрицы, используемые в видеокамерах и в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов, обеспечивают непрерывный поток импульсов на своём выходе, при этом перекрытие оптического тракта не происходит. Чтобы при этом не происходило «смазывание» изображения, используются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix).
ПЗС-матрица с буферизацией столбцов
Структура матрицы с буферизацией столбцов
В таких сенсорах рядом с каждым столбцом (который представляет собой последовательный регистр сдвига) располагается буферный столбец (тоже последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупность буферных столбцов составляет буферный параллельный регистр, причём столбцы данного регистра «перемешаны» с регистрирующими свет столбцами.
За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига отдаёт все свои фототоки буферному параллельному регистру посредством «сдвига по горизонтали» зарядов, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный «сдвиг по вертикали» зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы.
Очевидно, что перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени и перекрывать световой поток механическим затвором нет необходимости – ямы не успеют переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо со временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с частотой от 30 кадров в секунду и выше.
В свою очередь, сенсоры с буферизацией столбцов подразделяются на две категории. При считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan). Когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй – чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan). Кстати, за счёт сходства звучания английских терминов «матрица с буферизацией столбцов» (interlined) и «чересстрочная матрица» (interlaced) в отечественной литературе сенсоры с буферизацией строк нередко ошибочно называют чересстрочными.
Как ни странно, «размазывание» заряда (smear) происходит и в матрицах с буферизацией столбцов. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму расположенного рядом буферного элемента. Особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях фототока, вызванных очень высокой освещённостью пикселя. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, которая портит кадр.
Для противодействия этому явлению увеличивают расстояние между светочувствительным и буферным ПЗС-элементами. В результате усложняется обмен зарядом и увеличивается затрачиваемое на это время, однако искажения кадра, вызываемые «размазыванием», всё же слишком заметны, чтобы ими пренебрегать.
Буферизация столбцов позволяет также реализовать электронный затвор, с помощью которого можно отказаться от механического перекрытия светового потока. С помощью электронного затвора можно получить сверхмалые (до 1/10000 секунды) значения выдержки, недостижимые для механического затвора. Эта возможность особенно актуальна при фотографировании спортивных состязаний, природных явлений и т. п.
Для реализации электронного затвора обязательно необходим антиблюминговый дренаж. При очень коротких выдержках, которые по длительности меньше, чем время переноса заряда из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, дренаж играет роль «отсечки». Эта «отсечка» предотвращает попадание в яму буферного ПЗС-элемента электронов, возникших в яме светочувствительного элемента по истечении времени выдержки.
Структура пикселей – с микролинзой и обычного
Степень концентрации светового потока при прохождении сквозь микролинзу зависит от технологического уровня производителя матрицы. Встречаются довольно сложные конструкции, обеспечивающие максимальную эффективность этим миниатюрным устройствам.
Однако при использовании микролинз значительно сокращается вероятность того, что лучи света, падающие под большим углом к нормали, проникнут в светочувствительную область. А при большом отверстии диафрагмы процент таких лучей довольно велик. Таким образом, уменьшается интенсивность воздействия светового потока на матрицу, то есть основной эффект, ради которого открывают диафрагму.
Впрочем, вреда от таких лучей ничуть не меньше, чем пользы. Дело в том, что, проникая в кремний под большим углом, фотон может войти в матрицу на поверхности одного пикселя, а выбить электрон в теле другого. Это приводит к искажению изображения. Поэтому, чтобы ослабить влияние таких «бронебойных» фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической), что дополнительно усложняет конструкцию матриц.
Кроме того, микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора. Но и данный негативный эффект может оказаться частично полезным. Такие тончайшие линии могут привести к ступенчатости (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Ступенчатость приводит к появлению в изображении рваных линий с «зазубринами» по краям.
Именно из-за ступенчатости камеры с крупногабаритными полнокадровыми матрицами оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), и цена этих устройств довольно высока. Ну а матрицам с микролинзами этот фильтр не нужен.
Вследствие различных требований к качеству изображения матрицы с буферизацией столбцов применяются в основном в любительской технике, тогда как полнокадровые сенсоры обосновались в профессиональных и студийных камерах.
Настоящая статья даёт описание, если можно так сказать, геометрии пикселя. Более подробно о процессах, происходящих при регистрации, хранении и считывании заряда, будет рассказано в следующей статье.
Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумерные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изображение объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использованы при контроле за технологическими процессами производства, при специальном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъектов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещение ФЭП или объекта в направлении, перпендикулярном направлению строчной развертки.
Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является матричный формирователь сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординатный массив светочувствительных элементов, в котором осуществляется электронное сканирование по координатам х и y. При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания.
Для наиболее полного использования достоинств ПЗС зарядовые пакеты должны перемещаться к одному выходному устройству, а порядок считывания информации - обычно соответствовать принятому телевизионному стандарту. При выборе способа организации считывания необходимо обеспечить минимальное смазывание изображения, возникающее при переносе накопленных зарядовых пакетов через освещенные области прибора. Поэтому в современных матричных ФЭП на ПЗС области накопления заряда и его переноса разделяют.
По способу организации считывающие матрицы ПЗС делятся на матрицы с кадровым переносом заряда (КП), матрицы со строчным переносом заряда (СП) и матрицы со строчно-кадровым переносом заряда (СКП).
Матрицы ПЗС КП (см. рис. 8.12) включают в себя секцию накопления - фотоприемную секцию, секцию хранения или памяти, которая защищена от света и равна по площади секции накопления, и один или несколько параллельных выходных сдвиговых регистров.
Рис. 8.12. Способ организации покадрового считывания
Во время активной части поля происходит накопление зарядовых пакетов в фотоприемной секции. Во время кадрового гасящего импульса, накопленные заряды всех строк поля последовательно переносятся в защищенную от света секцию хранения. Далее во время накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал изображения. После считывания всей видеоинформации из секции хранения начинается перенос следующего кадра.
Одним из основных достоинств покадрового считывания является уменьшение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При покадровой организации легко осуществляется чересстрочное разложение изображения, также проста электродная структура, что позволяет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить более равномерную характеристику спектральной чувствительности.
Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвигового регистра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число переносов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным - для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по трехтактной схеме сдвига число переносов N max = 2 х 3z + 2n , где z - число строк; п - число элементов в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй - число переносов вдоль строки.
Учитывая, что зарядовые пакеты переносятся не полностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках, существующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при определенной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда ε накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которые можно совершить без существенного разрушения сигнала. Если ε - относительная величина и характеризует часть заряда, отставшую от пакета на один перенос, умножив ε на число переносов в приборе N , получим результирующую неэффективность переноса N ε всего прибора.
Недостатком матриц ПЗС КП является неполное устранение смаза изображения, которое проявляется в виде вертикальных тянущихся продолжений за очень яркими деталями. Смаз появляется из-за того, что при переносе накопленных зарядов из фотоприемной секции в секцию памяти свет продолжает попадать в фотоприемную секцию.
Для уменьшения величины смаза изображения были разработаны матрицы со строчным переносом зарядов (см. рис. 8.13), в которых область накопления образована вертикальными столбцами светочувствительных элементов, между которыми помещены защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры. В течение времени кадра в светочувствительных элементах накапливаются зарядовые пакеты. Во время гасящего кадрового импульса они одновременно переносятся в соседние ячейки вертикальных сдвиговых регистров. Во время накопления следующего кадра, зарядовые пакеты из вертикальных регистров одновременно сдвигаются в горизонтальный (выходной) регистр. Сдвиг по вертикальным регистрам на один элемент происходит во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядовых пакетов из горизонтальных регистров в выходное устройство - за время прямого хода строчной развертки. Полное освобождение вертикальных сдвиговых регистров от зарядов происходит за время кадра.
Рис. 8.13. Матрица со строчным переносом зарядов
Рис. 8.14. Матрица со строчно-кадровым переносом зарядов
Для обеспечения чересстрочной развертки в матрице ПЗС СП заряды из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры переносятся: в нечетных полях - из нечетных ячеек, а в четных полях - из четных ячеек.
В трехматричных камерах вещательного назначения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза изображения. Для обеспечения этого требования были разработаны гибридные матрицы ПЗС со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС СКП (см. рис. 8.14 и 8.15) отличаются от матриц ПЗС СП (см. рис. 8.13) наличием в них дополнительной секции хранения зарядов на длительность поля.
Рис. 8.15. Концепция строчно-кадрового переноса
Поэтому частота переноса заряда из вертикальных ПЗС регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС СП. Это позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Недостатки матриц ПЗС СКП заключаются в относительной сложности изготовления и высокой стоимости производства.
Основные недостатки матричных ПЗС СП – невозможность освещения со стороны подложки и неполное использование светового потока из-за того, что фотодиоды занимают не всю площадь кристалла фотоны, попадающие на экранированные от света вертикальные ПЗС-регистры, не создают зарядов. Вследствие этого существенно снижается чувствительность камер.
Таким образом, уменьшение размеров светочувствительной площади в матрицах со строчным переносом косвенно ухудшает световую чувствительность матрицы. Эта проблема может быть разрешена очень просто (хотя технологически это очень сложно) – поверх каждого пикселя (фотодиода) помещается микролинза. Микролинза концентрирует весь падающий свет на маленькую область, на сам пиксель (фотодиод), собирает в него весь световой поток, и этим самым эффективно увеличивает минимальную освещенность фотодиода (см. рис. 8.16).
Рис. 8.16,а. Сравнение традиционных схем с микролинзами
Рис. 8.16,б. Структура ПЗС-матрицы с микролинзами (фотография сделана электронным микроскопом)
Число фотодиодов в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре. Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со строчным переносом может быть реализовано различными способами. В простейшем случае в первом поле зарядовые пакеты из нечетных фотодиодов считываются в вертикальный ПЗС-регистр, а в четных фотодиодах накопление продолжается. Во втором поле считываются заряды, накопленные в четных фотодиодах. Размер светочувствительного элемента по вертикали оказывается равным размеру одного фотодиода. Центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании составляет в телевизионном режиме 40 мс – время кадра. Поэтому данный режим получил название режима накопления кадра. Столь большое время накопления приводит к искажениям при передаче подвижных объектов. Появляется зубчатость вертикальных границ при движении объектов по горизонтали. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля.
Световая характеристика матрицы ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна (см. рис. 8.17). Точка 1 соответствует выходному
сигналу в отсутствие освещения и определяет темновой ток, обусловленный в большой степени термогенерацией неосновных носителей. Точка 2 характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителями. Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными параметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено напряжением пробоя МОП-конденсатора.
Рис. 8.17. Световая характеристика матрицы ПЗС
Рис. 8.18. Спектральная характеристика матрицы ПЗС
Спектральная чувствительность матричного формирователя (рис. 8.18 и 8.19) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая 1), который обусловлен сильным поглощением на этом участке спектра нанесенными на полупроводниковую подложку поликремниевыми электродами.
Рис. 8.19. Спектральная чувствительность глаза и ПЗС-матрицы
Для повышения чувствительности в этой области спектра в поликремниевых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет примерно 15... 20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло чувствительность матрицы на длине волны λ = 0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в цветном телевидении. Разрешающая способность определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Для систем телевидения высокой четкости разработаны матрицы ПЗС с числом элементов 1035x1920.
Спектральная чувствительность ПЗС-матрицы зависит от типа кремниевой подложки, но общая характеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет (рис. 8.19).
Однако такое проникновение является вредным. Такие волны настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. В результате в изображении пропадают мелкие детали, потому что заряд ячеек растекается по соседним, теряя при этом компоненты высокого разрешения и вызывая «эффект заплывания». Может быть затронута также и масковая зона (рис. 8.15), предназначенная лишь для временного хранения зарядов и не предназначенная для засвечивания, в результате чего могут, в значительной степени возрасти шумы и вертикальный ореол. Поэтому в усовершенствованных ПЗС-видеокамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Они монтируются сверху ПЗС-матрицы и ведут себя как оптические НЧ фильтры с частотой среды порядка 700 нм, вблизи красного цвета (рис. 8.20) .
Рис. 8.20. Инфракрасный отсекающий фильтр изменяет характеристику спектральной чувствительности ПЗС-матрицы
Однако в тех случаях, когда предполагается использовать видеокамеру (черно-белую) в условиях низкой освещенности или в систему входят источники инфракрасного освещения объектов, такие фильтры не используются (чтобы не ослаблять чувствительность камер).
В цветных ПЗС-камерах, напротив, нужно использовать ИК-отсекающий фильтр. Типичная черно-белая ПЗС-матрица без инфракрасного фильтра может дать приемлемый уровень видеосигнала при освещенности мишени камеры в 0,01 лк. Та же камера с ИК-фильтром потребует освещенность в 10 раз большую. Но в этом случае верность цветопередачи является определяющим критерием.
Сенсор - главный элемент цифровой камеры
ердцем любой цифровой видео- или фотокамеры (в настоящее время границы между этими типами устройств постепенно стираются) является светочувствительный сенсор. Он преобразует видимый свет в электрические сигналы, используемые для дальнейшей обработки с помощью электронных схем. Из школьного курса физики известно, что свет можно рассматривать как поток элементарных частиц - фотонов. Фотоны, попадая на поверхность некоторых полупроводниковых материалов, способны приводить к образованию электронов и дырок (напомним, что дыркой в полупроводниках принято называть вакантное место для электрона, образующееся в результате разрыва ковалентных связей между атомами полупроводникового вещества). Процесс генерации электронно-дырочных пар под воздействием света возможен только в том случае, когда энергии фотона достаточно, чтобы «оторвать» электрон от «родного» ядра и перевести его в зону проводимости. Энергия фотона напрямую связана с длиной волны падающего света, то есть зависит от так называемого цвета излучения. В диапазоне видимого (то есть воспринимаемого человеческим глазом) излучения энергии фотонов оказывается достаточно для того, чтобы порождать генерацию электронно-дырочных пар в таких полупроводниковых материалах, как, например, кремний.
Поскольку количество образующихся фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности светового потока, появляется возможность математически связывать количество падающего света с величиной порождаемого им заряда. Именно на этом простом физическом явлении и основан принцип действия светочувствительных сенсоров. Сенсор выполняет пять основных операций: поглощает фотоны, преобразует их в заряд, накапливает его, передает и преобразует в напряжение. В зависимости от технологии изготовления различные сенсоры осуществляют задачи хранения и накопления фотоэлектронов по-разному. Кроме того, могут использоваться различные методы преобразования накопленных электронов в электрическое напряжение (аналоговый сигнал), которое, в свою очередь, преобразуется в цифровой сигнал.
Исторически первыми в качестве светочувствительных элементов для видеокамер были использованы так называемые ПЗС-матрицы, массовое производство которых началось в 1973 году. Аббревиатура ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью; в английской литературе используется термин CCD (Charge-Coupled Device). Простейший ПЗС-сенсор представляет собой конденсатор, способный под воздействием света накапливать электрический заряд. Обычный конденсатор, состоящий из двух разделенных слоем диэлектрика металлических пластин, здесь не подойдет, поэтому используют так называемые МОП-конденсаторы. По своей внутренней структуре такие конденсаторы представляют собой сандвич из металла, оксида и полупроводника (от первых букв используемых компонентов они и получили свое название). В качестве полупроводника используется легированный кремний p-типа, то есть такой полупроводник, в котором за счет добавления атомов примеси (легирования) образуются избыточные дырки. Над полупроводником расположен тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху - слой металла, выполняющий функцию затвора, если следовать терминологии полевых транзисторов (рис. 1).
Как уже отмечалось, под воздействием света в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары. Однако наряду с процессом генерации происходит и обратный процесс - рекомбинация дырок и электронов. Поэтому следует предпринять меры, чтобы разделить образующиеся электроны и дырки и сохранять их в течение необходимого времеми. Ведь именно количество образованных фотоэлектронов несет информацию об интенсивности поглощенного света. Для этого и предназначены затвор и слой изолирующего диэлектрика. Предположим, что на затвор подан положительный потенциал. В этом случае под воздействием созданного электрического поля, проникающего сквозь диэлектрик в полупроводник, дырки, являющиеся основными носителями заряда, начнут сдвигаться в сторону от диэлектрика, то есть в глубь полупроводника. На границе полупроводника с диэлектриком образуется обедненная основными носителями, то есть дырками, область, причем размер этой области зависит от величины приложенного потенциала. Именно эта обедненная область и является «хранилищем» для фотоэлектронов. Действительно, если полупроводник подвергнуть воздействию света, то образующиеся электроны и дырки будут двигаться в противоположных направлениях - дырки в глубь полупроводника, а электроны к обедненному слою. Так как в этом слое нет дырок, то электроны будут сохраняться там без процесса рекомбинации в течение требуемого времени. Естественно, что процесс накопления электронов не может происходить бесконечно. По мере увеличения количества электронов между ними и положительно заряженными дырками возникает наведенное электрическое поле, направленное противоположно полю, создаваемому затвором. В результате поле внутри полупроводника уменьшается до нуля, после чего процесс пространственного разделения дырок и электронов становится невозможным. Как следствие - образование электронно-дырочной пары сопровождается ее рекомбинацией, то есть число «информационных» электронов в обедненном слое перестает увеличиваться. В этом случае можно говорить о переполнении емкости сенсора.
Рассмотренный нами сенсор способен выполнять две важные задачи - преобразовывать фотоны в электроны и накапливать их. Осталось решить задачу передачи этих информационных электронов в соответствующие блоки преобразования, то есть задачу съема информации.
Представим себе не один, а несколько близко расположенных затворов на поверхности одного и того же диэлектрика (рис. 2). Пусть в результате фотогенерации под одним из затворов накоплены электроны. Если на соседний затвор подать более высокий положительный потенциал, то электроны начнут перетекать в область более сильного поля, то есть перемещаться от одного затвора к другому. Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, можно перемещать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Именно на этом простом принципе и основаны приборы с зарядовой связью.
Замечательное свойство ПЗС состоит в том, что для перемещения накопленного заряда достаточно всего трех типов затворов - одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причем одноименные затворы таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3). Это и есть простейший трехфазный регистр сдвига на ПЗС.
До сих пор мы рассматривали ПЗС-сенсор только в одной плоскости - вдоль бокового разреза. Вне поля нашего зрения остался механизм удержания электронов в поперечном направлении, при котором затвор подобен длинной полоске. Учитывая, что освещение полупроводника неоднородно в пределах такой полоски, скорость образования электронов под воздействием света будет меняться по длине затвора. Если не принять мер по локализации электронов вблизи области их образования, то в результате диффузии концентрация электронов выравняется и информация об изменении интенсивности света в продольном направлении будет утеряна. Естественно, можно было бы сделать размер затвора одинаковым как в продольном, так и поперечном направлении, но это потребовало бы изготовления слишком большого числа затворов на ПЗС-матрице. Поэтому для локализации образующихся электронов в продольном направлении используют так называемые стоп-каналы (рис. 4), представляющие собой узкую полоску полупроводника с повышенным содержанием легирующей примеси. Чем больше концентрация примеси, тем больше дырок образуется внутри такого проводника (каждый атом примеси приводит к образованию дырки). Но от концентрации дырок зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обедненная область. Интуитивно понятно, что чем больше концентрация дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь.
Рассмотренная нами структура ПЗС-матрицы носит название ПЗС с поверхностным каналом передачи, так как канал, по которому передается накопленный заряд, находится на поверхности полупроводника. Поверхностный способ передачи имеет ряд существенных недостатков, связанных со свойствами границы полупроводника. Дело в том, что ограничение полупроводника в пространстве нарушает идеальную симметрию его кристаллической решетки со всеми вытекающими отсюда последствиями. Не вникая в тонкости физики твердого тела, заметим, что подобное ограничение приводит к образованию энергетических ловушек для электронов. В результате накопленные под воздействием света электроны могут захватываться этими ловушками, вместо того чтобы передаваться от одного затвора к другому. Помимо прочего такие ловушки могут непредсказуемо высвобождать электроны, причем не всегда, когда это действительно нужно. Получается, что полупроводник начинает «шуметь» - иначе говоря, количество накопленных под затвором электронов не будет точно соответствовать интенсивности поглощенного излучения. Избежать подобных явлений можно, но для этого сам канал переноса нужно отодвинуть в глубь проводника. Такое решение было реализовано специалистами фирмы Philips в 1972 году. Идея заключалась в том, что в поверхностной области полупроводника p-типа создавался тонкий слой полупроводника n-типа, то есть полупроводника, в котором основными носителями заряда являются электроны (рис. 5).
Хорошо известно, что контакт двух полупроводников с различными типами проводимости приводит к образованию обедненного слоя на границе перехода. Происходит это за счет диффузии дырок и электронов во взаимно противоположных направлениях и их рекомбинации. Подача положительного потенциала на затвор увеличивает размер обедненной области. Характерно, что теперь сама обедненная область, или емкость для фотоэлектронов, находится не на поверхности, а следовательно, отсутствуют и поверхностные ловушки для электронов. Такой канал переноса называется скрытым, и все современные ПЗС изготавливаются именно со скрытым каналом переноса.
Рассмотренные нами основные принципы функционирования ПЗС-сенсора используются для построения различных по архитектуре ПЗС-матриц. Конструктивно можно выделить две основные схемы матриц: с покадровым переносом и с межстрочным переносом.
В матрице с покадровым переносом имеются две равнозначные секции с одинаковым числом строк: накопления и хранения. Каждая строка в этих секциях образована тремя затворами (передающий, принимающий и изолирующий). Кроме того, как уже отмечалось выше, все строки разделены множеством стоп-каналов, формирующих ячейки накопления в горизонтальном направлении. Таким образом, наименьший структурный элемент ПЗС-матрицы (пиксел) создается из трех горизонтальных затворов и двух вертикальных стоп-каналов (рис. 6).
За время экспозиции в секции накопления образуются фотоэлектроны. После этого тактовые импульсы, подаваемые на затворы, переносят накопленные заряды из секции накопления в затененную секцию хранения, то есть фактически происходит передача всего кадра целиком. Поэтому такая архитектура и получила название ПЗС с покадровым переносом. После переноса секция накопления очищается и может повторно накапливать заряды, в то время как из секции памяти заряды поступают в горизонтальный регистр считывания. Структура горизонтального регистра аналогична структуре ПЗС-сенсора - те же три затвора для переноса заряда. Каждый элемент горизонтального регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за каждый тактовый импульс из секции накопления в регистр считывания поступает вся строка целиком, которая после этого передается в выходной усилитель для дальнейшей обработки.
Рассмотренная схема ПЗС-матрицы имеет одно несомненное достоинство - высокий коэффициент заполнения (fill factor). Этим термином принято называть отношение фоточувствительной площади матрицы к ее общей площади. У матриц с покадровым переносом коэффициент заполнения достигает практически 100%. Такая особенность позволяет создавать на их основе очень чувствительные приборы.
Кроме рассмотренного преимущества матрицы с покадровым переносом обладают и рядом недостатков. Прежде всего отметим, что сам процесс переноса не может осуществляться мгновенно. Именно это обстоятельство приводит к ряду негативных явлений. В процессе переноса заряда из секции накопления в секцию хранения первая остается освещенной и в ней продолжается процесс накопления фотоэлектронов. Это приводит к тому, что яркие участки изображения успевают внести свой вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, в течение которого он проходит через них. В результате на кадре появляются характерные искажения в виде вертикальных полос, простирающихся через весь кадр от ярких участков изображения. Конечно, для борьбы с подобными явлениями можно применять различные ухищрения, однако наиболее радикальным способом является разделение секции накопления и секции переноса, с тем чтобы перенос протекал в затененной области. Матрицы такой архитектуры получили название ПЗС с межстрочным переносом (рис. 7).
В отличие от описанной ранее матрицы с покадровым переносом, в качестве элементов накопления заряда здесь выступают фотодиоды (более подробно фотодиоды будут рассмотрены позже). Заряды, накопляемые фотодиодами, передаются в затененные ПЗС-элементы, которые осуществляют дальнейший перенос заряда. Обратим внимание, что перенос всего кадра от фотодиодов в вертикальные ПЗС-регистры переноса происходит за один такт. Возникает закономерный вопрос: почему такая архитектура получила название межстрочного переноса (встречается также термин «чересстрочный перенос»)? Чтобы разобраться в происхождении названия межстрочного, а также и покадрового переноса, вспомним основной принцип вывода изображения на экран формирования видеосигнала. Кадровый сигнал состоит из сигналов строк, разделенных межстрочным промежутком, то есть временем, необходимым для того, чтобы электронный луч, сканирующий по экрану, успел переместиться от конца одной строки к началу следующей. Имеются также межкадровые промежутки - время, необходимое для перемещения луча от конца последней строки к началу первой строки (переход на новый кадр).
Если вспомнить архитектуру ПЗС-матрицы с межкадровым переносом, то становится понятно, что перенос кадра из секции накопления в секцию хранения происходит во время межкадрового промежутка видеосигнала. Это и понятно, так как для переноса всего кадра потребуется значительный интервал времени. В архитектуре с межстрочным переносом передача кадра происходит за один такт, и для этого достаточно небольшого промежутка времени. Далее изображение поступает в горизонтальный регистр сдвига, причем передача происходит по строкам во время межстрочных интервалов видеосигнала.
Помимо двух рассмотренных типов ПЗС-матриц существуют и иные схемы. Например, схема, объединяющая межкадровый и межстрочный механизм (строчно-кадровый перенос), получается при добавлении к ПЗС-матрице межстрочного переноса секции хранения. При этом перенос кадра от фоточувствительных элементов происходит за один такт во время межстрочного интервала, а во время межкадрового интервала кадр передается в секцию хранения (межкадровый перенос); из секции хранения кадр передается в горизонтальный регистр сдвига во время межстрочных интервалов (межкадровый перенос).
В последнее время получили распространение так называемые супер-ПЗС (Super CCD), использующие оригинальную сотовую архитектуру, которую образуют восьмиугольные пикселы. За счет этого увеличивается рабочая поверхность кремния и повышается плотность пикселов (количество пикселов ПЗС). Кроме того, восьмиугольная форма пикселов увеличивает площадь светочувствительной поверхности.
Принципиально другим типом сенсора является так называемый КМОП-сенсор (КМОП - комплиментарный металл-оксид-полупроводник; в англоязычной терминологии - CMOS).
Внутренняя архитектура КМОП-сенсоров может быть различной. Так, в качестве фоточувствительного элемента могут выступать фотодиоды, фототранзисторы или фотовентили. Независимо от типа фоточувствительного элемента неизменным остается принцип разделения дырок и электронов, получаемых в процессе фотогенерации. Рассмотрим наиболее простой тип фотодиода, на примере которого легко понять принцип действия всех фотоэлементов.
Простейший фотодиод представляет собой контакт полупроводников n- и p-типов. На границе контакта этих полупроводников образуется обедненная область, то есть слой без дырок и электронов. Такая область формируется в результате диффузии основных носителей зарядов во взаимно противоположных направлениях. Дырки движутся из p-полупроводника (то есть из области, где их находится в избытке) в n-полупроводник (то есть в область, где их концентрация мала), а электроны движутся в противоположном направлении, то есть из n-полупроводника в p-полупроводник. В результате такой рекомбинации дырки и электроны исчезают и создается обедненная область. Кроме того, на границах обедненной области оголяются ионы примеси, причем в n-области ионы примеси имеют положительный заряд, а в p-области - отрицательный. Эти заряды, распределенные по границе обедненной области, образуют электрическое поле, подобное тому, что создается в плоском конденсаторе, состоящем из двух пластин. Именно это поле выполняет функцию пространственного разделения дырок и электронов, образующихся в процессе фотогенерации. Наличие такого локального поля (его также называют потенциальным барьером) является принципиальным моментом в любом фоточувствительном сенсоре (не только в фотодиоде).
Предположим, что фотодиод освещается светом, причем свет падает на n-полупроводник, а p-n-переход перпендикулярен лучам света (рис. 8). Фотоэлектроны и фотодырки будут диффундировать в глубь кристалла, и некоторая их доля, не успевшая рекомбинировать, достигнет поверхности p-n-перехода. Однако для электронов существующее электрическое поле является непреодолимым препятствием - потенциальным барьером, поэтому электроны не смогут преодолеть p-n-переход. Дырки же, напротив, ускоряются электрическим полем и проникают в p-область. В результате пространственного разделения дырок и электронов n-область заряжается отрицательно (избыток фотоэлектронов), а p-область - положительно (избыток фотодырок).
Основное отличие КМОП-сенсоров от ПЗС-сенсоров заключается не в способе накопления заряда, а в способе его дальнейшего переноса. Технология КМОП, в отличие от ПЗС, позволяет осуществлять большее количество операций прямо на кристалле, на котором расположена фоточувствительная матрица. Кроме высвобождения электронов и их передачи, КМОП-сенсоры могут также обрабатывать изображения, выделять контуры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования. Более того, имеется возможность создавать программируемые КМОП-сенсоры, следовательно, можно получить очень гибкое многофункциональное устройство.
Столь широкий набор функций, выполняемых одной микросхемой, - основное преимущество технологии КМОП над ПЗС. При этом сокращается количество необходимых внешних компонентов. Использование в цифровой камере КМОП-сенсора позволяет устанавливать на освободившееся место другие чипы - например, цифровые сигнальные процессоры (DSP) и аналого-цифровые преобразователи.
Бурное развитие КМОП-технологий началось в 1993 году, когда были созданы активные пиксельные сенсоры. При этой технологии у каждого пиксела имеется свой считывающий транзисторный усилитель, что и позволяет преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе. Кроме того, появилась возможность для произвольного доступа к каждому пикселу сенсора (подобно тому, как работает оперативная память с произвольным доступом). Считывание заряда с активных пикселов КМОП-сенсора производится по параллельной схеме (рис. 9), что позволяет считывать сигнал с каждого пиксела или с колонки пикселов напрямую. Произвольный доступ позволяет КМОП-сенсору считывать не только всю матрицу целиком, но и выборочные области (метод оконного считывания).
Несмотря на кажущиеся преимущества КМОП-матриц перед ПЗС (основным из которых является более низкая цена), они обладают и рядом недостатков. Наличие дополнительных схем на кристалле КМОП-матрицы приводит к появлению ряда помех, таких как транзисторные и диодные рассеивания, а также эффект остаточного заряда, то есть КМОП-матрицы на сегодняшний день являются более «шумными». Поэтому в профессиональных цифровых камерах в ближайшее время будут использовать качественные ПЗС-матрицы, а КМОП-сенсоры осваивают рынок более дешевых устройств, к которому, в частности, относятся Web-камеры.
Рассмотренные выше фоточувствительные сенсоры способны реагировать лишь на интенсивность поглощаемого света - чем выше интенсивность, тем больший заряд накапливается. Возникает закономерный вопрос: как же получается цветное изображение?
Чтобы камера могла различать цвета, непосредственно на активный пиксел накладывается массив цветных фильтров (CFA, color filter arrays). Принцип действия цветного фильтра очень прост: он пропускает свет только определенного цвета (иначе говоря, только свет с определенной длиной волны). Но сколько же таких фильтров потребуется, если количество различных цветовых оттенков практически не ограниченно? Оказывается, любой цветовой оттенок можно получить смешиванием в определенных пропорциях нескольких основных (базовых) цветов. В наиболее популярной аддитивной модели RGB (Red, Green, Blue) таких цвета три: красный, зеленый и синий. Значит, и цветных фильтров потребуется всего три. Отметим, что цветовая модель RGB не единственная, но в подавляющем большинстве цифровых Web-камер используется именно она.
Наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). В этой системе красные, зеленые и синие фильтры расположены в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными (рис. 10).
Такое соотношение зеленых, красных и синих фильтров объясняется особенностями зрительного восприятия человека: наши глаза более чувствительны к зеленому цвету.
В ПЗС-камерах совмещение трех цветовых каналов производится в устройстве формирования изображения уже после преобразования сигнала из аналогового вида в цифровой. В КМОП-сенсорах это совмещение может происходить и непосредственно в чипе. В любом случае первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цвета соседних фильтров. Следовательно, для того чтобы получить истинный цвет пиксела изображения, необходимо знать не только интенсивность света, прошедшего через светофильтр этого пиксела, но и значения интенсивностей света, прошедшего через светофильтры окружающих пикселов.
Как уже отмечалось, в цветовой модели RGB используется три основных цвета, с помощью которых можно получить любой оттенок видимого спектра. сколько же всего оттенков позволяют различать цифровые камеры? Максимальное количество различных цветовых оттенков определяется глубиной цвета, которая, в свою очередь, определяется количеством битов, используемых для кодирования цвета. В популярной модели RGB 24 с глубиной цвета 24 бита для каждого цвета отводится по 8 битов. С помощью 8 битов можно задать 256 различных цветовых оттенков соответственно красного, зеленого и синего цветов. Каждому оттенку присваивается значение от 0 до 255. К примеру, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (255) до черного (0). Максимальное значение кода соответствует чистому цвету, а код каждого цвета принято располагать в следующем порядке: красный, зеленый и синий. Например, код чистого красного цвета записывается в виде (255, 0, 0), код зеленого цвета - (0, 255, 0), а код синего цвета - (0, 0, 255). Желтый цвет можно получить смешением красного и зеленого, и его код записывается в виде (255, 255, 0).
Кроме модели RGB широкое применение нашли также модели YUV и YСrCb, которые похожи друг на друга и основаны на разделении сигналов яркости и цветности. Сигнал Y - это сигнал яркости, который определяется смешением красного, зеленого и синего цветов. Сигналы U и V (Cr, Cb) являются цветоразностными. Так, сигнал U близок к разности между синими и желтыми компонентами цветного изображения, а сигнал V близок к разности между красными и зелеными компонентами цветного изображения.
Основное достоинство модели YUV (YCrCb) заключается в том, что этот метод кодирования хотя и более сложен, чем RGB, однако требует меньшей полосы пропускания. Дело в том, что чувствительность человеческого глаза к яркостному Y-компоненту и цветоразностным компонентам неодинакова, поэтому вполне допустимым представляется выполнение этого преобразования с прореживанием (интерливингом) цветоразностных компонентов, когда для группы из четырех соседних пикселов (2×2) вычисляются Y-компоненты, а цветоразностные компоненты используются общие (так называемая схема 4:1:1). Нетрудно подсчитать, что уже схема 4:1:1 позволяет сократить выходной поток вдвое (вместо 12 байтов для четырех соседних пикселов достаточно шести). При кодировании по схеме YUV 4:2:2 сигнал яркости передается для каждой точки, а цветоразностные сигналы U и V - только для каждой второй точки в строке.
ринцип работы всех типов цифровых камер примерно одинаков. Рассмотрим типичную схему наиболее простой Web-камеры, основное отличие которой от других типов камер - наличие USB-интерфейса для подключения к компьютеру.
Помимо оптической системы (объектива) и светочувствительного ПЗС- или КМОП-сенсора обязательным является наличие аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует аналоговые сигналы светочувствительного сенсора в цифровой код. Кроме того, необходима и система формирования цветного изображения. Еще одним важным элементом камеры является схема, отвечающая за компрессию данных и подготовку к передаче в нужном формате. К примеру, в рассматриваемой Web-камере видеоданные передаются в компьютер по интерфейсу USB, поэтому на ее выходе должен наличествовать контроллер USB-интерфейса. Структурная схема цифровой камеры изображена на рис. 11 .
Аналого-цифровой преобразователь предназначен для дискретизации непрерывного аналогового сигнала и характеризуется частотой отсчетов, определяющих промежутки времени, через которые производится замер аналогового сигнала, а также своей разрядностью. Разрядность АЦП - это количество битов, используемых для представления каждого отсчета сигнала. Например, если используется 8-разрядный АЦП, то для представления сигнала используется 8 битов, что позволяет различать 256 градаций исходного сигнала. При использовании 10-разрядного АЦП имеется возможность различать уже 1024 различных градаций аналогового сигнала.
Из-за низкой пропускной способности USB 1.1 (всего 12 Мбит/с, из которых Web-камера использует не более 8 Мбит/с) перед передачей в компьютер данные необходимо сжимать. Например, при разрешении кадра 320×240 пикселов и глубине цвета 24 бита размер кадра в несжатом виде будет составлять 1,76 Мбит. При ширине полосы пропускания канала USB 8 Мбит/с максимальная скорость передачи несжатого сигнала составит всего 4,5 кадров в секунду, а для получения качественного видео необходима скорость передачи 24 или более кадров в секунду. Таким образом, становится понятно, что без аппаратного сжатия передаваемой информации нормальное функционирование камеры невозможно.
В соответствии с технической документацией данная КМОП-матрица имеет разрешение 664×492 (326 688 пикселов) и может функционировать со скоростью до 30 кадров в секунду. Сенсор поддерживает как прогрессивный, так и строчной тип развертки и обеспечивает отношение «сигнал/шум» более 48 дБ.
Как видно из блок-схемы, блок цветоформирования (аналоговый сигнальный процессор) имеет два канала - RGB и YСrCb, причем для модели YСrCb яркостный и цветоразностные сигналы вычисляются по формулам:
Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,
Cr = 0,713 × (R – Y),
Cb = 0,564 × (B – Y).
Аналоговые сигналы RGB и YCrCb, формируемые аналоговым сигнальным процессором, обрабатываются двумя 10-битными АЦП, каждый из которых работает на скорости 13,5 MSPS, что обеспечивает синхронизацию с пиксельной скоростью. После оцифровки данные поступают на цифровой преобразователь, формирующий видеоданные в 16-битном формате YUV 4:2:2 или 8-битном формате Y 4:0:0, которые направляются в выходной порт по 16-битной или 8-битной шине.
Кроме того, рассматриваемый КМОП-сенсор обладает широким спектром возможностей по коррекции изображения: предусмотрены установка баланса белого цвета, управление экспозицией, гамма-коррекцией, цветовой коррекции и т.д. Управлять работой сенсора можно по интерфейсу SCCB (Serial Camera Control Bus).
Микросхема OV511+, блок-схема которой показана на рис. 13 , представляет собой USB-контроллер.
Контроллер позволяет передавать видеоданные по USB-шине со скоростью до 7,5 Мбит/с. Нетрудно подсчитать, что такая полоса пропускания не позволит передавать видеопоток с приемлемой скоростью без предварительного сжатия. Собственно, компрессия - это и есть основное назначение USB-контроллера. Обеспечивая необходимую компрессию в реальном времени вплоть до степени сжатия 8:1, контроллер позволяет передавать видеопоток со скоростью 10-15 кадров в секунду при разрешении 640×480 и со скоростью 30 кадров в секунду при разрешении 320×240 и меньшем.
За компрессию данных отвечает блок OmniCE, реализующий фирменный алгоритм сжатия. OmniCE обеспечивает не только необходимую скорость видеопотока, но и быструю декомпрессию при минимальной загрузке центрального процессора (по крайней мере, по утверждению разработчиков). Степень сжатия, обеспечиваемая блоком OmniCE, варьируется от 4 до 8 в зависимости от требуемой скорости видеопотока.
КомпьютерПресс 12"2001
Твердотельные фотоэлектрические преобразователи (ТФЭП) изображений являются аналогами передающих ЭЛТ.
ТФЭП ведут начало с 1970г., с так называемых ПЗС и формируются на основе отдельных ячеек, представляющих собой конденсаторы МДП- или МОП-структуры. Одной из обкладок такого элементарного конденсатора является металлическая пленка М, второй – полупроводниковая подложка П (p - или n -проводимости), диэлектриком Д служит полупроводник, наносимый в виде тонкого слоя на подложку П. В качестве подложки П применяется кремний, легированный акцепторной (p -типа) или донорной (n -типа) примесью, а в качестве Д – окисел кремния SiO 2 (см. рис.8.8).
Рис. 8.8. Конденсатор МОП-структуры
Рис. 8.9. Перемещение зарядов под действием электрического поля
Рис. 8.10. Принцип работы трехфазной системы ПЗС
Рис. 8.11. Перемещение зарядов в двухфазной системе ПЗС
При подаче на металлический электрод напряжения, под ним образуется «карман» или потенциальная яма, в которой могут «скапливаться» неосновные носители (в нашем случае электроны), а основные носители, дырки, будут отталкиваться от М. На каком-то расстоянии от поверхности, концентрирование неосновных носителей может оказаться выше концентрации основных. Вблизи диэлектрика Д в подложке П возникает инверсионный слой, в котором тип проводимости изменяется на обратный.
Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим путем или с помощью световой генерации. При световой генерации фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к накоплению неосновных носителей в потенциальных ямах. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления . Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположением МОП-конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соединяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма.
Пусть под воздействием света накоплен заряд под электродом U 1 (см. рис.8.9). Если теперь на соседний электрод U 2 подать напряжение U 2 > U 1 , то рядом появится другая потенциальная яма, более глубокая (U 2 > U 1). Между ними возникнет область электрического поля и неосновные носители (электроны) будут дрейфовать (перетекать) в более глубокий «карман» (см. рис.8.9). Чтобы исключить двунаправленность в передаче зарядов, используют последовательность электродов, объединенных в группы по 3 электрода (см. рис.8.10).
Если, например, накоплен заряд под электродом 4 и необходимо передать его вправо, то на правый электрод 5 подается более высокое напряжение (U 2 > U 1) и заряд перетекает к нему и т.д.
Практически вся совокупность электродов подсоединена к трем шинам:
I – 1, 4, 7, …
II – 2, 5, 8, …
III – 3, 6, 9, …
В нашем случае напряжение «приема» (U 2) будет на электродах 2 и 5, но электрод 2 отделен от электрода 4, где хранится заряд, электродом 3 (у которого
U 3 = 0), поэтому перетекания влево не будет.
Трехтактная работа ПЗС предполагает наличие трех электродов (ячеек) на один элемент ТВ-изображения, что уменьшает полезную площадь, используемую световым потоком. Для сокращения числа ячеек (электродов) ПЗС металлические электроды и слой диэлектрика формируются ступенчатой формы (см. рис.8.11). Это позволяет при подаче на электроды импульсов напряжения создавать под разными его участками потенциальные ямы разной глубины. В более глубокую яму стекает большинство зарядов из соседней ячейки.
При двухфазной системе ПЗС сокращается число электродов (ячеек) в матрице на одну треть, что благоприятно сказывается на считывании потенциального рельефа.
ПЗС вначале предлагали использовать в вычислительной технике в качестве запоминающих устройств, регистров сдвига. В начале цепочки ставили инжектирующий диод, вводящий в систему заряд, а в конце цепи – выводной диод, обычно это n-p- или p-n- переходы МОП структуры, образующие с первым и последним электродами (ячейками) цепочки ПЗС полевые транзисторы.
Но скоро выяснилось, что ПЗС очень чувствительны к свету, и поэтому их лучше и эффективнее использовать в качестве светоприемников, а не в качестве запоминающих устройств.
Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то накопление заряда под тем или иным электродом может быть осуществлено оптическим методом (инжекция светом). Можно говорить, что ПЗС-матрицы по сути своей являются светочувствительными аналоговыми сдвиговыми регистрами. Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств (ЗУ), а только в качестве фотоприемников. Они используются в факсимильных аппаратах, сканерах (линейки ПЗС), в фотокамерах и видеокамерах (матрицы ПЗС). Обычно в ТВ камерах используются так называемые ПЗС-чипы.
Мы предполагали, что все 100% зарядов передаются в соседний карман. Однако на практике приходится считаться с потерями. Одним из источников потерь является «ловушки», способные захватывать и удерживать некоторое время заряды. Эти заряды не успевают перетечь в соседний карман, если скорость передачи будет велика.
Второй причиной является сам механизм перетекания. В первый момент перенос зарядов происходит в сильном электрическом поле - дрейф в Е . Однако по мере перетекания зарядов напряженность поля падает и дрейфовый процесс затухает, поэтому последняя порция перемещается за счет диффузии, в 100 раз медленнее дрейфа. Дождаться последней порции – значит снизить быстродействие. Дрейф дает более 90% переноса. Но именно последние проценты являются основными при определении потерь.
Пусть коэффициент передачи одного цикла переноса равен k = 0,99, полагая число циклов равным N = 100, определим суммарный коэффициент передачи:
0,99 100 = 0,366
Становится очевидным, что при большом числе элементов даже незначительные потери на одном элементе приобретают большое значение для цепочки в целом.
Поэтому вопрос о сокращении числа переносов зарядов в матрице ПЗС является особо важным. В этом отношении у матрицы двухфазной ПЗС коэффициент передачи зарядов будет несколько большим, чем в трехфазной системе.
