asyan.org
добавить свой файл
1 2 3

http://antibotan.com/ - Всеукраїнський студентський архів


Вступ
Оптико-електронні перетворювачі (ОЕП) зображень можна умовно роз­ділити на три групи: дискретні, лінійні та матричні. Дискретними є пристрої, які пра­цюють від єдиного джерела випромінювання і здатні виконувати функції або спостере­ження за цим джерелом, коли вихідний сигнал містить інформацію про відхилення цьо­го джерела відносно певного положення або координування джерела, коли у вихідному сигналі також закладена інформація про величину зміщення. Пристроями даного класу не проводиться сканування оптичного поля, де знаходиться об'єкт.

Лінійні фотоперетворювачі, на відміну від дискретних здатні проводити скану­вання оптичного поля, де знаходиться об'єкт, проте лише відносно однієї координати. Тому їх ще також називають однокоординатними.

Для отримання двовимірного зображення лінійним ОЕП потрібно вздовж другої осі, перпендикулярної напрямкові перенесення створювати механічне переміщення (сканування): зсовувати зображення перпендикулярно регістру або регістр рухати від­носно зображення. Швидкість руху електронного променя повинна бути синхронною зі швидкістю виведення зарядних пакетів з регістра, а швидкість зміни кадрів - із швидкі­стю механічного руху. Також лінійні фотоперетворювачі можуть використовуватись з метою отримання копій для предметів, які не дуже швидко рухаються. Це зумовлено тим, що механічне сканування дає розширення 10 - 50 ліній при не дуже швидкій роз- гортці. Основна перевага лінійних ОЕП - простота, недолік - розмазування зобра­ження при зчитуванні, внаслідок додавання до рядка носіїв при зчитуванні наступного рядка.

Двовимірне зображення можна отримати без механічного сканування. Для цього потрібно використати набір з лінійних ОЕП, створивши тим самим двокоординатний фотоперетворювач - двовимірну матрицю фоточутливих елементів.

Оскільки сучасні матричні перетворювачі світла мають досить різні розміри пікселя (від 2,2 до 9,2 мікрон), що дає змогу отримати розширення ОЕП від 1,31 до 16,6 мегапікселів, точність технології виготовлення знаходиться на рівні десятих мікрон, напруга живлення 3,3 - 5 В, коефіцієнт чутливості в перспективі наближується до 100 % дає можливість ефективно використовувати матричні фотоперетворювачі в циф­ровій фото та відеотехніці, телескопах наземного та бортового базування, в медицині та в фотометрії. Саме тому, актуальним є широке впровадження мат­ричних фотоперетворювачів в вимірювальну техніку.

Розділ 1^ . ПЗЗ - МАТРИЦІ

ПЗЗ-матриця (скорочено від «пристрій з зарядовим зв'язком») або CCD-матриця (скорочено від «Charge Coupled Device») є одним з осно­вних елементів цифрових фотоапаратів і фотокамер. Принцип роботи ПЗЗ з ідеєю зберігати і потім зчитувати електронні заряди був розроблений співробітниками корпорації Bell у ході пошуку нових типів пам'яті для ЕОМ. Ідея виявилася неперспективною, але здатність кремнію реагувати на видиме світло, привела до думки спробувати використати такий прин­цип для отримання і обробки зображень об'єктів. 2006 року Національна Академія інженерів (США) нагородила Уілларда Бойля (Willard Boyle) і Джорджа Сміта (George Smith) премією Чарльза Старка за внесок у ви­нахід та дослідження ПЗЗ-структур в 1969 році. У 2009 році обидва вина­хідники отримали Нобелівську премію по фізиці за розробку CCD- матриці, яка відкрила шлях цифровій фотографії та цифровому відео.

На сьогодні дослідницькі лабораторії всього світу повідомляють про но­ві удосконалення в конструкції і технології виробництва датчиків зобра­ження. Розвиток та дослідження ПЗЗ-матриць привели до створення цілого покоління пристроїв. На ринку з'явилися цифрові сканери, пристрої зчиту­вання цифрового коду, копіювальні пристрої т.ін. Високоякісні професійні фотоапарати, системи технічного зору, системи формування зображення ви­сокої чіткості, безпровідні системи безпеки і військова/аерокосмічна апара­тура не можуть обійтися без ПЗЗ-датчиків зображення.

Основною ідеєю ПЗЗ є накопичення зарядів в конденсаторах типу метал-оксид-напівпровідник (МОН-конденсаторах) і передача накопичених зарядів до пристрою, що проводить вимірювання кожного з них. Саме тому з фізичної точки зору фоточутливі ПЗЗ (ФПЗЗ) цікаві ще й тим, що електричний сигнал в них представлений не струмом чи напругою, а електричним зарядом. В основі роботи ПЗЗ лежить яви­ще внутрішнього фотоефекту. Поглинання кремнієм фотона приводить до генерації па­ри електрона і дірки ара розтягується електростатичним полем в області пікселя, причому дірка витісняється в глибину кремнію. Електрони, як неосновні носії заряду накопичуватимуться в потенційній ямі під електродом і, в зв'язку з тим, що дірок в збі­дненій області немає, електрони можуть зберігатися там достатньо довго. Якщо носій генерований поблизу збідненої області, то він може попасти під сусідній електрод при умові, що потенціал одного електрода буде зменшуватись, а іншого збільшуватись. Так заряди переміщаються вздовж зсувного регістра вимірюються на його виході. Таким чином на виході горизонтального зсувного регістра формується сигнал, що надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП).

Матричні ФПЗЗ по способу організації формування сигналу розділяють на мат­риці з перенесенням кадру, стрічково-кадрові матриці та матриці зі стрічковою адреса­цією .

Матриці з перенесенням кадру містять в собі щільно розміщені вертикальні регі­стри перенесення і горизонтальний вихідний регістр. По вертикалі матриця розділена на секції накопичення і пам'яті. Під час зворотного ходу по кадру інформація перено­ситься із секції накопичення в секцію пам'яті, а потім построково виводиться горизон­тальним регістром протягом наступного півкадру.

В полікремнієвих затворах відбувається сильне поглинання випромінювання з довжиною хвилі меншою за 500 нм, що приводить до втрати інформації про синій ком­понент колірності. Для підвищення чутливості в синій області спектру здійснюється освітлення із внутрішньої сторони підкладки, а підкладка при цьому сточується до то­вщини 20 мкм. Також для вирішення даної проблеми використовується ПЗЗ-структура з вузьким каналом. Полікремнєві затвори складаються з широкої частини, під якою знаходиться інформаційний заряд вузької бар'єрної частини, ширина каналу якої 3 мкм. Під впливом ефекту вузького каналу порогова напруга на 4 - 5 В більша, ніж в частині, що зберігає, завдяки чому є можливим двофазне керування пристроєм. Причому дана форма затворів приводить до того, що в кожній комірці залишається область, яка є не­закритою полікремнієм, а отже чутливою до синьої частини спектру. При площі фото­чутливого вікна, вільного від полікремнію, яка займає 27 % площі комірки, чутливість матриці при довжині 450 нм складає 40 % від максимальної чутливості .

Кольорове зображення отримують шляхом формування на скляній підкладці смужкових фільтрів червоного, зеленого і голубого кольорів. Підкладка наклеюється на матрицю таким чином, щоб кожний вертикальний регістр був закритий смужкою свого кольору. З метою послаблення змішування кольорів стоп-канали ПЗЗ закриваються на­півпрозорим екраном. Якщо інформація швидко переноситься з секції накопичення в секцію пам'яті, то виникає паразитне свічення зображення, що приводить до спотво­рення інформації. Для запобігання цьому зменшують площу пристрою або підвищують частоту перенесення зображення.

В стрічково кадрових матрицях відбувається чергування між вертикальними фо­точутливими областями та екранованими від світла регістрами зчитування. Область на­копичення є ніби розрізаною на вертикальні стовбці, між якими знаходяться зсувні ре­гістри. Хоча фоточутливою є та частина площі, що не зайнята зсувними регістрами, зо­браження проектують на весь кристал. Накопичені у фотокомірках зарядні пакети од­ночасно переносяться в сусідні елементи регістрів зчитування. Протягом часу накопи­чення наступного кадру чи півкадру зарядні пакети виносяться у вихідний пристрій че­рез горизонтальний вихідний регістр.

На відміну від матриць з накопиченням кадру, де фотокоміркою може бути лише МОН-накопичувач, в стрічково-кадрових матрицях в якості фотокомірок можна вико­ристовувати як МОН-накопичувач, фотодіод, фоторезистор. Використання діодних фо­токомірок дозволяє покращити чутливість в синій області спектру. Оскільки в стрічко­во-кадрових матрицях половина площі зайнята вертикальними регістрами, то виникає проблема збільшення заряду. Тому використовується режим накопичення поля, коли при звичайному робочому режимі матриці парні фотокомірки зчитуються в одному пі- вкадрі, а непарні - в іншому. При використанні фотодіодної матриці підвищення фото- чутливості здійснюють шляхом формування на поверхні приладу масиву напівпрозо­рих лінз, які фокусують світло на діоди, в результаті чого ефективна апертура зростає на 80 %. Кольорові фільтри наносяться безпосередньо на поверхню матриці.

В матрицях зі стрічковою адресацією області накопичування і зчитування є су­міщеними, а матриці призначені для роботи в малокадровому режимі, коли можна за­стосовувати фотозатвор або зробити час накопичення набагато більшим за час зчиту­вання. Матриці являють собою комбінацію накопичувачів на основі МОН-транзисторів з горизонтальним вихідним ПЗЗ-регістром. Зчитування двокоординатного масиву від­бувається построково у вихідний зсувний регістр та у вихідний пристрій. При такій ор­ганізації необхідно забезпечити зчитування малого заряду з вертикальної шини великої ємності в комірку горизонтального регістра. Тому між фоточутливою матрицею та ре­гістром вводять спеціальний узгоджувальний пристрій, який в значній степені визначає якість роботи пристрою. До матриць зі стрічковою адресацією відносять ФПЗЗ з тимча­совою затримкою та накопиченням (ТЗН), використання яких дозволяє різко збільшити відношення сигнал - шум, і як наслідок реалізувати високу чутливість. Використання тимчасової затримки і накопичення дозволяє різко поліпшити відношення сигнал-шум матриць і, отже, реалізувати високу чутливість. Одна з основних переваг матриць з ТЗН - можливість гібридної збірки їх в суперлінійки, число елементів яких досягає десятків тисяч.

^ 1.1 Принцип дії ПЗЗ-матриці



Пристрій з зарядовим зв'язком являє собою однорядкову або двовимір­ну матрицю, кожен елемент якої є мініатюрним електричним конденсато­ром типу метал-оксид-напівпровідник (МОН) (рис.1).

Рис. 1.

Елемент ПЗЗ - електричний конденсатор типу МОН: 1 - металевий електрод; 2 - діелектрик; 3 - напівпровідник ^-типу; 4 - потенціальна яма, що сформувалася біля площини ро­зділу між діелектриком та напівпровідником під впливом прикладеного до електрода імпульсу позитивної напруги.

В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. При освітленні структури світловим потоком Ф в напівпровіднику генеруються пари носіїв заряду — електрон і дірка. Під дією позитивної напруги (+U) дірки витісняються в глиб напівпровідника, а неосновні носії заряду, елек­трони, накопичуються в потенціальній ямі. Тут вони можуть зберігатися достатньо тривалий час, оскільки дірок в збідненій області немає і елект­ рони не рекомбінують. Електроди виготовлені з полікристалічного крем­нію, який є прозорим майже у всьому видимому діапазоні. Якщо два мініа­тюрних конденсатори розмістити один біля одного так, щоб їх електричні поля впливали один на одного, потенціальні ями двох конденсаторів ста­нуть зв'язаними, а накопичений заряд потече в більш глибшу потенціальну яму. Таке перетікання зарядів складає основу принципу дії пристроїв з за­рядовим зв'язком.




Рис.2. Елемент трифазного ПЗЗ
На рис. 2 показана структура одного елемента, лінійного трифазного ПЗЗ. За­ряд, нагромаджений під одним електро­дом, у будь-який момент може бути пе­ренесений під сусідній електрод, якщо його потенціал (U)буде збільшений, тоді як потенціал (U) першого електро­ду буде зменшений. Перенесення в три­фазному ПЗЗ можна виконати в одному з двох напрямів (ліворуч або праворуч). Всі зарядові пакети лінійки переносять­ся в той же бік одночасно.




Рис. 3. Структура ПЗЗ-матриці
Двовимірний масив (матрицю) пікселів отримують за допомогою стоп-каналів, що розділяють елект­родну структуру ПЗЗ на стовпці. Стоп-канали — це вузькі області, що формуються спеціальними тех­нологічними прийомами в поверх­невій області, які перешкоджають розтіканню заряду під сусідні стов­пці. Як правило, такі матриці скла­даються з двох ідентичних областей — області накопичення і області зберігання. Пристрій схематично показаний на рис. 3.

Область зберігання захищена від дії світла світлонепроникним покриттям. Зарядовий рельєф, сформова­ний в області накопичення, швидко переноситься в область зберігання і, потім, поки експонується наступний кадр, зчитується порядково у вихід­ний зсуваючий (послідовний) регістр. З послідовного регістра зарядові па­кети виводяться один за одним послідовно через вихідний підсилювач, ро­зташований на цьому ж кристалі. У цьому вузлі відбувається перетворення заряду в напругу для подальшої обробки сигналу зовнішньою електронною апаратурою.

Існують також матриці, в яких відсутня секція зберігання, і тоді рядко­ве перенесення здійснюється по секції накопичення. Для роботи таких ма­триць потрібний оптичний заслін.



следующая страница >>