Загальні принципи

Для того, щоб досконально зрозуміти, яким чином світло перетворюється в електричний заряд, необхідно пригадати розділ «Напівпровідникові прилади» шкільного курсу фізики, точніше — р-n -переход. Проте тема ця дуже об'ємна, щоб розглядати її в рамках даної книги. Коротко принцип пристрою і функціонування ПЗС-матриц зводиться до наступного.

У кремнієвій підкладці р-типа створюються канали з напівпровідника n-типа. Зверху наноситься ізолюючий шар окислу кремнію. Над каналами розміщуються електроди з полікристалічного кремнію. При подачі електричного потенціалу на електрод в збідненій зоні під каналом n-типа утворюється так звана потенційна яма яка здатна зберігати електрони. Після попадання фотона на поверхню n-канала останній генерує електрон, який зберігається в потенційній ямі. Чим більше фотонів потрапляє на поверхню, тим вище нагромаджуваний заряд. Чим більше електронів може накопити потенційна яма, тим більший діапазон освітленості можна зафіксувати, і від цього, зрештою, залежить динамічний діапазон (про нього детальніше буде розказано нижче). Все, що потрібно зробити, — рахувати значення цього заряду і підсилити його.

Мал. 3.1. Елемент ПЗС-матрицы

Для прочитування заряду використовуються пристрої, звані регістрами зрушеннящо перетворюють рядок зарядів на вході в послідовність імпульсів на виході. Отриманий сигнал потім поступає на підсилювач. Таким пристроєм можна вважати значення рядка ПЗС-элементов.

У нашому ж випадку потрібно визначити заряд кожного з елементів матриці. При цьому використовується здатність ПЗС до переміщення потенційної ями. Для цього досить подати більший потенціал на сусідній електрод, під який повинна переміститися потенційна яма. При цьому яма з-під сусіднього електроду, у свою чергу, зміщується під наступний електрод і так далі до регістра зрушення. Таким чином, необхідно погоджувати за часом імпульси, що подаються на електроди, а також роботу регістрів зрушення.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были повнокадрові ПЗС-матрицы (full-frame Ccd-matrix). Після того, як відпрацював затвор фотоапарата і всі піксели накопили заряд, еквівалентний світловому потоку, що впав на них, відбувається процес прочитування цих зарядів.

Мал. 3.2. Повнокадрова матриця

Швидкодія такої схеми обмежена швидкістю роботи регістра зрушення і, відповідно, колічеством рядків матриці. У будь-якому випадку потрібне перекриття світлового потоку з об'єктиву до завершення процесу прочитування.

Декілька прискорений процес прочитування в матрицях з буферизацією кадру (frame-transfer CCD). Для проміжного зберігання даних в цих пристроях використовується друга матриця аналогічного розміру, покрита металевою кришкою.

Заряди з вічок основної матриці переміщаються в буфер і потім прочитуються в регістр зрушення, як і в повнокадровій матриці. Недоліком даної системи є відносно висока вартість, якщо врахувати, що кардинального збільшення швидкості прочитування не відбувається.

Щоб максимально збільшити частоту зміни кадрів, для відеокамер була розроблена система з буферизацією рядків/стовпців.

Мал. 3.3. Матриця з буферизацією кадру

В матрицах этого типа (interline CCD-matrix) регистры сдвига располагаются в непосредственной близости от светочувствительных элементов, что позволяет непрерывно, с требуемой частотой считывать заряд пиксела. При этом не происходит переполнение потенциальных ям светочувствительных элементов, таким образом, нет необходимости закрывать затвор. Быстродействие такой системы позволяет обеспечить видеосигнал с приемлемой частотой кадров (от 30 кадров в секунду и выше).

Если за один такт считываются все строки, то это матриця з прогресивною розгорткою (progressive scan). Якщо за перший такт прочитуються непарні рядки, а за другою — парні, то це матриця з чересстрочной розгорткою (interlace scan).

Мал. 3.4. Матриця з буферизацією стовпців

Попутно виникає можливість реалізації електронного затвора. Даний пристрій дозволяє, в принципі, обійтися без механічного затвора. При цьому витримка задається інтервалом між початком прочитування заряду і завершенням цього процесу. Таким чином, можна досягти сверхмалих (до 1/10 000 секунди) значень витримки, особливо критичних для зйомки швидкоплинних процесів (спорт, природа і т. д.). Правда, для реалізації електронного затвора необхідна функція видалення надлишкового заряду піксела, мова про яку піде далі.

Проте система з буферизацією рядків має і недоліки. Головний з них — в результаті того, що частина площі матриці зайнята регістрами зрушення, розмір світлочутливої області кожного піксела складає лише 30 % від його площі, тоді як в повнокадрової матриці цей параметр дорівнює 70 %.

Тому виробники вимушені вносити до конструкції матриць мікролінзи покриваючі піксели цілком. Ці нескладні оптичні пристрої концентрують світловий потік, падаючий на всю поверхню елементу сенсора, на відносно невелику світлочутливу область піксела.

Мал. 3.5. Мікролінзи

Ефект ослабіння світлового потоку за рахунок проходження крізь мікролінзи мінімальний. Значно більшою проблемою є ускладнена конструкція ЕОП.

В цілому повнокадрові матриці частіше зустрічаються в професійних камерах, а матриці з буферизацією рядків — в любительських фотоапаратах.

Електроди з полікристалічного кремнію частково розсіюють світло, зменшуючи тим самим чутливість ПЗС-элементов. До недавнього часу для спеціалізованої зйомки, що вимагає покращуваної сприйнятливості ЕОП до синьою і ультрафіолетовій частині спектру, застосовувалися матриці із зворотним засвіченням, в яких світло проникало з боку підкладки.

Для цього на високопрецизійному устаткуванні підкладка шліфувалася до товщини 10-15 мкм. Дана стадія обробки сильно здорожувала вартість матриці, крім того, пристрої виходили дуже крихкими і вимагали підвищеної обережності при збірці і експлуатації. При розміщенні світлофільтрів над індивідуальними вічками ЕОП всі дії із збільшення чутливості втрачають сенс, тому матриці із зворотним засвіченням застосовуються в студійних камерах, що використовують змінні світлофільтри.

Мал. 3.6. Матриця із зворотним засвіченням