CCD

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. maj 2020; checks kræver 4 redigeringer .

CCD matrix (forkortet fra " charge - coupled device " ) eller CCD matrix (forkortet fra engelsk CCD , " charge-coupled device ") er et specialiseret analogt integreret kredsløb bestående af lysfølsomme fotodioder , lavet på baseret på silicium , ved hjælp af CCD teknologi - ladekoblede enheder.

CCD'er blev produceret og brugt aktivt af Nikon , Canon , Sony , Fujitsu , Kodak , Panasonic , Philips og mange andre. I Rusland udvikles og produceres CCD-matricer i øjeblikket af: JSC "TsNII Electron" (St. Petersburg) og dets datterselskab JSC "NPP" Elar "" (St. Petersburg,) samt JSC "NPP" Pulsar "" ( Moskva).

Historien om CCD'en

Den ladningskoblede enhed blev opfundet i 1969 af Willard Boyle og George Smith på AT&T Bell Labs . Laboratorier arbejdede med videotelefoni og udvikling af "halvlederboblehukommelse". Ladningskoblede enheder begyndte livet som hukommelsesenheder, hvor man kun kunne placere en ladning i enhedens inputregister. Imidlertid har enhedens hukommelseselements evne til at modtage en ladning på grund af den fotoelektriske effekt gjort denne anvendelse af CCD-enheder mainstream.

I 1970 lærte Bell Labs forskere , hvordan man tager billeder ved hjælp af simple lineære enheder.

Efterfølgende, under ledelse af Kazuo Iwama, blev Sony aktivt involveret i CCD'er, investerede kraftigt i dette og var i stand til at masseproducere CCD'er til deres videokameraer.

Iwama døde i august 1982 . En CCD- chip blev placeret på hans gravsten for at mindes hans bidrag.

I januar 2006 blev W. Boyle og J. Smith tildelt US National Academy of Engineering [1] for deres arbejde med CCD .

I 2009 blev disse CCD-skabere tildelt Nobelprisen i fysik .

Generelt arrangement og funktionsprincip

CCD-arrayet består af polysilicium , adskilt fra et siliciumsubstrat, hvori, når spænding påføres gennem polysiliciumporte, ændres elektriske potentialer nær elektroderne .

Før eksponering - normalt ved at påføre en bestemt kombination af spændinger til elektroderne - nulstilles alle tidligere dannede ladninger, og alle elementer bringes i en identisk tilstand.

Yderligere skaber kombinationen af spændinger på elektroderne en potentialbrønd, hvori elektroner kan akkumuleres, dannet i en given pixel af matrixen som et resultat af eksponering for lys under eksponering. Jo mere intens lysstrømmen er under eksponeringen , jo flere elektroner akkumuleres i henholdsvis potentialbrønden, jo højere er den endelige ladning af en given pixel .

Efter eksponering danner successive ændringer i spændingen på elektroderne en potentialfordeling i hver pixel og ved siden af den, hvilket fører til en ladningsstrøm i en given retning til matrixens udgangselementer.

Et eksempel på en n-type lomme CCD-subpixel

Producenter har forskellige pixelarkitekturer.

Betegnelser på CCD -subpixeldiagrammet :

fotoner af lys, der passerer gennem en kameralinse ;
subpixel mikrolinse;
R-subpixel rødt lys filter , Bayer filter fragment ;
gennemsigtig elektrode fremstillet af polykrystallinsk silicium eller en legering af indium og tinoxid ;
siliciumoxid;
n-type siliciumkanal: bærergenereringszone - intern fotoelektrisk effektzone ;
potentialbrøndzone (n-type lomme), hvor elektroner fra ladningsbærergenereringszonen samles ;
p - type siliciumsubstrat .

Klassificering efter buffermetode

Fuld-frame overførselsmatricer

Billedet dannet af linsen falder på CCD-matrixen, det vil sige lysstrålerne falder på den lysfølsomme overflade af CCD-elementerne, hvis opgave er at omdanne fotonenergi til en elektrisk ladning. Det sker omtrent som følger.

For en foton, der er faldet på et CCD-element, er der tre scenarier for udvikling af begivenheder - den vil enten "rikochettere" fra overfladen eller blive absorberet i tykkelsen af halvlederen (matrixmateriale) eller "gennembore" dens "arbejdszone". Det er indlysende, at udviklerne er forpligtet til at skabe en sådan sensor, hvor tabene fra "ricochet" og "shoot through" ville blive minimeret. De samme fotoner, som blev absorberet af matrixen, danner et elektron-hul-par, hvis der var en interaktion med et atom i halvlederkrystalgitteret, eller kun en elektron (eller et hul), hvis interaktionen var med atomer af donor- eller acceptorurenheder, og begge disse fænomener kaldes den interne fotoelektriske effekt. Selvfølgelig er sensorens drift ikke begrænset til den interne fotoelektriske effekt - det er nødvendigt at opbevare ladningsbærerne "taget" fra halvlederen i et særligt lager og derefter læse dem.

CCD-element

Generelt ser designet af et CCD-element sådan ud: et p-type siliciumsubstrat er udstyret med kanaler fra en n-type halvleder. Over kanalerne er elektroder lavet af polykrystallinsk silicium med et isolerende lag af siliciumoxid. Efter at et elektrisk potentiale er påført en sådan elektrode, skabes en potentialbrønd i udtømningszonen under n-type kanalen, hvis formål er at lagre elektroner. En foton, der trænger ind i silicium, fører til generering af en elektron, som tiltrækkes af potentialebrønden og forbliver i den. Flere fotoner (stærkt lys) giver mere ladning til brønden. Så er det nødvendigt at aflæse værdien af denne ladning, også kaldet fotostrøm, og forstærke den.

Aflæsningen af CCD-elementernes fotostrømme udføres af de såkaldte sekventielle skifteregistre, som omdanner en række ladninger ved indgangen til et tog af impulser ved udgangen. Denne serie er et analogt signal, som derefter føres til forstærkeren.

Ved hjælp af registret er det således muligt at konvertere ladningerne for en række CCD-elementer til et analogt signal. Faktisk er et serielt skiftregister i et CCD-array implementeret ved hjælp af de samme CCD-elementer kombineret i en række. Driften af en sådan enhed er baseret på enheder med ladningskommunikation (det er det, forkortelsen CCD står for) til at udveksle ladninger af deres potentielle brønde . Udvekslingen udføres på grund af tilstedeværelsen af specielle overførselsporte placeret mellem tilstødende CCD-elementer. Når et øget potentiale påføres den nærmeste elektrode, "flyder" ladningen under den fra potentialbrønden. Mellem CCD-elementerne kan være placeret fra to til fire overføringselektroder, "fasen" af skifteregisteret afhænger af deres antal, som kan kaldes tofaset, trefaset eller firefaset.

Tilførslen af potentialer til overføringselektroderne er synkroniseret på en sådan måde, at bevægelsen af ladningerne af potentielle brønde af alle CCD-elementer i registeret sker samtidigt. Og i en overførselscyklus "transmitterer CCD-elementerne så at sige ladninger langs kæden" fra venstre mod højre (eller fra højre mod venstre). Nå, CCD-elementet, der viste sig at være det "ekstreme", giver sin ladning til enheden, der er placeret ved udgangen af registret - det vil sige forstærkeren.

Generelt er et serielt skifteregister en parallel input, seriel output-enhed. Derfor, efter at have læst alle ladningerne fra registret, er det muligt at anvende en ny linje til dens indgang, derefter den næste, og dermed danne et kontinuerligt analogt signal baseret på en todimensional række af fotostrømme. Til gengæld er input-parallelstrømmen til det serielle skifteregister (det vil sige rækkerne af et todimensionalt array af fotostrømme) tilvejebragt af et sæt vertikalt orienterede serielle skifteregistre, som kaldes et parallelt skifteregister, og hele strukturen som helhed er blot en enhed kaldet en CCD-matrix.

De "lodrette" serielle skifteregistre, der udgør det parallelle skifteregister, kaldes CCD-kolonner, og deres drift er fuldt synkroniseret. Det todimensionelle array af fotostrømme i CCD-arrayet forskydes samtidig en række ned, og dette sker først, efter at ladningerne fra den foregående række fra det serielle skifteregister placeret "helt i bunden" er gået til forstærkeren. Indtil det serielle register frigives, tvinges parallelregistret til tomgang. Nå, for normal drift skal selve CCD-matrixen være forbundet til et mikrokredsløb (eller et sæt af dem), som leverer potentialer til elektroderne i både serielle og parallelle skifteregistre og også synkroniserer driften af begge registre. Derudover er der behov for en urgenerator.

Fuldskærmssensor

Denne type sensor er den enkleste ud fra et konstruktivt synspunkt og kaldes en full-frame CCD-matrix (full-frame CCD-matrix). Ud over "strapping"-mikrokredsløbene har denne type matrix også brug for en mekanisk lukker, der blokerer lysstrømmen efter eksponeringen er afsluttet. Før lukkeren er helt lukket, kan aflæsningen af ladninger ikke startes - under parallelskiftregisterets arbejdscyklus tilføjes ekstra elektroner til fotostrømmen af hver af dens pixels, forårsaget af fotoner, der rammer den åbne overflade af CCD-matricen. Dette fænomen kaldes at "udtvære" ladningen i en fuld-frame matrix (full-frame matrix smear).

Således er rammelæsehastigheden i et sådant skema begrænset af hastigheden af både parallelle og serielle skifteregistre. Det er også indlysende, at det er nødvendigt at blokere for lyset, der kommer fra linsen, indtil læseprocessen er afsluttet, så intervallet mellem eksponeringerne afhænger også af læsehastigheden.

Rammebuffrede matricer

Der er en forbedret version af full-frame-matricen, hvor ladningerne fra parallelregistret ikke kommer linje for linje til indgangen på den serielle, men "lagres" i bufferparallelregisteret. Dette register er placeret under det parallelle hovedskifteregister, fotostrømmene flyttes linje for linje til bufferregisteret og føres fra det til indgangen til det serielle skifteregister. Overfladen af bufferregisteret er dækket af et uigennemsigtigt (normalt metal) panel, og hele systemet kaldes en matrix med rammebuffring (frame-transfer CCD).

I dette skema "tømmes" de potentielle brønde i hovedparallelskiftregisteret mærkbart hurtigere, da der ikke er behov for, at hver linje venter på en fuld cyklus af det sekventielle register, når der overføres linjer til bufferen. Derfor reduceres intervallet mellem eksponeringer, selvom læsehastigheden også falder - linjen skal "rejse" dobbelt så langt. Således reduceres intervallet mellem eksponeringer for kun to billeder, selvom prisen på enheden på grund af bufferregisteret stiger markant. Den mest bemærkelsesværdige ulempe ved matricer med rammebuffring er imidlertid den forlængede "rute" af fotostrømme, hvilket negativt påvirker sikkerheden af deres værdier. Og under alle omstændigheder skal en mekanisk lukker fungere mellem billederne, så der er ingen grund til at tale om et kontinuerligt videosignal.

Matricer med kolonnebuffring

Specielt til videoudstyr blev der udviklet en ny type matrix, hvor intervallet mellem eksponeringer blev minimeret ikke for et par billeder, men for en kontinuerlig stream. For at sikre denne kontinuitet var det naturligvis nødvendigt at sørge for afvisning af en mekanisk lukker.

Faktisk ligner dette skema, kaldet interline CCD-matricen, noget om rammebuffede systemer - det bruger også et bufferbuffet parallelt skifteregister, hvis CCD-elementer er skjult under en uigennemsigtig belægning. Denne buffer er dog ikke placeret i en enkelt blok under det parallelle hovedregister - dens kolonner "blandes" mellem kolonnerne i hovedregistret. Som et resultat er der ved siden af hver kolonne i hovedregistret en buffersøjle, og umiddelbart efter eksponering bevæger fotostrømmene sig ikke "fra top til bund", men "fra venstre mod højre" (eller "fra højre til venstre" ) og i blot én arbejdscyklus gå ind i bufferregistret, og frigør fuldstændigt og fuldstændigt potentielle huller til næste eksponering.

De afgifter, der er faldet ind i bufferregisteret, aflæses i sædvanlig rækkefølge gennem et serielt skifteregister, det vil sige "fra top til bund". Da nulstillingen af fotostrømme til bufferregisteret sker i kun en cyklus, selv i fravær af en mekanisk lukker, er der intet, der ligner "udtværing" af ladning i en fuld-frame matrix. Men eksponeringstiden for hver ramme svarer i de fleste tilfælde i varighed til det interval, der bruges på den fulde læsning af bufferparallelregisteret. Takket være alt dette bliver det muligt at skabe et videosignal med en høj billedhastighed - mindst 30 billeder i sekundet.

Ofte i den hjemlige litteratur kaldes matricer med kolonnebuffring fejlagtigt "interlaced". Det skyldes sandsynligvis, at de engelske navne "interline" (line buffering) og "interlaced" (interlaced scanning) lyder meget ens. Faktisk, når vi læser alle linjerne i en cyklus, kan vi tale om en progressiv scanningsmatrix (progressiv scanning), og når ulige linjer læses i den første cyklus, og lige linjer i den anden (eller omvendt), er vi taler om en sammenflettet scanningsmatrix (sammenflettet scanning).

Matricer med ortogonal billedoverførsel

I disse matricer kan ladninger flytte til naboceller efter kommando fra kontrolsystemet. De bruges i rumteleskoper til at kompensere for atmosfærisk turbulens, vibrationer af teleskopmekanismen og anden mekanisk og optisk interferens. [2]

Kamerasensorstørrelser

Betegnelse	$K_f$	Bredde (mm)	Højde (mm)	Diagonal (mm)	Firkant (mm²)	Eksempel kameraer
Fuld frame, type 135 film .	1 - 1,01	35,8 - 36	23,8 - 24	43 - 43,3	852-864	Canon EOS 5D , Canon EOS-1Ds ( CMOS-sensor )
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-sensor )
	1,33	27	atten	32,4	486	Leica M8
DX [3]	1,44 - 1,74	20.7 - 25.1	13,8 - 16,7	24.9 - 30.1	285,7 - 419,2	Pentax K10D
APS-C	1,74	20.7	13.8	24.9	285,7	Sigma SD14 (Foveon X3 type CMOS-sensor)
4/3 "	1,92 - 2	17.3 - 18	13 -13,5	21.6 - 22.5	224,9 - 243	Olympus E-330
en"	2.7	12.8	9.6	16	122,9	Sony ProMavica MVC-5000
2/3"	3,93	8.8	6.6	elleve	58,1	Pentax EI-2000
1/1,6"	≈4	otte	6	ti	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	otte	30,7	Sony DSC-D700
1/2,3"	5.6	6.16	4,62	7,70	28,46	Olympus 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	Olympus 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	fire	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

Dimensioner af digitale filmkameraer

Betegnelse	overensstemmelse med filmformatet	Bredde (mm)	Højde (mm)	Diagonal (mm)	Firkant (mm²)	Eksempel kameraer
Super-35	Super-35	24,89	18,66	31	465	Arri D-21, Red One
65 mm	bredskærm	49	23	54	1127	Sony F65, Phantom 65

Nogle specielle typer af matricer

Lysfølsomme linealer

Hovedområdet for lineære lysmodtagende enheder er scannere, panoramafotografisk udstyr samt spektrumanalysatorer og andet forskningsudstyr.

Koordinat- og vinkelsensorer

Baggrundsbelyste sensorer

I det klassiske CCD-elementdesign, som bruger polykrystallinske siliciumelektroder, er lysfølsomheden begrænset på grund af delvis spredning af lys af elektrodeoverfladen. Derfor, når der optages under særlige forhold, der kræver øget lysfølsomhed i de blå og ultraviolette områder af spektret, anvendes bagbelyste matricer . I sensorer af denne type falder det optagede lys ind på substratet, men for den nødvendige interne fotoelektriske effekt poleres substratet til en tykkelse på 10-15 µm . Denne fase af behandlingen øgede omkostningerne ved matrixen betydeligt, enhederne viste sig at være meget skrøbelige og krævede øget omhu under montering og drift. Og når man bruger lysfiltre, der svækker lysstrømmen, mister alle dyre operationer for at øge følsomheden deres betydning. Derfor bruges bagbelyste matricer hovedsageligt i astronomisk fotografering .

Lysfølsomhed

Matrixens lysfølsomhed er summen af lysfølsomheden af alle dens fotosensorer (sanser) og afhænger generelt af:

integral lysfølsomhed , som er forholdet mellem størrelsen af den fotoelektriske effekt og lysstrømmen (i lumen ) fra en strålingskilde med en normaliseret spektral sammensætning;
monokromatisk lysfølsomhed - forholdet mellem størrelsen af den fotoelektriske effekt og størrelsen af strålingens lysenergi (i millielektronvolt ) , svarende til en vis bølgelængde;
et sæt af alle værdier for monokromatisk lysfølsomhed for en udvalgt del af lysspektret er spektral lysfølsomhed - lysfølsomhedens afhængighed af lysets bølgelængde ;

For at øge lysfølsomheden og signal-til-støj-forholdet bruges metoden til at gruppere nabosanser ( eng. binning ). Metodens funktionsprincip ligger i hardwaresummeringen af signaler fra en gruppe af nabosanser. For eksempel vil fire tilstødende sanser, der danner en firkant, smelte sammen til én. Dette reducerer opløsningen af matrixen (i dette eksempel fire gange). Lignende tilstande bruges i rum- og mikroskopiske undersøgelser.

Se også

Noter

↑ CCD'ens historie . Hentet 24. maj 2008. Arkiveret fra originalen 5. marts 2008. (ubestemt)
↑ Marat Musin Alle sider af matrixen // Popular Mechanics . - 2016. - Nr. 5. - S. 65-69. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2016/163-issue/ Arkiveret 16. maj 2021 på Wayback Machine
↑ Dimensioner af matricer. Arkiveret 28. november 2007 på Wayback Machine

Litteratur

Yu.R. Nosov, V.A. Shilin. Fundamentals af fysik af ladningskoblede enheder. - M. : Nauka, 1986. - 318 s.
om. fra engelsk. / Ed. M. Howes, D. Morgan. Oplad koblede enheder. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 s.

Seken K., Thompset M. Enheder med ladningsoverførsel / Pr. fra engelsk. Ed. V.V. Pospelova, R.A. Surisa .. - M . : Mir, 1978. - 327 s.

udg. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; om. fra engelsk. udg. R.A. Suris. Halvleder billedsignaldannere. - M . : Mir, 1979. - 573 s.

Willard S. Boyle . Nobelforelæsning: CCD—An extension of man's view (engelsk) // Rev. Mod. Phys. . - 2010. - Bd. 82 , udg. 3 . - S. 2305-2306 .
George E Smith . Nobelforelæsning: CCD'ens opfindelse og tidlige historie (engelsk) // Rev. Mod. Phys. . - 2010. - Bd. 82 , udg. 3 . - P. 2307-2312 .

CCD