Пзс матрица это: матрица — это… Что такое ПЗС-матрица?

Содержание

матрица — это… Что такое ПЗС-матрица?

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» Санкт-Петербург и его дочернее предприятие ЗАО «НПП „Элар“» Санкт-Петербург.

История ПЗС-матрицы

Основная статья: ПЗС

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ.

 semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивамы (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering)[1]

.

В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

Общее устройство и принцип работы

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Классификация по способу буферизации

Матрицы с полнокадровым переносом

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий— он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Матрицы с буферизацией кадра

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD). Матрица с буферизацией кадра В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром— его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров— не менее 30кадров секунду. Матрица с буферизацией столбцов Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй— чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).

Размеры матриц фотоаппаратов

Схема для визуального сравнения размеров матриц с различным
Обозначение Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Полнокадровые,
плёнка типа 135.
1 — 1,01 35,8 — 36 23,8 — 24 43 — 43,3 852—864 Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (КМОП-матрица)
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 (КМОП-матрица)
1,33 27 18 32,4 486 Leica M8
APS-C, DX, 1.8″[2] 1,44 — 1,74 20,7 — 25,1 13,8 — 16,7 24,9 — 30,1 285,7 — 419,2 Pentax K10D
Foveon X3 1,74 20,7 13,8 24,9 285,7 Sigma SD14
4/3″ 1,92 — 2 17,3 — 18 13 −13,5 21,6 — 22,5 224,9 — 243 Olympus E-330
1″ 2,7 12,8 9,6 16 122,9 Sony ProMavica MVC-5000
2/3″ 3,93 8,8 6,6 11 58,1 Pentax EI-2000
1/1,6″ ≈4 8 6 10 48 Panasonic Lumix DMC-LX3
1/1,65″ ≈4 Panasonic Lumix DMC-LX2
1/1,7″ ≈4,5 7,6 5,7 9,5 43,3 Canon PowerShot G10
1/1,8″ 4,84 7,176 5,319 8,9 38,2 Casio EXILIM EX-F1
1/1,9″ ≈5 Samsung Digimax V6
1/2″ 5,41 6,4 4,8 8 30,7 Sony DSC-D700
1/2,3″ ≈6 6,16 4,62 7,70 28,46 Olympus SP-560 UZ
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 zoom
1/2,8″ ≈7 Canon DC40
1/2,9″ ≈7 Sony HDR-SR7E
1/3″ 7,21 4,8 3,6 6 17,3 Canon PowerShot A460
1/3,1″ ≈7 Sony HDR-SR12E
1/3,2″ 7,62 4,536 3,416 5,7 15,5 Canon HF100
1/3,4″ ≈8 Canon MVX35i
1/3,6″ 8,65 4 3 5 12 JVC GR-DZ7
1/3,9″ ≈9 Canon DC22
1/4″ Canon XM2
1/4,5″ Samsung VP-HMX10C
1/4,7″ Panasonic NV-GS500EE-S
1/5″ Sony DCR-SR80E
1/5,5″ JVC Everio GZ-HD7
1/6″ 14,71 2,4 1,7 2,9 4,1 Sony DCR-DVD308E
1/8″ Sony DCR-SR45E

Размеры матриц цифровых кинокамер

Обозначение соответствие
формату
кинопленки
Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Super-35 Super-35 24,89 18,66 31 465 Arri D-21, Red One
65-mm широкоформатная 49 23 54 1127 Sony F65, Phantom 65

Некоторые специальные виды матриц

Светочувствительные линейки

Основная сфера применения линейных световоспринимающих устройств — сканеры, панорамная фотоаппаратура, а также спектроанализаторы и другое научно-исследовательское оборудование.

Координатные и угловые датчики

Матрицы с обратной засветкой

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ. back-illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10—15 мкм. Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном в астрономической фотографии.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

  • интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;
  • монохроматической светочувствительности — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;
  • набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность — зависимость светочувствительности от длины волны света;

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

матрица — это… Что такое ПЗС-матрица?

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» Санкт-Петербург и его дочернее предприятие ЗАО «НПП „Элар“» Санкт-Петербург.

История ПЗС-матрицы

Основная статья: ПЗС

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивамы (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering)[1].

В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

Общее устройство и принцип работы

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Классификация по способу буферизации

Матрицы с полнокадровым переносом

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий— он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Матрицы с буферизацией кадра

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD). Матрица с буферизацией кадра В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром— его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров— не менее 30кадров секунду. Матрица с буферизацией столбцов Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй— чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).

Размеры матриц фотоаппаратов

Схема для визуального сравнения размеров матриц с различным
Обозначение Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Полнокадровые,
плёнка типа 135.
1 — 1,01 35,8 — 36 23,8 — 24 43 — 43,3 852—864 Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (КМОП-матрица)
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 (КМОП-матрица)
1,33 27 18 32,4 486 Leica M8
APS-C, DX, 1.8″[2] 1,44 — 1,74 20,7 — 25,1 13,8 — 16,7 24,9 — 30,1 285,7 — 419,2 Pentax K10D
Foveon X3 1,74 20,7 13,8 24,9 285,7 Sigma SD14
4/3″ 1,92 — 2 17,3 — 18 13 −13,5 21,6 — 22,5 224,9 — 243 Olympus E-330
1″ 2,7 12,8 9,6 16 122,9 Sony ProMavica MVC-5000
2/3″ 3,93 8,8 6,6 11 58,1 Pentax EI-2000
1/1,6″ ≈4 8 6 10 48 Panasonic Lumix DMC-LX3
1/1,65″ ≈4 Panasonic Lumix DMC-LX2
1/1,7″ ≈4,5 7,6 5,7 9,5 43,3 Canon PowerShot G10
1/1,8″ 4,84 7,176 5,319 8,9 38,2 Casio EXILIM EX-F1
1/1,9″ ≈5 Samsung Digimax V6
1/2″ 5,41 6,4 4,8 8 30,7 Sony DSC-D700
1/2,3″ ≈6 6,16 4,62 7,70 28,46 Olympus SP-560 UZ
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 zoom
1/2,8″ ≈7 Canon DC40
1/2,9″ ≈7 Sony HDR-SR7E
1/3″ 7,21 4,8 3,6 6 17,3 Canon PowerShot A460
1/3,1″ ≈7 Sony HDR-SR12E
1/3,2″ 7,62 4,536 3,416 5,7 15,5 Canon HF100
1/3,4″ ≈8 Canon MVX35i
1/3,6″ 8,65 4 3 5 12 JVC GR-DZ7
1/3,9″ ≈9 Canon DC22
1/4″ Canon XM2
1/4,5″ Samsung VP-HMX10C
1/4,7″ Panasonic NV-GS500EE-S
1/5″ Sony DCR-SR80E
1/5,5″ JVC Everio GZ-HD7
1/6″ 14,71 2,4 1,7 2,9 4,1 Sony DCR-DVD308E
1/8″ Sony DCR-SR45E

Размеры матриц цифровых кинокамер

Обозначение соответствие
формату
кинопленки
Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Super-35 Super-35 24,89 18,66 31 465 Arri D-21, Red One
65-mm широкоформатная 49 23 54 1127 Sony F65, Phantom 65

Некоторые специальные виды матриц

Светочувствительные линейки

Основная сфера применения линейных световоспринимающих устройств — сканеры, панорамная фотоаппаратура, а также спектроанализаторы и другое научно-исследовательское оборудование.

Координатные и угловые датчики

Матрицы с обратной засветкой

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ. back-illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10—15 мкм. Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном в астрономической фотографии.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

  • интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;
  • монохроматической светочувствительности — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;
  • набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность — зависимость светочувствительности от длины волны света;

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

матрица — это… Что такое ПЗС-матрица?

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» Санкт-Петербург и его дочернее предприятие ЗАО «НПП „Элар“» Санкт-Петербург.

История ПЗС-матрицы

Основная статья: ПЗС

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивамы (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering)[1].

В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

Общее устройство и принцип работы

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Классификация по способу буферизации

Матрицы с полнокадровым переносом

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий— он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Матрицы с буферизацией кадра

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD). Матрица с буферизацией кадра В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром— его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров— не менее 30кадров секунду. Матрица с буферизацией столбцов Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй— чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).

Размеры матриц фотоаппаратов

Схема для визуального сравнения размеров матриц с различным
Обозначение Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Полнокадровые,
плёнка типа 135.
1 — 1,01 35,8 — 36 23,8 — 24 43 — 43,3 852—864 Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (КМОП-матрица)
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 (КМОП-матрица)
1,33 27 18 32,4 486 Leica M8
APS-C, DX, 1.8″[2] 1,44 — 1,74 20,7 — 25,1 13,8 — 16,7 24,9 — 30,1 285,7 — 419,2 Pentax K10D
Foveon X3 1,74 20,7 13,8 24,9 285,7 Sigma SD14
4/3″ 1,92 — 2 17,3 — 18 13 −13,5 21,6 — 22,5 224,9 — 243 Olympus E-330
1″ 2,7 12,8 9,6 16 122,9 Sony ProMavica MVC-5000
2/3″ 3,93 8,8 6,6 11 58,1 Pentax EI-2000
1/1,6″ ≈4 8 6 10 48 Panasonic Lumix DMC-LX3
1/1,65″ ≈4 Panasonic Lumix DMC-LX2
1/1,7″ ≈4,5 7,6 5,7 9,5 43,3 Canon PowerShot G10
1/1,8″ 4,84 7,176 5,319 8,9 38,2 Casio EXILIM EX-F1
1/1,9″ ≈5 Samsung Digimax V6
1/2″ 5,41 6,4 4,8 8 30,7 Sony DSC-D700
1/2,3″ ≈6 6,16 4,62 7,70 28,46 Olympus SP-560 UZ
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 zoom
1/2,8″ ≈7 Canon DC40
1/2,9″ ≈7 Sony HDR-SR7E
1/3″ 7,21 4,8 3,6 6 17,3 Canon PowerShot A460
1/3,1″ ≈7 Sony HDR-SR12E
1/3,2″ 7,62 4,536 3,416 5,7 15,5 Canon HF100
1/3,4″ ≈8 Canon MVX35i
1/3,6″ 8,65 4 3 5 12 JVC GR-DZ7
1/3,9″ ≈9 Canon DC22
1/4″ Canon XM2
1/4,5″ Samsung VP-HMX10C
1/4,7″ Panasonic NV-GS500EE-S
1/5″ Sony DCR-SR80E
1/5,5″ JVC Everio GZ-HD7
1/6″ 14,71 2,4 1,7 2,9 4,1 Sony DCR-DVD308E
1/8″ Sony DCR-SR45E

Размеры матриц цифровых кинокамер

Обозначение соответствие
формату
кинопленки
Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Super-35 Super-35 24,89 18,66 31 465 Arri D-21, Red One
65-mm широкоформатная 49 23 54 1127 Sony F65, Phantom 65

Некоторые специальные виды матриц

Светочувствительные линейки

Основная сфера применения линейных световоспринимающих устройств — сканеры, панорамная фотоаппаратура, а также спектроанализаторы и другое научно-исследовательское оборудование.

Координатные и угловые датчики

Матрицы с обратной засветкой

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ. back-illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10—15 мкм. Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном в астрономической фотографии.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

  • интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;
  • монохроматической светочувствительности — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;
  • набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность — зависимость светочувствительности от длины волны света;

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

матрица — это… Что такое ПЗС-матрица?

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» Санкт-Петербург и его дочернее предприятие ЗАО «НПП „Элар“» Санкт-Петербург.

История ПЗС-матрицы

Основная статья: ПЗС

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивамы (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering)[1].

В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.

Общее устройство и принцип работы

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Классификация по способу буферизации

Матрицы с полнокадровым переносом

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий— он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Матрицы с буферизацией кадра

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD). Матрица с буферизацией кадра В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром— его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров— не менее 30кадров секунду. Матрица с буферизацией столбцов Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй— чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).

Размеры матриц фотоаппаратов

Схема для визуального сравнения размеров матриц с различным
Обозначение Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Полнокадровые,
плёнка типа 135.
1 — 1,01 35,8 — 36 23,8 — 24 43 — 43,3 852—864 Canon EOS 5D, Canon EOS-1Ds (КМОП-матрица)
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 (КМОП-матрица)
1,33 27 18 32,4 486 Leica M8
APS-C, DX, 1.8″[2] 1,44 — 1,74 20,7 — 25,1 13,8 — 16,7 24,9 — 30,1 285,7 — 419,2 Pentax K10D
Foveon X3 1,74 20,7 13,8 24,9 285,7 Sigma SD14
4/3″ 1,92 — 2 17,3 — 18 13 −13,5 21,6 — 22,5 224,9 — 243 Olympus E-330
1″ 2,7 12,8 9,6 16 122,9 Sony ProMavica MVC-5000
2/3″ 3,93 8,8 6,6 11 58,1 Pentax EI-2000
1/1,6″ ≈4 8 6 10 48 Panasonic Lumix DMC-LX3
1/1,65″ ≈4 Panasonic Lumix DMC-LX2
1/1,7″ ≈4,5 7,6 5,7 9,5 43,3 Canon PowerShot G10
1/1,8″ 4,84 7,176 5,319 8,9 38,2 Casio EXILIM EX-F1
1/1,9″ ≈5 Samsung Digimax V6
1/2″ 5,41 6,4 4,8 8 30,7 Sony DSC-D700
1/2,3″ ≈6 6,16 4,62 7,70 28,46 Olympus SP-560 UZ
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 zoom
1/2,8″ ≈7 Canon DC40
1/2,9″ ≈7 Sony HDR-SR7E
1/3″ 7,21 4,8 3,6 6 17,3 Canon PowerShot A460
1/3,1″ ≈7 Sony HDR-SR12E
1/3,2″ 7,62 4,536 3,416 5,7 15,5 Canon HF100
1/3,4″ ≈8 Canon MVX35i
1/3,6″ 8,65 4 3 5 12 JVC GR-DZ7
1/3,9″ ≈9 Canon DC22
1/4″ Canon XM2
1/4,5″ Samsung VP-HMX10C
1/4,7″ Panasonic NV-GS500EE-S
1/5″ Sony DCR-SR80E
1/5,5″ JVC Everio GZ-HD7
1/6″ 14,71 2,4 1,7 2,9 4,1 Sony DCR-DVD308E
1/8″ Sony DCR-SR45E

Размеры матриц цифровых кинокамер

Обозначение соответствие
формату
кинопленки
Ширина

(мм)

Высота

(мм)

Диагональ

(мм)

Площадь

(мм²)

Пример

камеры

Super-35 Super-35 24,89 18,66 31 465 Arri D-21, Red One
65-mm широкоформатная 49 23 54 1127 Sony F65, Phantom 65

Некоторые специальные виды матриц

Светочувствительные линейки

Основная сфера применения линейных световоспринимающих устройств — сканеры, панорамная фотоаппаратура, а также спектроанализаторы и другое научно-исследовательское оборудование.

Координатные и угловые датчики

Матрицы с обратной засветкой

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ. back-illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10—15 мкм. Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном в астрономической фотографии.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

  • интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;
  • монохроматической светочувствительности — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;
  • набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность — зависимость светочувствительности от длины волны света;

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Что такое CCD-матрица?

Что такое CCD-матрица?

CCD-матрица / Charge-Coupled Device или ПЗС-матрица / Прибор с зарядовой связью – это аналоговая интегральная микросхема, в составе которой есть светочувствительные фотодиоды, выполненные из кремния или оксида олова. Принцип работы данной микросхемы основан на технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).

История CCD-матрицы

Впервые прибор с зарядовой связью был применен Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) в Лабораториях Белла крупнейшей в США корпорации AT&T Bell Labs в 1969 г. Они вели исследования в области видеотелефонии и так называемой «полупроводниковой пузырьковой памяти».

Вскоре миниатюрные приборы получили довольно широкое распространение и стали использоваться как устройства памяти, в которых заряд размещался во входном регистре микросхемы. Спустя какое-то время способность элемента памяти получать заряд за счет фотоэлектрического эффекта стала основной целью применение CCD устройств.

Еще через год, в 1970 году, исследователи все той же Лаборатории смогли зафиксировать изображения с помощью простейших линейных устройств, что собственно и взяли на вооружение инженеры Sony. Данная компания и по сей день активно работает в области CCD технологий, вкладывая в данное направление огромные финансовые вложения, всячески развивая производство ПЗС-матриц для своих видеокамер. Кстати, микросхема ПЗС-матрицы была установлена на надгробной плите главы компании Sony Кадзуо Ивама, который скончался в 1982 году. Ведь именно он стоял у истоков начала производства ПЗС-матрицы в массовом объеме.

Не остался без внимания и вклад изобретателей CCD-матрицы, так в 2006 году Уиллард Бойл и Джордж Смит получили награду Национальной Инженерной Академии США за свои разработки в данной сфере, а в 2009-м году им вручили Нобелевскую премию по физике.

Принцип работы ПЗС-матрицы

CCD-матрица практически полностью выполнена из поликремния, который изначально был отделен от кремниевой подложки специальной мембраной. При подаче напряжения на мембрану посредством поликремневые затворы сильно изменяются электрические потенциалы, расположенные вблизи электродов проводника.

Перед экспонированием и подачей на электроды определенной мощности напряжения, происходит сброс всех зарядов, которые образовались ранее, а также наблюдается преобразование всех элементов в идентичное или первоначальное состояние.

Комбинация напряжений на электродах создает потенциальный запас или так называемую яму, где скапливаются электроны, появившиеся в определенном пикселе матрицы в процессе экспонирования под воздействием световых лучей. В зависимости от интенсивности силы светового потока находится и объем накопившихся электронов в потенциальной яме, поэтому чем она больше, тем выше будет мощность итогового заряда определенного пикселя.

После завершения экспонирования, последовательные изменения напряжения питания электродов происходят в каждом отдельно взятом пикселе, рядом с которым наблюдается распределение потенциалов, в результате чего заряды перемещаются в заданном направлении — к выходным пикселям ПЗС-матрицы.

Состав элементов CCD-матрицы

В общих чертах конструкция CCD-элемента может быть представлена в виде кремниевой подложки p-типа, снабженной каналами из полупроводника n-типа. Над данными каналами располагаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей мембраной из оксида кремния.

После подачи электрического потенциала на данные электроды, в ослабленной зоне под каналом n-типа возникает потенциальная ловушка (яма). Ее основной задачей является сохранение электронов. Частица света, попадающая в кремний, провоцирует генерацию электронов, которые притягиваются потенциальной ловушкой и остаются в ней. Большое количество фотонов или яркий свет обеспечивает мощный заряд ловушки, после чего необходимо рассчитать и усилить значение полученного заряда, который специалисты именуют фототоком.

Процесс считывания фототоков CCD-элементов осуществляется с так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые конвертируют строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данный поток импульсов собственно и является аналоговым сигналом, который поступает на усилитель.

Таким образом, в аналоговый сигнал можно преобразовать заряды строки из CCD-элементов с помощь регистра. На практике же последовательный регистр сдвига в CCD-матрицах выполняется посредством все тех же CCD-элементов, построенных в одну строку. При этом работа данного устройства основывается на умении приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ловушек. Такой процесс осуществляется за счет наличия специализированных электродов переноса, которые размещаются между соседними CCD-элементами. В момент подачи на ближайший электрод повышенного потенциала, при этом заряд переходит под него из потенциальной ямы. В то же время между CCD-элементами обычно располагаются два-четыре электрода переноса, от количества которых зависит фазность регистра сдвига, именуемого двухфазным, трёхфазным или четырёхфазным.

Подача разных потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что переход зарядов потенциальных ловушек всех CCD-элементов регистра выполняется практически одновременно. Так за один «шаг» переноса, CCD-элементы перемещают по цепочке заряды справа налево или слева направо. При этом крайний CCD-элемент отдаёт свой заряд усилителю, который расположен на выходе регистра. Таким образом, становится вполне очевидно, что последовательный регистр сдвига является устройством с последовательным выходом и параллельным входом.

После того, как завершается процесс считывания абсолютно всех зарядов из регистра появляется возможность подать на его вход новую строку, затем еще одну и так далее. В результате получается непрерывный аналоговый сигнал, в основе которого лежит двумерный поток фототоков. После этого, входной параллельный поток, поступающий на последовательный регистр сдвига, обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, именуемой параллельным регистром сдвига. Вся эта конструкция в собранном виде как раз и является устройством, именуемым сегодня CCD-матрицей.

📹 ПЗС-матрица

  1. Словарь CCTV

ПЗС-матрица (ПЗС – прибор с зарядовой связью, CCD-матрица) – аналоговая интегральная микросхема из кремния, состоящая из светочувствительных фотодиодов. В основе лежит технология приборов с зарядовой связью, которая позволяет считывать электрический потенциал путем сдвига заряда от одного элемента к другому. Сама технология существует с 1969-го года, ее создатели Уиллард Бойл и Джордж Смит были награждены за это изобретение Нобелевской премией по физике (правда, только в 2009 году). Технология получила развитие в системах фотографирования и видеонаблюдения (в том числе, с использование ближнего инфракрасного спектра) благодаря тому, что кремниевая ПЗС-матрица, как выяснилось, способна получать заряд с помощью фотоэлектрического эффекта. На сегодняшний день ПЗС-матрицы и приборы наблюдения на их основе выпускаются многими российскими и иностранными компаниями, такими как ЦНИИ «Электрон», НПП «Элар», ЦНИИ «Электроника», Philips, Matsushita, Kodak, Fuji, Sony, Canon, Nikon и другими. Техническое устройство ПЗС-матрицы таково: она составлена из поликремния, который отделен от кремниевой подложки. Сама подложка меняет электрические потенциалы вблизи электродов, когда напряжение подается через поликремневые затворы. До экспонирования на электроды подается определенная комбинация напряжения, которая позволяет сбросить все ранее образованные заряды и привести все элементы в равное исходное состояние. Во время съемки на электродах создается потенциал (при экспонировании, в результате воздействия света), позволяющий накапливать электроны в определенном пикселе матрицы. Фотоэлектрический эффект проявляет себя, в том числе, таким образом, что более интенсивный световой поток позволяет накопить больше электронов и создать более высокий итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования технология ПЗС осуществляет перенос заряда в определенном направлении к выходным элементам матрицы. ПЗС-матрицы классифицируются на несколько типов в зависимости от применяемого типа буферизации.

  • Полнокадровая матрица (Full-frame CCD-matrix). Самый простой вариант исполнения, единственный недостаток которого заключается в том, что для переноса заряда к выходным каналам требуется хотя бы кратковременное перекрытие источника света. 
  • Матрица с буферизацией кадра (Frame-transfer CCD). Здесь заряды «скапливаются» в параллельном буферном регистре. 
  • Матрица с буферизацией столбцов (Interline CCD-matrix). Это новый тип матриц, разработанный специально для видеотехники, которая в подавляющем большинстве случаев не предусматривает наличия затвора и, соответственно, возможности перекрытия световых источников. Техника исполнения та же, что и с буферизацией кадра, но параллельный регистр расположен не позади основного, а в виде столбцов, перетасованных со столбцами основного регистра. Если не вдаваться в детали, то основное преимущество буферизации столбцов по сравнению с буферизацией кадра заключается в том, что Interline CCD-matrix позволяет создать изображения с частотой в 30 кадров в секунду, что значительно повышает качество съемки, в том числе в плохо освещенных помещениях и в ночное время суток.

Вся информация, размещенная на сайте, носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ. Производитель оставляет за собой право изменять характеристики товара, его внешний вид и комплектность без предварительного уведомления продавца.

Матрицы CMOS и CCD

CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор c обратной зарядной связью). Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика нa транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), оцифровывают каждый пиксель нa месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

К преимуществам CCD матриц относятся:
  • Низкий уровень шумов.
  • Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).
  • Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему нa светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
  • Высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам CCD матриц относятся:
  • Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.
  • Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
  • Дороже в производстве.
Преимущества CMOS матриц:
  • Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).
  • Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению c CCD).
  • Дешевле и проще в производстве.
  • Перспективность технологии( нa том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать всe необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру нa одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, c 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS матриц относятся
  • Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).
  • Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — дажe в отсутствие освещения чeрeз фотодиод течет довольно значительный ток)борьба c которым усложняет и удорожает технологию.
  • Невысокий динамический диапазон.
Введение в датчики изображений

Когда изображение объективом видеокамеры, свет проходит чeрeз линзы и падает нa датчик изображения. Датчик изображения, или матрица, состоит из множества элементов, тaкжe называемых пикселями, которые регистрируют количество света, упавшего нa них. Полученное количество света пиксели преобразуют в соответствующее количество электронов. Чем больше света упадет нa пиксель, тем больше электронов он сгенерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем конвертируются в числа, согласно знaчeниям АЦП (Аналого-Цифровой Преобразователь, A/D-converter). Сигнал, составленный из таких чисел, обрабатывается электронными цепями внутри видеокамеры.

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС – прибор c зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник). Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. Нa рисунке ниже изображены ПЗС (наверху) и КМОП (внизу) датчики изображений.

Цветовая фильтрация. Кaк уже было описано выше, датчики изображений регистрируют объем света, упавшего нa них, от светлого до темного, но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации это RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый). Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.

Фильтр Байера (или массив Байера, англ. Bayer array), состоящий из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров, является наиболее распространенным RGB-цветовым фильтром (см. Рис. 2). Фильтр Байера содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», т.к. человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, а не красному или синему. Это тaкжe означает, что, при таком соотношении цветов в фильтре, человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

Другой способ фильтровать (или регистрировать) цвет – использовать дополнительные цвета – голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется c зеленым цветовым фильтром в форме CMYG-цветового фильтра (CMYG-color array), кaк показано нa рисунке 2 (справа). CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. облaдaeт более широкой спектральной полосой пропускания. Тем не менее, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, а это влечем за собой дополнительную обработку, и вносит шумы. Следствием этого является снижение отношения сигнал-шум, пoэтoмy CMYG-системы, кaк правило, не столь хороши при передаче цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения c чересстрочной разверткой, в то время кaк RGB-системы в первую очередь используются в датчиках изображения c прогрессивной разверткой. 

Светочувствительная матрица – важнейший элемент фотоаппарата. Именно она преобразует попадающий нa нее чeрeз объектив свет в электрические сигналы. Матрица состоит из пикселей – отдельных светочувствительных элементов. Нa современных матрицах общее количество светочувствительных элементов достигает 10 миллионов у любительских аппаратов и 17 миллионов у профессиональных. Матрица в N мегапикселей содержит N миллионов пикселей. Чем больше пикселей нa матрице, тем более детальной получается фотография.

Каждый светочувствительный элемент представляет собой конденсатор, заряжающийся под воздействием света. Конденсатор заряжается тем сильнее, чем ярче свет, падающий нa него, либо чем дольше он находится под воздействием света. Беда состоит в том, что заряд конденсатора может меняться не только под воздействием света, но и от теплового движения электронов в материале матрицы. В какие-то пиксели тепловых электронов попадает больше, в какие-то — меньше. В результате образуется цифровой шум. Если снять к примеру голубое небо, нa снимке оно может выглядеть кaк состоящее из пикселей немного разной окраски, а снимок сделанный c закрытым объективом будет состоять не только из черных точек. Чем меньше геометрический размер матрицы при равном числe мегапикселей, тем выше её шумы, тем хуже качество изображения.

Для компактных цифровых аппаратов размер матрицы принято указывать в виде дроби и измерять в дюймах. Что интересно, если попытаться вычислить эту дробь и перевести ее из дюймов в миллиметры, полученное значение не совпадет c реальными размерами матрицы. Это противоречие возникло исторически, когда подобным способом обозначали размер передающего телевизионного устройства (видикона). Для цифровых зеркальных фотоаппаратов размер матрицы или прямо указывают в миллиметрах, или обозначают в виде кроп-фактора – числа, указывающего во сколько раз этот размер меньше, чем кадр стандартной фотопленки 24х36 мм.

Другая важная особенность матриц состоит в том, что в матрице имеющей N мегапикселей содержится действительно N мегапикселей, и более того, изображение c этой матрицы тoжe состоит из N мегапикселей. Вы скажете, что же тут странного? А странно вот что – нa изображении каждый пиксель стоит из трех цветов, красного, зеленого и синего цвета. Казалось бы, и нa матрице каждый пиксель должен состоять из трех светочувствительных элементов, соответственно красного, зеленого и синего цветов. Однако нa деле это не так. Каждый пиксель состоит только из одного элемента. Откуда же тогда берется цвет? Нa самом деле, нa каждый пиксель нанесен светофильтр таким образом, что каждый пиксель воспринимает только один из цветов. Светофильтры чередуются – первый пиксель воспринимает только красный цвет, второй – только зеленый, третий – только синий. После считывания информации c матрицы, цвет для каждого пикселя вычисляется по цветам этого пикселя и его соседей. Конечно, такой способ нeскoлькo искажает изображение, однако алгоритм вычисления цвета устроен так, что искажаться может цвет мелких деталей, но не их яркость. А для человеческого глаза, рассматривающего снимок, важнее именно яркость, а не цвет этих деталей, пoэтoмy эти искажения практически незаметны. Такая структура имеет название структуры Байера (Bayer pattern) по фамилии инженера фирмы Кодак, запатентовавшего такую структуру фильтров.

Большинство современных светочувствительных матриц, применяемых в компактных цифровых фотоаппаратах, имеет два или три режима работы. Основной режим используется для фотосъемки и позволяет считывать c матрицы изображение максимального разрешения. Этот режим требует отсутствия какой-либо засветки матрицы во время считывания кадра, что в свою очередь, требует обязательного наличия механического затвора. Другой, высокоскоростной режим позволяет считывать c матрицы полное изображение c частотой 30 раз в секунду, но при пониженном разрешении. Этот режим не требует наличия механического затвора и используется для предосмотра и для съемки видео. Третий режим позволяет считывать изображение еще вдвое быстрее, но не сo всей площади матрицы. Этот режим используется для работы автофокуса. Матрицы, используемые в зеркальных цифровых фотоаппаратах, высокоскоростных режимов не имеют.

Но не всe светочувствительные матрицы устроены именно так. Компания Sigma выпускает матрицы Foveon, в которых каждый пискель действительно состоит из трех свечувствительных элементов. Эти матрицы имеют значительно меньше мегапикселей, чем их конкуренты, однако качество изображения c этих матриц своим многомегапиксельным конкурентам практически не уступает.

Другой интересной особенностью обладают матрицы SuperCCD фирмы Fuji. Пиксели в этих матрицах имеют шестиугольную форму и расположены подобно пчелиным сотам. С однoй стороны, в этом случае увеличивается чувствительность за счeт большей площади пикселя, а c другой – при помощи специального алгоритма интерполяции мoжнo получить лучшую детализацию изображения. 

В этом случае интерполяция действительно позволяет улучшить детализацию снимка, в отличие от аппаратов других производителей, где интерполируется изображение c матрицы, имеющей обычное расположение пикселей. Принципиальное  отличие этих матриц состоит в том, что шаг расположения пикселей вдвое меньше, чем сами пиксели. Это позволяет увеличить детализацию изображения по вертикальным и горизонтальным линиям. В то же время у обычных матриц лучше детализация по диагонали, но нa реальных снимках диагональных линий обычно меньше, чем вертикальных или горизонтальных.

Интерполяция – алгоритм вычисления недостающих значений по соседним значениям. Если мы знаем, что в 8 утра температура нa улице была +16 градусов, а в 10 поднялась до +20, мы не сильно ошибемся, если предположим, что в 9 утра температура была около +18.

Матрица CCD

В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий нa пиксель сенсора, передается от микросхемы чeрeз один выходной узел, или чeрeз всeгo лишь нeскoлькo выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются кaк аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора (см. рис. 3).

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются нa протяжении 30 лет. Традиционно, у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны.

Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может тaкжe привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только нa качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия нa окружающую среду.

CCD-сенсоры тaкжe требуют более скоростную передачу данных, т.к. всe данные проходят чeрeз всeгo лишь чeрeз один или нeскoлькo выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, показывающие платы c CCD-сенсором и CMOS-сенсором соответственно.

Матрица CMOS

На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи c низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по  более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит всe необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению c CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Из других преимуществ следует тaкжe отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы.

Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Калибровка CMOS-сенсоров при производстве тaкжe более сложна, по сравнению в CCD-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся CMOS-сенсоры.

В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения c отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.е. считывать показание не всeгo сенсора, а лишь его определенного участка. Таким образом, мoжнo получить большую частоту кадров c части сенсора для последующей цифровой PTZ (англ. pan/tilt/zoom, панорама/наклон/масштаб) обработки. Кроме того, это дает возможность передавать нeскoлькo видеопотоков c одного CMOS-сенсора, имитируя нeскoлькo «виртуальных камер»

HDTV и мегапиксельные камеры

Мегапиксельные сенсоры и телевиденье высoкoй четкости позволяет цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые CCTV-камеры, т.е. они дают большую возможность различить детали и идентифицировать людей и объекты – ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера облaдaeт кaк минимум вдвое большей разрешающей способностью, по сравнению c аналоговой CCTV-камерой. Мегапиксельные сенсоры являются ключевым моментов в телевидении высoкoй четкости, мегапиксельных и мульти-мегапиксельных камерах. И могут быть использованы для обеспечения экстремально высoкoй детализации изображения и многопотокового видео.

Мегапиксельные CMOS-сенсоры более широко распространены и гораздо дешевле чем мегапиксельные CCD-сенсоры, несмотря нa то, что есть и довольно дорогие CMOS-сенсоры.

Сложно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что конечно же является недостатком, и следовательно слoжно изготовить мульти-мегапиксельную камеру c использованием CCD-технологии.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру изображения VGA-сенсорам, c разрешением 640х480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA-сенсор, соответственно размер каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре меньше размера пикселя в VGA-сенсоре. Следствием этого является меньшая светочувствительность каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре.

Так или иначе, прогресс не стоит нa месте. Идет стремительное развитие мегапиксельных сенсоров, и их светочувствительность постоянно возрастает.

Основные отличия CMOS от CCD

CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители, А/Ц-преобразователи и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время кaк в камере c CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают кaк правило одним А/Ц-преобразователем, в то время кaк в CMOS-сенсорах им облaдaeт каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

Заключение

CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том выбрать ли камеру c CCD-сенсором или c CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых клиентом, к качеству изображения системы видеонаблюдения.

Определение датчика CCD | PCMag

( C harge- C oupled D evice sensor) Электронная память, которая записывает интенсивность света как переменный заряд. Хотя ПЗС-матрицы в основном заменены датчиками CMOS для захвата изображений в камерах, видеокамерах и сканерах, они все еще используются в астрономии, микроскопии и биомедицинской визуализации из-за их превосходной чувствительности при длительных выдержках. ПЗС

— аналоговые устройства. Их заряд приравнивается к оттенкам света для монохромных изображений или оттенкам красного, зеленого и синего при использовании с цветными фильтрами.Устройства могут использовать три ПЗС-матрицы, по одной для каждого из красного, зеленого и синего цветов.

Почему спаренный?
ПЗС-матрица содержит массив пикселей изображения и соответствующий массив пикселей памяти, которые связаны вместе. После того, как массив формирования изображений подвергается воздействию света, его заряды быстро переносятся в массив хранения. В то время как ПЗС формирования изображения подвергаются воздействию следующего изображения, ПЗС памяти с последнего изображения считываются по очереди в аналого-цифровые преобразователи (аналого-цифровые преобразователи), которые преобразуют напряжения в двоичные данные для быть обработанным.Контраст с датчиком CMOS. См. Шаблон Байера, X3, Super CCD, цветение и цифровая камера.


Методы зарядной связи

ПЗС-накопители представляют собой либо отдельный массив (передача кадров), либо отдельные фотосайты (межстрочный перенос), подключенные к каждому фотосайту изображения. Заряды можно переносить быстрее с помощью метода вставки, потому что каждый компонент хранилища находится ближе к своему аналогу для визуализации.


ПЗС-матрица Record Light

В фотоаппарате ПЗС заменяют пленку.Они подвергаются воздействию света, записывая интенсивность или оттенки света как переменные заряды. В цифровой камере выше переменные аналоговые заряды в ПЗС-матрице преобразуются в двоичные данные с помощью микросхем аналого-цифрового преобразователя.


ПЗС-матрицы чувствительны

Эта ПЗС-матрица от Jet Propulsion Labs используется в астрономии. Обнаруживая выход телескопов, он обнаруживает ультрафиолетовый свет от далеких планет. (Изображение любезно предоставлено Лабораторией микроустройств JPL; Роберт М.Коричневый, фотограф)


Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Цифровые камеры, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD, ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными способами захвата изображений. технология, применяемая в современной оптической микроскопии. До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).

Рисунок 1 — Системы цифровых ПЗС-камер для оптической микроскопии

Цифровые фотоаппараты заменяют сенсибилизированную пленку фотонной ПЗС-матрицей детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света. Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.

Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на рис. 1 . Цифровое затмение Nikon DXM1200 обеспечивает высококачественные фотореалистичные цифровые изображения на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность. Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цветов в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены в трех форматах: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.

Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления. Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономный дизайн предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но обладает универсальностью полной возможности сети при желании.Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также к локальным сетям или Интернету через Ethernet порт. Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляет передовую технологию, доступную в настоящее время для цифровая обработка изображений с помощью оптического микроскопа.

Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта сразу определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и преходящего характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность сбора света некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют значительные квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик ПЗС-камер в широком диапазоне интенсивности света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.

ПЗС-формирователь изображения состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в двумерном массиве на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токонесущего электрода, или затворы , , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным элементом ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единый MOS устройство этого типа проиллюстрировано на Рисунок 2 , с обратным смещением. операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов сохраняются в области истощения до полной лунки емкость резервуара.Когда собраны несколько детекторных структур в полную ПЗС-матрицу, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих барьеров или ограничителей каналов внутри кремниевой подложки.

Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на падающие фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и движение зарядов, накопленных за время указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от ПЗС-матрицы). конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно именуется фотоэлектронами .В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны могут быть накапливаются и хранятся в течение длительного времени, прежде чем быть прочитаны из микросхема электроники камеры как один из этапов процесса визуализации.

Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда посредством взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение первая стадия, электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния накладываются друг на друга, но отделены от них, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изолирующего диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат.Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих волн длиннее примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к затворной конструкции. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальный датчик ПЗС элемент.

Рисунок 2 — Металлооксидный полупроводниковый конденсатор (МОП)

Как правило, накопленный заряд линейно пропорционален световому потоку. поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, это полных скважин ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы.Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера отдельный пиксель. С момента появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3, что является наиболее распространенным. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков. в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с Историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.

Форматы ПЗС

Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с видеокамерами видикон, которые требовали твердотельные датчики для создания выходного электронного сигнала, который соответствует преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 дюйма и 2/3 дюйма.

Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные массивы датчиков, которые лучше соответствуют круговому полю изображения, проецируемому в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсорных матриц и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображения, уменьшая требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.

Приблизительная вместимость потенциальной ямы ПЗС может быть получается умножением площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50000 до 100000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 Размеры микрометра будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей емкость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.

ПЗС

, разработанные для получения изображений в научных целях, традиционно использовались фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС-матрицы научного уровня используются в приложениях для получения изображений с медленной разверткой, обычно используются диоды. размером 25 x 25 микрометров для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, которые позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре ставки.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а с использованием объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.

Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы

До накопленного заряда можно измерить заряд каждого сенсорного элемента в ПЗС-матрице. чтобы определить поток фотонов на этом пикселе, заряд должен быть передается в узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания, имеет решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается с одного конденсатора на другой или с одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, подаваемыми на структура вышележащего электрода, основа термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС-матрица изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для запоминающих устройств установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная зарядные пакеты считываются по одному.

Рисунок 3 — Структура сенсорного элемента (пикселя) ПЗС

Накопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде ПЗС в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования , или временем экспозиции , , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда выполняется комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет, последовательно, к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора , встроенная в ПЗС в слое, примыкающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для передачи заряда. Основная концепция переноса заряда, которая позволяет последовательное считывание с двумерной диодной матрицы изначально требует весь массив отдельных пакетов заряда с поверхности имидж-сканера, составляющие параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым однострочным сдвигом. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы обозначается как регистр серийного номера .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется очередным сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины вертикальный и горизонтальный в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.

Широко используемая аналогия, помогающая визуализировать концепцию серийного номера. считывание ПЗС — бригада ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места разместить по аналогии с падающими фотонами на датчике изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. пошагово к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру, ориентированы перпендикулярно первому.В рис. 5 (б) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рис. . 5 (c) , на котором изображена дождевая вода, накопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя ПЗС. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).

Существует множество конструкций, в которых могут быть сконфигурированы МОП-конденсаторы, и их затворные напряжения управляются, чтобы сформировать матрицу изображения CCD. Как описано ранее электроды затвора располагались полосами, покрывающими всю поверхность изображения лицевой панели ПЗС. Самая простая и распространенная зарядка Конфигурация передачи представляет собой трехфазную схему CCD , в которой каждый фотодиод (пиксель) делится на трети с тремя параллельными потенциальные ямы, определяемые электродами затвора. В таком дизайне каждый третий затвор подключен к той же схеме драйвера часов.Основной смысл элемент в ПЗС, соответствующий одному пикселю, состоит из трех вентилей подключен к трем отдельным тактовым драйверам, называемым фазой-1, фазой-2 и часы фазы 3. Каждая последовательность из трех параллельных ворот составляет одну регистр пикселей, и тысячи пикселей, покрывающих ПЗС-матрицу. Поверхность изображения составляет параллельный регистр устройства. Однажды в ловушке в потенциальной яме электроны перемещаются через каждый пиксель в трехэтапный процесс, который сдвигает пакет заряда из одной строки пикселей в следующий.Последовательность изменений напряжения, подаваемых на чередующиеся электроды параллельной (вертикальной) затворной структуры перемещают потенциальные ямы и захваченные электроны под управлением часов параллельного регистра сдвига.

Общая схема синхронизации, используемая в трехфазном переключателе начинается с этапа интегрирования зарядов, на котором два из трех параллельные фазы на пиксель устанавливаются на высокое значение смещения, что дает область высокого поля относительно третьего затвора, который удерживается на низком или низком уровне. нулевой потенциал.Например, фазы 1 и 2 могут быть обозначены как , собирающие фазы и удерживаемые при более высоком электростатическом потенциале по сравнению с фазой 3, которая служит барьерной фазой для разделения заряда, собираемого в высокополевых фазах соседний пиксель. После интеграции начислений перевод начинается с удерживая только вентили фазы 1 под высоким потенциалом, так что заряд генерируемые на этой фазе, будут накапливаться там, а заряд, генерируемый в Фазы фазы 2 и фазы 3, теперь обе при нулевом потенциале, быстро диффундируют в потенциальную яму под фазой 1. Рисунок 3 иллюстрирует структура электрода, определяющая каждый пиксель трехфазной ПЗС-матрицы, и изображает скопление электронов в потенциальной яме, лежащей под электрод фазы 1, в котором поддерживается положительное напряжение (обозначено + V ). Перенос заряда происходит в соответствии с синхронизированной последовательностью напряжения, приложенные к воротам, чтобы вызвать потенциальные ямы и препятствия для миграции через каждый пиксель.

Рисунок 4 — Стандартные форматы ПЗС-датчиков изображения

На каждом этапе переключения напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, в то время как электрон-содержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный сдвиг на один пиксель был завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между датчиком и пикселями дисплея, которые должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

На рисунке 6 показана последовательность операций, только что описанных для перенос заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для импульсов возбуждения, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на совершить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд был полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано) для более эффективного переноса заряда и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в регистр последовательного порта, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же трехфазный механизм связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом управление синхронизацией обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийных номеров.Каждый пакет начислений в регистре серийного номера доставляется в выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, является аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполнит свою функцию увеличения зарядного пакета и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер в соответствии с разрешением или битовой глубиной АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12-й степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений на основе ПЗС-матриц замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а также точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимых для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

  • Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
  • В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов зарядов передаются последовательно с одного края параллельный регистр в последовательный регистр сдвига.
  • Передается содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел для считывания встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
  • АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
  • Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
  • Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей очищается параллельный регистр, который обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
  • Полный файл изображения в памяти, размер которого может составлять несколько мегабайт. по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
  • ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.
Рисунок 5 — Аналог ПЗС бригады ковша

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда, даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях матрицы, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , передача кадров и межстрочная передача (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считываются после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в чтобы ускорить считывание, на порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

ПЗС-матрицы

с кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольный массив пикселей покрыт непрозрачной маской и используется в качестве буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне микросхемы, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, накопивший заряд в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения чипа составляет лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физическую конструкцию камеры.

В конструкции ПЗС с построчным переносом столбцы активной визуализации пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд должен быть перемещен только на один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в последовательный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего изображение.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции благодаря электронному контролю интервалов экспозиции, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно нечувствителен к свету, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.

Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали должной производительности для приложения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности в микроскопии. В добавление к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиода к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону в более ранних формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен на поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на ПЗС-матрицы с полнокадровым и покадровым переносом. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.

Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для более коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий-олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности. значения приближаются к 80 процентам для зеленого света.

Рисунок 6 — Трехфазные системы синхронизации на ПЗС

Прошлое ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет усовершенствованной электронной технологии, которая снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) уменьшается аналогично. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки более чем 8- или 10-битной оцифровки. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий уровень от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют получать 12-битные мегапиксельные изображения. регистрируется на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза превышает скорость полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, в том числе модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с построчным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.

Характеристики изображения детектора CCD

Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость считывания большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать и, как правило, колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость зависит от скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет осуществлять сбор данных в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.

Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество, или подмассив , , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и отображать.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подматрица может быть выбрана из предварительно определенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассивов метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей степенью управляемости.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно это симметричная матрица пиксели объединяются для формирования каждого отдельного суперпикселя (см. Рисунок 9) . В качестве пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камеры, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от настроек усиления, применяемых к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется в виде зернистости в финальном изображение. Если желательно сокращение времени экспозиции, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что примененное усиление не приводит к чрезмерному ухудшению качества изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Рисунок 7 — Архитектура обычных устройств с зарядовой связью (ПЗС)

Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

  • Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
  • Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
  • Разрешение по времени: Частота дискретизации (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
  • Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

При визуализации с помощью микроскопа часто не все важные изображения критерии качества можно одновременно оптимизировать в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс среди перечисленных критериев, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец выставлен меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимизировать динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени выдержки, применения бининга или усиления увеличение может достичь цели без значительного отрицательного воздействия на изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист должен быть полностью знаком с важнейшим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума ПЗС-камеры

Чувствительность камеры по минимально обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальное достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники, и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. Один раз накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть шума системы результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, обозначаемая как темновой ток , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и, следовательно, это нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, и при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от предусилителя на кристалле во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Некоторые типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это результат большей полосы пропускания усилителя. при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС снижает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС-матрицы на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива. с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Рисунок 8 — Технология межстрочного ПЗС-матриц с микролинзой

Охлаждение ПЗС-матрицы для снижения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более и более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. В то время как индивидуальные трансфертные потери при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.Кроме того, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем те, которые расположены рядом с последовательным регистром. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а в то время как CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже, чем 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля с однородной интенсивностью, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности из-за штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных эталонных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения, полученные из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат в качестве контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя по скорости видеосигнала камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей изображение.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение CCD систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели ПЗС все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых камер CCD в биологической микроскопии меньше по размеру и обеспечивает более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом теперь доступны доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если должно сохраняться пространственное разрешение оптической системы.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора по отношению к разрешению возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должны быть отобраны как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.В качестве примера, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную объектив с числовой апертурой 100x, 1,3, что дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. С этим детектором-объективом возможно отличное разрешение. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке при слабом освещении.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он проходит полностью без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Несмотря на то что обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни у одного из них нет 100-процентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Самый ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного более эффективны, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Рисунок 9 — Последовательность переноса электрона с биннингом 2 x 2 пикселей

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые волны, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Чтобы это стало возможным, большая часть кремния подложка удаляется травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов могут быть достигнуты в обычном порядке.

Могут использоваться другие материалы для обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны на лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет при 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах, в пределах диапазон пиковой чувствительности ПЗС-матрицы.

Динамический диапазон

Термин, именуемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством камер CCD. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения, с обоснованием, что это значение представляет предельное состояние, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей, в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделенный. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по возможности.Например, камера с FWC на ​​16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает 10-11-битное аналого-цифровое преобразование. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.

Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественной целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера 16000-электронного FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное отношение сигнал / шум, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, так как эти источники уменьшают эффективную FWC, добавляя плату это не сигнал для колодцев.

Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон около 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном сенсора и возможностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших ПЗС-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет примерно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд современных дизайнов включить опцию для установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют в два раза больше электронов. емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит могут быть получены изображения высокого качества.

Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном установка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал, чтобы использовать полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.

Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена ​​под сомнение в ввиду того факта, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечить только 5-7 бит дискриминация.Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с большим динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.

Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. К оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно расширяется, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше экстремальное расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе с 256 уровнями или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.

Датчики изображения на цветной ПЗС-матрице

Хотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным.Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за образцами с метками с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.

Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с полутоновыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей ПЗС чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB ) микролинзовые фильтры, расположенные в определенном порядке, обычно это мозаичный узор Bayer . В качестве альтернативы, с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , в котором используется одна ПЗС-матрица. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.

Рисунок 10 — Спектральная чувствительность ПЗС для научных исследований

В большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствуют зрительной чувствительности человека и разделяют информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали в первую очередь из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются за счет сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.

Уникальный дизайн цветных камер с одной ПЗС-матрицей улучшает пространственное разрешение за счет небольшого смещения ПЗС-матрицы между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как смещение пикселей ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображений, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованные ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий уровень захвата возможны скорости. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, а изображения демонстрируют большую очевидность шум.Пространственное разрешение, достигаемое трехчиповыми камерами, может быть выше чем у отдельных ПЗС-сенсоров, если каждая ПЗС-матрица смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Много микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение выигрывают от использования камеры с тройной ПЗС-матрицей системы.

Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночная ПЗС-матрица.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.

Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Цифровые камеры, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD, ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными способами захвата изображений. технология, применяемая в современной оптической микроскопии.До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).

Рисунок 1 — Системы цифровых ПЗС-камер для оптической микроскопии

Цифровые фотоаппараты заменяют сенсибилизированную пленку фотонной ПЗС-матрицей детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света.Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.

Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на рис. 1 . Цифровое затмение Nikon DXM1200 обеспечивает высококачественные фотореалистичные цифровые изображения на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность.Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цветов в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены в трех форматах: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.

Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления.Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономный дизайн предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но обладает универсальностью полной возможности сети при желании. Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также к локальным сетям или Интернету через Ethernet порт.Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляет передовую технологию, доступную в настоящее время для цифровая обработка изображений с помощью оптического микроскопа.

Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта сразу определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и преходящего характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность сбора света некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют значительные квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик ПЗС-камер в широком диапазоне интенсивности света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.

ПЗС-формирователь изображения состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в двумерном массиве на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токонесущего электрода, или затворы , , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным элементом ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единый MOS устройство этого типа проиллюстрировано на Рисунок 2 , с обратным смещением. операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов сохраняются в области истощения до полной лунки емкость резервуара.Когда собраны несколько детекторных структур в полную ПЗС-матрицу, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих барьеров или ограничителей каналов внутри кремниевой подложки.

Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на падающие фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и движение зарядов, накопленных за время указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от ПЗС-матрицы). конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно именуется фотоэлектронами .В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны могут быть накапливаются и хранятся в течение длительного времени, прежде чем быть прочитаны из микросхема электроники камеры как один из этапов процесса визуализации.

Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда посредством взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение первая стадия, электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния накладываются друг на друга, но отделены от них, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изолирующего диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат.Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих волн длиннее примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к затворной конструкции. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальный датчик ПЗС элемент.

Рисунок 2 — Металлооксидный полупроводниковый конденсатор (МОП)

Как правило, накопленный заряд линейно пропорционален световому потоку. поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, это полных скважин ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы.Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера отдельный пиксель. С момента появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3, что является наиболее распространенным. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков. в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с Историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.

Форматы ПЗС

Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с видеокамерами видикон, которые требовали твердотельные датчики для создания выходного электронного сигнала, который соответствует преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 дюйма и 2/3 дюйма.

Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные массивы датчиков, которые лучше соответствуют круговому полю изображения, проецируемому в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсорных матриц и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображения, уменьшая требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.

Приблизительная вместимость потенциальной ямы ПЗС может быть получается умножением площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50000 до 100000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 Размеры микрометра будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей емкость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.

ПЗС

, разработанные для получения изображений в научных целях, традиционно использовались фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС-матрицы научного уровня используются в приложениях для получения изображений с медленной разверткой, обычно используются диоды. размером 25 x 25 микрометров для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, которые позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре ставки.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а с использованием объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.

Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы

До накопленного заряда можно измерить заряд каждого сенсорного элемента в ПЗС-матрице. чтобы определить поток фотонов на этом пикселе, заряд должен быть передается в узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания, имеет решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается с одного конденсатора на другой или с одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, подаваемыми на структура вышележащего электрода, основа термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС-матрица изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для запоминающих устройств установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная зарядные пакеты считываются по одному.

Рисунок 3 — Структура сенсорного элемента (пикселя) ПЗС

Накопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде ПЗС в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования , или временем экспозиции , , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда выполняется комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет, последовательно, к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора , встроенная в ПЗС в слое, примыкающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для передачи заряда. Основная концепция переноса заряда, которая позволяет последовательное считывание с двумерной диодной матрицы изначально требует весь массив отдельных пакетов заряда с поверхности имидж-сканера, составляющие параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым однострочным сдвигом. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы обозначается как регистр серийного номера .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется очередным сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины вертикальный и горизонтальный в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.

Широко используемая аналогия, помогающая визуализировать концепцию серийного номера. считывание ПЗС — бригада ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места разместить по аналогии с падающими фотонами на датчике изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. пошагово к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру, ориентированы перпендикулярно первому.В рис. 5 (б) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рис. . 5 (c) , на котором изображена дождевая вода, накопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя ПЗС. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).

Существует множество конструкций, в которых могут быть сконфигурированы МОП-конденсаторы, и их затворные напряжения управляются, чтобы сформировать матрицу изображения CCD. Как описано ранее электроды затвора располагались полосами, покрывающими всю поверхность изображения лицевой панели ПЗС. Самая простая и распространенная зарядка Конфигурация передачи представляет собой трехфазную схему CCD , в которой каждый фотодиод (пиксель) делится на трети с тремя параллельными потенциальные ямы, определяемые электродами затвора. В таком дизайне каждый третий затвор подключен к той же схеме драйвера часов.Основной смысл элемент в ПЗС, соответствующий одному пикселю, состоит из трех вентилей подключен к трем отдельным тактовым драйверам, называемым фазой-1, фазой-2 и часы фазы 3. Каждая последовательность из трех параллельных ворот составляет одну регистр пикселей, и тысячи пикселей, покрывающих ПЗС-матрицу. Поверхность изображения составляет параллельный регистр устройства. Однажды в ловушке в потенциальной яме электроны перемещаются через каждый пиксель в трехэтапный процесс, который сдвигает пакет заряда из одной строки пикселей в следующий.Последовательность изменений напряжения, подаваемых на чередующиеся электроды параллельной (вертикальной) затворной структуры перемещают потенциальные ямы и захваченные электроны под управлением часов параллельного регистра сдвига.

Общая схема синхронизации, используемая в трехфазном переключателе начинается с этапа интегрирования зарядов, на котором два из трех параллельные фазы на пиксель устанавливаются на высокое значение смещения, что дает область высокого поля относительно третьего затвора, который удерживается на низком или низком уровне. нулевой потенциал.Например, фазы 1 и 2 могут быть обозначены как , собирающие фазы и удерживаемые при более высоком электростатическом потенциале по сравнению с фазой 3, которая служит барьерной фазой для разделения заряда, собираемого в высокополевых фазах соседний пиксель. После интеграции начислений перевод начинается с удерживая только вентили фазы 1 под высоким потенциалом, так что заряд генерируемые на этой фазе, будут накапливаться там, а заряд, генерируемый в Фазы фазы 2 и фазы 3, теперь обе при нулевом потенциале, быстро диффундируют в потенциальную яму под фазой 1. Рисунок 3 иллюстрирует структура электрода, определяющая каждый пиксель трехфазной ПЗС-матрицы, и изображает скопление электронов в потенциальной яме, лежащей под электрод фазы 1, в котором поддерживается положительное напряжение (обозначено + V ). Перенос заряда происходит в соответствии с синхронизированной последовательностью напряжения, приложенные к воротам, чтобы вызвать потенциальные ямы и препятствия для миграции через каждый пиксель.

Рисунок 4 — Стандартные форматы ПЗС-датчиков изображения

На каждом этапе переключения напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, в то время как электрон-содержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный сдвиг на один пиксель был завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между датчиком и пикселями дисплея, которые должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

На рисунке 6 показана последовательность операций, только что описанных для перенос заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для импульсов возбуждения, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на совершить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд был полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано) для более эффективного переноса заряда и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в регистр последовательного порта, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же трехфазный механизм связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом управление синхронизацией обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийных номеров.Каждый пакет начислений в регистре серийного номера доставляется в выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, является аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполнит свою функцию увеличения зарядного пакета и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер в соответствии с разрешением или битовой глубиной АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12-й степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений на основе ПЗС-матриц замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а также точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимых для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

  • Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
  • В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов зарядов передаются последовательно с одного края параллельный регистр в последовательный регистр сдвига.
  • Передается содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел для считывания встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
  • АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
  • Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
  • Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей очищается параллельный регистр, который обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
  • Полный файл изображения в памяти, размер которого может составлять несколько мегабайт. по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
  • ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.
Рисунок 5 — Аналог ПЗС бригады ковша

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда, даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях матрицы, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , передача кадров и межстрочная передача (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считываются после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в чтобы ускорить считывание, на порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

ПЗС-матрицы

с кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольный массив пикселей покрыт непрозрачной маской и используется в качестве буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне микросхемы, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, накопивший заряд в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения чипа составляет лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физическую конструкцию камеры.

В конструкции ПЗС с построчным переносом столбцы активной визуализации пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд должен быть перемещен только на один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в последовательный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего изображение.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции благодаря электронному контролю интервалов экспозиции, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно нечувствителен к свету, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.

Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали должной производительности для приложения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности в микроскопии. В добавление к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиода к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону в более ранних формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен на поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на ПЗС-матрицы с полнокадровым и покадровым переносом. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.

Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для более коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий-олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности. значения приближаются к 80 процентам для зеленого света.

Рисунок 6 — Трехфазные системы синхронизации на ПЗС

Прошлое ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет усовершенствованной электронной технологии, которая снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) уменьшается аналогично. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки более чем 8- или 10-битной оцифровки. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий уровень от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют получать 12-битные мегапиксельные изображения. регистрируется на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза превышает скорость полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, в том числе модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с построчным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.

Характеристики изображения детектора CCD

Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость считывания большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать и, как правило, колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость зависит от скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет осуществлять сбор данных в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.

Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество, или подмассив , , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и отображать.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подматрица может быть выбрана из предварительно определенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассивов метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей степенью управляемости.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно это симметричная матрица пиксели объединяются для формирования каждого отдельного суперпикселя (см. Рисунок 9) . В качестве пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камеры, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от настроек усиления, применяемых к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется в виде зернистости в финальном изображение. Если желательно сокращение времени экспозиции, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что примененное усиление не приводит к чрезмерному ухудшению качества изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Рисунок 7 — Архитектура обычных устройств с зарядовой связью (ПЗС)

Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

  • Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
  • Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
  • Разрешение по времени: Частота дискретизации (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
  • Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

При визуализации с помощью микроскопа часто не все важные изображения критерии качества можно одновременно оптимизировать в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс среди перечисленных критериев, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец выставлен меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимизировать динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени выдержки, применения бининга или усиления увеличение может достичь цели без значительного отрицательного воздействия на изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист должен быть полностью знаком с важнейшим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума ПЗС-камеры

Чувствительность камеры по минимально обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальное достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники, и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. Один раз накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть шума системы результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, обозначаемая как темновой ток , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и, следовательно, это нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, и при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от предусилителя на кристалле во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Некоторые типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это результат большей полосы пропускания усилителя. при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС снижает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС-матрицы на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива. с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Рисунок 8 — Технология межстрочного ПЗС-матриц с микролинзой

Охлаждение ПЗС-матрицы для снижения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более и более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. В то время как индивидуальные трансфертные потери при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.Кроме того, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем те, которые расположены рядом с последовательным регистром. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а в то время как CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже, чем 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля с однородной интенсивностью, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности из-за штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных эталонных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения, полученные из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат в качестве контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя по скорости видеосигнала камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей изображение.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение CCD систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели ПЗС все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых камер CCD в биологической микроскопии меньше по размеру и обеспечивает более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом теперь доступны доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если должно сохраняться пространственное разрешение оптической системы.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора по отношению к разрешению возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должны быть отобраны как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.В качестве примера, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную объектив с числовой апертурой 100x, 1,3, что дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. С этим детектором-объективом возможно отличное разрешение. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке при слабом освещении.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он проходит полностью без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Несмотря на то что обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни у одного из них нет 100-процентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Самый ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного более эффективны, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Рисунок 9 — Последовательность переноса электрона с биннингом 2 x 2 пикселей

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые волны, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Чтобы это стало возможным, большая часть кремния подложка удаляется травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов могут быть достигнуты в обычном порядке.

Могут использоваться другие материалы для обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны на лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет при 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах, в пределах диапазон пиковой чувствительности ПЗС-матрицы.

Динамический диапазон

Термин, именуемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством камер CCD. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения, с обоснованием, что это значение представляет предельное состояние, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей, в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделенный. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по возможности.Например, камера с FWC на ​​16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает 10-11-битное аналого-цифровое преобразование. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.

Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественной целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера 16000-электронного FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное отношение сигнал / шум, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, так как эти источники уменьшают эффективную FWC, добавляя плату это не сигнал для колодцев.

Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон около 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном сенсора и возможностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших ПЗС-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет примерно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд современных дизайнов включить опцию для установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют в два раза больше электронов. емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит могут быть получены изображения высокого качества.

Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном установка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал, чтобы использовать полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.

Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена ​​под сомнение в ввиду того факта, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечить только 5-7 бит дискриминация.Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с большим динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.

Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. К оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно расширяется, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше экстремальное расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе с 256 уровнями или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.

Датчики изображения на цветной ПЗС-матрице

Хотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным.Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за образцами с метками с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.

Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с полутоновыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей ПЗС чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB ) микролинзовые фильтры, расположенные в определенном порядке, обычно это мозаичный узор Bayer . В качестве альтернативы, с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , в котором используется одна ПЗС-матрица. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.

Рисунок 10 — Спектральная чувствительность ПЗС для научных исследований

В большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствуют зрительной чувствительности человека и разделяют информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали в первую очередь из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются за счет сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.

Уникальный дизайн цветных камер с одной ПЗС-матрицей улучшает пространственное разрешение за счет небольшого смещения ПЗС-матрицы между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как смещение пикселей ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображений, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованные ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий уровень захвата возможны скорости. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, а изображения демонстрируют большую очевидность шум.Пространственное разрешение, достигаемое трехчиповыми камерами, может быть выше чем у отдельных ПЗС-сенсоров, если каждая ПЗС-матрица смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Много микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение выигрывают от использования камеры с тройной ПЗС-матрицей системы.

Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночная ПЗС-матрица.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.

Разница между CMOS и CCD и почему CMOS-сенсоры предпочтительнее для камер машинного зрения

Производители все чаще оценивают CMOS-сенсоры для приложений, которые когда-то требовали исключительно возможностей более дорогих CCD-сенсоров.Благодаря своей рентабельности и расширяющимся возможностям CMOS-датчики быстро становятся предпочтительным выбором производителей камер машинного зрения.

В чем разница между ПЗС и КМОП?

CMOS-датчик — это цифровое устройство. CMOS означает «комплементарный металлооксидный полупроводник». CMOS-датчик преобразует заряд светочувствительного пикселя в напряжение на участке пикселя. Затем сигнал мультиплексируется по строкам и столбцам на несколько встроенных цифро-аналоговых преобразователей.КМОП-датчики имеют высокую скорость, низкую чувствительность и высокий фиксированный шум.

ПЗС-датчик — это «устройство с заряженной связью». Как и датчик CMOS, он преобразует свет в электроны. В отличие от датчика CMOS, это аналоговое устройство. Это кремниевый чип, содержащий множество светочувствительных участков. Будучи аналоговым устройством, выходной сигнал немедленно преобразуется в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем. Напряжение считывается с каждого сайта для восстановления изображения.

В течение долгого времени ПЗС-матрица была преобладающей технологией для получения высококачественных изображений с низким уровнем шума.Но датчики CCD дороги в производстве, поэтому они часто имеют более высокую цену. Кроме того, они потребляют больше энергии, чем датчики CMOS, иногда в сотни раз больше. К счастью, технология CMOS-сенсоров достигла такой степени, что она быстро приближается к качеству и возможностям технологии CCD при значительно более низкой цене, меньшем размере и энергопотреблении.

Датчики CMOS

хорошо подходят для машинного зрения

Современные камеры уменьшились в размерах благодаря растущим возможностям датчика CMOS.Обладая невиданными ранее разрешениями, чувствительностью при слабом освещении, инновациями в области пикселей и опциями массива цветных фильтров RGB-NIR, КМОП-сенсоры заменяют ПЗС-матрицы в производстве камер и решений для обработки изображений для большинства промышленных, медицинских и научные приложения.

Камеры

CMOS могут иметь более высокую частоту кадров, чем их аналоги на ПЗС. Это связано с тем, что считывание пикселей можно выполнить быстрее, чем ждать передачи заряда ПЗС-матрицы. Эта функция важна для систем машинного зрения, которые часто полагаются на обработку изображений в реальном времени для автоматизации или анализа данных изображений.

Способ реагирования сенсоров CMOS и CCD на инфракрасные волны также важен для систем машинного зрения. КМОП-датчики более чувствительны к длинам волн ИК-излучения, чем ПЗС-датчики. Производители КМОП-микросхем и камер использовали это преимущество для захвата инфракрасного света и предоставления дополнительных возможностей визуализации для распознавания изображений.

Инновации и будущее КМОП-сенсоров

Canon лидирует, предлагая одни из самых интересных инноваций в области сенсоров CMOS на пиксельном уровне.Например, CMOS-датчик Canon 2U250MRXS отличается беспрецедентным разрешением 250 МП, позволяющим улавливать детали в 125 раз больше, чем в формате Full HD. Этот датчик формата APS-H использует квадратное расположение пикселей размером 1,5 x 1,5 мкм, обеспечивая сверхвысокое разрешение в компактной конструкции для использования в широком спектре приложений.

Компания Canon, впервые попавшая на промышленный рынок, предлагает несколько высокопроизводительных CMOS-сенсоров. Среди них CMOS-датчик 35MMFHDXS_A с огромным размером пикселей 19 мкм, который минимизирует шум и темновой ток и позволяет контролировать положение считываемого изображения и частоту кадров.CMOS-сенсор Canon 120MXS обеспечивает сверхвысокое разрешение 120 МП в компактном корпусе за счет включения почти того же количества пикселей, что и фоторецепторы человеческого глаза. Затем есть CMOS-датчик Canon 3U5MGXSBA Global Shutter с разрешением 5 МП, который обеспечивает быстрый захват изображения без искажений в формате 2/3 дюйма, более низкое энергопотребление и повышенную чувствительность.

Доступны варианты фильтрации пикселей

RGB-NIR (ближний инфракрасный). Canon заменила один из зеленых фильтров на датчике фильтром NIR, который дает датчикам возможность «видеть» за пределами видимого спектра и позволяет системам машинного зрения классифицировать изображения на другом уровне.

С такими инновациями, как Canon, датчики CMOS станут ключевой частью будущего машинного зрения. Расширенные приложения, такие как системы помощи водителю, воплощающие видение в передовые алгоритмы машинного обучения и улучшающие функцию дополненной реальности, возможны благодаря растущим возможностям датчика CMOS, компактному размеру и более низкой стоимости.

Чтобы получить информацию о возможностях CMOS-сенсоров Canon для вашего приложения, обратитесь к эксперту по промышленной визуализации в Phase 1 Technology.Спросите об оценочном комплекте, чтобы проверить уникальные возможности CMOS-датчиков Canon.

Что такое датчики изображения CCD или CMOS в цифровой камере?

Цифровые фотоаппараты стали чрезвычайно распространенными, поскольку цены снизились. Одним из драйверов падения цен стало внедрение КМОП-датчиков изображения. КМОП-датчики намного дешевле в производстве, чем ПЗС-датчики.

Датчики изображения CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник) начинаются с одной и той же точки — они должны преобразовывать свет в электроны .Если вы читали статью Как работают солнечные элементы, вы понимаете одну технологию, которая используется для преобразования. Один из упрощенных способов представить себе датчик, используемый в цифровой камере (или видеокамере), — это представить себе, что он имеет двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов, каждый из которых преобразует свет от одной небольшой части изображение в электроны. И устройства CCD, и CMOS выполняют эту задачу с использованием различных технологий.

Следующим шагом является считывание значения (накопленный заряд) каждой ячейки изображения.В устройстве CCD заряд фактически переносится через чип и считывается в одном углу массива. Аналого-цифровой преобразователь превращает значение каждого пикселя в цифровое значение. В большинстве устройств CMOS на каждом пикселе есть несколько транзисторов, которые усиливают и перемещают заряд с помощью более традиционных проводов. Подход CMOS является более гибким, поскольку каждый пиксель может быть прочитан индивидуально.

ПЗС-матрицы

используют особый производственный процесс, позволяющий передавать заряд через кристалл без искажений.В результате этого процесса получаются датчики очень высокого качества с точки зрения точности воспроизведения и светочувствительности. CMOS-чипы, с другой стороны, используют традиционные производственные процессы для создания чипа — те же процессы, которые используются для создания большинства микропроцессоров. Из-за производственных различий между ПЗС- и КМОП-датчиками наблюдались некоторые заметные различия.

  • ПЗС-сенсоры, как упоминалось выше, создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-сенсоры традиционно более восприимчивы к шумам.
  • Поскольку каждый пиксель на датчике CMOS имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность кристалла CMOS имеет тенденцию быть ниже. Многие фотоны, попадающие в чип, попадают не в фотодиод, а в транзисторы.
  • CMOS традиционно потребляет мало энергии. Внедрение датчика в CMOS дает датчик с низким энергопотреблением.
  • ПЗС-матрицы используют процесс, потребляющий много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
  • КМОП-микросхемы
  • могут быть изготовлены практически на любой стандартной производственной линии кремния, поэтому они, как правило, чрезвычайно недороги по сравнению с датчиками ПЗС.
  • ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые. Они, как правило, имеют более высокое качество и больше пикселей.

Основываясь на этих различиях, вы можете видеть, что ПЗС-матрицы, как правило, используются в камерах, которые фокусируются на высококачественных изображениях с большим количеством пикселей и отличной светочувствительностью. КМОП-сенсоры традиционно имеют более низкое качество, меньшее разрешение и меньшую чувствительность. КМОП-сенсоры сейчас улучшаются до такой степени, что в некоторых приложениях они достигают почти паритета с устройствами на ПЗС-матрице.КМОП-камеры обычно дешевле и имеют длительное время автономной работы.

Дополнительную информацию см. По ссылкам на следующей странице.

Что такое детектор CCD?

A CCD или Устройство с зарядовой связью — это высокочувствительный детектор фотонов. Он разделен на большое количество светочувствительных небольших областей, известных как пиксели, которые можно использовать для сборки изображения интересующей области.

ПЗС — это кремниевый многоканальный матричный детектор УФ, видимого и ближнего инфракрасного света.Они используются для спектроскопии, поскольку чрезвычайно чувствительны к свету. Это делает эти детекторы пригодными для анализа изначально слабого рамановского сигнала. Это также позволяет работать в многоканальном режиме, что означает, что весь спектр может быть обнаружен за один прием.

ПЗС-матрицы

широко используются не только в цифровых камерах, но и в датчиках. Версии, которые используются для научной спектроскопии, имеют значительно более высокий класс, чтобы обеспечить наилучшую возможную чувствительность, однородность и шумовые характеристики.ПЗС-детекторы

обычно являются одномерными, называемыми линейными, или двумерными, называемыми массивами площадей, состоящими из тысяч или миллионов отдельных элементов детектора. Эти элементы известны как пиксели. Каждый элемент взаимодействует со светом и накапливает заряд. Чем ярче свет и / или дольше взаимодействие, тем больше заряда регистрируется. В конце измерения считывающая электроника снимает заряд с элементов, и измеряется каждое отдельное показание заряда.

В типичном рамановском спектрометре рамановский рассеянный свет рассеивается с помощью дифракционной решетки. Этот рассеянный свет проецируется на длинную ось матрицы ПЗС. Первый элемент будет обнаруживать свет с нижнего края спектра -1 см. Второй элемент будет обнаруживать свет из следующей спектральной позиции и так далее. Последний элемент будет обнаруживать свет с высокого края спектра -1 см.

ПЗС-матрицы

требуют некоторого охлаждения, чтобы сделать их пригодными для полноценной спектроскопии.Обычно это делается с использованием охлаждения Пельтье, которое подходит для температур до -90 ° C, и криогенного охлаждения жидким азотом. В большинстве рамановских систем используются детекторы, охлаждаемые Пельтье, но детекторы, охлаждаемые жидким азотом, по-прежнему имеют преимущества для некоторых специализированных приложений.

Типы сенсоров цифровых фотоаппаратов: CCD и CMOS

Типы сенсоров: CCD и CMOS

CMOS и CCD — две наиболее важные и распространенные технологии на рынке датчиков изображения.

ПЗС (устройство с зарядовой связью) — это датчики, основанные на массиве пассивных фотодиодов, которые накапливают заряд во время экспозиции камеры. Затем заряд передается на общую электронику, которая считывает накопленные заряды различных пикселей и преобразует их в напряжения.

Поскольку ПЗС-матрица представляет собой устройство с пассивными пикселями (т.е. без электроники на уровне пикселей), квантовая эффективность очень высока: это преимущество в приложениях, где освещение довольно слабое.Кроме того, поскольку электроника одинакова для всех пикселей (или, по крайней мере, для пикселей одного и того же столбца), может быть достигнута высокая однородность пикселей. С другой стороны, передача заряда происходит довольно медленно, что приводит к низкой частоте кадров (обычно <20 кадров в секунду), а технология для датчиков CCD нестандартна, что делает их довольно дорогими.

КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник) — это датчики, основанные на массиве активных пикселей: электроника пиксельного уровня (обычно 3 или 4 транзистора) преобразует заряд, накопленный в фотодиоде, в четко определенное напряжение; таким образом, выходной сигнал каждого пикселя должен быть только получен и дискретизирован.

Поскольку вывод пикселей зависит от напряжения (а не от заряда), с CMOS-датчиками можно достичь более высокой частоты кадров благодаря более простой схеме считывания и возможности определить интересующую область (ROI), которую необходимо получить. Недостатком этой схемы считывания является использование более высокого шума из-за транзисторов считывания в каждом пикселе и из-за так называемого фиксированного структурного шума: неоднородности изображения из-за несоответствия между различными схемами пикселей.

Глобальный и рольставни (CMOS).

В литературе говорится о способах захвата и считывания изображения с глобальными затворами и рольставнями.

При схеме считывания рольставни время экспозиции одинаково для всех пикселей сенсоров (см. Рисунок: длина голубых полосок одинакова для всех строк матрицы), , но есть задержка между экспонированием одной строки и следующей.

Другими словами, эта архитектура является «последовательной»: считывание происходит сразу после времени экспонирования строки.

Схема рольставни

Эта схема дает изображение, которое не все снимается одновременно, а скорее немного сдвинуто во времени: это может быть проблемой в быстром приложении, требующем высокой частоты кадров.

Эффект рольставни.

Напротив, время экспозиции датчиков global shutter начинается и заканчивается в одно и то же время (см. Рисунок: в этом случае все красные полосы выровнены). Таким образом, информация, предоставляемая каждым пикселем, относится к тому же временному интервалу, в котором было получено изображение.Здесь только считывание является последовательным, но выборка напряжения относится к одному точному моменту времени для всего массива. Этот тип датчика является обязательным для высокоскоростных приложений.

Схема глобального затвора

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *