처음으로 전자 전하를 저장하고 읽는다는 아이디어를 가진 CCD 원리는 페라이트 링의 메모리를 대체할 수 있는 컴퓨터용 새로운 유형의 메모리를 찾는 과정에서 두 명의 BELL 엔지니어가 60년대 후반에 개발했습니다. (예, 그런 기억이 있었습니다). 이 아이디어는 유망한 것으로 판명되었지만 가시 광선 스펙트럼에 반응하는 실리콘의 능력이 주목되었고 이 원리를 이미지 처리에 사용하는 아이디어가 개발되었습니다.

용어의 정의부터 시작하겠습니다.

약어 CCD는 영어 "Charge-Coupled Devices"(CCD)에서 파생된 용어인 "Charge-Coupled Devices"의 약자입니다.

이러한 유형의 장치는 현재 이미지 기록을 위한 다양한 광전자 장치에서 매우 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 일상 생활에서 이들은 디지털 카메라, 캠코더, 다양한 스캐너입니다.

CCD 수신기는 감광 영역과 전기 신호를 포착하기 위한 두 개의 전기 접점이 있는 기존의 반도체 포토다이오드와 어떻게 다른가요?

먼저, CCD 수신기에는 수천에서 수십만, 심지어 수백만에 이르기까지 많은 빛에 민감한 영역(종종 픽셀이라고 함 - 빛을 받아 전하로 변환하는 요소)이 있습니다. 개별 픽셀의 크기는 동일하며 단위에서 수십 미크론까지 가능합니다. 픽셀은 한 행에 정렬될 수 있습니다. 그런 다음 수신기를 CCD 라인이라고 하거나 표면적을 짝수 행으로 채우는 경우 수신기를 CCD 매트릭스라고 합니다.

CCD 어레이 및 CCD 매트릭스에서 수광 요소(파란색 직사각형)의 위치.

두 번째로, 기존의 미세 회로처럼 보이는 CCD 수신기에는 전기 신호를 출력하기 위한 수많은 전기 접점이 없으며, 이는 각 수광 소자에서 나오는 것처럼 보입니다. 그러나 전자 회로가 CCD 수신기에 연결되어 각 감광 요소에서 조명에 비례하는 전기 신호를 추출할 수 있습니다.

CCD의 작용은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 각 감광성 요소(픽셀)는 전자를 위한 돼지 저금통처럼 작동합니다. 전자는 광원에서 나오는 빛의 작용에 의해 픽셀 단위로 생성됩니다. 주어진 시간 동안 각 픽셀은 비가 올 때 밖에 있는 양동이처럼 들어오는 빛의 양에 비례하여 점차적으로 전자로 채워집니다. 이 시간이 끝나면 각 픽셀에 축적된 전하가 차례로 장치의 "출력"으로 전송되어 측정됩니다. 이 모든 것은 감광 소자가 위치한 특정 결정 구조와 전기 제어 회로로 인해 가능합니다.

CCD 행렬은 거의 동일한 방식으로 작동합니다. 노출(투영된 이미지에 의한 조명) 후 장치의 전자 제어 회로는 복잡한 펄스 전압 세트를 장치에 적용하여 픽셀에 축적된 전자가 있는 열을 매트릭스의 가장자리로 이동하기 시작합니다. 여기서 유사한 측정 CCD 레지스터가 위치하며 이미 수직 방향으로 이동하고 측정 요소에 떨어지는 전하가 개별 전하에 비례하는 신호를 생성합니다. 따라서 이후의 각 순간에 대해 누적 전하의 값을 얻을 수 있고 행렬의 어느 픽셀(행 번호 및 열 번호)에 해당하는지 파악할 수 있습니다.

프로세스의 물리학에 대해 간략히 설명합니다.

먼저 CCD는 소위 기능 전자 장치의 제품으로 트랜지스터, 저항 및 커패시터와 같은 개별 무선 요소의 집합으로 나타낼 수 없습니다. 이 작업은 전하 결합의 원리를 기반으로 합니다. 전하 결합의 원리는 정전기에서 알려진 두 가지 위치를 사용합니다.

1. 전하가 서로 격퇴하는 것처럼
2. 전하는 잠재적 에너지가 최소인 곳에서 가라앉는 경향이 있습니다. 저것들. 무례하게 - "물고기는 더 깊은 곳을 찾고 있습니다."

MOS 커패시터(MOS는 금속 산화물 반도체의 약자)부터 시작하겠습니다. 이것은 드레인과 소스를 제거할 때 MOSFET에 남아 있는 것입니다. 즉, 유전체 층에 의해 실리콘에서 분리된 전극뿐입니다. 명확성을 위해 우리는 반도체가 p-형이라고 가정합니다. 즉, 평형 조건에서 정공의 농도는 전자의 농도보다 훨씬(수십 배) 더 큽니다. 전기 물리학에서 "정공"은 전자의 전하에 반비례하는 전하입니다. 양전하.

이러한 전극(게이트라고 함)에 양의 전위가 인가되면 어떻게 될까요? 유전체를 통해 실리콘을 관통하는 게이트에 의해 생성된 전기장은 움직이는 구멍을 밀어냅니다. 고갈된 영역이 나타납니다 - 다수의 캐리어가 없는 특정 부피의 실리콘. CCD에 대한 일반적인 반도체 기판의 매개변수로 이 영역의 깊이는 약 5μm입니다. 반대로 빛의 작용으로 여기에서 발생한 전자는 게이트로 끌어당겨 게이트 바로 아래의 산화물-실리콘 계면에 축적됩니다. 즉, 포텐셜 우물로 떨어집니다(그림 1).

쌀. 하나
게이트에 전압을 가하면 포텐셜 웰 형성

이 경우 전자가 웰에 축적되면서 게이트에 의해 반도체에 생성된 전기장을 부분적으로 중화시키고 결국 이를 완전히 보상하여 전체 전기장이 유전체에만 떨어지게 하고, 모든 것이 원래 상태로 돌아갑니다. 단, 경계면에 얇은 전자 층이 형성된다는 점만 예외입니다.

이제 게이트 옆에 또 다른 게이트가 있고 첫 번째 게이트보다 더 큰 양의 전위가 여기에도 적용됩니다(그림 2). 게이트만 충분히 가까우면 전위 우물이 결합되고 한 전위 우물의 전자가 "더 깊다면" 인접한 것으로 이동합니다.
쌀. 2
두 개의 밀접하게 간격을 둔 게이트의 겹치는 잠재적인 우물. 포텐셜 우물이 더 깊은 곳으로 전하가 흐릅니다.

이제 게이트 체인이 있는 경우 적절한 제어 전압을 게이트에 적용하여 그러한 구조를 따라 국부적인 전하 패킷을 전송할 수 있다는 것이 분명해야 합니다. 자체 스캐닝 특성인 CCD의 놀라운 특성은 3개의 클럭 버스만 있으면 길이에 관계없이 일련의 게이트를 구동하기에 충분하다는 것입니다. (전자 제품의 버스라는 용어는 동일한 유형의 요소를 연결하는 전류 도체이고 클럭 버스는 위상 편이 전압이 전송되는 도체입니다.) 실제로 전하 패킷을 전송하려면 세 개의 전극이 필요하고 충분합니다. 하나는 전송, 하나는 수신, 하나는 절연, 서로 수신 및 전송하는 쌍을 분리하며 이러한 트리플의 동일한 이름의 전극은 하나의 외부 출력만 필요한 단일 클럭 버스로 서로 연결될 수 있습니다(그림 3).

쌀. 삼
가장 단순한 3상 CCD 레지스터.
각 잠재 우물의 전하가 다릅니다.

이것은 가장 단순한 3상 CCD 시프트 레지스터입니다. 이러한 레지스터의 작동에 대한 클록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 4.

쌀. 4
3상 레지스터를 제어하기 위한 클록 다이어그램은 120도 이동된 3개의 미앤더입니다.
전위가 변하면 전하가 이동합니다.

각 순간의 정상 작동을 위해서는 적어도 하나의 클록 버스가 높은 전위를 가져야 하고 적어도 하나는 낮은 전위(장벽 전위)를 가져야 함을 알 수 있습니다. 한 버스에서 전위가 상승하고 다른 버스에서 전위가 낮아지면(이전) 모든 전하 패킷이 동시에 인접 게이트로 전송되고 전체 주기(각 위상 버스에서 한 주기) 동안 전하 패킷이 하나의 버스로 전송(이동) 레지스터 요소.

전하 패킷을 가로 방향으로 국한시키기 위해 전송 채널을 따라 흐르는 주 도펀트 농도가 증가된 좁은 스트립인 소위 정지 채널이 형성됩니다(그림 5).

쌀. 다섯.
위에서 레지스터의 보기입니다.
측면 방향의 전송 채널은 정지 채널에 의해 제한됩니다.

사실은 도펀트의 농도가 게이트의 특정 전압에서 그 아래에 공핍 영역이 형성되는 것을 결정한다는 것입니다(이 매개변수는 MOS 구조의 임계 전압에 불과합니다). 직관적인 고려에서 불순물 농도가 높을수록, 즉 반도체에 더 많은 정공이 있을수록 더 깊이 구동하기 어렵습니다. 즉, 임계 전압이 더 높거나 한 전압에서 전위가 더 낮아집니다. 잠재적인 우물에서.

문제

디지털 장치를 생산할 때 결과 장치의 매개변수에 눈에 띄는 영향 없이 플레이트 전체의 매개변수 확산이 여러 번 도달할 수 있는 경우(작업이 개별 전압 수준으로 수행되기 때문에) CCD에서 변경 예를 들어, 10%의 도펀트 농도는 이미 이미지에서 눈에 띄게 나타납니다. 메모리 LSI와 같이 수정의 크기와 이중화의 불가능성은 자체 문제를 추가하여 결함 영역이 전체 수정을 사용할 수 없게 만듭니다.

결과

CCD 매트릭스의 다른 픽셀은 기술적으로 빛에 대한 감도가 다르며 이 차이를 수정해야 합니다.

디지털 CMA에서 이 보정을 AGC(Auto Gain Control) 시스템이라고 합니다.

AGC 시스템 작동 방식

단순함을 위해 우리는 특정한 것을 취하지 않을 것입니다. CCD 노드의 ADC 출력에 몇 가지 잠재적인 레벨이 있다고 가정해 보겠습니다. 60이 평균 화이트 레벨이라고 가정해 보겠습니다.

1. CCD 라인의 각 픽셀에 대해 참조 백색광으로 조명될 때 값이 읽힙니다(더 심각한 장치에서는 "블랙 레벨"도 읽힙니다).
2. 값은 참조 수준(예: 평균)과 비교됩니다.
3. 출력 값과 기준 레벨의 차이는 각 픽셀에 대해 저장됩니다.
4. 앞으로 스캔할 때 이 차이는 각 픽셀에 대해 보상됩니다.

AGC 시스템은 스캐너 시스템이 초기화될 때마다 초기화됩니다. 기기를 켤 때 일정 시간이 지나면 스캐너 캐리지가 앞으로-뒤로 이동하기 시작합니다(흑백 스트립에서 크롤링). AGC 시스템의 초기화 과정입니다. 시스템은 또한 램프의 상태(노화)도 고려합니다.

또한 컬러 스캐너가 장착된 소형 MFP가 빨간색, 파란색 및 녹색의 세 가지 색상으로 차례로 "램프를 켜는" 것을 보았을 것입니다. 그러면 원본의 백라이트만 흰색으로 바뀝니다. 이것은 RGB 채널에 대해 별도로 매트릭스의 감도를 더 잘 수정하기 위해 수행됩니다.

하프톤 테스트 (쉐이딩 테스트)엔지니어의 요청에 따라이 절차를 시작하고 수정 값을 실제 조건으로 가져올 수 있습니다.

이 모든 것을 실제 "전투" 기계에서 고려해보자. 우리는 잘 알려져 있고 인기있는 장치를 기본으로 사용합니다. 삼성 SCX-4521(제록스 Pe 220).

참고로 우리의 경우 CCD가 CIS(Contact Image Sensor)가 되지만 근본적으로 일어나는 일의 본질은 이것에서 변하지 않는다. 광원으로 LED 라인이 사용됩니다.

그래서:

CIS의 이미지 신호는 약 1.2V의 레벨을 가지며 장치 컨트롤러(ADCP)의 ADC 섹션(ADCP)에 공급됩니다. SADC 후에 아날로그 CIS 신호는 8비트 디지털 신호로 변환됩니다.

SADC의 이미지 프로세서는 먼저 톤 보정 기능을 사용한 다음 감마 보정 기능을 사용합니다. 그 후 데이터는 작동 모드에 따라 다른 모듈에 공급됩니다. 텍스트 모드에서 이미지 데이터는 LAT 모듈로 전송되고, 사진 모드에서 이미지 데이터는 "오류 확산" 모듈로 전송되며, PC-스캔 모드에서 이미지 데이터는 DMA 액세스를 통해 PC로 직접 전송됩니다.

테스트하기 전에 노출 유리에 백지 여러 장을 놓습니다. 물론 광학 장치, 흑백 줄무늬 및 일반적으로 스캐너 어셈블리는 먼저 내부에서 "핥아야" 합니다.

1. 테크 모드에서 선택
2. ENTER 버튼을 눌러 이미지를 스캔합니다.
3. 스캔 후 "CIS SHADING PROFILE"(CIS 하프톤 프로파일)이 인쇄됩니다. 이러한 시트의 예가 아래에 나와 있습니다. 결과의 복사본일 필요는 없지만 이미지에 가깝습니다.
4. 인쇄된 이미지가 그림에 표시된 이미지와 매우 다르면 CIS에 결함이 있는 것입니다. 성적표 하단에 “결과: OK”라고 기재되어 있음을 유의하시기 바랍니다. 이는 시스템이 CIS 모듈에 대해 심각한 주장이 없음을 의미합니다. 그렇지 않으면 오류 결과가 제공됩니다.

프로필 출력 예:

행운을 빕니다!!

St. Petersburg State University(LSU), St. Petersburg Electrotechnical University(LETI) 및 Axl의 교사들의 기사 및 강의 자료를 기반으로 합니다. 감사합니다.

V. Shelenberg가 준비한 자료

(lang: '루')

나는 이전 출판물에서 시작된 장치에 대한 대화를 계속합니다.

필름 카메라와 구별되는 디지털 카메라의 주요 요소 중 하나는 소위 이미지 강화 튜브 또는 감광성 요소인 감광성 요소입니다. 디지털 카메라. 우리는 이미 카메라 매트릭스에 대해 이야기했지만 이제 독자를 너무 피곤하게하지 않도록 표면적으로는 충분하지만 장치와 매트릭스 작동 원리를 자세히 살펴 보겠습니다.

요즘 대부분의 디지털 카메라에는 CCD 매트릭스.

CCD 매트릭스. 장치. 작동 원리.

기기를 살펴보자 CCD 센서.

반도체는 n형 반도체와 p형 반도체로 구분되는 것으로 알려져 있다. n형 반도체에는 과도한 자유 전자가 있고, p형 반도체에는 "정공"(따라서 전자가 부족함)이라는 과도한 양전하가 있습니다. 모든 마이크로 전자공학은 이 두 가지 유형의 반도체의 상호 작용을 기반으로 합니다.

따라서 요소 디지털 카메라의 CCD 센서다음과 같이 정리했습니다. 그림 1 참조:

그림 1

자세히 설명하지 않으면 CCD 요소 또는 전하 결합 장치(영어 표기: charge-coupled-device - CCD)는 MIS(금속-유전체-반도체) 커패시터입니다. 그것은 p 형 기판 - 실리콘 층, 이산화 실리콘 절연체 및 전극판으로 구성됩니다. 전극 중 하나에 양의 전위가 적용되면 전극에서 기판 깊숙한 곳까지 전기장에 의해 옆으로 밀려나기 때문에 주요 캐리어인 홀이 고갈된 영역이 그 아래에 형성됩니다. 따라서이 전극 아래에 전위 우물이 형성됩니다. 즉, 소수 캐리어, 전자의 이동에 유리한 에너지 영역입니다. 이 우물은 음전하를 축적합니다. 그것은 구멍이 없기 때문에 충분히 오랫동안 이 우물에 저장될 수 있고, 따라서 전자의 재결합에 대한 이유입니다.

감광성 행렬전극은 스펙트럼의 가시 영역에서 투명한 다결정 실리콘 필름입니다.

매트릭스에 입사하는 빛의 광자는 실리콘 기판에 들어가 그 안에 정공-전자 쌍을 형성합니다. 위에서 언급한 것처럼 정공은 기판 깊숙이 옮겨지고 전자는 포텐셜 우물에 축적됩니다.

축적된 전하는 소자에 입사하는 광자의 수, 즉 광속의 세기에 비례합니다. 따라서 광학 이미지에 해당하는 전하 릴리프가 매트릭스에 생성됩니다.

CCD 어레이에서 전하의 이동.

각 CCD 요소에는 서로 다른 전위가 적용되는 여러 전극이 있습니다.

주어진 전극보다 더 큰 전위가 인접한 전극에 인가되면(그림 3 참조), 첫 번째 전위 우물에서 전하가 이동하는 더 깊은 전위 우물이 그 아래에 형성됩니다. 이러한 방식으로 전하가 한 CCD 셀에서 다른 셀로 이동할 수 있습니다. 도 3에 도시된 CCD 소자를 3상이라고 하며, 4상 소자도 있다.

그림 4. 3상 전하 결합 장치의 작동 방식 - 시프트 레지스터.

전하를 전류 펄스(광전류)로 변환하기 위해 직렬 시프트 레지스터가 사용됩니다(그림 4 참조). 이러한 시프트 레지스터는 CCD 요소의 문자열입니다. 전류 펄스의 진폭은 전달된 전하의 양에 비례하므로 입사 광속에 비례합니다. 그런 다음 일련의 전하를 판독하여 생성된 일련의 전류 펄스가 증폭기의 입력에 적용됩니다.

밀접하게 배치된 CCD 요소의 라인은 다음으로 결합됩니다. CCD. 이러한 매트릭스의 작동은 전기장에 의해 생성된 잠재적인 우물에서 국부 전하의 생성 및 전달을 기반으로 합니다.

그림 5.

레지스터의 모든 CCD 요소의 전하는 인접 CCD 요소로 동기적으로 이동됩니다. 마지막 셀에 있던 전하는 레지스터에서 출력된 다음 증폭기의 입력으로 공급됩니다.

직렬 시프트 레지스터의 입력은 병렬 시프트 레지스터로 통칭되는 수직 시프트 레지스터의 전하에 의해 공급됩니다. 병렬 및 직렬 시프트 레지스터는 CCD 매트릭스를 구성합니다(그림 4 참조).

직렬 레지스터에 수직인 시프트 레지스터를 열이라고 합니다.

병렬 레지스터 전하의 이동은 엄격하게 동기화됩니다. 한 행의 모든 ​​전하가 동시에 다음 행으로 이동합니다. 마지막 행의 요금은 직렬 레지스터에 속합니다. 따라서 한 작업 주기에서 병렬 레지스터의 일련의 전하가 직렬 레지스터의 입력으로 들어가 새로 형성된 전하를 위한 공간을 만듭니다.

직렬 및 병렬 레지스터의 작동은 클록 생성기에 의해 동기화됩니다. 부분 디지털 카메라 센서레지스터 전송 전극에 전위를 공급하고 그 작동을 제어하는 ​​미세 회로도 포함합니다.

이러한 유형의 이미지 강화 튜브를 전체 프레임 매트릭스(full-frame CCD-matrix)라고 합니다. 작동을 위해서는 먼저 빛에 노출시키기 위해 이미지 강화 튜브를 연 다음 매트릭스 요소에 충분한 전하를 축적하는 데 필요한 광자의 수에 도달하면 그것을 닫는 불투명 커버가 필요합니다 빛에서. 이러한 덮개는 필름 카메라에서와 같이 기계식 셔터입니다. 이러한 셔터가 없으면 시프트 레지스터에서 전하가 이동할 때 셀에 계속 빛이 조사되어 주어진 지점의 광속에 해당하지 않는 추가 전자가 각 픽셀의 전하에 추가된다는 사실로 이어집니다. . 이것은 결과 이미지의 왜곡으로 각각 전하의 "번짐"으로 이어집니다.

최근 몇 년 동안 컴퓨터에 가까운 (뿐만 아니라) 언론에서 다음 "디지털 사진의 미래에 혁명을 일으키도록 설계된 기술적 기적"에 전념하는 열정적인 리뷰가 매우 일반적입니다. 이러한 종류의 문서에서 찾을 수 있는 형식 또는 다른 것입니다. 그러나 특징은 불과 1년 만에 초기 과대 광고가 점차 사그라지고 대부분의 디지털 사진 장비 제조업체가 '고급 개발'보다 검증된 솔루션을 사용하는 것을 선호한다는 것입니다.

나는 사건의 발전에 대한 이유가 매우 간단하다고 제안하고 싶습니다. 이것 또는 그 결정의 "훌륭한 단순성"에주의를 기울이는 것으로 충분합니다. 실제로 매트릭스의 해상도가 충분하지 않습니까? 픽셀을 열과 행이 아니라 대각선으로 정렬한 다음 프로그래밍 방식으로 "그림"을 45도 "회전"해 보겠습니다. 여기에서 즉시 해상도를 두 배로 늘릴 것입니다! 이러한 방식으로 수직 및 수평선만 선명도가 증가하는 반면 사선과 곡선(실제 이미지가 구성됨)은 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 가장 중요한 것은 효과가 관찰된다는 것입니다. 즉, 큰 소리로 선언할 수 있습니다.

불행히도, 현대 사용자는 "메가픽셀에 의해 망쳐졌습니다". 그는 해상도가 증가할 때마다 "고전적인" CCD 매트릭스 개발자가 수용 가능한 동적 범위와 센서 감도를 보장하는 가장 어려운 작업을 해결해야 한다는 사실을 모릅니다. 그러나 직사각형에서 팔각형 픽셀로 전환하는 것과 같은 "솔루션"은 일반 아마추어 사진가에게 매우 이해하기 쉽고 정당해 보입니다. 결국 광고 책자에 너무 명확하게 쓰여져 있습니다 ...

이 기사의 목적은 CCD의 출력에서 ​​얻은 이미지의 품질을 결정하는 요소를 가장 간단한 수준에서 설명하는 것입니다. 동시에 광학의 품질을 완전히 무시할 수 있습니다. $ 1,000 (Nikon D 70) 미만의 두 번째 "반사 카메라"의 출현으로 수용 가능한 가격의 카메라에 대한 센서 해상도가 추가로 향상되기를 바랍니다. 범주는 "비누" 렌즈에 국한되지 않습니다.

내부 광전 효과

따라서 렌즈에 의해 형성된 이미지는 CCD 매트릭스에 떨어집니다. 즉, 광선은 광자 에너지를 전하로 변환하는 작업인 CCD 요소의 감광성 표면에 떨어집니다. 대략 다음과 같이 발생합니다.

CCD 요소에 떨어진 광자의 경우 이벤트 발생에 대한 세 가지 시나리오가 있습니다. 즉, 표면에서 "도탄"되거나 반도체(매트릭스 재료)의 두께에 흡수되거나 "관통"됩니다. "작업 영역". 개발자는 "도탄" 및 "슛 스루"로 인한 손실을 최소화할 수 있는 이러한 센서를 만들어야 한다는 것이 분명합니다. 매트릭스에 흡수된 동일한 광자는 반도체 결정 격자의 원자와 상호 작용이 있는 경우 전자-정공 쌍을 형성하고 상호 작용이 도너 또는 억셉터 불순물의 원자와 상호 작용하는 경우 광자(또는 정공)만 형성하고, 이 두 현상을 모두 호출 내부 광전 효과. 물론 센서의 작동은 내부 광전 효과에 국한되지 않습니다. 반도체에서 "제거"한 전하 캐리어를 특수 저장소에 저장한 다음 읽어야 합니다.

CCD 요소

일반적으로 CCD 소자의 디자인은 다음과 같습니다. p형 실리콘 기판에는 n형 반도체의 채널이 있습니다. 채널 위의 전극은 실리콘 산화물의 절연 층이 있는 다결정 실리콘으로 만들어집니다. 이러한 전극에 전위를 인가한 후, n형 채널 아래의 공핍 영역에서, 잠재적인 구멍, 그의 목적은 전자를 저장하는 것입니다. 실리콘에 침투하는 광자는 전자의 생성으로 이어지며, 전자는 포텐셜 우물에 끌리고 그 안에 남아 있습니다. 더 많은 광자(밝은 빛)는 우물에 더 많은 전하를 제공합니다. 그런 다음 이 요금의 가치를 계산해야 합니다. 광전류, 증폭합니다.

CCD 소자의 광전류 판독은 소위 순차 시프트 레지스터, 입력에서 일련의 전하를 출력에서 ​​펄스 열로 변환합니다. 이 시리즈는 아날로그 신호이며 증폭기에 공급됩니다.

따라서 레지스터를 사용하여 CCD 요소 행의 전하를 아날로그 신호로 변환할 수 있습니다. 사실, CCD 어레이의 직렬 시프트 레지스터는 행에 결합된 동일한 CCD 요소를 사용하여 구현됩니다. 이러한 장치의 작동은 능력을 기반으로 합니다. 전하 결합 장치(이것은 약어 CCD가 의미하는 것입니다) 잠재적인 우물의 요금을 교환합니다. 교환은 특별한 존재로 인해 수행됩니다. 전송 전극(전송 게이트) 인접한 CCD 요소 사이에 위치합니다. 증가된 전위가 가장 가까운 전극에 가해지면 전하가 전위 우물에서 전극 아래로 "흐릅니다". CCD 요소 사이에는 2개에서 4개의 전송 전극이 위치할 수 있으며, 시프트 레지스터의 "위상"은 2상, 3상 또는 4상이라고 하는 해당 수에 따라 다릅니다.

전송 전극에 대한 전위 공급은 레지스터의 모든 CCD 요소의 전위 우물 전하의 이동이 동시에 발생하는 방식으로 동기화됩니다. 그리고 하나의 전송 주기에서 CCD 요소는 말하자면 왼쪽에서 오른쪽으로(또는 오른쪽에서 왼쪽으로) "체인을 따라 전하를 전송"합니다. 글쎄, "극단적"으로 밝혀진 CCD 요소는 레지스터의 출력에 위치한 장치, 즉 증폭기에 전하를 공급합니다.

일반적으로 직렬 시프트 레지스터는 병렬 입력, 직렬 출력 장치입니다. 따라서 레지스터에서 모든 전하를 읽은 후 입력에 새 라인을 적용한 다음 다음 라인을 적용하여 2차원 광전류 배열을 기반으로 연속 아날로그 신호를 형성할 수 있습니다. 차례로 직렬 시프트 레지스터에 대한 입력 병렬 스트림(즉, 광전류의 2차원 어레이 행)은 수직 방향 직렬 시프트 레지스터 세트에 의해 제공됩니다. 병렬 시프트 레지스터, 그리고 전체로서의 전체 구조는 CCD 매트릭스라고 하는 장치일 뿐입니다.

병렬 시프트 레지스터를 구성하는 "수직" 직렬 시프트 레지스터는 CCD 열그들의 작업은 완전히 동기화됩니다. CCD 어레이의 2차원 광전류 어레이는 동시에 한 행 아래로 시프트되며, 이는 "맨 아래"에 위치한 직렬 시프트 레지스터에서 이전 행의 전하가 증폭기로 이동한 후에만 발생합니다. 직렬 레지스터가 해제될 때까지 병렬 레지스터는 강제로 유휴 상태가 됩니다. 글쎄, 정상적인 작동을 위해 CCD 매트릭스 자체는 직렬 및 병렬 시프트 레지스터의 전극에 전위를 공급하고 두 레지스터의 작동을 동기화하는 마이크로 회로(또는 그 세트)에 연결되어야 합니다. 또한 클럭 생성기가 필요합니다.

풀 프레임 센서

이러한 유형의 센서는 건설적인 관점에서 가장 단순하며 풀 프레임 CCD(풀 프레임 CCD - 매트릭스). "스트래핑" 미세 회로 외에도 이러한 유형의 매트릭스에는 노출이 완료된 후 광속을 차단하는 기계적 셔터도 필요합니다. 셔터가 완전히 닫히기 전에는 전하 읽기를 시작할 수 없습니다. 병렬 시프트 레지스터의 작동 주기 동안 광자가 CCD 매트릭스의 열린 표면을 때리므로 각 픽셀의 광전류에 추가 전자가 추가됩니다. . 이 현상을 풀 프레임 매트릭스에서 전하 "번짐"(전체 프레임 매트릭스 얼룩).

이런 식으로, 프레임 읽기 속도이러한 방식에서는 병렬 및 직렬 시프트 레지스터의 속도가 모두 제한됩니다. 또한 읽기 과정이 완료될 때까지 렌즈에서 들어오는 빛을 차단할 필요가 있는 것도 당연하므로 노출 간격또한 읽기 속도에 따라 다릅니다.

병렬 레지스터의 전하가 직렬 입력에 한 줄씩 공급되지 않고 버퍼 병렬 레지스터에 "저장"되는 풀 프레임 매트릭스의 개선된 버전이 있습니다. 이 레지스터는 주 병렬 시프트 레지스터 아래에 있으며, 광전류는 한 줄씩 버퍼 레지스터로 이동하고 여기에서 직렬 시프트 레지스터의 입력으로 공급됩니다. 버퍼 레지스터의 표면은 불투명한(보통 금속) 패널로 덮여 있으며 전체 시스템은 프레임 버퍼 행렬(프레임 - CCD 전송).

프레임 버퍼 매트릭스

이 방식에서는 행을 버퍼로 전송할 때 각 행이 직렬 레지스터의 전체 주기를 기다릴 필요가 없기 때문에 주 병렬 시프트 레지스터의 잠재적인 우물이 눈에 띄게 더 빨리 "비워집니다". 따라서 읽기 속도도 떨어지긴 하지만 노출 간격이 줄어듭니다. 라인은 두 배 더 멀리 "이동"해야 합니다. 따라서 버퍼 레지스터로 인한 장치 비용이 크게 증가하지만 노출 간격은 두 프레임에 대해서만 줄어 듭니다. 그러나 프레임 버퍼링이 있는 매트릭스의 가장 눈에 띄는 단점은 광전류의 "경로"가 길어져 값의 안전성에 부정적인 영향을 미친다는 것입니다. 그리고 어쨌든 기계식 셔터는 프레임 사이에서 작동해야하므로 연속 비디오 신호에 대해 이야기 할 필요가 없습니다.

열 버퍼링이 있는 행렬

특히 영상장비의 경우 몇 프레임이 아닌 연속 스트림에 대해 노출 간격을 최소화한 새로운 형태의 매트릭스를 개발했다. 물론, 이러한 연속성을 보장하기 위해 기계적 셔터의 거부를 제공할 필요가 있었습니다.

사실 이 계획은 열 버퍼 행렬(interline CCD -matrix), 프레임 버퍼링이 있는 시스템과 다소 유사합니다. 또한 버퍼 병렬 시프트 레지스터를 사용합니다. 이 레지스터의 CCD 요소는 불투명 코팅 아래에 숨겨져 있습니다. 그러나 이 버퍼는 주 병렬 레지스터 아래의 단일 블록에 위치하지 않습니다. 이 버퍼의 열은 주 레지스터의 열 사이에서 "셔플"됩니다. 결과적으로 주 레지스터의 각 열 옆에는 버퍼 열이 있으며 노출 직후 광전류는 "위에서 아래로"가 아니라 "왼쪽에서 오른쪽으로"(또는 "오른쪽에서 왼쪽으로") 이동합니다. ) 단 한 번의 작업 주기에서 버퍼 레지스터에 들어가 다음 노출을 위해 잠재적인 구멍을 완전히 완전히 비웁니다.

버퍼 레지스터에 떨어진 전하는 직렬 시프트 레지스터를 통해 일반적인 순서, 즉 "위에서 아래로" 읽힙니다. 버퍼 레지스터에 대한 광전류 재설정은 기계 셔터가 없는 경우에도 단 한 주기로 발생하므로 전체 프레임 매트릭스에서 전하의 "번짐"과 유사한 것이 없습니다. 그러나 대부분의 경우 각 프레임의 노출 시간은 버퍼 병렬 레지스터의 전체 읽기에 소요된 간격에 해당합니다. 이 모든 덕분에 초당 최소 30프레임의 높은 프레임 속도로 비디오 신호를 생성할 수 있습니다.

열 버퍼링이 있는 행렬

종종 국내 문헌에서 컬럼 버퍼링이 있는 행렬을 "인터레이스"라고 잘못 부릅니다. 이것은 아마도 영어 이름 "interline"(라인 버퍼링)과 "interlaced"(인터레이스 스캐닝)가 매우 비슷하게 들리기 때문일 것입니다. 사실, 한 주기에서 모든 행을 읽을 때 행렬에 대해 이야기할 수 있습니다. 프로그레시브 스캔(프로그레시브 스캔) 첫 번째 사이클에서 홀수 라인을 읽고 두 번째 사이클에서 짝수 라인(또는 그 반대)을 읽을 때 인터레이스 매트릭스(인터레이스 스캔).

주 병렬 시프트 레지스터의 광전류는 "광자 충격"을 받지 않는 버퍼 레지스터로 즉시 떨어지지만, 컬럼 버퍼 매트릭스의 전하 번짐(얼룩)도 발생합니다. 이것은 "감광" CCD 요소의 전위 우물에서 "버퍼" 요소의 전위 우물로 전자의 부분적 오버플로로 인해 발생하며, 특히 픽셀 조명이 다음과 같을 때 최대값에 가까운 전하 수준에서 발생합니다. 매우 높다. 결과적으로 라이트 스트립이 사진의 이 밝은 지점에서 위아래로 늘어나 프레임이 손상됩니다. 이러한 불쾌한 영향을 방지하기 위해 센서를 설계할 때 "감광성" 컬럼과 버퍼 컬럼이 서로 더 멀리 떨어져 있습니다. 물론 이것은 전하 교환을 복잡하게 만들고 이 작업의 시간 간격을 늘리지만 이미지에 "번짐"이 발생하는 손상은 개발자에게 선택의 여지가 없습니다.

앞서 언급했듯이 비디오 신호를 제공하려면 센서가 노출 사이에 광속의 중첩을 필요로 하지 않아야 합니다. 이러한 작동 조건(초당 약 30회 작동)에서 기계식 셔터가 빠르게 실패할 수 있기 때문입니다. 다행히 버퍼 문자열 덕분에 다음을 구현할 수 있습니다. 전자 셔터, 첫째, 필요한 경우 기계식 셔터 없이 작업을 수행할 수 있고 둘째, 빠르게 움직이는 프로세스(스포츠, 자연 등)를 촬영하는 데 특히 중요한 초저(최대 1/10000초) 셔터 속도를 제공합니다. . 그러나 전자 셔터는 또한 매트릭스에 잠재적인 우물의 초과 전하를 제거하기 위한 시스템이 있어야 하지만 모든 것이 순서대로 논의될 것입니다.

모든 비용을 지불해야 하고 비디오 신호를 형성하는 능력도 지불해야 합니다. 버퍼 시프트 레지스터는 센서 영역의 상당 부분을 "먹습니다". 결과적으로 각 픽셀은 전체 표면의 감광 영역의 30%만 차지하지만 이 영역은 전체 프레임 센서의 경우 70%입니다. 픽셀. 이것이 대부분의 최신 CCD 매트릭스에서 각 픽셀의 맨 위에 있는 이유입니다. 마이크로렌즈. 이러한 간단한 광학 장치는 CCD 요소의 대부분의 영역을 덮고 이 부분에 입사하는 광자의 전체 부분을 집중된 광속으로 수집하고, 이는 차례로 CCD의 다소 조밀한 감광 영역으로 향하게 됩니다. 픽셀.

마이크로렌즈

마이크로 렌즈의 도움으로 센서에 떨어지는 광속을 훨씬 더 효율적으로 등록할 수 있기 때문에 시간이 지남에 따라 이러한 장치는 열 버퍼링이 있는 시스템뿐만 아니라 전체 프레임 매트릭스에도 공급하기 시작했습니다. 하지만 마이크로렌즈도 '결점 없는 솔루션'이라고 할 수는 없다.

광학 장치이기 때문에 마이크로 렌즈는 기록 된 이미지를 어느 정도 왜곡합니다. 가장 자주 이것은 프레임의 가장 작은 세부 사항에서 선명도 손실로 표현됩니다. 가장자리가 약간 흐려집니다. 반면에 이러한 흐릿한 이미지가 항상 바람직하지 않은 것은 아닙니다. 어떤 경우에는 렌즈에 의해 형성되는 이미지에 선이 포함되며, 그 크기와 빈도는 CCD 요소의 치수와 픽셀 간 거리에 가깝습니다. 행렬. 이 경우 프레임이 자주 관찰됩니다. 스테핑(앨리어싱) - 픽셀이 이미지 세부 사항에 의해 완전히 덮여 있는지 여부에 관계없이 픽셀에 특정 색상을 할당합니다. 결과적으로 그림의 개체 선이 찢어지고 가장자리가 들쭉날쭉합니다. 이 문제를 해결하기 위해 마이크로렌즈가 없는 센서가 있는 카메라는 고가의 앤티 앨리어싱 필터(앤티 앨리어싱 필터) 및 마이크로 렌즈가 있는 센서에는 이러한 필터가 필요하지 않습니다. 그러나 어쨌든 센서의 해상도가 약간 감소하여 이에 대한 비용을 지불해야 합니다.

피사체의 조명이 좋지 않은 경우 조리개를 최대한 넓게 여는 것이 좋습니다. 그러나 이것은 급격한 각도에서 매트릭스 표면에 입사하는 광선의 비율을 급격히 증가시킵니다. 반면에 마이크로 렌즈는 그러한 광선의 상당 부분을 차단하므로 매트릭스(횡격막이 열린 것)에 의한 광 흡수 효율이 크게 감소합니다. 가파른 각도로 입사하는 광선도 문제의 원인이 된다는 점에 유의해야 합니다. 한 픽셀의 실리콘에 입사하지만 투과력이 높은 장파장의 광자는 다른 매트릭스 요소의 재료에 흡수될 수 있습니다. , 결국 이미지 왜곡으로 이어질 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 매트릭스의 표면은 픽셀의 감광 영역만 남아 있는 컷아웃에 불투명(예: 금속) "격자"로 덮여 있습니다.

역사적으로 풀프레임 센서는 스튜디오 기술에서 주로 사용되었고 열 버퍼 센서는 아마추어 기술에서 사용되었습니다. 두 가지 유형의 센서 모두 전문 카메라에서 볼 수 있습니다.

다결정 실리콘 전극을 사용하는 기존의 CCD 회로에서는 전극 표면에 의한 빛의 부분 산란으로 인해 감도가 제한됩니다. 따라서 스펙트럼의 파란색 및 자외선 영역에서 감도를 높여야 하는 특수 조건에서 촬영할 때 이면조사 매트릭스가 사용됩니다. 이러한 유형의 센서에서 기록된 빛은 기판에 떨어지고 필요한 내부 광전 효과를 제공하기 위해 기판을 10-15마이크로미터 두께로 연마했습니다. 이 처리 단계는 매트릭스 비용을 크게 증가시켰으며, 또한 장치는 매우 취약한 것으로 판명되었으며 조립 및 작동 중에 더 많은 주의가 필요했습니다.

이면조사형 매트릭스

분명히 광속을 감쇠시키는 광 필터를 사용할 때 감도를 높이기 위한 모든 값비싼 작업은 의미를 잃기 때문에 이면조사형 매트릭스는 주로 천체 사진에 사용됩니다.

감광도

사진 필름이든 CCD 매트릭스이든 기록 장치의 가장 중요한 특성 중 하나는 감광도- 광학 방사선에 특정 방식으로 반응하는 능력. 감도가 높을수록 기록 장치의 응답에 필요한 빛이 줄어듭니다. 감도를 나타내기 위해 다양한 값(DIN, ASA)이 사용되었지만 결국 이 매개변수를 ISO 단위(International Standards Organization - International Standards Organization)로 지정하는 관행이 뿌리를 내렸습니다.

단일 CCD 소자의 경우 빛에 대한 응답을 전하 생성으로 이해해야 합니다. 분명히 CCD 매트릭스의 감도는 모든 픽셀의 감도의 합이며 일반적으로 두 가지 매개 변수에 따라 다릅니다.

첫 번째 매개변수는 통합 감도, 이것은 스펙트럼 구성이 텅스텐 백열등에 해당하는 방사선 소스의 광속(루멘 단위)에 대한 광전류(밀리암페어 단위)의 비율입니다. 이 매개변수를 사용하면 센서의 감도를 전체적으로 평가할 수 있습니다.

두 번째 매개변수는 단색 감도즉, 광전류의 크기(밀리암페어 단위)와 특정 파장에 해당하는 방사선의 빛 에너지 크기(밀리전자볼트 단위)의 비율입니다. 관심 스펙트럼 부분에 대한 모든 단색 감도 값 세트는 분광 감도- 빛의 파장에 대한 감도의 의존성. 따라서 스펙트럼 감도는 센서가 특정 색상의 음영을 등록하는 능력을 보여줍니다.

적분 및 단색 감도의 측정 단위는 사진 기술에서 널리 사용되는 명칭과 다릅니다. 이것이 제품 사양에 디지털 사진 장비 제조업체가 표시하는 이유입니다. 등가 감도 ISO 단위의 CCD. 그리고 등가 감도를 결정하려면 제조업체가 피사체의 조명, 조리개 및 셔터 속도를 알고 몇 가지 공식을 사용하는 것으로 충분합니다. 첫 번째에 따르면 노출 값은 log 2(L *S /C)로 계산되며, 여기서 L은 조도, S는 감도, C는 노출 상수입니다. 두 번째 공식은 노출 값을 2*log 2 K - log 2 t 로 정의합니다. 여기서 K는 조리개 값이고 t는 셔터 속도입니다. 주어진 L, C, K, t에서 S가 무엇인지 계산할 수 있는 공식을 도출하는 것은 어렵지 않습니다.

행렬의 감도는 각 CCD 요소의 감도에 따라 적분 값입니다. 음, 매트릭스 픽셀의 감도는 먼저 "비를 대체하는 광자"에 따라 다릅니다. 감광성 영역(채움 계수), 두 번째로 양자 효율(양자 효율), 즉 센서 표면에 입사된 광자 수에 대한 등록된 전자 수의 비율입니다.

차례로, 양자 효율은 여러 다른 매개변수의 영향을 받습니다. 먼저 이 반사 계수- 센서 표면에서 "튕겨져 나가는" 광자의 비율을 나타내는 값. 반사 계수가 증가함에 따라 내부 광전 효과에 관련된 광자의 비율이 감소합니다.

센서 표면에서 반사되지 않은 광자는 흡수되어 전하 캐리어를 형성하지만 그 중 일부는 표면 근처에 "고착"되고 일부는 CCD 요소의 재료에 너무 깊숙이 침투합니다. 두 경우 모두 광전류 형성에 관여하지 않을 것이 분명합니다. 반도체에 광자의 "투과력"이라고 불리는 흡수 계수, 반도체의 재료와 입사광의 파장에 따라 달라집니다. "장파" 입자는 "단파"보다 훨씬 더 깊숙이 침투합니다. CCD 소자를 개발할 때 가시광선에 해당하는 파장의 광자가 포텐셜 우물 근처에서 내부 광전 효과가 발생하여 전자가 떨어질 확률이 증가하는 흡수 계수를 달성하는 것이 필요합니다.

종종 양자 효율 대신에 이 용어가 사용됩니다. "양자 출력"(양자 수율), 그러나 실제로 이 매개변수는 하나의 광자가 흡수될 때 방출되는 전하 캐리어의 수를 표시합니다. 물론 내부 광전 효과로 인해 대부분의 전하 캐리어는 여전히 CCD 소자의 포텐셜 우물로 떨어지지만 전자(또는 정공)의 특정 부분은 "트랩"을 피합니다. 양자 효율을 설명하는 공식의 분자는 정확히 포텐셜 우물에 빠진 전하 캐리어의 수입니다.

CCD 매트릭스의 중요한 특성은 감도 임계값- 등록할 수 있는 광 신호의 최소값을 특성화하는 광 기록 장치의 매개변수. 이 신호가 작을수록 감도 임계값이 높아집니다. 감도 임계값을 제한하는 주요 요인은 암전류(암전류). 이것은 열이온 방출의 결과이며 전위 우물이 형성되는 전극에 전위가 인가될 때 CCD 소자에서 발생합니다. 이 전류는 광속이 없는 상태에서 우물에 떨어진 전자로 구성되어 있기 때문에 "암흑"이라고 합니다. 광속이 약하면 광전류의 값은 암전류의 값보다 가깝고 때로는 더 작습니다.

암전류는 센서의 온도에 의존합니다. 매트릭스가 섭씨 9도까지 가열되면 암전류가 두 배가 됩니다. 매트릭스를 냉각하기 위해 다양한 열 제거(냉각) 시스템. 중량 및 크기 특성이 냉각 시스템의 사용을 크게 제한하는 필드 챔버에서는 때때로 챔버의 금속 케이스가 열교환기로 사용됩니다. 스튜디오 장비에서는 무게와 크기에 대한 제한이 거의 없으며 냉각 시스템의 충분히 높은 전력 소비가 허용되며 차례로 수동 및 능동으로 나뉩니다.

수동 냉각 시스템냉각된 장치의 과도한 열을 대기로 "방출"만 제공합니다. 동시에 냉각 시스템은 최대 열 전도체 역할을 하여 보다 효율적인 방열을 제공합니다. 분명히 냉각 장치의 온도는 주변 공기 온도보다 낮아질 수 없으며 이는 수동 시스템의 주요 단점입니다.

수동 열교환 시스템의 가장 간단한 예는 다음과 같습니다. 라디에이터(방열판) 열전도율이 좋은 재료로 만들어지며 대부분 금속으로 되어 있습니다. 대기와 접촉하는 표면은 가능한 한 큰 산란 영역을 제공하도록 형성됩니다. 일반적으로 최대 산란 영역은 다음과 같습니다. 니들 라디에이터, 열을 발산하는 "바늘"이 박힌 "고슴도치" 모양입니다. 종종 열 전달을 강제하기 위해 라디에이터 표면이 날아갑니다. 마이크로 팬 -유사한 장치 쿨러(쿨러, 쿨-쿨이라는 단어에서) 개인용 컴퓨터에서 프로세서는 냉각됩니다. 마이크로 팬이 전기를 소비한다는 사실을 기반으로 이를 사용하는 시스템을 "능동"이라고 하며, 이는 쿨러가 장치를 대기보다 낮은 온도로 냉각할 수 없기 때문에 완전히 잘못된 것입니다. 높은 주변 온도(40도 이상)에서 수동 냉각 시스템의 효율성은 감소하기 시작합니다.

능동 냉각 시스템전기 또는 화학 공정으로 인해 장치에 주변 공기보다 낮은 온도를 제공합니다. 실제로 활성 시스템은 "차가움을 생성"하지만 냉각된 장치의 열과 냉각 시스템의 열이 모두 대기로 방출됩니다. 능동 냉각기의 고전적인 예는 기존 냉장고입니다. 그러나 다소 높은 효율에도 불구하고 그 무게와 크기 특성은 스튜디오 촬영 장비에도 허용되지 않습니다. 따라서 능동 냉각이 제공됩니다. 펠티에 시스템, 그 작동은 같은 이름의 효과의 사용을 기반으로 하며, 서로 다른 재료로 만들어진 두 도체의 끝에 전위차가 있을 때 열 에너지가 이 도체의 접합부에서 방출되거나 흡수될 때( 전압의 극성에 따라 다름). 그 이유는 도체 접합의 내부 접촉 전위차로 인한 전자의 가감속 때문입니다.

전자와 "정공"의 상호 작용으로 인해 열 흡수가 수행되는 n형 및 p형 반도체의 조합을 사용할 때 최대 열 전도 효과가 발생합니다. 이를 강화하기 위해 펠티에 소자의 캐스케이드 조합을 사용할 수 있는데, 흡열과 방출이 모두 일어나기 때문에 쿨러의 한쪽은 "뜨거움" 다른 쪽은 "차가움"이 되도록 요소를 결합해야 한다. 캐스케이드 조합의 결과, 매트릭스에서 가장 먼 펠티에 소자의 "뜨거운"측 온도는 주변 공기의 온도보다 훨씬 높으며 그 열은 수동 장치의 도움으로 대기 중으로 발산됩니다. , 즉, 라디에이터 및 냉각기입니다.

펠티에 효과를 사용하여 능동 냉각 시스템은 센서의 온도를 0도까지 낮추어 암전류 수준을 크게 낮출 수 있습니다. 그러나 CCD 어레이가 과도하게 냉각되면 주변 공기의 수분이 응축되어 전자 장치가 단락될 위험이 있습니다. 그리고 어떤 경우에는 매트릭스의 냉각된 평면과 감광면 사이의 제한적인 온도 차이로 인해 수용할 수 없는 변형이 발생할 수 있습니다.

그러나 라디에이터도 쿨러도 펠티에 소자도 무게와 크기가 제한된 현장 카메라에는 적용할 수 없습니다. 대신 이 기술은 이른바 검은 픽셀(어두운 참조 픽셀) 이 픽셀은 행렬의 가장자리를 따라 불투명한 재료로 덮인 열과 행입니다. 검은색 픽셀의 모든 광전류에 대한 평균값이 고려됩니다. 암전류 수준. 분명히 다른 작동 조건(환경과 카메라 자체의 온도, 배터리 전류 등)에서는 암전류 수준이 다릅니다. 각 픽셀의 "기준점"으로 사용할 때, 즉 광전류에서 값을 빼면 CCD 소자에 떨어진 광자에 의해 생성된 전하가 정확히 무엇인지 결정할 수 있습니다.

어떤 식으로든 암전류를 억제할 때 감도 임계값을 제한하는 또 다른 요소를 알고 있어야 합니다. 그것은 열 소음(열 잡음), 전극에 전위가 없는 경우에도 CCD 요소를 따라 전자의 무질서한 움직임에 의해서만 생성됩니다. 장기간 노출되면 잠재적인 우물에 표유 전자가 점진적으로 축적되어 광전류의 실제 값이 왜곡됩니다. 그리고 셔터 속도가 "길수록" 더 많은 전자가 우물에서 "잃어버렸습니다".

아시다시피 동일한 카세트에 있는 필름의 광감도는 일정하게 유지됩니다. 즉, 프레임마다 변경할 수 없습니다. 그러나 디지털 카메라를 사용하면 각 샷에 대해 등가 감도의 최적 값을 설정할 수 있습니다. 이것은 매트릭스에서 오는 비디오 신호를 증폭함으로써 달성됩니다. "등가 감도 증가", 음악 플레이어의 볼륨 컨트롤을 돌리는 것과 유사합니다.

따라서 저조도에서 사용자는 등가 감도를 높이거나 셔터 속도를 높이는 딜레마에 직면합니다. 동시에 두 경우 모두 고정 분포의 노이즈에 의한 프레임 손상을 피할 수 없습니다. 사실, 경험에 따르면 "긴" 셔터 속도에서는 매트릭스 신호가 증폭될 때만큼 화질이 저하되지 않습니다. 그러나 긴 노출 시간은 또 다른 문제를 위협합니다. 사용자는 프레임을 "비틀 수" 있습니다. 따라서 사용자가 실내에서 자주 촬영할 계획이라면 조리개가 높은 렌즈와 강력하고 "지능적인" 플래시가 있는 카메라를 선택해야 합니다.

다이나믹 레인지

매트릭스는 밝은 햇빛과 낮은 실내 조명 모두에서 빛을 감지할 수 있어야 합니다. 따라서 매트릭스의 포텐셜 웰은 매우 커야 하며 저조도에서 최소 수의 전자를 보유할 수 있어야 하며 강력한 광속이 센서에 닿을 때 얻은 큰 전하를 포함할 수 있어야 합니다. 그리고 렌즈에 의해 형성되는 이미지는 종종 밝은 영역과 깊은 그림자로 구성되며 센서는 모든 음영을 등록할 수 있어야 합니다.

다양한 조명 조건과 고대비에서 좋은 이미지를 형성하는 센서의 능력은 매개변수에 의해 결정됩니다. "다이나믹 레인지", 이는 매트릭스가 레코딩 표면에 투영된 이미지에서 가장 어두운 톤과 가장 밝은 톤을 구별하는 능력을 특징으로 합니다. 다이내믹 레인지가 확장되면 이미지의 음영 수가 증가하고 이들 사이의 전환은 렌즈에 의해 형성된 이미지에 최대한 가깝게 대응합니다.

프레임 품질에 대한 다이내믹 레인지의 영향(A - 넓은 다이내믹 레인지, B - 좁은 다이내믹 레인지)

CCD 요소가 일정량을 축적하는 능력을 설명하는 특성을 "잠재 우물의 깊이"(우물 깊이), 그리고 매트릭스의 동적 범위는 그것에 달려 있습니다. 물론 저조도 조건에서 촬영할 때 다이내믹 레인지는 감도 임계값의 영향도 받으며, 이는 다시 암전류의 크기에 의해 결정됩니다.

광전류를 구성하는 전자의 손실은 포텐셜 우물의 전하 축적 과정에서뿐만 아니라 매트릭스의 출력으로 운반되는 동안에도 발생한다는 것이 분명합니다. 이러한 손실은 다음 전송 전극 아래로 흐를 때 주 전하에서 "찢어지는" 전자의 드리프트에 의해 발생합니다. 분리된 전자의 수가 적을수록 높을수록 전하 이동 효율(전하 전달 효율). 이 매개변수는 백분율로 측정되며 CCD 요소 사이의 "교차" 동안 남아 있는 전하의 백분율을 표시합니다.

전달 효율의 효과는 다음 예를 통해 설명할 수 있습니다. 1024 X 1024 매트릭스의 경우 이 매개변수의 값이 98%이면 매트릭스 출력에서 ​​중심 픽셀의 광전류 값을 결정하려면 0.98(전송된 전하량)을 1024의 거듭제곱(픽셀 간의 "교차" 수)에 100(백분율)을 곱합니다. 결과는 완전히 만족스럽지 않습니다. 초기 충전량의 약 0.0000001%가 남습니다. 분명히 해상도가 증가함에 따라 "교차"의 수가 증가함에 따라 전송 효율성에 대한 요구 사항이 훨씬 더 엄격해집니다. 또한 전송 속도의 증가(높은 해상도를 보상하기 위해)는 "제거된" 전자의 수를 허용할 수 없을 정도로 증가시키기 때문에 프레임 판독 속도가 떨어집니다.

높은 전하 전달 효율로 수용 가능한 프레임 판독 속도를 달성하기 위해 CCD 어레이를 설계할 때 잠재적인 우물을 "깊은" 위치에 배치할 계획입니다. 이 때문에 전자는 전달 전극에 그렇게 활발히 "붙지" 않고 n-채널이 CCD 요소의 설계에 도입된 전위 우물의 "깊은 위치"를 위해 있습니다.

위의 예로 돌아가서: 주어진 1024 X 1024 매트릭스에서 전하 전달 효율이 99.999%이면 중심 전하의 광전류에서 센서의 출력은 원래 값의 98.98%로 유지됩니다. 더 높은 해상도의 매트릭스가 개발되고 있다면 99.99999%의 전하 전달 효율이 필요합니다.

지독한

내부 광전 효과가 포텐셜 우물의 깊이를 초과하는 과도한 전자 수로 이어지는 경우 CCD 요소의 전하는 인접 픽셀로 "확산"되기 시작합니다. 사진에서는 이러한 현상을 지독한(영어에서 블루밍 - 흐림), 흰색 반점과 올바른 모양의 형태로 표시되며, 과잉 전자가 많을수록 반점이 커집니다.

시스템을 통해 개화 억제를 수행합니다. 전자 배수(오버플로 드레인), 주요 작업은 잠재적 인 우물에서 과도한 전자를 제거하는 것입니다. 가장 유명한 옵션 수직 배수(수직 오버플로 드레인, VOD) 및 측면 배수(측면 오버플로 드레인, VOD).

수직 배수 시스템에서 전위는 기질 기질에 가해지며 그 값은 전위 우물의 깊이가 넘칠 때 과잉 전자가 기질 기질에서 기질로 흘러 그곳에서 흩어지도록 선택됩니다. 이 옵션의 단점은 포텐셜 우물의 깊이가 감소하고 따라서 CCD 요소의 동적 범위가 좁아진다는 것입니다. 또한 이 시스템은 백라이트가 있는 매트릭스에는 적용할 수 없습니다.

수직 전자 배수

측면 드레인 시스템은 전극을 사용하여 잠재적인 우물 전자가 초과 전하가 소산되는 "배수 홈"으로 침투하는 것을 방지합니다. 이 전극의 전위는 전위 우물의 오버플로 장벽에 따라 선택되지만 깊이는 변경되지 않습니다. 하지만 드레인 전극으로 인해 CCD 소자의 감광 면적이 줄어들어 마이크로렌즈를 사용해야 한다.

측면 전자 드레인

물론 센서에 배수 장치를 추가해야 하기 때문에 설계가 복잡하지만 블루밍으로 인한 프레임 왜곡을 무시할 수 없습니다. 예, 전자 셔터는 배수 장치 없이는 구현할 수 없습니다. 이 셔터는 주 병렬 시프트 레지스터에서 병렬로 전하를 전송하는 데 소요되는 간격보다 짧은 초단 셔터 속도에서 "커튼"의 역할을 합니다. 버퍼 레지스터. "셔터", 즉 배수는 지정된(매우 짧은) 노출 시간이 지난 후 "감광성" 픽셀에 형성된 전자의 버퍼 CCD 요소의 우물로 침투하는 것을 방지합니다.

"고착" 픽셀

일부 CCD 요소의 기술적 오류로 인해 가장 짧은 셔터 속도라도 전위 우물에 눈사태와 같은 전자 축적으로 이어집니다. 그림에서 이러한 픽셀은 "어려운"(고착 픽셀)은 색상과 밝기 모두에서 주변 점과 매우 다르며 고정 분포 노이즈와 달리 매트릭스의 온도와 관계없이 모든 셔터 속도에서 나타납니다.

붙어 있는 픽셀은 결함이 있는 CCD 요소를 검색하고 비휘발성 메모리에 "좌표"를 저장하는 카메라의 내장 소프트웨어를 사용하여 제거됩니다. 이미지를 형성할 때 결함 픽셀의 값은 고려되지 않고 인접한 픽셀의 보간 값으로 대체됩니다. 검색 과정에서 픽셀의 결함을 확인하기 위해 카메라의 비휘발성 메모리에도 저장된 기준 값과 전하를 비교합니다.

매트릭스 대각선 크기

때로는 디지털 카메라의 다른 매개 변수 중에서 표시됩니다. CCD의 대각선 크기(보통 인치의 분수). 우선, 이 값은 렌즈의 특성과 관련이 있습니다. 센서 치수가 클수록 광학 장치에 의해 형성되는 이미지가 커야 합니다. 이 이미지가 매트릭스의 기록 표면을 완전히 덮기 위해서는 광학 요소의 치수를 늘려야 합니다. 이것이 완료되지 않고 렌즈에 의해 생성된 "그림"이 센서보다 작은 것으로 판명되면 매트릭스의 주변 영역이 청구되지 않습니다. 그러나 많은 경우에 카메라 제조업체는 해당 모델에서 특정 비율의 메가픽셀이 "작업 중단"으로 판명되었음을 나타내지 않았습니다.

그러나 35mm 기술을 기반으로 만들어진 디지털 "반사 카메라"에서는 거의 항상 반대 상황이 발생합니다. 렌즈에 의해 형성된 이미지는 매트릭스의 감광 영역과 겹칩니다. 이는 35mm 필름 프레임 크기의 센서가 너무 비싸고 렌즈에 의해 형성되는 이미지의 일부가 말 그대로 "뒤에서"라는 사실로 이어집니다. 그 결과 렌즈의 특성이 "장초점" 영역으로 이동합니다. 따라서 디지털 SLR용 교환식 렌즈를 선택할 때는 다음 사항을 고려해야 합니다. 줌 비율- 원칙적으로 약 1.5입니다. 예를 들어 28-70mm 줌 렌즈를 설치하면 작동 범위는 42-105mm가 됩니다.

이 비율은 긍정적인 효과와 부정적인 영향을 모두 가지고 있습니다. 특히 단초점 렌즈를 필요로 하는 넓은 커버리지 앵글 촬영은 더욱 어려워진다. 초점 거리가 18mm 이하인 광학 장치는 매우 고가이며 디지털 "SLR"에서는 사소한 27mm로 바뀝니다. 그러나 망원 렌즈도 매우 비싸고 초점 거리가 크면 일반적으로 상대 조리개가 감소합니다. 그러나 1.5배의 값싼 200mm 렌즈는 300mm 렌즈로 바뀌는 반면 "실제" 300mm 광학 장치는 f/5.6 정도의 조리개를 가지고 있는 반면 200mm 조리개는 f/4.5보다 높습니다.

또한 모든 렌즈는 프레임의 가장자리 영역에서 이미지의 흐림 및 곡률로 표현되는 필드 곡률 및 왜곡과 같은 수차를 특징으로 합니다. 매트릭스의 치수가 렌즈에 의해 형성되는 이미지의 크기보다 작으면 "문제 영역"이 센서에 의해 단순히 등록되지 않습니다.

매트릭스의 감도는 기록 영역의 크기와 관련이 있습니다. 각 요소의 감광 영역이 클수록 더 많은 빛이 해당 요소에 떨어지고 내부 광전 효과가 더 자주 발생하므로 전체 센서의 감도가 높아집니다. 또한 큰 픽셀을 사용하면 동적 범위의 너비에 긍정적인 영향을 주는 "증가된 용량"의 잠재적인 우물을 만들 수 있습니다. 이에 대한 실례는 35mm 필름의 프레임 크기에 필적하는 디지털 "반사 카메라" 매트릭스입니다. 이러한 센서는 일반적으로 ISO 6400(!) 정도의 감도가 다르며 동적 범위에는 10-12비트 비트 깊이의 ADC가 필요합니다.

동시에 아마추어 카메라의 매트릭스는 8-10 비트 ADC로 충분하고 감도가 ISO 800을 거의 초과하지 않는 동적 범위를 갖습니다. 그 이유는이 기술의 설계 기능 때문입니다. 사실 Sony는 아마추어 기술용 소형(1/3, 1/2 및 2/3인치 대각선) 센서 생산 측면에서 경쟁자가 거의 없으며, 이는 행렬의 모델 범위. 해상도가 "1 메가픽셀 이상"인 차세대 매트릭스를 개발할 때 치수 및 인터페이스 면에서 이전 센서 모델과 거의 완벽한 호환성이 보장되었습니다. 따라서 카메라 설계자는 렌즈와 카메라의 "전자 부품"을 처음부터 개발할 필요가 없었습니다.

그러나 분해능이 증가함에 따라 버퍼 병렬 시프트 레지스터는 센서 영역의 증가하는 부분을 캡처하므로 결과적으로 감광 영역과 포텐셜 우물의 "용량"이 모두 감소합니다.

해상도를 높이면서 CCD의 감광 영역을 줄입니다.

따라서 모든 "N +1 메가픽셀" 뒤에는 불행히도 항상 성공적인 것은 아닌 개발자의 고된 작업이 있습니다.

아날로그-디지털 변환기

증폭기를 통과한 비디오 신호는 카메라의 마이크로프로세서가 이해할 수 있는 디지털 형식으로 변환되어야 합니다. 이를 위해 사용 아날로그-디지털 변환기, ADC(아날로그-디지털 변환기, ADC) - 아날로그 신호를 일련의 숫자로 변환하는 장치. 그 주요 특징은 비트 심도즉, 인식되고 인코딩된 이산 신호 레벨의 수입니다. 레벨 수를 계산하려면 2를 비트 깊이의 거듭제곱으로 올리면 충분합니다. 예를 들어, "8비트"는 변환기가 2에서 8번째 신호 레벨을 결정하고 256개의 다른 값으로 표시할 수 있음을 의미합니다.

ADC 용량이 크면 (이론적으로) 더 큰 성능을 얻을 수 있습니다. 색심도(색상 깊이), 즉 색상 처리 비트 깊이로, 재현할 수 있는 색상 음영의 최대 수를 나타냅니다. 색심도는 일반적으로 비트로 표현되며 음영의 수는 ADC 신호 레벨의 수와 같은 방식으로 계산됩니다. 예를 들어 24비트 색상 깊이를 사용하면 16777216개의 색상 음영을 얻을 수 있습니다.

실제로 컴퓨터에서 이미지를 처리하고 저장하는 데 사용되는 JPEG 또는 TIFF 형식의 파일에 대한 색상 깊이는 24비트(각 색상 채널에 대해 8비트 - 파랑, 빨강 및 녹색)로 제한됩니다. 따라서 비트 심도가 10, 12 및 16비트(즉, 색상 심도 30, 36 및 48비트)인 ADC를 사용하는 경우 "중복"으로 잘못 간주될 수 있습니다. 그러나 일부 디지털 사진 장비 모델의 매트릭스의 동적 범위는 상당히 넓으며 카메라에 프레임을 비표준 형식(30-48비트)으로 저장하는 기능이 장착되어 있으면 추가 컴퓨터 처리 "추가" 비트를 사용할 수 있습니다. 아시다시피, 발현 빈도에 따른 노출 계산의 오류는 초점의 부정확성에 이어 두 번째입니다. 따라서 "하위"(노출 부족의 경우) 또는 "상위"(노출 과다의 경우) 비트를 사용하여 이러한 오류를 보정하는 기능은 매우 유용한 것으로 판명되었습니다. 음, 노출이 오류 없이 계산되면 왜곡 없이 30-48비트를 표준 24비트로 "압축"하는 것은 특별히 어려운 작업이 아닙니다.

분명히 CCD의 동적 범위는 ADC의 비트 깊이를 증가시키는 기초가 되어야 합니다. 채널당 10-12비트의 ADC의 좁은 동적 범위를 사용하면 단순히 인식할 것이 없기 때문입니다. 그리고 종종 대각선으로 0.5인치의 매트릭스를 가진 겸손한 "비누 상자"의 "36비트" 및 "48비트" 색상을 언급하는 것은 홍보 스턴트 외에는 다른 이름으로 부를 수 없습니다. 색상에는 대각선이 2/3인치 이상인 센서가 필요합니다.

소개

이 과정에서는 전하 결합 장치, 매개 변수, 생성 역사, 최신 중적외선 CCD 카메라의 특성에 대한 일반 정보를 고려할 것입니다.

코스 작업의 결과로 나는 중적외선 범위에서 CCD 카메라의 생성, 작동 원리, 기술적 특성 및 응용에 관한 문헌을 공부했습니다.

CCD. CCD의 물리적 원리. CCD

CCD(전하 결합 소자)는 금속 전극 스트립이 인접하는 전극은 충분히 작습니다(그림 1). 이 상황은 장치 작동의 결정 요소가 인접한 MIS 구조의 상호 영향이라는 사실을 결정합니다.

그림 1 - CCD의 구조

감광성 CCD의 주요 기능 목적은 광학 이미지를 일련의 전기 충격(비디오 신호 형성)으로 변환하고 디지털 및 아날로그 정보를 저장 및 처리하는 것입니다.

CCD는 단결정 실리콘을 기반으로 합니다. 이를 위해 열산화에 의해 실리콘 웨이퍼 표면에 얇은(0.1-0.15μm) 이산화규소 유전막이 생성됩니다. 이 공정은 반도체-유전체 계면의 완전성을 보장하고 계면에서 재결합 중심의 집중을 최소화하는 방식으로 수행됩니다. 개별 MIS 요소의 전극은 알루미늄으로 만들어지며 길이는 3-7 미크론, 전극 사이의 간격은 0.2-3 미크론입니다. MIS 요소의 일반적인 수는 선형 및 매트릭스 CCD에서 500-2000입니다. 플레이트 영역 각 행의 극단 전극 아래에는 p-n-접합이 만들어지며 전하(전하 패키지)의 일부를 전기적으로 입출력하도록 설계되었습니다. 방법(p-n-접합 주입). 광전으로 충전 팩을 삽입하면 CCD가 전면 또는 후면에서 켜집니다. 정면 조명에서 전극의 음영 효과를 피하기 위해 알루미늄은 일반적으로 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선 영역에서 투명하게 도핑된 다결정 실리콘(폴리실리콘) 필름으로 대체됩니다.

CCD의 작동 원리

CCD의 일반적인 작동 원리는 다음과 같습니다. 금속 CCD 전극에 음의 전압이 가해지면 새로운 전기장의 작용으로 기판의 주요 캐리어인 전자가 표면에서 반도체 깊숙이 이동합니다. 표면에는 고갈 된 영역이 형성되어 에너지 다이어그램에서 소수 캐리어 인 정공의 잠재적 인 우물입니다. 어떻게든 이 영역으로 들어가는 구멍은 유전체-반도체 인터페이스에 끌리고 좁은 표면 근처 층에 국한됩니다.

이제 인접한 전극에 더 큰 진폭의 음의 전압이 가해지면 더 깊은 전위 우물이 형성되고 구멍이 통과합니다. 다양한 CCD 전극에 필요한 제어 전압을 적용함으로써 다양한 표면 근처 영역에 전하를 저장하고 표면을 따라(구조에서 구조로) 전하의 방향 이동을 보장할 수 있습니다. 전하 패킷의 도입(기록)은 예를 들어 극단의 CCD 요소 근처에 위치한 p-n 접합 또는 광 발생에 의해 수행될 수 있습니다. 시스템에서 전하를 제거(판독)하는 것도 pn 접합을 사용하여 수행하는 것이 가장 쉽습니다. 따라서 CCD는 외부 정보(전기 또는 광 신호)를 이동 통신사의 전하 패킷으로 변환하여 표면 근처 영역에 특정 방식으로 배치하고 이러한 패킷을 따라 이동을 제어하여 정보 처리를 수행하는 장치입니다. 표면. 디지털 및 아날로그 시스템이 CCD를 기반으로 구축될 수 있다는 것은 분명합니다. 디지털 시스템의 경우 특정 CCD 요소의 정공 전하의 유무만 중요하며 아날로그 처리에서는 이동 전하의 크기를 처리합니다.

이미지를 운반하는 광속이 다중 요소 또는 매트릭스 CCD로 향하는 경우 전자-정공 쌍의 광생성이 반도체 벌크에서 시작됩니다. CCD의 공핍 영역에 들어가면 캐리어가 분리되고 포텐셜 우물에 정공이 축적됩니다(또한 축적된 전하는 국부 조명에 비례합니다). 이미지 인식에 충분한 시간(몇 밀리초 정도) 후에 CCD 어레이는 조명 분포에 해당하는 전하 패킷 패턴을 저장합니다. 클럭 펄스가 켜지면 전하 패킷이 출력 판독기로 이동하여 이를 전기 신호로 변환합니다. 결과적으로 출력은 비디오 신호가 제공하는 엔벨로프인 진폭이 다른 펄스 시퀀스가 ​​됩니다.

3주기(3상) 회로에 의해 제어되는 FPCD 라인 조각의 예를 사용하는 CCD의 작동 원리는 그림 2에 나와 있습니다. 주기 I 동안(비디오 정보의 인지, 축적 및 저장) , 소위. 저장 전압 Uxp는 주요 캐리어(p형 실리콘의 경우 정공)를 반도체 깊숙이 밀어넣고 0.5~2μm 깊이의 공핍층을 형성하여 전자를 위한 포텐셜 우물을 형성합니다. FPCD 표면의 조명은 실리콘 부피에서 과잉 전자-정공 쌍을 생성하는 반면, 전자는 전극 1, 4, 7 아래의 얇은(0.01μm) 표면 근처 층에 국한된 전위 우물로 끌어 당겨 신호 전하 패킷을 형성합니다.

충전 통신 카메라 적외선

그림 2 - 충전 연결이 있는 3상 장치의 작동 다이어그램 - 시프트 레지스터

각 패킷의 전하량은 주어진 전극 근처의 표면 노출에 비례합니다. 잘 형성된 MIS 구조에서 전극 근처에 형성된 전하는 비교적 오랜 시간 동안 지속될 수 있지만 점차적으로 불순물 중심에 의한 전하 캐리어의 생성, 벌크 또는 계면에서의 결함으로 인해 이러한 전하가 축적됩니다. 신호 전하를 초과하고 우물을 완전히 채울 때까지 잠재적 우물.

사이클 II(전하 전달) 동안 전극 2, 5, 8 등은 저장 전압보다 높은 읽기 전압으로 인가됩니다. 따라서 전극 2, 5, 8 아래에는 더 깊은 전위가 발생합니다. 우물은 전자 1, 4, 7보다 낮고 전극 1과 2, 4와 5, 7과 8의 근접성으로 인해 이들 사이의 장벽이 사라지고 전자는 인접하고 더 깊은 포텐셜 우물로 흐릅니다.

사이클 III 동안, 전극 2, 5, 8 상의 전압은 전극 1, 4, 7로 감소되고 전극으로부터 제거된다.

저것. 모든 전하 패킷은 인접한 전극 사이의 거리와 동일한 한 단계만큼 오른쪽으로 CCD 라인을 따라 전송됩니다.

항상 작동하는 동안 전위에 직접 연결되지 않은 전극에 작은 바이어스 전압(1-3V)이 유지되어 반도체 전체 표면에 걸친 전하 캐리어의 고갈과 그에 대한 재결합 효과의 감쇠를 보장합니다.

전압 스위칭 과정을 여러 번 반복함으로써 모든 전하 패킷이 극단의 r-h 접합을 통해 순차적으로 출력되며, 예를 들어 라인의 빛에 의해 여기됩니다. 이 경우 이 패키지의 전하량에 비례하여 출력 회로에 전압 펄스가 나타납니다. 조명 패턴은 전체 라인을 따라 이동한 후 일련의 전기 임펄스로 변환되는 표면 전하 릴리프로 변환됩니다. 행 또는 매트릭스의 요소 수가 많을수록(숫자 1 - IR 수신기, 2 - 버퍼 요소, 3 - CCD, 한 전극에서 인접한 전극으로 전하 패킷의 불완전한 전송이 발생하고 결과 정보 왜곡이 증폭됩니다. 조명 전송 중에 진행되는 누적 비디오 신호의 왜곡을 방지하기 위해 공간적으로 분리된 지각 영역(축적 및 저장 영역)이 FCCD 결정에 생성되며, 첫 번째에서는 최대 감광도를 제공하고 후자는 다음에서 제공합니다. 반대로, 빛으로부터 차폐 1 사이클에서 레지스터 2(짝수 요소에서)와 레지스터 3(홀수 요소에서)으로 전송됩니다.이 레지스터가 출력 4를 통해 신호 결합 회로 5로 전송되는 동안 새 비디오 프레임은 프레임 전송이 있는 FPCD(그림 3)에서 누적 행렬 7에 의해 감지된 정보는 저장 행렬 2로 빠르게 "덤프"되며, 여기서 후속 그러나 CCD 레지스터 3에 의해 읽혀집니다. 동시에 행렬 1은 새 프레임을 누적합니다.

그림 3 - 선형(a), 매트릭스(b) 전하 결합이 있는 감광 장치 및 전하 주입 장치에서 정보 축적 및 읽기.

가장 단순한 구조의 CCD(그림 1) 외에도 다른 종류의 CCD, 특히 폴리실리콘 중첩 전극이 있는 장치(그림 4)가 널리 보급되어 반도체 전체 표면에 활성 광영향을 제공하고 푸시-풀 모드에서 작동하는 전극 및 장치(예: 가변 두께의 유전층 포함 - 그림 4) 표면에 가까운 속성의 비대칭이 있습니다. 불순물의 확산에 의해 형성된 체적 채널(그림 4)이 있는 CCD의 구조는 근본적으로 다릅니다. 축적, 저장 및 전하 이동은 표면보다 중심의 재결합이 적고 캐리어 이동도가 높은 반도체 벌크에서 발생합니다. 그 결과 표면 채널이 있는 모든 유형의 CCD와 비교하여 값이 한 차원 증가하고 감소합니다.

그림 4 - 표면 및 벌크 채널이 있는 다양한 전하 결합 장치.

컬러 이미지를 인식하기 위해 두 가지 방법 중 하나가 사용됩니다. 프리즘을 사용하여 광학 흐름을 빨강, 녹색, 파랑으로 분리, 특수 FPCD에 의한 각 인식 - 수정, 세 수정 모두의 펄스를 단일 비디오로 혼합 신호; 다중 색상 트라이어드의 래스터를 형성하는 FPCD 표면에 필름 점선 또는 모자이크 코딩 라이트 필터 생성.

이전 부분을 읽은 후 독자는 CCD가 렌즈에 의해 생성된 빛 이미지가 기록 표면에 투영된 후 "전자 네거티브"를 생성하는 일종의 "블랙 박스"이며 품질이 이미지의 크기는 전적으로 센서 크기의 영향을 받습니다.

디지털 사진 장비 판매자는 같은 관점을 고수하며, 구매에 대한 객관적인 이유가 없더라도 잠재 구매자가 가능한 가장 큰 매트릭스를 가진 모델을 구매하도록 부드러우면서도 지속적으로 밀어붙입니다. 훨씬 더 자주, 매트릭스를 만드는 데 사용되는 다양한 종류의 "독특한 개발"은 이상하게도 다른 제조업체에서는 사용하지 않는 "미끼" 역할을 합니다.

초보 아마추어 사진가가 광고 약속과 실제로 효과적인 공학적 발견을 구별하는 것은 어렵습니다. 이 기사에서는 "밀을 겨에서 분리"하려고 시도하지만 먼저 디지털 사진의 기본 정의에 익숙해져야 합니다.

광자는 어떻게 전자가 되는가?

전하 결합 소자에서 광자는 내부 광전 효과의 결과로 전자로 변환됩니다. 즉, 전하 캐리어의 방출과 함께 반도체의 결정 격자에 의해 광 양자가 흡수됩니다. 이것은 전자 + 정공 쌍 또는 단일 전하 캐리어일 수 있습니다. 후자는 반도체에서 도너 또는 억셉터 불순물을 사용할 때 발생합니다. 형성된 전하 캐리어는 읽는 순간까지 어떻게 든 보존되어야 함은 분명합니다.

이를 위해 CCD 매트릭스의 주요 소재인 p형 실리콘 기판에는 n형 반도체로 만들어진 채널이 장착되어 있으며 그 위에 광자에 대해 투명한 전극이 다결정 실리콘으로 만들어집니다. 이러한 전극에 전위가 인가된 후 내부 광전 효과에 의해 "생성된" 전하를 저장하기 위한 목적으로 n형 채널 아래의 공핍 영역에 전위 우물이 생성됩니다. 더 많은 광자가 CCD 요소(픽셀)에 떨어지고 전자로 변할수록 우물에 축적된 전하가 더 높아집니다.

CCD 요소

CCD 픽셀 단면

"음성 전자"를 얻으려면 매트릭스의 각 전위 우물의 전하를 계산해야 합니다. 이 전하를 광전류라고 하며 그 값은 매우 작으며 읽은 후에는 필수 증폭이 필요합니다.

전하 읽기는 직렬 시프트 레지스터라고 하는 매트릭스의 가장 바깥쪽 행에 연결된 장치에 의해 수행됩니다. 이 레지스터는 CCD 요소의 문자열로, 전하가 하나씩 읽혀집니다. 전하를 읽을 때 잠재적인 우물의 전하를 이동시키는 CCD 요소의 능력이 사용됩니다. 사실 이것이 이러한 장치를 전하 결합 장치라고 부르는 이유입니다. 이를 위해 PSZ 요소 사이의 간격에 위치한 전송 게이트가 사용됩니다. 이 전극에 전위가 적용되어 한 전위 우물에서 전하를 "유인"하여 다른 우물로 전달합니다.

전송 전극에 전위를 동기적으로 공급하면 한 작업 사이클에서 행의 모든 ​​전하를 오른쪽에서 왼쪽으로(또는 왼쪽에서 오른쪽으로) 동시에 전송할 수 있습니다. "추가"로 밝혀진 전하는 CCD 매트릭스의 출력에 공급됩니다. 따라서 직렬 시프트 레지스터는 병렬 "체인" 형태로 입력에 들어가는 전하를 출력에서 ​​서로 다른 크기의 전기 임펄스 시퀀스로 변환합니다. 이러한 병렬 "문자열"을 직렬 레지스터의 입력에 공급하기 위해 시프트 레지스터가 다시 사용되지만 이번에는 병렬로 사용됩니다.

CCD

CCD 픽셀 단면

사실, 병렬 레지스터는 광전류의 조합을 통해 빛 이미지의 전자 "캐스트"를 생성하는 CCD 매트릭스 자체입니다. 행렬은 열이라고 하며 서로 동기화되는 일련의 순차적 레지스터입니다. 결과적으로 작업주기 동안 광전류의 동기 "슬라이딩"이 발생하고 "추가"로 밝혀진 매트릭스의 아래쪽 행의 전하는 직렬 레지스터의 입력으로 공급됩니다.

위에서 다음과 같이 병렬 및 직렬 시프트 레지스터 모두에 전위 공급을 동기화하려면 충분히 많은 수의 제어 미세 회로가 필요합니다. 분명히 직렬 레지스터는 병렬 레지스터의 사이클 사이의 간격에서 완전히 무료여야 하므로 두 레지스터를 서로 동기화하는 미세 회로가 필요합니다.

픽셀은 무엇으로 구성되어 있습니까?

소위 풀 프레임 CCD 매트릭스는 위의 방식에 따라 작동하며 작동 모드는 카메라 설계에 몇 가지 제한 사항을 부과합니다. 광전류를 읽는 동안 노출이 멈추지 않으면 떨어지는 광자에 의해 생성된 "추가" 전하 픽셀에, 프레임 위에 "번짐". 따라서 모든 픽셀의 전하를 읽는 데 필요한 시간 동안 빛이 센서에 들어오는 것을 차단하기 위해 기계적 셔터가 필요합니다. 분명히, 이러한 광전류 판독 방식은 매트릭스의 출력에서 ​​비디오 스트림의 형성을 허용하지 않으므로 사진 장비에서만 사용됩니다.

그러나 사진을 찍을 때(예: 셔터 속도가 너무 "긴" 경우) 잠재적인 우물에 과도한 전하가 축적될 수 있습니다. "여분의" 전자는 인접 픽셀 위로 "확산"되는 경향이 있으며, 이는 이미지에 흰색 점으로 표시되며 크기는 오버플로의 양과 관련이 있습니다. 이 효과를 블루밍(Blooming)이라고 합니다. 개화와의 싸움은 전자 배수 (배수구) - 잠재적 인 우물에서 초과 전하 제거를 통해 수행됩니다. 배수에는 수직(수직 오버플로 배수, VOD) 및 측면(측면 오버플로 배수, LOD)의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

측면 배수 CCD

측면 배수 방식

수직 배수를 구현하기 위해 이미지 강화 튜브의 기판에 전위가 적용되며, 전위 우물의 깊이가 넘칠 때 기판을 통해 과잉 전자가 유출되도록 합니다. 이러한 계획의 주요 단점은 잠재적 인 우물의 깊이가 감소하여 결과적으로 동적 범위가 좁아진다는 것입니다. 그리고 후면 조명이 있는 매트릭스(포텐셜 웰 전극이 아니라 기판 측면에서 광자가 센서로 침투함)에서 수직 배수는 일반적으로 적용할 수 없습니다.

측면 배수는 과도한 전자가 "흐르는" 특수 "배수 홈"을 사용하여 수행됩니다. 이러한 홈을 형성하기 위해 전위가 적용되는 특수 전극이 놓여 배수 시스템을 형성합니다. 다른 전극은 전위 우물에서 전자가 조기에 "탈출"하는 것을 방지하는 장벽을 만듭니다.

설명에서 알 수 있듯이 측면 배수로 인해 포텐셜 우물의 깊이는 감소하지 않지만이 경우 픽셀의 감광 영역 영역이 잘립니다. 그럼에도 불구하고 블루밍은 다른 모든 유형의 간섭보다 이미지를 왜곡하기 때문에 배수가 필요하지 않습니다. 따라서 제조업체는 매트릭스 설계의 복잡성으로 가야 합니다.

따라서 모든 픽셀의 "스트래핑"은 적어도 전하 전달 전극과 배수 시스템 구성 요소로 구성됩니다. 그러나 대부분의 CCD 행렬은 요소의 더 복잡한 구조가 특징입니다.

픽셀 광학

비디오 카메라와 대부분의 아마추어 디지털 카메라에 사용되는 CCD 매트릭스는 출력에서 ​​연속적인 펄스 스트림을 제공하지만 광학 경로는 겹치지 않습니다. 이미지의 "흐림"을 방지하기 위해 열 버퍼링이 있는 CCD 행렬(인터라인 CCD 행렬)이 사용됩니다.

컬럼 버퍼링이 있는 CCD

열 버퍼링이 있는 행렬 구조

이러한 센서에서 각 열(직렬 시프트 레지스터) 옆에는 불투명 스트립(보통 금속)으로 덮인 CCD 요소로 구성된 버퍼 열(직렬 시프트 레지스터)이 있습니다. 버퍼 열 집합은 버퍼 병렬 레지스터를 구성하고 이 레지스터의 열은 빛을 등록하는 열과 "혼합"됩니다.

한 작업 사이클에서 감광 병렬 시프트 레지스터는 전하를 "수평으로 이동"하여 버퍼 병렬 레지스터에 모든 광전류를 제공하고 그 후에 감광 부품은 다시 노출 준비가 됩니다. 그런 다음 버퍼 병렬 레지스터 전하의 라인 단위 "수직 시프트"가 발생하며, 그 하단 라인은 매트릭스 직렬 시프트 레지스터의 입력입니다.

분명히, 매트릭스 전하를 버퍼 병렬 시프트 레지스터로 전송하는 데에는 짧은 시간 간격이 걸리며 기계적 셔터로 광속을 차단할 필요가 없습니다. 우물에는 오버플로할 시간이 없습니다. 반면에 필요한 노출 시간은 일반적으로 전체 버퍼 병렬 레지스터의 읽기 시간과 비슷합니다. 이로 인해 노출 간격을 최소화할 수 있습니다. 결과적으로 최신 비디오 카메라의 비디오 신호는 초당 30프레임 이상의 주파수에서 형성됩니다.

차례로 열 버퍼 센서는 두 가지 범주로 나뉩니다. 한 사이클에서 모든 라인을 읽을 때 우리는 프로그레시브 스캔 매트릭스(프로그레시브 스캔)에 대해 이야기할 수 있습니다. 첫 번째 사이클에서 홀수 라인을 읽고 두 번째 사이클에서 짝수 라인을 읽을 때(또는 그 반대로), 우리는 인터레이스 스캔 매트릭스에 대해 이야기하고 있습니다. 그건 그렇고, 영어 용어 "column-buffered matrix"(interlines)와 "interlaced matrix"(interlaced)의 소리의 유사성으로 인해 라인 버퍼링이있는 센서는 종종 러시아 문헌에서 실수로 interlaced라고합니다.

이상하게도 전하 번짐은 열 버퍼링이 있는 행렬에서도 발생합니다. 이것은 감광성 CCD 소자의 포텐셜 웰에서 인접한 버퍼 소자의 포텐셜 웰로 전자의 부분적 오버플로에 의해 발생합니다. 이것은 매우 높은 픽셀 조명으로 인해 최대에 가까운 광전류 수준에서 특히 자주 발생합니다. 결과적으로 라이트 스트립이 사진의 이 밝은 지점에서 위아래로 확장되어 프레임이 손상됩니다.

이 현상을 방지하려면 감광성 및 버퍼 CCD 요소 사이의 거리를 늘리십시오. 결과적으로 전하 교환이 더 복잡해지고 이에 소요되는 시간이 증가하지만 "스미어링"으로 인한 프레임 왜곡은 여전히 ​​너무 눈에 띄어서 무시할 수 없습니다.

컬럼 버퍼링은 또한 광속의 기계적 차단의 필요성을 제거하는 전자 셔터를 구현하는 것을 가능하게 합니다. 전자 셔터를 사용하면 기계식 셔터로는 얻을 수 없는 초고속(최대 1/10000초) 셔터 속도를 얻을 수 있습니다. 이 기능은 스포츠, 자연 현상 등을 촬영할 때 특히 유용합니다.

전자 셔터를 구현하려면 안티 블루밍 배수가 필요합니다. 감광성 CCD 소자의 포텐셜 웰에서 완충 소자의 포텐셜 웰까지의 전하 이동 시간보다 지속 시간이 짧은 매우 짧은 노출에서 배수는 "차단" 역할을 합니다. 이 "차단"은 노광 시간 이후에 감광성 소자에서 생성된 전자가 버퍼 CCD 소자의 웰에 들어가는 것을 방지합니다.

픽셀 구조 - 마이크로렌즈 및 기존

마이크로 렌즈를 통과할 때 광속의 집중도는 매트릭스 제조업체의 기술 수준에 따라 다릅니다. 이러한 소형 장치에 최대 효율성을 제공하는 매우 복잡한 설계가 있습니다.

그러나 마이크로 렌즈를 사용하면 법선에 큰 각도로 입사하는 광선이 감광 영역으로 침투할 확률이 크게 줄어듭니다. 그리고 조리개가 크면 그러한 광선의 비율이 상당히 큽니다. 따라서 매트릭스에 대한 광속의 영향 강도, 즉 다이어프램이 열리는 주요 효과가 감소합니다.

그러나 그러한 광선으로 인한 피해는 좋지 않습니다. 사실은 큰 각도로 실리콘에 침투하면 광자가 한 픽셀 표면의 매트릭스에 들어가고 다른 픽셀의 몸체에 있는 전자를 녹아웃시킬 수 있다는 것입니다. 이로 인해 이미지가 왜곡됩니다. 따라서 이러한 "아머 피어싱" 광자의 영향을 약화시키기 위해 매트릭스 표면은 빛에 민감한 영역을 제외하고 불투명 마스크(보통 금속 마스크)로 덮여 있어 설계가 더욱 복잡해집니다. 매트릭스의.

또한 마이크로 렌즈는 기록된 이미지에 특정 왜곡을 유발하여 선의 가장자리를 흐리게 하며 그 두께는 센서 해상도에 가깝습니다. 그러나 이러한 부정적인 영향도 부분적으로는 도움이 될 수 있습니다. 이러한 가는 선은 전체 이미지 세부 정보 또는 일부만 포함되는지 여부에 관계없이 픽셀에 특정 색상을 할당할 때 발생하는 이미지 앨리어싱을 유발할 수 있습니다. 비틀거리면 이미지에 들쭉날쭉한 가장자리가 있는 들쭉날쭉한 선이 생깁니다.

대형 풀프레임 센서를 탑재한 카메라에 앤티 앨리어싱 필터가 탑재된 카메라는 앨리어싱 때문에 가격이 상당히 비싸다. 마이크로렌즈가 있는 매트릭스에는 이 필터가 필요하지 않습니다.

다양한 이미지 품질 요구 사항으로 인해 열 버퍼 센서는 아마추어 기술에서 주로 사용되는 반면 풀 프레임 센서는 전문가 및 스튜디오 카메라에 사용됩니다.

계속

이 기사는 픽셀의 기하학에 대한 설명을 제공합니다. 요금의 등록, 보관 및 읽기 중에 발생하는 프로세스에 대한 자세한 내용은 다음 기사에서 설명합니다.