Për herë të parë, parimi CCD me idenë e ruajtjes dhe më pas leximit të ngarkesave elektronike u zhvillua nga dy inxhinierë BELL në fund të viteve '60 në rrjedhën e kërkimit të llojeve të reja të memories për kompjuterët që mund të zëvendësonin memorien në unazat e ferritit. (po, kishte një kujtim të tillë). Kjo ide doli të mos ishte premtuese, por aftësia e silikonit për t'iu përgjigjur spektrit të dukshëm të rrezatimit u vu re dhe u zhvillua ideja për të përdorur këtë parim për përpunimin e imazhit.

Le të fillojmë me përkufizimin e termit.

Shkurtesa CCD qëndron për "Charge-Coupled Devices", një term që rrjedh nga anglishtja "Charge-Coupled Devices" (CCD).

Ky lloj pajisje aktualisht ka një gamë shumë të gjerë aplikimesh në një sërë pajisjesh optoelektronike për regjistrimin e imazheve. Në jetën e përditshme, këto janë kamera dixhitale, videokamera, skanerë të ndryshëm.

Çfarë e dallon një marrës CCD nga një fotodiodë gjysmëpërçuese konvencionale, e cila ka një zonë fotosensitive dhe dy kontakte elektrike për marrjen e një sinjali elektrik?

Së pari, ka shumë zona të tilla të ndjeshme ndaj dritës (shpesh quhen piksel - elementë që marrin dritën dhe e shndërrojnë atë në ngarkesa elektrike) në një marrës CCD, nga disa mijëra në disa qindra mijëra dhe madje disa miliona. Madhësitë e pikselëve individualë janë të njëjta dhe mund të jenë nga njësitë në dhjetëra mikronë. Piksele mund të rreshtohen në një rresht - atëherë marrësi quhet një linjë CCD, ose të mbushë një sipërfaqe në rreshta të barabartë - atëherë marrësi quhet një matricë CCD.

Vendndodhja e elementeve që marrin dritë (drejtkëndëshat blu) në grupin CCD dhe matricën CCD.

Së dyti, në një marrës CCD, i cili duket si një mikroqark konvencional, nuk ka një numër të madh kontaktesh elektrike për daljen e sinjaleve elektrike, të cilat, me sa duket, duhet të vijnë nga çdo element që merr dritë. Por një qark elektronik është i lidhur me marrësin CCD, i cili ju lejon të nxirrni nga çdo element fotosensiv një sinjal elektrik proporcional me ndriçimin e tij.

Veprimi i një CCD mund të përshkruhet si më poshtë: çdo element fotosensiv - një piksel - funksionon si një derrkuc për elektronet. Elektronet krijohen në pixel nga veprimi i dritës që vjen nga një burim. Gjatë një periudhe të caktuar kohe, çdo piksel gradualisht mbushet me elektrone në proporcion me sasinë e dritës që hyn në të, si një kovë jashtë kur bie shi. Në fund të kësaj kohe, ngarkesat elektrike të grumbulluara nga çdo piksel transferohen me radhë në "daljen" e pajisjes dhe maten. E gjithë kjo është e mundur për shkak të një strukture të caktuar kristalore, ku ndodhen elementë të ndjeshëm ndaj dritës, dhe një qark elektrik kontrolli.

Matrica CCD funksionon pothuajse saktësisht në të njëjtën mënyrë. Pas ekspozimit (ndriçimi nga imazhi i projektuar), qarku elektronik i kontrollit të pajisjes aplikon një grup kompleks tensionesh pulsuese në të, të cilat fillojnë të zhvendosin kolonat me elektrone të grumbulluara në pixel në skajin e matricës, ku një CCD i ngjashëm matës ndodhet regjistri, ngarkesat në të cilat tashmë janë zhvendosur në drejtim pingul dhe bien mbi elementin matës, duke krijuar në të sinjale proporcionale me ngarkesat individuale. Kështu, për çdo moment të mëpasshëm kohe, ne mund të marrim vlerën e ngarkesës së akumuluar dhe të kuptojmë se cilit piksel në matricë (numri i rreshtit dhe numri i kolonës) korrespondon.

Shkurtimisht për fizikën e procesit.

Për të filluar, vërejmë se CCD-të janë produkte të të ashtuquajturës elektronikë funksionale, ato nuk mund të përfaqësohen si një koleksion i elementeve individuale të radios - transistorëve, rezistencave dhe kondensatorëve. Puna bazohet në parimin e lidhjes së ngarkesës. Parimi i bashkimit të ngarkesës përdor dy pozicione të njohura nga elektrostatika:

1. si akuzat sprapsin njëra-tjetrën
2. Ngarkesat priren të qetësohen aty ku energjia e tyre potenciale është minimale. ato. në mënyrë të vrazhdë - "peshku po kërkon ku është më thellë".

Le të fillojmë me një kondensator MOS (MOS është shkurtim i fjalës metal-oksid-gjysmëpërçues). Kjo është ajo që mbetet nga MOSFET kur hiqni kullimin dhe burimin prej tij, domethënë vetëm një elektrodë e ndarë nga silikoni nga një shtresë dielektrike. Për saktësi, supozojmë se gjysmëpërçuesi është i tipit p, d.m.th., përqendrimi i vrimave në kushte ekuilibri është shumë (disa renditje të madhësisë) më i madh se ai i elektroneve. Në elektrofizikë, një "vrimë" është një ngarkesë që është e kundërt me ngarkesën e një elektroni, d.m.th. ngarkesë pozitive.

Çfarë do të ndodhë nëse një potencial pozitiv aplikohet në një elektrodë të tillë (ajo quhet portë)? Fusha elektrike e krijuar nga porta, duke depërtuar në silikon përmes dielektrikut, zmbraps vrimat lëvizëse; shfaqet një rajon i varfëruar - një vëllim i caktuar silikoni, i lirë nga bartësit e shumicës. Me parametrat e nënshtresave gjysmëpërçuese tipike për CCD-të, thellësia e këtij rajoni është rreth 5 μm. Përkundrazi, elektronet që kanë lindur këtu nën veprimin e dritës do të tërhiqen nga porta dhe do të grumbullohen në ndërfaqen oksid-silikon direkt nën portë, d.m.th., bien në një pus potencial (Fig. 1).

Oriz. një
Formimi i një pusi potencial kur aplikohet tension në portë

Në këtë rast, ndërsa elektronet grumbullohen në pus, ato neutralizojnë pjesërisht fushën elektrike të krijuar në gjysmëpërçues nga porta, dhe në fund ata mund ta kompensojnë plotësisht atë, kështu që e gjithë fusha elektrike do të bjerë vetëm mbi dielektrik, dhe gjithçka do të kthehet në gjendjen e saj origjinale - me përjashtim që një shtresë e hollë elektronesh formohet në ndërfaqe.

Le të vendoset tani një portë tjetër pranë portës dhe ndaj saj aplikohet gjithashtu një potencial pozitiv, për më tepër, një më i madh se i pari (Fig. 2). Nëse vetëm portat janë mjaft afër, puset e tyre potenciale kombinohen dhe elektronet në një pus potencial lëvizin në atë ngjitur nëse është "më i thellë".
Oriz. 2
Puset potenciale të mbivendosura të dy portave të ndara ngushtë. Ngarkesa rrjedh në vendin ku pusi potencial është më i thellë.

Tani duhet të jetë e qartë se nëse kemi një zinxhir portash, atëherë është e mundur, duke aplikuar tensione të përshtatshme kontrolli në to, të transferojmë një paketë ngarkese të lokalizuar përgjatë një strukture të tillë. Një veti e jashtëzakonshme e CCD-ve, vetia e vetë-skanimit, është se vetëm tre autobusë me orë janë të mjaftueshëm për të drejtuar një zinxhir portash të çdo gjatësie. (Termi autobus në elektronikë është një përcjellës i rrymës elektrike që lidh elementë të të njëjtit lloj, autobusi i orës është përcjellësi përmes të cilit transmetohet një tension i zhvendosur në fazë.) Në të vërtetë, për të transferuar paketat e ngarkimit, tre elektroda janë të nevojshme dhe të mjaftueshme: një transmetues, një marrës dhe një izolues, duke ndarë çiftet që marrin dhe transmetojnë nga njëra-tjetra, dhe të njëjtat elektroda të trefishave të tilla mund të lidhen me njëra-tjetrën në një autobus të vetëm orësh, që kërkon vetëm një dalje të jashtme (Fig. 3).

Oriz. 3
Regjistri më i thjeshtë trefazor CCD.
Ngarkesa në çdo pus potencial është e ndryshme.

Ky është regjistri më i thjeshtë i zhvendosjes së CCD trefazor. Diagramet e orës së funksionimit të një regjistri të tillë janë paraqitur në Fig. katër.

Oriz. katër
Diagramet e orës për kontrollin e një regjistri trefazor janë tre gjarpërime të zhvendosura me 120 gradë.
Kur potencialet ndryshojnë, ngarkesat lëvizin.

Mund të shihet se për funksionimin e tij normal në çdo moment të kohës, të paktën një autobus i orës duhet të ketë një potencial të lartë, dhe të paktën një - një potencial të ulët (potencial pengues). Kur potenciali rritet në një autobus dhe e ul atë në tjetrin (i mëparshëm), të gjitha paketat e ngarkimit transferohen në të njëjtën kohë në portat fqinje, dhe për një cikël të plotë (një cikël në çdo autobus fazor), paketat e ngarkimit transferohen (zhvendosen) në një. element regjistër.

Për të lokalizuar paketat e ngarkimit në drejtimin tërthor, formohen të ashtuquajturat kanale ndalimi - shirita të ngushtë me një përqendrim të shtuar të dopantit kryesor, të cilët kalojnë përgjatë kanalit të transferimit (Fig. 5).

Oriz. 5.
Pamje e regjistrit nga lart.
Kanali i transferimit në drejtimin anësor është i kufizuar nga kanalet e ndalimit.

Fakti është se përqendrimi i dopantit përcakton se në cilin tension specifik në portë formohet një rajon shterimi nën të (ky parametër nuk është asgjë më shumë se tensioni i pragut të strukturës MOS). Nga konsideratat intuitive, është e qartë se sa më i madh të jetë përqendrimi i papastërtisë, d.m.th., sa më shumë vrima në gjysmëpërçues, aq më e vështirë është futja e tyre thellë, d.m.th., sa më i lartë të jetë tensioni i pragut ose, në një tension, aq më i ulët është potenciali. në pusin potencial.

Problemet

Nëse në prodhimin e pajisjeve dixhitale përhapja e parametrave nëpër pllakë mund të arrijë disa herë pa një efekt të dukshëm në parametrat e pajisjeve që rezultojnë (pasi puna kryhet me nivele diskrete të tensionit), atëherë në një CCD, një ndryshim në , të themi, përqendrimi i dopantit me 10% është tashmë i dukshëm në imazh. Madhësia e kristalit dhe pamundësia e tepricës, si në kujtesën LSI, shtojnë problemet e veta, në mënyrë që zonat me defekt të çojnë në papërdorshmërinë e të gjithë kristalit.

Rezultati

Piksele të ndryshme të një matrice CCD teknologjikisht kanë ndjeshmëri të ndryshme ndaj dritës dhe ky ndryshim duhet korrigjuar.

Në CMA-të dixhitale, ky korrigjim quhet sistemi Auto Gain Control (AGC).

Si funksionon sistemi AGC

Për thjeshtësi, ne nuk do të marrim asgjë specifike. Le të supozojmë se ka disa nivele potenciale në daljen e ADC të nyjës CCD. Le të themi se 60 është niveli mesatar i bardhë.

1. Për çdo piksel të linjës CCD, vlera lexohet kur ndriçohet me dritë të bardhë referuese (dhe në pajisjet më serioze lexohet gjithashtu "niveli i zi").
2. Vlera krahasohet me një nivel referencë (p.sh. mesatarja).
3. Diferenca midis vlerës së daljes dhe nivelit të referencës ruhet për çdo piksel.
4. Në të ardhmen, gjatë skanimit, kjo diferencë kompensohet për çdo piksel.

Sistemi AGC inicializohet sa herë që inicializohet sistemi i skanerit. Ju ndoshta keni vënë re se kur ndizni makinën, pas njëfarë kohe, karroca e skanerit fillon të bëjë lëvizje përpara-kthimi (zvarritje në shiritin b/w). Ky është procesi i inicializimit të sistemit AGC. Sistemi gjithashtu merr parasysh gjendjen e llambës (plakje).

Ju ndoshta keni vënë re gjithashtu se MFP-të e vegjël të pajisur me një skaner me ngjyra "ndizin llambën" në tre ngjyra me radhë: e kuqe, blu dhe jeshile. Pastaj vetëm drita e prapme e origjinalit bëhet e bardhë. Kjo është bërë për të korrigjuar më mirë ndjeshmërinë e matricës veçmas për kanalet RGB.

Testi gjysmëton (TESTI I HYJES) ju lejon të filloni këtë procedurë me kërkesë të inxhinierit dhe të sillni vlerat e korrigjimit në kushte reale.

Le të përpiqemi t'i konsiderojmë të gjitha këto në një makinë të vërtetë, "luftarake". Ne marrim si bazë një pajisje të njohur dhe të njohur SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Duhet të theksohet se në rastin tonë, CCD bëhet CIS (sensori i imazhit të kontaktit), por thelbi i asaj që po ndodh në thelb nuk ndryshon nga kjo. Ashtu si një burim drite, përdoret një linjë LED.

Kështu që:

Sinjali i imazhit nga CIS ka një nivel prej rreth 1.2 V dhe futet në seksionin ADC (ADCP) të kontrolluesit të pajisjes (ADCP). Pas SADC, sinjali analog CIS do të konvertohet në një sinjal dixhital 8-bit.

Procesori i imazhit në SADC fillimisht përdor funksionin e korrigjimit të tonit dhe më pas funksionin e korrigjimit të gama. Pas kësaj, të dhënat futen në module të ndryshme sipas mënyrës së funksionimit. Modaliteti i tekstit dërgon të dhënat e imazhit në modulin LAT, modaliteti i fotografisë dërgon të dhënat e imazhit në modulin Error Diffusion, modaliteti PC-Scan dërgon të dhënat e imazhit direkt në PC përmes aksesit DMA.

Përpara testimit, vendosni disa fletë të zbrazëta letre të bardhë në xhamin e ekspozimit. Vetëkuptohet që optika, shiriti b/w dhe në përgjithësi montimi i skanerit duhet të “lëpihen” së pari nga brenda.

1. Zgjidhni në TECH MODE
2. Shtypni butonin ENTER për të skanuar imazhin.
3. Pas skanimit, "CIS SHADING PROFILE" (profili gjysmëton CIS) do të printohet. Një shembull i një fletë të tillë është paraqitur më poshtë. Nuk duhet të jetë një kopje e rezultatit tuaj, por afër imazhit.
4. Nëse imazhi i printuar është shumë i ndryshëm nga imazhi i paraqitur në figurë, atëherë CIS është i gabuar. Ju lutemi vini re se "Rezultatet: OK" është shkruar në fund të fletës së raportit. Kjo do të thotë se sistemi nuk ka pretendime serioze për modulin CIS. Përndryshe, rezultatet e gabimit do të jepen.

Shembull i printimit të profilit:

Paç fat!!

Si bazë janë marrë materialet e artikujve dhe leksioneve të mësuesve nga Universiteti Shtetëror i Shën Petersburgut (LSU), Universiteti Elektroteknik i Shën Petersburgut (LETI) dhe Axl. Falenderojini ata.

Materiali i përgatitur nga V. Shelenberg

(gjuhë: 'ru')

Vazhdoj bisedën për pajisjen e nisur në publikimin e mëparshëm.

Një nga elementët kryesorë të një aparati fotografik dixhital që e dallon atë nga kamerat filmike është një element fotosensiv, i ashtuquajturi tubi i intensifikuesit të imazhit ose fotosensitive. Kamera dixhitale. Ne kemi folur tashmë për matricat e kamerës, por tani le të hedhim një vështrim më të afërt në pajisjen dhe parimin e funksionimit të matricës, megjithëse mjaft sipërfaqësisht për të mos lodhur shumë lexuesin.

Shumica e kamerave dixhitale këto ditë janë të pajisura me matricat CCD.

matrica CCD. Pajisja. Parimi i funksionimit.

Le të hedhim një vështrim në pajisjen Sensorët CCD.

Dihet se gjysmëpërçuesit ndahen në gjysmëpërçues të tipit n dhe të tipit p. Në një gjysmëpërçues të tipit n ka një tepricë të elektroneve të lira, dhe në një gjysmëpërçues të tipit p ka një tepricë të ngarkesave pozitive, "vrima" (dhe për rrjedhojë mungesë elektronesh). E gjithë mikroelektronika bazohet në ndërveprimin e këtyre dy llojeve të gjysmëpërçuesve.

Pra, elementi Sensorët CCD të një aparati dixhital rregulluar si më poshtë. Shih Fig.1:

Fig.1

Nëse nuk hyni në detaje, atëherë një element CCD ose pajisje e lidhur me ngarkesë, në transkriptimin anglisht: charge-coupled-device - CCD, është një kondensator MIS (metal-dielektrik-gjysmëpërçues). Ai përbëhet nga një substrat i tipit p - një shtresë silikoni, një izolant dioksidi silikoni dhe pllaka elektrodë. Kur një potencial pozitiv aplikohet në njërën prej elektrodave, nën të formohet një zonë e varfëruar nga bartësit kryesorë - vrima, pasi ato shtyhen mënjanë nga fusha elektrike nga elektroda thellë në nënshtresë. Kështu, nën këtë elektrodë formohet një pus potencial, d.m.th., një zonë energjie e favorshme për lëvizjen e transportuesve të pakicës, elektroneve, në të. Ky pus akumulon një ngarkesë negative. Mund të ruhet në këtë pus për një kohë mjaft të gjatë për shkak të mungesës së vrimave në të dhe, për rrjedhojë, arsyeve të rikombinimit të elektroneve.

Në fotosensitive matricat Elektrodat janë filma silikoni polikristaline, transparente në zonën e dukshme të spektrit.

Fotonet e dritës që bien në matricë hyjnë në nënshtresën e silikonit, duke formuar një çift vrimë-elektroni në të. Vrimat, siç u përmend më lart, zhvendosen thellë në substrat dhe elektronet grumbullohen në pusin potencial.

Ngarkesa e akumuluar është proporcionale me numrin e fotoneve që bien në element, d.m.th., intensiteti i fluksit të dritës. Kështu, një lehtësim i ngarkesës krijohet në matricë, që korrespondon me imazhin optik.

Lëvizja e ngarkesave në një grup CCD.

Çdo element CCD ka disa elektroda në të cilat aplikohen potenciale të ndryshme.

Kur një potencial më i madh se elektroda e dhënë aplikohet në elektrodën ngjitur (shih Fig. 3), nën të formohet një pus potencial më i thellë, në të cilin lëviz ngarkesa nga pusi i parë potencial. Në këtë mënyrë, ngarkesa mund të lëvizë nga një qelizë CCD në tjetrën. Elementi CCD i paraqitur në figurën 3 quhet trefazor, ka edhe elementë 4fazor.

Fig.4. Skema e funksionimit të një pajisjeje trefazore të lidhur me ngarkesë - një regjistër ndërrimi.

Për të kthyer ngarkesat në impulse të rrymës (fotorryma), përdoren regjistrat e zhvendosjes serike (shih Fig. 4). Një regjistër i tillë zhvendosjeje është një varg elementesh CCD. Amplituda e impulseve aktuale është proporcionale me sasinë e ngarkesës së transferuar, dhe në këtë mënyrë proporcionale me fluksin e dritës rënëse. Sekuenca e pulseve aktuale të krijuara nga leximi i sekuencës së ngarkesave aplikohet më pas në hyrjen e amplifikatorit.

Linjat e elementeve CCD të ndarë ngushtë janë të kombinuara në CCD. Funksionimi i një matrice të tillë bazohet në krijimin dhe transferimin e një ngarkese lokale në puset e mundshme të krijuara nga një fushë elektrike.

Fig.5.

Ngarkesat e të gjithë elementëve CCD të regjistrit zhvendosen në mënyrë sinkrone në elementët CCD fqinjë. Ngarkesa që ishte në qelizën e fundit del nga regjistri dhe më pas futet në hyrjen e amplifikatorit.

Hyrja e një regjistri të ndërrimit serik ushqehet nga ngarkesat e regjistrave të ndërrimit pingul, të cilët së bashku referohen si një regjistër i zhvendosjes paralele. Regjistrat e zhvendosjes paralele dhe serike përbëjnë matricën CCD (shih Fig. 4).

Regjistrat e zhvendosjes pingul me regjistrin serial quhen kolona.

Lëvizja e ngarkesave të regjistrit paralel është e sinkronizuar rreptësisht. Të gjitha tarifat e një rreshti zhvendosen njëkohësisht në rreshtin tjetër. Akuzat e rreshtit të fundit bien në regjistrin serial. Kështu, në një cikël pune, një varg ngarkesash nga regjistri paralel hyn në hyrjen e regjistrit serial, duke i lënë vend ngarkesave të sapoformuara.

Funksionimi i regjistrave serialë dhe paralelë sinkronizohet nga gjeneratori i orës. Pjesë sensorë të kamerave dixhitale përfshin gjithashtu një mikroqark që furnizon me potencial elektrodat e transferimit të regjistrit dhe kontrollon funksionimin e tyre.

Një tub intensifikues imazhi i këtij lloji quhet matricë me kornizë të plotë (CCD-matricë me kornizë të plotë). Për funksionimin e tij, është e nevojshme të keni një mbulesë të errët, e cila fillimisht hap tubin e intensifikimit të imazhit për ekspozimin ndaj dritës, pastaj, kur numri i fotoneve të nevojshme për akumulimin e një ngarkese të mjaftueshme në elementët e matricës, e godet atë, e mbyll atë. nga drita. Një mbulesë e tillë është një grilë mekanike, si në kamerat e filmit. Mungesa e një mbyllësie të tillë çon në faktin se kur ngarkesat lëvizin në regjistrin e zhvendosjes, qelizat vazhdojnë të rrezatohen me dritë, duke shtuar elektrone shtesë në ngarkesën e secilit piksel, të cilat nuk korrespondojnë me fluksin e dritës të një pike të caktuar. . Kjo çon në "njollosjen" e ngarkesës, përkatësisht, në shtrembërimin e imazhit që rezulton.

Vitet e fundit, në shtypin afër kompjuterit (dhe jo vetëm), komentet entuziaste janë mjaft të zakonshme, kushtuar "mrekullisë teknologjike" të radhës, e krijuar për të revolucionarizuar të ardhmen e fotografisë dixhitale - ky është një version i përgjithësuar i frazës, në një formë ose një tjetër që gjendet në secilin prej artikujve të këtij lloji. Por ajo që është karakteristike është se pas vetëm një viti, zhurma fillestare po shuhet gradualisht dhe shumica e prodhuesve të pajisjeve fotografike dixhitale preferojnë të përdorin zgjidhje të provuara në vend të "zhvillimit të avancuar".

Unë do të guxoja të sugjeroja se arsyeja e këtij zhvillimi të ngjarjeve është mjaft e thjeshtë - mjafton t'i kushtohet vëmendje "thjeshtësisë së shkëlqyer" të këtij apo atij vendimi. Në të vërtetë, zgjidhja e matricës nuk është e mjaftueshme? Dhe le t'i rregullojmë pikselët jo në kolona dhe rreshta, por në vija diagonale, dhe më pas "të rrotullojmë" "figurën" në mënyrë programore me 45 gradë - këtu do të dyfishojmë menjëherë rezolucionin! Nuk ka rëndësi që në këtë mënyrë rritet qartësia vetëm e vijave rreptësisht vertikale dhe horizontale, ndërsa zhdrejta dhe kthesat (nga të cilat përbëhet imazhi real) mbeten të pandryshuara. Gjëja kryesore është që efekti të vërehet, që do të thotë se mund ta deklaroni me zë të lartë.

Fatkeqësisht, përdoruesi modern është "i prishur nga megapikselët". Ai nuk është në dijeni se sa herë që rritet rezolucioni, zhvilluesit e matricave CCD "klasike" duhet të zgjidhin detyrën më të vështirë për të siguruar një diapazon dinamik të pranueshëm dhe ndjeshmëri të sensorit. Por "zgjidhjet" si kalimi nga pikselët drejtkëndor në tetëkëndor duken mjaft të kuptueshme dhe të justifikuara për një fotograf të zakonshëm amator - në fund të fundit, është shkruar kaq qartë në broshurat e reklamave ...

Qëllimi i këtij artikulli është të përpiqet të shpjegojë në nivelin më të thjeshtë se çfarë përcakton cilësinë e imazhit të marrë në daljen nga CCD. Në të njëjtën kohë, mund të injorohet plotësisht cilësia e optikës - shfaqja e "kamerës refleks" të dytë me vlerë më pak se 1000 dollarë (Nikon D 70) na lejon të shpresojmë që një rritje e mëtejshme e rezolucionit të sensorit për kamerat me një çmim të pranueshëm kategoria nuk do të kufizohet vetëm në lente me sapun.

Efekti i brendshëm fotoelektrik

Pra, imazhi i formuar nga thjerrëza bie në matricën CCD, domethënë rrezet e dritës bien në sipërfaqen e ndjeshme ndaj dritës të elementeve CCD, detyra e së cilës është të shndërrojë energjinë e fotonit në një ngarkesë elektrike. Ndodh afërsisht si më poshtë.

Për një foton që ka rënë në një element CCD, ekzistojnë tre skenarë për zhvillimin e ngjarjeve - ai ose do të "rikoset" nga sipërfaqja, ose do të përthithet në trashësinë e gjysmëpërçuesit (materiali i matricës), ose "do të depërtojë" "zona e punës" e saj. Është e qartë se zhvilluesve u kërkohet të krijojnë një sensor të tillë, në të cilin humbjet nga "rikoshet" dhe "xhirimi përmes" do të minimizohen. Të njëjtat fotone që janë përthithur nga matrica formojnë një çift elektron-vrimë nëse ka pasur një ndërveprim me një atom të rrjetës kristalore gjysmëpërçuese, ose vetëm një foton (ose vrimë) nëse bashkëveprimi ka qenë me atomet e papastërtive të dhuruesit ose marrësit, dhe quhen të dyja këto dukuri efekti i brendshëm fotoelektrik. Sigurisht, funksionimi i sensorit nuk kufizohet vetëm në efektin e brendshëm fotoelektrik - është e nevojshme të ruani transportuesit e ngarkesës "të hequra" nga gjysmëpërçuesi në një ruajtje të veçantë, dhe më pas t'i lexoni ato.

element CCD

Në përgjithësi, dizajni i një elementi CCD duket si ky: një substrat silikoni i tipit p është i pajisur me kanale nga një gjysmëpërçues i tipit n. Mbi kanalet, elektrodat janë bërë nga silikoni polikristalor me një shtresë izoluese të oksidit të silikonit. Pas aplikimit të një potenciali elektrik në një elektrodë të tillë, në zonën e varfëruar nën kanalin e tipit n, vrima e mundshme, qëllimi i të cilit është ruajtja e elektroneve. Një foton që depërton në silikon çon në gjenerimin e një elektroni, i cili tërhiqet nga pusi potencial dhe mbetet në të. Më shumë fotone (dritë e ndritshme) sigurojnë më shumë ngarkesë në pus. Pastaj ju duhet të llogarisni vlerën e kësaj tarife, të quajtur gjithashtu fotorrymë, dhe përforcojeni atë.

Leximi i fotorrymave të elementeve CCD kryhet nga të ashtuquajturat regjistrat e zhvendosjes sekuenciale, të cilat shndërrojnë një varg ngarkesash në hyrje në një tren pulsesh në dalje. Kjo seri është një sinjal analog, i cili më pas futet në amplifikator.

Kështu, duke përdorur regjistrin, është e mundur të konvertohen ngarkesat e një rreshti elementësh CCD në një sinjal analog. Në fakt, një regjistër i zhvendosjes serike në një grup CCD zbatohet duke përdorur të njëjtat elementë CCD të kombinuar në një rresht. Funksionimi i një pajisjeje të tillë bazohet në aftësinë pajisje të lidhura me ngarkesë(kjo është ajo që do të thotë shkurtesa CCD) për të shkëmbyer tarifat e puseve të tyre të mundshme. Shkëmbimi kryhet për shkak të pranisë së të posaçmeve elektroda transferuese(porta e transferimit) e vendosur midis elementeve CCD ngjitur. Kur një potencial i rritur aplikohet në elektrodën më të afërt, ngarkesa "rrjedh" nën të nga pusi potencial. Midis elementeve CCD mund të vendosen nga dy deri në katër elektroda transferimi, "faza" e regjistrit të ndërrimit varet nga numri i tyre, i cili mund të quhet dyfazor, trefazor ose katërfazor.

Furnizimi i potencialeve në elektrodat e transferimit sinkronizohet në atë mënyrë që lëvizja e ngarkesave të puseve potenciale të të gjithë elementëve CCD të regjistrit të ndodhë njëkohësisht. Dhe në një cikël transferimi, elementët CCD, si të thuash, "transmetojnë ngarkesa përgjatë zinxhirit" nga e majta në të djathtë (ose nga e djathta në të majtë). Epo, elementi CCD që doli të ishte "ekstremi" i jep ngarkesën e tij pajisjes së vendosur në daljen e regjistrit, domethënë amplifikatorit.

Në përgjithësi, një regjistër i zhvendosjes serike është një pajisje hyrëse paralele, dalëse serike. Prandaj, pas leximit të të gjitha ngarkesave nga regjistri, është e mundur të aplikohet një linjë e re në hyrjen e saj, pastaj ajo tjetër, dhe kështu të formohet një sinjal analog i vazhdueshëm i bazuar në një grup dydimensional të rrymave foto. Nga ana tjetër, rryma paralele hyrëse për regjistrin e zhvendosjes serike (d.m.th. rreshtat e grupit dydimensional të rrymave foto) sigurohet nga një grup regjistrash të zhvendosjes serike të orientuar vertikalisht, i cili quhet regjistri i zhvendosjes paralele, dhe e gjithë struktura në tërësi është vetëm një pajisje e quajtur matricë CCD.

Quhen regjistrat e zhvendosjes serike "vertikale" që përbëjnë regjistrin e zhvendosjes paralele Kolonat CCD dhe puna e tyre është plotësisht e sinkronizuar. Gama dydimensionale e rrymave fotografike të grupit CCD zhvendoset njëkohësisht poshtë një rreshti, dhe kjo ndodh vetëm pasi ngarkesat e rreshtit të mëparshëm nga regjistri i ndërrimit serial i vendosur "në fund" kanë shkuar në amplifikator. Derisa të lëshohet regjistri serial, regjistri paralel detyrohet të mos funksionojë. Epo, për funksionimin normal, vetë matrica CCD duhet të lidhet me një mikroqark (ose një grup prej tyre), i cili furnizon me potencial elektrodat e regjistrave të zhvendosjes serike dhe paralele, dhe gjithashtu sinkronizon funksionimin e të dy regjistrave. Përveç kësaj, nevojitet një gjenerator i orës.

Sensori me kornizë të plotë

Ky lloj sensori është më i thjeshti nga pikëpamja konstruktive dhe quhet CCD me kornizë të plotë(CCD me kornizë të plotë - matricë). Krahas mikroqarqeve të "rripjes", kjo lloj matrice ka nevojë edhe për një grilë mekanike që bllokon fluksin e dritës pas përfundimit të ekspozimit. Përpara se mbyllja të mbyllet plotësisht, është e pamundur të filloni leximin e ngarkesave - gjatë ciklit të punës së regjistrit të zhvendosjes paralele, elektronet shtesë do t'i shtohen fotorrymës së secilit prej pikselëve të tij, të shkaktuar nga fotonet që godasin sipërfaqen e hapur të matricës CCD. . Ky fenomen quhet "Njollosje" e ngarkesës në një matricë me kornizë të plotë(përlyerje matricore me kornizë të plotë).

Në këtë mënyrë, shpejtësia e leximit të kornizës në një skemë të tillë kufizohet nga shpejtësia e regjistrave të ndërrimit paralel dhe serial. Është gjithashtu e qartë se është e nevojshme të bllokohet drita që vjen nga thjerrëza derisa të përfundojë procesi i leximit, pra intervali i ekspozimit varet edhe nga shpejtësia e leximit.

Ekziston një version i përmirësuar i matricës me kornizë të plotë, në të cilën ngarkesat e regjistrit paralel nuk vijnë rresht pas rreshti në hyrjen e atij serik, por "ruhen" në regjistrin paralel të buferit. Ky regjistër ndodhet nën regjistrin kryesor të zhvendosjes paralele, fotorrymat zhvendosen rresht pas rreshti në regjistrin buferik dhe prej tij futen në hyrjen e regjistrit të ndërrimit serial. Sipërfaqja e regjistrit bufer është e mbuluar me një panel të errët (zakonisht metalik) dhe i gjithë sistemi quhet matricat e buferuara me kornizë(korniza - transferimi i CCD).

Matrica e Buferuar e Kornizës

Në këtë skemë, puset e mundshme të regjistrit kryesor të zhvendosjes paralele "zbrazen" dukshëm më shpejt, pasi gjatë transferimit të rreshtave në tampon, nuk ka nevojë që çdo rresht të presë për një cikël të plotë të regjistrit serial. Prandaj, intervali midis ekspozimeve zvogëlohet, megjithëse shpejtësia e leximit gjithashtu bie - linja duhet të "udhëtojë" dy herë më shumë. Kështu, intervali midis ekspozimeve zvogëlohet vetëm për dy korniza, megjithëse kostoja e pajisjes për shkak të regjistrit të tamponit rritet ndjeshëm. Sidoqoftë, disavantazhi më i dukshëm i matricave me buferim të kornizës është "rruga" e zgjatur e fotorrymave, e cila ndikon negativisht në sigurinë e vlerave të tyre. Dhe në çdo rast, një grilë mekanike duhet të funksionojë midis kornizave, kështu që nuk ka nevojë të flasim për një sinjal të vazhdueshëm video.

Matricat me buferim të kolonave

Sidomos për pajisjet video, u zhvillua një lloj i ri matricë, në të cilin intervali midis ekspozimeve u minimizua jo për disa korniza, por për një rrjedhë të vazhdueshme. Natyrisht, për të siguruar këtë vazhdimësi, ishte e nevojshme të parashikohej refuzimi i një grilaje mekanike.

Në fakt, kjo skemë, e quajtur matricat me kolonë(matrica CCD-ndërlinjë), disi e ngjashme me sistemet me tampon kornizë - përdor gjithashtu një regjistër të zhvendosjes paralele të tamponit, elementët CCD të të cilit janë të fshehur nën një shtresë të errët. Sidoqoftë, ky buffer nuk ndodhet në një bllok të vetëm nën regjistrin kryesor paralel - kolonat e tij "përzihen" midis kolonave të regjistrit kryesor. Si rezultat, pranë çdo kolone të regjistrit kryesor ka një kolonë tampon, dhe menjëherë pas ekspozimit, rrymat foto nuk lëvizin "nga lart poshtë", por "nga e majta në të djathtë" (ose "nga e djathta në të majtë" ) dhe në vetëm një cikël pune futni regjistrin e tamponit, duke liruar plotësisht dhe plotësisht vrimat e mundshme për ekspozimin e ardhshëm.

Ngarkesat që kanë rënë në regjistrin e tamponit lexohen në rendin e zakonshëm përmes një regjistri të zhvendosjes serike, domethënë "nga lart poshtë". Meqenëse rivendosja e fotorrymave në regjistrin e tamponit ndodh në vetëm një cikël, edhe në mungesë të një grila mekanike, nuk ka asgjë të ngjashme me "njollosjen" e ngarkesës në një matricë me kornizë të plotë. Por koha e ekspozimit për çdo kornizë në shumicën e rasteve korrespondon në kohëzgjatje me intervalin e shpenzuar në leximin e plotë të regjistrit paralel të tamponit. Falë gjithë kësaj, bëhet e mundur krijimi i një sinjali video me një shpejtësi të lartë kuadri - të paktën 30 korniza për sekondë.

Matricë me buferim të kolonave

Shpesh në literaturën vendase, matricat me tampon kolone quhen gabimisht "të ndërthurura". Kjo është ndoshta për shkak të faktit se emrat anglezë "interline" (linja buffering) dhe "interlaced" (skanim i ndërthurur) tingëllojnë shumë të ngjashëm. Në fakt, kur lexojmë të gjitha rreshtat në një cikël, mund të flasim për një matricë me skanim progresiv(skanim progresiv), dhe kur lexohen linjat tek për ciklin e parë, dhe rreshtat çift për të dytin (ose anasjelltas), flasim për matricë e ndërthurur(skanim i ndërthurur).

Edhe pse fotorrymat e regjistrit kryesor të zhvendosjes paralele bien menjëherë në regjistrin e tamponit, i cili nuk i nënshtrohet "bombardimit me foton", Ngjyrosja e ngarkesave në matricat e buferuara në kolonë(njollosje) ndodh gjithashtu. Kjo shkaktohet nga një tejmbushje e pjesshme e elektroneve nga pusi potencial i elementit CCD "të ndjeshëm ndaj dritës" në pusin e mundshëm të elementit "buffer", veçanërisht shpesh kjo ndodh në nivelet e ngarkesës afër maksimumit, kur ndriçimi i pikselit është shumë e lartë. Si rezultat, një shirit i lehtë shtrihet lart e poshtë nga kjo pikë e ndritshme në foto, duke prishur kornizën. Për të luftuar këtë efekt të pakëndshëm, gjatë projektimit të sensorit, kolonat "të ndjeshme ndaj dritës" dhe tampon janë të vendosura në një distancë më të madhe nga njëra-tjetra. Natyrisht, kjo e ndërlikon shkëmbimin e ngarkesës, dhe gjithashtu rrit intervalin kohor të këtij operacioni, por dëmi që "njollosja" i shkakton imazhit nuk lë zgjidhje për zhvilluesit.

Siç u përmend më herët, për të siguruar një sinjal video, është e nevojshme që sensori të mos kërkojë mbivendosjen e fluksit të dritës midis ekspozimeve, pasi qepalla mekanike në kushte të tilla funksionimi (rreth 30 operacione në sekondë) mund të dështojë shpejt. Për fat të mirë, falë vargjeve tampon, është e mundur të zbatohet qepen elektronike, i cili, së pari, ju lejon të bëni pa një grilë mekanik nëse është e nevojshme, dhe së dyti, ofron shpejtësi ultra të ulëta (deri në 1/10000 sekondë), veçanërisht kritike për shkrepjen e proceseve me lëvizje të shpejtë (sport, natyrë, etj.) . Sidoqoftë, grila elektronike kërkon gjithashtu që matrica të ketë një sistem për heqjen e ngarkesës së tepërt të pusit të mundshëm, megjithatë, gjithçka do të diskutohet në rregull.

Ju duhet të paguani për gjithçka, dhe gjithashtu për aftësinë për të formuar një sinjal video. Regjistrat e zhvendosjes së tamponit "hanë" një pjesë të konsiderueshme të zonës së sensorit, si rezultat, çdo piksel merr vetëm 30% të zonës së ndjeshme ndaj dritës të sipërfaqes së saj totale, ndërsa kjo zonë është 70% për një sensor me kornizë të plotë. piksel. Kjo është arsyeja pse në shumicën e matricave moderne CCD, në krye të çdo piksel është mikrothjerrëza. Një pajisje e tillë e thjeshtë optike mbulon pjesën më të madhe të zonës së elementit CCD dhe mbledh të gjithë fraksionin e fotoneve që ndodhin në këtë pjesë në një fluks të përqendruar drite, i cili, nga ana tjetër, drejtohet në një zonë mjaft kompakte fotosensitive të piksel.

mikrolentet

Meqenëse me ndihmën e mikrolensave është e mundur të regjistrohet fluksi i dritës që bie në sensor shumë më me efikasitet, me kalimin e kohës, këto pajisje filluan të furnizojnë jo vetëm sisteme me tampon kolone, por edhe matrica me kornizë të plotë. Sidoqoftë, mikrolentet gjithashtu nuk mund të quhen një "zgjidhje pa të meta".

Duke qenë një pajisje optike, mikrolentet në një farë mase shtrembërojnë imazhin e regjistruar, më shpesh kjo shprehet në humbjen e qartësisë në detajet më të vogla të kornizës - skajet e tyre bëhen paksa të paqarta. Nga ana tjetër, një imazh i tillë i paqartë nuk është aspak gjithmonë i padëshirueshëm - në disa raste, imazhi i formuar nga thjerrëza përmban linja, madhësia dhe frekuenca e të cilave janë afër dimensioneve të elementit CCD dhe distancës ndërpikselë të matricë. Në këtë rast, korniza shpesh vërehet duke shkelur(aliasing) - caktimi i një ngjyre të caktuar për një piksel, pavarësisht nëse mbulohet plotësisht nga një detaj imazhi apo vetëm një pjesë e tij. Si rezultat, linjat e objektit në figurë janë të grisura, me skaje të dhëmbëzuara. Për të zgjidhur këtë problem, kamerat me sensorë pa mikrolente përdorin një të shtrenjtë filtër anti-aliasing(filtër anti-aliasing), dhe një sensor me mikrothente nuk ka nevojë për një filtër të tillë. Sidoqoftë, në çdo rast, ju duhet të paguani për këtë me një ulje të rezolucionit të sensorit.

Nëse subjekti nuk është i ndriçuar mirë, rekomandohet të hapni hapjen sa më gjerë që të jetë e mundur. Sidoqoftë, kjo rrit ndjeshëm përqindjen e rrezeve që bien në sipërfaqen e matricës në një kënd të pjerrët. Mikrolentet, nga ana tjetër, ndërpresin një pjesë të konsiderueshme të rrezeve të tilla, kështu që efikasiteti i përthithjes së dritës nga matrica (ajo për të cilën u hap diafragma) zvogëlohet shumë. Edhe pse duhet theksuar se rrezet që bien në një kënd të pjerrët janë gjithashtu një burim problemesh - duke hyrë në silikonin e një piksel, një foton me një gjatësi vale të gjatë, i cili ka një fuqi të lartë depërtuese, mund të absorbohet nga materiali i një elementi tjetër matricë. , e cila përfundimisht do të çojë në shtrembërim të imazhit. Për të zgjidhur këtë problem, sipërfaqja e matricës është e mbuluar me një "rrjet" të errët (për shembull, metal), në prerjet e së cilës mbeten vetëm zonat e ndjeshme ndaj dritës të pikselëve.

Historikisht, sensorët me kornizë të plotë janë përdorur kryesisht në teknologjinë e studios, dhe sensorët e vendosur në kolonë në teknologjinë amatore. Të dy llojet e sensorëve gjenden në kamerat profesionale.

Në qarkun klasik CCD, i cili përdor elektroda polikristaline të silikonit, ndjeshmëria është e kufizuar për shkak të shpërndarjes së pjesshme të dritës nga sipërfaqja e elektrodës. Prandaj, kur shkrepni në kushte të veçanta që kërkojnë ndjeshmëri të shtuar në rajonet blu dhe ultravjollcë të spektrit, përdoren matrica me ndriçim prapa. Në sensorët e këtij lloji, drita e regjistruar bie mbi nënshtresën, dhe për të siguruar efektin e kërkuar të brendshëm fotoelektrik, nënshtresa u lëmua në një trashësi prej 10-15 mikrometra. Kjo fazë e përpunimit rriti shumë koston e matricës, përveç kësaj, pajisjet doli të ishin shumë të brishta dhe kërkonin kujdes të shtuar gjatë montimit dhe funksionimit.

Matricë me ndriçim të pasëm

Natyrisht, kur përdoren filtra të dritës që zvogëlojnë fluksin e dritës, të gjitha operacionet e shtrenjta për të rritur ndjeshmërinë humbasin kuptimin e tyre, kështu që matricat me ndriçim prapa përdoren kryesisht në fotografinë astronomike.

Ndjeshmëria

Një nga karakteristikat më të rëndësishme të një pajisjeje regjistrimi, qoftë film fotografik apo matricë CCD, është ndjeshmëri- aftësia për t'iu përgjigjur në një mënyrë të caktuar rrezatimit optik. Sa më e lartë të jetë ndjeshmëria, aq më pak dritë kërkohet për përgjigjen e pajisjes regjistruese. Për të treguar ndjeshmërinë u përdorën vlera të ndryshme (DIN, ASA), por në fund praktika zuri rrënjë për të përcaktuar këtë parametër në njësitë ISO (Organizata Ndërkombëtare e Standardeve - Organizata Ndërkombëtare e Standardeve).

Për një element të vetëm CCD, përgjigja ndaj dritës duhet të kuptohet si gjenerimi i ngarkesës. Natyrisht, ndjeshmëria e një matrice CCD është shuma e ndjeshmërisë së të gjithë pikselëve të saj dhe në përgjithësi varet nga dy parametra.

Parametri i parë është ndjeshmëri e integruar, që është raporti i fotorrymës (në miliamps) me fluksin ndriçues (në lumen) nga një burim rrezatimi, përbërja spektrale e të cilit korrespondon me një llambë inkandeshente tungsteni. Ky parametër ju lejon të vlerësoni ndjeshmërinë e sensorit në tërësi.

Parametri i dytë është ndjeshmëri monokromatike, domethënë raporti i madhësisë së fotorrymës (në miliamper) me madhësinë e energjisë së dritës së rrezatimit (në milielektronvolt) që korrespondon me një gjatësi vale të caktuar. Seti i të gjitha vlerave të ndjeshmërisë monokromatike për pjesën e spektrit të interesit është ndjeshmëria spektrale- varësia e ndjeshmërisë nga gjatësia valore e dritës. Kështu, ndjeshmëria spektrale tregon aftësinë e sensorit për të regjistruar nuancat e një ngjyre të caktuar.

Është e qartë se njësitë matëse për ndjeshmërinë integrale dhe pikturë njëngjyrëshe ndryshojnë nga emërtimet e njohura në teknologjinë fotografike. Kjo është arsyeja pse prodhuesit e pajisjeve fotografike dixhitale tregojnë në specifikimet e produktit ndjeshmëri ekuivalente CCD-të në njësi ISO. Dhe për të përcaktuar ndjeshmërinë ekuivalente, prodhuesi duhet të dijë vetëm ndriçimin e subjektit, hapjen dhe shpejtësinë e diafragmës dhe të përdorë disa formula. Sipas të parës, vlera e ekspozimit llogaritet si log 2 (L *S /C), ku L është ndriçimi, S është ndjeshmëria dhe C është konstanta e ekspozimit. Formula e dytë përcakton vlerën e ekspozimit si 2*log 2 K - log 2 t ., ku K është vlera e hapjes dhe t është shpejtësia e diafragmës. Nuk është e vështirë të nxirret një formulë që lejon, duke pasur parasysh L, C, K dhe t, të llogaritet se sa është S.

Ndjeshmëria e matricës është një vlerë integrale, në varësi të ndjeshmërisë së secilit element CCD. Epo, ndjeshmëria e pikselit të matricës varet, së pari, nga "fotonet e zëvendësuara për shiun" zonë fotosensitive(faktori i mbushjes), dhe së dyti, nga efikasiteti kuantik(efikasiteti kuantik), domethënë raporti i numrit të elektroneve të regjistruara me numrin e fotoneve që bien në sipërfaqen e sensorit.

Nga ana tjetër, efikasiteti kuantik ndikohet nga një sërë parametrash të tjerë. Së pari, kjo koeficienti i reflektimit- vlera që përfaqëson proporcionin e atyre fotoneve që "rikoshet" nga sipërfaqja e sensorit. Me rritjen e koeficientit të reflektimit, pjesa e fotoneve të përfshira në efektin e brendshëm fotoelektrik zvogëlohet.

Fotonet që nuk reflektohen nga sipërfaqja e sensorit do të absorbohen, duke formuar bartës ngarkese, megjithatë, disa prej tyre do të "ngecin" pranë sipërfaqes, dhe disa do të depërtojnë shumë thellë në materialin e elementit CCD. Është e qartë se në të dyja rastet ata nuk do të marrin pjesë në formimin e fotorrymës. "Fuqia depërtuese" e fotoneve në një gjysmëpërçues, e quajtur koeficienti i përthithjes, varet si nga materiali i gjysmëpërçuesit ashtu edhe nga gjatësia e valës së dritës rënëse - grimcat "valë të gjata" depërtojnë shumë më thellë se "valë e shkurtër". Kur zhvillohet një element CCD, është e nevojshme që fotonet me një gjatësi vale që korrespondon me rrezatimin e dukshëm të arrijnë një koeficient të tillë absorbimi që efekti i brendshëm fotoelektrik të ndodhë pranë pusit potencial, duke rritur kështu mundësinë që një elektron të bjerë në të.

Shpesh, në vend të efikasitetit kuantik, përdoret termi "dalja kuantike"(rendimenti kuantik), por në realitet ky parametër tregon numrin e bartësve të ngarkesës të çliruar kur një foton absorbohet. Sigurisht, me efektin e brendshëm fotoelektrik, pjesa më e madhe e transportuesve të ngarkesës ende bien në pusin e mundshëm të elementit CCD, megjithatë, një pjesë e caktuar e elektroneve (ose vrimave) shmang "kurthin". Numëruesi i formulës që përshkruan efikasitetin kuantik është saktësisht numri i bartësve të ngarkesës që ranë në pusin e mundshëm.

Një karakteristikë e rëndësishme e një matrice CCD është pragu i ndjeshmërisë- parametri i pajisjes për regjistrimin e dritës, i cili karakterizon vlerën minimale të sinjalit të dritës që mund të regjistrohet. Sa më i vogël ky sinjal, aq më i lartë është pragu i ndjeshmërisë. Faktori kryesor që kufizon pragun e ndjeshmërisë është rrymë e errët(rrymë e errët). Është pasojë e emetimit termionik dhe ndodh në një element CCD kur një potencial aplikohet në elektrodë, nën të cilin formohet një pus potencial. Kjo rrymë quhet "e errët" sepse përbëhet nga elektrone që kanë rënë në pus në mungesë të një fluksi drite. Nëse fluksi i ndritshëm është i dobët, atëherë vlera e fotorrymës është afër, dhe ndonjëherë edhe më e vogël, se vlera e rrymës së errët.

Ekziston një varësi e rrymës së errët nga temperatura e sensorit - kur matrica nxehet me 9 gradë Celsius, rryma e saj e errët dyfishohet. Për të ftohur matricën, të ndryshme sistemet e heqjes së nxehtësisë (ftohjes).. Në dhomat fushore, karakteristikat e peshës dhe madhësisë së të cilave kufizojnë shumë përdorimin e sistemeve të ftohjes, ndonjëherë kutia metalike e dhomës përdoret si shkëmbyes nxehtësie. Në pajisjet e studios, praktikisht nuk ka kufizime në peshë dhe dimensione; për më tepër, lejohet një konsum mjaft i lartë i energjisë i sistemit të ftohjes, të cilat, nga ana tjetër, ndahen në pasive dhe aktive.

Sistemet e ftohjes pasive siguroni vetëm "shkarkimin" e nxehtësisë së tepërt të pajisjes së ftohur në atmosferë. Në të njëjtën kohë, sistemi i ftohjes luan rolin e një përcjellësi maksimal të nxehtësisë, duke siguruar shpërndarje më efikase të nxehtësisë. Natyrisht, temperatura e pajisjes së ftohur nuk mund të bëhet më e ulët se temperatura e ajrit të ambientit, e cila është disavantazhi kryesor i sistemeve pasive.

Shembulli më i thjeshtë i një sistemi pasiv të shkëmbimit të nxehtësisë është radiator(heatsink), i bërë nga një material me përçueshmëri të mirë termike, më së shpeshti prej metali. Sipërfaqja në kontakt me atmosferën është e formuar për të siguruar një zonë sa më të madhe të shpërndarjes. Në përgjithësi pranohet se zona maksimale e shpërndarjes është radiatorë me gjilpërë, në formën e një "iriq", të mbushur me "gjilpëra" që shpërndajnë nxehtësinë. Shpesh, për të detyruar transferimin e nxehtësisë, sipërfaqja e radiatorit fryhet mikrofan - pajisje të ngjashme të quajtura ftohës(ftohës, nga fjala cool- to cool), në kompjuterët personalë, procesori ftohet. Bazuar në faktin se mikrofanti konsumon energji elektrike, sistemet që e përdorin atë quhen "aktive", gjë që është krejtësisht e gabuar, pasi ftohësit nuk mund ta ftohin pajisjen në një temperaturë më të ulët se ajo atmosferike. Në temperatura të larta të ambientit (40 gradë e lart), efikasiteti i sistemeve të ftohjes pasive fillon të bjerë.

Sistemet aktive të ftohjes për shkak të proceseve elektrike ose kimike i sigurojnë pajisjes një temperaturë nën ajrin e ambientit. Në fakt, sistemet aktive "prodhojnë të ftohtë", megjithatë, si nxehtësia e pajisjes së ftohur ashtu edhe nxehtësia e sistemit të ftohjes lëshohen në atmosferë. Një shembull klasik i një ftohësi aktiv është një frigorifer konvencional. Sidoqoftë, megjithë efikasitetin mjaft të lartë, karakteristikat e peshës dhe madhësisë së tij janë të papranueshme edhe për pajisjet fotografike në studio. Prandaj, sigurohet ftohja e tij aktive Sistemet Peltier, funksionimi i të cilit bazohet në përdorimin e efektit me të njëjtin emër, kur, në prani të një ndryshimi potencial në skajet e dy përçuesve të bërë nga materiale të ndryshme, energjia termike do të çlirohet ose absorbohet në kryqëzimin e këtyre përçuesve ( në varësi të polaritetit të tensionit). Arsyeja për këtë është nxitimi ose ngadalësimi i elektroneve për shkak të ndryshimit të potencialit të kontaktit të brendshëm të kryqëzimit të përcjellësit.

Kur përdorni një kombinim të gjysmëpërçuesve të tipit n dhe të tipit p, në të cilët thithja e nxehtësisë kryhet për shkak të ndërveprimit të elektroneve dhe "vrimave", ndodh efekti maksimal i përcjelljes së nxehtësisë. Për ta përmirësuar atë, mund të përdorni kombinimin kaskadë të elementeve Peltier dhe meqenëse ndodhin si thithja e nxehtësisë ashtu edhe lëshimi, elementët duhet të kombinohen në mënyrë që njëra anë e ftohësit të jetë "e nxehtë" dhe tjetra "të ftohtë". Si rezultat i kombinimit të kaskadës, temperatura e anës "të nxehtë" të elementit Peltier më larg nga matrica është shumë më e lartë se ajo e ajrit përreth, dhe nxehtësia e tij shpërndahet në atmosferë me ndihmën e pajisjeve pasive. , domethënë radiatorë dhe ftohës.

Duke përdorur efektin Peltier, sistemet aktive të ftohjes mund të ulin temperaturën e sensorit deri në zero gradë, duke ulur në mënyrë dramatike nivelin e rrymës së errët. Megjithatë, ftohja e tepërt e grupit CCD kërcënon të kondensojë lagështinë nga ajri përreth dhe të qarkullojë të shkurtër elektronikën. Dhe në disa raste, ndryshimi kufizues i temperaturës midis planeve të ftohur dhe fotosensitive të matricës mund të çojë në deformimin e tij të papranueshëm.

Sidoqoftë, as radiatorët, as ftohësit, as elementët Peltier nuk janë të zbatueshëm për kamerat në terren, të cilat janë të kufizuara në peshë dhe dimensione. Në vend të kësaj, kjo teknikë përdor një metodë të bazuar në të ashtuquajturat piksele të zeza(pikselë referencë të errët) Këto pikselë janë kolona dhe rreshta të mbuluara me një material të errët përgjatë skajeve të matricës. Vlera mesatare për të gjitha fotorrymat e pikselëve të zinj merret parasysh niveli i rrymës së errët. Natyrisht, në kushte të ndryshme funksionimi (temperatura e mjedisit dhe vetë kamerës, rryma e baterisë, etj.), Niveli i rrymës së errët do të jetë i ndryshëm. Kur përdoret si "pikë referimi" për çdo piksel, domethënë, duke zbritur vlerën e tij nga rryma foto, është e mundur të përcaktohet saktësisht se çfarë ngarkese krijohet nga fotonet që ranë në elementin CCD.

Kur shtypni rrymën e errët në një mënyrë ose në një tjetër, duhet të jeni të vetëdijshëm për një faktor tjetër që kufizon pragun e ndjeshmërisë. Eshte zhurma termike(zhurma termike), e krijuar edhe në mungesë të potencialit në elektroda, vetëm nga lëvizja kaotike e elektroneve përgjatë elementit CCD. Ekspozimet e gjata çojnë në një grumbullim gradual të elektroneve të humbur në pusin potencial, gjë që shtrembëron vlerën e vërtetë të rrymës foto. Dhe sa më "e gjatë" shpejtësia e diafragmës, aq më shumë elektrone "humbin" në pus.

Siç e dini, ndjeshmëria ndaj dritës e një filmi brenda të njëjtës kasetë mbetet konstante, me fjalë të tjera, nuk mund të ndryshojë nga korniza në kornizë. Por një aparat fotografik dixhital ju lejon të vendosni vlerën më optimale të ndjeshmërisë ekuivalente për çdo shkrepje. Kjo arrihet duke përforcuar sinjalin video që vjen nga matrica - në disa mënyra, një procedurë e tillë, e quajtur "Rritja e ndjeshmërisë ekuivalente", e ngjashme me kthimin e kontrollit të volumit në një luajtës muzikor.

Kështu, në dritë të ulët, përdoruesi përballet me një dilemë - ose të rrisë ndjeshmërinë ekuivalente, ose të rrisë shpejtësinë e diafragmës. Në të njëjtën kohë, në të dyja rastet, nuk mund të shmanget dëmtimi i kornizës nga zhurma e një shpërndarjeje fikse. Vërtetë, përvoja tregon se me një shpejtësi "të gjatë" të diafragmës, fotografia nuk përkeqësohet aq shumë sa kur sinjali i matricës përforcohet. Megjithatë, një kohë e gjatë ekspozimi kërcënon një problem tjetër - përdoruesi mund të "përdredh" kornizën. Prandaj, nëse përdoruesi planifikon të xhirojë shpesh në ambiente të mbyllura, atëherë ai duhet të zgjedhë një aparat fotografik me një hapje të lartë lente, si dhe një blic të fuqishëm dhe "inteligjent".

Gama dinamike

Matrica kërkohet të jetë në gjendje të zbulojë dritën si në rrezet e diellit të ndritshme ashtu edhe në ndriçimin e ulët të dhomës. Prandaj, puset e mundshme të matricës duhet të jenë shumë të mëdha, dhe gjithashtu të jenë në gjendje të mbajnë një numër minimal elektronesh në dritë të ulët dhe të përmbajnë një ngarkesë të madhe të marrë kur një fluks i fuqishëm drite godet sensorin. Dhe imazhi i formuar nga lentet shpesh përbëhet nga zona me ndriçim të fortë dhe hije të thella, dhe sensori duhet të jetë në gjendje të regjistrojë të gjitha nuancat e tyre.

Aftësia e sensorit për të formuar një imazh të mirë në kushte të ndryshme ndriçimi dhe kontrast të lartë përcaktohet nga parametri "varg dinamik", e cila karakterizon aftësinë e matricës për të dalluar në imazhin e projektuar në sipërfaqen e saj të regjistrimit, tonet më të errëta nga ato më të lehta. Kur zgjerohet diapazoni dinamik, numri i hijeve në imazh do të rritet dhe kalimet midis tyre do të korrespondojnë sa më afër që të jetë e mundur me imazhin e formuar nga lentet.

Efekti i diapazonit dinamik në cilësinë e kornizës (A - diapazoni i gjerë dinamik, B - diapazoni i ngushtë dinamik)

Një karakteristikë që përshkruan aftësinë e një elementi CCD për të grumbulluar një sasi të caktuar quhet "thellësia e pusit potencial"(thellësia e pusit), dhe vargu dinamik i matricës varet prej tij. Natyrisht, kur xhironi në kushte me dritë të ulët, diapazoni dinamik ndikohet gjithashtu nga pragu i ndjeshmërisë, i cili, nga ana tjetër, përcaktohet nga madhësia e rrymës së errët.

Është e qartë se humbja e elektroneve që përbëjnë fotorrymën ndodh jo vetëm në procesin e akumulimit të ngarkesës së pusit potencial, por edhe gjatë transportimit të tij në daljen e matricës. Këto humbje shkaktohen nga lëvizja e elektroneve që "shkëputen" nga ngarkesa kryesore kur ajo rrjedh nën elektrodën tjetër të transferimit. Sa më i vogël të jetë numri i elektroneve të shkëputura, aq më i lartë efikasiteti i transferimit të ngarkesave(efikasiteti i transferimit të ngarkesës). Ky parametër matet si përqindje dhe tregon përqindjen e ngarkesës që mbetet gjatë "kalimit" midis elementeve CCD.

Efekti i efikasitetit të transferimit mund të demonstrohet me shembullin e mëposhtëm. Nëse për një matricë 1024 X 1024 vlera e këtij parametri është 98%, atëherë për të përcaktuar vlerën e rrymës foto të pikselit qendror në daljen e matricës, është e nevojshme të rritet 0.98 (sasia e ngarkesës së transferuar) në fuqia 1024 (numri i "kalimeve" midis pikselëve) dhe shumëzohet me 100 (përqindje ). Rezultati është krejtësisht i pakënaqshëm - rreth 0.0000001% e tarifës fillestare do të mbetet. Natyrisht, me një rritje të rezolucionit, kërkesat për efikasitetin e transferimit bëhen edhe më të rrepta, pasi numri i "kalimeve" rritet. Për më tepër, shpejtësia e leximit të kornizës bie, sepse një rritje në shpejtësinë e transferimit (për të kompensuar rezolucionin e rritur) çon në një rritje të papranueshme të numrit të elektroneve "të hequra".

Për të arritur shpejtësi të pranueshme të leximit të kornizës me efikasitet të lartë të transferimit të ngarkesës, gjatë projektimit të një grupi CCD, është planifikuar të vendosen puset e mundshme në një pozicion "të thelluar". Për shkak të kësaj, elektronet nuk "ngjiten" në elektrodat e transferimit aq aktivisht, dhe është për "vendndodhjen e thellë" të pusit potencial që një kanal n futet në hartimin e elementit CCD.

Duke iu rikthyer shembullit të mësipërm: nëse në një matricë të caktuar 1024 X 1024, efikasiteti i transferimit të ngarkesës është 99,999%, atëherë dalja e sensorit nga fotorryma e ngarkesës qendrore do të jetë 98,98% e vlerës së tij origjinale. Nëse po zhvillohet një matricë me rezolucion më të lartë, atëherë kërkohet një efikasitet i transferimit të ngarkesës prej 99.99999%.

Lulëzon

Në ato raste kur efekti i brendshëm fotoelektrik çon në një numër të tepërt elektronesh që tejkalon thellësinë e pusit potencial, ngarkesa e elementit CCD fillon të "përhapet" mbi pikselët fqinjë. Në fotografi, ky fenomen, i referuar si duke lulëzuar(nga anglishtja blooming - blurring), shfaqet në formën e njollave të bardha dhe formën e duhur, dhe sa më shumë elektrone të tepërta, aq më të mëdha janë pikat.

Shtypja e lulëzimit kryhet me anë të një sistemi kullimi elektronik(kullimi i tejmbushjes), detyra kryesore e të cilit është heqja e elektroneve të tepërta nga pusi potencial. Opsionet më të famshme kullimi vertikal(Kullimi vertikal i tejmbushjes, VOD) dhe kullimi anësor(Kullimi i tejmbushjes anësore, VOD).

Në një sistem me kullim vertikal, një potencial aplikohet në nënshtresën e matricës, vlera e të cilit zgjidhet në mënyrë që kur thellësia e pusit të mundshëm të tejmbushet, elektronet e tepërta rrjedhin prej tij në nënshtresë dhe shpërndahen atje. Disavantazhi i këtij opsioni është një rënie në thellësinë e pusit të mundshëm dhe, në përputhje me rrethanat, një ngushtim i diapazonit dinamik të elementit CCD. Është gjithashtu e qartë se ky sistem nuk është i zbatueshëm në matricat me ndriçim të pasmë.

Drenazhim elektronik vertikal

Sistemi i kullimit anësor përdor elektroda që parandalojnë depërtimin e elektroneve potenciale të pusit në "brazdat e kullimit" nga të cilat shpërndahet ngarkesa e tepërt. Potenciali në këto elektroda zgjidhet në përputhje me pengesën e tejmbushjes së pusit potencial, ndërsa thellësia e tij nuk ndryshon. Sidoqoftë, për shkak të elektrodave të kullimit, zona e ndjeshme ndaj dritës e elementit CCD zvogëlohet, kështu që duhet të përdoren mikrolentet.

Kullimi elektronik anësor

Sigurisht, nevoja për të shtuar pajisje kullimi në sensor e ndërlikon modelin e tij, por shtrembërimet e kornizës të paraqitura nga lulëzimi nuk mund të injorohen. Po, dhe një grilë elektronike nuk mund të zbatohet pa kullim - ai luan rolin e një "perde" me shpejtësi ultra të shkurtër të qepenave, kohëzgjatja e së cilës është më pak se intervali i shpenzuar për transferimin e ngarkesës nga regjistri kryesor i zhvendosjes paralele në paralel. regjistri buferik. "Qena", domethënë kullimi, parandalon depërtimin në puset e elementeve CCD tampon të atyre elektroneve që u formuan në pikselët "të ndjeshëm ndaj dritës" pasi të ketë kaluar koha e specifikuar (dhe shumë e shkurtër) e ekspozimit.

Piksele "të mbërthyer".

Për shkak të gabimeve teknologjike në disa elementë CCD, edhe shpejtësia më e shkurtër e diafragmës çon në një akumulim të elektroneve në formë orteku në pusin e mundshëm. Në foto, piksele të tilla, të quajtura "ngjitëse"(pikselat e mbërthyer) janë shumë të ndryshme nga pikat përreth, si në ngjyrë ashtu edhe në shkëlqim, dhe, ndryshe nga zhurma e shpërndarjes fikse, ato shfaqen me çdo shpejtësi mbyllëse dhe pavarësisht nga temperatura e matricës.

Pixelat e mbërthyer hiqen duke përdorur softuerin e integruar të kamerës, i cili kërkon elemente CCD me defekt dhe ruan "koordinatat" e tyre në memorie jo të paqëndrueshme. Gjatë formimit të një imazhi, vlerat e pikselëve të dëmtuar nuk merren parasysh, ato zëvendësohen nga vlera e interpoluar e pikselëve fqinjë. Për të përcaktuar defektin e një piksel gjatë procesit të kërkimit, ngarkesa e tij krahasohet me vlerën e referencës, e cila ruhet gjithashtu në memorien jo të paqëndrueshme të kamerës.

Madhësia diagonale e matricës

Ndonjëherë, midis parametrave të tjerë të një aparati dixhital, tregohet madhësia diagonale e CCD(zakonisht në fraksione të një inç). Para së gjithash, kjo vlerë lidhet me karakteristikat e lenteve - sa më të mëdha të jenë dimensionet e sensorit, aq më i madh duhet të jetë imazhi i formuar nga optika. Në mënyrë që ky imazh të mbulojë plotësisht sipërfaqen e regjistrimit të matricës, dimensionet e elementeve optike duhet të rriten. Nëse kjo nuk është bërë dhe "fotografia" e krijuar nga lentet rezulton të jetë më e vogël se sensori, atëherë zonat periferike të matricës do të jenë të paprekura. Sidoqoftë, në një numër rastesh, prodhuesit e kamerave nuk treguan se në modelet e tyre një pjesë e caktuar e megapikselëve doli të ishte "pa punë".

Por në "kamerat refleksike" dixhitale të krijuara në bazë të teknologjisë 35 mm, pothuajse gjithmonë haset situata e kundërt - imazhi i formuar nga lentet mbivendoset në zonën e ndjeshme ndaj dritës të matricës. Kjo për faktin se sensorët me dimensione kornizë të filmit 35 mm janë shumë të shtrenjtë, dhe çon në faktin se një pjesë e imazhit të formuar nga lentet është fjalë për fjalë "prapa skenave". Si rezultat, karakteristikat e lenteve zhvendosen në rajonin e "fokusit të gjatë". Prandaj, kur zgjidhni lente të këmbyeshme për një SLR dixhitale, duhet të keni parasysh raporti i zmadhimit- si rregull, është rreth 1.5. Për shembull, nëse instaloni një lente zmadhimi 28-70 mm, diapazoni i funksionimit të tij do të jetë 42-105 mm.

Ky raport ka efekte pozitive dhe negative. Në veçanti, fotografimi me një kënd të gjerë mbulimi, i cili kërkon lente me gjuajtje të shkurtër, bëhet më i vështirë. Optika me një gjatësi fokale 18 mm ose më pak është shumë e shtrenjtë, dhe në një "SLR" dixhitale kthehet në një 27 mm të parëndësishme. Sidoqoftë, lentet telefoto janë gjithashtu shumë të shtrenjta, dhe me një gjatësi të madhe fokale, si rregull, hapja relative zvogëlohet. Por një lente e lirë 200 mm me një faktor 1.5 shndërrohet në një lente 300 mm, ndërsa optika "e vërtetë" 300 mm ka një hapje të rendit f / 5.6, hapja 200 mm është më e lartë se f / 4.5.

Për më tepër, çdo lente karakterizohet nga devijime të tilla si lakimi dhe shtrembërimi i fushës, të cilat shprehen në turbullim dhe lakim të imazhit në zonat skajore të kornizës. Nëse dimensionet e matricës janë më të vogla se madhësia e imazhit të formuar nga lentet, "zonat e problemit" thjesht nuk do të regjistrohen nga sensori.

Duhet të theksohet se ndjeshmëria e matricës lidhet me dimensionet e zonës së saj të regjistrimit. Sa më e madhe të jetë zona fotosensitive e secilit element, aq më shumë dritë bie mbi të dhe aq më shpesh ndodh efekti i brendshëm fotoelektrik, duke rritur kështu ndjeshmërinë e të gjithë sensorit. Për më tepër, një piksel i madh ju lejon të krijoni një pus të mundshëm të "kapacitetit të rritur", i cili ka një efekt pozitiv në gjerësinë e diapazonit dinamik. Një shembull ilustrues i kësaj është matrica e "kamerave refleks" dixhitale, të krahasueshme në madhësi me kornizën e një filmi 35 mm. Këta sensorë tradicionalisht ndryshojnë në ndjeshmërinë e rendit ISO 6400 (!), Dhe diapazoni dinamik kërkon një ADC me një thellësi bit 10-12 bit.

Në të njëjtën kohë, matricat e kamerave amatore kanë një gamë dinamike për të cilën mjafton një ADC 8-10-bit dhe ndjeshmëria rrallë tejkalon ISO 800. Arsyeja për këtë janë tiparet e projektimit të kësaj teknike. Fakti është se Sony ka shumë pak konkurrentë për sa i përket prodhimit të sensorëve me madhësi të vogël (1/3, 1/2 dhe 2/3 inç diagonalisht) për teknologjinë amatore, dhe kjo u shkaktua nga një qasje kompetente për zhvillimin e diapazoni i modelit të matricave. Gjatë zhvillimit të gjeneratës së ardhshme të matricave me një rezolucion "për megapiksel më shumë", u sigurua përputhshmëri pothuajse e plotë me modelet e mëparshme të sensorëve, si për nga dimensionet ashtu edhe për nga ndërfaqja. Prandaj, projektuesit e kamerës nuk duhej të zhvillonin lentet dhe "mbushjen elektronike" të kamerës nga e para.

Megjithatë, me rritjen e rezolucionit, regjistri i zhvendosjes paralele të tamponit kap një pjesë në rritje të zonës së sensorit, si rezultat, si rajoni i ndjeshëm ndaj dritës ashtu edhe "kapaciteti" i pusit potencial zvogëlohen.

Reduktimi i zonës fotosensitive të CCD me rritjen e rezolucionit.

Prandaj, pas çdo "N +1 megapiksel" qëndron puna e mundimshme e zhvilluesve, e cila, për fat të keq, nuk është gjithmonë e suksesshme.

Konvertuesi analog në dixhital

Sinjali video që ka kaluar përmes amplifikatorit duhet të konvertohet në një format dixhital të kuptueshëm për mikroprocesorin e kamerës. Për këtë përdoret konvertues analog në dixhital, ADC(konvertuesi analog në dixhital, ADC) - një pajisje që konverton një sinjal analog në një sekuencë numrash. Karakteristika kryesore e saj është thellësi bit, domethënë numri i niveleve të sinjaleve diskrete të njohura dhe të koduara. Për të llogaritur numrin e niveleve, mjafton të ngrini dy në fuqinë e thellësisë së bitit. Për shembull, "8 bit" do të thotë që konverteri është në gjendje të përcaktojë nga 2 në nivelin e tetë të sinjalit dhe t'i shfaqë ato si 256 vlera të ndryshme.

Me një kapacitet të madh ADC, është e mundur (teorikisht) të arrihet një më i madh thellësia e ngjyrës(thellësia e ngjyrës), domethënë thellësia e bitit të përpunimit të ngjyrave, e cila përshkruan numrin maksimal të nuancave të ngjyrave që mund të riprodhohen. Thellësia e ngjyrës zakonisht shprehet në bit, dhe numri i nuancave llogaritet në të njëjtën mënyrë si numri i niveleve të sinjalit ADC. Për shembull, me një thellësi ngjyrash 24-bit, mund të merrni 16777216 nuanca ngjyrash.

Në fakt, thellësia e ngjyrave për skedarët në formatet JPEG ose TIFF, të cilat përdoren nga një kompjuter për të përpunuar dhe ruajtur imazhet, është i kufizuar në 24 bit (8 bit për çdo kanal ngjyrash - blu, e kuqe dhe jeshile). Prandaj, ndonjëherë ADC-të e përdorura me një thellësi bit 10, 12 dhe madje 16 bit (d.m.th., një thellësi ngjyrash prej 30, 36 dhe 48 bit) mund të konsiderohen gabimisht "të tepërta". Sidoqoftë, diapazoni dinamik i matricës së disa modeleve të pajisjeve fotografike dixhitale është mjaft i gjerë, dhe nëse kamera është e pajisur me funksionin e ruajtjes së një kornize në një format jo standard (30-48 bit), atëherë me përpunim të mëtejshëm kompjuterik është e mundur të përdoren bit "ekstra". Siç e dini, gabimet në llogaritjen e ekspozimit sipas frekuencës së manifestimit janë të dytat pas pasaktësive në fokusim. Dhe për këtë arsye, aftësia për të kompensuar gabime të tilla me ndihmën e pjesëve "të poshtme" (në rast të nënekspozimit) ose "të sipërm" (në rast të mbiekspozimit) rezulton të jetë shumë e dobishme. Epo, nëse ekspozimi llogaritet pa gabime, atëherë "kompresimi" i 30-48 bit në 24 bit standard pa shtrembërim nuk është një detyrë veçanërisht e vështirë.

Natyrisht, diapazoni dinamik i CCD duhet të jetë baza për rritjen e thellësisë së bitit të ADC, pasi me një gamë të ngushtë dinamike të ADC me 10-12 bit për kanal, thjesht nuk do të ketë asgjë për të njohur. Dhe shpesh nuk mund të quhet asgjë tjetër veçse një marifet publicitar për të përmendur ngjyrën "36-bit" dhe madje "48-bit" të një "kuti sapuni" modeste me një matricë prej gjysmë inç diagonalisht, sepse edhe një 30-bit. ngjyra kërkon të paktën një sensor me një diagonale prej 2 / 3 inç.

Prezantimi

Në këtë punë të kursit, unë do të shqyrtoj informacione të përgjithshme në lidhje me pajisjet e lidhura me ngarkesë, parametrat, historinë e krijimit, karakteristikat e kamerave moderne CCD me infra të kuqe të mesme.

Si rezultat i punës së kursit, studiova literaturën mbi krijimin, parimin e funksionimit, karakteristikat teknike dhe aplikimin e kamerave CCD në intervalin e mesëm IR.

CCD. Parimi fizik i CCD. CCD

Një pajisje e lidhur me ngarkesë (CCD) është një seri strukturash të thjeshta MIS (metal-dielektrik-gjysmëpërçues) të formuara në një nënshtresë gjysmëpërçuese të zakonshme në mënyrë të tillë që shiritat e elektrodave metalike të formojnë një sistem të rregullt linear ose matricë, në të cilin distanca ndërmjet fqinjëve elektrodat janë mjaft të vogla (Fig. 1). Kjo rrethanë përcakton faktin se faktori përcaktues në funksionimin e pajisjes është ndikimi i ndërsjellë i strukturave fqinje të MIS.

Figura 1 - Struktura e CCD

Qëllimet kryesore funksionale të CCD-ve fotosensitive janë shndërrimi i imazheve optike në një sekuencë të impulseve elektrike (formimi i një sinjali video), si dhe ruajtja dhe përpunimi i informacionit dixhital dhe analog.

CCD janë bërë në bazë të silikonit me një kristal. Për ta bërë këtë, një film i hollë (0,1-0,15 μm) dielektrik i dioksidit të silikonit krijohet në sipërfaqen e një vafere silikoni nga oksidimi termik. Ky proces kryhet në mënyrë të tillë që të sigurojë përsosjen e ndërfaqes gjysmëpërçues-dielektrik dhe të minimizojë përqendrimin e qendrave të rikombinimit në ndërfaqe. Elektrodat e elementeve individuale MIS janë prej alumini, gjatësia e tyre është 3-7 mikronë, hendeku midis elektrodave është 0,2-3 mikronë. Numri tipik i elementeve MIS është 500-2000 në një CCD linear dhe matricë; zona e pllakës Nën elektrodat ekstreme të çdo rreshti, bëhen kryqëzime p- n - të projektuara për të futur - nxjerrë pjesë të ngarkesave (paketat e karikimit) elektrike. metoda (injeksion p-n-junction). Me fotoelektrik kur futen paketat e karikimit, CCD ndizet nga pjesa e përparme ose e pasme. Në ndriçimin ballor, për të shmangur efektin e hijes së elektrodave, alumini zakonisht zëvendësohet nga filma të silikonit polikristalin të dopuar shumë (polisilikon), i cili është transparent në rajonet spektrale të dukshme dhe afër IR.

Parimi i funksionimit të CCD

Parimi i përgjithshëm i funksionimit të CCD është si më poshtë. Nëse një tension negativ aplikohet në çdo elektrodë CCD metalik, atëherë nën veprimin e fushës elektrike që rezulton, elektronet, të cilat janë bartësit kryesorë në substrat, largohen nga sipërfaqja thellë në gjysmëpërçues. Në sipërfaqe, megjithatë, formohet një rajon i varfëruar, i cili në diagramin e energjisë është një pus potencial për transportuesit e pakicave - vrima. Vrimat që hyjnë disi në këtë rajon tërhiqen nga ndërfaqja dielektrike-gjysmëpërçuese dhe lokalizohen në një shtresë të ngushtë afër sipërfaqes.

Nëse tani aplikohet një tension negativ me amplitudë më të madhe në elektrodën ngjitur, formohet një pus potencial më i thellë dhe vrimat kalojnë në të. Duke aplikuar tensionet e nevojshme të kontrollit në elektroda të ndryshme CCD, është e mundur të sigurohet ruajtja e ngarkesave në rajone të ndryshme afër sipërfaqes dhe lëvizja e drejtuar e ngarkesave përgjatë sipërfaqes (nga struktura në strukturë). Futja e një pakete ngarkimi (regjistrimi) mund të kryhet ose nga një kryqëzim p-n, i vendosur, për shembull, pranë elementit ekstrem CCD, ose nga gjenerimi i dritës. Heqja e një ngarkese nga sistemi (leximi) është gjithashtu më e lehtë për t'u kryer duke përdorur një kryqëzim p-n. Kështu, një CCD është një pajisje në të cilën informacioni i jashtëm (sinjalet elektrike ose të lehta) konvertohet në pako ngarkimi të transportuesve celularë, të vendosur në një mënyrë të caktuar në rajonet afër sipërfaqes dhe përpunimi i informacionit kryhet nga lëvizja e kontrolluar e këtyre paketave përgjatë siperfaqja. Është e qartë se sistemet dixhitale dhe analoge mund të ndërtohen në bazë të CCD-ve. Për sistemet dixhitale, vetëm prania ose mungesa e një ngarkese të vrimave në një element të veçantë CCD është e rëndësishme; në përpunimin analog, ato merren me vlerat e ngarkesave lëvizëse.

Nëse një fluks drite që bart një imazh drejtohet në një CCD me shumë elementë ose matricë, atëherë fotogjenerimi i çifteve elektron-vrima do të fillojë në pjesën më të madhe të gjysmëpërçuesit. Duke hyrë në rajonin e varfërimit të CCD, transportuesit ndahen dhe vrimat grumbullohen në puset e mundshme (për më tepër, ngarkesa e akumuluar është proporcionale me ndriçimin lokal). Pas njëfarë kohe (në rendin e disa milisekondave) të mjaftueshme për perceptimin e imazhit, grupi CCD do të ruajë një model paketash ngarkimi që korrespondojnë me shpërndarjen e ndriçimit. Kur pulset e orës janë të ndezura, paketat e ngarkimit do të lëvizin në lexuesin e daljes, i cili do t'i shndërrojë ato në sinjale elektrike. Si rezultat, dalja do të jetë një sekuencë pulsesh me amplituda të ndryshme, zarfi që jep sinjali video.

Parimi i funksionimit të CCD në shembullin e një fragmenti të një linje të një FPCD të kontrolluar nga një qark tre ciklesh (trefazor) është ilustruar në figurën 2. Gjatë ciklit I (perceptimi, grumbullimi dhe ruajtja e informacionit video) , të ashtuquajturat. Tensioni i ruajtjes Uxp, duke shtyrë bartësit kryesorë - vrimat në rastin e silikonit të tipit p - thellë në gjysmëpërçues dhe duke formuar shtresa të varfëruara 0,5-2 μm të thella - puse potenciale për elektrone. Ndriçimi i sipërfaqes së FPCD gjeneron çifte të tepërta elektron-vrima në vëllimin e silikonit, ndërsa elektronet tërhiqen në puse potenciale, të lokalizuara në një shtresë të hollë (0,01 μm) afër sipërfaqes nën elektrodat 1, 4, 7, duke formuar paketa ngarkese sinjalizuese.

ngarkoni kamerën e komunikimit infra të kuqe

Figura 2 - diagrami i funksionimit të një pajisjeje trefazore me një lidhje ngarkimi - një regjistër ndërrimi

Sasia e ngarkesës në çdo paketë është proporcionale me ekspozimin e sipërfaqes pranë elektrodës së caktuar. Në strukturat MIS të formuara mirë, ngarkesat e formuara pranë elektrodave mund të vazhdojnë për një kohë relativisht të gjatë, por gradualisht, për shkak të gjenerimit të bartësve të ngarkesës nga qendrat e papastërtive, defekteve në masë ose në ndërfaqe, këto ngarkesa do të grumbullohen në puse potenciale derisa të tejkalojnë ngarkesat e sinjalit dhe madje të mbushin plotësisht pusetat.

Gjatë ciklit II (transferimi i ngarkesës), elektrodat 2, 5, 8 e kështu me radhë aplikohen me një tension leximi më të lartë se tensioni i ruajtjes. Prandaj, nën elektrodat 2, 5 dhe 8, lindin potenciale më të thella. puset sesa nën elektronet 1, 4 dhe 7, dhe për shkak të afërsisë së elektrodave 1 dhe 2, 4 dhe 5, 7 dhe 8, barrierat midis tyre zhduken dhe elektronet derdhen në puse potenciale fqinje, më të thella.

Gjatë ciklit III, voltazhi në elektrodat 2, 5, 8 zvogëlohet në dhe nga elektrodat 1, 4, 7 hiqet.

Se. të gjitha paketat e ngarkimit transferohen përgjatë vijës CCD në të djathtë me një hap të barabartë me distancën midis elektrodave ngjitur.

Gjatë gjithë kohës së funksionimit, një tension i vogël paragjykim (1-3 V) mbahet në elektroda që nuk janë të lidhura drejtpërdrejt me potencialet, gjë që siguron zbrazjen e transportuesve të ngarkesës në të gjithë sipërfaqen e gjysmëpërçuesit dhe zbutjen e efekteve të rikombinimit në të.

Duke përsëritur shumë herë procesin e ndërrimit të tensionit, të gjitha paketat e ngarkimit dalin në mënyrë sekuenciale përmes kryqëzimit ekstrem r-h, të ngacmuara, për shembull, nga drita në linjë. Në këtë rast, pulset e tensionit shfaqen në qarkun e daljes, në përpjesëtim me sasinë e ngarkesës së kësaj pakete. Modeli i ndriçimit shndërrohet në një lehtësim të ngarkesës sipërfaqësore, i cili, pasi lëviz përgjatë gjithë linjës, shndërrohet në një sekuencë impulsesh elektrike. Sa më i madh të jetë numri i elementeve në një rresht ose matricë (numri 1 - marrës IR; 2 - elementë tampon; 3 - CCD, ndodh një transferim jo i plotë i paketës së ngarkesës nga një elektrodë në atë ngjitur dhe shtrembërimi i informacionit që rezulton amplifikohet. Për të shmangur shtrembërimin e sinjalit të akumuluar video për shkak të vazhdimësisë gjatë transferimit të ndriçimit, në kristal krijohen zona të ndara hapësinore të perceptimit - akumulimit dhe ruajtjes - leximit, dhe në të parën ato ofrojnë fotondjeshmëri maksimale, dhe kjo e fundit, në përkundrazi, mburoja nga drita. 1 në një cikël transferohen në regjistrin 2 (nga elementët çift) dhe në regjistrin 3 (nga elementët tek).Ndërsa këta regjistra transmetohen përmes daljes 4 në qarkun e kombinimit të sinjalit 5, një kornizë e re video akumulohet. në rreshtin 1. Në FPCD me transferimin e kornizës (Figura 3), informacioni i perceptuar nga matrica e akumulimit 7 "hedhet" shpejt në matricën e ruajtjes 2, nga e cila pasardhësi por lexohet nga regjistri CCD 3; në të njëjtën kohë matrica 1 grumbullon një kornizë të re.

Figura 3 - akumulimi dhe leximi i informacionit në një pajisje fotosensitive lineare (a), matricë (b) me bashkim ngarkimi dhe në një pajisje me injeksion ngarkese.

Përveç CCD-ve të strukturës më të thjeshtë (Figura 1), varietetet e tjera të tyre janë përhapur gjerësisht, në veçanti, pajisjet me elektroda të mbivendosura polisilikoni (Figura 4), të cilat sigurojnë ndikim aktiv foto në të gjithë sipërfaqen e gjysmëpërçuesit dhe një hendek të vogël midis elektrodat dhe pajisjet me asimetri të vetive afër sipërfaqes (për shembull, ., me një shtresë dielektrike me trashësi të ndryshueshme - Figura 4), që funksionojnë në një mënyrë shtytje-tërheqje. Struktura e një CCD me një kanal vëllimor (Figura 4) i formuar nga difuzioni i papastërtive është thelbësisht i ndryshëm. Akumulimi, ruajtja dhe transferimi i ngarkesës ndodhin në pjesën më të madhe të gjysmëpërçuesit, ku ka më pak rikombinim të qendrave sesa në sipërfaqe dhe lëvizshmëri më të lartë të bartësit. Pasoja e kësaj është një rritje me një renditje të madhësisë së vlerës dhe një rënie në krahasim me të gjitha llojet e CCD-ve me një kanal sipërfaqësor.

Figura 4 - Varietetet e pajisjeve të lidhura me ngarkesë me kanale sipërfaqësore dhe me shumicë.

Për të perceptuar imazhet me ngjyra, përdoret një nga dy metodat: ndarja e rrjedhës optike duke përdorur një prizëm në të kuqe, jeshile, blu, perceptimi i secilës prej tyre nga një FPCD - kristal i veçantë, përzierja e pulseve nga të tre kristalet në një video të vetme. sinjal; krijimi i një filtri drite me ndërprerje ose mozaik kodues në sipërfaqen e FPCD, duke formuar një raster treshe me shumë ngjyra.

Pas leximit të pjesës së mëparshme, lexuesi ynë mund të ketë përshtypjen se CCD është një lloj "kuti e zezë" që prodhon një "negativ elektronik" pasi imazhi i dritës i krijuar nga lentet është projektuar në sipërfaqen e tij të regjistrimit dhe se cilësia i imazhit ndikohet vetëm nga madhësia e sensorit.

Shitësit e pajisjeve fotografike dixhitale i përmbahen të njëjtit këndvështrim, duke shtyrë butësisht, por me këmbëngulje një blerës potencial për të blerë një model me matricën më të madhe të mundshme, edhe nëse nuk ka arsye objektive për një blerje të tillë. Edhe më shpesh, lloje të ndryshme të "zhvillimeve unike" të përdorura për krijimin e matricës, të cilat, çuditërisht, nuk përdoren nga asnjë prej prodhuesve të tjerë, veprojnë si "karrem" për klientin.

Është e vështirë për një fotograf amator fillestar të dallojë premtimet e reklamave nga gjetjet inxhinierike vërtet efektive. Ky artikull do të përpiqet të "ndajë grurin nga byku", por së pari ju duhet të njiheni me përkufizimet bazë të fotografisë dixhitale.

Si bëhet një foton elektron?

Në pajisjet e lidhura me ngarkesë, një foton shndërrohet në një elektron si rezultat i një efekti të brendshëm fotoelektrik: thithja e një kuantike drite nga rrjeta kristalore e një gjysmëpërçuesi me lëshimin e bartësve të ngarkesës. Kjo mund të jetë ose një çift elektron + vrima ose një bartës i vetëm i ngarkesës - kjo e fundit ndodh kur përdoren papastërtitë e dhuruesit ose pranuesit në një gjysmëpërçues. Është e qartë se bartësit e ngarkesave të formuara duhet të ruhen disi deri në momentin e leximit.

Për ta bërë këtë, materiali kryesor i matricës CCD - substrati i silikonit të tipit p - është i pajisur me kanale të bëra nga gjysmëpërçues i tipit n, mbi të cilin elektroda transparente për fotone janë bërë nga silikoni polikristalor. Pasi të aplikohet një potencial elektrik në një elektrodë të tillë, në zonën e varfërimit krijohet një pus potencial nën kanalin e tipit n, qëllimi i të cilit është ruajtja e ngarkesës "të prodhuar" nga efekti i brendshëm fotoelektrik. Sa më shumë fotone të bien në elementin CCD (piksel) dhe të kthehen në elektrone, aq më e lartë do të jetë ngarkesa e akumuluar nga pusi.

element CCD

seksion kryq i pikselit CCD

Për të marrë një "negativ elektronik", është e nevojshme të llogaritet ngarkesa e çdo pusi potencial të matricës. Kjo ngarkesë quhet fotorrymë, vlera e saj është mjaft e vogël dhe pas leximit kërkon përforcim të detyrueshëm.

Leximi i ngarkesës bëhet nga një pajisje e lidhur me rreshtin më të jashtëm të matricës, i quajtur regjistër i zhvendosjes serike. Ky regjistër është një varg elementesh CCD, ngarkesat e të cilave lexohen një nga një. Gjatë leximit të ngarkesës, përdoret aftësia e elementeve CCD për të lëvizur ngarkesat e puseve të mundshme - në fakt, kjo është arsyeja pse këto pajisje quhen pajisje të lidhura me ngarkesë. Për këtë, përdoren portat e transferimit, të vendosura në hendekun midis elementëve PSZ. Potencialet aplikohen në këto elektroda, duke "tërhequr" ngarkesën nga një pus potencial dhe duke e transferuar atë në një tjetër.

Me furnizimin sinkron të potencialit të elektrodave të transferimit, sigurohet transferimi i njëkohshëm i të gjitha ngarkesave në rresht nga e djathta në të majtë (ose nga e majta në të djathtë) në një cikël pune. Ngarkesa që doli të ishte "shtesë" futet në daljen e matricës CCD. Kështu, një regjistër i zhvendosjes serike i konverton ngarkesat që hyjnë në hyrjen e tij në formën e "zinxhirëve" paralelë në një sekuencë të impulseve elektrike të madhësive të ndryshme në dalje. Për të futur këto "strings" paralele në hyrjen e një regjistri serial, regjistri i zhvendosjes përdoret përsëri, por këtë herë paralelisht.

CCD

seksion kryq i pikselit CCD

Në fakt, regjistri paralel është vetë matrica CCD, e cila krijon një "cast" elektronik të imazhit të dritës me anë të një kombinimi të fotorrymave. Matrica është një grup regjistrash vijues, të quajtur kolona dhe të sinkronizuara me njëri-tjetrin. Si rezultat, një "rrëshqitje" sinkrone e rrymave fotografike ndodh gjatë ciklit të punës, dhe ngarkesat e rreshtit të poshtëm të matricës që doli të ishin "shtesë" futen në hyrjen e regjistrit serial.

Siç vijon nga sa më sipër, nevojitet një numër mjaft i madh i mikroqarqeve kontrolluese për të sinkronizuar furnizimin e potencialeve si në regjistrat e ndërrimit paralel ashtu edhe në atë serik. Natyrisht, regjistri serial duhet të jetë plotësisht pa pagesë në intervalin midis cikleve të regjistrit paralel, kështu që kërkohet një mikroqark që sinkronizon të dy regjistrat me njëri-tjetrin.

Nga se përbëhet një piksel?

E ashtuquajtura matricë CCD me kornizë të plotë funksionon sipas skemës së mësipërme, mënyra e funksionimit të saj vendos disa kufizime në modelin e kamerës: nëse ekspozimi nuk ndalet gjatë leximit të rrymave fotografike, ngarkesa "ekstra" e krijuar nga rënia e fotoneve. në pikselë, "të lyer" mbi kornizë. Prandaj, nevojitet një grilë mekanike për të bllokuar hyrjen e dritës në sensor për kohën e nevojshme për të lexuar ngarkesat e të gjithë pikselëve. Natyrisht, një skemë e tillë për leximin e rrymave fotografike nuk lejon formimin e një transmetimi video në dalje nga matrica, prandaj përdoret vetëm në pajisjet fotografike.

Sidoqoftë, një ngarkesë e tepërt mund të grumbullohet në pusin e mundshëm kur bëni fotografi - për shembull, nëse shpejtësia e diafragmës është shumë "e gjatë". Elektronet "shtesë" priren të "përhapen" mbi pikselët fqinjë, gjë që shfaqet në imazh si pika të bardha, madhësia e të cilave lidhet me sasinë e tejmbushjes. Ky efekt quhet lulëzim (nga anglishtja blooming - "turbullim"). Lufta kundër lulëzimit kryhet me anë të kullimit elektronik (kullimit) - heqja e ngarkesës së tepërt nga pusi i mundshëm. Ekzistojnë dy lloje kryesore të kullimit: vertikal (Vertical Overflow Drain, VOD) dhe lateral (Lateral Overflow Drain, LOD).

CCD kullues anësor

Skema e kullimit anësor

Për të zbatuar kullimin vertikal, një potencial aplikohet në nënshtresën e tubit të intensifikimit të imazhit, i cili, kur thellësia e pusit potencial është e tejmbushur, siguron daljen e elektroneve të tepërta përmes nënshtresës. Disavantazhi kryesor i një skeme të tillë është një rënie në thellësinë e pusit të mundshëm, si rezultat i së cilës diapazoni dinamik ngushtohet. Dhe në matricat me ndriçim të pasmë (në të cilat fotonet depërtojnë në sensor jo përmes elektrodës së pusit të mundshëm, por nga ana e nënshtresës), kullimi vertikal është përgjithësisht i pazbatueshëm.

Kullimi anësor kryhet duke përdorur "brazdat kulluese" të veçanta në të cilat "rrjedhin" elektronet e tepërta. Për të formuar këto brazda vendosen elektroda të veçanta, në të cilat aplikohet një potencial, i cili formon sistemin e kullimit. Elektroda të tjera krijojnë një pengesë që parandalon "ikjen" e parakohshme të elektroneve nga pusi potencial.

Siç vijon nga përshkrimi, me kullimin anësor, thellësia e pusit të mundshëm nuk zvogëlohet, por zona e zonës së pikselit të ndjeshëm ndaj dritës është prerë në këtë rast. Sidoqoftë, kullimi nuk mund të përjashtohet, pasi lulëzimi shtrembëron imazhin më shumë se të gjitha llojet e tjera të ndërhyrjeve. Prandaj, prodhuesit janë të detyruar të shkojnë në kompleksitetin e dizajnit të matricave.

Kështu, "lidhja" e çdo piksel përbëhet nga të paktën elektroda të transferimit të ngarkesës dhe përbërësit e sistemit të kullimit. Megjithatë, shumica e matricave CCD karakterizohen nga një strukturë më komplekse e elementeve të tyre.

Optika pixel

Matricat CCD të përdorura në kamerat video dhe në shumicën e kamerave dixhitale amatore sigurojnë një rrjedhë të vazhdueshme pulsesh në daljen e tyre, ndërkohë që rruga optike nuk mbivendoset. Për të shmangur "mjegullimin" e imazhit, përdoren matricat CCD me tampon kolone (matrica CCD-ndërlinjë).

CCD me tampon kolone

Struktura e matricës me tampon kolone

Në sensorë të tillë, pranë secilës kolonë (e cila është një regjistër i ndërrimit serik) ka një kolonë tampon (gjithashtu një regjistër i zhvendosjes serike), i përbërë nga elementë CCD të mbuluar me shirita të errët (zakonisht metal). Seti i kolonave buffer përbën një regjistër paralel buferi dhe kolonat e këtij regjistri janë "të përziera" me kolonat që regjistrojnë dritën.

Në një cikël pune, regjistri i zhvendosjes paralele fotosensitive i jep të gjitha fotorrymat e tij regjistrit paralel të tamponit duke "zhvendosur horizontalisht" ngarkesat, pas së cilës pjesa fotosensitive është përsëri gati për ekspozim. Pastaj vjen rresht pas rreshti "zhvendosja vertikale" e ngarkesave të regjistrit paralel të tamponit, fundi i të cilit është hyrja e regjistrit të zhvendosjes serike të matricës.

Natyrisht, transferimi i ngarkesës së matricës në regjistrin e zhvendosjes paralele të tamponit kërkon një interval të shkurtër kohor dhe nuk ka nevojë të bllokoni fluksin e dritës me një grilë mekanike - puset nuk do të kenë kohë të derdhen. Nga ana tjetër, koha e kërkuar e ekspozimit është zakonisht e krahasueshme me kohën e leximit të të gjithë regjistrit paralel të tamponit. Për shkak të kësaj, intervali midis ekspozimeve mund të reduktohet në minimum - si rezultat, sinjali video në kamerat moderne video formohet në një frekuencë prej 30 kornizash për sekondë dhe më të larta.

Nga ana tjetër, sensorët e vendosur në kolonë ndahen në dy kategori. Kur lexojmë të gjitha rreshtat në një cikël, mund të flasim për një matricë skanimi progresiv (skanim progresiv). Kur linjat tek lexohen në ciklin e parë, dhe vijat çift lexohen në të dytin (ose anasjelltas), ne po flasim për një matricë skanimi të ndërthurjes. Nga rruga, për shkak të ngjashmërisë në tingullin e termave anglezë "matricë e buferuar me kolonë" (e ndërlidhur) dhe "matricë e ndërthurur" (e ndërthurur), sensorët me tampon linjash shpesh quhen gabimisht të ndërthurur në literaturën ruse.

Mjaft e çuditshme, njollosja e ngarkesave ndodh gjithashtu në matricat e buferuara në kolonë. Kjo është shkaktuar nga një tejmbushje e pjesshme e elektroneve nga pusi potencial i elementit CCD fotosensiv në pusin potencial të elementit bufer ngjitur. Kjo ndodh veçanërisht shpesh në nivelet e fotorrymës afër maksimumit, të shkaktuar nga ndriçimi shumë i lartë i pikselëve. Si rezultat, një shirit dritë shtrihet lart e poshtë nga kjo pikë e ndritshme në foto, e cila prish kornizën.

Për të luftuar këtë fenomen, rrisni distancën midis elementeve CCD fotosensitive dhe tamponit. Si rezultat, shkëmbimi i ngarkesës bëhet më i ndërlikuar dhe koha e shpenzuar për këtë rritet, megjithatë, shtrembërimet e kornizës të shkaktuara nga "njollosja" janë ende shumë të dukshme për t'u neglizhuar.

Buferimi i kolonës gjithashtu bën të mundur zbatimin e një grila elektronike, e cila eliminon nevojën për bllokimin mekanik të fluksit të dritës. Duke përdorur qepenin elektronik, mund të merrni shpejtësi ultra të ngadalta (deri në 1/10000 sekondë) që janë të paarritshme me një grilë mekanike. Kjo veçori është veçanërisht e dobishme kur fotografoni sporte, fenomene natyrore, etj.

Për të zbatuar një grilë elektronike, kërkohet kullimi kundër lulëzimit. Në ekspozime shumë të shkurtra, të cilat janë më të shkurtra në kohëzgjatje se koha e transferimit të ngarkesës nga pusi potencial i elementit fotosensiv CCD në pusin e mundshëm të elementit tampon, kullimi luan rolin e një "prerjeje". Kjo "prerje" parandalon që elektronet e krijuara në elementin fotosensiv të hyjnë në pusin e elementit CCD tampon mirë pas kohës së ekspozimit.

Struktura pixel - me mikrolente dhe konvencionale

Shkalla e përqendrimit të fluksit të dritës kur kalon nëpër mikrolente varet nga niveli teknologjik i prodhuesit të matricës. Ekzistojnë modele mjaft komplekse që ofrojnë efikasitet maksimal për këto pajisje miniaturë.

Megjithatë, kur përdorni mikrolentet, probabiliteti që rrezet e dritës të godasin në një kënd të madh me normalen do të depërtojnë në zonën fotosensitive zvogëlohet ndjeshëm. Dhe me një hapje të madhe, përqindja e rrezeve të tilla është mjaft e madhe. Kështu, zvogëlohet intensiteti i ndikimit të fluksit të dritës në matricë, domethënë efekti kryesor për të cilin hapet diafragma.

Sidoqoftë, dëmi nga rrezet e tilla nuk është më pak se i mirë. Fakti është se, duke depërtuar në silikon në një kënd të madh, një foton mund të hyjë në matricën në sipërfaqen e një piksel dhe të rrëzojë një elektron në trupin e një tjetri. Kjo rezulton në shtrembërim të imazhit. Prandaj, për të dobësuar ndikimin e fotoneve të tilla "shpuese të armaturës", sipërfaqja e matricës, me përjashtim të zonave të ndjeshme ndaj dritës, është e mbuluar me një maskë të errët (zakonisht një metal), e cila e ndërlikon më tej dizajnin. të matricave.

Për më tepër, mikrolentet sjellin shtrembërime të caktuara në imazhin e regjistruar, duke mjegulluar skajet e linjave, trashësia e të cilave është në prag të rezolucionit të sensorit. Por edhe ky efekt negativ mund të jetë pjesërisht i dobishëm. Vija të tilla të holla mund të çojnë në aliasing të imazhit, i cili lind nga caktimi i një ngjyre të caktuar për një piksel, pavarësisht nëse mbulohet nga i gjithë detaji i imazhit apo vetëm një pjesë e tij. Rezultate marramendëse në vija të rrepta me skaje të dhëmbëzuara në imazh.

Është për shkak të aliasing që kamerat me sensorë të mëdhenj me kornizë të plotë janë të pajisura me filtra anti-aliasing dhe çmimi i këtyre pajisjeve është mjaft i lartë. Epo, matricat me mikrothente nuk kanë nevojë për këtë filtër.

Për shkak të kërkesave të ndryshme për cilësinë e imazhit, sensorët me tampon kolone përdoren kryesisht në teknologjinë amatore, ndërsa sensorët me kornizë të plotë janë vendosur në kamerat profesionale dhe në studio.

Vazhdon

Ky artikull jep një përshkrim, nëse mund të them kështu, të gjeometrisë së një piksel. Më shumë detaje rreth proceseve që ndodhin gjatë regjistrimit, ruajtjes dhe leximit të tarifës do të diskutohen në artikullin vijues.