Пиксели

Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников — пикселов, которые образуют прямоугольную матрицу. Хотя структура пикселов зависит от типа сенсора, принципы их работы одинаковы.

Падающий свет попадает на фоточувствительную зону пикселов, где генерирует электроны, которые собираются в потенциальных ямах. Величина аккумулируемого заряда определяется интенсивностью падающего света. Время, за которое собирается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, потенциальная яма содержит информацию о части изображения в форме электрического заряда, порожденного падающим светом.

В своей основе сенсор изображений должен выполнять четыре основные задачи: сгенерировать заряд от падающего фотона, собрать полученные заряды, перенести суммарный заряд и преобразовать его в напряжение. И ПЗС-, и КМОП-сенсоры решают все четыре задачи. Первые две они выполняют одинаково, но расходятся в методах переноса заряда и преобразования его в напряжение. В дальнейшем мы уделим большее внимание сенсорам на базе ПЗС.

Как работает ПЗС-сенсор

Он выполняет меньше функций на чипе, чем КМОП-сенсоры, но изящная простота ПЗС позволяет обеспечить превосходное качество изображения. Конечно, только наличие матрицы ПЗС в фотокамере не означает, что она будет делать хорошие снимки. Их качество определяется всей системой, включающей оптику, АЦП, схемы обработки изображений и другие компоненты. Более того, важным фактором является и способ взаимодействия всех составляющих.

На рис. 2 представлена схема формирования потенциальной ямы.

ПЗС-структура состоит из легированного поликремния, отделенного от подложки изолирующим слоем двуокиси кремния. Прикладывая напряжение к поликремниевым электродам, которые служат своеобразными вентилями (затворами), можно менять электрические потенциалы в прилегающих зонах внутри кремния. Так, положительное напряжение создает потенциальную яму, куда устремляются электроны, выбитые фотонами из валентной зоны. Электроны удерживаются в зоне под затвором за счет создания вокруг нее потенциального барьера — посредством приложения отрицательного потенциала к соседним электродам. Потенциальную яму или барьер можно сформировать под любым затвором.

Собранный заряд, соответствующий некоторому элементу изображения и удерживаемый в потенциальной яме, необходимо теперь каким-то образом доставить к преобразователям и усилителям, которые физически отделены от пиксела. Применяемые сегодня методы включают четыре различных способа переноса заряда: четырехфазный, трехфазный, псевдодвухфазный и истинный двухфазный. Остановимся подробнее на первом, поскольку остальные являются его вариациями.

Для переноса заряда в ПЗС-матрице с помощью поликремниевых электродов создаются сдвиговые регистры — так, что они образуют цепочку вдоль одной оси (строку или колонку). В названии метода отражено то, что пиксел формируется четырьмя электродами (Ф1, Ф2, ФЗ и Ф4 на рис. 3).

Если приложить к Ф1 и Ф2 высокое напряжение, удерживая низкое на ФЗ и Ф4, можно создать потенциальную яму под пикселом Рп, в которую будут стекаться электроны проводимости (фаза t1). Если затем изменить полярность на электродах Ф1 и ФЗ (фаза t2), то "зарядовый пакет" под действием электростатических сил будет перемещаться от Ф1 к ФЗ. В следующей фазе (t3) меняется полярность электродов Ф2 и Ф4, и заряд перетекает в потенциальную яму, образованную под электродами ФЗ и Ф4. Этот процесс применяется синхронно для всех сдвиговых регистров. Таким образом, заряды смещаются строка за строкой, как бы связанные друг с другом. Собственно говоря, данному процессу такие устройства и обязаны своим названием — приборы с зарядовой связью. Цикл повторяется до тех пор, пока все зарядовые пакеты достигнут выходных цепей, которые преобразуют величину заряда, накопленного каждым пикселом, в соответствующее напряжение и усилят его.

Форматы ПЗС-матриц

Существуют три формата ПЗС-матриц, определяющих способ получения (сканирования) изображения: точечные, линейные и просматривающие изображение по площади.

При точечном сканировании используется один фотодетектор, а полное изображение получается путем перемещения детектора в плоскости XY. Линейное сканирование предполагает, что массив фотодетекторов размещается в один ряд и сканирование выполняется в одном направлении (рис. 4,а). При таком способе изображение формируется построчно, и, прежде чем отсканировать очередную строку, текущие данные передаются на выходные цепи. Это медленные процессы, к тому же они требуют шаговых двигателей, которые усложняют систему, создают шум и служат дополнительным источником отказов.

Для захвата изображения по всей площади формируется двумерный массив детекторов, на который проецируется полное изображение (рис. 4,б), — таким образом устраняется необходимость использования механических компонентов, а значит, сложность системы сводится к минимуму. Данный метод формирования изображения обеспечивает в фотокамерах максимальную скорость съемки и точность в расположении пикселов. Недостатками этой схемы являются пониженное значение отношения сигнал/шум и высокая стоимость, поскольку из одной пластины получается меньшее количество устройств.