Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точнее — р-n -переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной книги. Вкратце принцип устройства и функционирования ПЗС-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверху наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависит динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, — считать значение этого заряда и усилить его.

Рис. 3.1. Элемент ПЗС-матрицы

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы. При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь, смещается под следующий электрод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы (full-frame CCD-matrix). После того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд, эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс считывания этих зарядов.

Рис. 3.2. Полнокадровая матрица

Быстродействие такой схемы ограничено скоростью работы регистра сдвига и, соответственно, количеством строк матрицы. В любом случае требуется перекрытие светового потока с объектива до завершения процесса считывания.

Несколько ускорен процесс считывания в матрицах с буферизацией кадра (frame-transfer CCD). Для промежуточного хранения данных в этих устройствах используется вторая матрица аналогичного размера, покрытая металлической крышкой.

Заряды из ячеек основной матрицы перемещаются в буфер и затем считываются в регистр сдвига, как и в полнокадровой матрице. Недостатком данной системы является относительно высокая стоимость, если учесть, что кардинального увеличения скорости считывания не происходит.

Чтобы максимально увеличить частоту смены кадров, для видеокамер была разработана система с буферизацией строк/столбцов.

Рис. 3.3. Матрица с буферизацией кадра

В матрицах этого типа (interline CCD-matrix) регистры сдвига располагаются в непосредственной близости от светочувствительных элементов, что позволяет непрерывно, с требуемой частотой считывать заряд пиксела. При этом не происходит переполнение потенциальных ям светочувствительных элементов, таким образом, нет необходимости закрывать затвор. Быстродействие такой системы позволяет обеспечить видеосигнал с приемлемой частотой кадров (от 30 кадров в секунду и выше).

Если за один такт считываются все строки, то это матрица с прогрессивной разверткой (progressive scan). Если за первый такт считываются нечетные строки, а за второй — четные, то это матрица с чересстрочной разверткой (interlace scan).

Рис. 3.4. Матрица с буферизацией столбцов

Попутно возникает возможность реализации электронного затвора. Данное устройство позволяет, в принципе, обойтись без механического затвора. При этом выдержка задается интервалом между началом считывания заряда и завершением этого процесса. Таким образом, можно достичь сверхмалых (до 1/10 000 секунды) значений выдержки, особенно критичных для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа и т. д.). Правда, для реализации электронного затвора необходима функция удаления избыточного заряда пиксела, речь о которой пойдет далее.

Однако система с буферизацией строк имеет и недостатки. Главный из них — в результате того, что часть площади матрицы занята регистрами сдвига, размер светочувствительной области каждого пиксела составляет лишь 30 % от его площади, в то время как у полнокадровой матрицы этот параметр равен 70 %.

Поэтому производители вынуждены вносить в конструкцию матриц микролинзы, покрывающие пикселы целиком. Эти несложные оптические устройства концентрируют световой поток, падающий на всю поверхность элемента сенсора, на относительно небольшую светочувствительную область пиксела.

Рис. 3.5. Микролинзы

Эффект ослабления светового потока за счет прохождения сквозь микролинзы минимален. Значительно большей проблемой является усложненная конструкция ЭОП.

В целом полнокадровые матрицы чаще встречаются в профессиональных камерах, а матрицы с буферизацией строк — в любительских фотоаппаратах.

Электроды из поликристаллического кремния частично рассеивают свет, уменьшая тем самым чувствительность ПЗС-элементов. До недавнего времени для специализированной съемки, требующей улучшенной восприимчивости ЭОП к синей и ультрафиолетовой части спектра, применялись матрицы с обратной засветкой, в которых свет проникал со стороны подложки.

Для этого на высокопрецизионном оборудовании подложка шлифовалась до толщины 10-15 мкм. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. При размещении светофильтров над индивидуальными ячейками ЭОП все действия по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в студийных камерах, использующих сменные светофильтры.

Рис. 3.6. Матрица с обратной засветкой