Что такое пзс для чего нужны примеры использования
Что такое пзс для чего нужны примеры использования
Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.
Начнем с расшифровки термина.
Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.
Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?
Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.
Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.
Кратко о физике процесса.
Рис. 1
Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору
Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если она «глубже». 
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.
Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.
Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.
Рис. 5.
Вид на регистр «сверху».
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.
Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.
Проблемы
Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.
Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.
В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)
Как работает система AGC
Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).
Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.
Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.
Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).
Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.
Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.
Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль «Error Diffusion», в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.
Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»
Пример распечатки профиля:
За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЗС
Фоточувствительные приборы. Одно из основных направлений применения ПЗС — создание фоточувствительных твердотельных приборов, заменяющих вакуумные электронные передающие трубки.
Принцип действия такого прибора, созданного на основе ПЗС, заключается в том, что в отдельной ячейке МДП-конденсатора происходит непосредственное преобразование энергии светового потока в электрическую энергию. Если энергия кванта света превышает энергию, соответствующую ширине запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной, то происходит явление генерации — образование электрона и дырки проводимости. Эти носители заряда в полупроводнике под действием электрического поля, образованного за счет тактового напряжения, разделяются. Основные носители оттесняются в глубь полупроводника, неосновные притягиваются к границе раздела, накапливаясь в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален световому потоку, падающему на поверхность ячейки, и времени.
Таким образом, в ячейках ПЗС производится запись световой информации в виде зарядов различной величины, затем заряды перемещаются поочередно на выход, где преобразуются в электрическое напряжение следующих поочередно импульсов, амплитуда которых пропорциональна освещенности. Устройство преобразователя — пластинка небольших размеров, на которую проектируется с помощью объектива световой поток от изображения. Через прозрачный диэлектрик свет воздействует на полупроводники каждой ячейки, образованной МДП-конденсатором.
На поверхности пластины размещено несколько сот тысяч элементарных МДП-конденсаторов. Каждому элементу изображения соответствует отдельный МДП-конденсатор. По сравнению с вакуумными передающими трубками данный прибор, обеспечивая такие же качественные показатели, имеет несравнимо меньшие габаритные размеры и массу, потребляет гораздо меньшую мощность, а самое главное, имеет большие надежность и срок службы.
Созданные на основе ПЗС устройства преобразования света в электрические сигналы в настоящее время успешно используют для измерений отдаленных и малодоступных объектов, например толщины раскаленного проката, лесоматериалов, размеров слитков кремния. Эти же приборы позволяют считывать различные надписи — номера вагонов, индексы на конвертах и т. д. Очень перспективно применение этих приборов в робототехнике.
Дата добавления: 2015-09-18 ; просмотров: 880 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
ПЗС-матрица
ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» Санкт-Петербург и его дочернее предприятие ЗАО «НПП „Элар“» Санкт-Петербург.
Содержание
История ПЗС-матрицы
Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone ) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory ). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.
В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.
Впоследствии под руководством Кадзуо Ивамы (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.
Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.
В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.
Общее устройство и принцип работы
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.
До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.
Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.
После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.
Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа
Архитектура пикселей у производителей разная.
Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.
Классификация по способу буферизации
Матрицы с полнокадровым переносом
Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.
Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий— он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.
Элемент ПЗС-матрицы
Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.
Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.
Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.
В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.
«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.
Полнокадровая матрица
Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).
Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.
Матрицы с буферизацией кадра
Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD). Матрица с буферизацией кадра В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.
Матрицы с буферизацией столбцов
Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.
Прибор с зарядовой связью
Прибор с зарядовой связью, ПЗС (англ. Charge-coupled device, CCD) — представляет собой устройство для движения электрического заряда, как правило внутри системы к устройству, где можно проводить какие-то манипуляции с зарядом, например, оцифровывать его. Это достигается путем переноса сигналов поэтапно внутри устройства. Часто в устройство интегрирован датчик изображения, который производит сигнал, который затем может быть чтением. В результате этого ПЗС стали основой для создания CCD (ПЗС) матриц. Приборы используются для детектирования света (фотометрия), а также в медицинских и профессиональных целях, где требуются изображения с высоким разрешением.
Преимущества ПЗС
Использование ПЗС для фотометрии стало по сути уникальным. Во-первых, это — двумерный приемник и одновременно с исследуемым объектом астрономы получают данные о большом количестве соседних звезд, которые нужны для калибровки светимости. Поскольку матрица изготовлена на основе крепкого кремниевого кристалла, ее временные параметры достаточно стабильны. Очень важна и замечательная линейность ПЗС. Другими словами, число электронов, накопленное в пиксели, точно пропорционально числу фотонов, полученных от светила, в отличие от фотоэмульсий и телевизионных детекторов типа видикон. Удобство ПЗС для фотометрии становится очевидной в связи с возможностью учесть локальные технологические неоднородности в чувствительности отдельных пикселей при построении матрицы. На практике это исправляется с помощью техники флэт-поля.
Принцип работы ПЗС-матрицы
В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: к кремниевой подложки p — типа добавляются каналы из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния покрытые изолирующим слоем из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обедненной зоне под каналом n-типа создается потенциальная яма, которая предназначена сохранять электроны. Фотоны, проникающих в кремний, приводят к генерации электронов, которые привлекаются потенциальной ямой и остаются в ней. Чем ярче свет — тем больше фотонов, а следовательно и больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, называется фототоком, и усилить его.
Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые превращают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия является аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.
Таким образом, с помощью этого регистра можно превратить сигнал строки с ПЗС-элементов в аналоговый сигнал. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединенных в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод большего напряжения (большего потенциала) заряд «перетекает» из потенциальной ямы под электрод. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырех электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трехфазным или четырехфазным.
Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или справа налево). А крайний ПЗС-элемент отдает свой заряд устройства, расположенного на выходе регистра — усилителю.
В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующий и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая называются параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и представляет собой устройство, называется ПЗС-матрицы.
«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, формируют параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, и их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, после того как заряды предыдущей строки, который расположен на низком уровне последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набора), подающий потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, синхронизируя работу обоих регистров. Также нужен тактовый генератор.
Спектральная чувствительность ПЗС
Область спектральной чувствительности ПЗС приемников занимает значительную часть оптического диапазона, от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Для ИК излучения с длиной волны больше 1100 нм энергии одного кванта недостаточно чтобы перевести один электрон в возбужденное состояние. Для ИК излучения структура металл-оксид-полупроводник прозрачная. При использовании ПЗС в фотометрии особенно популярный диапазон 400 — 1050 нм. В максимуме спектральной чувствительности ПЗС матрицы имеют квантовый выход около 90%, а в среднем во всем диапазоне спектра чувствительность достигает 50-60%. Тогда как квантовая эффективность популярного советского фотоэлектронного умножителя ФЭУ-79 составляет всего 9%.
Применение ПЗС в астрономии
С английского flat — это площадка, уровень, плоский. Идея следующая: в рабочей комбинации матрица + телескоп получают фотографию равномерно серого поля (это может быть просто лист белой бумаги, освещенный рассеянным светом, или участок ночного неба без звезд). В дальнейшем компьютер может учесть перепады яркости на поверхности кадра, и подкорректировать конечный снимок. Кроме того большим преимуществом использования такого режима является возможность учета неправдоподобных фотометрических неоднородностей, которые вносит оптическая система телескопа.