История появления CCD

Принцип работы CCD

Сегодня большинство цифровых домашних камер обладают ССD сенсором. Когда свет собирается в камере и помещается на кремнии, создавая образ, датчик преобразует свет в электрический заряд, или электроны, которые позволяют свету превратиться в цифровое изображение. Наиболее описание этого процесса заключается в том, что после открытия затвора камеры, на кремний CCD воздействует свет, этот свет превращается в электроны, которые преобразуются в цифровой сигнал, и этот сигнал захватывается в память и отображается на печати с экрана фотокамеры.

Опции CCD камеры

Научные разработки

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ")

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

Курсовая работа

ПЗС-камеры среднего инфракрасного диапазона. Часть 1

Работу выполнил

Руденко Денис Юрьевич

Научный руководитель

к.ф.-м.н., доцент В.В. Галуцкий

Нормоконтролер инженер

И.А. Прохорова

Краснодар 2014

Реферат

Курсовая работа 19 с., 4 рис., 5 источников.

Прибор с зарядовой связью, камеры среднего инфракрасного диапазона, инфракрасный диапазон, квантовая эффективность, квантовый выход.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть общие сведения о приборах с зарядовой связью, параметры, историю создания, характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.

В результате выполнения курсовой работы была изучена литература по созданию, принципу действия, технических характеристиках и применении ПЗС-камер среднего ИК диапазона.

Обозначения и сокращения

Введение

ПЗС. Физический принцип работы ПЗС. ПЗС-матрица

Принцип работы ПЗС

История появления ПЗС-матрицы

Характеристики ПЗС-камер ИК-диапазона, параметры ПЗС-камер

Заключение

Список использованных источников

Обозначения и сокращения

ПЗСПрибор с зарядовой связьюИКИнфракрасныйМДПметалл - диэлектрик - полупроводникФПЗСФоточувствительный прибор с зарядовой связьюCCDcharge-coupled devicesФЭУфото-электрический умножитель

Введение

В данной курсовой работе я рассмотрю общие сведения о приборах с зарядовой связью, параметры, историю создания, характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.

В результате выполнения курсовой работы изучил литературу по созданию, принципу действия, технических характеристиках и применении ПЗС-камер среднего ИК диапазона.

1. ПЗС. Физический принцип работы ПЗС. ПЗС-матрица

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл - диэлектрик- полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис. 1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур .

Рисунок 1 - Структура ПЗС

ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния. Этот процесс осуществляется таким образом, чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник - диэлектрик и минимизировать концентрацию рекомбинаций центров на границе. Электроды отдельных МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП-элементов 500-2000 в линейном и в матричном ПЗС; площадь пластины Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n - переходы, предназначенные для ввода - вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p- n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегированного поликристаллического кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-областях спектра.

Принцип работы ПЗС

Общий принцип работы ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности вглубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей - дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик - полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.

Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента, либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода. Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.

Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.

Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рисунке 2. В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения Uxp, оттесняющее основные носители - дырки в случае кремния р-типа - в глубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм - потенциальные ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4,7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.

зарядовый связь камера инфракрасный

Рисунок 2 - схема работы трёхфазного прибора с зарядовой связью - сдвигового регистра

Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела эти заряды будут накапливаться в потенциальных ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.

Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и так далее прикладывается, напряжение считывания, более высокое, чем напряжение хранения. Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5,7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенциальные ямы.

Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до а с электродов 1, 4, 7 снимается.

Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам или поддерживается небольшое напряжение смещения (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинации эффектов.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний r- h-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число 1- ИК приемники; 2- буферные элементы; 3 - ПЗС происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему и усиливаются обусловленные этим искажением информации. Чтобы избежать искажений накопленного видеосигнала из-за продолжающегося во время переноса освещения, на кристалле ФПЗС создают пространственно разделённые области восприятия - накопления и хранения - считывания, причём в первых обеспечивают максимальную фоточувствительность, а вторые, наоборот, экранируют от света. В линейном ФПЗС (рис. 3, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из чётных элементов) и в регистр 3 (из нечётных). В то время, как по этим регистрам информация передаётся через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр. В ФПЗС с кадровым переносом (рисунок 3) информация, воспринятая матрицей накопления 7, быстро "сбрасывается" в матрицу хранения 2, из которой последовательно считывается ПЗС-регистром 3; в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

Рисунок 3 - накопление и считывание информации в линейном (a), матричном (б) фоточувствительном приборе с зарядовой связью и в приборе с зарядовой инжекцией.

Кроме ПЗС простейшей структуры (рисунок 1) получили распространение и другие их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рисунок 4), в которых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (напр., слоем диэлектрика переменной толщины - рисунок 4), работающие в двухтактовом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом (рисунок 4), образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинация центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения и уменьшение по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.

Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптического потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС - кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.

История появления ПЗС-матрицы

В качестве приёмника света раньше использовались фотоматериалы: фотопластинки, фотоплёнка, фотобумага. Позже появились телевизионные камеры и ФЭУ (фото-электрический умножитель). В конце 60-х - начале 70-х годов начали разрабатываться так называемые "Приборы с Зарядовой Связью", что сокращённо пишется как ПЗС. На английском языке это звучит как "charge-coupled devices" или сокращённо - CCD. Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone и развитием "полупроводниковой пузырьковой памяти" (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали их "устройствами с зарядовыми пузырьками". Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов. В принципе ПЗС-матриц лежал факт, что кремний способен реагировать на видимый свет. И этот факт привёл к мысли, что этот принцип может использоваться для получения изображений светящихся объектов. В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Астрономы были одними из первых, кто распознал экстраординарные способности ПЗС для регистрации изображений. В 1972 году группа исследователей из лаборатории реактивного движения (США) основала программу развития ПЗС для астрономии и космических исследований. Три года спустя, совместно с учеными Аризонского университета, эта команда получила первое астрономическое ПЗС изображение.

На снимке Урана в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью полутораметрового телескопа были обнаружены темные пятна возле южного полюса планеты, свидетельствующие о наличии там метана.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных. Компания Sony под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

В 1989 году ПЗС-матрицы применялись уже почти в 97% всех телекамер.

Характеристики ПЗС-камер ИК-диапазона, параметры ПЗС-камер

Разрешение матрицы

физический размер пикселя

эффективный размер матрицы

электронный затвор

ПЗС-матрицы различаются своей чувствительностью, которая во многом зависит от физических размеров матрицы и от количества составляющих ее элементов (разрешения). Физические размеры матриц принято считать в дюймах, и в бытовых видеокамерах они составляют обычно 1/4 или 1/6 дюйма, в "самых-самых" топовых моделях встречаются и матрицы из профессионального мира - 1/3".

Разрешение измеряется в пикселях. Соотношение тут простое: чем больше элементов матрицы задействовано в формировании изображения, тем четче будет картинка. Поэтому фирмы-производители с каждым годом увеличивают его величину, и в 2000 году был преодолен мегапиксельный (свыше 1000000 пикселей) рубеж. В любой матрице часть элементов остается пассивной, поэтому при расчете чувствительности матрицы желательно знать количество ее эффективных пикселей.

Реальное разрешение у видеокамер с одним ПЗС будет несколько хуже, чем с тремя. У 3 ПЗС видеокамер с помощью ее оптики изображение разделяется на три основных цвета и каждый цвет передается на свою ПЗС матрицу.

Электронный затвор - это особенность конструкции ПЗС, позволяющая при необходимости практически мгновенно уничтожить весь накопленный заряд. Например, если время между двумя кадровыми переносами обязано быть равным 20 мс, как в стандартной телевизионной камере (за это время секция хранения формирует стандартный кадр.), то через 18 мс после начала накопления заряда можно включить электронный затвор. Тогда всё полученное изображение будет уничтожено, накопление заряда начнётся сначала и время экспозиции окажется равным не 20, а 2 мс. Это можно использовать как при избыточной освещённости на объекте, так и при съёмке быстро движущихся объектов - подобно выдержке в обычном фотоаппарате.

Заключение

В заключение хотелось бы отметить, что создание устройств на приборах с зарядовой связью среднего ИК-диапазона, в особенности оптоэлектронных, является важным этапом в развитии больших интегральных схем и одним из первых реальных шагов по пути к функциональной микроэлектронике.

Список использованных источников

Гурьянов С.Е. - Знакомьтесь - ПЗС. М., Знание

. #"justify">. Носов Ю.Р. - Приборы зарядовой связи. М., 1976.

Шилин В.А. Приборы зарядовой связи. М., Знание. 1989.

Матрица во многом определяет такие характеристики камеры видеонаблюдения как разрешающая способность, светочувствительность, уровень шумов. По принципу действия можно выделить две основные технологии производства:

• CCD (ПЗС),
• CMOS (КМОП).

Основные их возможности и характеристики описаны в материале про устройство камеры видеонаблюдения , однако, для тех, кому интересна эта тема, здесь матрицы будут описаны несколько подробнее.

Общие сведения

Любая матрица состоит из массива светочувствительных элементов (пикселей), расположенных на полупроводниковой пластине. Каждый из них формирует минимальный элемент изображения. Происходит это путем преобразования энергии светового потока в электрический заряд (не путать с током). Для различных типов дальнейшая обработка (считывание) сигнала определяется как раз технологией производства.

Этот тип применяется для аналоговых камер видеонаблюдения. Принцип действия здесь заключается в последовательном сдвиге заряда по ячейкам и преобразование его в электрический ток (напряжение) уже вне кристалла (рис.1).

Таким образом, вся площадь элементарных площадок задействуется для обработки светового потока, как следствие - обеспечивается высокий уровень чувствительности. Отсутствие на полупроводнике активных элементов определяет также низкий уровень собственных шумов.

Эта технология позволяет осуществлять преобразование заряда в электрический сигнал непосредственно на пикселе. Соответственно считывание производится сразу с нужного элемента, что позволяет практически сразу сформировать цифровой сигнал. Таким образом, CMOS технологии идеально подходят для цифровых (ip) камер видеонаблюдения.

Однако, этот процесс требует размещения на каждом пикселе матрицы соответствующих электронных компонентов (транзисторы, конденсаторы, резисторы), что уменьшает полезную площадь, а соответственно - чувствительность (рис.2).

Стоит заметить, что последние разработки позволяют увеличить светочувствительную область от 30% (APS технологии) до 70% (ACS).

Естественно, все активные элементы повышают уровень собственных шумов.

Чтобы получить на выходе камеры цветное изображение нужно разложить световой поток на основные составляющие цвета, которых, как известно семь.

Однако, для обеспечения цветопередачи видеонаблюдение использует три - красный, зеленый, синий. При этом используются пиксели с соответствующими светофильтрами (рис.3).

Понятно, что формирование единичного размера изображения осуществляется тремя элементами матрицы, что приводит к уменьшению (при прочих равных условиях) их площади, а значит - общей чувствительности камеры видеонаблюдения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По большому счету, потребителю вполне достаточно характеристик камер видеонаблюдения , указанных их производителем, а сравнительный анализ параметров матриц различных типов является излишним. Но, тем не менее, конспективно изложу некоторые выводы, следующие из вышеприведенного материала.

Итак, при прочих равных условиях:

• чувствительность камер на базе ПЗС матриц выше чем КМОП, а монохромных лучше чем цветных,
• уровень собственных шумов CCD матрицы ниже нежели у CMOS,
• КМОП матрицы имеют меньшее энергопотребление, дешевле при производстве.

Однако, достоинство, касающееся цены обольщать не должно, поскольку стоимость матрицы составляет всего лишь часть от цены остальных компонентов камеры видеонаблюдения.

* * *

© 2014-2019 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют исключительно ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

о выборе видеокамеры для семьи мы писали о матрицах. Там мы коснулись этого вопроса легко, однако сегодня постараемся более детально описать обе технологии.

Что же такое матрица в видеокамере? Это микросхема, которая преобразовывает световой сигнал в электрический. На сегодняшний день существует 2 технологии, то есть 2 типа матриц – CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) . Они отличаются друг от друга, каждая имеет свои плюсы и минусы. Нельзя точно сказать, какая из них лучше, а какая – хуже. Они развиваются параллельно. Вдаваться с технические детали мы не будем, т.к. они будут банально непонятны, но общими словами определим их главные плюсы и минусы.

Технология CMOS (КМОП)

CMOS-матрицы в первую очередь хвастаются низким энергопотреблением, что плюс. Видеокамера с этой технологией будет работать чуть дольше (зависит от емкости аккумулятора). Но это мелочи.

Главное отличие и достоинство – это произвольное считывание ячеек (в CCD считывание осуществляется одновременно), благодаря чему исключается размазывание картинки. Возможно, вы когда-нибудь видели «вертикальные столбы света» от точечных ярких объектов? Так вот CMOS-матрицы исключают возможность их появления. И еще камеры на их основе дешевле.

Недостатки также есть. Первый из них – небольшой размер светочувствительного элемента (в соотношении к размеру пикселя). Здесь большая часть площади пикселя занята под электронику, поэтому и площадь светочувствительного элемента уменьшена. Следовательно, чувствительность матрицы уменьшается.

Т.к. электронная обработка осуществляется на пикселе, то и количество помех на картинке возрастает. Это также является недостатком, как и низкое время сканирования. Из-за этого возникает эффект «бегущего затвора»: при движении оператора возможно искажение объекта в кадре.

Технология CCD (ПЗС)

Видеокамеры с CCD-матрицами позволяют получить высококачественное изображение. Визуально легко заметить меньшее количество шумов на видео, отснятом с помощью видеокамеры на основе CCD-матрицы по сравнению с видео, отснятым на камеру CMOS. Это самое первое и важное преимущество. И еще: эффективность CCD-матриц просто потрясающая: коэффициент заполнения приближается к 100%, соотношение зарегистрированных фотонов равен 95%. Возьмите обычный человеческий глаз – здесь соотношение равно приблизительно 1%.

Высокая цена и большое энергопотребление – это недостатки данных матриц. Дело в том, что здесь процесс записи невероятно труден. Фиксация изображения осуществляется благодаря многим дополнительным механизмам, которых нет в CMOS-матрицах, поэтому технология CCD существенно дороже.

CCD-матрицы используются в устройствах, от которых требуется получение цветного и качественного изображения, и которыми, возможно, будут снимать динамические сцены. Это профессиональны видеокамеры в своем большинстве, хотя и бытовые тоже. Это также системы наблюдения, цифровые фотоаппараты и т.д.

CMOS-матрицам применяются там, где нет особо высоких требований к качестве картинки: датчики движения, недорогих смартфонах…Впрочем, так было ранее. Современные матрицы CMOS имеют разные модификации, что делает их весьма качественными и достойными с точки зрения составления конкуренции матрицам CCD.

Сейчас сложно судить о том, какая технология лучше, ведь обе демонстрируют прекрасные результаты. Поэтому ставить тип матрицы как единственный критерий выбора, как минимум, глупо. Важно учитывать многие характеристики.