Цифровое оборудование

ПЗС матрица

Матрица ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью) или по-английски CCD (Charge-Coupled Device) представляет собой матрицу светочувствительных элементов, способных накапливать электрический заряд под действием света и передавать этот заряд от одного элемента к другому. Матрицы ПЗС используются в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов и видеокамер.

Принцип действия светочувствительных элементов матрицы состоит в следующем. Основой матрицы служит подложка из кремния p-типа. Кремний p-типа получают добавлением к кремнию примесей, например атомов бора. В результате добавления примеси в кристалле кремния создаются свободные, положительно заряженные носители – дырки. Дырки являются основными носителями заряда, поскольку свободных электронов в таком кристалле практически нет. Реакция на свет является следствием явления внутреннего фотоэффекта, когда фотон, попадая в кристалл кремния, генерирует пару носителей зарядов – электрон и дырку. На поверхность подложки нанесен слой диэлектрика – двуокиси кремния, полученной на поверхности подложки термическим окислением. Двуокись кремния является прозрачной и не препятствует проникновению света. Поверх диэлектрика нанесены электроды из поликристаллического кремния, осажденного из газовой фазы. При подаче на электрод положительного потенциала, дырки вытесняются из области кремния, находящейся вблизи этого электрода и вокруг него начинают скапливаться электроны, возникающие в результате внутреннего фотоэффекта. Причем этих электронов тем больше, чем больше света попало на близлежащий участок подложки. Если на этом электроде убрать положительный потенциал, а создать его на соседнем электроде, накопленный заряд переместится на соседний электрод. Изменяя потенциалы на электродах можно передвигать накопленный заряд от одного электрода к другому, практически не меняя его величины.

Каждый светочувствительный элемент имеет три электрода, что позволяет управлять направлением перемещения зарядов. Если на первых электродах всех элементов имеется положительный потенциал, то электроны будут скапливаться именно под этими, первыми электродами. Если уменьшить положительный потенциал на первых электродах и увеличить на вторых, то накопленный заряд переместится к ним. Если теперь уменьшить потенциал на вторых электродах и увеличить его на третьих, заряд переместится под третьи электроды. Если уменьшить заряд под третьими электродами, и увеличить на первых, заряд переместится между элементами, поскольку первый электрод соседнего элемента окажется к нему ближе. Таким образом, матрица светочувствительных элементов может последовательно перемещать заряды от одного элемента к другому через всю матрицу.

По принципу перемещения и считывания заряда различают три типа ПЗС матриц. Это матрицы с полнокадровым переносом (Full-Frame Transfer CCD, FF CCD), с кадровым переносом (Frame Transfer CCD, FT CCD) и с чересстрочным переносом (Interline CCD, IL CCD).

Матрицы с полнокадровым переносом используют для переноса заряда саму матрицу светочувствительных элементов, поочередно передавая каждую строку матрицы в сдвиговый регистр, откуда данные поэлементно передаются на вход усилителя, и далее, в аналого-цифровой преобразователь. Чтобы исключить изменение зарядов под действием света во время их переноса, для таких матриц необходим механический затвор.

Матрицы с кадровым переносом имеют промежуточную, защищенную от света область хранения. После экспонирования кадр перемещается в защищенную область, откуда построчно поступает в сдвиговый регистр, и далее в усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Такие матрицы не требуют механического затвора, однако такая конструкция существенно увеличивает стоимость матрицы.

Если в матрицах с кадровым переносом весь кадр целиком переносится в единую буферную область, то в матрицах с чересстрочным переносом для каждого столбца светочувствительных элементов имеется свой буферный регистр, защищенный от воздействия света.  Заряды из каждого столбца переносятся в буфер, и затем поэлементно передаются из буферных регистров в сдвиговый регистр. Такая схема не требует механического затвора и позволяет реализовать очень короткие выдержки. Однако основной недостаток этой схемы состоит в том, что существенная часть площади поверхности матрицы занята буферными регистрами, что сильно снижает ее светочувствительность. Для преодоления этого недостатка поверхность матрицы покрывают микролинзами, концентрирующими световой поток, падающий на всю поверхность элемента матрицы на относительно небольшой площади его поверхности, чувствительной к свету.

Основными характеристиками ПЗС матриц, помимо ее разрешения, являются ее физические размеры, светочувствительность, уровень шума, динамический диапазон.

Определяющей характеристикой при этом являются физические размеры матрицы, а светочувствительность, уровень шума и динамический диапазон во многом зависят от ее физических размеров.

Обычно, особенно применительно к матрицам небольшого размера, размер матрицы определяют как размер ее диагонали, выраженный в дюймах. Для матриц большего размера, часто указывают ее длину и ширину в миллиметрах. При этом размер диагонали указывают не точно, а ориентировочно. Вот некоторые примеры соответствия размеров матриц в разных единицах:

В этом примере матрица размером 2/3 дюйма имеет два варианта ширины и высоты с одной и той же диагональю, но двумя вариантами соотношения сторон. Аналогичная ситуация может быть и при других размерах диагонали – разные модели матриц при одной и той же диагонали могут иметь различное соотношение ширины и высоты. 

Если разделить ширину и высоту матрицы в миллиметрах на количество пикселей в матрице по горизонтали и вертикали, получатся линейные размеры пикселя. Для современных матриц линейные размеры пикселей составляют около 3-10 мкм по вертикали и горизонтали. Именно размер пикселей влияет в наибольшей степени на светочувствительность, уровень шума и динамический диапазон матрицы. При этом следует учитывать, что светочувствительный элемент может занимать не всю площадь поверхности пикселя, часть поверхности занимают дополнительные элементы, хотя в некоторой степени это обстоятельство исправляется при помощи применения микролинз.

Динамический диапазон матрицы определяется как соотношение величины максимального заряда, который может быть накоплен в светочувствительном элементе, к минимально различимому заряду, который в свою очередь определяется уровнем шума. Понятно, что максимальный заряд пропорционален площади светочувствительного элемента – чем больше размер положительно заряженного электрода, тем больше электронов может быть накоплено вблизи него.

Чувствительность матрицы определяется как соотношение уровня полезного сигнала – заряда получаемого под воздействием света, к уровню шума. Заряд получаемый под воздействием света тем больше, чем большее количество фотонов попадет на светочувствительный элемент, и следовательно, чем больше его площадь.

Уровень шума матрицы складывается из нескольких составляющих, таких как тепловой шум, шум переноса, шум считывания и других. Тепловой шум возникает вследствие того, что свободные электроны могут образовываться в полупроводнике не только под воздействием света, но и в результате тепловых колебаний. Это явление называется термоэлектронная эмиссия, и хотя и представляет собой случайный процесс, происходит более-менее равномерно по всему объему полупроводника. В результате, в каждый пиксель попадает некоторое количество тепловых электронов. Понятно, что их количество также зависит от площади пикселя – чем больше площадь, тем больше тепловых электронов в нем образуется. В разных пикселях может образовываться разное количество тепловых электронов, однако в основном оно будет составлять значение, близкое к некоторой средней величине. При этом степень искажения изображения будет зависеть не столько от этой средней величины, сколько от разницы в количестве тепловых электронов в разных пикселях. Кроме того, среднее количество тепловых электронов вполне можно определить использовав крайние, не участвующие в формировании изображения и не засвеченные пиксели, после чего скорректировать величины зарядов всех пикселей на эту величину. Разницу в количестве тепловых электронов определить не получится, но эта разница практически не зависит от площади пикселя. Величина шума переноса и шума считывания также не зависит от площади пикселя, следовательно, при увеличении площади пикселя соотношение величины полезного сигнала к суммарной величине шумов будет увеличиваться.

Можно посмотреть на проблему и немного с другой стороны. Если представить себе ПЗС матрицу, в которой структура полупроводника абсолютно идеальна, легирующие примеси распределены абсолютно равномерно,  форма и размер элементов соблюдены достаточно строго, то станет понятно, что в такой матрице тепловые электроны будут возникать практически одинаково во всех пикселях, все пиксели будут одинаково реагировать на свет, и в результате мы получим изображение, максимально соответствующее оригиналу. Однако на практике идеальных матриц не бывает, любая матрица будет иметь те или иные дефекты структуры. Соответственно и количество тепловых электронов будет не одинаково в разных пикселях, и их реакция на одно и то же количество света будет отличаться. В результате уровень шума возрастет, и возрастет тем сильнее, чем большие дефекты будут встречаться в матрице. При производстве матриц, количество и величину дефектов стараются свести к минимуму, однако чем мельче дефекты, тем труднее их предотвратить. При увеличении размеров матрицы, и размеров каждого пикселя, влияние этих дефектов снижается, а соответственно, снижается и уровень шума.

Разница в чувствительности к свету отдельных пикселей обычно малозаметна, однако в большинстве матриц встречаются пиксели, имеющие нетипично большую чувствительность. На практике это проявляется при съемке с большими выдержками в виде ярких цветных точек на темном фоне. Обычно такие пиксели называют «горячими».

Количество таких пикселей на разных типах и разных экземплярах матриц отличается, и как правило, не превышает десятка пикселей на всю матрицу. Для борьбы с этим явлением существуют специальные средства, встроенные во внутреннее программное обеспечение фотоаппарата. Если эти средства не помогают, бороться с ним можно и при помощи графических редакторов вручную, или используя специальные программы.

Реальная чувствительность ПЗС матриц, определяемая как соотношение полезного сигнала и шума, как правило, недоступна человеку, использующему фотоаппарат. Да и информативность этой электронной характеристики для фотографа была бы крайне низкой. Поэтому производители цифровых фотоаппаратов не указывают ее среди технических характеристик, а вместо этого указывают чувствительность фотоаппарата в единицах  ISO, аналогичных единицам измерения чувствительности фотопленки. Однако чувствительность фотоаппарата мало связана с реальной чувствительностью матрицы.

Большинство фотоаппаратов может иметь несколько режимов с разной чувствительностью. В большинстве случаев, изменение чувствительности фотоаппарата осуществляется при помощи изменения аналогового усиления получаемого с матрицы сигнала. Понятно, что при увеличении усиления, вместе с полезным сигналом усиливаются и шумы.

Поскольку светочувствительные элементы ПЗС матриц реагируют на количество света, но не могут различать его спектральный состав, матрицы ПЗС по своей природе являются черно-белыми. И хотя разница в реакции на свет различной частоты в ПЗС матрицах все-таки существует, использовать это в обычных матрицах невозможно. Поэтому, для получения цветного изображения в цифровых фотоаппаратах применяют различные способы.

В высококачественных видеокамерах, также оснащенных ПЗС матрицами, применяют один из самых эффективных способов получения цветного изображения. При помощи специальной призмы световой пучок из объектива разделяют на три части, и направляют на три отдельные ПЗС матрицы, перед каждой из которых размещен светофильтр соответствующего цвета. Матрицы видеокамер имеют невысокое разрешение, определяемое параметрами стандартного видеосигнала, и соответственно не очень высокую стоимость. В результате такое техническое решение приводит к относительно небольшому увеличению стоимости камеры при резком улучшении качества изображения. В цифровых фотоаппаратах, где стоимость светочувствительной матрицы составляет весьма существенную часть стоимости аппарата, такое решение привело бы к недопустимому увеличению стоимости. Поэтому такой способ получения цветного изображения не применяют.

В некоторых профессиональных студийных аппаратах используют последовательную съемку трех отдельных кадров через соответствующие цветные светофильтры, однако такой способ годится только для съемки в студийных условиях неподвижных объектов.

Наибольшее распространение в цифровых фотоаппаратах получил способ на основе использования цветных микрофильтров, нанесенных на каждый пиксель. Смысл этого способа сводится к тому, что каждый пиксель реагирует только на свет определенного цвета, а цвета пикселей при этом чередуются. После считывания и оцифровки данных с ПЗС матрицы их программным способом обрабатывают, рассчитывая значение всех трех цветов для каждого пикселя. Понятно, что такая обработка есть не что иное, как интерполяция, и приводит к ухудшению разрешающей способности матрицы. Однако это ухудшение происходит в основном в цветовых каналах изображения, в канале яркости разрешение практически не ухудшается. Кроме того, человеческий глаз слабее воспринимает цвет мелких деталей, поэтому ухудшение разрешения в цветовых каналах практически незаметно.

Еще одна проблема может возникать в ПЗС матрицах при съемке ярко освещенных объектов. Если на светочувствительный элемент попадает слишком большое количество света, число электронов, сгенерированных в результате внутреннего фотоэффекта начинает превышать то количество электронов, которое может удерживаться вблизи положительно заряженного электрода. В результате, электроны начинают перемещаться внутри кристалла, скапливаясь под ближайшими положительно заряженными электродами, емкость которых еще не исчерпана. Это явление получило название блюминга и на практике приводит к размыванию изображения. Конечно, проще всего было бы просто уменьшить количество света, попадающего на матрицу, изменив экспозицию. Однако во многих случаях это приведет к тому, что детали в темных участках кадра станут неразличимыми. Поэтому для борьбы с этим явлением применяют так называемый электронный дренаж. Для этого, вблизи светочувствительных элементов размещают каналы, по которым лишние электроны удаляются из матрицы. По схеме реализации различают вертикальный дренаж, когда электроны удаляются при помощи подачи положительного потенциала на подложку матрицы, и боковой дренаж, когда между рядами пикселей размещают положительно заряженные проводники. В первом случае это приводит к некоторому снижению максимальной емкости пикселя, а во втором – к уменьшению полезной площади поверхности матрицы.