Физические принципы работы приборов с зарядовой связью

Рисунок 13 - Спектральные характеристики матриц ПЗС СП фирмы Sony

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5 Технология кадрово-строчного переноса зарядов

В трехматричных камерах вещательного телевидения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза вплоть до тех пор, пока он не станет существенно меньшим уровня шумов даже при значительных локальных пересветах. Поэтому для повышения качества формируемого изображения в ПЗС был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом кадрово-строчного или гибридного переноса.

Указанный принцип объединил  в себе особенности двух предыдущих методов - построчного и покадрового  переноса зарядов (рисунок 14).

Рисунок 14. Конструкция матрицы  ПЗС с кадрово-строчным переносом  зарядов

Верхняя секция преобразователя  работает точно так же, как и  матрица ПЗС с построчным переносом  зарядов. В этом случае заряды от светочувствительных датчиков поступают на вертикальные регистры сдвига во время кадрового гасящего импульса, но затем осуществляется перенос зарядов в секцию хранения и далее к регистру горизонтального сдвига.

Благодаря наличию в матрицах ПЗС КСП дополнительной секции хранения зарядов на длительность телевизионного поля частота переноса зарядов из вертикальных ПЗС-регистров в секцию хранения может быть выбрана в  десятки раз (до 60 раз) больше частоты  строк, используемой в матрицах ПЗС  с построчным переносом зарядов. В данном случае закрытые непрозрачной маскирующей пленкой пакеты зарядов становятся невосприимчивыми к мощным пересветам. Таким образом, заряды искажаются в 60 раз меньше по сравнению с вариантом, используемым в ПЗС с СП. Это и позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Практически уровень смаза снизился до 0,0002% и стал практически незаметным даже при значительных локальных пересветах. В названных четырехфазных матрицах ПЗС КСП фирмы Sony используется электронное регулирование длительности накопления зарядов (электронный фотозатвор) при передаче быстродвижущихея изображений с целью повышения динамической разрешающей способности. В этом случае заряды, накопленные в светочувствительных ячейках за выбранную часть длительности поля (1/125, 1/500, 1/1000 или же 1/2000 секунды, например), переносятся в секцию памяти во время полевого гасящего импульса, а все ненужные заряды, накапливаемые в остальное время, предварительно удаляются в специальный сток, расположенный в верхней части матрицы. Могут использоваться и другие способы удаления ненужных зарядов.

Из рисунка 15 видно, что  часть светочувствительной поверхности  секции накопления покрыта непрозрачными  для света вертикальными регистрами переноса, что существенно снижает  световую чувствительность таких ПЗС по сравнению с ПЗС с переносом кадра. Преодолеть этот недостаток позволило применение микролинз, которые располагаются перед каждым фотодатчиком и поэтому практически весь свет собирается на них, минуя закрытые от света участки секции накопления. Этим достигается высокая светочувствительность матриц ПЗС.

Первооткрывателем микролинз  стала фирма Sony. Теперь матрицы ПЗС с микролинзами используют Panasonic, Ikegami, Toshiba, Hitachi и другие фирмы.

Матрицы ПЗС с кадрово-строчным переносом зарядов устанавливаются  в высококачественных и, как следствие, наиболее дорогих теле- и видеокамерах. Эти матрицы обеспечивают наиболее высокое качество формируемых видеосигналов, объединяя все преимущества кадрового  и строчного переноса зарядов.

У матриц ПЗС КСП есть и свои недостатки. Поскольку матрица  является сложной составной структурой и использует большую площадь  интегральной схемы из-за необходимости  наличия отдельной секции накопления, она становится более дорогостоящей  в процессе производства.

 

Рисунок 15 - Конструкция матрицы  ПЗС с микролинзами

 

 

 

 

 

1.6 Конструктивные особенности современных матриц ПЗС

Матрица ПЗС типа Hyper HAD

Постоянное стремление технических специалистов фирмы Sony к разработке новых усовершенствованных преобразователей изображения на матрицах ПЗС и улучшению их качественных показателей привело к тому, что в 1990 г. был сконструирован прибор с зарядовой связью, получившей название Hyper HAD.

На рисунке 16 представлена в разрезе секция матрицы Hyper HAD, в которой в качестве нижнего слоя подложки, использован слой n-типа и эпитаксиальный слой p-типа в совокупности с несколькими диффузными слоями и фотодиодными датчиками. В основе формируется вертикальный заполняющий сток зарядов, замещающий горизонтальные отводящие стоки, применяемые в матрицах ПЗС предыдущих моделей. Область p-типа с большим количеством присадок формирует слой накопления дырок, соединенный с канальными ограничителями. Отсюда было принято и название новой матрицы -- HAD (Hole Accumulated Diode - диодный накопитель дырок).

Все матрицы ПЗС для  размещения активных светочувствительных  датчиков используют свою поверхность  не полностью. Остальная часть прибора  служит для накопления и переноса зарядов, регистров сдвига. В результате для приема падающего светового  потока используется только часть поверхности  матрицы. Мало того, нерабочая (несветочувствительная) область создает ряд трудностей, приводящих к специфическим искажениям изображения, например, вертикальный смаз, хотя правильное маскирование способно оптимизировать эти паразитные помехи.

 

 

Рисунок 16 - Структура одного элемента матрицы ПЗС типа Hyper HAD

В матрице Hyper HAD используется оригинальный и достаточно простой метод устранения специфических искажений изображения, заключающийся в установке миниатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный датчик, что позволяет сконцентрировать световой поток без лишнего его рассеивания (см. рисунок 17). В результате практически вдвое возрастает чувствительность матрицы ПЗС, а, следовательно, всей передающей телевизионной камеры.

Улучшенные показатели позволяют  съемочным группам работать не только в условиях низкой освещенности, при  которых прежде отснятые видеоматериалы имели бы неприемлемое качество, но и в процессе студийного производства, когда экономия за счет использования маломощных источников света и уменьшения числа единиц вентиляционного оборудования и кондиционеров воздуха становится весьма ощутимой.

Рисунок 17. Структура одного элемента матрицы ПЗС типа POWER HAD

Так как световой поток  концентрируется непосредственно на светочувствительных датчиках, рассеивается и отражается в пространстве гораздо меньшее количество света. Значительно снижены утечки и уровень вертикального смаза даже при использовании данной технологии в матрицах с построчным переносом зарядов. Практически установлено, что вертикальный смаз при работе с матрицами ПЗС с построчным переносом типа Hyper HAD имеет такой же незначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов. Матрица ПЗС фактически любого типа, снабженная внешними микролинзами на поверхности кристалла, обладает достаточно слабым «смазом» (-125 дБ).

Дальнейшее усовершенствование матрицы ПЗС модели Hyper HAD заключается в дополнительном введении внутренних микролинз, которые еще сильнее концентрируют падающий свет на светочувствительные детекторы (рисунок 17). В этом случае уровень вертикальной тянучки («смаза») становится исчезающее малым (-140 дБ). Светоэлектрические преобразователи подобного типа обозначаются как матрицы ПЗС типа Power HAD. К важнейшим достоинствам подобных матриц следует также отнести их очень высокую чувствительность и низкий уровень шумов

 

 

Применение электронного затвора в матрицах ПЗС

Один полный кадр телевизионного изображения в стандарте PAL состоит из двух перемежающихся полей, следующих с частотой повторения 50 Гц (25 полных кадров в секунду).

Электронный затвор является неотъемлемой частью матрицы ПЗС  и, когда говорят о скорости электронного затвора, являющейся одной из основных характеристик видеокамеры, подразумевают соответствующий режим работы матрицы ПЗС. Если сканирование элементов матрицы ПЗС производится 50 раз в секунду, то это будет стандартной («нормальной») скоростью электронного затвора для видеокамеры, работающей в стандарте PAL. Однако изображение быстро движущегося перед камерой объекта при такой скорости затвора будет смазано, так как во время сканирования в течение 1/50 секунды изображение объекта будет перемещаться по матрице, Уменьшение времени сканирования матрицы (эквивалентно уменьшению времени экспозиции электронного затвора или увеличению его скорости) за счет снижения длительности считывающего импульса улучшает разрешение изображений быстро движущихся объектов и особенно полезно, когда нужен замедленный повтор спортивных событий. Но это сокращение длительности сканирующего импульса приводит к уменьшению количества света, попадающего на светочувствительные элементы матрицы ПЗС во время их сканирования. Таким образом, увеличение скорости электронного затвора требует и увеличения апертуры для компенсации потерь света.

В современных телекамерах  скорость электронного затвора (длительность импульса сканирования матрицы ПЗС) меняется ступенчато: 1/60; 1/125; 1/500; 1/1000; 1/2000 с. В некоторых передающих камерах частота сканирования (1 /длительность импульса сканирования) меняется одинаковыми ступенями по 0,5 Гц.

Для примера следует отметить, что при съемках с экрана монитора компьютера на телевизионном изображении  часто появляются черные или горизонтальные полосы. Это вызвано рассогласованием частоты развертки дисплея компьютера и рабочей частоты телевизионной системы. Меняя скорость затвора, можно добиться уменьшения или даже пропадания этих горизонтальных полос.