| « poprzedni punkt | następny punkt » |
Przetwornik lub inaczej mówiąc kamera CCD składa się z setek tysięcy lub milionów światłoczułych elementów - czujników półprzewodnikowych zwanych również pikselami. Czujnik półprzewodnikowy jest elementem elektronicznym, który:
ładunek elektryczny w momencie jego oświetlenia. Funkcje wykonywane przez cały przetwornik CCD obejmują (w kolejności działania):
Ponieważ najpierw wykorzystywano elementy CCD jako pamięci, (co wynika wprost z zasady działania elementów CCD), wyjaśnimy, w jaki sposób przetwornik magazynuje ładunek i przesyła go, czyli działa jako rejestr przesuwający.
Podstawowym elementem pamięci CCD jest komórka pojedynczego kondensatora MOS (rys. poniżej).
W kondensatorze tego typu jedną okładkę tworzy płytka krzemowa a drugą warstwa metalu. Dielektrykiem jest warstwa tlenku krzemu Si02. Po przyłożeniu do elektrody, odizolowanej od podłoża typu p, napięcia dodatniego tworzy się warstwa zubożona w nośniki, która przyciąga elektrony. Warstwa ta zwana jest również studnią potencjału, gdyż po przyłożeniu odpowiedniego napięcia zewnętrznego zatrzymuje zgromadzony ładunek elektryczny. Takie podstawowe komórki łączy się w strukturę pamięci, jak to przedstawiono na kolejnym rysunku.
Po zatrzymaniu ładunku w studni potencjału pierwszej komórki do komórki sąsiedniej przykładane jest dwa razy większe napięcie. Powoduje to, że elektrony zostają przyciągnięte do głębszej studni potencjału komórki sąsiedniej i ostatecznie pozostają w tej komórce po obniżeniu potencjału. Ten sam proces może być powtórzony względem kolejnego sąsiada itd. Tak, więc zmiany napięcia sterującego powodują przesuwanie się "zapamiętanego" ładunku w warstwie zubożonej. Powstaje w ten sposób pamięć stanowiącą tzw. rejestr przesuwny. Sterowanie przekazywaniem ładunku od jednej komórki rejestru do następnej realizowane jest sygnałem taktującym zegara.
Stosowane są obecnie dwa podstawowe typy czujników CCD.
Czujnik w postaci
Ich budowa jest zbliżona i przedstawiona na kolejnym rysunku.
W przypadku fotodiody struktura krzemowa typu PN spolaryzowana jest zaporowo. W takim przypadku padające światło generuje nośniki (pary elektron-dziura) w warstwie zubożonej. Dziury rekombinują w podłożu typu N, a elektrony o całkowitym ładunku proporcjonalnym do padającego światła zostają w warstwie zubożonej zatrzymane.
Kondensator MOS, w którym jedną okładzinę stanowi przewodzące i jednocześnie przepuszczająca światło polikrystaliczna warstwa krzemu również reaguje na padające światło. Światło przechodzące przez tę warstwę, podobnie jak w fotodiodzie generuje nośniki w warstwie zubożonej.
Przetwornik CCD jest modułem konstrukcyjnym, będącym prostokątną tablicą czujników, na której obrazowana jest optycznie analizowana scena. W większości układów, czujniki zawierają zespół obwodów elektrycznych, które magazynują i przesyłają ładunek do rejestru przesuwnego. Rejestr przesuwny przetwarza przestrzenną tablicę ładunków w przetworniku CCD, na zmienny w czasie sygnał wideo.
Konstrukcja czujnika CCD zależy od miejsca umieszczenia elementów wykonujących funkcje, które są określone budową przetwornika obrazu, w którym znajduje się czujnik. Rysunek poniżej jest schematem funkcjonalnym pojedynczego piksela CCD. Typ ten jest wykorzystywany w przetwornikach obrazu o architekturze z transferem międzyliniowym (w dalszej części wykładu podamy szczegóły tego rozwiązania). Element CCD zawiera w sobie element światłoczuły (fotoczujnik, czujnik, sensor) oraz układ elementów półprzewodnikowych kontrolujący magazynowanie i odczyt ładunków elektrycznych, które on wytwarza. Podstawowe elementy pojedynczego piksela przetwornika CCD zestawiono na poniższym rysunku.
Sam czujnik zbierający pod wpływem światła i magazynujący ładunki elektryczne przylega jednocześnie do dwóch struktur. Są nimi: (i) bramka nadmiarowa OFG i (ii) bramka odczytowa ROG. Pierwsza z nich ma za zadanie odebrać zebrany ładunek od struktury czujnika i poprzez pionowy rejestr przesuwny przekazać go na wyjście przetwornika. Sygnał z każdego rejestru jest "wyprowadzany" przebiegiem zegarowym Bramka nadmiarowa umożliwia usunięcie nadmiarowego ładunku, który powstaje w wyniku zbyt silnego oświetlenia. Pozwala to uniknąć smużeń i rozmywania obrazu przy rejestracji jasnych przedmiotów. Nadmiarowy ładunek odprowadzany jest na zewnątrz poprzez kanał zwany drenem nadmiarowym.
Dodatkowy szkodliwy efekt może wywołać głęboka penetracja fotonów w głąb półprzewodnika. Fotony te generują nośniki (elektrony) migrujące bezpośrednio do rejestru przesuwającego. Na obrazie objawia się to w postaci pionowych linii na jasnym tle. Dla uniknięcia ich, struktura przetwornika CCD zawiera zarówno rejestry pamięci umieszczone obok czujników jak i dodatkową pamięć całego obrazu, (co będzie szerzej opisane w dalszej części). Taka kombinacja pamięci umożliwia natychmiastowe przesuwanie ładunku do pamięci całego obrazu, a więc redukuje czas, w którym oddziałują dodatkowe ładunki powstałe przez głęboką penetrację fotonów.
Dwie sąsiednie komórki światłoczułe oddzielone są od siebie warstwami izolującymi.
Działanie czujnika i dołączonych do niego obwodów elektrycznych można zrozumieć w odniesieniu do mapy potencjałów elektrycznych jego komponentów. W trakcie analizowania obrazu przez czujnik potencjał bramki odczytowej jest wysoki powodując blokadę odpływu ładunku ze studni potencjału czujnika. Odczyt polega na podaniu odpowiedniego sygnału sterującego bramką odczytową tak by ładunki zgromadzone w studni potencjału zostały poprzez nią przekazane do pionowego rejestru przesuwnego, który przetransportuje je dalej na wyjście przetwornika.
Elektrony uwolnione przez fotoczujnik w momencie pobrania półobrazu, są magazynowe w studni potencjału. Jeżeli ta część obrazu jest bardzo jasna, studnia potencjału wypełnia się aż do przelania w wyniku, czego przestaje ona istnieć fizycznie. W tej sytuacji powstające nadal fotoładunki kierują się do sąsiednich nie zapełnionych studni, obniżając ich głębokość. Fotoładunki przepływają przez bramkę nadmiarową do drenu nadmiarowego, czyli dodatkowego obszaru gromadzenia i odprowadzania nadmiarowych fotoładunków. Jest to pokazane na rysunku poniżej.
W praktyce wszystkie opisane powyżej główne elementy piksela kamery CCD zbudowane są jako odpowiednie struktury półprzewodnikowe. Typowy przekrój (jeden z wielu możliwych) pokazano na poniższym schemacie.
Jak widać na podanym schemacie rejestr pionowy i dren są osłonięte cienką warstwą aluminium od zewnętrznego oświetlania.
Działanie fotoczujnika, jego bramek, rejestru przesuwnego oraz studni potencjałów, zależy od konstrukcji. Przemysł oferuje szeroką różnorodność przetworników CCD w zależności od sposobu działania.
Obszar czuły piksela stanowi tylko ułamek jego powierzchni, zmniejszając rozdzielczość przestrzenną i czułość całej kamery. Z tego względu wprowadzono kilka metod zwiększania czułości CCD. No najważniejszych można zaliczyć czujniki:
Czułość kamery może być zwiększona w pierwszej kolejności przez umieszczenie warstwy amorficznego krzemu na powierzchnio czołowej całego przetwornika.
Kolejne rozwiązanie to struktura oparta na fotodiodzie ze złączem p-n o bardzo wysoko domieszkowanej warstwie p. Silnie domieszkowana cienka warstwa p powoduje natychmiastową rekombinację termicznie generowanych elektronów z dziurami. Takie działanie znacznie obniża poziom prądów zerowych związanych z szumem generowanym termicznie. Przetworniki stosujące tę technologie nazywane są przetwornikami typu HAD.
W przetwornikach typu HAD stosuje się również pionowy kanał odprowadzania ładunku (w poprzedniej wersji kanał ten był umieszczony poziomo). W rezultacie następuje poprawa stosunku powierzchni światłoczułej do całkowitej powierzchni struktury, a więc zwiększenie czułości. Zastosowanie struktury przetwornika CCD typu HAD umożliwia wyposażenie kamer w elektroniczną migawkę o regulowanych czasach otwarcia, co ma istotne znaczenie przy filmowaniu w pomieszczeniach oświetlanych migającym źródłem światła, np. świetlówkami. Otwierając migawkę synchronicznie z fazą zasilania oświetlenia można uzyskać stały średni poziom światła podczas rejestracji obrazu.
Obszar czuły piksela jest tylko ułamkiem jego całej powierzchni. Czułość CCD można zwiększyć poprzez zamocowanie z przodu czujnika warstwy mikrosoczewek na strukturze półprzewodnikowej (po jednej na każdym czujniku). Soczewki te skupiają światło, pochodzące z obrazu optycznego, na obszarze piksela. Tym samym powoduje to zwiększenie czułości (skuteczności). Przetworniki HAD z dodatkową warstwą mikrosoczewek nazywane są Hyper HAD. Przykład konstrukcji takiego czujnika przedstawia poniższy rysunek.
Na poniższym rysunku przedstawiono charakterystykę widmową trzech rodzajów kamer: plumbikonu, czujnika MOS oraz HAD.
Powyższy wykres pokazuje, że czujnik MOS dobrze odtwarza kolor czerwony, a znacznie gorzej niebieski. Zastosowanie warstwy polikrystalicznej w czujniku typu HAD powoduje, że jego charakterystyka jest znacznie szersza.
Analizator CCD składa się z prostokątnej matrycy wcześniej opisanych sensorów półprzewodnikowych, umieszczonych na krzemowym podłożu. Jeden fotoczujnik odpowiada jednemu pikselowi obrazu. Sensory zbierają ładunki elektryczne w ten sposób, by ich wielkość była proporcjonalna do oświetlenia czujników przez obraz sceny wytworzony na tablicy. Ładunki są magazynowane tymczasowo w studniach potencjału i są przenoszone do rejestru przesuwnego w czasie wyłączenia czujników z odbioru sygnału optycznego.
Rejestr przesuwny przesyła ładunki na wyjście z analizatora w odpowiednim czasie i kolejności tworząc po ich przetworzeniu na napięcie wyjściowy sygnał wideo.
Transfer i konwersja ładunków elektrycznych z przestrzennej tablicy fotosensorów na sygnał wideo, jest podobny do analizy wiązki w lampach analizujących.
Liczba i rozmiary fotosensorów wchodzących w skład tablicy analizatora obrazu są podstawowym czynnikiem wpływającym na sposób działania analizatora CCD. Liczba szeregów sensorów musi być, co najmniej równa liczbie czynnych linii skanowania (wybierania). Preferowane jest, by obie liczby były równe.
Liczba pikseli, liczba szeregów (v) i kolumn (h) jest podstawową specyfikacją analizatorów CCD. Np. rozmiary obszaru czułego i liczba aktywnych sensorów na każdym takim obszarze dla analizatorów obrazu stosowanych w standardzie NTSC i telewizji wysokiej rozdzielczości (standard SMPTE 274M HDTV) są pokazane poniżej.
Esencją działania analizatorów CCD jest przetwarzanie ładunku przestrzennego, modelowanego na tablicy fotosensorów, w zmienny w czasie sygnał wideo. Ogólny schemat działania przetwornika CCD można przedstawić blokowo jak poniżej.
Zwrócimy uwagę, że zanim ładunki zostaną przesłane na wyjście przetwornika CCD przy pomocy przesuwnego rejestru odczytowego konieczne jest ich zapamiętanie na określony czas w dodatkowym rejestrze pamięciowym.
Powyższy schemat przetwarzania sygnału mogą realizować trzy podstawowe typy struktur:
Struktura CCD z przesuwem ramki FT (ang. Frame transfer) dzieli się na trzy sekcje:
Sekcje te przedstawia poniższy schemat.
Sekcja obrazowa obejmuje czujniki "S", na których obrazowana jest rejestrowana scena. Poniżej umieszczona jest zasłonięta przed oświetleniem sekcja pamięci o takiej samej liczbie komórek jak macierz sensorów.
Po zebraniu ładunków w trakcie oświetlania sekcji fotoczujników, następuje ich przesuw rejestrem pionowym w dół do sekcji pamięci. W operacji tej, sygnał sterujący z zegara wywołuje przesuwanie się ładunków wzdłuż kierunku pionowego w każdej kolumnie pikseli. Ładunki przesuwają się do odpowiednich kolumn w obszarze magazynowania. Proces ten uwalnia sensory, umożliwiając im gromadzenie ładunku pochodzącego z oświetlenia następnej ramki.
Po przekazaniu całej macierzy ładunków do sekcji pamięci, sekcja czujników jest gotowa do odbioru następnej sceny. Następnie w takt sygnału sterującego z zegara, ładunki są przesuwane do rejestru wyjściowego. Na jego wyjściu kolejne ładunki przetwarzane są na próbki napięcia wyjściowego stanowiącego sygnał video.
W rozwiązaniu z przesuwem ramki cały obszar czynny przetwornika dostępny tylko dla sensorów rozdzielczość przestrzenna kamery może być stosunkowo wysoka. Jednakże, struktura FT stwarza problemy związane z pojawianiem się pionowych smug powyżej i pod jasnymi plamkami obrazu. Ma to miejsce, gdy ładunki w tablicy obrazowej poruszają się w poprzek obrazu optycznego, w czasie transferu na końcu każdej ramki. Dzieje się to bardzo szybko, tablica elementów czujnikowych zbiera małe, fałszywe ładunki w momencie transferu. W związku z powyższym konieczne jest stosowanie mechanicznej migawki uniemożliwiającej naświetlanie sekcji fotoczujników w trakcie transferu ładunków. Niestety komplikuje to budowę całej kamery.
Wspomnianym smużeniom można zapobiegać również przez stosowanie innego typu struktury - z przesuwem międzyliniowym.
Struktura z przesuwem międzyliniowym IT (ang. Interlinie Transfer) jest głównie używana w kamerach powszechnego użytku. Jej uproszczony schemat przedstawia poniższy rysunek.
Sensory umieszczone w pionowych kolumnach są podłączone do elementów magazynujących (studni potencjału) w naprzemiennych kolumnach. Po naświetleniu pojedynczej ramki, sterowane sygnałem zegarowym ładunki zgromadzone przez czujniki w każdej kolumnie są przesyłane wzdłuż szeregów do sąsiedniego pionowego rejestru przesuwnego. To uwalnia sensory, umożliwiając zakumulowanie ładunków następnej ramki, określonych przez ich oświetlenie. Następny sygnał zegarowy wywołuje przesunięcie ładunków z pionowego rejestru do poziomego. Z tego rejestru są one odczytywane jako sygnał video. Skuteczny czas naświetlenia dla każdego fotosensora może być skrócony przez zastosowanie sterowanej sygnałem zegarowym elektronicznej migawki, co powoduje transfer elektronów wytworzonych w czasie trwania tylko części każdej ramki.
W podstawowym kształcie tej struktury, kolumny rejestru pionowego muszą być pokryte nieprzezroczystymi maskami i tylko 30-50% powierzchni analizatora może być światłoczuła. Jest to wrodzona wada struktury z przesuwem między-liniowym.
Struktura z przesuwem ramkowo-międzyliniowym FIT (ang. Frame Interlinie Transfer) została rozwinięta w celu osiągnięcia wysokiej czułości, charakterystycznej dla przesuwu ramkowego, ale z odpornością na powstawanie smug i bez konieczności stosowania mechanicznej migawki charakteryzującą strukturę z przesuwem międzyliniowym. Struktura ta jest preferowana w kamerach profesjonalnych. Wyjątkową cechą struktury z przesuwem ramki międzykolumnowym jest szereg dodatkowych bramek wyboru pomiędzy obszarami obrazowym i pamięciowym.
Część obrazowa zawierająca zbudowana jest podobnie jak w układzie przesuwem ramkowym. Podobnie też jak w strukturze z przesuwem ramkowym poza częścią obrazową znajduje się część czujnikowa. Jednak transfer ładunków do części pamięciowej nie odbywa się za pośrednictwem powolnego rejestru pionowego utworzonego z czujników, lecz odpowiednim kanałem (drenem), który otwierany jest w takt zegara branką wyboru. Ładunki z czujników przesuwają się do odpowiednich sekcji pamięci w obszarze magazynowania. Proces ten uwalnia sensory, umożliwiając im gromadzenie ładunku pochodzącego z oświetlenia następnej ramki.
W omawianej strukturze sygnał z wyjścia każdego fotosensora musi być przełączany po kolei w czasie odczytywania każdej ramki. Wymagana jest szybkość związku szybkość tym bardzo duża szybkość przełączania zegara - dla CCD 1036x1920 wynosi ona 74.25MHz. Impedancje wyjściowe układów CCD maja charakter pojemnościowy i przy tej częstotliwości powoduje to wytworzenie znacznego prądu. Problem ten może być złagodzony przez podzielenie kolumn na dwie sekcje. Każda sekcja zawiera następujące kolejno kolumny. Sekcje są wtedy taktowane naprzemiennie z częstotliwością 37.125MHz. Ich wyjścia łączą się dając na wyjściu identyczny sygnał jak w przypadku, gdy wszystkie fotosensory były w jednej grupie.
Sensory do analizatorów CCD ze strukturą z przesuwem ramkowo-międzyliniowym ze względu na swą złożoność są znacznie droższe.
| « poprzedni punkt | następny punkt » |