Структурная схема цифровой цветной камеры на ПЗС матрице

Цифровая съемка, физика приборов с зарядовой связью

Цифровая съемка – это технология, использующая вместо светочувствительных материалов, основанных на галогениде серебра, преобразование света светочувствительной матрицей и получение цифрового файла.

ПЗС, прибор с зарядовой связью — общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объёме полупроводника. Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в AT&T Bell Labs. Лаборатории работали над видеотелефонией и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти». Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали «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 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.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а, следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

Структурная схема цифровой цветной камеры на ПЗС матрице

Сердцем любой цифровой видео- или фотокамеры является светочувствительный сенсор. Он преобразует видимый свет в электрические сигналы, используемые для дальнейшей обработки с помощью электронных схем. Свет можно рассматривать как поток элементарных частиц — фотонов. Фотоны, попадая на поверхность некоторых полупроводниковых материалов, способны приводить к образованию электронов и дырок (. Процесс генерации электронно-дырочных пар под воздействием света возможен только в том случае, когда энергии фотона достаточно, чтобы «оторвать» электрон от «родного» ядра и перевести его в зону проводимости. Энергия фотона напрямую связана с длиной волны падающего света, то есть зависит от так называемого цвета излучения. Поскольку количество образующихся фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности светового потока, появляется возможность математически связывать количество падающего света с величиной порождаемого им заряда. Именно на этом простом физическом явлении и основан принцип действия светочувствительных сенсоров. Сенсор выполняет пять основных операций: поглощает фотоны, преобразует их в заряд, накапливает его, передает и преобразует в напряжение. В зависимости от технологии изготовления различные сенсоры осуществляют задачи хранения и накопления фотоэлектронов по-разному. Кроме того, могут использоваться различные методы преобразования накопленных электронов в электрическое напряжение (аналоговый сигнал), которое, в свою очередь, преобразуется в цифровой сигнал.

ПЗС-сенсоры. Исторически первыми в качестве светочувствительных элементов для видеокамер были использованы так называемые ПЗС-матрицы, массовое производство которых началось в 1973 году. Аббревиатура ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью; в английской литературе используется термин CCD (Charge-Coupled Device). Простейший ПЗС-сенсор представляет собой конденсатор, способный под воздействием света накапливать электрический заряд. Обычный конденсатор, состоящий из двух разделенных слоем диэлектрика металлических пластин, здесь не подойдет, поэтому используют так называемые МОП-конденсаторы. По своей внутренней структуре такие конденсаторы представляют собой сандвич из металла, оксида и полупроводника (от первых букв используемых компонентов они и получили свое название). В качестве полупроводника используется легированный кремний p-типа, то есть такой полупроводник, в котором за счет добавления атомов примеси (легирования) образуются избыточные дырки. Над полупроводником расположен тонкий слой диэлектрика (оксида кремния), а сверху — слой металла, выполняющий функцию затвора, если следовать терминологии полевых транзисторов

Чтобы камера могла различать цвета, непосредственно на активный пиксел накладывается массив цветных фильтров (CFA, color filter arrays). Принцип действия цветного фильтра очень прост: он пропускает свет только определенного цвета (иначе говоря, только свет с определенной длиной волны). Но сколько же таких фильтров потребуется, если количество различных цветовых оттенков практически не ограниченно? Оказывается, любой цветовой оттенок можно получить смешиванием в определенных пропорциях нескольких основных (базовых) цветов. В наиболее популярной аддитивной модели RGB (Red, Green, Blue) таких цвета три: красный, зеленый и синий. Значит, и цветных фильтров потребуется всего три. Наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). В этой системе красные, зеленые и синие фильтры расположены в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.

Такое соотношение зеленых, красных и синих фильтров объясняется особенностями зрительного восприятия человека: наши глаза более чувствительны к зеленому цвету.

В ПЗС-камерах совмещение трех цветовых каналов производится в устройстве формирования изображения уже после преобразования сигнала из аналогового вида в цифровой. В КМОП-сенсорах это совмещение может происходить и непосредственно в чипе. В любом случае первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цвета соседних фильтров. Следовательно, для того чтобы получить истинный цвет пиксела изображения, необходимо знать не только интенсивность света, прошедшего через светофильтр этого пиксела, но и значения интенсивностей света, прошедшего через светофильтры окружающих пикселов.

Как уже отмечалось, в цветовой модели RGB используется три основных цвета, с помощью которых можно получить любой оттенок видимого спектра. сколько же всего оттенков позволяют различать цифровые камеры? Максимальное количество различных цветовых оттенков определяется глубиной цвета, которая, в свою очередь, определяется количеством битов, используемых для кодирования цвета. В популярной модели RGB 24 с глубиной цвета 24 бита для каждого цвета отводится по 8 битов. С помощью 8 битов можно задать 256 различных цветовых оттенков соответственно красного, зеленого и синего цветов. Каждому оттенку присваивается значение от 0 до 255. К примеру, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (255) до черного (0). Максимальное значение кода соответствует чистому цвету, а код каждого цвета принято располагать в следующем порядке: красный, зеленый и синий. Например, код чистого красного цвета записывается в виде (255, 0, 0), код зеленого цвета — (0, 255, 0), а код синего цвета — (0, 0, 255). Желтый цвет можно получить смешением красного и зеленого, и его код записывается в виде (255, 255, 0).

Кроме модели RGB широкое применение нашли также модели YUV и YСrCb, которые похожи друг на друга и основаны на разделении сигналов яркости и цветности. Сигнал Y — это сигнал яркости, который определяется смешением красного, зеленого и синего цветов. Сигналы U и V (Cr, Cb) являются цветоразностными. Так, сигнал U близок к разности между синими и желтыми компонентами цветного изображения, а сигнал V близок к разности между красными и зелеными компонентами цветного изображения.

Основное достоинство модели YUV (YCrCb) заключается в том, что этот метод кодирования хотя и более сложен, чем RGB, однако требует меньшей полосы пропускания. Дело в том, что чувствительность человеческого глаза к яркостному Y-компоненту и цветоразностным компонентам неодинакова, поэтому вполне допустимым представляется выполнение этого преобразования с прореживанием (интерливингом) цветоразностных компонентов, когда для группы из четырех соседних пикселов (2×2) вычисляются Y-компоненты, а цветоразностные компоненты используются общие (так называемая схема 4:1:1). Нетрудно подсчитать, что уже схема 4:1:1 позволяет сократить выходной поток вдвое (вместо 12 байтов для четырех соседних пикселов достаточно шести). При кодировании по схеме YUV 4:2:2 сигнал яркости передается для каждой точки, а цветоразностные сигналы U и V — только для каждой второй точки в строке.