Устройство и принцип работы ПЗС матрицы

ПЗС-матрица

Преобразование свет-сигнал в видеотехнике

Лекция 2.

Преобразование свет-сигнал осуществляется в видеокамере.

Матрица - это важнейшая часть цифровой видеокамеры преобразующая свет в электронные данные. Назначение любой матрицы — преобразовать свет (фотоны) в электроны. В настоящее время разработаны матрицы двух типов– CCD и CMOS.

Во время экспозиции каждый пиксель матрицы накапливает электрический заряд, пропорциональный попавшему на него количеству света. После съемки с каждого фотоэлемента считывается сигнал, переводится в цифру и обрабатывается процессором.

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа:

Рис.3.

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС:

1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;

2 — Микролинза субпикселя;

3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;

4 — Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или оксида олова;

5 — Изолятор (оксид кремния);

6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта);

7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей;

8 — Кремниевая подложка p-типа;

Рис.4.