Устройство камеры

Как работает ПЗС матрица видеокамеры системы наблюдения

Современные видеокамеры системы наблюдения в качестве преобразователя света в электрический сигнал используют ПЗС-матрицы — твердотельные приборы с зарядовой связью [в зарубежной литературе распространена аббревиатура ССD]. Высокая чувствительность, малые габариты и энергопотребление, надёжность, прочность, жесткость фотоэлектрического растра сделали ПЗС-матрицы незаменимыми в аппаратуре самого широкого профиля.

Поясним принцип работы ПЗС-матрицы. Видеоматрица представляет собой миниатюрную площадку, на которой создана система микроминиатюрных МОП-конденсаторов:

Одной из обкладок каждого конденсатора служит металлический электрод, а второй полупроводник. Диэлектриком является тонкий слой окисла полупроводника. Когда на любой из конденсаторов падает свет, происходит процесс его зарядки, причем величина полученного заряда зависит от интенсивности падающего на него света. Таким образом, по полю видеоматрицы формируется потенциальный рельеф, отражающий поступающее видеоизображение.

Процесс создания потенциального рельефа можно представить себе с помощью следующей картинки:

В дальнейшем полученный потенциальный рельеф считывается согласно телевизионным стандартам [т.е. каждый кадр построчно все конденсаторы ПЗС-матрицы сбрасывают накопленный заряд, формируя зависимость тока от времени, которая и переводится в стандартный телевизионный сигнал].

Принцип работы наиболее распространенных цветных ПЗС-матриц похож на рассмотренный нами выше, однако в этом случае каждый элемент делится минимум на три части, каждая из которых отвечает за свою цветовую составляющую [цветоделение производится специальным мозаичным светофильтром, наносимым на видеоматрицу, который к каждому элементу пропускает только ту цветовую составляющую, за которую он отвечает].

Число элементарных конденсаторов [элементов] по горизонтали определяет горизонтальное разрешение, а число элементов по вертикали жестко привязано к телевизионному стандарту. Стандарт черно-белого телевидения – CCIR и стандарт цветного – PAL, определяют 625 строк в поле изображения. Число полей и кадров соответственно 50/25.
ПЗС-матрица состоит из большого числа фоточувствительных ячеек (пиксел — элементов изображения), которое нередко указывается в паспорте на видеокамеру (например, 752?582). Ясно, что чем больше элементов преобразования, тем менее заметной будет дискретность результирующего изображения. Для того, чтобы повысить световую чувствительность каждой ячейки, нередко формируют специальную структуру, которая создает микролинзу перед каждой ячейкой.

Для получения цветного изображения перед ячейками формируются микрофильтры основных цветов R, G, B (очевидно, что для цветных видеокамер количество результирующих ячеек будет в 3 раза меньше, чем у черно-белых видеокамер, а чувствительность ниже). Кстати, дискретная структура ПЗС-матрицы является предпосылкой для создания современных цифровых видеокамер, что позволяет их использовать, например, в компьютерных сетях; на выходе таких видеокамер формируется цифровой код (в отличие от большинства существующих в настоящее время видеокамер, на выходе которых имеется стандартный аналоговый видеосигнал размахом 1 В). Не следует путать цифровую видеокамеру и видеокамеру с цифровой обработкой сигнала (DSP).

Физические принципы работы ПЗС-матрицы

Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника. Тем самым уже через 10 лет были заложены предпосылки для изобретения приборов с зарядовой связью.

С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью.

Элемент трехфазного П3С. Пиксел — элемент изображения.

В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда, в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда — электрон и дырка. Электростатическое поле в области пиксела «растаскивает" эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся — диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.

Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода, будет уменьшен. Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.