Лекция 12 Светочувствительные матрицы

Светочувствительная матрица – интегральная микросхема (ИМС), предназначенная для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в цифровой поток данных. Два типа матриц: ПЗС-матрица, КМОП-матрица.

1. ПЗС-матрица

(ПЗС – прибор с зарядовой связью, CCD – charge-coupled device)

Структура ПЗС – интегральный полупроводниковый прибор, в основе работы которого лежит принцип создания, передачи и хранения локализованного зарядового пакета в потенциальных ямах, образуемых в полупроводнике под действием внешнего электрического поля.

Texas Instruments / Fairchild Semiconductor, 1960 г. – планарная технология

У. Бойл и Г. Смит, Bell Laboratories, 1969 г. – аналоговый регистр сдвига ПЗС.

МОП-коденсатор – единица ПЗС.

М ОП-конденсатор – полупроводник p-типа (дырок >> электронов). На затворе (З) + => электрическое поле, проникая в Si сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки, возникает обедненная область, свободная от основных носителей (размер около 5 мкм).

Электроны при фотогенерации притягиваются к З и сваливаются в потенциальную яму, нейтрализуя электрическое поле З. Если на З рядом подан положительный заряд больше, чем на первый З, их потенциальные ямы объединяются и электроны перемещаются в соседнюю яму. Таким образом происходит передача зарядового пакета в цепи З.

Архитектура ПЗС

Свойство самосканирования ПЗС-матрицы – для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трех тактовых шин (элемент регистра).

Для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трех электродов переноса: передающего, принимающего и изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих. => Трехфазный регистр сдвига на ПЗС – единая тактовая шина, требующая одного внешнего вывода.

(См. картинки слева направо, сверху вниз)

Трехфазный регистр сдвига на ПЗС

В каждый момент времени на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и на другой – низкий потенциал (потенциал барьера).

При повышении потенциала на одной шине и его снижении на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние З.

За полный цикл = такт на каждой фазной шине происходит передача/сдвиг зарядовых пакетов на один элемент регистра.

(На рисунке выше – как подаются напряжения на затвор в соответствии с фазой)

СТОП-каналы

СТОП-каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса – для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении.

От концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обедненная область = пороговое напряжение МОП-структуры:

Чем больше концентрация примеси, то есть чем больше дырок в полупроводнике (труднее их отогнать вглубь), тем выше пороговое напряжение / ниже потенциал в потенциальной яме.

Поверхностный канал переноса ПЗС

Граница раздела – нарушение однородности кристалла => возникновение разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне:

• освобожденные электроны попадают в следующий зарядовый пакет;

• шум переноса при распределении зарядов по ячейкам;

• фиксированные потери при переносе малых зарядовых пакетов;

• генерация темнового тока (спонтанное образование электронно-дырочных пар).

На полную передачу заряда из одной ямы в другую требуется время (# для ТВ стандарта – 7…13 МГц).

Эффективность переноса ε – величина, показывающая, какая часть зарядового пакета передалась в следующий элемент ПЗС.

Величина неэффективности η = 1 – ε.

Скрытый канал переноса ПЗС

Philips, 1972 г. – ПЗС с объемным каналом.

В приповерхностной области Si-подложки тонкий (0,3…0,5 мкм) слой с типом проводимости, противоположным подложке, с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче управляющих напряжений на расположенные под ним поли-Si затворы.

Сигнальный заряд – в отдалении от границы раздела => резкое снижение влияние поверхностных состояний на процесс переноса заряда.

• Эффективность переноса = 0,999995 на частотах до 40…50 МГц.

Детектирование зарядов

В конце цепочки МОП-конденсаторов – выходное устройство детектирования по изменению плавающего потенциала:

• Выходные устройства с плавающим затвором – плавающий потенциал устанавливается на МОП-емкости;

• Выходные устройства с плавающей диффузионной областью – на p-n переходе.

Стандартный Ч/Б ТВ-СИГНАЛ (ГОСТ 7845-92)

Видеосигналы строк (уровень черного – 0,33 В, белого – 1,00 В) разделены интервалом обратного хода по строке 0,3 В (строчный гасящий интервал – возврат электронного луча к началу след. строки), во время которого подается строчный синхроимпульс 0 В. После передачи сигналы всех строк одного поля – формирование кадрового гасящего интервала. Строчные синхроимпульсы подаются, чтобы не сбивать схемы строчной развертки кинескопа. По окончании кадрового гасящего начинается прямой ход по кадры для следующего поля.

Цветной ТВ-СИГНАЛ

Стандарты цветного видеосигнала:

• SECAM (Франция, РФ, Греция, Индия);

• PAL (Западная Европа, Азия, Австралия);

• NTSC (США, Канада, Япония, Южная Корея, Тайвань).

В видеосигнал дополнительно включаются сигналы цветности и цветовой синхронизации – модуляция сигнала и цветовое матрицирование.

Исходные сигналы трех основных цветов E_r, E_g, E_b (красный, зеленый и синий) преобразуется в сигнал яркости E_y по формуле:

E_y = 0,299*E_r + 0,587*E_g + 0,114*E_b,

а также в два цветоразностных сигнала по формулам:

D_r = -1,9*(E_r – E_y);

D_b = 1,5*(E_b – E_y).

Система SECAM

В сигнале яркости с помощью режекторного фильтра освобождается часть спектра:

Сигналы цветности – посредством частотной модуляции с построчным чередованием. Сигнал яркости + один из сигналов цветности (накладывается на сигнал яркости методом частотного уплотнения). Два сигнала цветности передаются попеременно через строку. Второй цветоразностный сигнал получают из предыдущей строки с помощью линии задержки.

Квадратная амплитудная модуляция

Синхронизация генератора в виде сигнала-вспышки – периодов f_ЦП:

Изменяется фаза и амплитуда сигнала => повышается количество информации, передаваемой отсчетом сигнала.

Сигнал яркости:

E_y = 0,299*E_r + 0,587*E_g + 0,114*E_b.

Цветоразностные сигналы:

E_u = 0,493*(E_b– E_y);

E_v = 0,877*(E_r – E_y).

Полный видеосигнал:

E = E_y + E_u*sin(2nf_ЦП) ± E_v*cos(2nf_ЦП),

где f_ЦП = 4433618,75 Гц – частота цветовой поднесущей. => 575 активных строк в чересстрочном режиме.

Цифровой видеосигнал (рекомендация МСЭ-К ВТ.656)

Частота дискретизации = 13,5 МГц – удвоенная max частота в спектре аналогового видеосигнала (6,5 МГц).

864 цифровых отсчета за время одной строки (64 мкс):

• 144 отсчета – гасящий строчный импульс;

• 720 отсчетов – активная часть строки.

• Стандартный формат кадра 720х576 пикселов, 200-250 уровней квантования;

• Согласуется с 8-разрядным АЦП и ЦАП.

По рисунку: DIGITAL ACTIVE LINE – активная часть строки, DIGITAL BLANKING – сигнал гашения, TOTAL LINE – полная строка, SYNC LEVEL – уровень импульсов синхронизации.

Сигналы яркости и цветности для 8-разрядного АЦП

Передача в параллельном виде с использованием 8-разрядной шины данных (базовая разрядность) с частотой передачи 27 МГц (для 16-разрядной шины данных частота – 13,5 МГц).

Схема 4:2:2: на каждые четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета каждого из сигналов цветности.

Передача видеосигнала 625 строк 50 Гц

Start of digital line – начало цифровой строки, Start of Digital active line – начало активной части цифровой строки, Next line – следующая строка.

Цифровой сигнал строчного гасящего импульса всегда начинается с EAV (end of active video) и заканчивается SAV (start of active video):

FF 00 00 + информация о типа сигнала.

ПЗС-матрица с кадровым переносом

• 2 вертикальных регистра сдвига на ПЗС:

• Секция накопления (накапливает следующий кадр изображения);

• Секция хранения (во время обратного хода по строке передает в горизонтальный регистр);

• Горизонтальный регистр сдвига;

• Выходное устройство.

Зарядовый рельеф – заряд каждой ячейки пропорционален ее освещенности и времени накопления.

Недостаток: Смаз – вертикальный след от ярких участков изображения размером во весь кадр (некоторые участки успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет).

Аналогия технологии ПЗС

Архитектура ПЗС-матриц с кадровым переносом

Преимущества ПЗС-матриц

• Жесткий растр – задается с высокой точностью в процессе изготовления => геометрические искажения определяются только качеством оптики.

• Отсутствие микрофонного эффекта – изменения параметров э/вакуумного прибора из-за акустического воздействия.

• Нечувствительность к магнитным полям.

• Отсутствие эффекта выжигания.

• Отсутствие инерционности – накопленный сигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра.

• Однородность сигнала – все зарядовые пакеты детектируются одним усилителем.

• Коэффициент заполнения = 100% - вся площадь секции накопления является фоточувствительной.

ПЗС-матрица с межстрочным переносом

Функции накопления заряда и его переноса разделены: заряд элементов накопления передается в закрытые от света ПЗС-регистры переноса (секция переноса ~ вставлена в секцию накопления).

Преимущество: перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один такт, и смаз, связанный с переносом, не возникает.

ПЗС-матрица со строчно-кадровым переносом

Добавляется секция памяти с соответствующим числом элементов: для снижения искажения, возникающие из-за попадания в каналы переноса носителей, генерируемых в глубине подложки.

Смаз в матрице со строчно-кадровым переносом пренебрежимо мал.

Микролинзовый растр в ПЗС с межстрочным переносом

Микрорастр – массив небольших линзочек – для повышения эффективности сбора фотонов:

На поверхность матрицы наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, вырезаются квадратики, пластмасса подплавляется и поверхность приобретает близкую к сферической форму

Характеристики ПЗС

• Интегральная чувствительность:

• Интегральная чувствительность – отношение величины фототока (в мА) к световому поток (в Лм) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания.

• Монохроматическая чувствительность – отношение величины фототока (в мА) к величине световой энергии излучения (в мЭВ), соответствующей определенной длине волны.

• Спектральная чувствительность – зависимость чувствительности от длины волны света (набор значений монохроматической чувствительности):

• Коэффициент отражения – величина, отображающая долю тех фотонов, которые «отрикошетируют» от поверхности сенсора.

• Коэффициент поглощения – проникающая способность фотонов в полупроводник.

• Динамический диапазон – способность матрицы различать в изображении, проецируемом на ее регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых.

• Блюминг – внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потенциальной ямы => заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселам.

• Размер по диагонали.

• Темновой ток – результат спонтанной генерации электронно-дырочных пар.

• Шумы.

Размеры светочувствительных матриц

(соотношение для разных сенсоров)

КМОП-матрицы

ПТ с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Элементы-ячейки КМОП-матриц:

• Светочувстительный элемент (фотодиод, фотоконденсатор);

• Затвор;

• Конденсатор, сохраняющий заряд с диода;

• Усилитель;

• Шина выбора строки;

• Вертикальная шина, передающая сигнал процессору;

• Сигнал сброса.

С технологией активного пиксела: усилитель = однотранзисторный истоковый повторитель.

Архитектура КОМП-матриц

Преимущества и недостатки ПЗС-матриц

Преимущества:

• Низкий уровень собственных шумов.

• Высокий коэффициент заполнения пикселов (примерно 100%).

• Высокая динамическая чувствительность.

• Высокая эффективность использования – под светочувствительные элементы используется вся площадь матрицы.

Недостатки:

• Дорогое происзводство и сложная технология.

• Высокое энергопотребление.

• На кристалле размещаются только светочувстивтельные микросхемы, а все остальные микросхемы (преобразователи, процессор, память и т.п.) необходимо размещать отдельно.

Преимущества и недостатки КМОП-матриц

Преимущества:

• Очень высокое быстродействие (возможность до 500 кадров/с).

• Низкое энергопотребление (по сравнению с ПЗС-матрицами почти в 100 раз ниже).

• Дешевое производство и возможность размещать на одном кристалле все необходимые схемы (преобразователи, процессор, память и т.п.).

Недостатки:

• Высокий уровень шума – в отсутствие освещения через фотодиод течет ток.

• Дополнительный нагрев (на матрице дополнительные электронные элементы).

• Низкий коэффициент заполнения пикселов (примерно 75%).

• Невысокая динамическая чувствительность (искажения).

Rolling shutter (построчный перенос) – визуальный эффект, при котором происходит не моментальная фиксация изображения, а построчное считывание.

Слева крутится (направо) – справа построчно считывается.