Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть вторая)
После прочтения предыдущей части у нашего читателя могло сложиться впечатление, что ПЗС-матрица – это некий «чёрный ящик», выдающий «электронный негатив» после того, как на его регистрирующую поверхность было спроецировано созданное объективом световое изображение, и что на качество снимка влияет исключительно размер сенсора.
Той же точки зрения придерживаются продавцы цифровой фототехники, мягко, но настойчиво подталкивающие потенциального покупателя к приобретению модели с как можно более крупногабаритной матрицей, даже если объективных причин для такой покупки нет. Ещё чаще в качестве «наживки» для клиента выступают разного рода «уникальные разработки», использованные при создании матрицы, которые, как ни странно, никем из прочих производителей не применяются.
Начинающему фотолюбителю трудно отличить рекламные обещания от действительно эффективных инженерных находок. В настоящей статье будет сделана попытка «отделить зерна от плевел», однако для начала необходимо ознакомиться с базовыми определениями цифровой фотографии.
Как фотон становится электроном
В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Это может быть либо пара «электрон + дырка», либо единичный носитель заряда – последнее происходит при использовании донорных либо акцепторных примесей в полупроводнике. Очевидно, что образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо как-то сохранить.
Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка p-типа – оснащается каналами из полупроводника n-типа, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд, «добываемый» посредством внутреннего фотоэффекта. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой.
Сечение пикселя ПЗС-матрицы
Чтобы получить «электронный негатив», необходимо считать заряд каждой потенциальной ямы матрицы. Данный заряд получил название фототок, его значение довольно мало и после считывания требует обязательного усиления.
Считывание заряда производится устройством, подключённым к самой крайней строке матрицы, которое называется последовательным регистром сдвига. Данный регистр представляет собой строку из ПЗС-элементов, заряды которой считываются поочерёдно. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – собственно, именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью. Для этого используются электроды переноса (transfer gate), расположенные в промежутке между ПСЗ-элементами. На эти электроды подаются потенциалы, «выманивающие» заряд из одной потенциальной ямы и передающие его в другую.
При синхронной подаче потенциала на электроды переноса обеспечивается одновременный перенос всех зарядов строки справа налево (или слева направо) за один рабочий цикл. Оказавшийся «лишним» заряд поступает на выход ПЗС-матрицы. Таким образом, последовательный регистр сдвига преобразовывает заряды, поступающие на его вход в виде параллельных «цепочек», в последовательность электрических импульсов разной величины на выходе. Чтобы подать эти параллельные «цепочки» на вход последовательного регистра, опять-таки используется регистр сдвига, но на этот раз параллельный.
Сечение пикселя ПЗС-матрицы
Фактически параллельным регистром является сама ПЗС-матрица, создающая посредством совокупности фототоков электронный «слепок» светового изображения. Матрица представляет собой множество последовательных регистров, называемых столбцами и синхронизированных между собой. В результате за рабочий цикл происходит синхронное «сползание» фототоков вниз, а оказавшиеся «лишними» заряды нижней строки матрицы поступают на вход последовательного регистра.
Как следует из вышесказанного, необходимо достаточно большое количество управляющих микросхем, синхронизирующих подачу потенциалов как на параллельный, так и на последовательный регистры сдвига. Очевидно, что последовательный регистр должен полностью освободиться от зарядов в промежутке между тактами параллельного регистра, поэтому требуется микросхема, синхронизирующая между собой оба регистра.
Из чего состоит пиксель
По указанной выше схеме работает так называемая полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD-matrix), её режим работы накладывает некоторое ограничение на конструкцию камеры: если в процессе считывания фототоков экспонирование не прекращается, «лишний» заряд, генерируемый попадающими на пиксели фотонами, «размазывается» по кадру. Поэтому необходим механический затвор, перекрывающий поступление света к сенсору на время, необходимое для считывания зарядов всех пикселей. Очевидно, что такая схема считывания фототоков не позволяет формировать видеопоток на выходе с матрицы, поэтому применяется она только в фототехнике.
Впрочем, избыточный заряд может накопиться в потенциальной яме и при фотосъёмке – например, при слишком «длинной» выдержке. «Лишние» электроны стремятся «растечься» по соседним пикселям, что на снимке отображается в виде белых пятен, размер которых связан с величиной переполнения. Данный эффект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).
Боковой дренаж ПЗС-матрицы
Схема бокового дренажа
Для реализации вертикального дренажа на подложку ЭОП подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон. А в матрицах с обратной засветкой (в них фотоны проникают внутрь сенсора не сквозь электрод потенциальной ямы, а со стороны подложки) вертикальный дренаж вообще неприменим.
Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных «дренажных канавок», в которые «стекают» избыточные электроны. Для формирования этих канавок прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному «бегству» электронов из потенциальной ямы.
Как следует из описания, при боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех. Поэтому производители вынуждены идти на усложнение конструкции матриц.
Таким образом, «обвязка» любого пикселя состоит как минимум из электродов переноса заряда и из компонентов дренажной системы. Однако большинство ПЗС-матриц отличается более сложной структурой своих элементов.
Оптика для пикселя
ПЗС-матрицы, используемые в видеокамерах и в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов, обеспечивают непрерывный поток импульсов на своём выходе, при этом перекрытие оптического тракта не происходит. Чтобы при этом не происходило «смазывание» изображения, используются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix).
ПЗС-матрица с буферизацией столбцов
Структура матрицы с буферизацией столбцов
В таких сенсорах рядом с каждым столбцом (который представляет собой последовательный регистр сдвига) располагается буферный столбец (тоже последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупность буферных столбцов составляет буферный параллельный регистр, причём столбцы данного регистра «перемешаны» с регистрирующими свет столбцами.
За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига отдаёт все свои фототоки буферному параллельному регистру посредством «сдвига по горизонтали» зарядов, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный «сдвиг по вертикали» зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы.
Очевидно, что перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени и перекрывать световой поток механическим затвором нет необходимости – ямы не успеют переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо со временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с частотой от 30 кадров в секунду и выше.
В свою очередь, сенсоры с буферизацией столбцов подразделяются на две категории. При считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan). Когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй – чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan). Кстати, за счёт сходства звучания английских терминов «матрица с буферизацией столбцов» (interlined) и «чересстрочная матрица» (interlaced) в отечественной литературе сенсоры с буферизацией строк нередко ошибочно называют чересстрочными.
Как ни странно, «размазывание» заряда (smear) происходит и в матрицах с буферизацией столбцов. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму расположенного рядом буферного элемента. Особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях фототока, вызванных очень высокой освещённостью пикселя. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, которая портит кадр.
Для противодействия этому явлению увеличивают расстояние между светочувствительным и буферным ПЗС-элементами. В результате усложняется обмен зарядом и увеличивается затрачиваемое на это время, однако искажения кадра, вызываемые «размазыванием», всё же слишком заметны, чтобы ими пренебрегать.
Буферизация столбцов позволяет также реализовать электронный затвор, с помощью которого можно отказаться от механического перекрытия светового потока. С помощью электронного затвора можно получить сверхмалые (до 1/10000 секунды) значения выдержки, недостижимые для механического затвора. Эта возможность особенно актуальна при фотографировании спортивных состязаний, природных явлений и т. п.
Для реализации электронного затвора обязательно необходим антиблюминговый дренаж. При очень коротких выдержках, которые по длительности меньше, чем время переноса заряда из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, дренаж играет роль «отсечки». Эта «отсечка» предотвращает попадание в яму буферного ПЗС-элемента электронов, возникших в яме светочувствительного элемента по истечении времени выдержки.
Однако схема с буферизацией столбцов не лишена недостатков. Основной минус заключается в том, что буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю в качестве светочувствительной области достаётся лишь 30% от его общей поверхности. У пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%.
Для компенсации этого минуса производители используют микролинзы, располагающиеся над каждым элементом матрицы и фокусирующие весь достающийся пикселю световой поток на сравнительно малую светочувствительную область.
Эффект использования микролинз
Структура пикселей – с микролинзой и обычного
Степень концентрации светового потока при прохождении сквозь микролинзу зависит от технологического уровня производителя матрицы. Встречаются довольно сложные конструкции, обеспечивающие максимальную эффективность этим миниатюрным устройствам.
Однако при использовании микролинз значительно сокращается вероятность того, что лучи света, падающие под большим углом к нормали, проникнут в светочувствительную область. А при большом отверстии диафрагмы процент таких лучей довольно велик. Таким образом, уменьшается интенсивность воздействия светового потока на матрицу, то есть основной эффект, ради которого открывают диафрагму.
Впрочем, вреда от таких лучей ничуть не меньше, чем пользы. Дело в том, что, проникая в кремний под большим углом, фотон может войти в матрицу на поверхности одного пикселя, а выбить электрон в теле другого. Это приводит к искажению изображения. Поэтому, чтобы ослабить влияние таких «бронебойных» фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической), что дополнительно усложняет конструкцию матриц.
Кроме того, микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора. Но и данный негативный эффект может оказаться частично полезным. Такие тончайшие линии могут привести к ступенчатости (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Ступенчатость приводит к появлению в изображении рваных линий с «зазубринами» по краям.
Именно из-за ступенчатости камеры с крупногабаритными полнокадровыми матрицами оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), и цена этих устройств довольно высока. Ну а матрицам с микролинзами этот фильтр не нужен.
Вследствие различных требований к качеству изображения матрицы с буферизацией столбцов применяются в основном в любительской технике, тогда как полнокадровые сенсоры обосновались в профессиональных и студийных камерах.
Продолжение следует
Настоящая статья даёт описание, если можно так сказать, геометрии пикселя. Более подробно о процессах, происходящих при регистрации, хранении и считывании заряда, будет рассказано в следующей статье.
Источник
ПЗС линейка: с чем ее едят
В этой статье я хочу представить свой опыт по использованию линейного ПЗС-фотоприемника. Такая ПЗС-линейка может быть использована в проекте самодельного спектрометра, считывателя штрих-кодов, датчика положения или отклонения лазерного луча, сканера для фото- или кинопленки и много где еще. В моем случае это был лазерный сканер, описывать который в сети мне не позволяет сфера его применения.
Что такое прибор с зарядовой свзью
Чаще всего, когда говорят о ПЗС, имеют в виду различные фотоприемники. Реже — это устройства памяти: регистры сдвига, линии задержки. По своей сути это устройство, чем-то напоминающее память на цилиндрических магнитных доменах, только на кремнии — с помощью создаваемой системой электродов бегущей волны электрического поля по полупроводнику перемещаются сгустки носителей заряда, каким-либо образом образовавшиеся в нем ранее. Таким образом, мы получаем регистр сдвига, имеющий предельно простую структуру и способный запоминать не только последовательность цифровых единиц и нулей, но и аналоговый сигнал.
В ПЗС-приемниках изображения используется как раз вот эта способность данной структуры — последовательно выводить один за другим заряды, накопленные под каждым из пикселов структуры. Кроме того, та же система затворов, что используется для перемещения зарядов, во время экспонирования создает потенциальные ямы, в которых эти заряды накапливаются (либо эти ямы создаются в процессе формирования структуры — подобно встроенному и индуцированному каналам МОП-транзистора). Более сложные структуры включают в себя резистивный затвор, вдоль которого формируется плавный потенциальный склон (так устроены ПЗС-линейки Hamamatsu S11155)., а также разделение зон накопления и переноса зарядов — накопленные заряды всей строки сначала переносятся в буферную строку, а затем уже последовательно выдвигаются на выход вдоль последней.
Простота внутренней структуры выливается в сложность управления ею. Даже простейший вариант ПЗС-линейки требует генерировать двух-или трехфазный сигнал сложной формы с различными уровнями напряжения с крутыми фронтами (при высокой входной емкости, составляющей 1000 и более пФ), сдвинутыми друг относительно друга. Линейки типа Hamamatsu S11155 требуют аж восьми разных сигналов с различными уровнями напряжений высокого и низкого уровня по обе стороны нуля.
К счастью, некоторые фирмы (например, Sony) выпускали линейки, в которых вся эта сложность формируется прямо на кристалле. И для их работы нужно сформировать всего два сигнала: открывающий электронный затвор на время экспозиции, и тактовый. В нашей конструкции именно такая линейка ILX554: ее (как правило, б/у, но вполне работоспособную) несложно приобрести у китайцев на Aliexpress.
Заглянем в даташит
И видим, что из 22 выводов корпуса задействованы лишь 6. Это питание +5В, входные сигналы ROG и CLK, выходной сигнал Vout, вход выбора режима SHSW и земля. И это все.
ROG — это управление электронным затвором (и запуском переноса заряда с фоточувствительной строки на непосредственно сдвиговый регистр). У него активный уровень — нулевой. Чтобы проэкспонировать матрицу, его надо прижать к нулю и подержать, сколько надо — от 5 мкс до нескольких секунд. А потом, отпустив, подождать не меньше 3 мкс (за это время отрабатывает схема переноса заряда). Все это время на входе CLK мы держим высокий уровень. А затем можно считывать линейку, подавая на вход CLK меандр частотой от нескольких десятков килогерц до 2 МГц. При этом при каждом перепаде с единицы в ноль очередной пиксел будет выталкиваться на выход. Таких пикселов в линейке 2088 штук, из них рабочих, светочувствительных — 2048 (реально — на несколько штук больше, но крайние пикселы частично затенены). Даташит рекомендует подавать на матрицу не менее 2090 импульсов CLK для корректной работы.
А как он будет выталкиваться, зависит от того, что на входе SHSW. Если на нем — логическая единица, то на выходе будет получаться довольно замысловатый сигнал:
Причем при переходе CLK из нуля в единицу происходит сброс, а из единицы в ноль — выдача полезного сигнала.
А при нуле на входе SHSW включается встроенная схема выборки-хранения, которая упрощает этот сигнал до простого ступенчатого видеосигнала, где с каждым новым переходом CLK в ноль просто появляется уровень сигнала очередного пиксела и удерживается в течение всего периода сигнала CLK.
Полезный диапазон выходного сигнала идет от некоего темнового уровня, который по данным даташита составляет 2,85 В, а в реальности он может быть различным (в моей линейке — около 3 В), а при насыщении уровень выходного сигнала падает до 1,5-2 В.
В общем-то и все, что нам нужно про эту линейку знать.
Она проста и очевидна. Сигналы CLK и ROG мы генерируем программно с помощью МК, а триггеры Шмитта на входе — простейший способ перейти от 3,3 В к 5 В. Дело в том, что по этим входам в линейке нет никаких буферов, и для корректной работы внутренних схем матрицы нужно подать на них меандр с полным размахом от нуля до пяти вольт и хорошей крутизной фронтов. Указанные на схеме NC7SZ14M5X — очень удобные одиночные инвертирующие триггеры Шмитта с крутыми фронтами и повышенной нагрузочной способностью, и я их часто использую в своих проектах.
С помощью DA1 уровень видеосигнала с линейки «разгоняется» до диапазона, в котором работает АЦП, одновременно убирается «подставка» величиной примерно 1,5 В, соответствующая уровню насыщения. Так как у разных экземпляров ПЗС-линеек достаточно сильно разнятся размах сигнала и величина «подставки», сопротивления R1 и R3 следует подобрать, «уложив» выходной сигнал в необходимый диапазон. При этом нужно учесть, что от сопротивления R1 зависит не только смещение, но и усиление, поэтому сначала нужно подбирать его.
L1 и L2 — ферритовые бусины или маленькие дроссели на 1-2 мкГ типоразмера 0805 или 0603. Резисторы и конденсаторы применены того же типоразмера. Схема собрана на двусторонней плате поверхностным монтажом. Разводку платы не привожу, так как у меня на ней еще много чего.
Программная реализация на МК
Задачей МК является формирование сигнала ROG высокого уровня (не забываем про инверторы!) нужной длительности, затем — небольшой (3-10 мкс) паузы, а после нее — последовательности из 2090 импульсов высокого уровня, разделенных равными им по длительности паузами. Во время этих импульсов (или пауз) через некоторое время после фронта значение освещенности пиксела снимается с помощью набортного или внешнего АЦП. После считывания кадра нужно также сделать паузу до нового импульса ROG — те же 3-10 мкс. После включения питания и, как выяснилось, после долгого (больше 100 мс) неиспользования линейки ее нужно «прочистить», подав вхолостую стандартную серию импульсов на CLK пару-тройку раз.
На STM32 это все разумно сделать на прерывании от таймера. Настроив таймер на генерацию прерываний частотой, соответствующей удвоенной частоте пикселов, мы каждое срабатывание таймера попадаем в прерывание, где попеременно выводим в порт ноль или единицу, и когда выводим ноль, после этого считываем показания с АЦП. И отсчитав 2090 циклов, мы останавливаем таймер. Чтобы считать очередной кадр, нужно сбросить счетчик циклов в ноль, запустить таймер и ждать, пока не считается все.
Примерно вот так, как приведено в данных фрагментах кода.
И вот результат
Результат неплохой. Несмотря на то, что встроенный АЦП не блещет характеристиками, его шумовые характеристики вполне соответствуют шуму ПЗС-линейки. Размах шумовой дорожки темнового сигнала при времени накопления около 1 мс оказывается равен
3-4 уровням квантования и при использовании внешнего 14-разрядного АЦП с прекрасными характеристиками результаты получаются лишь немногим лучше. С ростом же освещенности шумы растут по простой причине: количество фотоэлектронов в каждом из пикселов не так велико (по моим расчетам — около 30 тысяч при насыщении). У лучших приборов эта величина достигает 200 тысяч.
На графике ниже — пример зарегистрированного линейкой «изображения», на котором на фоне освещенной стены стоит темный стенд, на котором закреплен стеклянный полый шарик диаметром 1 см, залитый внутри черным раствором. Пик — это отражение от внешней поверхности этого шарика. Шум на светлых участках — это структура самой стены, усиленная спеклами от лазера, от кадра к кадру он остается неподвижным. Реальный шум линейки значительно меньше.
Другие похожие линейки
Совершенно аналогично работают и некоторые другие 2048-пиксельные черно-белые ПЗС-линейки фирмы SONY — ILX511, ILX551 (у последней отличается цоколевка и ей требуется два напряжения питания — 5 и 9 В), отличающиеся поперечным размером пиксела (от 14 до 200 мкм) и спектральной чувствительностью (ILX554A красно- и ИК-чувствительная, аналогичная с индексом B имеет пониженную чувствительность в ИК области и приближена по чувствительности к глазу, а ILX511B более синечувствительная). Разные у них и динамические характеристики: у ILX551B динамический диапазон за счет малых размеров пиксела достигает 6000 (наша линейка достигает такого ДД при коротких выдержках около 10 мкс).
* * *
В данной статье рассмотрено подключение едва ли не самой простой в использовании ПЗС-линейки. Простота эта обусловлена тем, что вся сложность спрятана у нее под капотом. Если бы не встроенные драйвера, пришлось бы формировать множество разноуровневых сигналов.
К сожалению, по современным меркам, такие ПЗС-линейки со встроенными драйверами имеют не самые лучшие характеристики. Так, у данной линейки динамический диапазон, определенный, как соотношение сигнала насыщения к темновому сигналу, составляет 333:1, а определяемый, как отношение сигнала насыщения к минимальному обнаружимому на фоне шума сигналу — около 1000:1. Но такие приборы не только сложны в использовании, но часто и труднодоступны (та же Hamamatsu требует при покупке ее ПЗС-линеек и других фотоприемников сложных бюрократических формальностей в связи с двойным назначением этих изделий). Вместе с тем, далеко не всегда требуются столь высокие характеристики, и для многих целей параметры данных приборов вполне приемлемы.
Источник
