7. Приемцветногоизображенияприпомощиприемников

СЗАРЯДОВОЙСВЯЗЬЮ(ПЗС)

ВсвоеместественномсостоянииПЗС-приемникиизображения,ис-пользуемыевцифровыхфото-ителекамерах,неявляютсяцветнымиприемниками.Длятогочтобыосуществитьприемцветногоизображе-ния,допоследнеговремениприменялосьнесколькометодов.

Вслучаестудийныхсъемок,ввысококачественныхкамерахдосихпориспользуюттрехматричнуюсхемуформированияцветногоизо-бражения.Спомощьюлюбогодиспергирующегоустройствалучсвета

соответствующейдлиныволнынаправляетсянаоднуизматриц.Перед

каждойизтрехматрицустанавливаетсясплошнойцветнойфильтр,пропускающийодинизосновныхцветов(синий,красныйилизеле-ный).Далеепроисходитвсе,какописановпредыдущемпараграфе.Сформированныенавыходематрицсигналынапряженияилитокаэлектромагнитногоизлученияизлучаютсявэфирлибопередаютсяпокабелю.Матрицавзеленомканалеформируетвидеосигналчеткости,поэтомуотнеетребуетсямаксимальновысокоеразрешение.Есливсистемеприменяютсяматрицыодногоформата,томатрицывсинемикрасномканалемогутиметьразрешениевчетыреразаменьше.

Предпочтительнеебылоиспользоватьдляприемацветныхизобра-женийоднуматрицуПЗС.Сначаладляэтоговоптическийканалмон-тировалсявращающийсядиск,вотверстиякотороговставлялисьзеле-ный,красныйисинийфильтры.Затемосновнымнаправлениемсталоразмещениефильтровнепосредственнонаповерхностиматрицы,аглавнойпроблемой–изготовлениесамогофильтраисозданиеусловийадаптацииегокконструкцииматрицы.Таккакэтоотдельнаябольшаяпроблема,выходящаязарамкинашейкниги,тоограничимсятолькокороткимеерассмотрением.Длясозданияинтерференционныхфильт-ровиспользуетсяпоследовательноенапылениетонкихслоевсвысо-ким(например,диоксидгафния)инизким(например,двуокиськрем-ния)показателямипреломления.Чтобыоценитьсложностьзадачиотметим,чтовкрасномфильтретакихслоев–31,всинем–25,взеле-ном–28.В70-хгодахХХвекавИФПбылитакжеразработаныанало-гичныефильтрынаосновепарыSiO₂–Si₃N₄.Режимынапылениярас-считывалисьнаЭВМпоразработанноймодели,иврезультатеотносительноесреднеквадратичноеотклонениеспектральныххаракте-ристикотзаданныхнепревышало10...12%.Составитехнологияизго-товленияфильтраидеальносочеталисьстрадиционнойкремниевойтехнологией.

Для наиболее рационального использования одноматричного

приемацветногоизображениянадкаждымфотоприемникомразме-щаютсямаленькиефильтры.Чащевсеговзаимноерасположениефильтровследуетсистеме,котораятеперьименуется«расположениеБауэра»ивпринципесоответствуетрис.5.21.Этасистемапредусмат-риваетповторяющийсянаборкрасных,зеленыхиголубыхпикселей,которыерасполагаютсядругзадругом.Именноэтифильтрыдаютвозможностьсенсоруформироватьцветноеизображение.СпомощьюиспользованиядвухпикселейсзеленымфильтромнакаждыйкрасныйилиголубойсистемаБауэраприводиткмаксимальнойчеткостиввос-приятиияркостиканала(рис.5.22).

НеобходимойфазойприемаизображенияпосистемеБауэраявля-етсяинтерполяция,вовремякоторойнедостающиеданныевсигналерассматриваемогопикселяоцениваютсяизданныхсоседнегопикселя.Погрешности,полученныеприэтом,оцениваютсяизатемисправля-ютсяспомощьюдальнейшейобработкивмикропроцессорах,чтоус-ложняетконструкциюиувеличиваетэнергетическиезатраты.

	G		G
G		G
	G		G
G		G

^R R

В В

^R R

В В

Рис.5.22.Типичнаякартинаразложенияпоцветам(см.цветнойвариантнафорзаце):

притакомрасположениифильтроввплоскостиизображенияполучаетсяболеенизкаярезкость,чеммоглабыбыть.Крометого,такоерасположениеприводит

кпоявлениювплоскостиизображенияцветногомуара

ВконцеХХвеканесколькоразработчиковпредложилидляцвето-передачиинойпринцип,которыйисключалмногиесложностисисте-мыБауэра.Вэтихразработкахбылучтенопытисторииразвитияцвет-нойфотографии.Опытпоказал,чтонаилучшиерезультатыбылиполученыпослепримененияфотопленкиввидесочетаниянесколькихслоев,каждыйизкоторыхбылчувствителенкодномуизосновныхцветов(Kodachrom-1935,AgfaColorNeu-1936,Polarocоlor-1957).По-степенносталоясно,чтодальнейшееразвитиеиполупроводниковыхприемниковцветногоизлучения–вприменениимногослойныхтвер-дотельныхсенсоровцвета.Наиболеепредпочтительнойбылаидеяприменитьдляэтого«вертикальныйцветнойфильтр»,используяесте-ственныесвойствакремниевойподложкипоглощатьизлучениераз-личнойдлиныволнынаразномрасстоянииотповерхности,накото-руюпроецируетсяцветноеизображение.ИменновэтомнаправлениинарубежеХХ–ХХIвековначалиработунесколькоисследователь-скихгрупп,которыезатемисделали,вчастности,дляцифровойфо-тографиитоже,чтовпервойполовинеХХвека«Кодак»и«Агфа»сделалидляпленочнойфотографии,–онисоздалимногослойныйкремниевыйфотосенсор[5.6–5.10].

Впротивоположностьбауэровскомупринципу,гдеиспользуетсялатеральныйспособраспределенияцвета,былапредложенаконструк-ция,позволяющаярасположитькрасный,синийизеленыйпикселиодинподдругим.Этоувеличиваетвозможностьболееплотногораспо-ложенияпикселей,повышаятакимобразомрезкостьсигналадлякаж-дойячейкисенсораизображения.Вертикальноерасположениеодного

поддругимкрасного,синегоизеленогопикселейисключаеттакжефа-зовыеразличиямеждунимивцветнойпанели(матрице).Отпадаетне-обходимостьвспециальныхфильтрах,борющихсяс«муаром»визо-бражении,которыевсегдаприменяютсявматрицах,собранныхпосистемеБауэра.

Сутьметодазаключаетсявследующем.Таккаккоэффициентпо-глощениясветавполупроводникахзависитотдлиныволны,тофото-нысразнойдлинойволныбудутпоглощатьсяпо-разному:вблизиос-вещаемойповерхностивбольшейстепенибудутпоглощатьсякоротковолновыефотоны,асувеличениемдлиныволныфотоныбудутпоглощаться всеболееиболееравномерно.Нарис.5.23показаназави-симостькоэффициентапоглощенияиглубиныпроникновенияфото-новвкремнииотдлиныволныизлучения[5.11].

Коэффициентпоглощения,см^–1

10⁵

4

10

10³

2

Глубинапроникновения,мкм

10

1

10

10⁰

2

–1

10 ¹⁰

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длинаволны,мкм

Рис.5.23.Зависимостькоэффициентапоглощенияиглубиныпроникновениявкремнииотдлины

волнысвета

Нарис.5.24схематическиизображенцветочувствительныйсенсор,которыйпоглощаетсначалафотонысдлинойволны,соответствующейсинемуцвету,затем«зеленые»фотоныинаконецвсамомглубокомслое–«красные».

Изэтогорисункатакжепонятно,чтовтакойструктуреимеетсявозможностьподключатьсяккаждомуиз«захороненных»электронно-дырочныхпереходовипроводитьизмерениясигналаотгенерациифо-

тоновсразличнойдлинойволны.

Кактолькосветпопадаетвсенсор,егопоглощениеприводиткге-

нерацииносителейзарядапропорциональнокоэффициентупоглоще-

ния.Померепроникновениясветавкремнийплотностьфотоновэкс-поненциальноснижается.Вконцеконцов,глубженесколькихмикроностаютсятолькокраснаяиинфракраснаясоставляющаясвета.

С З К

N++

_{p-слойПоглощение}синихфотонов

_n-слой Поглощениезелѐныхфотонов

p-подложка

Поглощениекрасныхфотонов

0,2мкм

0,6мкм

2мкм

Рис.5.24.Схематическоеизображениесенсорногоустрой-ства,котороепоглощаетвсепадающиенанегофотоны,производяфильтрациюцветныхкомпонентов,используязависимостьпоглощениявкремнииотдлиныволны

(см.цветнойвариантнафорзаце)

Именноэтаситуацияиизображенанарис.5.25,гдевидно,чтове-личинапоглощенияявляетсяэкспоненциальнойфункциейглубиныпроникновениядлясветалюбойдлиныволны.Виднотакже,чтофотонысменьшейдлинойволнывзаимодействуютскремниемболееэнергичноипоглощаютсяпоэтомунамаломрасстоянииотповерхностии,следо-вательно,поглощениепадаетбыстрее,чемдляболеедлинныхволн.

Используярезультатырасчетов,представленныхнарис.5.25,авто-ры[5.12]провелиизмерениефототоканаp–n-переходах,последова-тельнорасположенныхнаглубине,обозначеннойнарисункештрихо-вымивертикальнымилиниями,иопределилиреальнуюспектральнуючувствительностьсинего,зеленогоикрасногосенсоров.

Придобавочнойфильтрациипадающегонасенсоризлученияспо-мощьюинфракрасногофильтра(рис.5.26)удалосьпрактическивплотнуюприблизитьсяклучшимобразцам,применяемымвнастоя-щеевремявцветнойфотографии,гдезаэталонвзятачувствительностьчеловеческогоглаза.

5

Поглощениенаединицуглубины

4,5

4

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

400нмсплошнаялиния

450нмштрих500нмточки

550нмштрих-точки

600нмтонкаялиния