Розділ 3. Електронно-оптичні перетворювачі

Після|потім| проходження оптики світловий потік потрапляє|попадає| на реєструючий елемент — електронно-оптичний перетворювач (ЭОП|). Як уже згадувалося, в основному в цих цілях використовуються матриці ПЗС| — приладів із|із| зарядовим зв'язком. Не дивлячись на|незважаючи на| те що ЭОП| на КМОП-елементах останнім часом з'являються|появляються| навіть на професійних моделях, переважна більшість любительських фотоапаратів оснащені саме ПЗС-МАТРИЦАМИ|. Розглянемо|розгледимо| докладніше конструкцію цих пристроїв|устроїв|.

Загальні|спільні| принципи

Для того, щоб досконально зрозуміти, яким чином світло перетворюється в електричний заряд, необхідно пригадати розділ «Напівпровідникові прилади» шкільного курсу фізики, точніше — р-n - перехід. Проте|однак| тема ця дуже|занадто| об'ємна, щоб розглядати|розглядувати| її в рамках|у рамках| даної книги. Коротко принцип пристрою|устрою| і функціонування ПЗС-МАТРИЦ| зводиться до наступного|слідуючого|.

У кремнієвій підкладці р-типу створюються канали з|із| напівпровідника n-типу. Зверху наноситься|завдається| ізолюючий шар окислу кремнію. Над каналами розміщуються електроди з|із| полікристалічного кремнію. При подачі електричного потенціалу на електрод в збідненій зоні під каналом n-типу утворюється так звана потенційна яма, яка здатна|здібна| зберігати електрони. Після|потім| попадання фотона на поверхню n-каналу останній генерує електрон, який зберігається в потенційній ямі. Чим більше фотонів потрапляє|попадає| на поверхню, тим вище накопичуваний|скупчуваний,нагромаджуваний| заряд. Чим більше електронів може накопичити|скупчити,нагромадити| потенційна яма, тим більший діапазон освітленості можна зафіксувати, і від цього, зрештою|врешті решт|, залежить динамічний діапазон (про нього детальніше буде розказано нижче). Все, що потрібно зробити, — рахувати значення цього заряду і підсилити|посилити| його.

Мал. 3.1. Елемент ПЗС-МАТРИЦы|

Для прочитування заряду використовуються пристрої|устрої|, звані регістрами|реєстрами| зрушення|зсуву|, що перетворюють рядок зарядів на вході в послідовність імпульсів на виході. Одержаний|отриманий| сигнал потім поступає|надходить| на підсилювач. Таким пристроєм|устроєм| можна вважати|лічити| значення рядка ПЗС-эЛЕМЕНТОВ|.

У нашому ж випадку потрібно визначити заряд кожного з елементів матриці. При цьому використовується здатність|здібність| ПЗС| до переміщення потенційної ями. Для цього досить подати більший потенціал на сусідній електрод, під який повинна переміститися потенційна яма. При цьому яма з-під сусіднього електроду, у свою чергу|своєю чергою|, зміщується під наступний|такий| електрод і так далі до регістра|реєстру| зрушення|зсуву|. Таким чином, необхідно погоджувати|узгоджувати| за часом імпульси, що подаються на електроди, а також роботу регістрів|реєстрів| зрушення|зсуву|.

Тому використовуються два додаткові пристрої|устрої|: по-перше, мікросхема, що управляє, забезпечує подачу імпульсів на електроди матриці, і по-друге, тактовий генератор.

Одним з перших типів ЭОП| були повнокадрові ПЗС-МАТРИЦы| (full-frame CCD-matrix). Після того, як відпрацював|відробив| затвор фотоапарата і всі піксели накопичили|скупчили,нагромадили| заряд, еквівалентний світловому потоку, що впав на них, відбувається|походить| процес прочитування цих зарядів.

Мал. 3.2. Повнокадрова матриця

Швидкодія такої схеми обмежена швидкістю роботи регістра|реєстру| зрушення|зсуву| і, відповідно, кількістю рядків матриці. У будь-якому випадку|в будь-якому разі| потрібне перекриття світлового потоку з об'єктиву до завершення процесу прочитування.

Декілька прискорений процес прочитування в матрицях з|із| буферизацією кадру (frame-transfer CCD). Для проміжного зберігання даних в цих пристроях|устроях| використовується друга матриця аналогічного розміру, покрита металевою кришкою.

Заряди з|із| осередків|чарунок,вічок,комірок| основної матриці переміщаються в буфер і потім|і тоді| прочитуються в регістр|реєстр| зрушення|зсуву|, як і в повнокадровій матриці. Недоліком|нестачею| даної системи є|з'являється,являється| відносно висока вартість, якщо врахувати, що кардинального збільшення швидкості прочитування не відбувається|походить|.

Щоб максимально збільшити частоту зміни кадрів, для відеокамер була розроблена система з|із| буферизацією рядків/стовпців.

Мал. 3.3. Матриця з|із| буферизацією кадру

У матрицях цього типа (interline CCD-matrix) регістри|реєстри| зрушення|зсуву| розташовуються в безпосередній близькості від світлочутливих елементів, що дозволяє безперервно, з|із| необхідною частотою прочитувати заряд піксела. При цьому не відбувається|походить| переповнювання потенційних ям світлочутливих елементів, таким чином, немає необхідності закривати|зачиняти| затвор. Швидкодія такої системи дозволяє забезпечити відеосигнал з|із| прийнятною|допустимою| частотою кадрів (від 30 кадрів в секунду і вище).

Якщо за один такт прочитуються всі рядки, то це матриця з|із| прогресивною розгорткою (progressive scan). Якщо за перший такт прочитуються непарні рядки, а за другою — парні, то це матриця з|із| чересстрочной| розгорткою (interlace scan).

Мал. 3.4. Матриця з|із| буферизацією стовпців

Попутно виникає можливість|спроможність| реалізації електронного затвора. Даний пристрій|устрій| дозволяє, у принципі|в принципі|, обійтися без механічного затвора. При цьому витримка|витяг| задається інтервалом між початком прочитування заряду і завершенням цього процесу. Таким чином, можна досягти надмалих (до 1/10 000 секунди) значень витримки|витягу|, особливо критичних для зйомки швидкоплинних процесів (спорт, природа і т. д.). Правда, для реалізації електронного затвора необхідна функція видалення|віддалення| надмірного|надлишкового| заряду піксела, мова про яку піде далі.

Проте|однак| система з|із| буферизацією рядків має і недоліки|нестачі|. Головний з|із| них — в результаті|унаслідок,внаслідок| того, що частина|частка| площі|майдану| матриці зайнята|позичена,посісти| регістрами|реєстрами| зрушення|зсуву|, розмір світлочутливої області кожного піксела складає лише 30 % від його площі|майдану|, тоді як у|в,біля| повнокадрової матриці цей параметр рівний 70 %.

Тому виробники вимушені|змушені| вносити в конструкцію матриць мікролінзи, що покривають піксели цілком. Ці нескладні оптичні пристрої|устрої| концентрують світловий потік, падаючий на всю поверхню елементу сенсора, на відносно невелику світлочутливу область піксела.

Мал. 3.5. Мікролінзи

Ефект ослаблення|ослабіння| світлового потоку за рахунок проходження крізь мікролінзи мінімальний. Значно більшою проблемою є|з'являється,являється| ускладнена конструкція ЭОП|.

В цілому|загалом| повнокадрові матриці частіше зустрічаються в професійних камерах, а матриці з|із| буферизацією рядків — в любительських фотоапаратах.

Електроди з|із| полікристалічного кремнію частково розсіюють світло, зменшуючи тим самим чутливість ПЗС-эЛЕМЕНТОВ|. До недавнього часу для спеціалізованої зйомки, що вимагає покращуваної сприйнятливості ЭОП| до синьої і ультрафіолетової частини|частки| спектру, застосовувалися матриці із|із| зворотним засвіченням, в яких світло проникало з боку підкладки.

Для цього на високопрецизійному устаткуванні|обладнанні| підкладка шліфувалася до товщини 10-15 мкм|. Дана стадія обробки сильно здорожувала вартість матриці, крім того, пристрої|устрої| виходили дуже крихкими і вимагали підвищеної обережності при збірці|зборці,збиранні| і експлуатації. При розміщенні світлофільтрів над індивідуальними осередками|чарунками,вічками,комірками| ЭОП| всі дії по збільшенню чутливості втрачають|розгублюють| сенс|зміст,рацію|, тому матриці із|із| зворотним засвіченням застосовуються в студійних камерах, що використовують змінні світлофільтри.

Мал. 3.6. Матриця із|із| зворотним засвіченням