Зміст
Вступ
1. Загальні відомості про прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ) . . 4
2. Основні характеристики приладів із зарядовим зв’язком . . 6
2.1. Шуми та способи їх усунення . . . . . . 7
2.2. Елемент ПЗЗ-матриці . . . . . . . . 9
2.3. Динамічний діапазон . . . . . . . . 11
2.4. Розмір матриці по діагоналі . . . . . . 13
2.5. Блумінг . . . . . . . . . . 14
4. Пристрій, принцип дії . . . . . . . . 17
4.1. Внутрішній фотоефект . . . . . . . 26
5. Застосування ПЗЗ . . . . . . . . . 28
Висновки
Список використаної літератури
Вступ
В якості приймача світла раніше використовувалися фотоматеріали: фотопластинки, фотоплівка, фотопапір. Пізніше з'явилися телевізійні камери і фотоелектричний помножувач (ФЕП).
Наприкінці 60-х - початку 70-х років почали розроблятися так звані "прилади із зарядним зв'язком", що скорочено пишеться як ПЗЗ. На англійській мові це виглядає як "charge - coupled devices" (CCD). У принципі ПЗЗ-матриць лежав факт, що кремній здатний реагувати на видиме світло. І цей факт привів до думки, що цей принцип може використовуватися для отримання зображень об'єктів, що світяться. Астрономи були одними з перших, хто розпізнав екстраординарні здібності ПЗЗ для реєстрації зображень. У 1972 році група дослідників з JPL (Лабораторія реактивного руху, США) заснувала програму розвитку ПЗЗ для астрономії і космічних досліджень. Три роки по тому, спільно з вченими університету Арізони, ця команда отримала перше астрономічне ПЗЗ зображення. На знімку Урана в ближньому інфрачервоному діапазоні за допомогою півтораметрового телескопа були виявлені темні плями біля південного полюса планети, що свідчать про наявність там метану.
Першими приймачами такого типу були фотодіоди і вже на зорі своєї появи вони дозволили зробити гігантський стрибок в області реєстрації світлових потоків і зображень. Досить згадати, як приклад, вдалу реєстрацію явища сонячного затемнення за допомогою фотодіода, що спостерігалось берлінськими вченими в Єгипті в 1911 році.
З тих пір пройшло багато часу, фотодіоди удосконалювалися, але їх основний недолік - одноканальність, все ж таки не дав їм знайти широкого застосування. З кінця 30-х років серед світлоприймачів почали з'являтися телевізійні трубки, що завоювали до кінця 70-х лідируюче положення в цій області.
Було розроблено порівняно багато приладів різних типів: ортікони, ізокони, секони, відікони, плюмбікони (в телевізійному мовленні трубки із зворотним пучком), кремнікони і суперкремнікони, диссектори (спеціалізовані трубки з підвищеною квантовою ефективністю) і т.д.
Всі вони мали ряд серйозних недоліків: великі розміри, низьку квантову ефективність (на рівні 5-10%), малий динамічний діапазон і т.д.
Революційна зміна ситуації відбулося з появою твердотільних напівпровідникових приймачів нового покоління. Квантова ефективність сучасних напівпровідникових приймачів випромінювання досягає 95-98%, тобто практично кожен падаючий на прилад фотон реєструється системою з 100% ймовірністю.
У 1970 році були створені перші прилади із зарядним зв'язком, у яких технологія твердотільних приймачів проявилася особливо успішно.
1. Загальні відомості про прилади із зарядним зв'язком
ПЗЗ-матриця (скор. від «прилад із зарядним зв'язком») або CCD-матриця (від англ. CCD, «Charge-Coupled Device») - спеціалізована аналогова інтегральна мікросхема, що складається з світлочутливих фотоелементів, виконана на основі кремнію.
ПЗЗ-матриця складається з полікремнію, відокремленого від кремнієвої підкладки, у якої при подачі напруги через полікремневі затвори змінюються електричні потенціали поблизу електродів (рис. 1). До експонування, зазвичай, подача певної комбінації напруг на електроди відбувається скиданням всіх раніше утворених зарядів і приведенням всіх елементів у ідентичний стан. Далі комбінація напруг на електродах створює потенційну яму, в якій можуть накопичуватися електрони, що утворилися в даному пікселі матриці в результаті дії світла при експонуванні. Чим інтенсивніший світловий потік під час експозиції, тим більше накопичується електронів у потенційній ямі, відповідно тим вищий загальний заряд даного пікселя. Після експонування послідовні зміни напруги на електродах формуються в кожному пікселі і поряд з ним розподіл потенціалів, що призводить до перетікання заряду в заданому напрямку, до вихідних елементів матриці.
Рис. 1. Схема субпікселя ПЗЗ-матриці з кишенею n-типу (на прикладі червоного фотодетектора).
Позначення на схемі субпікселя ПЗЗ:
• 1 - Фотони світла, що пройшли через об'єктив фотоапарата;
• 2 - мікролінза субпікселя;
• 3 - R - червоний світлофільтр субпікселя, фрагмент фільтра Байєра; • 4 - Прозорий електрод з полікристалічного кремнію або оксиду олова;
• 5 - Ізолятор (оксид кремнію);
• 6 - Кремнієвий канал n-типу. Зона генерації носіїв (зона внутрішнього фотоефекту); • 7 - Зона потенційної ями (кишеня n-типу), де збираються електрони із зони генерації носіїв;
• 8 - Кремнієва підкладка p-типу;
2. Основні характеристики пзз
Одним з основних параметрів матриці є, так звана, квантова ефективність. Ця назва відображає ефективність перетворення поглинутих фотонів (квантів) в фотоелектрони. Оскільки енергія світлових квантів залежить від їх кольору (довжини хвилі), неможливо однозначно визначити скільки електронів згенерується в пікселі матриці при поглинанні ними, наприклад, потоку зі ста різнорідних фотонів. Тому квантова ефективність зазвичай дається у паспорті на матрицю як функція від довжини хвилі, і на окремих ділянках спектра може досягати 80%. Це набагато більше, ніж у фотоемульсії чи в оці (приблизно 1%).
Розміри пікселів: чим більші розміри пікселя, тим більше фотоелектронів він може накопичити до насичення (переповнення). Так, наприклад, у SBIG ST5 з розмірами пікселів 10 мікрон, насичення настає при накопиченні 50 000 електронів, а SТ6 при пікселях 23х27 мікрон дозволяє без насичення працювати з кількістю до 400 000 електронів на клітинку! Надалі це число накопичених фотоелектронів повинно бути перетворено в придатний для роботи ЕОМ цифровий код за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП).
Більшість сучасних матриць дозволяють виробляти 16-ти розрядне зчитування і збереження накопиченої у пікселі інформації. Таким чином, число доступних вимірюванню рівнів сигналу (відліків) у такої матриці становить 65535 (два в шістнадцятій степені) на кожну клітинку. Якщо за нижню межу прийняти рівень у 50 відліків, то динамічний діапазон складе більше 1000, що у багато раз краще за аналогічний параметр для фотоемульсій (до 100). Тому, незважаючи на те, що великі пікселі погіршують роздільну здатність, з ними можна отримати значно більший діапазон яскравості, що еквівалентно більша фотографічною широтою у фотографії та важлива при зйомці протяжних об'єктів з нормальним опрацьовуванням деталей в світлі і тінях (туманності, галактики, комети і т . п.). У звичайній фотографії подібний ефект частково вдається отримати тільки за допомогою досить трудомістких маніпуляцій з нечіткими масками.