Сприйняття кольорових зображень
Щоб матриця сприймала кольорові зображення, структура кожного її елемента («пікселя») повинна бути значно складнішою. Як відомо, людина сприймає світ різнокольоровим тому, що має в сітчатці ока 3 різновидності світлових рецепторів – «колбочок» – з різною спектральною чутливістю. Одні з них особливо чутливі до червоного, другі – до жовто-зеленого, треті – до синього світла. І будь-який з мільйонів розрізнимих людиною кольорових відтінків складається з комбінації сприйнять цих трьох кольорів. Розробники кольорових світлочутливих матриць використовували цей «винахід» живої природи.
На рис.6.4,а показані три «пакетика», які складаються з фотодіоду і відповідного кольорового світлофільтру. Завдяки світлофільтрам, один з фотодіодів стає чутливим тільки до червоного, другий – до жовто-зеленого, третій – до синього світла. З таких «пакетиків» складається матриця, показана на рис.6.4,б. Кожний піксель такої матриці складається з 4 світлочутливих елементів трьох типів, як показано на рис.6.4,в. Один з них чутливий до червоного світла, два – до жовто-зеленого, один – до синього.
Рис. 6.4. Пояснення конструкції кольорової світлочутливої матриці
Типова електрична схема одного пікселя матриці показана на рис.6.5. Аноди усіх 4-х фотодіодів з’єднані з виводом 2. Катоди двох «зелених» фотодіодів з’єднані із затвором чутливого транзистора Т1, катод «червоного» фотодіода – із затвором чутливого транзистора Т2, катод «синього» фотодіода – із затвором чутливого транзистора Т3. МДН транзистори Т4, Т5, Т6, затвори котрих з’єднані з виводами 3, 4 і 5, є ключами, які дозволяють почергово зчитувати інформацію з комірок різного кольору. Вони керуються сигналами від комутатора кольору. Фотоструми з їх стоків стікаються до витоку МДН транзистора Т7. Він керується від комутатора стовпців і є ключовим транзистором, який дозволяє організувати зчитування інформації з цього пікселя лише тоді, коли до нього доходить черга. Таким чином, типовий піксель кольорової світлочутливої КМДН матриці складається з 4 фотодіодів, 4 кольорових світлофільтрів і 7 транзисторів.
Фотодіоди і МДН транзистори разом із системою з’єднувальних провідників, комутаторами і підсилювачем вихідного сигналу формують на одній пластині кремнію. Плівка з набором кольорових світлофільтрів накладається зверху [1, 2].
Рис. 6.5. Електрична схема одного пікселя кольорової світлочутливої матриці
Приклади кольорових фоточутливих кмдн матриць
На рис.6.6 показано зовнішній вигляд однієї з сучасних мегапіксельних кольорових світлочутливих КМДН матриць типу MT9M413C36STC фірми Micron Technology Inc. Вона складається з 1280×1024 кольорових пікселів розміром 12×12 мкм кожний. Робочий розмір кадру 15,36 × 12,29 мм. Матриця може працювати на тактовій частоті 66 МГц від джерела напруги +3,3 В при температурі навколишнього середовища від –5°C до +60°C. Для підвищення швидкодії 1280 рядків розбиті на 10 секцій, інформація з яких зчитується паралельно через 10 портів. Тактовий генератор і схеми керування зчитуванням інформації інтегровані на тому ж кристалі, що і матриця. При частоті зчитування 60 кадрів/с схема споживає потужність менше 150 мВт. Допустима також швидкість зчитування до 500 кадрів/с; споживана потужність, правда, зростає при цьому до 500 мВт [3].
Це, як і розумні швидкодіючі мікрокомп’ютери, є справжнім чудом сучасних високих технологій.
Рис. 6.6. Вигляд кольорового матричного КМДН фотосенсору типу MT9M413C36STC
Фірма IBM повідомила про співробітництво з фірмою Kodak для сумісної розробки і випуску вже 3- і 5-мегапіксельних світлочутливих кольорових КМОН матриць на основі технологічного КМОН процесу з розділенням 0,18 мкм і з формуванням на поверхні кремнію мідних провідників. Складний багатошаровий пакет мідних провідників отримувався приблизно на третину тоншим, ніж при використанні традиційних алюмінієвих провідників. Нова технологія дозволила формувати світлочутливі матриці з високою точністю передачі кольору, з незначними шумами, здатні працювати і в умовах недостатньої освітленості [4].
Розробники американської компанії Foveon запропонували іншу цікаву технологію виготовлення кольорових світлочутливих КМДН матриць [5]. Вона базується на тому, що кремній поглинає видиме світло тим сильніше, чим коротша довжина його хвилі. Тому синє світло з найкоротшими довжинами хвиль поглинається уже тонким шаром поблизу поверхні кремнію, жовто-зелене проникає дещо глибше, ще глибше проникає червоне світло. Розробники компанії Foveon, використовуючи епітаксійне нарощування шарів кремнію, розмістили кремнієві фотодіоди на трьох рівнях. Найнижчий з них знаходиться на глибині проникнення червоного світла, середній – на глибині проникнення жовто-зеленого, верхній – на глибині проникнення синього світла. Розділення світла за кольором відбувається природним шляхом. Завдяки цьому відпадає необхідність у застосуванні складного кольорового світлофільтра з мільйонів елементів, виготовлення котрого вимагає до 24 окремих технологічних операцій. Це значно здешевило виробництво кольорових світлочутливих матриць. Помітно зменшилась також і площа, яку займає кожний піксель на кристалі, завдяки чому підвищилась роздільна здатність матриці.
У співдружності з компанією National Semiconductor фірма Foveon на основі 0,18-мікронної КМДН технології організувала масове виробництво Х3 матриць (так названі матриці тільки що описаного типу) у двох варіантах. Одна – це 1,3-мегапіксельна Х3 матриця, яка має таку ж роздільну здатність, як нинішні 2-мегапіксельні звичайні матриці, а друга – 3,5-мегапіксельна Х3 матриця для особливо високоякісної і тому дорогої відеотехніки.