Матриці з приладів із зарядовим зв’язком
Протягом двох попередніх десятиліть, коли не було ще такого прогресу КМДН технології, широко використовувались світлочутливі лінійки і матриці на основі так званих «приладів із зарядовим зв’язком» (скорочено «ПЗЗ»). Структура таких світлочутливих елементів показана на рис.6.7. Кожний з них представляє собою конденсатор зі структурою «метал–оксид–напівпровідник». Якщо на металічні електроди 1, 4, 7 і т.д. подати позитивну напругу відносно основи з кремнію і засвітити відповідні області, то в кремнії будуть виникати вільні носії заряду – електрони і «дірки». Останні під дією електричного поля будуть відштовхуватися від позитивно заряджених електродів, а електрони будуть притягуватися до них. Тому під електродами накопичується негативний електричний заряд – тим більший, чим більша експозиція падаючого світла. Під електродами, на яких немає напруги, заряд не накопичується.
Рис. 6.7. Структура лінійки (матриці) ПЗЗ і пояснення принципу їх дії
Як виявилось, накопичений електричний заряд можна переміщати між електродами. Якщо, наприклад, подати позитивну напругу на електроди 2, 5, 8, ... , одночасно знімаючи її з електродів 1, 4, 7, ... , то під дією електричного поля негативний заряд з-під електроду 1 переміститься під електрод 2. Заряд з-під електроду 4 переміститься під електрод 5, з-під електроду 7 – під електрод 8 і т.д. У наступному такті подають позитивну напругу на електроди 3, 6, 9, ... , одночасно знімаючи її з електродів 2, 5, 8, ... Електричні заряди переміщаються під електроди 3, 6, 9, ... Цикл роботи такої світлочутливої ПЗЗ структури складається з трьох фаз, завдяки яким накопичений заряд можна переміщати вздовж лінійки в обох напрямах і насамкінець зчитувати отриманий відеосигнал. Один піксель чорно-білого зображення складається тут з трьох ПЗЗ. До речі, електроди 1, 2, 3, ... можуть бути не обов’язково з металу, а, наприклад, з легованого полікристалічного кремнію. «Розпізнавання» кольорів у ПЗЗ сенсорах досягається, як і в КМДН матрицях, за рахунок використання кольорових світлофільтрів. ПЗЗ сенсори, завдяки своїй простій елегантній структурі і добре відпрацьованій технології виготовлення до сьогодні втримують ще свої позиції на ринку відеосенсорів. Дешевизна світлочутливих ПЗЗ матриць зробила можливим ще один варіант отримання кольорового зображення. У цьому варіанті використовується відразу 3 ПЗЗ матриці, на кожну з котрих проектується те ж саме зображення, але через свій кольоровий світлофільтр. Особливо часто цей варіант застосовують в масових камерах відеоспостереження. Однак вищі досягнення змістились уже на користь КМДН сенсорів.
Хід роботи
Вивчити принципи роботи світлочутливих КМДН та ПЗЗ матриць.
Ознайомитись із базовими положеннями сприйняття ними кольорових зображень.
За заданим зображенням на прикладі спрощеної «чорно-білої» світлочутливої КМДН матриці розміром 7×5 пікселів зобразити її вихідний відеосигнал.
Примітка: враховуємо наступні умови: а) зображення зчитується зверху вниз, зліва направо; б) темним ділянкам зображення в режимі експозиції відповідає відсутність фотоструму, збереження позитивного електрозаряду на затворі і, звідси, значний витікаючий струм при зчитуванні; в) світлим ділянкам зображення у режимі експозиції відповідає великий фотострум, практично повне стікання позитивного електричного заряду із затвору і тому незначний витікаючий струм при зчитуванні; г) вихідний відеосигнал з «чорно-білої» світлочутливої КМДН матриці розміром 7×5 пікселів містить 35 тактів на шкалі часу; д) при переході від такту до такту, поки закриваються/відкриваються керуючі транзистори, витікаючий струм дещо зменшується.
За заданим зображенням на прикладі спрощеної кольорової світлочутливої КМДН матриці розміром 3×4 пікселя зобразити її вихідний відеосигнал.
Примітка: враховуємо наступні умови: а) зображення зчитується зверху донизу, зліва направо; б) у кожному пікселі першим зчитується червоний, далі синій, а потім жовто-зелений елемент; в) темним ділянкам зображення у режимі експозиції відповідає великий витікаючий струм при зчитуванні з усіх (червоного, синього і жовто-зеленого) чутливих елементів; г) білим ділянкам зображення відповідає незначний витікаючий струм при зчитуванні з усіх чутливих елементів; д) червоній, синій і жовто-зеленій ділянкам зображення відповідає малий вихідний відеосигнал при зчитуванні зі «свого» елементу і великий – при зчитуванні з інших елементів; е) жовтий колір – це суміш жовто-зеленого і червоного кольорів; ж) зелений і голубий – це суміш жовто-зеленого і синього кольорів; з) фіолетовий – суміш синього і червоного кольорів; і) коричневий – суміш чорного і червоного і т.д.; к) відеопослідовність від кольорової КМДН матриці розміром 3×4 пікселів містить 3×4×3 = 36 тактів; л) при переході від такту до такту, поки закриваються/відкриваються керуючі транзистори, витікаючий струм дещо зменшується.