Вопрос 18. Устройство цфк. Виды матриц, основные принципы работы и создания изображения. Байеровская структура матрицы. Носители изображения. Основные характеристики носителей. Виды матриц

С уществуют так называемые однослойные и трехслойные матрицы. Рассмотрим вначале основные типы однослойных матриц. Это матрицы типа CCD и матрицы типа CMOS. Они различаются между собой только способом считывания информации с сенсора.

CCD (ПЗС - прибор с зарядовой связью) – традиционный вид матрицы, используемый во многих цифровых фотокамерах. Его преимущество – это его простота. При выполнении фотоснимка информация считывается с ячеек последовательно. Время обработки файла может занять довольно много времени. К плюсам матриц типа CCD можно отнести их дешевизну и то, что уровень шума на полученных снимках меньше, чем в матрицах типа CMOS.

CMOS (КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник) информация в такой матрице считывается индивидуально с каждой ячейки. В ней каждый пиксель имеет индивидуальную схему, чтобы можно было по отдельности считывать информацию, собранную каждым фотоэлементом. Это более эффективная и энергосберегающая система считывания информации в отличие от матриц типа CCD. Матрицы CMOS широко используются в дешевых фотоаппаратах, но последнее время их стали ставить и на профессиональную фототехнику.

Трехслойные матрицы. В них каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD). Здесь используется принцип, по которому некоторые длины световых волн могут проникать в кремний глубже, чем другие, следовательно, на фотоэлементе сразу измеряется яркость красного, синего и зеленого цветов. Трёхматричные системы применяются обычно в видеокамерах среднего и высокого класса.

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» Санкт-Петербург и его дочернее предприятие ЗАО «НПП „Элар“» Санкт-Петербург, а также ОАО «НПП „Пульсар“» Москва.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа[править | править вики-текст]

Архитектура пикселей у производителей разная.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата; 2 — микролинза субпикселя; 3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера; 4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова; 5 — оксид кремния; 6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта; 7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда; 8 — кремниевая подложка p-типа.

Для большинства матриц применяется Байеровская схема (которую разработал в 1975 году Bryce Bayer, сотрудник фирмы Kodak), при которой на один синий и на один красный элемент приходятся по два зелёных (именуемая также red-green-blue-green, RGBG). Такая "дискриминация" вызвана тем, что человеческое зрение наиболее чувствительно к зеленым оттенкам, да и спектральная чувствительность

Используется для получения цветного изображения в матрицах цифровых фотоаппаратов, видеокамер и сканеров.

Для отличия от других разновидностей его называют GRGB, RGBG, или (если надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB.

Исторически самый первый из массивов цветных фильтров.