7.2. Принцип организации пзс-матриц.

На практике для получения двумерных изображений ПЗС структуры (фотосенсоры) объединяют в матрицы различных конфигураций.

Наиболее простую конструкцию имеют так называемые полнокадровые ПЗС-матрицы (full-frame CCD-matrix) (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Структурная схема полнокадровой матрицы

В ПЗС-матрицах такого типа столбцы образованы набором одинаковых регистров сдвига, расположенных на одной подложке, с конструкцией, аналогичной рис. 7.2а. Для того, чтобы зарядовые пакеты не перемещались, между регистрами формируются так называемые сток-каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса зарядов.

Полнокадровая матрица снабжена механическим затвором, который открывается на момент экспонирования. В это время в потенциальных ямах потенциальных регистров сдвига столбцов формируются заряды, соответствующие освещенности ПЗС-матрицы. По завершении экспонирования затвор закрывается и организуется такт сдвига зарядов во всех регистрах столбцов на один разряд вниз. Заряды из крайних нижних разрядов вертикальных регистров «перетекают» параллельно в выходной последовательный регистр сдвига, который может быть построен по той же структуре, что и на рис. 7.2а. Далее организуется последовательный сдвиг зарядов горизонтального регистра слева направо, которые преобразуются выходным усилителем в последовательность электрических сигналов. После освобождения всех элементов горизонтального регистра вновь организуется сдвиг на один разряд вниз зарядов вертикальных регистров и т.д.

В конце цикла считывания всего кадра на выход усилителя поступят электрические сигналы, анализ которых позволяет полностью восстановить картинку «засветки» всей ПЗС-матрицы.

Очевидно, что при последовательном считывании информации из горизонтального регистра вертикальные регистры простаивают, что снижает быстродействие работы полнокадровой ПЗС-матрицы.

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в которых заряды вертикальных регистров (секция накопления) не постурают построчно на вход последовательного регистра, а «складируются» в буферных регистрах (секция хранения). Данная секция расположена под основными вертикальными регистрами сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферные регистры и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферных регистров покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame-transfer CCD) (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Структурная схема ПЗС-матрицы с буферизацией кадра

Матрицы такого типа удобно использовать в телевизионных системах, где применяется построчная развертка кадра и где есть время, свободное от формирования телевизионной «картинки» (обратный ход строчной и кадровой разверток).

На рис. 7.4 каждая строка секции образована тройкой электродов, аналогично рис. 7.2а. в течение времени прямого хода по кадру секция накопления стоит, т.е. на нее подаются неизменные напряжения, формирующие потенциальные ямы только под одним электродом каждой тройки, скажем, под электродом первой фазы (VS1), причем потенциальные ямы образуются во всех элементах всех строк секции. По горизонтали отдельные ячейки накоплания отделены стоп-каналами.

Изображение, проецируемое на секцию накопления, вызывает фотогенерацию – образование электронно-дырочных пар. При этом фотогенерированные электроды остаются в потенциальной яме, дырки же, соответственно, уйдут в подложку или вдоль поверхности в стоп-каналы. Таким образом, под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф, т.е. в каждой ячейке собирается заряд, пропорциональный ее освещенности и времени накопления.

По окончании прямого хода по кадру на обе секции подаются тактовые импульсы, вызывающие синхронный перенос заряда как внутри секции, так и между ними. После числа тактов, равного числу строк в каждой секции, весь накопленный зарядовый рельеф целиком переместится в секцию памяти, закрытую от света, а секция накопления будет очищена от заряда. Этот перенос секции в секцию происходит достаточно быстро (фактически он занимает малую часть времени обратного хода по кадру). Теперь, во время следующего цикла накопления (это следующее поле кадровой развертки) секция накопления накапливает следующий кадр изображения, а из секции памяти заряды построчно, во время обратного хода по строке, передаются в горизонтальный регистр (каждый элемент регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за один раз передается одна строка), и затем выводятся в выходное устройство регистра за время прямого хода по строке, формируя видеосигнал.

Перспективной конструкцией, позволяющей организовать непрерывный поток видеоинформации, являются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix), в которых используются наборы буферных регистров, закрытых от источников светв, но в отличие от буферизации кадра здесь буфер не располагается единым блоком под основным параллельным регистром – его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.

Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, то время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров – не менее 30 кадров в секунду.

По такой схеме построена микросхема ICX409AL фирмы SONY с диагональю матрицы 6 мм (рис. 7.5). в этой схеме пакеты зарядов из фотосенсоров передаются в закрытые от света вертикальные регистры, из которых четырьмя фазами (V1…V4) сдвигаются в горизонтальный регистр, из которого на выход заряды передаются в фвухфазном режиме (фазы H₁, H₂).

Рис. 7.5. Структурная схема ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов ICX409AL

В ПЗС-матрицах с буферизацией столбцов (в силу большой скорости их работы) вместо механических используют электронные затворы, обеспечивающие выдержку да 1/10000 с.

Следует отметить, что значительную долю поверхности матриц с буферизацией (до 70%) составляют буферные регистры, поэтому в современных ПЗС-матрицах над каждым пикселем ставят микролинзу, позволяющие собирать световые потоки, на всю матрицу на фоточувствительных элементах. Конструктивно матрицы микролинз создаются следующим образом. На поверхность пластины с уже формированными структурами матрицы наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, из которого методом фотолитографии вырезаются изолированные квадратики, лежащие над каждым элементом. Зазор между отдельными квадратиками невелик. Затем пластина нагревается, пластмасса подплавляется и поверхность отдельных квадратиков приобретает близкую к сферической форму (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Типовая конструкция фоточувствительной ячейки

Проблема фиксации и восстановления цветных изображений решается путем использования цветных фильтров с различными рабочими длинами волн или путем использования кристаллов, чувствительных к различным оптическим диапазонам.