Лекция 4 "Одно – и двух- координатные пзс. Основные характеристики фпзс

За годы бурного развития фоточувствительных ПЗС появилось огромное количество их разновидностей.

Во многих случаях такие приборы создавались для решения каких-либо конкретных задач и поэтому существовали в небольшом количестве экземпляров. Тем не менее, можно выделить два основных признака классификации:электронное сканирование по одной или двум координатам; считывание информации – с выборкой элемента либо набора элементов – последовательное или произвольное. С учетом сложившихся массовых применений ПЗС можно привести следующую их классификацию.

Основные типы приборов с переносом заряда

Одно- и двух координатные фпзс.

В простейших ФПЗС, представляющих собою сдвиговый регистр, функции накопления и переноса зарядов разделены во времени, но объединены пространственно, т.е. и накопление и перенос осуществляется одной электронной системой. В течение некоторого времени на определенную фазу подают смещение высокого уровня, под электродами этой фазы накапливаются генерируемые падающим оптическим излучением, зарядовые пакеты. По истечении времени накопления, включается тактирование фаз и зарядовые пакеты направлено переносятся к выходному устройству. На рисунке показан процесс формирования одной строки телевизионного изображения с помощью такого линейного ФПЗС. Тестобъект (штриховая мира), представляющая собой чередование прозрачных (П), серых (полупрозрачных) (С) и непрозрачных (Н) полос, проецируется с помощью объектива на поверхность ФПЗС. На вторую фазу ФПЗС подан высокий уровень смещения и за время накопления именно под электродами этой фазы формируются зарядовые пакеты, величина которых пропорциональна распределению освещенности на поверхности.

В элементе 2, на который спроецирована прозрачная полоса, зарядовый пакет будет большим, в элементе 3 (серая полоса) меньше, а в элементах 1 и 4, которые соответствуют положению непрозрачных полос, находится только темновой (термогенерированный) сигнал. (Отношение заряда термогенерированных носителей по времени накопления и есть темновой ток). После окончания периода накопления зарядов под электродами второй фазы, потенциалы фаз начинают последовательно переключатся и зарядовые пакеты передаются к выходному устройству. Здесь зарядовые пакеты преобразуются в импульсы напряжения (тока), которые уже вне кристалла ФПЗС усиливаются до необходимого уровня и передаются на видеоконтрольное устройство для визуализации. Строго говоря, только такой ФПЗС является однокоординатным прибором, в котором перенос происходит вдоль одной оси. Во всех прочих типах ФПЗС имеет место перенос по двум осям координат, хотя по одной из них переносов может быть очень много, а по другой не более одного, двух. Однако, т.к. под электронным сканированием понимают процесс многократного последовательного переноса, то приборы ПЗС, где длительному многократному переносу по горизонтали предшествует один два переноса, по вертикале (а таких большинство) так же считываются однокоординатными и относятся к линейному типу или попросту к линейным ПЗС.

Линейные ПЗС находят чаще всего применение там, где уже есть механическое сканирование, например, в сканерах или в телевизионных системах наблюдения Земли из Космоса, работающих в режиме "Push-broom" за счет движения космического аппарата по орбите. Применяются линейки ПЗС и при преобразовании одномерных оптических изображений, например спектров излучения, формируемых спектральными приборами.

Двумерное изображение с помощью ФПЗС можно сформировать и без механического сканирования, в результате электронного сканирования по обеим осям. Для этого необходимо создать набор из линейных ФПЗС, образовав тем самым двух-координатый ПЗС – двумерную матрицу фоточувствительных элементов или матричный ФПЗС. Простейший матричный ФПЗС, создающий десять линейных фоточувствительных регистров по десять электродов объединенных тремя фазами, показан на рисунке. Каждый фоточувствительный регистр соединен с элементом сдвигового регистра, служащего для вывода зарядовых пакетов из матрицы. Этот выходной сдвиговый регистр не является фоточувствительным и выполняет только функции переноса. Изображение с помощью объектива проецируется на поверхность матрицы (выходной регистр закрыт непрозрачным экраном). После того как в элементах фоточувствительных регистров накопились зарядовые пакеты их, переносят во всех регистрах, например, вправо как показано на рисунке. После одного такта крайние правые зарядовые пакеты перетекут в подготовленные потенциальные ямы сдвигового регистра, например, под электроды 2-й фазы. Причем, зарядовые пакеты выходной регистр начинает переносить их к выходу, где они преобразуются в импульсы напряжения (тока), а сдвиговый регистр, при этом очищается. После того, как он очистится, полностью в него перетекут следующие зарядовые пакеты из фоточувствительных регистров. И цикл повторяется до тех пор, пока не очистятся все потенциальные ямы в фоточувствительных регистрах. После этого матрица начинает очередной такт накопления сигнальных фотогенерированных зарядовых пакетов.

Рассмотренный выше способ считывания при последовательном перемещении зарядовых пакетов из одной потенциальной ямы в другую и так до выходного устройства, где заряд преобразуется в импульс напряжения или тока, используется во всех ПЗС. Тем не менее, возможен и другой способ без многочисленных переносов.

Этот способ называется методом зарядовой инжекции, а приборы, в которых используется этот метод, называются приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ). Суть метода заключается в том, что при снятии с электрода МОП-емкости обедняющего смещения, носители накопленного заряда больше не удерживаются полем и диффундируют в подложку. Измеряя протекающий в результате этого ток подложки можно судить о величине зарядового пакета. Если набрать массив из МОП-емкости, и поочередно считывать в моменты времени t₁, t₂, t₃, …t_n с них зарядовые пакеты, то изменение тока подложки во времени представляет информацию не только о величине зарядовых пакетов в данной емкости, но и о координате емкости, так как в момент t₁ ток будет соответствовать зарядовому пакету емкости 1, в момент t₂ – емкости 2 и т.д. Следует отметить, что в ПЗИ МОП-емкости могут располагаться на любом расстоянии друг от друга, т.к. зарядовая связь не требуется. По этой же причине качество поверхности не имеет такого большого значения как в ПЗС.

Вдвухкоординатных ПЗИ все же требуется хотя бы два близко расположенных электрода и один перенос заряда. В изображенном на рисунке ПЗИ используется метод параллельного считывания. Ключи К₁ – К₄ присоединяют все столбцы к источнику опорного напряжения и затем отключают, оставляя под плавающим потенциалом. На все строчные электроды подано при этом обедняющее смещение, большее, чем на столбцовые, так что носители заряда скатываются в потенциальные ямы под строчными электродами. Затем на выбранной строчной шине (x₃) смещение снижают до нуля и зарядовые пакеты из-под всех строчных электродов перетекают под столбцовые электроды. Плавающий потенциал столбцовой шины в результате изменится на значение, пропорциональное зарядовому пакету, хранившемуся под тем строчным электродом выбранной строки, который связан со столбцовым электродом данной шины. Столбцы поочередно подключаются (с помощью регистра сканирования и МОП-ключей К'₁ – К'₄ к выходному усилителю. Основной недостаток ПЗИ – большая емкость узла считывания, равная, примерно, емкости столбцовой шины. (следует вспомнить, что изменения плавающего потенциала пропорционально накопленному заряду и обратно пропорционально плавающей емкости). Полезный сигнал будет маленьким и трудно выделяемым среди тактовых помех. Достоинство ПЗИ является меньшее чем в ПЗС влияние поверхности и возможность считывания произвольных элементов в любом порядке (X-Y считывания).

Долгое время ПЗИ не получали широкого развития. В последние годы, в связи с огромным прорывом в КМОП технологии приборы такого и аналогичного типа получили новую жизнь. Появились КМОП-матрицы (CMOS) или APS – матрицы (active pixel sensor) в качестве фоточувствительных элементов, в которых используются фотодиоды, а схема считывания сигнала подобна описанной выше. Такие приборы имеют меньшую, чем ПЗС чувствительность и меньший динамический диапазон, но простота и дешевизна их изготовления открыла им дорогу во многие области применения, ранее занятые ПЗС. Так, во многих дешевых сканерах и цифровых электронных фотоаппаратах используются CMOS-матрицы. Еще одним достоинством этих фотоприемников является большая, чем у ПЗС функциональность. Современные КМОП-матрицы как минимум включают в себя функции аналого-цифрового преобразования сигнала непосредственно на том же кристалле, а в ряде случаев и дальнейшую более сложную обработку, например регулировку уровня яркости, контраста и цветового баланса видеосигнала.