Наноэлектроника лит-ра / dragunov

2.5.Получение цветного изображения

Всвоем естественном состоянии ПЗС приемники изображения, используемые в цифровых фото- и телекамерах, являются черно-белыми приемниками. Для того чтобы осуществить прием цветного изображения, до последнего времени применялись три основных метода.

1.Трехматричная схема формирования цветного изображения.

2.Размещение цветоделительных фильтров непосредственно на поверхности матрицы.

3.Применение многослойных твердотельных сенсоров цвета.

Первый метод. В случае студийных съемок, когда к тому же не надо очень заботиться о габаритах, в высококачественных камерах до сих пор применяют трехматричную схему формирования цветного изображения (рис. 2.24). С помощью цветоделителя 3 (например, призмы) луч света соответствующей длины волны направляется на одну из матриц. Перед каждой из трех матриц 1 устанавливается сплошной цветной фильтр 2, пропускающий один из основных цветов (синий, красный или зеленый). В обычном случае далее происходит все, как описано в предыдущем разделе. Сформированные на выходе матриц сигналы напряжения или тока излучаются в эфир либо передаются по кабелю. Необходимо иметь в виду, что матрица в зеленом канале формирует видеосигнал четкости, поэтому от нее требуется максимально высокое разрешение. Если в системе применяются матрицы одного формата, то матрицы в синем и красном канале могут иметь разрешение в четыре раза меньше.

Зелёный

2

1

Синий

Рис. 2.24. Схема трехматричной ПЗС телекамеры для приема цветного изображения

71

Исходя из общих рассуждений ясно, что наиболее предпочтительно было бы использовать для приема цветных изображений одноматричную камеру. В ранних конструкциях в этом случае в оптический канал вмонтировался вращающийся диск, в отверстия которого вставлялись зеленый, красный и синий фильтры.

Второй метод. Затем основным направлением стало размещение фильтров непосредственно на поверхности матрицы. В этом случае основной проблемой стало изготовление самого фильтра и создание условий адаптации его к конструкции матрицы. Так как это отдельная большая проблема, выходящая за рамки нашей книги, то ограничимся только коротким перечислением возникающих при этом проблем. По технологии фильтры можно разделить на интерференционные (пропускающие определенный диапазон длин волн) и адсорбционные (адсорбирующие излучение). Для интерференционных фильтров используется, в частности, последовательное напыление тонких слоев с высоким (диоксид гафния) и низким (двуокись кремния) показателями преломления. Для примера отметим, что в красном фильтре таких слоев – 31, в синем – 25 , в зеленом – 28. В 70-х годах прошлого века в ИФП СО РАН были также разработаны аналогичные фильтры на основе пары SiO2 – Si3N4. Режимы напыления рассчитывались на ЭВМ по разработанной модели, и в результате относительное среднеквадратичное отклонение спектральных характеристик от заданных не превышало 10–12 %. Опытный глаз читателя-технолога сразу отметит, что состав фильтра в последнем случае идеально сочетается с традиционной кремниевой технологией.

Для наиболее рационального использования одноматричного приема цветного изображения над каждым фотоприемником размещаются маленькие фильтры. Наиболее часто взаимное расположение фильтров следует системе, носящей название «Расположение Бауэра» [4]. Эта система предусматривает повторяющуюся цепочку красных, зеленых и голубых пикселей, которые располагаются друг за другом в плоскости, на которую попадает изображение (рис. 2.25).

Именно эти крошечные фильтры дают возможность изначально черно-белому сенсору формировать цветное изображение. С помощью использования двух пикселей с зеленым фильтром на каждый красный или голубой система Байера приводит к максимальной четкости

ввосприятии яркости канала. Эта четкость, как известно, определяется

восновном зеленой составляющей информации (рис. 2.26). Это одновременно приводит к тому, что цветные детали частично теряются

72

благодаря более низкой плотности расположения красных и голубых (чем зеленых) каналов в матрице.

Это легко понять из рис. 2.26, который показывает неравномерное разложение матрицы по расположению цветов. При таком расположении фильтров в плоскости изображения получается более низкая резкость, чем могла бы быть достигнута. Кроме того, такое расположение приводит к появлению в плоскости изображения цветного муара. К тому же разделение площади изображения на очень маленькие области, каждая из которых чувствительна только к одной трети видимого спектра, снижает чувствительность, четкость и точность цветопередачи. Кроме того, расположение плоскости изображения под фильтрами не дает полной возможности получить достаточно детальную информацию о цветном объекте.

Рис. 2.26. Разложение типичной картины расположения фильтров на отдельные компоненты по цветам

Необходимой фазой приема изображения по системе Бауэра является интерполяция, во время которой недостающие в сигнале рассматриваемого пикселя данные оцениваются из данных соседнего пикселя. Погрешности, полученные при этом, оцениваются и затем исправляются с помощью дальнейшей обработки в микропроцессорах приемного устройства, что не только усложняет конструкцию, но и увеличивает энергетические затраты.

Введенная в 1970 году система формирования цветопередачи Бауэра, последовательно улучшаясь, была доведена до состояния искусства, но она же и ограничивала развитие новых конструкций из-за указанных выше недостатков.

73

Хотя эти недостатки можно было исправить с помощью соответствующей обработки в микропроцессоре, но в конце прошлого века несколько разработчиков предложили для решения этой задачи другой принцип, который мог бы исключить многие сложности системы Бауэра.

Третий метод. Прежде всего в этих разработках был учтен опыт истории развития цветной фотографии. Этот опыт показал, что наилучшие результаты были получены после применения фотопленки в виде сочетания нескольких слоев, каждый из которых был чувствителен к одному из основных цветов (Kodachrom-1935, AgfaColor Neu –1936, Polarocjlor-1957) (рис. 2.27, а).

Постепенно стало ясно, что и в случае полупроводниковых приемников цветного излучения дальнейший путь развития лежит также в применении многослойных твердотельных сенсоров цвета. Наиболее предпочтительной была идея применить для этого «вертикальный цветной фильтр», используя естественные свойства кремниевой подложки поглощать излучение различной длины волны на различном расстоянии от поверхности, на которую проецируется цветное изображение.

Рис. 2.27. Многослойная фотопленка (а); многослойный твердотельный цветной фотосенсор (б)

Именно в этом направлении на рубеже XX–XXI века начали работу несколько исследовательских групп [5–9], которые затем и сделали, в частности, для цифровой фотографии то же, что в первой половине XX века Кодак и Агфа сделали для пленочной фотографии – создали многослойный кремниевый фотосенсор.

В число разработчиков цветочувствительных фотоприемников следует включить и фирму Форевон (Forevon) [10, 11], чья многослойная цветочувствительная матрица была, по-видимому, первой, которая была использована в коммерческом цифровом фотоаппарате Sigma SD9.

74

В этом случае в противоположность принципу Бауэра, где используется латеральный способ распределения цвета, была предложена конструкция, позволяющая расположить красный, синий и зеленый пиксели один под другим (рис. 2.27, б).

На рис. 2.28 представлена аксонометрическая проекция такого «разделительного пирога» со сдвигом на один шаг, соответствующий одному чувствительному слою. Показано расположение цветочувствительных пикселей, которые детектируют цветовые составляющие изображения в зависимости от глубины проникновения света в кремний.

Рис. 2.28. Схематическое представление сенсора изображения ФоревонХ3

На рис. 2.29 показано, что предложенная конструкция воспринимает всю цветовую картину изображения, не требуя довольно сложной интерполяции, необходимой в конструкции, построенной по принципу Бауэра. Необходимость такой интерполяции можно понять, рассмотрев по отдельности расположение цветовых составляющих компонентов матрицы.

По мнению разработчиков, вертикальное расположение (укладка) увеличивает возможность более плотного расположения пикселей, повышая, таким образом, резкость сигнала для каждой ячейки сенсора изображения. Кроме того, расположение одного под другим красного,

Рис. 2.29. Разложение типичной Бауэровской планировки фильтров на его отдельные цветовые компоненты

75

зеленого и синего пикселей, исключает также фазовые различия между ними в цветной панели (матрице), отпадает также необходимость в специальных фильтрах, борющихся с «муаром» в изображении, которые всегда применяются в матрицах, собранных по системе Бауэра.

На рис. 2.30 схематически изображен цветочувствительный сенсор, который поглощает сначала фотоны с длиной волны, соответствующей синему цвету, затем «зеленые» фотоны и, наконец, в самом глубоком слое «красные». Из этого схематического рисунка также понятно, что, создавая такую структуру с помощью уже упоминавшейся ранее технологии КМОП, имеется возможность подключаться к каждому из «захороненных» электронно-дырочных переходов и проводить измерения генерации фотонов с различной длиной волны.

Рис. 2.30. Схематическое изображение сенсорного устройства

Далее приведена зависимость коэффициента поглощения и глубины проникновения фотонов в кремнии от длины волны излучения (рис. 2.31).

Как только свет попадает на сенсор, его поглощение приводит к генерации носителей заряда пропорционально коэффициенту поглощения. При поглощении вблизи поверхности коротковолновых фотонов образуется больше носителей заряда, чем от поглощения длинноволновых. Затем по мере проникновения света в кремний как коэффициент поглощения, так и плотность фотонов экспоненциально снижаются. В конце концов глубже нескольких микрон остаются только красная и инфракрасная составляющие света.

76

Рис. 2.31. Зависимость коэффициента поглощения и глубины проникновения в кремнии от длины волны света

Рис. 2.32. Поглощение света в зависимости от глубины и длины волны (параметр)

77

Именно эта ситуация и изображена на рис. 2.32, где видно, что величина поглощения является экспоненциальной функцией глубины проникновения для света любой длины волны, а также что фотоны с меньшей длиной волны взаимодействуют с кремнием более энергично, поглощаются поэтому на малом расстоянии от поверхности. Следовательно, поглощение коротких волн падает экспоненциально быстрее, чем для более длинных волн.

В заключение еще раз подчеркнем, что эта интереснейшая разработка, так же как и многое другое в современной фотоэлектронике, базируется на планарной кремниевой технологии и особенно на КМОП технологии. Эта технология позволяет не только обеспечить формирование микропроцессоров, матриц энергонезависимой памяти, но и непосредственно самих сенсоров цветного изображения. Даже не вдаваясь в подробности, можно утверждать, что все это приводит к значительному упрощению изготовления, уменьшению габаритов и энергопотребления в бытовой теле- и фотоаппаратуре. Понятно, что перечисленные преимущества должны сопровождаться также и понижением цен на них.

2.6.Приборы, отображающие оптическую информацию

Изложение о преобразовании оптического сигнала в изображении необходимо дополнить сведениями о современных методах его визуализации.

Информация, полученная в результате фотоэлектрического преобразования как в аналоговом, так и в цифровом виде, часто используется в виде изображения на экране. Ранее уже упоминалось, что для этой цели применяется электронное устройство – кинескоп, где управляемый входным напряжением электронный луч создает на светочувствительном слое светящиеся точки. Из этих светящихся точек, имеющих различную интенсивность, и формируется изображение в электроннолучевых кинескопах, знакомых каждому из нас по бытовым телеприемникам.

В настоящее время большую распространенность получили также плоские экраны – дисплеи. Кроме телевизоров они применяются в фото- и телекамерах и других бытовых и специальных приборах.

78

Чаще всего используются электролюминесцентные и жидкокристаллические дисплеи, хотя в некоторых случаях получили распространение и плазменные дисплеи.

Рассмотрим кратко конструкцию и принцип действия этих приборов.

2.6.1. Электролюминесцентные дисплеи

Прежде всего напомним физические процессы, которые лежат в основе явления электролюминесценции. Вообще люминесценцией называется оптическое излучение, возбуждаемое в веществе за счет какого-либо вида энергии. Это излучение представляет собой избыток над тепловым излучением и продолжается после окончания возбуждения. Вещества, способные светиться под действием различного рода возбуждений, называются люминофорами. В электронике наиболее часто используется электролюминесценция.

На рис. 2.33 приведена энергетическая диаграмма, позволяющая проследить процесс возникновения излучения при приложении электрического поля к плоскому конденсатору, между обкладками которого помещен люминофор.

Рис. 2.33. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая последовательность процесса возникновения излучения в электролю-

минесцентном устройстве

79

Процесс возникновения свечения начинается с туннелирования электрона с дискретного состояния на границе раздела изоляторлюминофор в люминофор 1. Далее этот электрон ускоряется под действием приложенного электрического поля 2; набрав в процессе этого ускорения достаточную энергию (~1,5…10 eV), электрон ионизирует с помощью ударной ионизации люминесцентные центры, содержащиеся в люминофоре. Этот процесс часто называют активацией люминесцентного центра 3. Затем происходит возвращение центра к первоначальному состоянию, что приводит к излучению фотона с энергией, соответствующей разнице между возбужденным и основным состоянием 4. Основные закономерности этого процесса хорошо изучены в многочисленных работах, но исследования продолжаются и до сих пор с целью получения все новых материалов и режимов возбуждения и излучения для повышения эффективности работы приборов оптоэлектроники.

На рис. 2.34 приведена типичная схема последовательности расположения слоев в устройстве электролюминесцентного дисплея.

Изображение

Рис. 2.34. Типичная схема структуры электролюминесцентного прибора

Основой электролюминесцентного дисплея (ЭЛД) является структура металл–диэлектрик–полупроводник–диэлектрик–металл (МДПДМ). Перечисленные слои обычно наносятся на прозрачную подложку, состав которой определяется температурой процессов, используемых при изготовлении прибора. Наиболее часто употребляется стекло марки Corning 7059, которое не меняет своих оптических и механических

80