CCD
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 22 de mayo de 2020; las comprobaciones requieren 4 ediciones .La matriz CCD (abreviado de " dispositivo acoplado por carga ") , o matriz CCD (abreviado del inglés CCD , " dispositivo acoplado por carga ") es un circuito integrado analógico especializado que consta de fotodiodos sensibles a la luz , hechos a base de silicio , utilizando CCD tecnología - dispositivos de carga acoplada.
Los CCD fueron producidos y utilizados activamente por Nikon , Canon , Sony , Fujitsu , Kodak , Panasonic , Philips y muchos otros. En Rusia, las matrices CCD están siendo desarrolladas y producidas actualmente por: JSC "TsNII Electron" (San Petersburgo) y su subsidiaria JSC "NPP" Elar "" (San Petersburgo), así como JSC "NPP" Pulsar "" ( Moscú).
Historia del CCD
El dispositivo de carga acoplada fue inventado en 1969 por Willard Boyle y George Smith en AT&T Bell Labs . Los laboratorios trabajaron en videotelefonía y en el desarrollo de la "memoria de burbuja de semiconductores". Los dispositivos de carga acoplada comenzaron como dispositivos de memoria en los que solo se podía colocar una carga en el registro de entrada del dispositivo. Sin embargo, la capacidad del elemento de memoria del dispositivo para recibir una carga debido al efecto fotoeléctrico ha hecho que esta aplicación de dispositivos CCD sea la corriente principal.
En 1970, los investigadores de Bell Labs aprendieron a capturar imágenes usando dispositivos lineales simples.
Posteriormente, bajo el liderazgo de Kazuo Iwama, Sony se involucró activamente en los CCD, invirtió mucho en esto y pudo producir CCD en masa para sus cámaras de video.
Iwama murió en agosto de 1982 . Se colocó un chip CCD en su lápida para conmemorar sus contribuciones.
En enero de 2006, W. Boyle y J. Smith recibieron el premio de la Academia Nacional de Ingeniería de EE . UU. [1] por su trabajo en el CCD .
En 2009, estos creadores de CCD recibieron el Premio Nobel de Física .
Disposición general y principio de funcionamiento
La matriz CCD consta de polisilicio , separado de un sustrato de silicio, en el que, cuando se aplica voltaje a través de compuertas de polisilicio, cambian los potenciales eléctricos cerca de los electrodos .
Antes de la exposición, generalmente mediante la aplicación de una cierta combinación de voltajes a los electrodos, todas las cargas formadas previamente se restablecen y todos los elementos se ponen en un estado idéntico.
Además, la combinación de voltajes en los electrodos crea un pozo de potencial en el que se pueden acumular electrones, formados en un píxel dado de la matriz como resultado de la exposición a la luz durante la exposición. Cuanto más intenso es el flujo de luz durante la exposición , más electrones se acumulan en el pozo de potencial, respectivamente, mayor es la carga final de un píxel determinado .
Después de la exposición, los cambios sucesivos en el voltaje de los electrodos forman una distribución de potencial en cada píxel y junto a él, lo que conduce a un flujo de carga en una dirección determinada a los elementos de salida de la matriz.
Un ejemplo de un subpíxel CCD de bolsillo de tipo n
Los fabricantes tienen diferentes arquitecturas de píxeles.
Designaciones en el diagrama de subpíxeles CCD :
- fotones de luz que pasan a través de la lente de una cámara ;
- microlente subpíxel;
- filtro de luz roja subpíxel R , fragmento de filtro Bayer ;
- electrodo transparente de silicio policristalino o de una aleación de óxido de indio y estaño ;
- óxido de silicio;
- canal de silicio tipo n: zona de generación de portadores - zona de efecto fotoeléctrico interno ;
- zona de pozo potencial (bolsillo tipo n) donde se acumulan los electrones de la zona de generación del portador de carga ;
- Sustrato de silicio tipo p .
Clasificación por método de almacenamiento en búfer
Matrices de transferencia de fotograma completo
La imagen formada por la lente cae sobre la matriz CCD, es decir, los rayos de luz caen sobre la superficie sensible a la luz de los elementos CCD, cuya tarea es convertir la energía fotónica en una carga eléctrica. Ocurre aproximadamente de la siguiente manera.
Para un fotón que ha caído sobre un elemento CCD, hay tres escenarios para el desarrollo de eventos: "rebotará" en la superficie, o será absorbido por el espesor del semiconductor (material de la matriz), o "perforará". su “zona de trabajo”. Es obvio que los desarrolladores deben crear un sensor de este tipo, en el que se minimicen las pérdidas por el "rebote" y el "disparo". Los mismos fotones que fueron absorbidos por la matriz forman un par electrón-hueco si hubo interacción con un átomo de la red cristalina semiconductora, o solo un electrón (u hueco) si la interacción fue con átomos de impurezas donadoras o aceptoras, y ambos fenómenos se denominan efecto fotoeléctrico interno. Por supuesto, el funcionamiento del sensor no se limita al efecto fotoeléctrico interno: es necesario almacenar los portadores de carga "quitados" del semiconductor en un almacenamiento especial y luego leerlos.
elemento CCD
En general, el diseño de un elemento CCD se ve así: un sustrato de silicio de tipo p está equipado con canales de un semiconductor de tipo n. Sobre los canales, los electrodos están hechos de silicio policristalino con una capa aislante de óxido de silicio. Después de aplicar un potencial eléctrico a dicho electrodo, se crea un pozo de potencial en la zona de agotamiento debajo del canal de tipo n, cuyo propósito es almacenar electrones. Un fotón que penetra en el silicio da lugar a la generación de un electrón, que es atraído por el pozo de potencial y permanece en él. Más fotones (luz brillante) proporcionan más carga al pozo. Luego es necesario leer el valor de esta carga, también llamada fotocorriente, y amplificarla.
La lectura de las fotocorrientes de los elementos CCD se realiza mediante los llamados registros de desplazamiento secuencial, que convierten una fila de cargas a la entrada en un tren de pulsos a la salida. Esta serie es una señal analógica, que luego se alimenta al amplificador.
Por lo tanto, utilizando el registro, es posible convertir las cargas de una fila de elementos CCD en una señal analógica. De hecho, un registro de desplazamiento en serie en una matriz CCD se implementa utilizando los mismos elementos CCD combinados en una fila. El funcionamiento de un dispositivo de este tipo se basa en la capacidad de los dispositivos con comunicación de carga (esto es lo que significa la abreviatura CCD) para intercambiar cargas de sus pozos potenciales. El intercambio se lleva a cabo debido a la presencia de puertas de transferencia especiales ubicadas entre elementos CCD adyacentes. Cuando se aplica un potencial aumentado al electrodo más cercano, la carga "fluye" debajo de él desde el pozo de potencial. Entre los elementos CCD se pueden ubicar de dos a cuatro electrodos de transferencia, la "fase" del registro de desplazamiento depende de su número, que se puede llamar bifásico, trifásico o tetrafásico.
El suministro de potenciales a los electrodos de transferencia se sincroniza de tal manera que el movimiento de las cargas de los pozos de potencial de todos los elementos CCD del registro ocurre simultáneamente. Y en un ciclo de transferencia, los elementos CCD, por así decirlo, "transmiten cargas a lo largo de la cadena" de izquierda a derecha (o de derecha a izquierda). Bueno, el elemento CCD que resultó ser el "extremo" entrega su carga al dispositivo ubicado en la salida del registro, es decir, el amplificador.
En general, un registro de desplazamiento en serie es un dispositivo de entrada en paralelo y salida en serie. Por lo tanto, después de leer todas las cargas del registro, es posible aplicar una nueva línea a su entrada, luego la siguiente, y así formar una señal analógica continua basada en una matriz bidimensional de fotocorrientes. A su vez, el flujo paralelo de entrada para el registro de desplazamiento en serie (es decir, las filas de una matriz bidimensional de fotocorrientes) es proporcionado por un conjunto de registros de desplazamiento en serie orientados verticalmente, que se denomina registro de desplazamiento en paralelo, y la totalidad La estructura en su conjunto es solo un dispositivo llamado matriz CCD.
Los registros de desplazamiento en serie "verticales" que componen el registro de desplazamiento en paralelo se denominan columnas CCD y su funcionamiento está totalmente sincronizado. La matriz bidimensional de fotocorrientes de la matriz CCD se desplaza simultáneamente hacia abajo una fila, y esto sucede solo después de que las cargas de la fila anterior del registro de desplazamiento en serie ubicado "en la parte inferior" hayan ido al amplificador. Hasta que se libere el registro en serie, el registro paralelo se ve forzado a permanecer inactivo. Bueno, para el funcionamiento normal, la matriz CCD en sí debe estar conectada a un microcircuito (o un conjunto de ellos), que suministra potenciales a los electrodos de los registros de desplazamiento en serie y en paralelo, y también sincroniza el funcionamiento de ambos registros. Además, se necesita un generador de reloj.
Sensor de fotograma completo
Este tipo de sensor es el más simple desde un punto de vista constructivo y se denomina matriz CCD de fotograma completo (full-frame CCD-matrix). Además de los microcircuitos de "flejado", este tipo de matriz también necesita un obturador mecánico que bloquee el flujo de luz después de que se complete la exposición. Antes de que el obturador esté completamente cerrado, no se puede iniciar la lectura de cargas; durante el ciclo de trabajo del registro de desplazamiento paralelo, se agregan electrones adicionales a la fotocorriente de cada uno de sus píxeles, causados por los fotones que golpean la superficie abierta de la matriz CCD. Este fenómeno se denomina "manchado" de la carga en una matriz de fotograma completo (full-frame matrix smear).
Por lo tanto, la velocidad de lectura de tramas en dicho esquema está limitada por la velocidad de los registros de desplazamiento en paralelo y en serie. También es obvio que es necesario bloquear la luz proveniente de la lente hasta que se complete el proceso de lectura, por lo que el intervalo entre exposiciones también depende de la velocidad de lectura.
Matrices con buffer de cuadros
Existe una versión mejorada de la matriz de fotograma completo, en la que las cargas del registro paralelo no llegan línea por línea a la entrada del serial, sino que se "almacenan" en el registro paralelo del búfer. Este registro está ubicado debajo del registro de desplazamiento paralelo principal, las fotocorrientes se mueven línea por línea al registro de búfer y desde él se alimentan a la entrada del registro de desplazamiento en serie. La superficie del registro de búfer está cubierta con un panel opaco (generalmente de metal), y todo el sistema se denomina matriz con búfer de cuadro (CCD de transferencia de cuadro).
En este esquema, los pozos de potencial del registro de desplazamiento paralelo principal se "vacían" notablemente más rápido, ya que al transferir líneas al búfer, no es necesario que cada línea espere un ciclo completo del registro secuencial. Por lo tanto, el intervalo entre exposiciones se reduce, aunque la velocidad de lectura también cae: la línea tiene que "viajar" el doble de distancia. Así, el intervalo entre exposiciones se reduce en sólo dos fotogramas, aunque el coste del dispositivo debido al registro del búfer aumenta notablemente. Sin embargo, la desventaja más notable de las matrices con buffering de cuadros es la "ruta" alargada de las fotocorrientes, que afecta negativamente la seguridad de sus valores. Y en cualquier caso, un obturador mecánico debería funcionar entre fotogramas, por lo que no hace falta hablar de una señal de vídeo continua.
Matrices con buffering de columnas
Especialmente para equipos de video, se desarrolló un nuevo tipo de matriz, en el que el intervalo entre exposiciones se minimizaba no por un par de fotogramas, sino por un flujo continuo. Por supuesto, para asegurar esta continuidad, era necesario prever el rechazo de un obturador mecánico.
De hecho, este esquema, llamado matriz CCD interlineal, es algo similar a los sistemas con buffer de cuadros: también utiliza un registro de desplazamiento paralelo con buffer, cuyos elementos CCD están ocultos bajo una capa opaca. Sin embargo, este búfer no está ubicado en un solo bloque debajo del registro paralelo principal: sus columnas se "revuelven" entre las columnas del registro principal. Como resultado, al lado de cada columna del registro principal hay una columna tampón, e inmediatamente después de la exposición, las fotocorrientes no se mueven “de arriba hacia abajo”, sino “de izquierda a derecha” (o “de derecha a izquierda”). ) y en un solo ciclo de trabajo ingresan al registro del búfer, liberando total y completamente los posibles agujeros para la próxima exposición.
Las cargas que han caído en el registro de búfer se leen en el orden habitual a través de un registro de desplazamiento en serie, es decir, “de arriba a abajo”. Dado que el restablecimiento de las fotocorrientes al registro del búfer ocurre en solo un ciclo, incluso en ausencia de un obturador mecánico, no hay nada similar a la "mancha" de carga en una matriz de fotograma completo. Pero el tiempo de exposición para cada fotograma en la mayoría de los casos corresponde en duración al intervalo empleado en la lectura completa del registro paralelo del búfer. Gracias a todo esto, es posible crear una señal de video con una alta velocidad de cuadros, al menos 30 cuadros por segundo.
A menudo, en la literatura nacional, las matrices con almacenamiento intermedio de columna se denominan erróneamente "entrelazadas". Esto probablemente se deba al hecho de que los nombres en inglés "interline" (búfer de línea) y "entrelazado" (escaneo entrelazado) suenan muy similares. De hecho, al leer todas las líneas en un ciclo, podemos hablar de una matriz de exploración progresiva (progressive scan), y cuando se leen líneas impares en el primer ciclo, y líneas pares en el segundo (o viceversa), estamos hablando de una matriz de escaneo entrelazado (escaneo entrelazado).
Matrices con transferencia de imagen ortogonal
En estas matrices, las cargas pueden moverse a las celdas vecinas por orden del sistema de control. Se utilizan en telescopios espaciales para compensar la turbulencia atmosférica, la vibración del mecanismo del telescopio y otras interferencias mecánicas y ópticas. [2]
Tamaños de sensor de cámara
| Designacion | Ancho
(mm) |
Altura
(mm) |
Diagonal
(mm) |
Cuadrado
(mm²) |
Ejemplo
cámaras | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Fotograma completo, película tipo 135 . |
1 - 1,01 | 35,8 - 36 | 23.8 - 24 | 43 - 43,3 | 852-864 | Canon EOS 5D , Canon EOS-1Ds ( sensor CMOS ) |
| APS-H | 1.26 - 1.28 | 28,1 - 28,7 | 18.7 - 19.1 | 33,8 - 34,5 | 525,5 - 548,2 | Canon EOS-1D Mark III ( sensor CMOS ) |
| 1.33 | 27 | Dieciocho | 32.4 | 486 | leica m8 | |
| DX [3] | 1,44 - 1,74 | 20,7 - 25,1 | 13,8 - 16,7 | 24,9 - 30,1 | 285,7 - 419,2 | pentax k10d |
| APS-C | 1.74 | 20.7 | 13.8 | 24,9 | 285.7 | Sigma SD14 (sensor CMOS tipo Foveon X3) |
| 4/3 " | 1.92 - 2 | 17.3 - 18 | 13 -13,5 | 21,6 - 22,5 | 224.9 - 243 | Olimpo E-330 |
| una" | 2.7 | 12.8 | 9.6 | dieciséis | 122.9 | Sony ProMavica MVC-5000 |
| 2/3" | 3.93 | 8.8 | 6.6 | once | 58.1 | Pentax EI-2000 |
| 1/1,6" | ≈4 | ocho | 6 | diez | 48 | Panasonic Lumix DMC- LX3 |
| 1/1,65" | ≈4 | Panasonic Lumix DMC -LX2 | ||||
| 1/1,7" | ≈4.5 | 7.6 | 5.7 | 9.5 | 43.3 | Canon PowerShot G10 |
| 1/1,8" | 4.84 | 7.176 | 5.319 | 8.9 | 38.2 | Casio EXILIM EX-F1 |
| 1/1,9" | ≈5 | Samsung Digimax V6 | ||||
| 1/2" | 5.41 | 6.4 | 4.8 | ocho | 30.7 | sony dsc-d700 |
| 1/2,3" | 5.6 | 6.16 | 4.62 | 7.70 | 28.46 | Olimpo SP-560 |
| 1/2.35" | ≈6 | Pentax Optio V10 | ||||
| 1/2.4" | ≈6 | Fujifilm FinePix S8000fd | ||||
| 1/2.5" | 5.99 | 5.8 | 4.3 | 7.2 | 24,9 | Panasonic Lumix DMC-FZ8 |
| 1/2,6" | ≈6 | HP Photosmart M447 | ||||
| 1/2.7" | 6.56 | 5.27 | 3.96 | 6.6 | 20,9 | Olimpo C-900 |
| 1/2,8" | ≈7 | Canon DC40 | ||||
| 1/2,9" | ≈7 | Sony HDR-SR7E | ||||
| 1/3" | 7.21 | 4.8 | 3.6 | 6 | 17.3 | Canon PowerShot A460 |
| 1/3,1" | ≈7 | Sony HDR-SR12E | ||||
| 1/3,2" | 7.62 | 4.536 | 3.416 | 5.7 | 15.5 | Canon HF100 |
| 1/3,4" | ≈8 | Canon MVX35i | ||||
| 1/3,6" | 8.65 | cuatro | 3 | 5 | 12 | JVC GR-DZ7 |
| 1/3,9" | ≈9 | Canon DC22 | ||||
| 1/4" | CanonXM2 | |||||
| 1/4,5" | Samsung VP-HMX10C | |||||
| 1/4,7" | Panasonic NV-GS500EE-S | |||||
| 1/5" | Sony DCR-SR80E | |||||
| 1/5,5" | JVC Everio GZ-HD7 | |||||
| 1/6" | 14.71 | 2.4 | 1.7 | 2.9 | 4.1 | Sony DCR-DVD308E |
| 1/8" | sony dcr-sr45e |
Dimensiones de las cámaras de película digitales
| Designacion | conformidad con el formato de la película |
Ancho
(mm) |
Altura
(mm) |
Diagonal
(mm) |
Cuadrado
(mm²) |
Ejemplo
cámaras |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Súper-35 | Súper-35 | 24.89 | 18.66 | 31 | 465 | Arri D-21, rojo uno |
| 65 mm | pantalla ancha | 49 | 23 | 54 | 1127 | Sony F65, Fantasma 65 |
Algunos tipos especiales de matrices
Reglas fotosensibles
El alcance principal de los dispositivos receptores de luz lineales son los escáneres, los equipos fotográficos panorámicos, así como los analizadores de espectro y otros equipos de investigación.
Sensores de coordenadas y ángulos
Sensores retroiluminados
En el diseño clásico del elemento CCD, que utiliza electrodos de silicio policristalino, la fotosensibilidad está limitada debido a la dispersión parcial de la luz por la superficie del electrodo. Por lo tanto, cuando se dispara en condiciones especiales que requieren una mayor sensibilidad a la luz en las regiones azul y ultravioleta del espectro, se utilizan matrices retroiluminadas . En sensores de este tipo, la luz registrada incide sobre el sustrato, pero para lograr el efecto fotoeléctrico interno requerido, el sustrato se pule a un espesor de 10 a 15 μm . Esta etapa de procesamiento aumentó significativamente el costo de la matriz, los dispositivos resultaron ser muy frágiles y requirieron un mayor cuidado durante el montaje y la operación. Y cuando se utilizan filtros de luz que debilitan el flujo luminoso, todas las costosas operaciones para aumentar la sensibilidad pierden su sentido. Por lo tanto, las matrices retroiluminadas se utilizan principalmente en fotografía astronómica .
Sensibilidad a la luz
La sensibilidad a la luz de la matriz es la suma de la sensibilidad a la luz de todos sus fotosensores (sensels) y generalmente depende de:
- fotosensibilidad integral , que es la relación entre la magnitud del efecto fotoeléctrico y el flujo luminoso (en lúmenes ) de una fuente de radiación de composición espectral normalizada;
- fotosensibilidad monocromática - la relación entre la magnitud del efecto fotoeléctrico y la magnitud de la energía luminosa de la radiación (en milielectronvoltios ) , correspondiente a una cierta longitud de onda;
- un conjunto de todos los valores de fotosensibilidad monocromática para una parte seleccionada del espectro de luz es fotosensibilidad espectral : la dependencia de la fotosensibilidad en la longitud de onda de la luz ;
Para aumentar la fotosensibilidad y la relación señal-ruido, se utiliza el método de agrupar sensores vecinos ( ing. binning ). El principio de funcionamiento del método radica en la suma de hardware de señales de un grupo de sensores vecinos. Por ejemplo, cuatro sentidos adyacentes que forman un cuadrado se fusionarán en uno. Esto reduce la resolución de la matriz (en este ejemplo, cuatro veces). Se utilizan modos similares en estudios espaciales y microscópicos.
Véase también
- Matriz (foto)
- filtro bayer
- Foveon X3
- sensores CMOS
- factor de cultivo
- matriz CFAK
- Sensor Nikon a todo color
Notas
- ↑ Historia del CCD . Consultado el 24 de mayo de 2008. Archivado desde el original el 5 de marzo de 2008.
- ↑ Marat Musin Todos los lados de la matriz // Popular Mechanics . - 2016. - Nº 5. - S. 65-69. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2016/163-issue/ Archivado el 16 de mayo de 2021 en Wayback Machine .
- ↑ Dimensiones de matrices. Archivado el 28 de noviembre de 2007 en Wayback Machine .
Literatura
- Yu.R. Nosov, V. A. Shilin. Fundamentos de física de dispositivos de carga acoplada. - M. : Nauka, 1986. - 318 p.
- por. De inglés. / Ed. M. Howes, D. Morgan. Cargue los dispositivos acoplados. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 p.
- Seken K., Thompset M. Dispositivos con transferencia de carga / Per. De inglés. ed. V. V. Pospelova, R.A. Surisa.. - M. : Mir, 1978. - 327 p.
- edición P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; por. De inglés. edición R. A. Suris. Formadores de señal de imagen de semiconductores. - M. : Mir, 1979. - 573 p.
- Willard S. Boyle . Conferencia Nobel: CCD: una extensión de la visión del hombre (inglés) // Rev. Modificación. física . - 2010. - Vol. 82 , edición. 3 . - Pág. 2305-2306 .
- Jorge E Smith . Conferencia Nobel: La invención y la historia temprana del CCD (inglés) // Rev. Modificación. física . - 2010. - Vol. 82 , edición. 3 . - Pág. 2307-2312 .
Enlaces
- Tendencias en fotografía digital. Parte 3 (CCD) Archivado el 20 de marzo de 2008 en Wayback Machine .
- El corazón de la cámara digital: el CCD
- Empresa científica y de producción "ELAR", fabricante ruso de CCD Copia archivada el 10 de agosto de 2009 en Wayback Machine
- Principios de funcionamiento y disposición de los receptores de luz en un CCD. Archivado el 8 de mayo de 2011 en Wayback Machine .