Bilinmeyen Sergei Ivanovich
Nikulin Oleg Yuryeviç
ŞARJ BAĞLANTILI CİHAZLAR -
MODERN TELEVİZYON TEKNOLOJİSİNİN TEMELLERİ.
CCD'NİN ANA ÖZELLİKLERİ.
Bir önceki yazıda yapılmış kısa analiz Mevcut yarı iletken ışık alıcıları ve şarj bağlantılı cihazların çalışma prensibini ve yapısını ayrıntılı olarak açıklar.
Önerilen makalede, CCD matrislerinin fiziksel özelliklerine ve bunların televizyon kameralarının genel özelliklerine etkisine odaklanacağız.
CCD matrisinin eleman sayısı.
CCD matrislerinin belki de en “temel” özelliği, eleman sayısıdır. Kural olarak, modellerin büyük çoğunluğu, televizyon standardına yönelik standart sayıda öğeye sahiptir: 512x576 piksel (bu matrisler genellikle basit ve ucuz video gözetim sistemlerinde kullanılır) ve 768x576 piksel (bu tür matrisler, maksimum çözünürlüğü elde etmenizi sağlar. standart bir televizyon sinyali için).
Literatürde üretilen ve açıklanan en büyük CCD, 4096x4096 piksel boyutunda ve 7.5 mikron piksel kenarına sahip Ford Aerospace şirketinin tek kristalli bir cihazıdır.
Üretimde, büyük boyutlu yüksek kaliteli cihazların çıktısı çok düşüktür, bu nedenle, geniş formatlı görüntüler çekmek için CCD video kameralar oluştururken farklı bir yaklaşım kullanılır. Birçok şirket, uçları üç, iki veya bir tarafta bulunan CCD'ler üretir (buttable CCD). Bu tür cihazlardan toplanır mozaik CCD. Örneğin Loral Fairchild, 2048x4096 15 µm boyutlarında çok ilginç ve gelecek vadeden bir cihaz üretmektedir. Bu CCD'nin sonuçları dar bir tarafa yerleştirilmiştir. Rus endüstrisinin başarıları biraz daha mütevazı. NPP "Silar" (St. Petersburg), toplu yük aktarım kanalı, sanal faz ve cihazın bir tarafında uçlara sahip bir CCD 1024x1024 16 mikron üretir. Cihazların bu mimarisi, birbirlerine üç taraftan birleştirilmelerini sağlar.
Şu anda CCD mozaiklerine dayalı birkaç özel geniş formatlı ışık dedektörünün yaratılmış olduğunu not etmek ilginçtir. Örneğin, Loral Fairchild'den sekiz adet 2048x4096 CCD, toplam boyutu 129x129 mm olan 8192x8192 boyutunda bir mozaikte birleştirilir. Bireysel CCD çipleri arasındaki boşluklar 1 mm'den azdır. Bazı uygulamalarda, nispeten büyük boşluklar (1 cm'ye kadar) ciddi bir sorun olarak kabul edilmez, çünkü tam bir görüntü, birbirinden biraz farklı olan birkaç pozlamanın bilgisayarın belleğinde toplanması ve böylece boşlukların doldurulmasıyla elde edilebilir. 8196x8196 boyutundaki mozaik ile elde edilen görüntü, her cildinde 500 sayfa bulunan yaklaşık 100 ciltlik bir ansiklopediye eşdeğer 128 MB bilgi içermektedir. Bu rakamlar etkileyici olsa da, devasa tabakalarda üretilebilen fotoğrafik emülsiyonların boyutu ve çözünürlüğü ile karşılaştırıldığında yine de küçüktür. En kalın grenli 35 mm film bile kare başına 25 milyona kadar çözülebilir gren (piksel) içerir.
TV kameralarının çözünürlüğü
Kameranın ana parametrelerinden biri olan çözünürlük (veya çözünürlük) doğrudan CCD matrisinin eleman sayısına bağlıdır. Ek olarak kameranın bir bütün olarak çözünürlüğü parametrelerden etkilenir. elektronik devre sinyal işleme ve optik parametreler.
Çözünürlük, kamera tarafından iletilebilen ve kayıt sistemi tarafından algılanabilir maksimum kontrastta ayırt edilebilen maksimum siyah ve beyaz şerit sayısı (yani siyahtan beyaza veya tersi geçiş sayısı) olarak tanımlanır.
Bu, kameranın pasaportunda çözünürlüğünün N TV satırı olduğu belirtiliyorsa, kameranın görüntü alanında yazılı bir kareye yerleştirilmiş N/2 koyu dikey konturu açık renkli bir arka plan üzerinde görmenize izin verdiği anlamına gelir. Standart bir televizyon masası ile ilgili olarak, bu şu anlama gelir: mesafeyi seçerek ve masa görüntüsünü odaklayarak, monitördeki masa görüntüsünün üst ve alt kenarlarının masanın dış konturları ile çakışmasını sağlamak gerekir, siyah ve beyaz prizmaların tepeleriyle işaretlenmiştir. Ayrıca, son odaklamadan sonra, dikey vuruşların ilk kez farklılık göstermeyi bıraktığı dikey kamanın o yerinde sayı okunur. Son açıklama çok önemlidir, çünkü 600 veya daha fazla vuruşa sahip tablonun test alanlarının görüntüsünde, aslında darbelerin uzamsal frekanslarının vuruşuyla oluşan hareli olan alternatif bantlar genellikle görünür durumdadır. tablonun ve CCD matrisinin hassas öğelerinin ızgarası. Bu etki, özellikle yüksek frekanslı uzamsal filtrelere sahip kameralarda belirgindir.
TVL (TV hattı), telesistemlerde çözünürlük için bir ölçü birimi olarak alınır. Sınırlı olduğu için tüm kameraların dikey çözünürlüğü hemen hemen aynıdır. televizyon standardı- 625 televizyon tarama satırı ve bu koordinatta 625'ten fazla nesne iletemezler. Yatay çözünürlükteki fark, genellikle veri sayfalarında belirtilen şeydir.
Uygulamada, çoğu durumda, genel TV izleme görevleri için 380-400 TV satırı çözünürlüğü yeterlidir. Ancak, tek bir kamerayla geniş bir alanın uzaktan izlenmesi, değişken açısal büyütmeli (zoom) bir TV kamerasıyla geniş bir çevrenin görüntülenmesi, havaalanlarında, tren istasyonlarında, iskelelerde, süpermarketlerde izleme, tanımlama sistemleri gibi özel telesistemler ve görevler için. ve araç plakalarını, yüze göre tanımlama sistemlerini vb. tanımak için daha yüksek bir çözünürlük gerekir (bunun için 570 veya daha fazla TV satırı çözünürlüğüne sahip kameralar kullanılır).
Renkli kameraların çözünürlüğü siyah beyaz olanlardan biraz daha kötü. Bu, renkli televizyonda kullanılan CCD matrislerinin piksel yapısının siyah beyaz matrislerin piksel yapısından farklı olmasının bir sonucudur. Mecazi anlamda, bir renk matrisinin bir pikseli, her biri ışığı optik spektrumun kırmızı (Kırmızı) veya yeşil (Yeşil) veya mavi (Mavi) kısmında kaydeden üç pikselin birleşiminden oluşur. Böylece, renkli CCD matrisinin her bir elemanından üç sinyal (RGB sinyali) alınacaktır. Bu durumda, etkili çözünürlük, siyah-beyaz matrislerden birkaç kat daha kötü olmalıdır. Bununla birlikte, renkli matrisler için, piksel boyutları benzer bir siyah-beyaz matrisin piksel boyutundan bir buçuk kat daha küçük olduğu için çözünürlük daha az bozulur ve bu da çözünürlükte yalnızca% 30-40 oranında bir bozulmaya neden olur. Bunun olumsuz tarafı, görüntü öğesinin etkili kayıt alanı önemli ölçüde küçüldüğünden, renk matrislerinin duyarlılığındaki azalmadır. Renkli kameraların tipik çözünürlüğü 300 - 350 TV satırıdır.
Ek olarak, kameranın çözünürlüğü, kameranın video sinyali çıkışının bant genişliğinden etkilenir. 300 TVL sinyalini iletmek için 2,75 MHz bant genişliği gerekir (55 µs TV tarama satırı başına 150 periyot). Telescan bant genişliği (n ffr) ve çözünürlük (TVL) arasındaki ilişki aşağıdaki ilişki tarafından belirlenir:
n pchtr \u003d (TVL / 2) x n chs,
n ftr frekansının MHz cinsinden ölçüldüğü yerde, TVL'nin TV hatlarındaki çözünürlüğü, yatay tele tarama frekansı n fr =18,2 kHz.
Şu anda, iyi frekans özelliklerine sahip birçok farklı yarı iletken amplifikatör geliştirilmiştir, bu nedenle, sistemin nihai çözünürlüğünü hiçbir şekilde etkilememek için kamera amplifikatörlerinin bant genişliği genellikle gerekenden önemli ölçüde (1,5-2 kat) daha yüksektir. Dolayısıyla çözünürlük, tam olarak CCD matrisinin ışık alma alanının ayrıklığının topolojisi ile sınırlıdır. Bazen iyi bir elektronik amplifikatör kullanma gerçeği, "kontrast çözünürlüğü" ve "altı çizili sınırlar" olarak tercüme edilebilecek "çözünürlük geliştirme" veya "kenar geliştirme" gibi güzel kelimeler olarak adlandırılır. Bu yaklaşımın çözünürlüğü iyileştirmediğinin farkında olmalıyız, bu nedenle yalnızca siyah ve beyaz sınırların aktarımının netliği iyileşir ve o zaman bile her zaman değil.
Bununla birlikte, hiçbir modern elektronik hilesinin video sinyalinin bant genişliğini 3,8 MHz'in üzerine çıkarmanıza izin vermediği bir durum vardır. Bu bir bileşik renkli video sinyalidir. Krominans sinyali bir taşıyıcı üzerinde iletildiğinden (PAL standardında - yaklaşık 4,4 MHz frekansta), parlaklık sinyali zorunlu olarak 3,8 MHz'lik bir bant genişliğiyle sınırlandırılmıştır (kesin olarak, standart, krominansı ayırmak için tarak filtreleri varsayar) ve parlaklık sinyalleri, ancak gerçek ekipman sadece alçak geçiren filtrelere sahiptir). Bu, yaklaşık 420 TVL'lik bir çözünürlüğe karşılık gelir. Şu anda, bazı üreticiler renkli kameralarının çözünürlüğünün 480 TVL veya daha fazla olduğunu beyan etmektedir. Ancak, kural olarak, bu çözünürlüğün yalnızca sinyalin Y-C (S-VHS) veya bileşen (RGB) çıkışından çıkarılması durumunda gerçekleştirileceği gerçeğine odaklanmazlar. Bu durumda, parlaklık ve renk sinyalleri kameradan monitöre iki (Y-C) veya üç (RGB) ayrı kablo ile iletilir. Bu durumda monitörün yanı sıra tüm ara ekipmanların (anahtarlar, çoklayıcılar, video kaydediciler) de giriş / çıkışları olmalıdır. Y-C yazın(veya RGB). Aksi takdirde, kompozit videoyu işleyen tek bir ara eleman, bant genişliğini belirtilen 3,8 MHz ile sınırlayacak ve pahalı kameralar için yapılan tüm harcamaları işe yaramaz hale getirecektir.
Bir CCD kameranın kuantum verimliliği ve kuantum verimi.
Kuantum verimliliği ile kayıtlı yüklerin sayısının CCD kristalinin ışığa duyarlı bölgesine çarpan fotonların sayısına oranını kastediyoruz.
Bununla birlikte, kuantum verimliliği ve kuantum verimi kavramları karıştırılmamalıdır. Kuantum verimi, fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak bir yarı iletkende veya sınırına yakın bir yerde oluşan fotoelektron sayısının bu yarı iletken üzerine gelen foton sayısına oranıdır.
Kuantum verimliliği, alıcının ışık kaydeden kısmının kuantum veriminin fotoelektron yükünün kayıtlı faydalı sinyale dönüştürme faktörü ile çarpılmasıdır. Bu katsayı her zaman birden küçük olduğu için, kuantum verimi de kuantum veriminden daha azdır. Bu fark, özellikle düşük verimli sinyal algılama sistemine sahip cihazlar için büyüktür.
Kuantum verimliliği açısından, CCD'ler eşsizdir. Karşılaştırma için, göz bebeğine giren her 100 fotondan yalnızca biri retina tarafından algılanır (kuantum verimi %1'dir), en iyi emülsiyonların kuantum verimi %2-3'tür, elektrovakum cihazları (örneğin, fotomultipliers) - %20'ye kadar, CCD'lerde bu parametre %4'ten (düşük kaliteli CCD'ler, genellikle ucuz "sarı" montaj kameralarında kullanılır) ila %50'ye (tipik seçilmemiş batı montajlı kamera) kadar tipik bir değerle %95'e ulaşabilir. . Ek olarak, gözün tepki verdiği dalga boyu aralığının genişliği, bir CCD'ninkinden çok daha dardır. Geleneksel vakumlu televizyon kameralarının ve fotoğrafik emülsiyonların fotokatotlarının spektral aralığı da sınırlıdır. CCD'ler, angstrom birimlerinden (gama ve x-ışınları) 1100 nm'ye (IR) kadar değişen dalga boylarında ışığa yanıt verir. Bu devasa aralık, bugüne kadar bilinen diğer tüm dedektörlerin spektral aralığından çok daha geniştir.
Pirinç. 1. Bir CCD dizisinin kuantum verimliliğine bir örnek.
Hassasiyet ve spektral aralık
Bir televizyon kamerasının bir diğer önemli parametresi olan hassasiyet, kuantum verimliliği ve kuantum verimi kavramlarıyla yakından ilgilidir. Kuantum verimliliği ve kuantum verimi esas olarak yeni telesistemlerin geliştiricileri ve tasarımcıları tarafından işletiliyorsa, o zaman işletmelerdeki ayar mühendisleri, bakım hizmeti ve doğrudan çalışan projelerin tasarımcıları hassasiyeti kullanır. Aslında, alıcının duyarlılığı ve kuantum çıktısı doğrusal bir fonksiyonla ilişkilidir. Kuantum verimi, ışık detektörüne gelen fotonların sayısı ile fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak bu fotonlar tarafından üretilen fotoelektronların sayısıyla ilişkiliyse, hassasiyet ışık detektörünün tepkisini elektrik birimlerinde belirler (örneğin, mA cinsinden) ) gelen ışık akısının belirli bir değerine (örneğin, W veya lx / sn cinsinden). Aynı zamanda, bolometrik hassasiyet kavramı (yani, alıcı hassasiyetinin tüm spektral aralığındaki toplam hassasiyet) ve kural olarak 1 nm (10 angstrom) spektral genişliğe sahip radyasyon akısı ile ölçülen tek renkli hassasiyet kavramı ayrılırlar. Alıcının duyarlılığının bir dalga boyunda (örneğin 450 nm) olduğunu söylediklerinde, bu, duyarlılığın 449,5 nm ila 450,5 nm aralığında bir akıya dönüştürüldüğü anlamına gelir. mA/W cinsinden ölçülen bu hassasiyet tanımı kesindir ve kullanıldığında herhangi bir karışıklığa neden olmaz.
Bununla birlikte, güvenlik sistemlerinde kullanılan televizyon cihazlarının tüketicileri için, farklı bir hassasiyet tanımı daha sık kullanılmaktadır. Çoğu zaman, hassasiyet, siyahtan beyaza geçişin ayırt edilebildiği nesne üzerindeki minimum aydınlatma (sahne aydınlatması) veya matris üzerindeki minimum aydınlatma (görüntü aydınlatması) olarak anlaşılır.
Teorik bir bakış açısından, matris üzerindeki minimum aydınlatmayı belirtmek daha doğru olacaktır, çünkü bu durumda kullanılan merceğin özelliklerini, nesneye olan mesafeyi ve yansıma katsayısını (bazen bu) belirtmek gerekli değildir. katsayısına “albedo” kelimesi denir). Albedo genellikle belirli bir dalga boyunda tanımlanır, ancak bolometrik albedo diye bir şey vardır. Nesne üzerindeki aydınlatmaya dayalı bir duyarlılık tanımıyla nesnel olarak işlem yapmak çok zordur. Bu, özellikle uzun mesafelerde tele tanıma sistemleri tasarlarken doğrudur. Çoğu sensör, çok parlak ışıkla aydınlatılsa bile 500 metre mesafeden bir kişinin yüzünün görüntüsünü kaydedemez.*
Not
* Bu tür görevler, özellikle terör tehdidinin arttığı yerlerde vb. CCTV uygulamasında ortaya çıkmaktadır. Bu tür televizyon sistemleri 1998 yılında Japonya'da geliştirilmiştir ve seri üretime hazırlanmaktadır.
Ancak kamera seçerken kullanıcının önceden bildiği nesnenin aydınlatması ile çalışması daha uygundur. Bu nedenle, genellikle standartlaştırılmış koşullar altında ölçülen nesne üzerindeki minimum aydınlatmayı gösterirler - nesnenin yansıma katsayısı 0,75'tir ve merceğin açıklık oranı 1,4'tür. Cisim ve matris üzerindeki aydınlatma ile ilgili formül aşağıda verilmiştir:
Görüntü=Iscene x R/(p x F2),
Iimage , Iscene, CCD dizisinin ve nesnenin aydınlatmasıdır (Tablo 1);
R, nesnenin yansıma katsayısıdır (Tablo 2);
p - sayı 3.14;
F - mercek açıklığı.
Iimage ve Iscene değerleri genellikle 10 kattan fazla farklılık gösterir.
Aydınlatma şu şekilde ölçülür: süitler. süit -ışık ışınlarına dik bir yüzey üzerinde bir metre uzaklıkta bir uluslararası mumun nokta kaynağı tarafından üretilen aydınlatma.
Tablo 1. Nesnelerin yaklaşık aydınlatması.
| Sokakta (Moskova enlemi) | |
| bulutsuz güneşli gün | 100.000 lüks |
| Hafif bulutlu güneşli bir gün | 70.000 lüks |
| Kötü bir gün | 20.000 lüks |
| Sabahın erken saatleri | 500 lüks |
| alacakaranlık | 0,1 - 4 lüks |
| "Beyaz Geceler"* | 0,01 – 0,1 lüks |
| Açık gece, dolunay | 0,02 lüks |
| Gece, bulutlarda ay | 0,007 lüks |
| karanlık bulutlu gece | 0,00005 lüks |
| Odada | |
| penceresiz oda | 100 - 200 lüks |
| iyi aydınlatılmış oda | 200 - 1000 lüks |
* "Beyaz geceler" - sivil alacakaranlığı tatmin eden aydınlatma koşulları, yani. güneş, atmosferik kırılmayı hesaba katmadan 6 ° 'den fazla olmamak üzere ufkun altına battığında. Bu, St. Petersburg için geçerlidir. Moskova için sözde "gezinti beyaz geceleri" koşulları yerine getirildi, yani. güneş diski ufkun altına 12 ° 'den fazla düşmediğinde.
Bir kameranın hassasiyetinin, sinyal-gürültü oranının 24 dB olduğu bir sinyal anlamına gelen "kabul edilebilir bir sinyal" için belirtilmesi alışılmadık bir durum değildir. Bu, görüntünün hala video kasete kaydedilebileceği ve oynatma sırasında bir şeyler görmeyi umabileceği ampirik olarak belirlenmiş bir gürültü sınırıdır.
"Kabul edilebilir" bir sinyal belirlemenin başka bir yolu da IRE (Radyo Mühendisleri Enstitüsü) ölçeğidir. Toplam video sinyali (0,7 volt) 100 IRE birimi olarak alınır. "Kabul edilebilir", 30 IRE civarında bir sinyal olarak kabul edilir. Bazı üreticiler, özellikle BURLE, 25 IRE, bazıları - 50 IRE (sinyal seviyesi -6 dB) belirtir. "Kabul edilebilir" bir seviyenin seçimi, sinyal-gürültü oranı tarafından belirlenir. Bir elektronik sinyali yükseltmek zor değildir. Sorun şu ki, gürültü de artacak. Işığa duyarlı her hücrede bir mikrolens bulunan Sony'nin Hyper-HAD matrisleri artık seri üretilen CCD'ler arasında en yüksek duyarlılığa sahip. Çoğu yüksek kaliteli kamerada kullanılırlar. Temellerine göre oluşturulan kameraların parametrelerinin dağılması, temel olarak, üreticilerin "kabul edilebilir sinyal" kavramının tanımına yaklaşımlarındaki eşitsizlik anlamına gelir.
Duyarlılığın tanımıyla ilgili ek bir sorun, aydınlatma biriminin "lüks"ün 550 nm dalga boyuna sahip monokromatik radyasyon için tanımlanmış olmasıdır. Bu bağlamda, video kameranın hassasiyetinin spektral bağımlılığı gibi bir özelliğe özel dikkat gösterilmesi mantıklıdır. Çoğu durumda, siyah beyaz kameraların hassasiyeti, insan gözüyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde, 1100 nm'ye kadar olan kızılötesi aralığına kadar uzanır. Bazı modifikasyonlar için, yakın kızılötesi bölgedeki hassasiyet görünür bölgeden bile daha yüksektir. Bu kameralar kızılötesi aydınlatıcılarla çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve bazı açılardan gece görüş cihazlarına yaklaşır.
Renkli kameraların spektral hassasiyeti yaklaşık olarak insan gözüyle aynıdır.
Pirinç. 2. Standart RGB çizgili bir renkli CCD dizisinin spektral duyarlılığına bir örnek.
Tablo 2. Çeşitli nesnelerin yansıma katsayılarının yaklaşık değerleri.
| Bir obje | Yansıma katsayısı (%) |
| Kar | 90 |
| Beyaz boya | 75-90 |
| Bardak | 70 |
| Tuğla | 35 |
| çimen, ağaçlar | 20 |
| insan yüzü | 15 – 25 |
| Taş kömürü, grafit* | 7 |
* Ay yüzeyinin yansıma katsayısının da yaklaşık %7 olması ilginçtir, yani. Ay aslında siyahtır.
Ultra yüksek hassasiyetli kameralar özel olarak anılmayı hak ediyor, aslında bunlar geleneksel bir kamera ile bir gece görüş cihazının (örneğin, bir mikro kanal görüntü yoğunlaştırıcı tüp - görüntü yoğunlaştırıcı tüp) bir kombinasyonudur. Bu tür kameraların benzersiz özellikleri vardır (hassasiyet, geleneksel olanlardan 100 - 10.000 kat daha yüksektir ve insan vücudunun maksimum radyasyonunun gözlemlendiği orta kızılötesi aralıkta kendisi parlar), ancak öte yandan, aynı zamanda benzersiz kaprislilik - arızalar arasındaki süre yaklaşık bir yıldır ve kameralar gün içinde açılmamalıdır, hatta görüntü tüpü katotunun yanmasını önlemek için lenslerinin kapatılması önerilir. Minimum olarak, otomatik iris aralığı F/1000 veya daha fazla olan lensler takılmalıdır. Çalışma sırasında, görüntünün görüntü yoğunlaştırıcı tüp katodunda "yanmasını" önlemek için kamera düzenli olarak hafifçe döndürülmelidir.
CCD matrislerinden farklı olarak, görüntü yoğunlaştırıcı tüp katotlarının maksimum aydınlatmaya karşı çok hassas olduğunu not etmek ilginçtir. Parlak aydınlatmadan sonra CCD kameranın ışığa duyarlı alanı nispeten kolay bir şekilde orijinal durumuna dönerse (pratik olarak maruz kalmaktan korkmaz), o zaman parlak pozlamadan sonra görüntü yoğunlaştırıcı tüpün katodu çok uzundur (bazen 3-6 saat) ) "geri yüklendi". Bu kurtarma sırasında, giriş penceresi kapalı olsa bile, görüntü yoğunlaştırıcı tüpün katodundan artık, "görüntülenmiş" bir görüntü okunur. Kural olarak, büyük maruz kalmalardan sonra, yeniden emilim etkileri nedeniyle (hızlandırılmış elektron akışları ile kanal duvarlarının bombardımanının etkisi altında gazların salınması), görüntü yoğunlaştırıcı gürültü, geniş bir mikro kanal plakaları alanı üzerinde keskin bir şekilde artar ve özellikle, çoklu elektron ve iyon gürültüsü. İkincisi, monitör ekranında, yararlı bir sinyali izole etmeyi zorlaştıran, büyük çaplı sık sık parlak flaşlar şeklinde görünür. Daha da büyük giriş ışık akılarında, hem katotta hem de görüntü yoğunlaştırıcı tüpün çıkış lüminesan ekranında geri dönüşü olmayan işlemler meydana gelebilir: büyük bir akının etkisi altında, ayrı bölümleri başarısız olur ("yanma"). Daha fazla işlemle, bu alanlar azaltılmış bir hassasiyete sahiptir ve bu daha sonra sıfıra düşer.
Çoğu TV kamerasında yüksek hassasiyet sarı veya sarı-yeşil parıltılı çıkış floresan ekranlarına sahip parlaklık amplifikatörleri kullanılır. Prensip olarak, bu ekranların parlaması tek renkli bir radyasyon kaynağı olarak kabul edilebilir, bu da otomatik olarak şu tanıma götürür: bu tür sistemler yalnızca tek renkli (yani siyah beyaz) olabilir. Bu durum göz önüne alındığında, sistemlerin yaratıcıları uygun CCD matrislerini de seçerler: spektrumun sarı-yeşil kısmında maksimum hassasiyetle ve IR aralığında hassasiyet olmadan.
IR aralığındaki matrislerin yüksek hassasiyetinin olumsuz bir sonucu, alet gürültüsünün sıcaklığa bağımlılığının artmasıdır. Bu nedenle, görüntü yoğunlaştırıcı tüplere sahip televizyon sistemlerinin aksine, parlaklık amplifikatörleri olmadan akşam ve gece çalışmak için kullanılan IR matrislerinin soğutulması önerilir. CCD kameraların duyarlılığının diğer yarı iletken radyasyon dedektörlerine göre IR bölgesine kaymasının ana nedeni, silikonun şeffaflığının uzun dalga boyu bölgesinde daha fazla olması ve silikonun şeffaflığının daha fazla olması nedeniyle daha fazla kırmızı fotonun silikona daha fazla nüfuz etmesinden kaynaklanmaktadır. , aynı zamanda, bir fotonu yakalama (onu bir fotoelektrona dönüştürme) olasılığı birlik olma eğilimindedir.
Pirinç. 3. Silikondaki fotonların absorpsiyon derinliğinin dalga boyuna bağlılığı.
1100 nm'den daha büyük bir dalga boyuna sahip ışık için silikon şeffaftır (kırmızı fotonların enerjisi, silikonda bir elektron-delik çifti oluşturmak için yeterli değildir) ve 300-400 nm'den daha düşük bir dalga boyuna sahip fotonlar soğurulur. ince yüzey tabakası (zaten elektrotların polisilikon yapısında) ve potansiyel kuyusuna ulaşmaz.
Yukarıda belirtildiği gibi, bir foton emildiğinde, bir çift elektron deliği taşıyıcısı üretilir ve eğer foton epitaksiyel tabakanın tükenmiş bölgesinde emilirse elektronlar elektrotların altında toplanır. Böyle bir CCD yapısı ile yaklaşık %40'lık bir kuantum verimliliği elde edilebilir (teorik olarak, bu sınırdaki kuantum verimliliği %50'dir). Bununla birlikte, polisilikon elektrotlar, 400 nm'den daha kısa bir dalga boyuna sahip ışığa karşı opaktır.
Kısa dalga boyu aralığında daha yüksek hassasiyet elde etmek için, CCD genellikle mavi veya ultraviyole (UV) fotonları emen ve görünür veya kırmızı dalga boyu aralığında yeniden yayılan ince madde filmleriyle kaplanır.
Gürültü, herhangi bir sinyal belirsizliği kaynağıdır. Aşağıdaki CCD gürültü türleri ayırt edilebilir.
foton gürültüsü Işığın ayrık doğasının bir sonucudur. Herhangi bir ayrık süreç, Poisson yasasına (istatistik) uyar. Foton akısı (S, birim zamanda alıcının ışığa duyarlı kısmına gelen fotonların sayısıdır) da bu istatistiği takip eder. Ona göre, foton gürültüsü. Böylece, giriş sinyali için sinyal-gürültü oranı (S / N - sinyal / gürültü oranı olarak gösterilir) şöyle olacaktır:
S/N==.
Karanlık sinyal gürültüsü Matris girişine bir ışık sinyali uygulamazsanız (örneğin, video kamera merceğini opak bir kapakla sıkıca kapatın), o zaman sistemin çıkışında “karanlık” çerçeveler alırız. , aksi takdirde kartopu gürültüsü denir. Karanlık sinyalin ana bileşeni termiyonik emisyondur. Sıcaklık ne kadar düşük olursa, karanlık sinyal o kadar düşük olur. Termiyonik emisyon ayrıca Poisson istatistiklerine uyar ve gürültüsü: , burada Nt, toplam sinyalde termal olarak üretilen elektronların sayısıdır. Kural olarak, CCD'ler aktif soğutma olmadan CCTV sistemlerinde kullanılan tüm video kameralarda kullanılır ve bunun sonucunda karanlık gürültü ana gürültü kaynaklarından biri haline gelir.
Gürültü aktarın. Yük paketinin CCD'nin elemanları aracılığıyla transferi sırasında bazı elektronlar kaybolur. Kristalde var olan kusurlar ve safsızlıklar üzerinde yakalanır. Bu transfer verimsizliği, transfer edilen ücret sayısının (N), transfer sayısının (n) ve tek bir transfer olayının verimsizliğinin (e) bir fonksiyonu olarak rastgele değişir. Her paketin bağımsız olarak taşındığını varsayarsak, transfer gürültüsü aşağıdaki ifade ile temsil edilebilir:
s=.
Örnek: 10-5 transfer verimsizliği, 300 transfer ve 105'lik bir paketteki elektron sayısı için transfer gürültüsü 25 elektron olacaktır.
Gürültü okuma. CCD öğesinde saklanan sinyal diziden çıkarıldığında, gerilime dönüştürüldüğünde ve yükseltildiğinde, her öğede okuma gürültüsü adı verilen ek gürültü oluşur. Okuma gürültüsü bazı olarak temsil edilebilir temel düzeyde sensör tamamen karanlıktayken sıfır pozlamalı bir görüntüde bile mevcut olan gürültü ve karanlık sinyal gürültüsü sıfır. İyi CCD örnekleri için tipik okuma gürültüsü 15-20 elektrondur. Ford Aerospace Corporation tarafından Skipper teknolojisi kullanılarak üretilen en iyi CCD'ler, 1 elektrondan daha az okuma gürültüsü ve 10-6 aktarım verimsizliği elde eder.
Gürültüyü veya kTC gürültüsünü sıfırlayın. Sinyal şarjını tespit ünitesine girmeden önce, önceki şarjı geri çekmek gerekir. Bunun için bir sıfırlama transistörü kullanılır. Elektriksel sıfırlama seviyesi, yalnızca gürültüye neden olan algılama ünitesinin sıcaklığına ve kapasitansına bağlıdır:
r =,
burada k, Boltzmann sabitidir.
Oda sıcaklığında 0,1 pF'lik tipik bir kapasitans C için, boşaltma gürültüsü yaklaşık 130 elektron olacaktır. kTC gürültüsü, özel bir sinyal işleme yöntemiyle tamamen bastırılabilir: çift ilişkili örnekleme (DCS). DKV yöntemi, genellikle güç devreleri tarafından sunulan düşük frekanslı sinyalleri de etkili bir şekilde ortadan kaldırır.
CCTV sistemlerinin ana yükü geceleri (veya yetersiz aydınlatılmış odalar) düştüğünden, düşük ışık koşullarında daha verimli olan düşük gürültülü video kameralara dikkat etmek özellikle önemlidir.
Göreceli gürültü miktarını tanımlayan parametre, yukarıda bahsedildiği gibi, sinyal-gürültü oranı (S/N) olarak adlandırılır ve desibel cinsinden ölçülür.
S/N = 20 x günlük(<видеосигнал>/<шум>)
Örneğin, 60 dB'lik bir sinyal gürültü oranı, sinyalin gürültünün 1000 katı olduğu anlamına gelir.
50 dB veya daha fazla sinyal-gürültü oranında, monitörde 40 dB'de görünür gürültü belirtileri olmayan net bir resim görünecektir - bazen 30 dB'de titreyen noktalar fark edilir - ekranın her yerinde "kar" , 20 dB'de - görüntü pratik olarak kabul edilemez, ancak sürekli bir "karlı" perdenin ardından büyük zıt nesneler hala görülebiliyor.
Kamera açıklamalarında sağlanan veriler, örneğin matris üzerinde 10 lux aydınlatma ve otomatik kazanç kontrolü ve gama düzeltmesi kapalıyken optimum koşullar için sinyal-gürültü değerlerini gösterir. Aydınlatma azaldıkça, sinyal küçülür ve AGC ve gama düzeltmesinin etkisi nedeniyle gürültü artar.
Dinamik Aralık
Dinamik aralık, ışık alıcısı tarafından üretilen olası maksimum sinyalin kendi gürültüsüne oranıdır. Bir CCD için bu parametre, bir pikselde toplanabilecek en büyük şarj paketinin okuma gürültüsüne oranı olarak tanımlanır. Bir CCD'nin piksel boyutu ne kadar büyük olursa, o kadar fazla elektron tutabilir. İçin farklı şekiller CCD bu değer 75.000 ila 500.000 ve üzeridir. 10 e - gürültüde (CCD gürültüsü e - elektronlarda ölçülür), CCD'nin dinamik aralığı 50.000 fenere ve nesnenin ışıksız gölge tarafına ulaşır. Karşılaştırıldığında, en iyi fotoğrafik emülsiyonların yalnızca 100 civarında bir dinamik aralığı vardır.
CCD alıcılarının bazı özelliklerini ve hepsinden önemlisi dinamik aralığı daha iyi anlamak için, bunları insan gözünün özellikleriyle kısaca karşılaştıralım.
Göz, en çok yönlü ışık alıcısıdır.
Şimdiye kadar, dinamik aralık (ve özellikle görüntü işleme ve restorasyon verimliliği açısından) açısından en verimli ve mükemmel olan ışık alıcısı insan gözüdür. Gerçek şu ki, insan gözü iki tür ışık kaydediciyi birleştirir: çubuklar ve koniler.
Çubukların boyutu küçüktür ve hassasiyeti nispeten düşüktür. Esas olarak merkezi sarı nokta bölgesinde bulunurlar ve fundus retinasının çevresinde pratik olarak yokturlar. Çubuklar, farklı dalga boylarındaki ışığı iyi ayırt eder, daha doğrusu, gelen akımın rengine bağlı olarak farklı bir nörosinyal üreten bir mekanizmaya sahiptirler. Bu nedenle, normal aydınlatma koşulları altında, sıradan bir göz, merceğin optik ekseni yakınında maksimum açısal çözünürlüğe, maksimum renk tonlarına sahiptir. Bazı insanlar, ışığın dalga boyuna bağlı olarak çeşitli nörosinyaller oluşturma yeteneğinin azalması ve bazen eksikliği ile ilişkili patolojik anormalliklere sahip olsa da. Bu patolojiye renk körlüğü denir. Keskin görüşe sahip insanlar neredeyse hiçbir zaman renk körü değildir.
Koniler, retina boyunca neredeyse eşit olarak dağılmıştır ve daha büyüktür ve bu nedenle daha hassastır.
Gün ışığı koşullarında, çubuklardan gelen sinyal, konilerden gelen sinyali önemli ölçüde aşar, göz, parlak ışıkla ("gündüz" görüşü olarak adlandırılan) çalışacak şekilde ayarlanır. Çubuklar, konilere kıyasla daha yüksek düzeyde "karanlık" sinyaline sahiptir (karanlıkta, yanlış ışık "kıvılcımları" görürüz).
Normal görüşe sahip yorulmaz bir kişi karanlık bir odaya yerleştirilir ve karanlığa uyum sağlamasına (“alışmasına”) izin verilirse, çubuklardan gelen “karanlık” sinyali büyük ölçüde azalacak ve koniler algıda daha verimli çalışmaya başlayacaktır. ışık (“alacakaranlık” görüşü). S.I. Vavilov'un ünlü deneylerinde, insan gözünün (“koni” versiyonu) 2-3 ışık miktarını ayrı ayrı kaydedebildiği kanıtlanmıştır.
Böylece, insan gözünün dinamik aralığı: parlak güneş bireysel fotonlar için 10 10'dur (yani 200 desibel!). Bu parametredeki en iyi yapay ışık alıcısı, bir fotoçoğaltıcı tüptür (PMT). Foton sayma modunda, 10 5'e (yani 100 dB) kadar bir dinamik aralığa sahiptir ve analog modda kayda otomatik geçiş için bir cihazla, PMT dinamik aralığı 10 7'ye (140 dB) ulaşabilir, bu da dinamik aralık açısından insan gözünden bin kat daha kötü.
Çubukların spektral hassasiyet aralığı çok geniştir (4200 ila 6500 angstrom), maksimum yaklaşık 5550 angstromdur. Konilerde, spektral aralık daha dardır (4200 ila 5200 angstrom), maksimum dalga boyu yaklaşık 4700 angstromdur. Bu nedenle, gündüz görüşünden alacakaranlık görüşüne geçerken, sıradan bir kişi renkleri ayırt etme yeteneğini kaybeder (“geceleri bütün kediler gridir” dedikleri boşuna değildir) ve etkili dalga boyu mavi kısma, yüksek enerjili fotonların bölgesi. Spektral hassasiyeti kaydırmanın bu etkisine Purkinje etkisi denir. (Dolaylı olarak), RGB sinyali tarafından beyaza dengesiz olan birçok renkli CCD'ye sahiptir. Otomatik beyaz düzeltmesi olmayan kameralı TV sistemlerinde renk bilgisi alınırken ve kullanılırken bu dikkate alınmalıdır.
Doğrusallık ve gama düzeltmesi.
CCD'ler yüksek derecede doğrusallığa sahiptir. Başka bir deyişle, bir pikselde toplanan elektronların sayısı, CCD'ye çarpan fotonların sayısıyla tam orantılıdır.
"Doğrusallık" parametresi, "dinamik aralık" parametresiyle yakından ilişkilidir. Sistem, cihazın doğrusal olmayan bölgede çalışmasının donanım veya daha fazla yazılım düzeltmesini sağlıyorsa, dinamik aralık, kural olarak, doğrusallık aralığını önemli ölçüde aşabilir. Genellikle, doğrusallıktan %10'dan fazla sapmayan bir sinyal kolaylıkla düzeltilebilir.
Fotoğrafik emülsiyonlarda ise tamamen farklı bir durum görülmektedir. Emülsiyonların ışığa karşı karmaşık bir tepkisi vardır ve en iyi durumda, %5'lik bir fotometrik doğruluk elde edilmesine ve daha sonra zaten dar olan dinamik aralıklarının yalnızca bir kısmına izin verir. CCD'ler, neredeyse tüm dinamik aralıkta %0,1'lik bir doğrulukla doğrusaldır. Bu, hassasiyet homojensizliğinin alan üzerindeki etkisini ortadan kaldırmayı nispeten kolaylaştırır. Ek olarak, CCD'ler konumsal olarak kararlıdır. Cihazın üretimi sırasında tek bir pikselin konumu kesin olarak sabitlenmiştir.
Monitördeki kineskop, parlaklığın sinyale güç yasası bağımlılığına sahiptir (üs 2.2), bu da karanlık alanlarda kontrastta bir azalmaya ve parlak alanlarda bir artışa yol açar; aynı zamanda, daha önce belirtildiği gibi, modern CCD'ler doğrusal bir sinyal üretir. Genel doğrusal olmamayı telafi etmek için, genellikle kameraya, sinyali 1/2.2'lik bir üs ile tahmin eden bir cihaz (gama düzeltici) yerleştirilmiştir, yani. 0.45. Bazı kameralar ön bozulma oranları seçeneği sunar; örneğin 0,60, "daha keskin" bir resim izlenimi veren kontrastta öznel bir artış sağlar. yan etki- gama düzeltmesi, zayıf sinyallerin (özellikle gürültünün) ek olarak yükseltilmesi anlamına gelir, örn. H=0,4 açık olan aynı kamera, H=1'den yaklaşık dört kat daha "hassas" olacaktır. Ancak, bir kez daha hiçbir amplifikatörün sinyal-gürültü oranını artıramayacağını hatırlıyoruz.
Yük yayma.
Bir pikselde biriken maksimum elektron sayısı sınırlıdır. Ortalama işçilik ve tipik boyutlara sahip matrisler için bu değer genellikle 200.000 elektrondur. Ve pozlama (çerçeve) sırasında toplam foton sayısı sınır değerine (% 90 veya daha fazla kuantum verimi ile 200.000 veya daha fazla) ulaşırsa, şarj paketi komşu piksellere akmaya başlayacaktır. Görüntünün detayları karışmaya başlar. Efekt, kristalin ince gövdesi tarafından emilmeyen "ekstra" ışık akısı taban alt tabakadan yansıtıldığında artar. Dinamik aralık içindeki ışık akıları ile fotonlar alt tabakaya ulaşmaz; neredeyse tamamı (yüksek bir kuantum veriminde) fotoelektronlara dönüşür. Ancak dinamik aralığın üst sınırına yakın bir yerde, doygunluk meydana gelir ve dönüştürülmemiş fotonlar, ağırlıklı olarak kristale ilk giriş yönünü koruyarak kristalde "dolaşmaya" başlar. Bu fotonların çoğu alt tabakaya ulaşır, yansıtılır ve böylece daha sonra yayılma sınırının yakınında bulunan yük paketlerini aşırı doyurarak fotoelektronlara dönüşüm olasılığını artırır. Bununla birlikte, alt tabakaya parlama önleyici kaplama (çiçeklenme önleyici) adı verilen bir emici tabaka uygulanırsa, yayılma etkisi büyük ölçüde azalacaktır. Yeni teknolojiler kullanılarak üretilen birçok modern matris, arka ışık dengeleme sisteminin bileşenlerinden biri olan anti-blooming özelliğine sahiptir.
Stabilite ve fotometrik doğruluk.
En hassas CCD kameralar bile, dengesiz hassasiyetleri varsa, düşük ışık uygulamaları için işe yaramaz. Kararlılık, bir katı hal aygıtı olarak bir CCD'nin doğal bir özelliğidir. Burada öncelikle duyarlılığın zaman içindeki kararlılığı kastedilmektedir. Zamansal kararlılık, özel stabilize radyasyon kaynaklarından gelen akıları ölçerek kontrol edilir. Matrisin kendisinin kuantum veriminin kararlılığı ve sinyali okumak, yükseltmek ve kaydetmek için elektronik sistemin çalışmasının kararlılığı ile belirlenir. Video kameranın ortaya çıkan bu kararlılığı, fotometrik doğruluğun belirlenmesinde ana parametredir, örn. kayıtlı ışık sinyalinin ölçüm doğruluğu.
İyi matris örnekleri ve yüksek kaliteli bir elektronik sistem için, fotometrik doğruluk %0,4 - 0,5'e ve bazı durumlarda matris için en uygun koşullar ve özel sinyal işleme yöntemlerinin kullanımı altında - %0,02'ye ulaşabilir. Ortaya çıkan fotometrik doğruluk birkaç ana bileşen tarafından belirlenir:
- bir bütün olarak sistemin geçici istikrarsızlığı;
- hassasiyetin uzamsal heterojenliği ve her şeyden önce yüksek frekanslı heterojenliği (yani pikselden piksele);
- video kameranın kuantum verimliliğinin değeri;
- dijital video kameralar için video sinyali sayısallaştırmanın doğruluğu;
- farklı gürültü türlerinin büyüklüğü.
CCD'nin hassasiyette büyük homojensizlikleri olsa bile, tabii ki bu homojensizlikler zaman içinde kararlıysa, bunların ortaya çıkan fotometrik doğruluk üzerindeki etkisi özel sinyal işleme teknikleri ile azaltılabilir. Öte yandan, matris yüksek bir kuantum verimliliğine sahipse, ancak kararsızlığı yüksekse, faydalı sinyalin sonuç olarak kayıt doğruluğu düşük olacaktır. Bu anlamda, kararsız cihazlar için, yararlı bir sinyali kaydetmenin doğruluğu (veya fotometrik doğruluk), sinyal-gürültü oranından daha önemli bir özelliktir.
İyi çalışmalarınızı bilgi bankasına göndermek basittir. Aşağıdaki formu kullanın
Bilgi tabanını çalışmalarında ve işlerinde kullanan öğrenciler, lisansüstü öğrenciler, genç bilim adamları size çok minnettar olacaklar.
Uhr. =-U2 elektrotlar 1, 4, 7'dir ve geri kalan her şeye enerji verilir - U1 (U1
Pirinç. 3. Bir CCD elemanı için bölge diyagramıdepolama modubilgi: a - açıldıktan sonraki ilk anda; b - sabit durumda; 1 - metal;2 - dielektrik;3 - tükenmiş bölge;4 - doğalByarı iletkenin naya bölgesi.
Bir sonraki döngüde, elektrotlar üzerinde Şekil 2c'ye göre voltajlar ayarlanır ve 2, 5, 8 öğelerinde şarj bilgisi depolama aşaması başlar.
Bu nedenle, CCD'ler iki çalışma modu ile karakterize edilir: şarj paketlerinin depolanması ve iletilmesi. Depolama modunda, bir CCD bir MIS kapasitansına eşdeğerdir. Depolama modu için yarı iletken yüzeyin bant diyagramı Şekil 3a'da gösterilmektedir. Bölgelerin bükülmesini ve potansiyel kuyusunun derinliğini karakterize eden yüzey potansiyelinin değeri, ilk anda maksimumdur. Bir delik paketi enjekte edildiğinde, pozitif yükleri, alt tabakayı alandan korur, bunun sonucunda harici voltaj yeniden dağıtılır: voltajın dielektrik katmana gelen kısmı artar, yüzey potansiyeli azalır (mutlak değerde) ve tükenme bölgesi daralır. Zamanla, potansiyel kuyu termojen deliklerle doygunluğa kadar dolar ve yüzeyin yakınında sabit bir ters katman oluşur (Şekil 3b). Yüzey potansiyelinin büyüklüğü (mutlak değer olarak) yarı iletken yüzeyin ters çevirme potansiyeline u0 azalır
Durağan olmayan durumda, yüzey potansiyeli u kapı voltajı U3'e, delik yükü yoğunluğuna (birim alan başına) Qp ve dielektrik film ile alt tabakanın elektrofiziksel özelliklerine bağlıdır:
(1)
burada U "3 \u003d U3 - UП3 \u003d U3 - Uo - u0 + UV - düz bölgelerin voltajı; - alt tabaka katsayısı; UB \u003d BOC; Cd \u003d ede0xd - xd kalınlığında kapı dielektrikinin spesifik kapasitansı. içinde ( 1) ve sonraki ifadeler, mutlak değerler, onları p- ve n-kanal CCD'leri için geçerli kılan potansiyeller ve ücretlerdir.
Farklı geçit voltajları için u(QP) bağımlılıkları Şekil 4'te gösterilmiştir.
Delik yükü Qp sıfırdan durağan bir değere yükseldikçe, yüzey potansiyeli mutlak değer olarak ters çevirme potansiyeli u0'a düşer. Şekil 4'teki grafiklerden u(QP) bağımlılıklarının neredeyse doğrusal olduğu görülebilir. u için yaklaşık ifade şu şekildedir:
c \u003d (U "3-QP / Cd) (1 + x), (2)
burada x=0.1--0.2, alt tabakanın lineerleştirilmiş katsayısıdır.
Belirli bir U3 voltajında potansiyel kuyusuna yerleştirilebilecek maksimum QPM yükü, potansiyel kuyunun doymuş olması koşuluyla (1)'den belirlenir, yani u=u0'da,
Şekil 4. Yüzey potansiyelinin, farklı voltajlarda potansiyel kuyusunda lokalize olan yükün değerine bağlılığı BENdeklanşör hızları:
N D=5-10 14 santimetre -3 , sen Ö=3.8 İÇİNDE.
Şekil 5. BağımlılıkQ P -de = Q P + Q P buharbilgilerin çeşitli değerleri için saklama süresindenşarjQ P. Kesikli çizgi, tüketilen bölgede (1) ve yüzeyde (2) üretim nedeniyle biriken bileşen yüklerini gösterir; Q P=0 (3); Q P / İLE D = 3V (4).
QPM = Sd (U3, -- U0) (3)
Genellikle QPM= (1--5) 10-3 pC/µm2.
Pirinç.6. Bir CCD'de ücret transferi şeması
Yükler akarken, CCD1'deki yüzey potansiyeli artar (mutlak değerde) ve CCD2'de azalır, bunun sonucunda boşluktaki alan azalır.
Uzap yazma voltajının depolama voltajını Uхр aşması gerektiği açıktır, elektrotlar arasındaki mesafe ne kadar büyükse ve silikon substrat o kadar yoğun katkılı (Şekil 7). Pratikte çalıştırılabilir CCD'ler için boşluk genişliğinin l = 2–3 µm ve Nd?1015 cm–3'ü geçmemesi gerektiği şekilden görülebilir. Minimum yazma darbe genliği Uzap, artan UXP ve QP ile doğrusal olarak artar.
Bir elementten (CCD1) diğerine (CCD2) yük transferinin dinamiklerini ele alalım (Şekil 6). Depolama modunda, UXP potansiyeli CCD1'e ve sıfır potansiyeli CCD2'ye uygulanır. Qp yoğunluğuna sahip deliklerin yükü, CCD1'de düzgün bir şekilde lokalize edilmiştir. Up>Uxp kayıt potansiyelinin CCD2'ye uygulanmasından sonra, hücreler arasındaki boşlukta bir çekme alanı oluşturulur ve genellikle gücü o kadar yüksektir ki, CCD1'in sol sınırının yakınında bulunan delikler neredeyse anında CCD2'ye geçer. CCD2'nin sağ kenarına yakın delik konsantrasyonu çok hızlı bir şekilde sıfıra düşer (yani, boşluk alanı, bir transistördeki ters polarmalı toplayıcı p-n bağlantısının alanına benzer şekilde hareket eder). CCD1'deki deliklerin dağılımının tekdüzeliğindeki keskin bir değişiklik, potansiyel kuyusu içinde soldan sağa doğru yoğun bir şekilde sürüklenmelerine ve yayılmalarına neden olur. Eğer l koyarsak< Yük CCD1'den CCD2'ye akarken, CCD1'deki delik konsantrasyonu ve dolayısıyla akımın sürüklenme bileşeni azalır ve yalnızca difüzyonla belirlenen transfer süreci yavaşlar - geçici sürecin "kuyruğu" her zaman daha uzundur başlangıç aşamasına kıyasla (Şekil 8). Başlangıç yük yoğunluğu (Qp) ne kadar büyükse, ilk hızlı aşamada o kadar büyük bir kısmı “sızacaktır” ve (belirli bir izin verilen değerle) transfer süresi ttrans o kadar kısa olacaktır. Zamanın farklı noktalarında deliklerin Yükünün yoğunluk dağılımının diyagramları Şekil 9'da gösterilmektedir. CCD1'in sol sınırından delik akışı yoktur, bu nedenle Şekil 9'daki grafiklerde herhangi bir zamanda bu noktadaki delik konsantrasyon gradyanı sıfıra eşittir. Bir CCD'nin en önemli özelliğini, transfer süresi boyunca CCD1'den CCD2'ye aktarılan delik yükünün bir parçası olan yük transferinin etkinliğini ele alalım. ^ ücret paketindeki belirli bir izin verilen azalma için, değer, bilgilerin kurtarma olmadan aktarılabileceği maksimum öğe sayısını belirler. İletim kaybı (verimsizlik) e =1-- kavramını kullanmak genellikle daha uygun olur. Sonlu bir transfer süresinde, yük kaybı, ilk olarak, t=tnep için e1 yükünün bir kısmının komşu hücreye akmak için zamanının olmaması ve ikinci olarak, yükün bir kısmının yakalanmasından kaynaklanmaktadır. yüzey tuzakları ile taşıyıcılar e2. e1 bileşeni, yüksek frekanslarda, e2 - düşük ve orta çalışma frekanslarında iletim kaybını belirler. dielektrik-yarı iletken arayüzü. Bir sonraki döngüde, yük paketi CCD2'ye akar, ters katman ve yüzey tuzakları arasındaki denge bozulur ve bunlar boşalmaya başlar. t=tnep için tuzaklar tarafından serbest bırakılan taşıyıcıların şarj paketine geri dönmek için zamanı vardır, geri kalanı iletim kayıplarını e2 oluşturur. Kayıplar (e2), yalnızca yüzey tuzaklarının yoğunluğuna ve yük paketinin boyutuna değil, aynı zamanda belirli bir eleman yoluyla iletilen önceki yük bilgisinin doğasına da bağlıdır. Bir dizi mantıksal 1'ler iletilirse (bu, büyük yük paketlerine karşılık gelir), e2 kayıpları ilk şarj paketinde maksimum olacak ve ilk paketten ücretleri yakalayan bazı tuzaklar olacağından, sonraki paketlerde azalacaktır. Bir sonrakinin gelişiyle taburcu olacak zamanı olmayacak ve bu tuzaklar konukçu yakalamaya katılmayacak. e2 kayıpları açısından en kötü durum, değişen bir mantıksal 1'ler ve 0'lar dizisinin iletilmesidir.Bu durumda, e2 için ifade şöyledir: Yüzey tuzaklarını dolduran CCD zincirine (her bir yük paketine) bir miktar arka plan yükü eklenirse, yüzey durumlarının etkisi azaltılabilir. Sonuç olarak, iletim sırasında bilgi kaybı ücreti azalır. Tuzakların etkisinin eksik bir şekilde ortadan kaldırılması, başlıcaları kenar etkisi ve yalnızca depolama sırasında değil, aynı zamanda şarj paketinin CCD ve boşluktan akışı sırasında da taşıyıcıların yakalanması olan bir dizi nedenden kaynaklanmaktadır. Kenar etkisi, potansiyel kuyuları dikdörtgen değil yuvarlak yapan gerçek CCD'lerde elektrik alanının iki boyutlu dağılımı nedeniyle ortaya çıkar. Bu nedenle paketin kapladığı yüzey alanı, yükün büyüklüğüne bağlı olacaktır ve her zaman daha küçük olan arka plan yükünün kapladığı alandan daha büyük olacaktır. Bu nedenle, arka plan yükünün olmadığı elektrot kenarlarında bulunan üst tuzaklar boş olacak ve şarj paketinden taşıyıcıları yakalayabilecektir. Bu etkinin yük kaybı (4-5)10-4'tür. İletim sırasında taşıyıcıların yakalanması, temel olarak boşlukta arka plan yükünün olmaması ve bu nedenle tuzakların doldurulmaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Ortaya çıkan verimsizlik (2--3) 10-4'tür. Bu nedenle, bir arka plan yükünün eklenmesi, e2 > 0 koşulunu yerine getirmeyi mümkün kılmaz, ancak yüzey tuzakları tarafından taşıyıcıların birkaç kez yakalanmasından kaynaklanan iletim kayıplarını azaltır. Son olarak, CCD'lerin ışığa duyarlılığını göz önünde bulundurun. Işığa duyarlılığı belirleyen faktörlerden biri, foton absorpsiyonunun yoğunluğunu karakterize eden (elektron deliği çiftlerinin oluşumu ile) absorpsiyon katsayısıdır? absorbe oranı? gelen ışığın artan dalga boyu ile keskin bir şekilde azalır. Bu nedenle, ışık akısının bilgi yüklerine etkili bir şekilde dönüştürüldüğü dalga boyu bölgesi (spektral duyarlılık bölgesi olarak adlandırılır) sınırlıdır. Uzun dalga boyu sınırı, yarı iletkenin bant aralığı tarafından belirlenir ve silikon için 1,1 μm'dir. Kısa dalga boyu sınırı 0,4--0,5 μm'dir ve kısa dalga boyu ışık miktarının, fotojenleştirilmiş taşıyıcıların rekombinasyonunun yoğun bir şekilde meydana geldiği dar bir yüzeye yakın katmanda güçlü bir şekilde soğurulmasından kaynaklanır. nerede ve kuantum verimi; Ae, elementin alanının ışık alan kısmıdır. CCD'ler u=1 için bu, 500 µA/lm mertebesinde bir ışığa karşı duyarlılığa karşılık gelir. Sinyalin gürültüyü yaklaşık 2 kat aştığı eşik duyarlılığı, bir CCD için yaklaşık 10-4 lx s'dir. Bir CCD fotodetektör, kapıların yanından (elektrotlar) veya ters yönden aydınlatılabilir. Televizyon iletim sisteminin temeli (Şekil 11), video sinyali oluşturucu (FVS) olarak da adlandırılan bir görüntü sinyali oluşturucudur (FSI). FSI, görüntüyü uygun bir elektrik impulsları dizisine dönüştürür. Televizyon verici kameraların çoğu, uç yüzeyinde yüksek dirençli bir foto iletken tabakası şeklinde bir hedefin biriktirildiği bir katot ışın tüpü (CRT) olan bir vidicon kullanımına dayanır. Tarama bir elektron ışını ile gerçekleştirilir. İletilen görüntü, ayrı parçaları bir elektron ışını ile belirli bir potansiyele kadar yüklenen bir mercek yardımıyla bir hedef üzerine yansıtılır. Foto iletken tabakanın her bölümünün direnci, aydınlatmasına bağlıdır. Bu nedenle birbirini izleyen iki şarj arasındaki aralıkta, farklı aydınlatmaya sahip alanlar farklı şekilde boşalır ve sonraki tarama sırasında video sinyalini oluşturan elektron ışını akımı görüntüye göre değişir. Vidiconların ana dezavantajı (çeşitlerinin yanı sıra: plumbicons, siliconons, vb.), yüksek voltajlı vakum sistemlerini kullanma ihtiyacı ile ilişkilidir. Bu, cihazların düşük dayanıklılığına ve güvenilirliğine, önemli genel boyutlara ve ağırlığa, düşük mekanik dayanıklılığa ve tüm vakum cihazlarında bulunan diğer dezavantajlara neden olur. Çeşitli cihazların CRT'lerine kıyasla CCD görüntüleyiciler, yapısal ve teknolojik basitlik, küçük genel boyutlar ve ağırlık, önemli ölçüde dayanıklılık ve güvenilirlik ve düşük güç tüketimi ile karakterize edilir. Bu avantajlar, kendi kendine taramadan kaynaklanmaktadır (ücret paketlerinin FSI çıkışına aktarımı, CCD öğelerinin kendileri kullanılarak gerçekleştirilir). Işığa duyarlı ve tarama elemanlarının işlevlerinin tek bir cihazda bu yapıcı ve teknolojik entegrasyonunun varlığı, CCD'leri tamamen katı hal FSI'nin oluşturulması için en umut verici olarak görmemizi sağlar. Görüntüleyicideki CCD öğeleri üç modda çalışır: görüntünün algılanması (entegrasyonu), yani ışık akısının şarj paketlerine dönüştürülmesi; ücret paketlerinin depolanması; şarj paketlerinin cihazın çıkışına aktarılması (taraması). Görüntü algılama modunda, nesneden gelen ışık akısı FSI'nın yüzeyine düşer ve yarı iletken substratta elektron deliği çiftlerinin oluşmasına neden olur. CCD'nin potansiyel oyuklarına karşılık gelen kristal alanlarında, taşıyıcılar ayrılır ve bunun sonucunda FSI'da algılanan görüntüye karşılık gelen şarj paketlerinin bir "resmi" toplanır. FSI'nin ana fotoalma özellikleri, ışık hassasiyeti, eşik ışık hassasiyeti, spektral hassasiyet alanı, çözünürlük, entegrasyon süresi, frekans-kontrast yanıtı, gürültü, dinamik aralıktır. Bu özelliklerden bazıları (ışık hassasiyeti, spektral hassasiyet bölgesi, entegrasyon süresi) bir CCD öğesini ifade eder ve Bölüm 1'de tartışılmaktadır. 1. Diğer özellikler, ücret paketlerinin aktarım sayısına, gürültüye, çıkış cihazlarının türüne vb., yani FSI'yi düzenleme yöntemine bağlıdır. CCD'nin gerçek çözünürlüğü, formül (4) ile hesaplanandan daha düşüktür. Düşük aydınlatma seviyelerinde, ışığa duyarlı CCD elemanlarında küçük şarj paketleri birikir ve gürültü önemli bir rol oynamaya başlar. Bu durumda, ışığa duyarlı elemanın minimum boyutu teknoloji tarafından değil, gerekli sinyal-gürültü oranını ks/N = 3-5 elde etme koşuluyla belirlenir. Arka plan şarj gürültüsü, giriş yöntemine bağlıdır. Termal üretim nedeniyle arka plan yükü birikirse, dalgalanmaları beyaz gürültü ile karakterize edilir. Tarama sesleri, eksik yük transferinden kaynaklanan gürültüleri ve yük paketlerinin geçişi sırasında hızlı yüzey durumlarının taşıyıcı tarafından yakalanması ve yeniden yüklenmesinden kaynaklanan gürültüleri içerir. Başka bir olası gürültü kaynağı, fotosinyallerin çıkış amplifikatörüdür (Sus).Bu tür gürültüler, silikonlarda çözünürlüğü sınırlayan ana faktördür, çünkü kullanıldıklarında amplifikatör ayrı bir çip üzerinde yapılır ve bu nedenle giriş kapasitansı 10–20 pF'ye ulaşır. CCD tabanlı FSI'da, çıkış yükselticisi aynı çip üzerinde oluşturulabilir (montaj kapasitansları ve paket kapasitansı hariçtir) ve giriş kapasitansı, MIS transistörünün "kayan" difüzyon bölgesi kapasitansı ile kapı kapasitansının toplamıdır. Bu durumda Sus = 0,2--0,5 pF ve bu nedenle çıkış yükselticisiyle ilişkili gürültü ihmal edilebilir düzeydedir. Şekil 12. FSI çözünürlüğünün, farklı gürültü kaynakları için aydınlatma seviyesine 500X500 eleman kapasiteli bir CCD'ye hesaplanan bağımlılığı: 1
- ücretlerin eksik transferi;2 -
hızlı yüzey durumları;3 -
arka plan yükünde termal gürültü;4
- silikon koni için deneysel eğriA
B
=
25X25 mikron 2
,
İLE itibaren=0,2.
T Ve=0,1 sn,k
S
/
N
=5
Bir elemanın minimum alanı, minimum "teknolojik" alanı önemli ölçüde aşar ve yaklaşık Ae?400 µm2'dir. 109 cm2 seviyesinin üzerinde çözünürlük, ışığa duyarlı elemanların minimum geometrik boyutları tarafından belirlenir. Aynı şekilde gösterilen silikon kon için deneysel eğri, düşük aydınlatma seviyelerinde CCD'lerin avantajını açıkça göstermektedir. Gerçek görüntü, PSI düzleminde sabit olmayan bir akış Hs(y, z) ile karakterize edilir. Işık akısını yük paketlerinin bir "resmine" dönüştürme ve ardından yüklerin çıktıya taranması sürecinde FSI tarafından getirilen bozulmalar nedeniyle, iletilen görüntü öğesinin minimum boyutu CCD'nin boyutundan daha büyük olacaktır. gürültü veya teknoloji tarafından belirlenen eleman. FSI çözünürlüğünün objektif bir değerlendirmesi için, ışık sinyalinin genliğindeki değişimi ve uzaysal fazdaki kaymayı tanımlayan frekans kontrast yanıtı (MTF) (MTF (madülasyon transfer fonksiyonu) kullanılır) giriş harmonik sinyalinin uzamsal frekansı olduğunda sistemin çıkışı (örneğin, bir televizyon alıcısının ekranında). Herhangi bir gerçek görüntü Hi, uzamsal frekanslar açısından bir Fourier serisine genişletilebilir. Bireysel harmoniklerin genlikleri ve fazları farklı şekillerde bozulacağından sistem çıkışında bozuk bir görüntü elde edilecektir. Bu nedenle, MTF'nin yardımıyla, gerçek bir görüntünün iletimi sırasında FSI tarafından ortaya çıkan bozulmaları belirlemek mümkündür. Frekans-kontrast özelliği, nesneden gözlemciye bilgi aktarımının kalitesi açısından iletim sistemini belirler. Televizyon sistemine giren çeşitli cihazlar (optik, fotoelektronik, elektronik, mekanik vb.) iletilen bilgiyi bozar. Frekans kontrast karakteristiği bu bozulmaları hesaba katar. CTF'nin elektronik sistemlerdeki analojisi genlik-frekans ve faz-frekans özellikleridir. CTF'deki değişiklik, üç faktörün etkisi nedeniyle meydana gelir: ışığa duyarlı elemanların düzeninin farklılığı (bir eleman içinde değişen bir ışık sinyali, ortalama bir şarj paketi ile temsil edilir); fotojenere taşıyıcıların komşu elementler altında difüzyon yayılımı; transferleri sırasında şarj kayıpları. Gerçek bir görüntünün Fourier serisinde uzamsal frekanslar cinsinden genişletilebileceği daha önce belirtilmişti. FSI aracılığıyla iletildiğinde, daha yüksek uzamsal frekansa sahip harmonikler, genlikte daha fazla zayıflamaya ve daha büyük bir faz kaymasına sahip olacaktır, yani, düşük frekanslı harmoniklere kıyasla daha fazla bozulacaktır. Belirli bir distorsiyon seviyesini (genlik ve fazda) ayarlayarak ve MTF'yi kullanarak, bir CCD'de FSI'nin gerçek çözünürlüğünü belirlemek mümkündür. A \u003d 0.2'de çözünürlük, CCD'nin (4.1) boyutuna göre hesaplanan sınırlayıcı Rmax'tan 2-3 kat daha az ve A \u003d 0.5 - 3-4 kat daha az. Böylece, bir CCD'deki FSI'nin gerçek çözünürlüğü 20–30 satır/mm olarak çıkıyor. Bir CCD için VIF kullanılarak bozulma olmadan iletilebilen görüntü aydınlatma değerleri aralığı olarak tanımlanan dinamik aralık 1000:1'dir. Bu aralığın alt sınırı gürültü ile belirlenir ve üst sınırı, CCD'nin potansiyel kuyularının doygunluğu ve taştıklarında yüklerin yayılması ile belirlenir. FSI üzerine güçlü bir ışık akısı düşerse, entegrasyon süresi boyunca CCD'nin potansiyel kuyuları taşar. Bu, istenmeyen iki etkiye yol açar: birincisi, doldurduktan sonra, potansiyel kuyusunda bulunan şarj paketi, aydınlatma seviyesinden bağımsız olarak sabit kalır; Sonuç olarak, bu, ek ters yönlü p-n bağlantılarını ortadan kaldırmak için iletilen görüntünün bulanıklaşmasına yol açar. fazla taşıyıcıları toplayan oluşur. Zaman içinde ayrıldığında, FSI'nin her iki işlevi (algılama ve tarama), kontrol devrelerinin karmaşıklığından dolayı aynı CCD elemanları kullanılarak gerçekleştirilir. Işık akısının algılanması sırasında, fotojenleştirilmiş taşıyıcıların birikmesini sağlayan karşılık gelen CCD'lerde (üç döngülü bir şemada, her üçüncü elektrotta) depolama potansiyelleri ayarlanır. Diğer tüm elektrotlar sıfır potansiyeldedir. Optik bilginin algılanmasından sonra, elektrotlara, şarj bilgi paketlerinin çıkışa hareketini sağlayan bir dizi saat darbesi uygulanır. Her iki işlev de uzayda ayrıldığında, şekillendirici iki alan içermelidir: ışık akısını algılayan ve bunu bir yük dağıtım modeline dönüştüren ışığa duyarlı bir alan ve entegrasyondan sonra ışıktan korunan bir depolama alanı. tüm yük dağıtım modeli iletilir. Bir sonraki tarama modunda bu alandan gelen bilgiler çıktıya iletilir. İlk yöntemde, tüm elemanlar ışığa duyarlı hücreler olarak kullanılır. Kristalin tüm alanını kullanmak, maksimum çözünürlüğü elde etmenizi sağlar. Bu yöntemin dezavantajı, elektronik çerçevelemenin (kontrol devreleri) karmaşıklığı, görüntü entegrasyonu için ayrılan zaman aralığında hafif bir azalma ve çerçeve süresi boyunca bilginin yalnızca alınması değil, aynı zamanda iletilmesi gerektiğinden aydınlatmanın etkisidir. çıktıya. İkinci yöntem, aynı çözünürlüğü elde etmek için iki kat daha fazla eleman gerektirir. Buna göre kristalin alanı da arttırılmalıdır. Yöntemin avantajları, entegrasyon süresini (çerçevenin tüm süresi) artırmanın yanı sıra, taramanın ışıktan korunan bir alanda bilgide hafif bir bozulma ile gerçekleştirilmesini içerir. Küçük FSI'nin olası organizasyonunun değerlendirilmesine geçelim (Şekil 13). Bu cihazın üç alanı vardır: şeffaf bir yansıma önleyici malzeme ile kaplanmış merkezi bir CCD ışığa duyarlı şerit ve ışığa duyarlı alanın her iki tarafında bulunan ve çıkış SR ile ilişkili iki ışık korumalı yük paketi iletim alanı. Merkezi bölge 1'in elektrotları, CCD'de fotojenlenmiş yüklerin birikmesini sağlayan depolama potansiyeli Uхр altındadır. Görüntü algılandıktan sonra, iletim darbeleri (Фх) bağlantı elektrotlarına (3) gönderilir ve elektrotların (3) uygun düzenlemesi nedeniyle şarj paketleri dönüşümlü olarak sağ ve sol iletim bölgelerine (2) kaydırılır. Ardından saat darbe devreleri (Ф1, Ф2), Ф3 açılır ve ücretler sırayla iki basamaklı SR'ye taşınır. Bir sonraki adım, yükleri aynı çip üzerinde oluşturulan MOSFET okuma çıkış devresine aktarmak ve bunları bir video sinyaline dönüştürmektir. Ücret paketlerinin dağıtıldığı iki transfer bölgesine sahip olunarak transfer sayısı yarıya iner. Örneğin, ışığa duyarlı alan içeriyorsa. İletim için 500 algılama elektrotu ve üç zamanlı bir sistem kullanılır, ardından her bir iletim alanı 250 CCD elemanı veya 750 elektrot içermelidir (çünkü üç zamanlı bir sistemde, her bir verici CCD elemanı üç elektrottan oluşur). Dolayısıyla çıkışa en uzak nokta için transfer sayısı 750 olacaktır. Okuma çıkış devresi, değişken bir difüzyon bölgesi D, bu bölgenin potansiyelini eski haline getiren bir MOS transistör Tl ve gelen yük paketiyle orantılı olarak değişken difüzyon bölgesinin potansiyelindeki bir değişiklikten etkilenen bir transistör T2'den oluşur. Transistör T2 genellikle kaynak izleyicinin girişidir. Çıkış sinyallerinin dürtü diyagramı Şekil 14'te gösterilmiştir. Fl döngüsünde, F"z döngüsüyle zaman içinde çakışan, difüzyon bölgesi D, kurtarma transistörü 77 boyunca, E'ye eşit yüksek bir negatif voltajla şarj edilir. Daha sonra, F"c döngüsünde, bir sonraki şarj paketi difüzyon bölgesine girer D, potansiyelinde bir değişikliğe neden olur. Küçük FSI kullanıldığında, görüntünün dikey taraması, görüntü şeritlerini sırayla FSI'ye yönlendiren bir ayna tamburu veya salınımlı bir ayna kullanılarak mekanik tarama ile gerçekleştirilir. Line FSI temel alınarak geliştirilen küçük boyutlu kamera, saniyede 8 kare aktarım sağlıyor, 51X102X76 mm3 boyutlarında ve 2,5 W güç tüketiyor. Küçük harfli FSI, esas olarak fototelgrafta ve daha az sıklıkla televizyonda kullanılır. Dönen bir tambur üzerine yerleştirilmiş bir desenin ayrı parçaları, yarık bir ekrandan bir merceğe beslenir ve bu parçalar onları bir fotoğraf okuma CCD hattına odaklar. Sonuç olarak, video sinyallerine dönüştürüldükten sonra görüntünün iletilmesini ve çoğaltılmasını mümkün kılan tüm görüntü parçaları sırayla iletilir. Fotoalma bölümünde biriken yük örüntüsü, uygun bir saat darbeleri dizisinin yardımıyla, çerçevenin bitiminden sonra hızlı bir şekilde depolama bölümüne kaydırılır. Böylece bir görüntü alındıktan sonra tüm çerçeve saklama bölümüne kaydırılır ve fotoğraf alma bölümü bir sonraki kareyi almaya hazır hale gelir. Bir sonraki çerçevenin oluşumu sırasında, depolama bölümünden gelen bilgiler satır satır çıkış SR'ye iletilir ve buradan öğe öğe çıkış okuma öğesine (FSI satırına benzer) iletilir. Önceki satırın tüm şarj paketlerinin çıkışa iletilmesini sağlamak için, çıkış yazmacındaki kaydırmalı saat frekansı, depolama bölümündeki saat frekansından r kat (burada r, bir satırdaki eleman sayısıdır) daha yüksek olmalıdır. bir sonraki satır kayda girene kadar. Tarama sürecinin personel organizasyonunun avantajları, iletilen görüntünün yüksek kalitesi, tarama olasılığı, kristalin topolojik basitliği ve düzenliliğidir. Video sinyallerinin yüksek kalitesi, görüntü alımından sonra şarj modelinin hızla ışık korumalı depolama bölümüne geçmesi ve bu nedenle tarama sırasında video sinyallerinde bozulmaya neden olan ek bir aydınlatma olmaması nedeniyle elde edilir. Titreşim, aynı görüntü kalitesini korurken video sinyallerinin frekansını yarıya indirmenize izin veren aşamalı bir bilgi okuma yöntemidir. Bir CCD üzerindeki FSI'da aşağıdaki gibi elde edilebilir. Üç zamanlı bir sistemde, ışığa duyarlı her eleman üç elektrot içerir. Görüntü entegre edilirken, bunlardan yalnızca biri ön gerilim altındadır ve yükleri biriktirir, diğer iki elektrot yönlendirilmiş yük aktarımı için gereklidir ve yalnızca yük modeli depolama bölümüne kaydırıldığında kullanılır. Görüntü algılama modundaki bu elektrot fazlalığı aşağıdaki gibi kullanılabilir. Birinci yarım çerçeve sırasında, bir elektrot grubuna, örneğin ışığa duyarlı elemanların birinci elektrotlarına bir öngerilim voltajı uygulanır. Birikmiş ücretler depolama bölümüne kaydırılır. İkinci yarım çerçeve sırasında, tüm elektrotlara bir öngerilim voltajı uygulanır ve bunların altında yükler birikir. Sonuç olarak, görüntünün farklı öğelerini algılamak için aynı ışığa duyarlı CCD öğesi kullanılır, yani taramanın kullanılması, aynı sayıda öğeyi korurken CCD matrisinin çözünürlüğünü iki katına çıkarmanıza olanak tanır. Bunun bir örneği, RCA tarafından geliştirilen, 256X320 ışığa duyarlı öğelere sahip ve aynı zamanda 512X320 ayrıştırma öğeleri sağlayan, yani neredeyse eksiksiz bir televizyon standardı olan verici kameradır. Personel organizasyonu ile FSI'nin üçüncü avantajı, silikon kristalinin topolojik basitliğidir. FSI'nin her üç bölümü de düzenli bir yapıya sahiptir. Elektrotlar, tüm kristali geçen enine metalizasyon bantları şeklinde oluşturulur. Yük depolama bölgeleri, uzunlamasına difüzyon bantları ile birbirinden ayrılır. Depolama bölümü ve çıkış SR, ek kaplama ile ışıktan korunur. FSI'nin personel organizasyonunun da bazı dezavantajları vardır. Işığa duyarlı bölümle aynı sayıda CCD içeren ek bir depolama bölümü ile toplam öğe sayısı iki katına çıkar. Örneğin, geçmeli tarama kullanırken 500X500 öğe çözünürlüğü elde etmek için, 500X250 öğe hacmine sahip ışığa duyarlı bir bölüme, aynı hacimde bir depolama bölümüne ve 500 öğe için bir çıkış SR'sine sahip olmak gerekir. Bu nedenle, toplam eleman sayısı 500X X 501 = 250.500'dür.Dikey yönde, ışığa duyarlı her elemanın üç elektrot içerdiği düşünüldüğünde, bir çip üzerinde oluşturulması gereken toplam elektrot sayısı 750.000'e yakındır. VLSI) karşılaşmalar (ve uzun süre karşılaşacak) önemli teknolojik zorluklar (esas olan hatasız fotolitografidir). Ele alınan yapının bir başka dezavantajı, kusurların görüntü kalitesi üzerindeki güçlü etkisidir. Işığa duyarlı bölümde (ve özellikle depolama bölümünde) yalnızca bir CCD öğesi arızalıysa, tüm sütundan gelen bilgiler çıktıda kaybolacaktır, çünkü hatalı öğeyi tararken, sütunun tüm öğelerinin şarj paketleri bunun üzerinde bulunanlar iletilemez. Arızalı bir hücrede elektrot, oksitteki bir delikten alt tabakaya kısa devre yaparsa, bu hücre aracılığıyla iletildiğinde, şarj paketleri doygunluğa kadar doldurulacak ve çoğaltılan görüntüde dikey bir ışık şeridi görünecektir. Metalizasyondaki bir kesinti nedeniyle kontrol voltajı elektroda ulaşmazsa, bu eleman üzerinden yük paketleri hiç iletilmeyecek ve görüntü üzerinde dikey bir koyu şerit görünecektir. Bütün bunlar, FSI'nin tüm unsurlarının hatasız olması gerekliliklerini daha da güçlendirir. Yük bağlantılı bir cihazdan (CCD) alınan bir görüntüyü işlemek için bir mikrodenetleyiciye dayalı bir sistemin geliştirilmesi. CCD'nin çalışma prensibi. Şematik elektrik devresi. Bir CCD'den bir mikrodenetleyiciye sinyalleri yakalamak ve bunları işlemek için programlar. dönem ödevi, 22.09.2012 tarihinde eklendi Şarj bağlantılı cihazlarda fotodedektörlerin fiziksel çalışma prensipleri. Renk sinyallerinin ayrılması ile Matrix CCD. Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken (CMOS) Yapıların Teknolojileri. Koordinat adreslemeli fotodedektörler; televizyon sinyali. sunum, 12/14/2013 eklendi Cihazın bir analizini yapmak ve metal-dielektrik-yarı iletken entegre devrelerde ışığa duyarlı yük-bağlı cihazların (FCCD) kullanımı. Yük transferini belirleyen fiziksel mekanizmalar. Temas kurmak için kullanılan metal. dönem ödevi, 12/09/2015 eklendi Işığa duyarlı şarj bağlantılı cihazların (PCCD'ler) fotodetektör hücrelerinin yapı tipleri. FPCD'nin piksel cinsinden yük birikimi ve aktarımı. Sınır saçılma fonksiyonu yöntemi. Modülasyonun parametrelere bağımlılığı. Arkadan aydınlatmalı FPCD simülasyonu. tez, 07/03/2014 eklendi Şarj bağlantılı cihazlarda (CCD'ler) televizyon kameraları oluşturmaya yönelik mevcut yöntemlerin karşılaştırmalı analizi. Bir CCD dizisinde dikey ve yatay yük transferi için kontrol devrelerinin sentez aşamaları. Bir video sinyal işleme biriminin geliştirilmesi. dönem ödevi, 27.11.2013 tarihinde eklendi Kontrol p-n bağlantısına sahip alan etkili transistörlerin tasarımları. Drenaj kapısı ve drenaj (çıkış) özellikleri, parametreleri ve transistörlerin çalışma prensibi. Yalıtılmış kapılı transistörlerin yapısı. Yük kuplajlı yarı iletken cihazlar. özet, 21/08/2015 eklendi Optik ile ilgili temel kavramlar. Entegre Fresnel lensler kullanılarak görüntülerin oluşturulması. Fikri mülkiyet koruması, filigranlar. Silikon fotodiyotları hesaplama yöntemi. Görüntülerin işlenmesi ve yeniden oluşturulması. Şarj bağlantılı kameralar ve cihazlar. özet, 19.07.2010 tarihinde eklendi Şarj bağlantılı cihazlar hakkında genel bilgilerin gözden geçirilmesi. Modern kızılötesi CCD kameraların yaratılış ve geliştirme tarihini, özelliklerini incelemek. Matris çözünürlüğü, fiziksel piksel boyutu, matris boyutu, elektronik deklanşör analizi. dönem ödevi, 07/20/2015 eklendi Şarj bağlantılı cihazlarda televizyon kameraları oluşturmak için mevcut yöntemlerin karşılaştırmalı analizi. Bir blok diyagramın geliştirilmesi. Çıkış yazmacının kontrol devresinin sentezi ve saat üretecinin devre şemasının geliştirilmesi. tez, 11/20/2013 eklendi Teknolojik mikroişlemci göstergesi ITM-20'nin özellikleri ve çalışma prensibi, amacı ve kapsamı. Bu cihazın konfigürasyon parametreleri ve tasarım özellikleri, parçalarının teknik özellikleri, işlevsellik. 6 Matris (düzlemsel) FSI Edebiyat 1 Şarj bağlantılı cihaz (CCD) hakkında genel bilgiler Bir şarj bağlantılı cihaz (CCD), ortak bir yarı iletken substrat üzerinde, metal elektrot şeritlerinin, bitişik arasındaki mesafelerin olduğu doğrusal veya matris düzenli bir sistem oluşturacak şekilde oluşturulmuş bir dizi basit MIS yapısıdır (metal-dielektrik-yarı iletken). elektrotlar yeterince küçüktür ( Şekil 1). Bu durum, cihazın çalışmasında belirleyici faktörün, komşu MIS yapılarının karşılıklı etkisi olduğunu belirlemektedir. Şekil 1. CCD yapısı CCD'nin çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Herhangi bir metal CCD elektroduna *) negatif bir voltaj uygulanırsa, ortaya çıkan elektrik alanının etkisi altında, alt tabakadaki ana taşıyıcılar olan elektronlar yüzeyden yarı iletkenin derinliğine doğru hareket eder. Yüzeyde, enerji diyagramında azınlık taşıyıcıları - delikler için potansiyel bir kuyu olan tükenmiş bir bölge oluşur. Bir şekilde bu bölgeye giren delikler, dielektrik-yarı iletken arayüzüne çekilir ve yüzeye yakın dar bir katmanda bulunur. Şimdi bitişik elektroda daha büyük genlikte bir negatif voltaj uygulanırsa, daha derin bir potansiyel kuyusu oluşur ve delikler bunun içine geçer. Çeşitli CCD elektrotlarına gerekli kontrol voltajlarını uygulayarak, hem yüklerin çeşitli yüzeye yakın bölgelerde depolanmasını hem de yüklerin yüzey boyunca (yapıdan yapıya) yönlendirilmiş hareketini sağlamak mümkündür. Bir yük paketinin girişi (kayıt), örneğin aşırı CCD öğesinin (Şekil 1'deki elektrot 1) yakınında bulunan bir p-n bağlantısıyla veya ışık üretimiyle gerçekleştirilebilir. Bir yükün sistemden çıkarılması (okuma) ayrıca bir p-n bağlantısı kullanılarak gerçekleştirilmesi en kolay yoldur (Şekil 1'deki elektrot p). Bu nedenle, bir CCD, harici bilgilerin (elektrik veya ışık sinyalleri), yüzeye yakın bölgelere belirli bir şekilde yerleştirilmiş mobil taşıyıcıların şarj paketlerine dönüştürüldüğü ve bu paketlerin kontrollü hareketi ile bilgi işlemenin gerçekleştirildiği bir cihazdır. yüzey. Dijital ve analog sistemlerin CCD'ler temelinde inşa edilebileceği açıktır. Sayısal sistemler için, yalnızca belirli bir CCD elemanındaki deliklerin yükünün varlığı veya yokluğu önemlidir; analog işlemede, hareketli yüklerin büyüklükleriyle ilgilenirler. CCD işleminin tasarımı ve fiziği, bu cihazların bir dizi çok ilginç ve yararlı (ve genellikle benzersiz) özelliğini belirler. CCD'lerin en önemli fonksiyonel özellikleri, ücret bilgilerini saklama; yarı iletken bir kristalin yüzeyi boyunca yüklerin yönlendirilmiş aktarımı olasılığı; ışık akısını elektrik yüküne dönüştürme ve ardından okuma (tarama) olasılığı. CCD'lerin avantajı, bu cihazların MIS yapısından kaynaklanan düşük güç tüketimleridir (bilgi iletim modunda 5–10 μW/bit ve depolama modunda neredeyse hiç enerji tüketimi olmaması). Konfigürasyonun basitliği ve CCD'lerdeki eleman sisteminin düzenliliği, bu cihazların hızının çok yüksek olabilmesine yol açar (özel olarak tasarlanmış örnekler için, sınırlayıcı saat frekansları gigahertz aralığındadır). Belki de daha da önemlisi, ana teknolojik netlik ve basitlik (cihazın imalatında az sayıda fotolitografik, termal difüzyon ve epitaksiyel işlemler) olan CCD'lerin tasarımı ve teknolojik avantajlarıdır - yüksek kaliteli çoklu oluşturmak için bir ön koşul -element (104-106 eleman sayısı ile) cihazlar; yüksek derecede entegrasyon (bir çipte 105'ten fazla öğe) ve yüksek paketleme yoğunluğu (105 bit/cm2'den fazla); son derece güvenilir sistemlerin yapımında belirleyici olan az sayıda harici bağlantı; p-n bağlantılarının olmaması (CCD'lerin birkaç p-n bağlantısı "yardımcı" işlevleri yerine getirir ve bunlara "zayıf" gereksinimler uygulanır), bu da özellikle silikonla birlikte diğer yarı iletken malzemeleri kullanmak için geniş fırsatlar açar (örneğin, galyum arsenit). Tüm bu özellikler, CCD'lerin çeşitli uygulamaları için geniş perspektifler açar. Dijital teknoloji için kaydırma yazmaçları, rasgele erişim bellekleri ve mantık devreleri ilgi çekicidir. CCD'lerdeki analog sinyallerin gecikme hatları, teknik özellikler açısından akustik ve manyetik benzerlerini önemli ölçüde aşmaktadır. Optoelektronik görüntü dönüştürme teknolojisinde CCD'ler, vakumsuz yarı iletken video sinyali oluşturucular oluşturmak için temel olarak yeni olanaklar sunar. Kendi kendine tarama özelliği, elektron ışını taramalı hantal ve güvenilmez yüksek voltajlı vakum tüplerini ortadan kaldırır. CCD'ler, ağırlıkta, genel boyutlarda ve güç tüketiminde azalma ile aynı anda video sinyali oluşturucuların güvenilirliğini ve kalitesini artırmaya izin veren benzersiz CRT analoglarıdır. CCD tabanlı fotodedektörlerin ek bir avantajı, elektromanyetik spektrumun geniş bir bölgesini (IR bölgesi dahil) kapsamayı mümkün kılacak olan çeşitli yarı iletken malzemelerin kullanılmasının temel olasılığında yatmaktadır. CCD'lere dayalı verici televizyon kameralarının oluşturulması, gelecekte yalnızca teknolojinin güvenilir bir "elektronik göz" ile donatılmasına değil (insanlar için yapay görüş oluşturma projesinde, yönlendirmenin de CCD'lere yapıldığını not ediyoruz), aynı zamanda günlük yaşamda televizyonun gerçekten geniş bir kullanımına. Bir görüntü taşıyan bir ışık akısı, çok elemanlı veya matris CCD'ye yönlendirilirse, elektron deliği çiftlerinin fotojenerasyonu, yarı iletkenin büyük bölümünde başlayacaktır. CCD'nin tükenme bölgesine girerken, taşıyıcılar ayrılır ve potansiyel kuyularda delikler birikir (ayrıca biriken yük, yerel aydınlatma ile orantılıdır). Görüntü algısı için yeterli bir süre (birkaç milisaniye mertebesinde) geçtikten sonra, CCD dizisi, aydınlatma dağılımına karşılık gelen bir şarj paketleri modelini depolayacaktır. Saat darbeleri açıldığında, şarj paketleri onları elektrik sinyallerine dönüştürecek olan çıkış okuyucusuna hareket edecektir. Sonuç olarak, çıktı, video sinyalinin verdiği zarf olan farklı genliklere sahip bir darbe dizisi olacaktır. Bu temelde, fototelgraf cihazları ve verici kameralar (tam format renkli televizyon kameralarına kadar) dikkate alınarak oluşturulur. Gelecekte, CCD'ler, paralel bilgi işlemeye sahip yüksek performanslı optoelektronik bilgisayarlarda uygun matris fotodedektörler olarak uygulama bulacaktır. CCD'nin ortaya çıkışı (1969), MIS cihazlarının fizik ve teknolojisi alanındaki araştırmaların sonucuydu. Yarı iletken teknolojisinin bu yeni yönünün gelişimi, dünyanın farklı ülkelerinde birçok bilimsel ekip tarafından yürütülüyor ve şimdiden çok dikkat çekici sonuçlar elde edildi. 64-200 μs erişim süresi ve 1-5 MHz bilgi çıkış hızı ile 8192, 16384 ve 65536 bit kapasiteli yüksek hızlı tek çipli CCD bellek oluşturulmuştur; 16 K (kilobit) kapasiteli kristaller bazında, 256 bit blok getirme kapasiteli 1 Mbit kapasiteli bir bellek tasarlanmıştır. Renkli televizyon sistemlerinde kullanılmak üzere 128 bit kapasiteli geniş bant analog sinyal geciktirme hattı geliştirilmiş; Toplam hata% 1'den az olan 40.000 ayrık sinyal değerinin eşzamanlı işlenmesine izin veren CCD tabanlı bir ilişkilendirici test edildi. 200X200 ve 500x500 ayrışma elemanı sayısına sahip kameraları ileten bir dizi ABD firması (öncelikle Bell ve RCA) tarafından endüstriyel üretimin başladığına dair çok sayıda rapor var. Aynı zamanda, CCD'lerin yaygın kullanımına giden yolda hala çözülmemiş birçok sorun olduğunu ve her şeyden önce teknolojik olanları fark etmemek imkansızdır: dielektrik filmin delinmesi ve elektrot lastiklerinin kısa devre yapması hala mümkün değildir. yüksek verim yüzdesi ile yeterince büyük bir bilgi kapasitesinin hatasız CCD'lerinin elde edilmesine izin verir. Tek katmanlı metal kaplamalı büyük CCD'ler oluşturmadaki en önemli teknolojik sorun, elektrotlar arasında dar (2–3 μm) boşluklar elde etme sorunudur; bu tür yapılarda ana teknolojik kusur kısa devrelerdir. Çok katmanlı silikon geçit yapılarında, tüm polisilikon seviyeleri arasında yüksek kalitede bir yalıtkan dielektrik elde etmek zordur. Sonuç olarak, şarj çiftli cihazlara dayalı cihazların, özellikle optoelektronik cihazların yaratılmasının, büyük ölçekli entegre devrelerin geliştirilmesinde önemli bir adım olduğunu ve işlevsel mikroelektroniklere yönelik ilk gerçek adımlardan biri olduğunu belirtmek isterim. Üçlü kaydırma yazmacı örneğini kullanarak CCD'deki yük paketlerinin hareketinin dinamiklerini izleyelim (Şekil 2). Bu devrede, her üç elektrottan biri karşılık gelen saat veriyoluna bağlanır. İlk durumda (Şekil 2, a) depolama voltajı altında İncir. 2. Bir CCD'de üç döngülü bir kaydırma yazmacının şeması: A
1. 4.
7; b - bilgi aktarımı; V- bilgilerin öğelerde depolanması 2. 5, 8.
Uhr. =-U2 elektrotlar 1, 4, 7'dir ve geri kalan her şeye enerji verilir - U1 (U1 Pirinç. 3. Depolama modundaki bir CCD elemanı için bölge diyagramı bilgi: a - açıldıktan sonraki ilk anda; b - sabit durumda; 1 - metal; 2- dielektrik; 3- tükenmiş bölge; 4 - yarı iletkenin nötr bölgesi. Bir sonraki döngüde, elektrotlar üzerinde Şekil 2c'ye göre voltajlar ayarlanır ve 2, 5, 8 öğelerinde şarj bilgisi depolama aşaması başlar. Bu nedenle, CCD'ler iki çalışma modu ile karakterize edilir: şarj paketlerinin depolanması ve iletilmesi. Depolama modunda, bir CCD bir MIS kapasitansına eşdeğerdir. Depolama modu için yarı iletken yüzeyin bant diyagramı Şekil 3a'da gösterilmektedir. Bölgelerin bükülmesini ve potansiyel kuyusunun derinliğini karakterize eden yüzey potansiyelinin değeri, ilk anda maksimumdur. Bir delik paketi enjekte edildiğinde, pozitif yükleri, alt tabakayı alandan korur, bunun sonucunda harici voltaj yeniden dağıtılır: voltajın dielektrik katmana gelen kısmı artar, yüzey potansiyeli azalır (mutlak değerde) ve tükenme bölgesi daralır. Zamanla, potansiyel kuyu termojen deliklerle doygunluğa kadar dolar ve yüzeyin yakınında sabit bir ters katman oluşur (Şekil 3b). Yüzey potansiyelinin büyüklüğü (mutlak değer olarak) yarı iletken yüzeyin ters çevirme potansiyeline φ0 azalır Durağan olmayan durumda, yüzey potansiyeli φ geçit voltajı U3'e, delik yükü yoğunluğuna (birim alan başına) Qp ve dielektrik filmin ve alt tabakanın elektrofiziksel özelliklerine bağlıdır: burada U "3 \u003d U3 - UП3 \u003d U3 - Uo - φ0 + UВ - düz bölgelerin voltajı; Farklı kapı gerilimleri için bağımlılıklar φ(QP) Şekil 4'te gösterilmiştir. Delik yükü Qp sıfırdan durağan bir değere yükseldikçe, yüzey potansiyeli mutlak değer olarak ters çevirme potansiyeli φ0'a düşer. Şekil 4'teki grafiklerden, φ(QP) bağımlılıklarının neredeyse doğrusal olduğu görülebilir. φ için yaklaşık ifade şu şekildedir: φ \u003d (U "3-QP / Cd) (1 + x), (2) burada x=0.1-0.2 lineerleştirilmiş substrat katsayısıdır. Belirli bir U3 voltajında potansiyel kuyusuna yerleştirilebilecek maksimum QPM yükü, potansiyel kuyusunun doyma koşulu altında, yani φ=φ0'da (1)'den belirlenir, Şekil 4. Yüzey potansiyelinin, farklı kapı voltajlarında potansiyel kuyusunda lokalize olan yükün değerine bağlılığı: N
D
\u003d 5-10 14 cm-3,
sen
=3,8 V Şekil 5. Bağımlılık
Q PΣ
=
QP
+
QP
buhar
bilgilerin çeşitli değerleri için saklama süresinden
şarj
QP
.
Kesikli çizgi, tüketilen bölgede (1) ve yüzeyde (2) üretim nedeniyle biriken bileşen yüklerini gösterir; Qp
=0 (3);
Qp
/
C d
= 3V (4). QPM = Sd (U3, - U0) (3) Genellikle QPM= (1-5) 10-3 pC/µm2. Şekil 6. CCD'de ücret transferi şeması Yükler akarken, CCD1'deki yüzey potansiyeli artar (mutlak değerde) ve CCD2'de azalır, bunun sonucunda boşluktaki alan azalır. Uzap yazma voltajının depolama voltajını Uхр aşması gerektiği açıktır, elektrotlar arasındaki mesafe ne kadar büyükse ve silikon substrat o kadar yoğun katkılı (Şekil 7). Pratikte çalıştırılabilir CCD'ler için boşluk genişliğinin l = 2-3 µm, aNd≤1015 cm-3'ü geçmemesi gerektiği şekilden de görülmektedir. Minimum yazma darbe genliği Uzap, artan UXP ve QP ile doğrusal olarak artar. Bir elementten (CCD1) diğerine (CCD2) yük transferinin dinamiklerini ele alalım (Şekil 6). Depolama modunda, UXP potansiyeli CCD1'e ve sıfır potansiyeli CCD2'ye uygulanır. Qp yoğunluğuna sahip deliklerin yükü, CCD1'de düzgün bir şekilde lokalize edilmiştir. Up>Uxp kayıt potansiyelinin CCD2'ye uygulanmasından sonra, hücreler arasındaki boşlukta bir çekme alanı oluşturulur ve genellikle gücü o kadar yüksektir ki, CCD1'in sol sınırının yakınında bulunan delikler neredeyse anında CCD2'ye geçer. CCD2'nin sağ kenarına yakın delik konsantrasyonu çok hızlı bir şekilde sıfıra düşer (yani, boşluk alanı, bir transistördeki ters polarmalı toplayıcı p-n bağlantısının alanına benzer şekilde hareket eder). CCD1'deki deliklerin dağılımının tekdüzeliğindeki keskin bir değişiklik, potansiyel kuyusu içinde soldan sağa doğru yoğun bir şekilde sürüklenmelerine ve yayılmalarına neden olur. Eğer l koyarsak< Şekil 7. Minimum yazma darbe genliğinin depolama voltajına (a), boşluk uzunluğuna (b) ve alt tabakadaki safsızlık konsantrasyonuna (c) bağlılığı. burada L, CCD'nin kapılarının (elektrotlarının) uzunluğudur; μre-yüzey etkili hareketlilik. Açıkçası, (4)'teki orantılılık katsayısı, elde edilmesi gereken iletim verimliliği katsayısına bağlıdır. Genellikle çok elemanlı CCD'ler için bu seviye çok yüksektir ve QRPC2/ QRP CCD1 = 0,99-0,9999, burada QPP, bir hücredeki toplam ücrettir. Şekil 8. Normalleştirilmiş şarj bağımlılığı
Q
=
1-
parametreli cihazlar için iletim süresi:
L
=6
μm, μ re =180 cm 2 /V s; sayısal hesaplama; _ yaklaşık analitik çözüm. Yük CCD1'den CCD2'ye akarken, CCD1'deki delik konsantrasyonu ve dolayısıyla akımın sürüklenme bileşeni azalır ve yalnızca difüzyonla belirlenen transfer süreci yavaşlar - geçici sürecin "kuyruğu" her zaman daha uzundur başlangıç aşamasına kıyasla (Şekil 8). Başlangıç yük yoğunluğu (Qp) ne kadar büyük olursa, ilk hızlı aşama sırasında bunun büyük bir kısmı "sızacak" ve (belirli bir izin verilen değer için) iletim süresi (ttrans) o kadar kısa olacaktır. Zamanın farklı noktalarında deliklerin Yükünün yoğunluk dağılımının diyagramları Şekil 9'da gösterilmektedir. CCD1'in sol sınırından delik akışı yoktur, bu nedenle Şekil 9'daki grafiklerde herhangi bir zamanda bu noktadaki delik konsantrasyon gradyanı sıfıra eşittir. Şekil 9. Dağıtım Grafikleri
Qp
(
y
)
transfer sürecinin çeşitli noktalarında Yük aktarma işleminin açık bir analojisi, uç duvarı (CCD'nin potansiyel kuyusunun sağ sınırına karşılık gelir) CCD'deki gibi uzağa taşınan dikdörtgen bir kaptan viskoz bir sıvının dışarı akışıdır. , sıvının başlangıç seviyesi ne kadar yüksek olursa, verilen kısmı o kadar hızlı akacaktır. Şekil 10. Kayıp faktörü bağımlılıkları
ε
1
farklı elektrot uzunluklarına sahip CCD'ler için iletim süresi üzerinde. Çoğu gerçek CCD yapısı için, L ve l boyutları karşılaştırılabilir ve çok küçüktür; Bu koşullar altında; Еkр kenar alanının (yukarıda tamamen boşlukta yoğunlaştığını düşündüğümüz) CCD1 bölgesine nüfuz etmesinin etkisi önemli hale gelir ve bu, şarj paketinin kalan kısmının akışı üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Bir CCD'nin en önemli özelliğini ele alalım - transfer süresi boyunca CCD1'den CCD2'ye aktarılan delik yükünün bir parçası olan yük aktarım verimliliği. ^ ücret paketindeki belirli bir izin verilen azalma için, değer, bilgilerin kurtarma olmadan aktarılabileceği maksimum öğe sayısını belirler. İletim kaybı (verimsizlik) ε =1- kavramını kullanmak genellikle daha uygun olur. Sonlu bir transfer süresinde, yük kayıpları, ilk olarak, t=tnep sırasında ε1 yükünün bir kısmının komşu hücreye akmak için zamana sahip olmaması ve ikinci olarak, taşıyıcıların bir kısmının yakalanmasından kaynaklanmaktadır. ε2 yüzey tuzakları ile. ε1 bileşeni, yüksek frekanslarda iletim kaybını, ε2 - düşük ve orta çalışma frekanslarında belirler. Taşıyıcıların yüzey tuzakları tarafından yakalanmasını daha ayrıntılı olarak ele alalım. Örneğin, CCD1'e bir bilgi paketi ulaşırsa, deliklerin bir kısmı yakalanır. dielektrik-yarı iletken arayüzü. Bir sonraki döngüde, yük paketi CCD2'ye akar, ters katman ve yüzey tuzakları arasındaki denge bozulur ve bunlar boşalmaya başlar. t=tnep için tuzaklar tarafından serbest bırakılan taşıyıcıların şarj paketine geri dönmek için zamanı vardır, geri kalanı iletim kayıplarını ε2 oluşturur. Kayıplar ε2, yalnızca yüzey tuzaklarının yoğunluğuna ve yük paketinin boyutuna değil, aynı zamanda belirli bir eleman yoluyla iletilen önceki yük bilgisinin doğasına da bağlıdır. Bir dizi mantıksal 1'ler iletilirse (bu, büyük şarj paketlerine karşılık gelir), o zaman ε2 kayıpları ilk şarj paketinde maksimum olacak ve ilk paketten gelen ücretleri yakalayan bazı tuzaklar olacağı için sonraki paketlerde azalacaktır. bir sonraki gelene kadar boşaltmak için zamanları olmayacak ve bu tuzaklar konakçı yakalamaya katılmayacak. ε2 kaybı açısından en kötü durum, değişen bir mantıksal 1'ler ve 0'lar dizisinin iletimidir. Bu durumda, ε2 için ifade şöyledir: burada Nl, yüzey tuzaklarının yoğunluğudur; m = 2, 3 ... - kontrol döngüsü sayısı; Sd(U3-U0) - ücret paketinin değeri. Tipik yapılarda ε2=(2-3) 10-3 ve birinci yaklaşımda saat frekansına bağlı değildir. Yüzey tuzaklarını dolduran CCD zincirine (her bir yük paketine) bir miktar arka plan yükü eklenirse, yüzey durumlarının etkisi azaltılabilir. Sonuç olarak, iletim sırasında bilgi kaybı ücreti azalır. Tuzakların etkisinin eksik bir şekilde ortadan kaldırılması, başlıcaları kenar etkisi ve yalnızca depolama sırasında değil, aynı zamanda şarj paketinin CCD ve boşluktan akışı sırasında da taşıyıcıların yakalanması olan bir dizi nedenden kaynaklanmaktadır. Kenar etkisi, potansiyel kuyuları dikdörtgen değil yuvarlak yapan gerçek CCD'lerde elektrik alanının iki boyutlu dağılımı nedeniyle ortaya çıkar. Bu nedenle paketin kapladığı yüzey alanı, yükün büyüklüğüne bağlı olacaktır ve her zaman daha küçük olan arka plan yükünün kapladığı alandan daha büyük olacaktır. Bu nedenle, arka plan yükünün olmadığı elektrot kenarlarında bulunan üst tuzaklar boş olacak ve şarj paketinden taşıyıcıları yakalayabilecektir. Bu etkinin yük kaybı (4-5)10-4'tür. İletim sırasında taşıyıcıların yakalanması, temel olarak boşlukta arka plan yükünün olmaması ve bu nedenle tuzakların doldurulmaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Ortaya çıkan verimsizlik (2-3) 10-4'tür. Bu nedenle, bir arka plan yükünün eklenmesi, ε2→0 koşulunun yerine getirilmesine izin vermez, ancak yüzey tuzakları tarafından taşıyıcıların yakalanmasından kaynaklanan iletim kayıplarını birkaç kez azaltır. Son olarak, CCD'lerin ışığa duyarlılığını göz önünde bulundurun. Işığa duyarlılığı belirleyen faktörlerden biri, foton emiliminin yoğunluğunu (elektron deliği çiftlerinin oluşumu ile) karakterize eden soğurma katsayısı 'dır. Absorpsiyon katsayısı , gelen ışığın dalga boyu l arttıkça keskin bir şekilde azalır. Bu nedenle, ışık akısının bilgi yüklerine etkili bir şekilde dönüştürüldüğü dalga boyu bölgesi (spektral duyarlılık bölgesi olarak adlandırılır) sınırlıdır. Uzun dalga boyu sınırı, yarı iletkenin bant aralığı tarafından belirlenir ve silikon için 1,1 μm'dir. Kısa dalga boyu sınırı 0,4-0,5 μm'dir ve kısa dalga boyu ışık miktarının, fotojenleştirilmiş taşıyıcıların rekombinasyonunun yoğun bir şekilde meydana geldiği dar bir yüzey tabakasında güçlü bir şekilde soğurulmasından kaynaklanır. Tüm uyarılmış taşıyıcıların CCD tarafından toplandığını varsayarsak, ışık akısı Hsh'nin etkisi altında üretim (entegrasyon) süresi ta sırasında biriken şarj paketi Qpn, aşağıdaki yaklaşık ifade kullanılarak hesaplanabilir: QPП = qHfromθtи Ae, (6) burada θ kuantum verimidir; Ae - ışık alan elementin alanının bir kısmı. Bir CCD θ=1 için bu, 500 µA/lm mertebesinde bir ışığa karşı duyarlılığa karşılık gelir. Sinyalin gürültüyü yaklaşık 2 kat aştığı eşik duyarlılığı, bir CCD için yaklaşık 10-4 lx s'dir. Bir CCD fotodetektör, kapıların yanından (elektrotlar) veya ters yönden aydınlatılabilir. Optoelektronik gelişimindeki en önemli yönlerden biri, verici sistemden başlayıp ekranla biten entegre devrelere dayalı bir televizyon sisteminin oluşturulmasıdır. Televizyon iletim sisteminin temeli (Şekil 11), video sinyali oluşturucu (FVS) olarak da adlandırılan bir görüntü sinyali oluşturucudur (FSI). FSI, görüntüyü uygun bir elektrik impulsları dizisine dönüştürür. Televizyon verici kameraların çoğu, uç yüzeyinde yüksek dirençli bir foto iletken tabakası şeklinde bir hedefin biriktirildiği bir katot ışın tüpü (CRT) olan bir vidicon kullanımına dayanır. Tarama bir elektron ışını ile gerçekleştirilir. İletilen görüntü, ayrı parçaları bir elektron ışını ile belirli bir potansiyele kadar yüklenen bir mercek yardımıyla bir hedef üzerine yansıtılır. Foto iletken tabakanın her bölümünün direnci, aydınlatmasına bağlıdır. Bu nedenle birbirini izleyen iki şarj arasındaki aralıkta, farklı aydınlatmaya sahip alanlar farklı şekilde boşalır ve sonraki tarama sırasında video sinyalini oluşturan elektron ışını akımı görüntüye göre değişir. Şekil 11. Bir televizyon iletim sisteminin yapısal diyagramı: 1 - nesne; 2 mercek; 3 görüntülü sinyal koşullayıcı; 4 - amplifikatör; 5 - sinyal depolama birimi: 6 - sinyal okuma birimi; 7 - eski video sinyali; 8- video yükseltici Vidiconların ana dezavantajı (çeşitlerinin yanı sıra: plumbicons, siliconons, vb.), yüksek voltajlı vakum sistemlerini kullanma ihtiyacı ile ilişkilidir. Bu, cihazların düşük dayanıklılığına ve güvenilirliğine, önemli genel boyutlara ve ağırlığa, düşük mekanik dayanıklılığa ve tüm vakum cihazlarında bulunan diğer dezavantajlara neden olur. Taramayı sağlamak için katı hal görüntüleyiciler oluştururken, çeşitli fiziksel etkileri kullanmak için girişimlerde bulunulur (ancak şimdiye kadar başarısız oldu): Ruh etkisi, azınlık yük taşıyıcılarının sürüklenmesi, güçlü alan alanlarının hareketi, vb. Çeşitli cihazların CRT'lerine kıyasla CCD görüntüleyiciler, yapısal ve teknolojik basitlik, küçük genel boyutlar ve ağırlık, önemli ölçüde dayanıklılık ve güvenilirlik ve düşük güç tüketimi ile karakterize edilir. Bu avantajlar, kendi kendine taramadan kaynaklanmaktadır (ücret paketlerinin FSI çıkışına aktarımı, CCD öğelerinin kendileri kullanılarak gerçekleştirilir). Işığa duyarlı ve tarama elemanlarının işlevlerinin tek bir cihazda bu yapıcı ve teknolojik entegrasyonunun varlığı, CCD'leri tamamen katı hal FSI'nin oluşturulması için en umut verici olarak görmemizi sağlar. Görüntüleyicideki CCD öğeleri üç modda çalışır: görüntünün algılanması (entegrasyonu), yani ışık akısının şarj paketlerine dönüştürülmesi; ücret paketlerinin depolanması; şarj paketlerinin cihazın çıkışına aktarılması (taraması). Görüntü algılama modunda, nesneden gelen ışık akısı FSI'nın yüzeyine düşer ve yarı iletken substratta elektron deliği çiftlerinin oluşmasına neden olur. CCD'nin potansiyel oyuklarına karşılık gelen kristal alanlarında, taşıyıcılar ayrılır ve bunun sonucunda FSI'da algılanan görüntüye karşılık gelen şarj paketlerinin bir "resmi" toplanır. FSI'nin ana fotoalma özellikleri, ışık hassasiyeti, eşik ışık hassasiyeti, spektral hassasiyet alanı, çözünürlük, entegrasyon süresi, frekans-kontrast yanıtı, gürültü, dinamik aralıktır. Bu özelliklerden bazıları (ışık hassasiyeti, spektral hassasiyet bölgesi, entegrasyon süresi) bir CCD öğesini ifade eder ve Bölüm 1'de tartışılmaktadır. 1. Diğer özellikler, ücret paketlerinin aktarım sayısına, gürültüye, çıkış cihazlarının türüne vb., yani FSI'yi düzenleme yöntemine bağlıdır. Çözünürlük R, bu FSI tarafından bir satırda birleştirilmeden hala algılanabilen maksimum satır sayısı (bir milimetre olarak anılır) tarafından belirlenir. Açıkçası, bir CCD'de maksimum çözünürlük, bir ışığa duyarlı L3 öğesinin uzunluğu ile belirlenir ve şuna eşittir: Rmaks=1/LE. (7) Üç zamanlı CCD'ler için LE=3(L + l), burada L elektrotun uzunluğudur; l, elektrotlar arasındaki boşluğun uzunluğudur. Minimum değer L = 3 µm ve l=3 µm, Rmax≈50 satır/mm çözünürlüğe karşılık gelir. Çözünürlük bazen tüm FSI tarafından algılanan toplam görüntü öğesi sayısı olarak da anlaşılır (örneğin, 500x500 öğe). CCD'nin gerçek çözünürlüğü, formül (4) ile hesaplanandan daha düşüktür. Düşük aydınlatma seviyelerinde, ışığa duyarlı CCD elemanlarında küçük şarj paketleri birikir ve gürültü önemli bir rol oynamaya başlar. Bu durumda, ışığa duyarlı elemanın minimum boyutu teknoloji tarafından değil, gerekli sinyal-gürültü oranını ks/N = 3-5 elde etme koşuluyla belirlenir. CCD'lerdeki gürültüler iki gruba ayrılabilir: görüntü algılama sürecinden kaynaklanan gürültüler ve şarj paketlerinin iletim moduyla ilişkili gürültüler. Birinci grup, gelen foton akısındaki beyaz gürültüyü (akı yoğunluğunun dalgalanmaları) ve arka plan yükünün dalgalanmalarını içerir. Arka plan şarj gürültüsü, giriş yöntemine bağlıdır. Termal üretim nedeniyle arka plan yükü birikirse, dalgalanmaları beyaz gürültü ile karakterize edilir. Tarama sesleri, eksik yük transferinden kaynaklanan gürültüleri ve yük paketlerinin geçişi sırasında hızlı yüzey durumlarının taşıyıcı tarafından yakalanması ve yeniden yüklenmesinden kaynaklanan gürültüleri içerir. Başka bir olası gürültü kaynağı, fotosinyallerin çıkış yükselticisidir (Sus).Bu tür gürültüler, silikonlardaki çözünürlüğü sınırlayan ana faktördür, çünkü bunları kullanırken, amplifikatör ayrı bir çip üzerinde yapılır ve bu nedenle giriş kapasitansı ulaşır. 10-20 pF. CCD tabanlı FSI'da, çıkış yükselticisi aynı çip üzerinde oluşturulabilir (montaj kapasitansları ve paket kapasitansı hariçtir) ve giriş kapasitansı, MIS transistörünün "kayan" difüzyon bölgesi kapasitansı ile kapı kapasitansının toplamıdır. Bu durumda Sus = 0,2-0,5 pF ve bu nedenle çıkış yükselticisiyle ilişkili gürültü önemsizdir. Bir CCD'nin düşük ışık seviyelerinde çözünürlüğü, temel olarak arka plan yükündeki gürültü ve taşıyıcı yakalama işleminin gürültüsü ile sınırlıdır. Şekil 12'deki bağımlılıklar, çözünürlüğün Düşük ayarda gürültü ile sınırlı olduğunu göstermektedir.<108-109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк·с). Şekil 12. FSI çözünürlüğünün, farklı gürültü kaynakları için aydınlatma seviyesine 500X500 eleman kapasiteli bir CCD'ye hesaplanan bağımlılığı: 1 - eksik yük aktarımı, 2 - hızlı yüzey durumları; 3 - arka planda termal gürültü; 4 - silikon koni için deneysel eğri Bir b = 25X25 µm 2, C = 0.2'den.
T
Ve
=0,1 sn,
kS
/
N
=5
Bir elemanın minimum alanı, minimum "teknolojik" olanı önemli ölçüde aşar ve yaklaşık Ae≈400 µm2'dir. 109 cm2 seviyesinin üzerinde çözünürlük, ışığa duyarlı elemanların minimum geometrik boyutları tarafından belirlenir. Aynı şekilde gösterilen silikon kon için deneysel eğri, düşük aydınlatma seviyelerinde CCD'lerin avantajını açıkça göstermektedir. Gerçek görüntü, PSI düzleminde sabit olmayan bir akış Hs(y, z) ile karakterize edilir. Işık akısını yük paketlerinin bir "resmine" dönüştürme ve ardından yüklerin çıktıya taranması sürecinde FSI tarafından getirilen bozulmalar nedeniyle, iletilen görüntü öğesinin minimum boyutu CCD'nin boyutundan daha büyük olacaktır. gürültü veya teknoloji tarafından belirlenen eleman. FSI çözünürlüğünün objektif bir değerlendirmesi için, ışık sinyalinin genliğindeki değişimi ve uzaysal fazdaki kaymayı tanımlayan frekans kontrast yanıtı (MTF) (MTF (madülasyon transfer fonksiyonu) kullanılır) giriş harmonik sinyalinin uzamsal frekansı değiştiğinde sistemin çıkışı (örneğin, bir televizyon alıcısının ekranında) . Herhangi bir gerçek görüntü Hi, uzamsal frekanslar açısından bir Fourier serisine genişletilebilir. Bireysel harmoniklerin genlikleri ve fazları farklı şekillerde bozulacağından sistem çıkışında bozuk bir görüntü elde edilecektir. Bu nedenle, MTF'nin yardımıyla, gerçek bir görüntünün iletimi sırasında FSI tarafından ortaya çıkan bozulmaları belirlemek mümkündür. Frekans-kontrast özelliği, nesneden gözlemciye bilgi aktarımının kalitesi açısından iletim sistemini belirler. Televizyon sistemine giren çeşitli cihazlar (optik, fotoelektronik, elektronik, mekanik vb.) iletilen bilgiyi bozar. Frekans kontrast karakteristiği bu bozulmaları hesaba katar. CTF'nin elektronik sistemlerdeki analojisi genlik-frekans ve faz-frekans özellikleridir. CTF'deki değişiklik, üç faktörün etkisi nedeniyle meydana gelir: ışığa duyarlı elemanların düzeninin farklılığı (bir eleman içinde değişen bir ışık sinyali, ortalama bir şarj paketi ile temsil edilir); fotojenere taşıyıcıların komşu elementler altında difüzyon yayılımı; transferleri sırasında şarj kayıpları. Bir CCD görüntüleyicinin MTF'si, üç faktörün hepsinin birleşik eylemiyle belirlenir. Bu faktörler bağımsız olduğundan, CTF'yi elde etmek için genlikleri çarpmak ve farklı etkilerden dolayı fazları eklemek gerekir. Gerçek bir görüntünün Fourier serisinde uzamsal frekanslar cinsinden genişletilebileceği daha önce belirtilmişti. FSI aracılığıyla iletildiğinde, daha yüksek uzamsal frekansa sahip harmonikler, genlikte daha fazla zayıflamaya ve daha büyük bir faz kaymasına sahip olacaktır, yani, düşük frekanslı harmoniklere kıyasla daha fazla bozulacaktır. Belirli bir distorsiyon seviyesini (genlik ve fazda) ayarlayarak ve MTF'yi kullanarak, bir CCD'de FSI'nin gerçek çözünürlüğünü belirlemek mümkündür. A = 0.2'de çözünürlük, CCD'nin (4.1) boyutlarına göre hesaplanan sınırlayıcı Rmax'tan 2-3 kat daha az ve A = 0.5 - 3-4 kat daha az. Böylece, bir CCD'de FSI'nin gerçek çözünürlüğü 20-30 satır/mm olarak çıkıyor. Bir CCD için VIF kullanılarak bozulma olmadan iletilebilen görüntü aydınlatma değerleri aralığı olarak tanımlanan dinamik aralık 1000:1'dir. Bu aralığın alt sınırı gürültü ile belirlenir ve üst sınırı, CCD'nin potansiyel kuyularının doygunluğu ve aşırı doldurulduklarında yüklerin yayılması ile belirlenir. FSI üzerine güçlü bir ışık akısı düşerse, entegrasyon süresi boyunca CCD'nin potansiyel kuyuları taşar. Bu, istenmeyen iki etkiye yol açar: birincisi, doldurduktan sonra, potansiyel kuyusunda bulunan şarj paketi, aydınlatma seviyesinden bağımsız olarak sabit kalır; Sonuç olarak, bu, ek ters yönlü p-n bağlantılarını ortadan kaldırmak için iletilen görüntünün bulanıklaşmasına yol açar. fazla taşıyıcıları toplayan oluşur. CCD'lerde iki tip PSI yaygın olarak kullanılmaktadır: küçük harfli (doğrusal), bir bütünleştirme periyodunda bir görüntü çizgisini algılayan ve tüm görüntünün bir kerede kaydedildiği matris (düzlemsel). FSI'nin organizasyonuna ilişkin bazı hükümler, her iki cihaz türü için de ortaktır. Her şeyden önce, cihazın iki çalışma modu sağlanmalıdır: görüntünün ışık akısının algılanması ve çıkışa şarj paketlerinin sıralı çıkışı. İki ilke kullanılır: algılama ve tarama modlarının zamansal veya uzamsal ayrımı. Zaman içinde ayrıldığında, FSI'nin her iki işlevi (algılama ve tarama), kontrol devrelerinin karmaşıklığından dolayı aynı CCD elemanları kullanılarak gerçekleştirilir. Işık akısının algılanması sırasında, fotojenleştirilmiş taşıyıcıların birikmesini sağlayan karşılık gelen CCD'lerde (üç döngülü bir şemada, her üçüncü elektrotta) depolama potansiyelleri ayarlanır. Diğer tüm elektrotlar sıfır potansiyeldedir. Optik bilginin algılanmasından sonra, elektrotlara, şarj bilgi paketlerinin çıkışa hareketini sağlayan bir dizi saat darbesi uygulanır. Her iki işlev de uzayda ayrıldığında, şekillendirici iki alan içermelidir: ışık akısını algılayan ve bunu bir yük dağıtım modeline dönüştüren ışığa duyarlı bir alan ve entegrasyondan sonra ışıktan korunan bir depolama alanı. tüm yük dağıtım modeli iletilir. Bir sonraki tarama modunda bu alandan gelen bilgiler çıktıya iletilir. İlk yöntemde, tüm elemanlar ışığa duyarlı hücreler olarak kullanılır. Kristalin tüm alanını kullanmak, maksimum çözünürlüğü elde etmenizi sağlar. Bu yöntemin dezavantajı, elektronik çerçevelemenin (kontrol devreleri) karmaşıklığı, görüntü entegrasyonu için ayrılan zaman aralığında hafif bir azalma ve çerçeve süresi boyunca bilginin yalnızca alınması değil, aynı zamanda iletilmesi gerektiğinden aydınlatmanın etkisidir. çıktıya. İkinci yöntem, aynı çözünürlüğü elde etmek için iki kat daha fazla eleman gerektirir. Buna göre kristalin alanı da arttırılmalıdır. Yöntemin avantajları, entegrasyon süresini (çerçevenin tüm süresi) artırmanın yanı sıra, taramanın ışıktan korunan bir alanda bilgide hafif bir bozulma ile gerçekleştirilmesini içerir. Belirli bir yöntemin uygulanabilirliği, CCD'nin elde edilebilir özellikleri tarafından belirlenir ve tersine, elemanların parametreleri için gereklilikler, seçilen tarama yöntemi tarafından belirlenir. Her iki ilke - hem zamansal hem de mekansal ayrım - oldukça yaygındır. Küçük FSI'nin olası organizasyonunun değerlendirilmesine geçelim (Şekil 13). Bu cihazın üç alanı vardır: şeffaf bir yansıma önleyici malzeme ile kaplanmış merkezi bir CCD ışığa duyarlı şerit ve ışığa duyarlı alanın her iki tarafında bulunan ve çıkış SR ile ilişkili iki ışık korumalı yük paketi iletim alanı. Merkezi bölge 1'in elektrotları, CCD'de fotojenlenmiş yüklerin birikmesini sağlayan depolama potansiyeli Uхр altındadır. Görüntü algılandıktan sonra, iletim darbeleri (Фх) bağlantı elektrotlarına (3) gönderilir ve elektrotların (3) uygun düzenlemesi nedeniyle şarj paketleri dönüşümlü olarak sağ ve sol iletim bölgelerine (2) kaydırılır. Ardından saat darbe devreleri (Ф1, Ф2), Ф3 açılır ve ücretler sırayla iki basamaklı SR'ye taşınır. Bir sonraki adım, yükleri aynı çip üzerinde oluşturulan MOS transistörler üzerindeki çıkış okuma devresine aktarmak ve bunları bir video sinyaline dönüştürmektir. Ücret paketlerinin dağıtıldığı iki transfer bölgesine sahip olunarak transfer sayısı yarıya iner. Örneğin, ışığa duyarlı alan içeriyorsa. İletim için 500 algılama elektrotu ve üç zamanlı bir sistem kullanılır, ardından her bir iletim alanı 250 CCD elemanı veya 750 elektrot içermelidir (çünkü üç zamanlı bir sistemde, her bir verici CCD elemanı üç elektrottan oluşur). Dolayısıyla çıkışa en uzak nokta için transfer sayısı 750 olacaktır. Şekil 13. Ayrı ışığa duyarlı ve verici alanlarla küçük harfli bir FSI organizasyonu: 1 - ışığa duyarlı bölgenin elektrotları; 2 - verici elektrotlar: 3 - bağlantı elektrotları; 4 - iki basamaklı kaydırma yazmacı; 5 - izin günü okuma şeması Okuma çıkış devresi, değişken bir difüzyon bölgesi D, bu bölgenin potansiyelini eski haline getiren bir MOS transistör Tl ve gelen yük paketiyle orantılı olarak değişken difüzyon bölgesinin potansiyelindeki bir değişiklikten etkilenen bir transistör T2'den oluşur. Transistör T2 genellikle kaynak izleyicinin girişidir. Çıkış sinyallerinin dürtü diyagramı Şekil 14'te gösterilmiştir. Fl döngüsünde, F"z döngüsüyle zaman içinde çakışan, difüzyon bölgesi D, kurtarma transistörü 77 boyunca, E'ye eşit yüksek bir negatif voltajla şarj edilir. Daha sonra, F"c döngüsünde, bir sonraki şarj paketi difüzyon bölgesine girer D, potansiyelinde bir değişikliğe neden olur. Şekil 14. FSI hattının çıkışındaki sinyallerin darbe diyagramı Küçük FSI kullanıldığında, görüntünün dikey taraması, görüntü şeritlerini sırayla FSI'ye yönlendiren bir ayna tamburu veya salınımlı bir ayna kullanılarak mekanik tarama ile gerçekleştirilir. Line FSI temel alınarak geliştirilen küçük boyutlu kamera, saniyede 8 kare aktarım sağlıyor, 51X102X76 mm3 boyutlarında ve 2,5 W güç tüketiyor. Küçük harfli FSI, esas olarak fototelgrafta ve daha az sıklıkla televizyonda kullanılır. Dönen bir tambur üzerine yerleştirilmiş bir desenin ayrı parçaları, yarık bir ekrandan bir merceğe beslenir ve bu parçalar onları bir fotoğraf okuma CCD hattına odaklar. Sonuç olarak, video sinyallerine dönüştürüldükten sonra görüntünün iletilmesini ve çoğaltılmasını mümkün kılan tüm görüntü parçaları sırayla iletilir. FSI hattına dayalı cihazlar, görüntülerin düşük hızda iletilmesine izin verir ve yüksek kaliteli video sinyalleri sağlamaz. Bu nedenle, televizyon ileten kameralar esas olarak FSI matrisi temelinde inşa edilir. CCD'lerde matris görüntüleyicileri düzenlemenin dört ana yolu kullanılır: çerçeve, çizgi, çizgi-çerçeve, adres. Bu kuruluşlar, ücret paketlerinin modelini okuma biçimleri bakımından farklılık gösterir. Şekil 15. Bir personel organizasyonu ile FSI: 1 - kanal sınırlayıcı difüzyon alanı; 2 - optik bölüm; 3 - görüntü öğesi; 4 - depolama bölümü; 5 - video sinyali çıkışı; 6 - çıkış kapısı Bir personel organizasyonuna sahip FSI, üç bölümden oluşur (Şekil 15): gerekli formatta bir CCD matrisi olan fotodedektör (optik); ücretlerin resminin saklandığı aynı formattaki depolama bölümleri; CCD üzerindeki SR ve şarj paketlerini video sinyallerine dönüştüren çıkış okuma elemanından oluşan okuma bölümü. Fotoalma bölümünde biriken yük örüntüsü, uygun bir saat darbeleri dizisinin yardımıyla, çerçevenin bitiminden sonra hızlı bir şekilde depolama bölümüne kaydırılır. Böylece bir görüntü alındıktan sonra tüm çerçeve saklama bölümüne kaydırılır ve fotoğraf alma bölümü bir sonraki kareyi almaya hazır hale gelir. Bir sonraki çerçevenin oluşumu sırasında, depolama bölümünden gelen bilgiler satır satır çıkış SR'ye iletilir ve buradan öğe öğe çıkış okuma öğesine (FSI satırına benzer) iletilir. Önceki satırın tüm şarj paketlerinin çıkışa iletilmesini sağlamak için, çıkış yazmacındaki kaydırmalı saat frekansı, depolama bölümündeki saat frekansından r kat (burada r, bir satırdaki eleman sayısıdır) daha yüksek olmalıdır. bir sonraki satır kayda girene kadar. Tarama sürecinin personel organizasyonunun avantajları, iletilen görüntünün yüksek kalitesi, tarama olasılığı, kristalin topolojik basitliği ve düzenliliğidir. Video sinyallerinin yüksek kalitesi, görüntü alımından sonra şarj modelinin hızla ışık korumalı depolama bölümüne geçmesi ve bu nedenle tarama sırasında video sinyallerinde bozulmaya neden olan ek bir aydınlatma olmaması nedeniyle elde edilir. Titreşim, aynı görüntü kalitesini korurken video sinyallerinin frekansını yarıya indirmenize izin veren aşamalı bir bilgi okuma yöntemidir. Bir CCD üzerindeki FSI'da aşağıdaki gibi elde edilebilir. Üç zamanlı bir sistemde, ışığa duyarlı her eleman üç elektrot içerir. Görüntü entegre edilirken, bunlardan yalnızca biri ön gerilim altındadır ve yükleri biriktirir, diğer iki elektrot yönlendirilmiş yük aktarımı için gereklidir ve yalnızca yük modeli depolama bölümüne kaydırıldığında kullanılır. Görüntü algılama modundaki bu elektrot fazlalığı aşağıdaki gibi kullanılabilir. Birinci yarım çerçeve sırasında, bir elektrot grubuna, örneğin ışığa duyarlı elemanların birinci elektrotlarına bir öngerilim voltajı uygulanır. Birikmiş ücretler depolama bölümüne kaydırılır. İkinci yarım çerçeve sırasında, tüm elektrotlara bir öngerilim voltajı uygulanır ve bunların altında yükler birikir. Sonuç olarak, görüntünün farklı öğelerini algılamak için aynı ışığa duyarlı CCD öğesi kullanılır, yani taramanın kullanılması, aynı sayıda öğeyi korurken CCD matrisinin çözünürlüğünü iki katına çıkarmanıza olanak tanır. Bunun bir örneği, RCA tarafından geliştirilen, 256X320 ışığa duyarlı öğelere sahip ve aynı zamanda 512X320 ayrıştırma öğeleri sağlayan, yani neredeyse eksiksiz bir televizyon standardı olan verici kameradır. Personel organizasyonu ile FSI'nin üçüncü avantajı, silikon kristalinin topolojik basitliğidir. FSI'nin her üç bölümü de düzenli bir yapıya sahiptir. Elektrotlar, tüm kristali geçen enine metalizasyon bantları şeklinde oluşturulur. Yük depolama bölgeleri, uzunlamasına difüzyon bantları ile birbirinden ayrılır. Depolama bölümü ve çıkış SR, ek kaplama ile ışıktan korunur. FSI'nin personel organizasyonunun da bazı dezavantajları vardır. Işığa duyarlı bölümle aynı sayıda CCD içeren ek bir depolama bölümü ile toplam öğe sayısı iki katına çıkar. Örneğin, geçmeli tarama kullanırken 500X500 öğe çözünürlüğü elde etmek için, 500X250 öğe hacmine sahip ışığa duyarlı bir bölüme, aynı hacimde bir depolama bölümüne ve 500 öğe için bir çıkış SR'sine sahip olmak gerekir. Bu nedenle toplam eleman sayısı 500XX 501 = 250.500'dür.Dikey yönde her ışığa duyarlı elemanın üç elektrot içerdiği düşünüldüğünde bir çip üzerinde oluşması gereken toplam elektrot sayısı 750.000'e yakındır. uzun süredir) önemli teknolojik zorluklar (esas olan kusursuz fotolitografidir). Ele alınan yapının bir başka dezavantajı, kusurların görüntü kalitesi üzerindeki güçlü etkisidir. Işığa duyarlı bölümde (ve özellikle depolama bölümünde) yalnızca bir CCD öğesi arızalıysa, tüm sütundan gelen bilgiler çıktıda kaybolacaktır, çünkü hatalı öğeyi tararken, sütunun tüm öğelerinin şarj paketleri bunun üzerinde bulunanlar iletilemez. Arızalı bir hücrede elektrot, oksitteki bir delikten alt tabakaya kısa devre yaparsa, bu hücre aracılığıyla iletildiğinde, şarj paketleri doygunluğa kadar doldurulacak ve çoğaltılan görüntüde dikey bir ışık şeridi görünecektir. Metalizasyondaki bir kesinti nedeniyle kontrol voltajı elektroda ulaşmazsa, bu eleman üzerinden yük paketleri hiç iletilmeyecek ve görüntü üzerinde dikey bir koyu şerit görünecektir. Bütün bunlar, FSI'nin tüm unsurlarının hatasız olması gerekliliklerini daha da güçlendirir. Bunu başarmak için, birbirinden termal olarak büyütülmüş oksitle izole edilmiş üç polikristalin silikon tabakasının art arda biriktirilmesine yönelik sofistike bir teknoloji kullanılır (Şekil 16). Şekil 16. Örtüşen silikon elektrotlara sahip üç zamanlı yapı: 1- polikristal elektrotlar; 2 - yalıtkan oksit Böyle bir yapı, üç zamanlı bir CCD'dir. Elektrotların kenarlarında üst üste binen silikon tabakalar, boşlukların gerçek genişliğinin oksidin kalınlığına eşit olmasına ve 0.1-0.2 mikronu geçmemesine yol açar. Dar boşluklar, yüksek iletim verimliliği için güçlü kenar alanları oluşturur. Kusurların azalmasına yol açan bu üç seviyeli yapının önemli bir avantajı, tüm silikon yüzeyinin yeterince güvenilir bir şekilde korunmasıdır. Polikristalin silikon elektrotların şeffaf olması ve ışık akısının algılanması için kristalin aktif alanının maksimum kullanımını sağlaması da önemlidir. Bu teknoloji temelinde, her biri 30X30 µm2 boyutunda 220X128 eleman içeren bir personel organizasyonuna sahip bir FSI oluşturulmuştur. FSI'nin CCD'deki personel organizasyonu en yaygın hale geldi ve buna dayanarak en yüksek çözünürlüğe sahip cihazlar elde edildi. RCA, 7.6X10.2 mm2'lik bir çip üzerinde 256X320 eleman kapasiteli bir FSI geliştirmiştir; bu, geçmeli ayrıştırma kullanıldığında 512X320 eleman çözünürlüğü sağlar. FSI'yi organize etmenin başka bir yolu da hat organizasyonudur (Şekil 17). Matris, bir optik bölüm ve bir çıkış kaydırma yazmacı içerir. Görüntü algılama modunda, optik bölümün ışığa duyarlı elemanlarında yük paketleri birikir. Ardından, sıralı olarak, dikey kaydırma yazmacı tarafından kontrol edilen tuşlar aracılığıyla sıraların her birine saat darbeleri uygulanır ve şarj paketleri, çıktıya iletildikleri çıktı yazmacına aktarılır. Satır içi organizasyon, bir depolama bölümü gerektirmez. Bu nedenle, gerekli çözünürlüğü elde etmek için CCD elemanlarının sayısı, bir personel organizasyonu durumundakinin yarısı kadar olabilir. Transfer sayısı da azalır. Satır organizasyonunun dezavantajı, alt satırlardan çıktı kaydırma yazmacına giren yük paketlerinin, çıktı yazmacındaki daha fazla sayıda bitten geçmesidir. Bu nedenle, çıkıştaki video sinyallerinin gecikmesi, okunan satır sayısına bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Şekil 17. FSI matrisinin hat organizasyonu: 1 -
tetik dürtüleri; 2 - değişen dürtüler; 3 - çıkış diyotu; 4 - tarama üreteci; 5 - satır seçim tuşları; 6 - çıkış kaydı; 7 - itme-çekme kaydırma darbeleri; 8 - optik bölüm şarj birikimi Hat organizasyonunun bir başka dezavantajı, hatların ücret paketlerinin aktarımının ışığa duyarlı elemanlar tarafından gerçekleştiriliyor olması, dolayısıyla taramaya eşlik eden aydınlatmanın iletilen bilgiyi bozmasıdır. Kusurların etkisi İK yönetimindekiyle aynıdır, yani bir çizginin bir öğesinin arızalanması, çoğaltılan görüntüde beyaz veya koyu bir bandın görünmesine neden olur. Çerçeve yönteminin bir modifikasyonu, FSI'nin, optik bölümün ve depolama bölümünün olduğu gibi birbirine yuvalandığı böyle bir organizasyonudur. Kristal, ışığa karşı korumalı depolama CCD öğelerinin sütunların arasına yerleştirildiği bir dizi ışığa duyarlı öğe içerir. Işığa duyarlı elemanlarda biriken yük paketleri, bitişikteki gölgeli sütunlara kaydırılır ve buralarda depolanır. Sinyallerin çıkış kaydırma yazmacına çıkışı, alt satırdan başlayarak satır satır gerçekleştirilir. Değiştirilen personel organizasyonunun avantajı, transfer sayısındaki azalmadır, çünkü ücret paketlerinin tüm resmini depolama bölümüne kaydırmak için yalnızca bir transfer gereklidir. 100X100 eleman hacmine sahip böyle bir FSI, 38X64XX90 mm3 boyutunda ve 170 g kütleye ve 1 W güç tüketimine sahip minyatür bir televizyon kamerası MV-100'de kullanıldı. Kamera, parlak güneş ışığından oda ışığına kadar aydınlatmadaki değişikliklerle çalışır, saniyede 120 kare frekansta 80 satırlık bir çözünürlük sağlar. Şekil 18. Şarj enjeksiyon cihazı: A- şarj paketi biriktirme modu; b - Y lastiği kapsamında ücretlerin devri; c- okuma sırasında substrata yük enjeksiyonu Açıklanan organizasyon yöntemlerinde kullanılan CCD'nin doğasında bulunan kendi kendine tarama, matrisin tüm öğelerinde kusur olmamasını gerektirir. Bir elemanın arızalanması, tüm iletim sütunu veya satırının bilgi kaybına neden olur. FSI'nin adres organizasyonu bu eksikliği ortadan kaldırmaktadır. Bu organizasyon yöntemiyle, bilgi tek tek öğelerden koordinat bazında seçilir. Adreslenebilir FSI, yük bağlantısının iki eleman arasında çiftler halinde bulunduğu bir tür CCD olan, alt tabakaya yük enjeksiyonlu cihazlarda uygulanır. Her bir çift, p+ bölgesi aracılığıyla birbirine bağlı iki MIS kondansatörü içerir. Kondansatörlerin kapıları sırasıyla yatay X ve dikey Y lastiklerine bağlanır (Şekil 18). FSI, bu tür ışığa duyarlı çiftlerin bir matrisidir. Görüntü algılama modunda, tüm elektrotlara negatif öngerilim voltajı uygulanır ve fotojenere taşıyıcılar, kapıların altındaki potansiyel kuyularda birikir (Şekil 18a). Okuma koordinat bazında gerçekleştirilir. i, k koordinatlarına sahip bir eleman seçmek için, öngerilim voltajı i'inci satır ve k'inci sütundan kaldırılır. Kapılardan birinden voltaj kaldırıldığında, p + bölgesinden altında biriken delikler komşu potansiyel kuyuya geçer (Şekil 18.6). Her iki elektrottan da voltaj kaldırıldığında (bu yalnızca 1. sıra ile k. sütunun kesişme noktasında bulunan okuma elemanında meydana gelir), alt tabakaya delikler enjekte edilir ve devresinde bir akım darbesine neden olur (Şekil 18c). Işığa duyarlı elemanlarla aynı çip üzerinde oluşturulan MOS transistörlerinde iki SR kullanarak, matrisin tüm elemanlarından gelen yük bilgilerinin sıralı olarak okunmasını sağlayan koordinat bazında örneklemenin kontrol edilmesi tavsiye edilir. Her iki yazmacın girişleri, belirli bir bite kaydırıldığında kendisine bağlı veri yolu üzerindeki voltajda bir azalmaya neden olan darbeler alır. Satır okuma kaydındaki kayma sıklığı, sütun kaydındakinden r kat daha fazladır, r, satırdaki eleman sayısıdır. Bu nedenle, ilk satırın öğeleri önce sırayla okunur, ardından dikey yazmaç bir bit kaydırılır ve sonraki satır okunur vb. Adres organizasyonunun ana avantajı, herhangi bir elemandan yük paketini okumak için yalnızca bir transferin (bir elektrottan diğerine) gerekli olmasıdır. Bu nedenle önceki tüm sürümlerde olduğu gibi şarj paketinde kayıp ve iletilen bilgilerde bozulma yoktur. İkinci avantaj, tek tek öğelerdeki kusurların görüntü kalitesi üzerindeki etkisinin zayıflamasıdır. Aslında, bir öğe hatalıysa, diğer düzenleme yollarında olduğu gibi, çoğaltılan görüntüde bir şerit değil, koyu veya beyaz bir nokta görünecektir. Bir ışığa duyarlı elemanın iki elektrodunun potansiyel kuyuları bir p+-bölgesi ile birbirine bağlıdır; bu nedenle, yük enjeksiyonlu cihazlarda FSI üretiminde dar boşluklar elde etmek gerekli değildir. Sonuç olarak, fotolitografi gereksinimleri azalır. İnce bir alt tabaka ile bir p-n bağlantısının oluşumu için epitaksiyel teknoloji kullanılarak şarj enjeksiyonlu cihazların iyileştirilmesi, FSI parametrelerini önemli ölçüde iyileştirmeyi mümkün kılmıştır: okuma hızını büyüklük sırasına göre artırın, dinamik aralığı 500: 1'e genişletin, ve 1200:1'lik bir tepe sinyal-gürültü oranı sağlar. General Electric, adres organizasyonunu kullanarak 256X256 ışığa duyarlı öğeler içeren bir görüntüleyici geliştirmiştir. Değiştirilmiş bir personel organizasyonu için en basit kontrol devreleri (iki adet üç zamanlı jeneratör) gereklidir. Normal bir basit topoloji, küçük harfli ve personel organizasyonlu FSI'ye sahiptir. Değiştirilmiş bir personel organizasyonu ile, ışığa duyarlı elemanların yanında bulunan depolama elemanları, teknolojiyi karmaşıklaştıran metal kaplama kullanılarak ışıktan korunmalıdır. Yük enjeksiyonlu cihazların teknolojik dezavantajları, her ışığa duyarlı elemanda bir difüzyon bölgesi oluşturma ve metalize hat ve kolonları kesme ihtiyacıdır. En yüksek çözünürlük (512X X326 öğeleri), üç katmanlı silikon elektrotlarla üç döngülü yapıların personel organizasyonu kullanılarak elde edildi. Bu nedenle, çeşitli örgütlenme biçimlerinin belirli avantajları ve dezavantajları vardır; özelliklerin en iyi kombinasyonu, personel ve değiştirilmiş personel organizasyonlarına sahiptir. Şekil 19. MIS-fotodiyot elemanları üzerindeki FSI çizgisi: 1 - fotodiyot; 2 - MIS transistörü iletmek; 3 - servis kaydırma kaydının saat darbelerinin girişi; 4 - MIS transistörlerinde kaydırma kaydı; 5 - güç girişi; 6- video sinyal çıkışı. CCD'lerdeki ilgili FSI, MIS fotodiyot elemanlarına dayalı matrislerdir. Bu cihazlar, CCD'lerden birkaç yıl önce ortaya çıktı, temelde, 64 ila 1000 öğe içeren doğrusal FSI ve 50X-50 öğe çözünürlüğe sahip matris FSI üretilir. MIS fotodiyot yapılarına dayanan FSI, şarj paketlerini taramak için MIS transistörlerinin kullanıldığı bir fotodiyot devresidir (Şekil 19). Algılanan görüntü, fotodiyotların p - n-eklemlerinde biriken yük paketlerinin bir resmine dönüştürülür. Yüklerin çıkışa aktarımı, yine MIS transistörlerinde yapılan ve aynı çip üzerinde oluşturulan bir kaydırma yazmacından gelen sinyallerle kontrol edilen sıralı olarak açılan MIS transistörleri kullanılarak gerçekleştirilir. Böylece bu FSI'da ışığı yüke dönüştürme ve yükü depolama işlevleri fotodiyotlar tarafından, iletim işlevi ise MIS transistörleri tarafından gerçekleştirilir. Bir CCD üzerindeki FSI'da, üç işlevin tümü CCD öğelerinin kendileri tarafından gerçekleştirilir. MIS fotodiyot yapılarının avantajları, tarama sırasında şarj paketi distorsiyonunun olmaması (çünkü sadece bir iletim gereklidir); fotodiyot yapısındaki daha düşük ışık yansıma katsayısı ve yüklerin biriktiği daha büyük bir derinlik (p-n bağlantısının derinliğine eşit) nedeniyle CCD'lerden daha yüksek ışığa duyarlılık. Dezavantajlar, bir fotodiyot ve MIS transistöründen oluşan, çözünürlüğün düşmesine neden olan bir ışığa duyarlı elemanın geniş (yaklaşık dört katı) alanıdır; tüm iletim hattı hattının kapasitansına eşit büyük bir çıkış kapasitansı ile ilişkilendirilen daha yüksek bir gürültü seviyesi ve daha düşük bir çıkış sinyali genliği. Görünüşe göre, CCD'ler yüksek çözünürlüklü FSI oluşturmak için kullanılacak (tam formatlı TV kameraları için). MIS fotodiyot yapılarının ana uygulama alanları, gözetim sistemleri, optik örüntü tanıma, kusur tespiti vb., yani 50X50 ayrıştırma elemanlarına sahip özel düşük çerçeveli televizyon sistemleridir. FSI'nin CCD'lerdeki işlevselliği tükenmekten çok uzaktır. Şu anda, CCD'ler esas olarak görünür ışık görüntüleyicilerin geliştirilmesi için kullanılmaktadır. Ancak, yetenekleri IR aralığına kadar uzanır. IR aralığındaki elektromanyetik dalgalar, elektronların valans bandından iletim bandına transferinden değil (bu büyük bir enerji gerektirir), elektronların sığ safsızlık seviyelerinden uyarılmasından dolayı elektron-boşluk çiftlerinin oluşmasına neden olur. Bu seviyelerin IR radyasyonuna maruz kalmadan deşarj olmaması için, termal oluşumu önemli ölçüde azaltmak, yani kristali soğutmak gerekir. Kristalin genel boyutları küçük olduğundan, soğutma sorunu nispeten basit bir şekilde çözülebilir. Farklı derinlik seviyeleri oluşturan safsızlıklar kullanılarak, IR bölgesinin çeşitli alt aralıklarında etkili görüntü algısı elde etmek mümkündür. CCD'nin işlevselliğinin bir başka uzantısı, kapının altında oluşan tükenme katmanının derinliğinin, üzerindeki gerilime bağlı olmasından kaynaklanmaktadır. Işık absorpsiyon katsayısının l dalga boyuna olan güçlü bağımlılığını da hesaba katarak, tayfın görünür kısmında belirli renkleri ayırmayı mümkün kılan spektral olarak hassas PSI'lar oluşturmak mümkündür. CCD tabanlı FSI'nın en belirgin uygulama alanı, verici televizyon kameralarıdır. Bununla birlikte, en yüksek çözünürlüğe sahip modern şekillendirici modelleri henüz televizyon standardının gereksinimlerini karşılamıyor ve parlak alanlara sahip bozulmamış görüntü aktarımı sağlamıyor. Yakın gelecekte bu zorlukların aşılması beklenmektedir. Mevcut FSI'ya dayanarak, endüstriyel kullanım, eğitim, tıp ve spor amaçları için tasarlanmış, daha düşük çözünürlüklü, taşınabilir ve enerji açısından verimli verici kameralar oluşturmak mümkündür. 100x100 öğe çözünürlüğe sahip bir CCD üzerinde bir FSI kullanan MV-100 siyah beyaz verici kameradan zaten bahsedilmişti. 8.4X11.2 mm2 çip üzerine şarj enjeksiyonlu cihazlar temelinde, geçmeli tarama kullanıldığında 512X256 eleman çözünürlüğü veren çok elemanlı bir matris geliştirilmiştir. Kristal boyutu, 16 mm filmli kameralardan optik kullanımına izin verir. Bir CCD'deki FSI'ye dayanarak, renk ileten bir televizyon kamerası oluşturmak mümkündür. Bunu yapmak için, görüntünün ışık akısının karşılık gelen FSI kristallerine giren üç renge ayrıldığı üç FSI kristali ve standart bir renk ayırma birimi kullanılır. FSI'da bu ışık akıları video sinyallerine dönüştürülür. CCD FSI'daki sabit sensör konfigürasyonu ve saatli kendi kendine tarama sayesinde, üç tüplü renkli televizyon kameralarında var olan ve yeniden üretilen görüntüde "renk saçaklanması" görünümüne neden olan gelişmiş görüntüleri doğru bir şekilde kaydetme zorluğu ortadan kalkar. Düşük ışık seviyeleri için verici kameralar, CCD'ler için umut verici başka bir uygulamadır. Düşük ışık seviyelerinde meydana gelen ana sorun, sinyalle karşılaştırılabilir hale gelen gürültüdür. İletim sırasında arka plan yükündeki dalgalanmalar ve yük kayıplarındaki dalgalanmalardan kaynaklanan CCD'nin kendine özgü gürültüsü, bir su şarj paketinde 60-100 elektrona karşılık gelen minimum bir aydınlatma seviyesine ulaşılmasını mümkün kılar. Bu kadar küçük bir sinyalle, çıkış amplifikatörünün gürültüsü belirleyici bir rol oynamaya başlar. Bu gürültüler, çok sayıda tahribatsız okuma ve müteakip çıkış sinyallerinin toplanmasıyla önemli ölçüde azaltılabilir, bu sayede dalgalanmaların ortalaması alınır ve sinyal-gürültü oranı ks/N artırılır. Benzer bir ilke, "kayan kapı dağıtılmış amplifikatör" (DFG) olarak adlandırılan çok bitli bir amplifikatörün yardımıyla uygulanır (Şekil 20). Çıkış kaydırma yazmacının son N çıkış bitinin her bir biti, bir kayan geçit yük yükselticisine bağlanır. Şekil 20. Çok bitli dağıtılmış kayan kapı amplifikatörünün şeması: 1 - çıkış kaydırma yazmacı; 2 - artan CCD elemanları alanına sahip ek kaydırma kaydı; 3 - şarj sinyali yükselticileri .
Yükseltilmiş şarj sinyalleri, daha büyük bir geçit alanına sahip ek bir kaydırma yazmacına beslenir. Her iki kayıt da aynı saat darbeleri tarafından kontrol edilir ve bunlara yük aktarımı eşzamanlı olarak gerçekleştirilir. Ek yazmacın her bitinde, iletilen ücret paketine karşılık gelen artırılmış ücret eklenir. Çıkış sinyallerinin amplifikasyonu birçok kez, farklı elemanlarda ve farklı zamanlarda gerçekleştirildiğinden, tüm dalgalanmaların ortalaması alınır. Amplifikatörün yapısı (Şekil 21a), altında kayan bir kapı bulunan bir saat elektrotu içerir. Bir saat darbesinin alınması üzerine, önceki CCD elemanından gelen şarj paketi (şeklin düzlemine dik bir yönde) söz konusu CCD elemanının potansiyel kuyusuna akar ve çıkıntı yapan kayan kapı üzerinde potansiyel bir değişikliğe neden olur. CCD öğesinin düzleminden. Çıkıntılı kısım, geliştirilmiş yük paketinin (ayrıca şeklin düzlemine dik yönde) daha geniş bir alanın çıkış CCD elemanlarına transferini kontrol eden MIS transistörünün kapısıdır. Şekil 21. Bir yüzer kapı amplifikatörünün yapısı (a) ve eşdeğer devresi (b): 1 - saat elektrotu; 2 - kayan kapı; 3 - potansiyel kuyu CCD'si; 4 - kanal MIS transistörü; 5 - kanal sınırlama N
+-alanlar Amplifikatörün eşdeğer devresine göre (Şekil 21b), saat darbesinin gelmesinden sonra (ancak Q şarj paketinin başlamasından önce) kayan kapıda (düğüm I) kurulan ilk voltaj eşittir : φ1 \u003d U "fС2 / [С2 + С1 С3 (С1 + С3) + С4 + Свх], (8) burada C2, saat elektrotu ve kayan geçidin üst üste binen kısmı tarafından oluşturulan kapasitörün kapasitansıdır; d, yüzer kapının üst üste binen kısmının altında bulunan dielektrikin kapasitansıdır; C3, CCD elemanının yüzey tüketim katmanının kapasitansıdır; C4 - kayan kapı ile kanal sınırlayıcı p + - difüzyon bölgesi arasındaki kapasitans; Свх, yüzer kapının alt tabaka üzerindeki çıkıntılı bölümünün kapasitansıdır. Q'nun gelmesinden sonra potansiyel Δφ1'deki değişimin şöyle olduğunu görmek kolaydır: Δφ1/Q= -[ С2 + С4 + Свх+ x(С1 + С2 + С4 + Свх)]-1 (9) (7)'deki eksi işareti, Q yükündeki bir artışın kayan kapının potansiyelinde bir azalmaya neden olduğu gerçeğini yansıtır. Δφ1 potansiyelindeki bir değişiklik, MIS transistörünün boşaltma akımında bir değişikliğe neden olur. Eğimi g = dIc/dU3'e eşitse, yük büyütme faktörü AQ şuna eşittir: AQ = QY/Q(Δφ1/Q) g ty . (10) burada Qy yükseltilmiş yüktür, ty MIS transistörü aracılığıyla yük transfer devresini açan flaş darbesinin süresidir. Arttırılmış bilgi yüküne ek olarak, arka plan yükü Qf, MIS transistör geçidinin ilk yanlılığı φ1 nedeniyle faydalı yazmacın CCD elemanlarına girer: Arka plan yükünün değeri dalgalanır ve ilişkili sesler şunlardır: RULZ'nin bir bitindeki sinyal-gürültü oranı şuna eşittir: MIS transistörünün olağan modelini kullanırsak: kS/N = Δφ12(kty/)1/2, (14) burada k, MIS transistörünün spesifik eğimidir, x, substratın etki katsayısıdır. (14)'ten, kS/N'nin maksimum olduğu kayan geçit Cv opt'un çıkıntı yapan kısmının kapasitansının optimal bir değerinin olduğu sonucu çıkar. dkS/N/dCBХ = 0 koşulundan (8) ve (12)'yi de kullanarak şunu elde ederiz: Svx opt \u003d C2 + C2 + C1x / (1 + x). (15) Bununla birlikte, gerçekte, MIS transistörü, özelliklerinin normal modelden saptığı mikro akım modunda çalışır. Bu nedenle, kS/N moda bağlıdır ve Svopt'un optimal değeri, deneysel akım-gerilim özellikleri kullanılarak daha doğru bir şekilde belirlenebilir. RCD, NBblX bitleri içerdiğinden, toplam bilgi yükü yükseltmesi (bir bite kıyasla) NBblX kat daha fazla olacaktır ve toplam gürültü yalnızca (NBblX) 1/2 kat artacaktır. Bu nedenle, çok bitli bir amplifikatörde kS/N, (Nnux) 1/2 ile orantılıdır ve gerekli kS/N değeri, belirli sayıda ECCD biti ile elde edilebilir. Q = 10-5 pK şarj sinyali ile kS/N =5 elde etmek için. (60 elektrona karşılık gelir) 12 amplifikatör biti gerektirir. Böyle bir yükten yüzer kapının potansiyelindeki değişiklik çok küçüktür, 150 μV. Bu nedenle, RPCR'yi uygulamak için oldukça kararlı güç kaynakları gereklidir. RCCD'deki CCD elemanlarının alanı, toplam gelişmiş bilgi şarj paketinin son elemanının ve toplam arka plan yükünün potansiyel kuyuya yerleştirilmesi koşulundan belirlenir. FSI'nin CCD'ler üzerindeki bir başka olası uygulama alanı, temel parçacıkları tespit etmek için astronomik aletler ve fotoğraf sensörleridir. Bu cihazlar, gerekli görüntü öğesinin koordinatlarını yüksek doğrulukla belirlemeyi mümkün kılan, FSI öğelerinin net bir geometrik sabitlemesini kullanır. Sonuç olarak, IR görüntüleme sinyalleri oluşturmak için sistemlerde CCD'lerin kullanımı üzerinde daha ayrıntılı olarak duralım. Uygulamaları için üç alan vardır: Bir IR alıcısından alınan bilgilerin CCD sıkıştırması; zaman gecikmesinin organizasyonu ve kaydedilen bilgilerin entegrasyonu; dar bir bant aralığına sahip yarı iletkenler üzerinde oluşturulan CCD'ler kullanılarak IR sinyallerinin doğrudan kaydı. Bilgiyi yoğunlaştırmak için kullanılan CCD matrisinin girişleri, kapasitif bağlantılarla IR radyasyon alıcılarının çıkışlarına bağlanır (Şekil 22). Her CCD elemanı, karşılık gelen alıcının çıkış voltajıyla orantılı bir şarj paketi oluşturur. Yüklerin modeli daha sonra çıkışa taranır (iletilir). Bu durumda bir CCD'nin kullanılması, bilgilerin Dewar'ın kendi içinde (IR alıcılarını soğutmak için kullanılır) sıkıştırılmasını mümkün kılar, bu da Dewar'dan gelen müşteri adaylarının sayısında bir azalmaya ve termal yükün en aza indirilmesine yol açar. Bu uygulama yöntemiyle ilgili iki sorun vardır: aktarım sırasındaki yük kayıplarından dolayı kanallar arasındaki karışma ve CCD'ye yük enjeksiyonundan kaynaklanan gürültü. Zaman gecikmesini ve sinyal entegrasyonunu elde etmek için bir CCD kullanırken, her bir CCD elemanı karşılık gelen bir IR alıcısına bağlanır. IR görüntüsü, alıcı matrisine göre belirli bir hızda hareket eder ve görüntünün her bir öğesi, matrisin karşılık gelen sütununun tüm alıcılarından sırayla geçer (Şekil 23). Yük paketlerinin CCD elemanları zinciri boyunca aktarımı aynı hızda gerçekleştirilir. Sonuç olarak, görüntü entegrasyon süresi k faktörü kadar artar; burada k, bir sütundaki öğe sayısıdır (IR alıcılarının matrisindeki satır sayısına eşittir). Şekil 22. IR alıcılarından alınan bilgileri sıkıştırmak ve çıkışa iletmek için CCD'lerin kullanımı: 1- IR alıcıları; 2-arabellek elemanları; 3 - CCD Şekil 23. IR alıcılarından alınan bilgilerin zaman gecikmesi ve entegrasyonu için bir CCD kullanma: 1 - IR alıcıları; 2 - arabellek elemanları; 3 - CCD. IR görüntüsünün (4) hareket hızlarının yanı sıra yönler ve CCD (5) boyunca yük aktarımı aynıdır. Matris bu tür sütunlar içeriyorsa, alıcı matrisi ile CCD arasındaki toplam bağlantı sayısı kr'dir. Çok sayıda devre içi bağlantının güvenilir üretimi, bu tür sistemler oluşturulurken karmaşık bir teknolojik zorluktur. IR CCD adı verilen üçüncü bir değişkende, CCD'lerin kendileri IR görüntü sinyallerini yakalamak ve üretmek için kullanılır. Bu durumda, matrisin organizasyonu ışığa duyarlı CCD'lerdeki ile aynıdır. IR CCD'nin ana sorunları aşağıdaki gibidir. IR radyasyonunun algılanması için, bant aralığı (maksimum absorpsiyonun konumunu belirleyen) IR radyasyonu için atmosferik şeffaflık pencerelerine karşılık gelen dar aralıklı yarı iletkenler gereklidir: 2-2.5; 3.5-4.2; 8-14 mikron. АIIIВV, IIIBVI, AIVBIV tiplerinin ikili ve üçlü bileşikleri arasında uygun malzemeler mevcuttur, örneğin InAs, InSb, vs. Bu tür malzemeler üzerinde MIS yapılarını imal etme teknolojisi henüz yeterince gelişmemiştir. Uygun olmayan bir yarı iletken üzerinde bir IR CCD'nin oluşturulması da belirli zorluklar sunar. Son zamanlarda, bir dielektrik (biriktirme ile elde edilen) olarak bir silikon oksinitrit filmi ve bir nikrom geçidi ile InSb üzerindeki MIS yapılarının teknolojisinde belirli ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu tür yapılarda yüzey durumlarının yoğunluğu 1012 cm-2'dir ve MIS kapasitansının gevşeme süresi 77 K sıcaklıkta 0,1 s'ye ulaşır. CCD tabanlı IR sinyal şekillendiriciler, tasarım ve teknolojik özelliklerine göre monolitik ve hibrit olmak üzere ikiye ayrılır. Monolitik şekillendiriciler, her şeyden önce, IR radyasyonuna duyarlı dar aralıklı yarı iletkenlere veya katkılı geniş aralıklı yarı iletkenlere dayalı IR CCD'leri ve ayrıca Schottky bariyerli (dahili fotoemisyon) ve CCD'de bir okuma devresi. Monolitik cihazların aksine, hibrit cihazlar, çeşitli türlerdeki IR alıcılarının ve bilgiyi çıkışa kaydırmak ve genel durumda onu işlemek için kullanılan bir silikon CCD'nin bir kombinasyonudur: amplifikasyon, toplama ve korelasyon fonksiyonlarının hesaplanması. Hibrit şekillendiriciler, sırasıyla, IR alıcısında fotojenleştirilen yüklerin doğrudan CCD'ye enjekte edildiği doğrudan enjeksiyonlu cihazlara ve IR alıcısı ile IR arasında tampon elemanların bulunduğu dolaylı enjeksiyonlu cihazlara bölünebilir. CCD (MIS transistörleri veya yükseltici basamaklar). Kızılötesi alıcılar olarak fotovoltaik, fotodirençli ve piroelektrik alıcılar kullanılabilir. 1. Nosov Yu.R., Shilin V.A. İletişim cihazlarını şarj edin. M., 1976. 2. Nosov Yu.R. İletişim cihazlarını şarj edin. M., Bilgi, 1989. 3. Shilin V.A. "CCD" - Mikroelektronik kitabında. ed. Vasenkova A.A. sayı 6.M., Modern radyo.1973. Geniş açık alanları aydınlatmak için, desteklerin kurulması imkansız veya isteksizse, projektörler kullanılır. Projektörlerle aydınlatıldığında, bakım gerektiren yerlerin sayısında keskin bir azalma, destek veya direk sayısı, elektrik şebekelerinin uzunluğu ve dikey yüzeylerin aydınlatma koşulları da iyileştirilerek aydınlatma tesisatının çalışması kolaylaştırılır. Ancak spot ışıklarının kör edici etkisi artar, aydınlatılan alanda bulunan büyük cisimlerden keskin gölgeler çıkar ve spot ışıklar için nitelikli bakıma ihtiyaç vardır. Açık alanları aydınlatmak için çeşitli tiplerde projektörler kullanılır: PSM, PZS, PZR, PZM, PFR PFS ve diğerleri (Şekil 4.23). Yukarıdaki işaretler 1990 yılından önce üretilen aydınlatma armatürlerine karşılık gelmektedir. işaretlemedeki harfler şu anlama gelir: P - spot ışığı, Z - projektör, C - orta ışık dağılımı, F - cephe, C - cam reflektör, M - metal reflektör, P - cıva lambası. Daha sonra, aşağıdaki spot işaretleme yapısı benimsenmiştir: XXX - X - XX, burada X, ışık kaynağının tipidir (H genel amaçlı bir akkor lamba, I bir kuvars halojen akkor lamba, vb.); X - projektörün ana amacı (O - genel amaçlı); Х – seri numarası (iki haneli sayı); Х – lamba gücü, W; Х – değişiklik numarası (iki basamaklı sayı); Spot ışıklarda ışık kaynağı olarak 250, 400, 700 W gücünde DRL lambalar, 200, 500, 1000 W genel amaçlı akkor lambalar kullanılmaktadır. akkor projektör lambaları 500 ve 1000 W, halojen akkor lambalar 1000, 1500 ve 2000 W, vb. Şekil 4.23 PZS (a), PZI (b), PKN (c) tipi projektörlerin genel görünümü. Komple aydınlatma cihazları (KOU), patlayıcı ve yangın tehlikesi olan alanlar da dahil olmak üzere toz, duman, kurum ve nem içeren endüstriyel tesisleri etkin bir şekilde aydınlatmayı mümkün kılan ve aydınlatma cihazlarının metal tüketimini 5 oranında azaltan temelde yeni aydınlatma cihazlarıdır. . 6 defa. Ayrıca KOU'yu sokakları, tünelleri aydınlatmak, binaya tanıtmak ve yapay ve doğal ışık dağıtmak için kullanmak mümkündür. Komple aydınlatma cihazlarının çalışma prensibi, aydınlatma için ışık akısı özel optik sistemler yoluyla silindirik veya düz bir ışık kılavuzunun uç yüzüne enjekte edilen az sayıda güçlü ışık kaynağının kullanılmasıdır. Aynı zamanda, aydınlatılan odanın çalışma yüzeyinin geniş bir şeridinin eşit şekilde aydınlatılması sağlanır ve CCU'nun aydınlatması ve çalışma özellikleri pratik olarak çevresel etkiden bağımsızdır. KOU şu ana birimlerden oluşur: bir ışık kılavuzu, bir ışık kaynağına sahip bir kamera, bir kontrol dişli ünitesi, uç ve geçiş (KOU'nun bazı versiyonları için) elemanları (Şekil 4.24). Işık kılavuzları ayna oluklu, prizmatik ve dağınık olabilir. Yarık ışık kılavuzu kanalı, içi boş uzun bir silindir veya şeffaf bir filmden yapılmış bir paralel yüzlüdür. Kanalın iç yüzeyi, boylamasına ışık iletim bandı (optik yarık) hariç, ayna yansıtıcı bir tabaka ile kaplanmıştır. Prizmatik ışık kılavuzu, ayna tabakası yerine, yüzeyi 90° tepe açısına sahip mikroskobik prizmalardan oluşan ve toplam iç yansıma etkisi sağlayan özel bir prizmatik yansıtıcı film ile içeriden kaplanmıştır. Yayılan ışık kılavuzu yarı saydam (opak) bir plastik tüptür. Işık kılavuzlarının bazı parametreleri verilere göre Tablo 4.11'de sunulmuştur. Tablo 4.11 Optik fiberlerin karşılaştırmalı özellikleri. Şekil 4.24 Yarıklı ışık kılavuzlarına sahip komple aydınlatma cihazının genel görünümü: 1 - kamera; 2 - ışık kaynağı olan tanıtım kaseti; 3 - iki şeffaf ısıya dayanıklı camlı geçiş elemanı; 4 – oluklu ışık kılavuzunun kanalı; 5 - uç cihaz; 6 - kontrol tertibatı bloğu ve koruyucu anahtarlama ekipmanı. Işık kaynaklarına ve kontrol tertibatına sahip giriş cihazı, mekanik koruma, elektrik gücü ve çevreden koruma sağlayan özel bir odaya monte edilmiştir. Uç eleman ek bir reflektör içerir ve yarıklı ışık kılavuzunu oluşturmak ve sabitlemek için kullanılan ana montaj birimidir. Geçiş elemanı, ışık kaynaklarının radyasyonunu oluklu ışık kılavuzuna iletmek ve aynı zamanda kamerayı aydınlatılan odadan izole etmek için tasarlanmıştır. Oluklu ışık kılavuzlarına sahip KOU, ışık kaynakları, kontrol tertibatlı elektrik üniteleri, ateşleme ve güvenlik elemanları, montaj üniteleri dahil olmak üzere kurulum ve çalıştırma için gerekli her şeyle tam donanımlı olarak tedarik edilir ve doğrudan tüketicide monte edilir. KOU1A-M275-1x700-UZ sembolünün deşifre edilmesi: KOU - komple aydınlatma cihazı; 1 - tek etkili (2 - çift etkili); A - bir geçiş elemanına sahiptir; M - filmin yumuşak kabuğu (T - sert); 275, yarıklı ışık kılavuzu kanalının çapıdır (şartlı), mm; 1 - ışık kaynaklarının sayısı; 700, ışık kaynağının gücüdür, W; UZ - iklim versiyonu, yerleştirme kategorisi. Ağa optik radyasyon kaynaklarının dahil edilmesi için şemalar. Tüm aydınlatma ve ışınlama akkor lambaları, Şekil 2'de gösterildiği gibi, ek başlatıcılar olmadan doğrudan ağa bağlanır. 4.25. Bu kaynakların dahil edilmesi, SA anahtarına basılarak gerçekleştirilir. Şekil 4.25. Akkor lambayı açma şeması. Düşük basınçlı gaz deşarj lambaları, şekil 1'deki aşağıdakilerden birine göre açılabilir. 4.26 şemalar. Şekil l'de gösterilen şemada. 4.26a, floresan lamba EL'yi açmak için, bir jikle LL, bir marş SV'si ve C1, C2 kapasitörlerinden oluşan bir kontrol tertibatı kullanılır. İndüktör, çelik sacdan yapılmış bir çekirdek üzerindeki bir sargıdır. Lambanın tutuşmasını ve yeniden tutuşmasını kolaylaştırır, ayrıca akımı sınırlar ve radyasyon kaynağının kararlı çalışmasını sağlar. Marş motoru çoğunlukla, ampulü inert bir gazla doldurulmuş minyatür bir lambadır. Lambanın ampulünde metal ve bimetalik elektrotlar vardır ve ısıtıldığında bimetalik elektrot bükülme sonucu metal olanla kapanır ve soğuduğunda açılır. Başlatma elektrotları, devreye besleme voltajı uygulandıktan hemen sonra başlayan, inert bir gazdaki akkor deşarj ile ısıtılır. Marş elektrotları kapatıldıktan sonra lamba elektrotlarını soğutur ve ısıtır, ardından marş elektrotları açılır, bu anda gaz kelebeği, lambada bir deşarjı ateşleyen yüksek voltajlı bir darbe oluşturur. Böylece marş motoru, flüoresan lambanın tutuşma sürecini kontrol eder. Kondansatör C1, radyo parazitini ortadan kaldırmaya hizmet eder ve genellikle marş motoru ile aynı yuvaya monte edilir ve C2, devrenin güç faktöründe bir artış sağlar. Şekil 4.26. Düşük basınçlı gaz deşarj lambalarını açma şemaları: a) marş anahtarlama devresi; b) marşsız sıcak ateşleme devresi. Şekil l'de gösterilen şemada. 4.26b EL floresan lambasını açmak için LL indüktörünü ve akkor transformatör TV'yi kullanın. Bir flüoresan lambanın tutuşmasının güvenilirliği, elektrotların ateşleme voltajını şebeke değerine düşüren ön ısıtması ve ampul üzerinde iletken bir şerit veya kaplama bulunmasıyla sağlanır. Marşsız sıcak ateşlemeli balastlar, üretim için malzeme tüketimi ve güç kayıpları açısından marşlı balastlardan belirgin şekilde daha düşüktür. Ek olarak, bir flüoresan lambanın ateşlenmesinden sonra, elektrotların filamanlarından bir ısıtma akımı akar, bu da lambaların ömrünü kısaltır ve devreye sağlanan voltajın yaklaşık yarısının birincil sargıda tutulmasından kaynaklanır. lamba çalışması sırasında filaman transformatörünün. Çoğu gaz deşarj lambası gibi, DRL tipi yüksek basınçlı deşarj lambalarının ağa dahil edilmesi, yalnızca seri olarak özel bir balast bağlayarak mümkündür. Tasarım değişikliklerine (iki elektrotlu veya dört elektrotlu) bağlı olarak, DRL lambalarını ağa bağlamak için şemalar da vardır. Dört elektrotlu DRL lambalarda, çalışma elektrotları arasındaki ana deşarjın ateşlenmesinden önce, çalışma ve ateşleme elektrotları arasında bir akkor deşarj meydana gelir ve bu daha sonra ana elektrotlara geçer. Dört elektrotlu DRL lambaları için, bir kuvars brülördeki elektrik deşarjının ateşlenmesi, 220 veya 380 V'luk bir şebeke voltajından gerçekleştirilebilir. Bu tür lambaların anahtarlama devresinde, şek. 4.27 lamba ile seri olarak, bir veya iki sargılı bir indüktör LL açılır. Endüktif bir balastla balastın güç faktörü 0,45 ... 0,6 olduğundan, onu gerekli değere çıkarmak için devreye bir kapasitör C1 sokulur. Kapasitörün kapasitansı, lambanın gücü ile belirlenir. Lamba ısınma süresi - 3 ... 10 dakika. Şekil 4.27 Dört elektrotlu lamba DRL'yi açma şeması. İki elektrotlu bir DRL lambasının kuvars brülöründeki bir elektrik deşarjının ateşlenmesi, lambaların ateşleme voltajı ana şebekeden çok daha yüksek olduğundan, şebekenin çalışma voltajı ile gerçekleştirilemez. Gaz aralığının ilk kırılması için, lambanın elektrotlarına birkaç kilovoltluk kısa süreli bir voltaj darbesi uygulanmalıdır. Özel bir lamba anahtarlama devresi kullanılarak elde edilebilir, şek. 3.28, 3.29, özel bir ateşleme cihazı, özellikle bir evrensel darbeli ateşleme cihazı (UIZU) içerir. Şekil 4.28.IZU kullanarak yüksek basınçlı gaz deşarj lambalarını açma şeması. DRI ve DNaT tipi metal halide lambalar, 220 ve 380 V voltajlı 50 Hz frekanslı bir alternatif akım ağına, uygun bir balast ve güvenilir ateşleme sağlayan UIZU veya IZU tipi bir impuls ateşleyici ile bağlanır. -40 ˚С'ye kadar ortam sıcaklıklarında lambalar. UIZU ve IZU ateşleyiciler, kapasitif bir enerji depolama cihazı ve bir yarı iletken anahtar ile paralel (UIZU) ve seri (IZU) ateşleme jeneratörlerine aittir. Lamba ısınma süresi - 3 ... 10 dakika. Şekil 4.29 UIZU kullanarak yüksek basınçlı gaz deşarjlı lambaları açma şeması. DRT tipi ultraviyole radyasyon kaynakları, dışa doğru çıkıntı yapan molibden burçların uçları vasıtasıyla bir balast aracılığıyla ağa bağlanır. Balast olarak, uygun güç ve nominal gerilime sahip DRL tipi lambaların balast cihazlarına benzer balast cihazları kullanılır. Şekil 4.30 DRT lambasını ağa bağlama şeması. DRT lambalarını ağa bağlama devresi, Şekil 4.30, bir balast bobini LL, bir başlatma düğmesi SB ve iki kapasitör C1 ve C2 içerir. Devreye voltaj uygularsanız ve SB düğmesine basarsanız, SB - LL - C1 elektrik devresinde değeri indüktör ve kapasitörün direnci ile sınırlı bir akım görünecektir. SB düğmesi bırakıldığında devredeki keskin bir kırılma, lambaya uygulanan ve gaz boşluğunu çivileyen indüktörde kendi kendine endüksiyonlu EMF'nin endüktansına neden olur. Metal şerit, lambanın kırılmasını kolaylaştırır. Kondansatör C2, devrenin güç faktörünü iyileştirmek için tasarlanmıştır. Lamba ısınma süresi - 3 ... 10 dakika. Kabul testleri ve dokümantasyon Elektrik işleri yapıldıktan sonra elektrikli şofbenler su ile doldurulur ve bir deneme çalıştırması gerçekleştirilir. Çıkış suyu sıcaklığı cam teknik termometre ile kontrol edilir. Çıkıştaki ısınan suyun sıcaklığı gerekli değerleri karşılamıyorsa arızanın nedeni belirlenir. Bu, ısıtma elemanlarından birinin arızası veya terminallerdeki voltajın düşmesi olabilir. Tank ve boru hatlarında sızıntı olup olmadığını görsel olarak kontrol edin. Isıtma elemanlarının servis verilebilirliğini (yalıtım direnci 0,5 mOhm'dan düşük değil, spiralin bütünlüğü), topraklama kontaklarının temas direncini ve ısıtma elemanlarının bağlantısını (0,1 Ohm'dan yüksek değil) kontrol ederler. Elektrotlu elektrikli ısıtıcılar için kazan suyunun elektriksel direnci ve değişim aralığı ölçülür, hidrolik testler yapmak, yalıtımın elektrik direncini, topraklama ve topraklama cihazlarının direncini ölçmek. Buhar elektrotlu kazanlar, Devlet Enerji Denetleme Kurumu'nun yerel yetkililerine kayıtlı olmalıdır. Kayıt, mal sahibinin veya kiracının yazılı başvurusu üzerine aşağıdaki belgelerin sağlanmasıyla gerçekleştirilir: belirlenen formun elektrot kazanının pasaportu; elektrot kazanının servis edilebilirlik sertifikası; üreticinin fabrikasından montajlı olarak gelmişse (veya bir yerden başka bir yere taşınmışsa); projede izin verilen değişiklikleri gösteren elektrot kazanının kurulum kalitesi sertifikaları; kazan dairesi binalarının çizimleri (plan, boyuna ve enine kesit); Referanslar orijinal besleme suyunun özgül elektrik direnci; su arıtmanın projeye uygunluk sertifikaları; beslenme cihazlarının bulunabilirlik ve özellikleri sertifikaları; elektrot kazanını, çalışma ortamının parametrelerini gösteren, servis verilen termal devreye dahil etmek için şemalar. Energonadzor'un yanıtı, belgelerin alındığı tarihten itibaren en geç 5 gün içinde verilmelidir. Enerji ısıtıcı kurulumlarını açarken, SNiP 11.5-70 "Binaların ve yapıların tasarımı için yangın güvenliği standartları" uyarınca yangın güvenliği gerekliliklerine özel dikkat gösterilmelidir. Genel gerekliliklere ek olarak, kabul belgeleri şunları yansıtmalıdır: ısıtma elemanlarının sıcaklığı (180 ° C'den yüksek değil); yatak muhafazasının yüzey sıcaklığı (40 ... 50 ° C'den yüksek değil); titreşim seviyesi. Yerel ısıtma araçları, manuel ve otomatik modda teslim etmeyi içerir. Kızılötesi ve ultraviyole akıları değerlerini, elektriğin yüzey sıcaklığına uygunluğunu kontrol ederler. ısıtmalı zemin. Sistemi kurduktan ve 72 saat çalıştıktan sonra, işletmeye kabul belgesi düzenlerler. Kombine ısıtma ve ışınlama araçlarına sahip hayvancılık binaları, aşağıdakileri kontrol eden bir komisyon tarafından görevlendirilir: teknik belgeler (alınan ekipman sertifikaları, onaylanmış bir proje, yapılan iş beyanları); çalışmaların projeye uygunluğu, PUE, PTE ve PTB, SNiP gereklilikleri, yangın güvenliği; çalıştırma öncesi kontrolün sonuçlarına göre derlenen elektrikli ekipmanın muayene ve test sertifikaları (gizli çalışma için, yalıtım direnci için, faz-sıfır döngü direnci için, elektriksel olarak bir yüzeydeki elektrik potansiyelinin değeri için) ısıtmalı zemin, normal ve acil durum çalışmasında elektrik potansiyeli eşitleme devresinin, adım voltajının ve dokunma voltajının servis kolaylığı için). Elektrikli ısıtıcıların sekonder voltajını veya bağlantı şemasını değiştirerek, elektrikle ısıtılan zeminlerin sıcaklık rejiminin düzenlenmesine izin verilmez. CCD nedir? biraz tarih
Fotoğraf malzemeleri daha önce ışık alıcısı olarak kullanılıyordu: fotoğraf plakaları, fotoğraf filmi, fotoğraf kağıdı. Daha sonra televizyon kameraları ve PMT'ler (fotoelektrik çarpan) ortaya çıktı. Gökbilimciler, CCD'lerin görüntüleme için olağanüstü yeteneklerini fark eden ilk kişiler arasındaydı. 1972'de JPL'den (Jet Propulsion Laboratory, ABD) bir grup araştırmacı, astronomi ve uzay araştırmaları için CCD geliştirme programını kurdu. Üç yıl sonra, bu ekip Arizona Üniversitesi'nden bilim adamlarıyla birlikte ilk astronomik CCD görüntüsünü elde etti. Uranüs'ün 1,5 metrelik bir teleskop kullanılarak yakın kızılötesi görüntüsünde, gezegenin güney kutbuna yakın yerlerde metan varlığını gösteren karanlık noktalar bulundu ... Günümüzde CCD matrislerinin kullanımı geniş uygulama alanı bulmuştur: dijital kameralar, video kameralar; CCD matrix benzeri kameraları cep telefonlarına bile gömmek mümkün hale geldi. CCD cihazı
Tipik bir CCD cihazı (Şekil 1): yarı iletken yüzeyde, üzerine iletken elektrot şeritlerinin (metal veya polikristalin silikondan yapılmış) yerleştirildiği ince (0,1-0,15 μm) bir dielektrik katman (genellikle oksit) vardır. Bu elektrotlar doğrusal veya matris düzenli bir sistem oluşturur ve elektrotlar arasındaki mesafeler o kadar küçüktür ki, komşu elektrotların karşılıklı etkisinin etkileri önemlidir. Bir CCD'nin çalışma prensibi, elektrotlara harici elektrik voltajları uygulandığında bir yarı iletkenin yüzeye yakın katmanında oluşan potansiyel kuyularda yük paketlerinin üretilmesine, depolanmasına ve yönlendirilmiş transferine dayanır. Şek. 1, C1, C2 ve C3 sembolleri MOS kapasitörlerini (metal oksit yarı iletken) belirtir. Herhangi bir elektrota pozitif bir U voltajı uygulanırsa, MIS yapısında, çoğu taşıyıcının (deliklerin) çok hızlı bir şekilde (birkaç pikosaniyede) yarı iletken yüzeyi terk ettiği bir elektrik alanı ortaya çıkar. Sonuç olarak, yüzeyin yakınında, kalınlığı bir mikrometrenin kesirleri veya birimleri olan tükenmiş bir tabaka oluşur. Bazı işlemlerin (örneğin, termal) etkisi altında tükenme katmanında üretilen veya difüzyon etkisi altında yarı iletkenin nötr bölgelerinden oraya gelen azınlık taşıyıcıları (elektronlar) yarı iletkene (alanın etkisi altında) hareket edecektir. -dielektrik arabirim ve dar bir ters katmanda lokalize olabilir. Böylece, elektronlar için, alanın etkisi altında tükenmiş katmandan yuvarlandıkları yüzeyin yakınında bir potansiyel kuyusu belirir. Tükenme katmanında üretilen çoğunluk taşıyıcıları (delikler), alanın etkisi altında yarı iletkenin nötr kısmına atılır. Matrislerin ışığa duyarlı piksellerinin boyutu bir veya iki ila birkaç on mikron arasında değişir. Fotoğraf filminin ışığa duyarlı tabakasındaki gümüş halojenür kristallerinin boyutu 0,1 (pozitif emülsiyonlar) ila 1 mikron (çok hassas negatif olanlar) arasında değişir. Matrisin ana parametrelerinden biri, sözde kuantum verimliliğidir. Bu ad, emilen fotonları (kuantum) fotoelektronlara dönüştürmenin etkinliğini yansıtır ve fotoğrafik ışığa duyarlılık kavramına benzer. Işık miktarının enerjisi rengine (dalga boyu) bağlı olduğundan, örneğin yüz heterojen foton akışını emdiğinde bir matris pikselinde kaç elektronun doğacağını kesin olarak belirlemek imkansızdır. Bu nedenle, kuantum verimliliği matris pasaportunda genellikle dalga boyunun bir fonksiyonu olarak verilir ve spektrumun bazı kısımlarında %80'e ulaşabilir. Bu, fotoğrafik emülsiyon veya gözden çok daha fazlasıdır (yaklaşık %1). CCD matrisleri nedir?
Pikseller bir sıra halinde dizilmişse alıcıya CCD-çizgisi, yüzey alanı çift sıralarla doluysa alıcıya CCD-matris adı verilir. CCD cetveli, astronomik gözlemler için 80'lerde ve 90'larda geniş bir uygulama yelpazesine sahipti. Görüntüyü CCD cetveli boyunca tutmak yeterliydi ve bilgisayar monitöründe belirdi. Ancak bu sürece birçok zorluk eşlik etti ve bu nedenle şu anda CCD dizilerinin yerini giderek artan bir şekilde CCD matrisleri alıyor. İstenmeyen Etkiler
CCD yük transferinin gözlemlere müdahale edebilen istenmeyen yan etkilerinden biri, küçük bir alanın parlak görüntü alanları yerine parlak dikey şeritler (sütunlar) oluşmasıdır. Ayrıca, CCD matrislerinin olası istenmeyen etkileri şunları içerir: yüksek karanlık gürültü, "kör" veya "sıcak" piksellerin varlığı, matris alanı boyunca eşit olmayan hassasiyet. Karanlık gürültüyü azaltmak için CCD matrislerinin otonom soğutması -20°C ve altındaki sıcaklıklarda kullanılır. Veya önceki karenin yapıldığı süre (pozlama) ve sıcaklıkta koyu bir kare çekilir (örneğin, kapalı bir mercekle). Akabinde bilgisayardaki özel bir program, karanlık çerçeveyi görüntüden çıkarır. CCD tabanlı televizyon kameraları, 752 x 582 piksel çözünürlükte saniyede 25 kareye kadar görüntü yakalama yeteneği sağlamaları açısından iyidir. Ancak bu türdeki bazı kameraların astronomik gözlemler için uygun olmaması, üreticinin alınan karelerin görerek daha iyi algılanması için içlerinde dahili görüntü ön işleme (okuma - bozulmalar) uygulamasıdır. Bu AGC (otomatik kontrol ayarı) ve sözde. "keskin sınırlar" ve diğerlerinin etkisi. İlerlemek…
Genel olarak, CCD alıcılarının kullanımı, dijital olmayan ışık alıcılarının kullanımına göre çok daha uygundur, çünkü elde edilen veriler hemen bir bilgisayarda işlenmeye uygun bir biçimde görünür ve ayrıca tek tek çerçeveleri elde etme hızı da artar. çok yüksek (saniyede birkaç kareden dakikalara). Şu anda, CCD matrislerinin üretimi hızla gelişiyor ve gelişiyor. Matrislerin "megapiksel" sayısı - matrisin birim alanı başına ayrı piksel sayısı - artıyor. CCD'ler vb. ile elde edilen görüntülerin kalitesinin iyileştirilmesi Vladimir Kazanov. 21 Eylül 2006. Kullanılan kaynaklar: Pirinç.7. Minimum yazma darbe genliğinin depolama voltajına (a), boşluk uzunluğuna (b) ve alt tabakadaki safsızlık konsantrasyonuna (c) bağlılığı.
burada L, CCD'nin kapılarının (elektrotlarının) uzunluğudur;
mre - yüzey etkili hareketlilik.
Açıkçası, (4)'teki orantılılık katsayısı, elde edilmesi gereken iletim verimliliği katsayısına bağlıdır. Genellikle çok elemanlı CCD'ler için bu seviye çok yüksektir ve
\u003d QRPPC2 / QRP CCD1 \u003d 0,99-0,9999,
burada QPP, bir hücredeki toplam ücrettir.
Şekil 8. Normalleştirilmiş şarj bağımlılığıQ=
1
-
parametreli cihazlar için iletim süresi:L=6
mikron,M tekrar=180cm 2
/Vs; sayısal hesaplama;_ yaklaşık analitik çözüm.
Şekil 9. Dağıtım GrafikleriQp
(
y
)
sürecin çeşitli noktalarındabulaşma
Yük aktarma işleminin açık bir analojisi, uç duvarı (CCD'nin potansiyel kuyusunun sağ sınırına karşılık gelir) CCD'deki gibi uzağa taşınan dikdörtgen bir kaptan viskoz bir sıvının dışarı akışıdır. , sıvının başlangıç seviyesi ne kadar yüksek olursa, verilen kısmı o kadar hızlı akacaktır.
Şekil 10. Kayıp faktörü bağımlılıklarıe 1
ra ile CCD için iletim süresindenHelektrotların uzunluğu.
Çoğu gerçek CCD yapısı için, L ve l boyutları karşılaştırılabilir ve çok küçüktür; Bu koşullar altında; Еkр kenar alanının (yukarıda tamamen boşlukta yoğunlaştığını düşündüğümüz) CCD1 bölgesine nüfuz etmesinin etkisi önemli hale gelir ve bu, şarj paketinin kalan kısmının akışı üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir.
Taşıyıcıların yüzey tuzakları tarafından yakalanmasını daha ayrıntılı olarak ele alalım. Örneğin, CCD1'e bir bilgi paketi ulaşırsa, deliklerin bir kısmı yakalanır.
(5)
burada Nl, yüzey tuzaklarının yoğunluğudur; m = 2, 3 ... - kontrol döngüsü sayısı; Sd(U3--U0) -- şarj paketinin değeri. Tipik yapılarda e2=(2--3) 10-3 ve ilk yaklaşımda saat frekansına bağlı değildir.
Tüm uyarılmış taşıyıcıların CCD tarafından toplandığını varsayarsak, ışık akısı Hsh'nin etkisi altında üretim (entegrasyon) süresi ta sırasında biriken şarj paketi Qpn, aşağıdaki yaklaşık ifade kullanılarak hesaplanabilir:
QPP = qHizity?Ae, (6)
3
Optoelektronikte şarj bağlantılı cihazlar
Optoelektronik gelişimindeki en önemli yönlerden biri, verici sistemden başlayıp ekranla biten entegre devrelere dayalı bir televizyon sisteminin oluşturulmasıdır.
Şekil 11. Bir televizyon iletim sisteminin yapısal diyagramı:
1 - nesne; 2 mercek;3-
görüntü sinyali üreteci;4
- amplifikatör; 5 - sinyal depolama birimi:6
- sinyal okuma bloğu;7
-eskiVetasarım sinyali;8
- video yükseltici
Taramayı sağlamak için katı hal görüntüleyiciler oluştururken, çeşitli fiziksel etkileri kullanmak için girişimlerde bulunulur (ancak şimdiye kadar başarısız oldu): Ruh etkisi, azınlık yük taşıyıcılarının sürüklenmesi, güçlü alan alanlarının hareketi, vb.
4 Bir CCD'nin fotoğraf alma özellikleri
Çözünürlük R, verilen FSI tarafından bir satırda birleştirilmeden hala algılanabilen maksimum satır sayısı (bir milimetre olarak anılır) tarafından belirlenir. Açıkçası, bir CCD'de maksimum çözünürlük, bir ışığa duyarlı L3 öğesinin uzunluğu ile belirlenir ve şuna eşittir:
Rmaks=1/LE. (7)
Üç zamanlı CCD'ler için LE=3(L + l), burada L elektrotun uzunluğudur; l -- elektrotlar arasındaki boşluğun uzunluğu. L = 3 µm ve l=3 µm minimum değeri, Rmax?50 satır/mm çözünürlüğe karşılık gelir. Çözünürlük bazen tüm FSI tarafından algılanan toplam görüntü öğesi sayısı olarak da anlaşılır (örneğin, 500x500 öğe).
CCD'lerdeki gürültüler iki gruba ayrılabilir: görüntü algılama sürecinden kaynaklanan gürültüler ve şarj paketlerinin iletim moduyla ilişkili gürültüler. Birinci grup, gelen foton akısındaki beyaz gürültüyü (akı yoğunluğunun dalgalanmaları) ve arka plan yükünün dalgalanmalarını içerir.
Bir CCD'nin düşük ışık seviyelerinde çözünürlüğü, temel olarak arka plan yükündeki gürültü ve taşıyıcı yakalama işleminin gürültüsü ile sınırlıdır. Şekil 12'deki bağımlılıklar, çözünürlüğün Düşük ayarda gürültü ile sınırlı olduğunu göstermektedir.<108--109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк?с).
Bir CCD görüntüleyicinin MTF'si, üç faktörün hepsinin birleşik eylemiyle belirlenir. Bu faktörler bağımsız olduğundan, CTF'yi elde etmek için genlikleri çarpmak ve farklı etkilerden dolayı fazları eklemek gerekir.
CCD'de 5 Küçük harfli (doğrusal) FSI
CCD'lerde iki tip PSI yaygın olarak kullanılmaktadır: küçük harfli (doğrusal), bir bütünleştirme periyodunda bir görüntü çizgisini algılayan ve tüm görüntünün bir kerede kaydedildiği matris (düzlemsel).
FSI'nin organizasyonuna ilişkin bazı hükümler, her iki cihaz türü için de ortaktır. Her şeyden önce, cihazın iki çalışma modu sağlanmalıdır: görüntünün ışık akısının algılanması ve çıkışa şarj paketlerinin sıralı çıkışı. İki ilke kullanılır: algılama ve tarama modlarının zamansal veya uzamsal ayrımı.
Belirli bir yöntemin uygulanabilirliği, CCD'nin elde edilebilir özellikleri tarafından belirlenir ve tersine, elemanların parametreleri için gereklilikler, seçilen tarama yöntemi tarafından belirlenir. Her iki ilke - hem zamansal hem de mekansal ayrım - geniş uygulama alanı bulmuştur.
Şekil 13. Ayrı ışığa duyarlı ve n ile küçük harfli FSI organizasyonueeditoryal alanlar:
1 - elektrotlarışığa duyarlı alan;2
- verici elektrotlar:3 -
bağlayıcı elektrotlar;4
- iki basamaklı kaydırma yazmacı; 5 - çıkışDnayaokuma şeması
Şekil 14. Darbe diyagramı sinyaliAküçük harfli bir FSI çıkışında balık tutma
6 Matris (düzlemsel) FSI
FSI hattına dayalı cihazlar, görüntülerin düşük hızda iletilmesine izin verir ve yüksek kaliteli video sinyalleri sağlamaz. Bu nedenle, televizyon ileten kameralar esas olarak FSI matrisi temelinde inşa edilir.
CCD'lerde matris görüntüleyicileri düzenlemenin dört ana yolu kullanılır: çerçeve, çizgi, çizgi-çerçeve, adres. Bu kuruluşlar, ücret paketlerinin modelini okuma biçimleri bakımından farklılık gösterir.
Şekil 15. hakkında personel ile FSIRorganizasyon:
1 - kanal sınırlayıcı difüzyon alanı;2 -
optik bölüm;3
- görüntü öğesi;4
- depolama bölümü; 5 - video sinyali çıkışı;6
- çıkış kapısı
Bir personel organizasyonuna sahip FSI, üç bölümden oluşur (Şekil 15): gerekli formatta bir CCD matrisi olan fotodedektör (optik); ücretlerin resminin saklandığı aynı formattaki depolama bölümleri; CCD üzerindeki SR ve şarj paketlerini video sinyallerine dönüştüren çıkış okuma elemanından oluşan okuma bölümü.
Benzer Belgeler
2 Yük bağlantılı cihazların fiziksel çalışma ilkeleri ve tasarımı
- substrat katsayısı; UB=BOC; Cd = εdε0xd - xd kalınlığında geçit dielektrikinin özgül kapasitansı. (1)'de ve aşağıdaki ifadelerde, potansiyellerin ve yüklerin mutlak değerleri kullanılır, bu da onları p- ve n-kanallı CCD'lere uygulanabilir kılar.
(5)3 optoelektronikte şarj bağlantılı cihazlar
4 Bir CCD'nin fotoğraf alma özellikleri
CCD'de 5 Küçük harfli (doğrusal) FSI
6 Matris (düzlemsel) FSI
CCD'de FSI'nin geliştirilmesi için 7 Beklenti
. (12)
. (13)
, g eğimini hesaplayın ve (11)'deki g ve Iс ifadelerini değiştirin, ks/N'nin MIS transistörünün moduna bağlı olmadığını elde ederiz:
Edebiyat
Komple aydınlatma cihazları
60'ların sonunda ve 70'lerin başında, CCD olarak kısaltılan sözde "Şarj Bağlantılı Cihazlar" geliştirilmeye başlandı. İngilizce'de "şarj bağlantılı cihazlar" veya kısaca CCD gibi görünür. CCD'lerin arkasındaki ilke, silikonun görünür ışığa tepki verebilmesiydi. Ve bu gerçek, bu prensibin parlak nesnelerin görüntülerini elde etmek için kullanılabileceği fikrine yol açtı.
Pirinç. 1. Bir CCD matrisinin ana aygıtı.
Belirli bir zaman aralığında, her piksel, içine giren ışık miktarıyla orantılı olarak yavaş yavaş elektronlarla dolar. Bu süre sonunda her bir pikselin biriktirdiği elektrik yükleri sırayla cihazın "çıkışına" aktarılır ve ölçülür.
1. 1. Viktor Belov. Mikronun onda birine kadar doğruluk.
2. 2. S.E. Guryanov. CCD'yle tanışın.