Матрица ПЗС

Рассмотрим теперь, как устроен прибор с зарядовой связью, способный передавать многострочное изображение. Такой прибор называется матрицей ПЗС. Существует много вариантов построения матриц. Мы рассмотрим одно из этих устройств. Матрица ПЗС изготавливается на пластине (плёнке) полупроводника. Она состоит из множества элементов, сгруппированных в столбцы (рис. 3). Причем если данный столбец чувствительный к свету, то соседний, поскольку он закрыт непрозрачным электродом, практически нефоточувствительный. Таким образом, в матрице чередуются столбцы: фоточувствительный (на рис. 3 заштрихованный) — нефоточувствительный (на рис. 3, незаштрихованный), фоточувствительный — нефоточувствительный и т. д. Как и в рассмотренной выше линейке, матрица имеет с одной стороны сплошной электрод, с другой — прозрачный диэлектрический слой и прозрачные электроды, отдельные для каждого элемента. С одной стороны структуры перпендикулярно столбцам проходит нефоточувствительная линейка, соединенная с торцами всех нефоточувствительных столбцов. Принцип управления матрицей такой же, как и линейкой ПЗС. Но порядок работы при этом следующий.

Допустим, в течение некоторого времени шло накопление фотоэлектронов в элементах фоточувствительных столбцов (рис. 3, а). Затем подачей импульсного напряжения на электроды накопленные заряды переводятся в рядом с ними расположенные элементы нефоточувствительных столбцов (рис. 3, б).

Рис. 3. Матрица ПЗС со строчно-кадровым переносом. Нефоточувствительная полоска снизу служит для вывода зарядов в усилитель. Горизонтальные линии соответствуют стопорным электродам, исключающим переход зарядов вверх и вниз по столбцам. Знак + в нефоточувствительном элементе означает, что в нем есть заряд.

Следовательно, фоточувствительные столбцы освобождаются от накопленного заряда и могут продолжать накапливать световую энергию в виде фотоэлектронов. А из нефоточувствительных столбцов начинается постепенный вывод переданных им зарядов. Сначала выводятся заряды из крайних элементов столбцов (т.е. заряды из элементов последней строки). Они выводятся в общую линейку, с которой соседствуют (рис. 3, в), и по ней постепенно выводятся в усилитель. В это время все остальные заряды сдвигаются на один элемент ближе к общей выводящей линейке. Затем в освободившуюся общую линейку (рис. 3, г) происходит таким же путем вывод зарядов предпоследней строки, занявших элементы, ближайшие к общей линейке (рис. 3, д).

Потом выводятся заряды из следующей строки и так далее до тех пор, пока все они не будут выведены в усилитель. После этого вновь повторяется процесс вывода накопленных зарядов из фоточувствительных столбцов в нефоточувствительные и т.д. Время накопления равно времени, в течение которого продолжается процесс вывода зарядов в усилитель. Как видно, при таком устройстве накопление происходит практически непрерывно, так как длительность импульса напряжения, переводящего накопленные заряды в нефоточувствительные столбцы, очень мала. Следовательно, достижима, как и у других приборов с накоплением, высокая чувствительность, а движение будет передаваться плавно (не напоминая старые кинофильмы, в которых вследствие небольшого числа кадров, на которые разбивали изображение, человеческие фигурки ходили смешной, дергающейся походкой). Такое устройство не так чувствительно к отдельным дефектам изображения. Если разрыв есть в одном столбце, то не будет передаваться только часть этого столбца, а все остальные элементы матрицы могут быть переданы нормальным образом, И только разрыв в общей выводящей строке может иметь нежелательные для передачи изображения последствия.

Чтобы при подаче управляющих импульсов заряды переходили из столбца в столбец строго по данной строке, не смещаясь вверх или вниз по столбцу, вдоль строк через все столбцы выше и ниже каждого элемента проходят узкие стопорные электроды, потенциал которых исключает смещение накопленных фотозарядов вверх или вниз. Таким образом, в каждом элементе изображения несколько структурных элементов.

Однако ПЗС имеет сложную структуру не только по всей поверхности, но и внутри пластины. Это связано с большим числом смещений зарядов в приборе. Так, очевидно, что вывод заряда из самой дальней ячейки для матрицы на 600 строк требует 600 перемещений по столбцу. В телевидении строка длиннее высоты кадра в соотношении 4/3. Следовательно, чтобы рассматриваемый заряд дошел до усилителя, его надо сместить по линейке еще 800 раз. Общее число смещений 1400. Полнота передачи заряда из ячейки в ячейку — важнейший показатель качества работы устройства с зарядовой связью. Если при каждой передаче заряда из ячейки в другую ячейку часть заряда теряется, то от самых дальних элементов заряд сильно уменьшится и сигнал от этих элементов будет теряться в шумах.

Матрица ПЗС сохраняет основное достоинство линейки ПЗС — количество управляющих напряжений гораздо меньше числа элементов в матрице.

На основе рассмотренных выше ПЗС созданы трехсигнальные приборы для цветного телевидения. Для этого перед ПЗС помещен полосчатый светофильтр, полоски которого расположены перпендикулярно строкам ПЗС, и каждая полоска перекрывает один столбец светочувствительных элементов. В светофильтр входят полоски с тремя различными характеристиками светопропускания, причем они закономерно чередуются. Фильтры могут быть основных цветов: красными, синими, зелеными. Возможны и другие комбинации, например, зеленый, желтый, голубой.

видеокамера Panasonic NV-RZ10EN/A

Дата добавления: 2014-12-16