Микролинзы

ФПМ ПЗС с межстрочным переносом (матрица с буферизацией столбцов)

ФПМ ПЗС с переносом кадра (матрица с буферизацией кадра)

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра или ПЗС с переносом кадра (frame - transfer CCD) (рис. 4).

Рис. 4 – Матрица с буферизацией кадра

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра.

После окончания времени экспозиции сформированная зарядовая картина быстро переносится в секцию хранения, которая связана c последовательным регистром для последующего считывания. В то время как зарядовая картина считывается из секции хранения, в секции накопления может накапливаться зарядовая картина следующего кадра. Для режима переноса кадра между двумя секциями необходимо наличие двух независимых генераторов тактовых импульсов, как для секции накопления, так и для секции хранения. Следовательно, ФПМ ПЗС с переносом кадра может работать непрерывно, быстро и без механической шторки. Кроме того, она может использоваться и с механической шторкой для приема двух изображений с быстрой сменой кадров. Такой режим применяется, если нужно принимать два изображения разной интенсивности или на разных длинах волн.

В ФПМ ПЗС с межстрочным переносом (рис.5 ) имеется буферный параллельный регистр, разделенный на полоски так, что секции накопления и секции хранения перемежаются.

Схема матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра – в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром – его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Поскольку сдвиг зарядовой картины происходит за микросекyнды, смаз изображения не успевает произойти при обычной длительности экспозиции.

Рис. 5 – Матрицы с буферизацией столбцов

Механический обтюратор, вполне уместный в кинокамерах, совершенно не подходит для телевизионных. Этот и ряд других недостатков ПЗС с покадровым переносом спровоцировали компанию Sony на разработку собственной версии ПЗС с построчным переносом (рис. 5). Слева от каждой вертикальной линейки светочувствительных ячеек расположены ячейки регистра сдвига. В интервале полевого гасящего импульса накопленные заряды одновременно и почти мгновенно (в течение передачи одного ТВ-элемента) сбрасываются в соседние ячейки регистров сдвига. Заряды в интервале следующего ТВ-поля последовательно через считывающий регистр (нижний ряд ячеек) выводятся на считывающий терминал. Поскольку время сброса зарядов в регистры сдвига достаточно мало, световой поток можно не прерывать, что и позволило убрать обтюратор.

Хотя фототоки основного параллельного регистра сдвига сразу же попадают в буферный регистр, который не подвергается «фотонной бомбардировке», «размазывание» заряда в матрицах с буферизацией столбцов (smear) также происходит. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы «светочувствительного» ПЗС-элемента в потенциальную яму «буферного», особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях заряда, когда освещённость пикселя очень высока. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, портящая кадр. Для борьбы с этим неприятным эффектом при проектировании сенсора «светочувствительный» и буферный столбцы располагают на большей дистанции друг от друга. Разумеется, это усложняет обмен зарядом, а также увеличивает временной интервал данной операции, однако вред, который наносит изображению «размазывание», не оставляет разработчикам выбора.

Как уже было сказано ранее, для обеспечения видеосигнала необходимо, чтобы сенсор не требовал перекрытия светового потока между экспозициями, так как механический затвор в таких условиях работы (около 30 срабатываний в секунду) может быстро выйти из строя. К счастью, благодаря буферным строкам есть возможность реализовать электронный затвор, который, во-первых, позволяет при необходимости обойтись без механического затвора, а во-вторых, обеспечивает сверхмалые (до 1/10000секунды) значения выдержки, особенно критичные для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа ит.д.). Однако электронный затвор требует также, чтобы матрица обладала системой удаления избыточного заряда потенциальной ямы.

За всё приходится платить, и за возможность сформировать видеосигнал– тоже. Буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС_матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо эффективнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, со временем этими устройствами стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и полнокадровые матрицы. Впрочем, микролинзы тоже нельзя назвать «решением без недостатков».

Являясь оптическим устройством, микролинзы в той или иной мере искажают регистрируемое изображение чаще всего это выражается в потере чёткости у мельчайших деталей кадра – их края становятся слегка размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение отнюдь не всегда нежелательно – в ряде случаев изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых близки к габаритам ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре зачастую наблюдается ступенчатость (aliasing)– назначение пикселю определённого цвета, вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров (anti -aliasing filter), а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается. Впрочем, в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

Дата добавления: 2014-01-04