Лекция ПЗС матрицы

Твердотельные фотоприёмники (ПЗС матрицы)

Изобретение многоэлементных твердотельных фотоприёмников вызвало революцию в телевидении. Использование десятилетиями отлаженной технологии производства полупроводниковых приборов обеспечило высокую надёжность, стабильность параметров и низкую цену светочувствительных матриц. Это повлекло за собой массовое внедрение телекамер на их основе в индустрию безопасности.

В 1970 г. были созданы первые приборы с зарядовой связью. Вначале единичные образцы ПЗС применялись как более эффективные заменители электронно-лучевых фотоприёмников в системах научно-прикладного телевидения. С 1975 г. был налажен серийный выпуск ПЗС (в СССР? НПО "Пульсар") и они начали активно внедряться в телевизионную технику широкого назначения. Сегодня массовое производство ПЗС-матриц осуществляется многими фирмами: "Sony", "Texas Instruments", "Sharp", "Samsung", "Hitachi", "Toshiba", "Kodak" и др. В России ПЗС-матрицы выпускаются в основном ЦНИИ "Электрон", (Санкт-Петербург), и его дочерним предприятием "Электрон-оптроник"; после длительного перерыва возобновлены работы по выпуску матриц в НПО "Пульсар".

Появление и совершенствование ПЗС совпали по времени с существенным скачком в развитии цифровой электроники, и прежде всего, с разработкой микропроцессоров. Единство кремниевой технологии обеспечило естественность построения телевизионных систем на ПЗС, в которых большое количество параметров регулируется с помощью микропроцессорных устройств. В последнее время развитие получили матричные фотоприёмники с координатной адресацией, но пока ПЗС? самый массовый класс твердотельных фотоприёмников.

Физические принципы работы ПЗС-матрицы.
Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных конденсаторов со структурой металл?диэлектрик?полупроводник. В качестве полупроводника в ПЗС обычно используется кристаллический кремний, а в качестве изолятора? оксиды кремния. Поэтому такую структуру называют "металл?окисел?полупроводник" (МОП). С физической точки зрения, ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МОП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора.

На рис. 2.1 показана структура одного элемента линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя (диоксид кремния) и набора пластин - электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним происходит накопление заряда.

Если подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется потенциальная яма. Когда кремнием поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда - электрон и дырка. Электростатическое поле в области элемента вытесняет "дырку" в глубь кремния, а электроны накапливаются в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырки в обедненной области отсутствуют и электроны не рекомбинируют. Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен (рис. 2.2). Если все три электрода элемента ПЗС находятся под нулевым потенциалом, то накопление генерированных светом электронов не происходит.

Генерирование зарядов в фотоприёмнике происходит не только под воздействием света, но и вследствие воздействия температуры. Темновой ток в полупроводниковых фотоприёмниках экспоненциально зависит от температуры и при большом времени накопления для его подавления требуется понижение температуры кристалла. Современный уровень технологии ПЗС позволяет реализовать в охранных телевизионных системах время накопления до секунды (без охлаждения).

Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлениях - влево или вправо, причем все зарядовые пакеты линейки элементов будут одновременно переноситься в одну и ту же сторону.

Двухмерный массив (матрицу) элементов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп - каналы - это узкие области, которые формируются специальными технологическими приемами в приповерхностной области и препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Большинство типов ПЗС-матриц массового применения состоят из двух областей - области накопления и области хранения.

Ниже рассмотрены особенности реализации развёртки изображения в матрицах ПЗС различной топологии [10], [12], [17]:

• с кадровым переносом (КП);
• со строчным переносом (СП);
• со строчно-кадровым переносом (СКП).

За рубежом их обозначают, соответственно, индексами: FT (Frame Transfer), IT (Interline Transfer), FIT (Frame-Interline Transfer).

Типы матриц ПЗС.
Исторически первыми были разработаны матричные ПЗС с кадровым переносом (рис. 2.3.). Этот прибор содержит светочувствительную секцию накопления, состоящую из вертикальных ПЗС-регистров, отделенных друг от друга областями стоп-каналов. Непосредственно к секции накопления примыкает секция памяти, имеющая ту же структуру и то же число элементов, что и секция накопления. В конце секции памяти расположен горизонтальный

ПЗС-регистр. Число элементарных ячеек этого регистра равно числу столбцов в секциях накопления и памяти. В конце горизонтального регистра расположено выходное устройство. Секция памяти, выходной горизонтальный регистр и выходное устройство экранируются от падающего света напылением алюминиевого покрытия на поверхность кристалла.

В течение времени накопления на один или на несколько электродов секции накопления подается положительный потенциал, образующий двухмерный массив обедненных областей. Генерируемые падающим светом носители заряда собираются в близлежащих обедненных областях, причем до переполнения потенциальной ямы их количество линейно зависит от экспозиции.

По окончании времени накопления во время обратного хода по кадру на фазные электроды секции накопления и секции памяти подаются импульсы переноса. Накопленный двухмерный массив зарядовых пакетов за время переноса параллельно сдвигается из секции накопления в секцию памяти. Так как число ячеек в секции памяти равно числу ячеек в секции накопления, то каждый накопленный в секции накопления зарядовый пакет займет соответствующее место в секции памяти. После того как все зарядовые пакеты перенесены в секцию памяти, процесс накопления зарядовых пакетов возобновляется.

Одновременно с этим в секции памяти во время обратного хода по строке зарядовые пакеты построчно переносятся в горизонтальный выходной регистр. Для этого на один из электродов горизонтального регистра подается положительный потенциал, соответствующий образованию под ним потенциальной ямы, а на электроды секции памяти подаются импульсы, соответствующие параллельному сдвигу массива зарядовых пакетов на один трехфазный элемент по направлению к горизонтальному регистру. Таким образом очередная строка зарядовых пакетов оказывается в горизонтальном регистре, а следующая за ней? располагается в той строке секции памяти, которая непосредственно прилегает к регистру.

Далее, во время прямого хода по строке, зарядовые пакеты считываются из горизонтального регистра через выходное устройство, для чего на электроды этого регистра подаются импульсы переноса. По окончании считывания строки зарядовых пакетов из секции памяти сдвигается следующая строка и процесс повторяется. После того, как будут считаны все строки из секции памяти, в нее возможен перенос массива зарядовых пакетов, накопленного в секции накопления. Для реализации чересстрочной развёртки накопление в различных полукадрах реализуется под различными фазными электродами секции накопления.

К достоинствам матричных ПЗС с кадровым переносом следует отнести возможность реализации освещения со стороны подложки и полное использование светочувствительной секции, что в совокупности обеспечивает рекордный квантовый выход? до 98%. Благодаря непосредственному облучению светом поверхности кремния эти матрицы обладают высокой чувствительностью в ближней ИК-области спектра. Это обусловливает широкое применение ТВ-камер на базе матриц с кадровым переносом для задач ночного наблюдения, в том числе с ИК-подсветкой.

Существенными недостатком матриц ПЗС с кадровым переносом является вертикальный смаз от ярких деталей изображения. Во время переноса массива зарядовых пакетов из секции накопления в секцию памяти световой поток продолжает генерировать фотоэлектроны. Так как каждая потенциальная яма проходит весь столбец светочувствительной секции (частично до начала накопления, частично после), она неминуемо накопит некоторое количество зарядов от всех точек изображения, лежащих на данном столбце. В реальных изображениях встречаются области, освещённость которых во много раз превышает средний уровень освещённости наблюдаемой сцены. Наличие этих областей приводит к образованию светлого вертикального столбца, являющегося продолжением яркой детали (рис. 2.4). Уровень вертикального смаза прямо пропорционален освещённости и площади яркой детали изображения, а также длительности переноса зарядов из секции накопления в секцию памяти и может превышать порог зрительного восприятия. Эффект вертикального смаза в этих матрицах может быть устранен только перекрытием светового потока на время переноса при помощи механического затвора.

Дополнительным фактором, ограничивающим сферу применения ПЗС с кадровым переносом, является значительная площадь матрицы, обусловленная наличием секции памяти. Поскольку стоимость микросхем пропорциональна четвёртой степени диагонали кристалла, то цена этих ПЗС достаточно высока.

Матричный ПЗС со строчным переносом.
В охранном телевидении наибольшее распространение получили матричные ПЗС со строчным переносом. Для накопления зарядовых пакетов в них используются столбцы обратносмещенных фотодиодов р-типа (Hole-accumulation diode, HAD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. В первых матрицах ПЗС со сточным переносом роль фотозатвора выполнял отдельный поликремниевый электрод. В настоящее время его роль выполняет часть затвора вертикального ПЗС-регистра, выступающая за край скрытого канала переноса зарядов. В конце вертикальных ПЗС-регистров расположен горизонтальный ПЗС-регистр с выходным устройством (рис. 2.5). Все регистры ПЗС - вертикальные и горизонтальный - выполняются экранированными от падающего света.

Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий потенциал, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается положительный потенциал, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Затем с фотозатвора снимается положительное смещение и накопление зарядовых пакетов в фотодиодах возобновляется.

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров построчно переносятся в горизонтальный ПЗС-регистр, из которого поэлементно считываются через выходное устройство. Перенос из светочувстви-тельных фотодиодов в вертикальные регистры осуществляется во время обратного хода по кадру, а перенос зарядовых пакетов из вертикальных регистров в горизонтальный регистр - во время обратного хода по строке. После того как все строки зарядовых пакетов будут считаны, возможен перенос следующего двухмерного массива зарядовых пакетов из фотодиодов.

Достоинством матричных ПЗС со строчным переносом является малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры происходит в течение короткого промежутка времени. Основной недостаток матричных ПЗС со строчным переносом? неполное использование светового потока вследствие наличия нечувствительных вертикальных регистров.

Для преодоления этого недостатка была реализована технология нанесения на поверхность кристалла микролинз (рис. 2.6, а).

При использовании этой технологии над каждым элементом матрицы ПЗС расположена микролинза, собирающая на элемент световой поток, падающий на не чувствительные к свету регистры переноса заряда. В развитие этого метода фирма Sony разработала технологию Hyper-HAD, позволяющую повысить чувствительность матриц ПЗС за счет увеличения размера микролинз (рис. 2.6,б).

В настоящее время "Sony" продвигает на рынок свою новую разработку? ПЗС-матрицы ExWave HAD. По сравнению с Hyper-HAD камеры на основе новой матрицы имеют лучшую чувствительность за счет более равномерной спектральной характеристики в сине-зеленой области спектра.

Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со строчным переносом может быть реализовано несколькими различными способами (рис. 2.7).

Число фотодиодов в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре. В простейшем случае в первом поле зарядовые паке-ты из нечетных фотодиодов считываются в вертикальный ПЗС-регистр, а в четных фотодиодах накопление продолжается (рис. 2.7, а). Во втором поле считываются заряды, накопленные в четных фотодиодах. Размер светочувствительного элемента по вертикали оказывается равным размеру одного фотодиода; центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании равно времени кадра (40 мс).

Большое время накопления приводит к тому, что подвижные объекты передаются с заметными искажениями. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля. В этом режиме зарядовые пакеты соседних фотодиодов объединяются попарно, причем по-разному в различных полях (рис. 2.7, б). Центры строк соседних полей при этом оказываются также расположенными на равном расстоянии. Время накопления в этом режиме равно 20 мс - времени поля, так как в каждом поле считываются зарядовые пакеты из всех фотодиодов. Несмотря на уменьшенное в два раза время накопления по сравнению с режимом накопления кадра, чувствительность матричного ПЗС остается той же, поскольку в данном режиме суммируются зарядовые пакеты с двух фотодиодов. Размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух фотодиодов по вертикали, что приводит к снижению вертикальной разрешающей способности. Так, в матричном ПЗС с 580 фотодиодами по вертикали разрешающая способность ограничивается на уровне 380 - 400 телевизионных линий.

Этого недостатка лишен режим накопления кадра с уменьшенным временем накопления (рис. 2.7, в). Он полностью эквивалентен режиму накопления кадра, за исключением того, что при считывании зарядов из одной половины фотодиодов зарядовые пакеты во второй половине сбрасываются. Благодаря этому время накопления становится равным

20 мс, а размер светочувствительного элемента по вертикали снова равным размеру одного фотодиода. Однако уничтожение половины накопленных зарядовых пакетов приводит к двукратному снижению чувствительности матричного ПЗС.

Уровень смаза в матричных ПЗС со строчным переносом существенно меньше, чем в матричных ПЗС с кадровым переносом, однако в ряде случаев он является заметным. Наличие смаза в матричных ПЗС со строчным переносом объясняется двумя основными причинами. Первая - это переотражение света в электродах вертикального ПЗС-регистра. Вторая причина связана с тем, что длинноволновые фотоны, имеющие малую энергию, проникают глубоко в полупроводник, откуда вероятность диффузии образованного электрона прямо в вертикальный ПЗС-регистр достаточно велика. Рекордно низкий уровень вертикального смаза для матричных ПЗС со строчным переносом и технологией EXview составляет минус 120 дБ при освещении белым светом.

Матричные ПЗС со строчно-кадровым переносом были разработаны специально для телевизионного вещания и в телекамерах для СФЗ используются крайне редко. Такие матрицы состоят из обычного матричного ПЗС со строчным переносом, к которому добавлена секция памяти от матричного ПЗС с кадровым переносом. Количество ячеек в секции памяти равно половине количества фотодиодов. Зарядовые пакеты, накопленные в фотодиодах, переносятся в вертикальные ПЗС-регистры, после чего на повышенной частоте передвигаются в вертикальные ПЗС-регистры секции памяти. В дальнейшем они считываются через горизонтальный ПЗС-регистр так же, как и в матричном ПЗС со строчным переносом. Особенностью данного типа фотоприёмников является то, что во время считывания зарядовые пакеты хранятся не в непосредственной близости от фотодиодов, а в секции памяти, и, таким образом, переотражение света и диффузия из глубины полупроводника искажают сигнал только во время переноса зарядовых пакетов в секцию памяти. Тем самым уровень смаза по сравнению с матричным ПЗС со строчным переносом уменьшается в 20?50 раз.

Матричный ПЗС с разделением цветовых сигналов.
Для камер цветного телевидения матрицы ПЗС с кадровым переносом непригодны из-за недостаточной чувствительности в синей области видимого спектра излучения. Кроме того, они имеют избыточную чувствительность в ближней ИК-области и для получения приемлемого качества цветопередачи требуют использования светофильтров с отсечкой ИК-области спектра. Поэтому в системах безопасности наибольшее распространение получили одноматричные цветные камеры на базе ПЗС со строчным переносом зарядов. Для выделения информации о цвете наблюдаемых объектов на светочувствительную поверхность ПЗС наносят мозаику из кодирующих светофильтров, имеющих прозрачность К(?).

Наибольшее распространение в настоящее время получил мозаичный фильтр из четырёх цветов: жёлтого (Ye = G+R), голубого (Cy = G+B), пурпурного (Mg = R+B) и зелёного (G). Пространственное расположение и спектральные характеристики элементов мозаики приведены на рис 2.8, а и б соответственно.

Такая комбинация цветов уступает по точности цветопередачи классической триаде "красный?зелёный?синий" (RGB), но обеспечивает лучшую чувствительность телекамеры.

Для обеспечения высокой чувствительности цветной ТВ-камеры обычно в ней используется режим накопления поля (рис. 2.7, б). В результате, из горизонтального регистр матрицы ПЗС для каждого элемента изображения попарно следуют отсчёты смеси цветов, например для нечётных строк: (Mg + Cy), (G + Ye), (Mg + Cy), (G + Ye) и т. д., и для чётных строк: (G + Cy), (Mg + Ye), (G + Cy), (Mg + Ye) и т.д. В дальнейшем выделяется яркостный и цветовой сигналы. Для получения яркостного сигнала для нечётных строк производится следующая операция:

Y = 1/2[(G+Ye) + (Mg+Cy)] = 1/2(2B + 3G + 2R).

Аналогичный алгоритм обработки, заключающийся в задержке во времени и попарном суммировании отсчётов, применяется и для чётных строк:

Y = 1/2[(G+Сy) + (Mg+Ye)] = 1/2(2B + 3G + 2R).

При получении цветоразностного сигнала для нечётных строк производится следующая операция:

(B - Y) = [(G + Ye) - (Mg + Cy)] = - [2B - G].

Для чётных строк алгоритм обработки также заключается в задержке и вычитании попарных отсчётов:

R - Y = [(Mg + Ye) - (G + Cy)] = [2R - G].

Приведённые выражения для чётных и нечётных строк матриц ПЗС показывают, что в видеосигнале каждой чётной строки матрицы содержится информация о цветах R и G, а в каждой нечётной - B и G. Поэтому при половинной частоте выборки можно отделить один цвет от другого. Эта операция производится в аналоговой форме с помощью отдельной схемы выборки-хранения либо в цифровой форме в видеопроцессоре. Из сигналов яркости и цветности затем получают композитный сигнал в системе PAL. Подчеркнём, что разрешающая способность ТВ-камер 480 линий реализуется только при раздельной передаче сигналов яркости и цветности (так называемый выход Y/C).

Основные требования к фотоприёмникам для цветных камер охранного телевидения вытекают из требования их совместимости с аппаратурой чёрно-белого отображения и принятыми стандартами видеозаписи. Поэтому число элементов в чёрно-белых и цветных матрицах и тактовая частота их выходного регистра одинаковы. Необходимость передачи сигнала цветности через канал с той же полосой пропускания (примерно, 6 МГц) ведёт к сокращению полосы частот яркостного канала. В результате разрешающая способность цветных ПЗС снижается на 20-30% по сравнению с чёрно-белыми с тем же числом элементов. Использование матрицы цветоделительных фильтров уменьшает световой поток, поступающий на элементы матрицы ПЗС. Это обусловливает снижение чувствительности цветных матриц ПЗС на порядок по сравнению с чёрно-белыми при той же площади элемента разложения.

Несмотря на это, цветное изображение является более предпочтительным при выполнении операций обнаружения, опознавания и идентификации. Известно, что вероятность обнаружения существенно зависит от величины отношения сигнал/шум в видеосигнале; при высоком отношении сигнал/шум для яркостного сигнала чёрно-белая камера обеспечивает несколько более высокую вероятность обнаружения. Однако при ухудшении отношения сигнал/шум величины вероятностей выравниваются, а затем вероятность обнаружения объекта для цветного изображения существенно превосходит аналогичную вероятность для черно-белого изображения. Снижение вероятности связано с дополнительными шумами в канале цветности, повышение - с возможностью обнаружения цели на фоне за счет цветового контраста. Особенно это заметно на сценах с богатой цветовой гаммой (автостоянки, участки улиц с элементами рекламы и пр.). Желание сохранить цветовую информацию привело к созданию телевизионных камер с возможностью автоматического переключения режимов из цветного в чёрно-белый при снижении освещённости ночью. В ряде камер в ночном режиме в оптическом тракте видеокамеры исключается фильтр, нормирующий спектральную характеристику ПЗС до спектральной характеристики кривой видности глаза, а цветовые сигналы используются для формирования яркостного сигнала с полным разрешением, соответствующем количеству элементов в матрице. За счет этого достигается максимальный выигрыш в отношении сигнал/шум. В более дешевых моделях камер переход в ночной режим реализуется без изменения кривой спектральной чувствительности.

Фотоприёмники с координатной адресацией.
Считывание электрического сигнала, накопленного под воздействием света может быть осуществлено двухмерной координатной адресацией к элементам фотодиодных или фоторезистивных матриц (рис. 2.9).

Поочерёдное подключение каждого из элементов разложения осуществляется с помощью электронных ключей, выполненных по технологии комплиментарных МОП-транзисторов (КМОП). Эти фотоприёмники имеют ряд достоинств по сравнению с ПЗС, хотя и уступают им по качеству изображения [18]. Можно выделить такие свойства КМОП-фотоприёмников, как низкая мощность потребления, возможность считывания произвольного фрагмента изображения, низкая стоимость. Важным преимуществом КМОП-камер является возможность реализации функций накопления, управления считыванием, квантования и обработки видеосигнала на одном кристалле. В настоящее время освоено производство однокристалльных КМОП-телекамер с непосредственным выходом на шину USB, широко используемую в персональных компьютерах.

Основной недостаток КМОП-камер связан пока с их малой чувствительностью, её неоднородностью по массиву элементов, а также с неоднородностью темновых сигналов. В настоящее время чувствительность КМОП-камер ограничена в первую очередь структурной помехой, на порядок превышающей флуктуационный шум. При компенсации структурной помехи флуктуационный шум КМОП-камер превышает аналогичное значение шума матричных ПЗС в 3-5 раз при одинаковой частоте считывания сигнала. Так как выходной сигнал насыщения у матричных фотоприемников обоих типов соизмерим, то в настоящее время КМОП-камеры имеют меньший динамический диапазон, чем ПЗС-камеры.

Схемотехнические методы компенсации неравномерных темновых сигналов хорошо освоены в телевизионных системах измерения координат точечных объектов [10], [11]. Поэтому на определённом этапе развития КМОП-телевидения предельная чувствительность камер будет достигаться применением внешних устройств компенсации темновых сигналов; на последующих этапах можно ожидать повышения однородности массива фоточувствительных элементов, как это было достигнуто в ПЗС.

Первое поколение КМОП-камер характеризовалось тем, что в них использовался единый усилитель на весь столбец фотодиодов. В камерах второго поколения к каждому фотодиоду был добавлен однотранзисторный буфер, а также введена схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) на каждый столбец. Камеры такого типа называются камерами с активным элементом. Отличие третьего поколения КМОП-камер заключается в том, что для стабилизации коэффициента усиления усилителей каждого столбца, расположенных перед схемой ДКВ, используется обратная связь. КМОП-камеры третьего поколения изготавливаются различными фирмами, в том числе не специализирующимися в области телевизионной техники.

КМОП-Фотоприёмники с координатной адресацией активно внедряются в системы пассивной оптической локации, в том числе ИК-диапазона, и имеют хорошие перспективы стать главным типом фотоприёмников в прикладном телевидении.

Дата добавления: 2013-12-14