Страница 28 из 371
Форматы ПЗС-матриц
Существуют три формата ПЗС-матриц, определяющих способ получения (сканирования) изображения: точечные, линейные и просматривающие изображение по площади.
При точечном сканировании используется один фотодетектор, а полное изображение получается путем перемещения детектора в плоскости XY. Линейное сканирование предполагает, что массив фотодетекторов размещается в один ряд и сканирование выполняется в одном направлении (рис. 4,а). При таком способе изображение формируется построчно, и, прежде чем отсканировать очередную строку, текущие данные передаются на выходные цепи. Это медленные процессы, к тому же они требуют шаговых двигателей, которые усложняют систему, создают шум и служат дополнительным источником отказов.
Для захвата изображения по всей площади формируется двумерный массив детекторов, на который проецируется полное изображение (рис. 4,б), — таким образом устраняется необходимость использования механических компонентов, а значит, сложность системы сводится к минимуму. Данный метод формирования изображения обеспечивает в фотокамерах максимальную скорость съемки и точность в расположении пикселов. Недостатками этой схемы являются пониженное значение отношения сигнал/шум и высокая стоимость, поскольку из одной пластины получается меньшее количество устройств.
Архитектура ПЗС-матриц
ПЗС-матрицы строятся по различной архитектуре. Наиболее распространенными сегодня являются матрицы с двумя разными механизмами сдвига кадра, которые называются перенос полного кадра (Full-Frame Transfer — FFT) и перенос кадра (Frame-Transfer — FT). В таких устройствах в качестве детекторов используются фотоконденсаторы. В третьем типе архитектуры — матрицы с межстрочным переносом (Interline Transfer — IT) детектор состоит из фотодиода и фотоконденсатора.
Из всех трех FFT-матрицы имеют простейшую архитектуру, технологию производства и способ функционирования. Они содержат параллельный сдвиговый регистр, последовательный сдвиговый регистр и выходной усилитель (рис. 5).
Сцена оптически проецируется на параллельный массив детекторов, служащий плоскостью изображения. Затем строки, содержащие информацию о сцене, параллельно сдвигаются, попадая в последовательный сдвиговый регистр, который передает строку информации на выходные цепи. Процесс повторяется до тех пор, пока все строки изображения не передадутся на выход. Далее выполняется реконструкция образа. Поскольку параллельный регистр используется как для формирования изображения, так и для его переноса, то на время процесса сенсорная матрица защищается от попадания света. Ввиду простоты конструкции такие матрицы обладают наивысшим разрешением и плотностью.
Архитектура FT-матрицы (рис. 6) во многом схожа с предыдущей. Различие состоит лишь в том, что здесь добавляется идентичный, но отдельный и нечувствительный к свету параллельный сдвиговый регистр, который называется областью хранения (storage array).
Идея заключается в том, чтобы очень быстро сдвинуть захваченную сцену из фоточувствительной области в область хранения. Перенос зарядовых пакетов из последней выполняется так же, как и для архитектуры FFT. Преимущество такого построения — съемку можно выполнять практически непрерывно. Вследствие того, что для реализации этой архитектуры требуется вдвое большая площадь матрицы, чем для сенсоров FFT, камеры на ее основе имеют меньшее разрешение и более высокую стоимость.
Ограничения FT-архитектуры преодолеваются матрицами с межстрочным переносом. Это достигается разделением функций захвата изображения и переноса информации посредством размещения рядов фотодетекторов между рядами нечувствительных свету или защищенных от него считывающих элементов (рис. 7).
После захвата сцены заряд, накопленный каждым пикселом, немедленно передается в защищенный от света параллельный сдвиговый регистр ПЗС. Затем выполняется уже рассмотренный выше перенос заряда на выходные цепи. Во время этого, как и для FT-матриц, может осуществляться захват следующей сцены. Такая архитектура также обеспечивает высокую скорость съемки, причем степень размытости изображения намного ниже, чем для матриц FT-архитектуры. Основным недостатком межстрочных матриц является сложность их изготовления, приводящая к повышению стоимости. Кроме того, у таких матриц ниже чувствительность, поскольку меньше площадь светочувствительной зоны, что равносильно уменьшению апертуры. Это также ведет к увеличению количества ошибок при оцифровке (квантизации) изображения.
Архитектура КМОП-сенсоров
Остановимся вкратце на архитектуре КМОП-сенсоров (детальное изложение принципов их работы требует отдельной статьи). Сенсоры изображений, построенные на базе структур КМОП, выполняют больше функций на микросхеме, чем ПЗС-матрицы. Кроме генерации электронов проводимости под действием падающего света и их переноса, КМОП-сенсоры могут также производить обработку изображений, выделение контуров, способны понижать уровень шума и осуществлять преобразования аналог-код. Однако наиболее привлекательная их особенность — возможность программирования различных функций. Это позволяет делать КМОП-устройства очень гибкими. Такая интеграция функций на одном чипе является основным преимуществом КМОП над ПЗС. Столь высокая степень интеграции не требует установки в цифровых фотокамерах дополнительных чипов, например процессора цифровой обработки сигналов и АЦП. Вдобавок, поскольку КМОП-устройства потребляют меньше энергии, чем ПЗС, они не так нагреваются и, следовательно, имеют более низкий уровень тепловых шумов.
Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел в начале 90-х, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 г.
APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания (рис. 8), что дает возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в ОЗУ.
С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних необходимо выгрузить всю информацию. Вдобавок к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможно установление отдельных усилителей для каждого цвета, что улучшает, в частности, балансировку белого.
Однако все дополнительные цепи приводят к тому, что у КМОП-сенсоров традиционно возникают такие трудности, как высокий уровень шума, ток утечки и остаточный заряд. Этим недостаткам есть некоторая компенсация: с помощью дополнительных схем можно устранить темновой ток и уменьшить вносимые им помехи. Неудивительно, что при таких возможностях существует множество модификаций КМОП-сенсоров.