Датчиками зображення називаються напівпровідникові пристрої, що перетворюють світловий потік (фотони) в електричну напругу з подальшим отриманням його значення у цифровому вигляді Твердотілим датчиком зображення є напівпровідниковий фоточуттєвий прилад – фотосканерів На основі фізичних ефектів, що виникають у напівпровідниках під дією світлового випромінювання, зявився Charge Coupled Device (CCD) – прилад із зарядним звязком (ПЗЗ) Функціонально ПЗС – це прилад, що сприймає зображення і здійснює його розкладання на елементарні фрагменти, сканування (поелементне електронне зчитування) і формування на виході відеосигналу, адекватного зображенню Сучасні датчики зображення створюються на основі ПЗС-і КМОП-технології Основною відмінністю між ними є спосіб перенесення електронів в матриці, а також можливість КМОП реалізовувати додаткові функції безпосередньо на кристалі Область застосування КМОП-пристроїв набагато ширше галузі використання ПЗС-пристроїв КМОП-пристрої мають ряд додаткових переваг:

– архітектура КМОП дозволяє розташувати на одному кристалі процесор обробки зображення і аналого-цифровий перетворювач

– геометричні розміри КМОП-датчиків значно менше ПЗС

– економічність з точки зору енергоспоживання

ПЗС-датчики мають більшу світлочутливістю, широким динамічним діапазоном і меншими шумами

Датчики зображення в більшості випадків створюються на основі кремнію Коли фотони потрапляють на кристал кремнію, електрони кремнію збуджуються і руйнують ковалентний звязок, яка утримує їх в атомі Кількість вивільнених електронів прямо пропорційно потужності світлового потоку Енергія фотонів повинна бути більше, ніж заборонена зона кремнію – 1,1 еВ Цей енергетичний барєр долають електромагнітні хвилі видимої частини спектра (від 400 до 750 їм) і хвилі, близькі до інфрачервоного спектру (до 1100 нм) Хвилі довжиною менше 400 нм можуть бути поглинені або відображені датчиком У тому випадку, коли енергія фотонів менше, ніж ширина забороненої зони, а це відбувається при довжинах хвиль понад 1100 нм, фотони проходять крізь кристал кремнію, не викликаючи появи вільних електронів З цієї причини саме кремній використовується для створення датчиків зображення Технологія зчитування вільних електронів визначає конструкцію датчиків, а якість і чистота кремнієвої підкладки – квантову ефективність кристала

Датчик зображення складається з набору пікселів, які являють собою світлочутливі елементи Зазвичай пікселі розташовуються у вузлах перетину рядків і стовпців в передбачуваній координатної сітки Область, на яку падає світло, називається апертурою (aperture) Світлочутлива область пікселів, перетворювати отримані кванти світла в електрони, називається фото детектором Електрони фотодетектора накопичуються у так званому зарядовим колодязі або потенційної ямі (рис 11) Величина заряду залежить від інтенсивності світла, що падає на поверхню фотодетектора Відповідно, зарядовий колодязь містить деяку частину інформації про вихідний зображенні у вигляді електричного заряду

Рис 11 Елемент трифазного З CD

Тут зображено пристрій одного пікселя, що працює в режимі накопичення та використовує явище внутрішнього фотоефекту Структура складається з кремнієвої підкладки / 7-типу, ізолюючого шару двоокису кремнію і розташовуються на ньому електродів Основними носіями заряду в підкладці є позитивно заряджені дірки Під одним з електродів при подачі на нього позитивного потенціалу (+ U) утворюється область, збіднена основними носіями На інших електродах потенціал в цей момент дорівнює нулю (U = 0) Коли фотон світлового випромінювання проникає в кремнієву підкладку, відбувається генерація пари носіїв заряду – електрона і дірки Під дією позитивного потенціалу дірка відштовхується вглиб кристала, і під відповідним електродом за рахунок сил електростатичного поля скупчуються неосновні носії заряду – електрони Надалі відбувається перенесення цього заряду в область зберігання шляхом послідовної подачі напруги на наступні один за одним електроди Якщо елементи організовані в вигляді двомірного масиву, перенесення проводиться цілими рядками З області зберігання заряди послідовно подаються на вихідний підсилювач, що перетворює заряд в напругу, яка надходить потім на аналого-цифровий перетворювач Для поліпшення функціонування CCD-матриці під шар оксиду кремнію наносять тонкий п-шар, так званий обємний канал переносу Його наявність дозволяє позбутися впливу дефектів поверхневого шару напівпровідника, що дає можливість поліпшити чіткість одержуваного зображення і знижує величину темного сигналу Крім цього для усунення розтікання заряду при великій освітленості використовують антиблікове покриття, яке наноситься на підкладку матриці і дозволяє поглинати «зайві» фотони, підвищуючи чіткість зображення на верхній межі динамічного діапазону Основними характеристиками датчиків зображення є:

– розмір пікселя (наприклад, 14×14 мкм або 3,1 χ 3,1 мкм):

– кількість пікселів, що визначає роздільну здатність датчика (наприклад, для матриці – 2048 χ 2048 або 2452 χ 1634)

– оптичний формат – це розмір діагоналі активної області

матриці фотоелементів в дюймах (наприклад, формат CIF – Common Intermediate Format: 352 χ 288 dpi, 101 400 пікселів або SVGA – Super Video Graphics Array: 1024 χ 768 dpi, 786 400 пікселів)

– чутливість – під нею розуміється відношення величини електричного сигналу, вироблюваного датчиком, до його освітленості В / (люкс / с) У чорно-білих датчиків висока чутливість в інфрачервоному діапазоні Для кольорових датчиків значення чутливості вказується окремо для різних довжин хвиль Спектральна чутливість кольорових датчиків зображення близька до чутливості людського ока

– квантова ефективність – відношення числа зареєстрованих фотонів до їх загального числа, що потрапив на світлочутливу область матриці датчика Для CCD-датчиків квантова ефективність досягає 95% Для порівняння, квантова ефективність людського ока становить близько 1%

– динамічний діапазон – це відношення максимального вихідного сигналу датчика до його власного рівню шуму, дБ Людське око має динамічний діапазон близько 200 дБ Жоден штучний прилад не має настільки високим значенням цього параметра

– Відношення сигнал / шум – величина, що дорівнює відношенню корисного відеосигналу до рівня шуму, дБ прийнятним ставленням вважається величина не менше 50 дБ

Будова пікселів КМОП-і ПЗС-матриць приблизно однакове Піксели матриці світлочутливі тільки в області прямого або близького до прямого кута падіння світлового потоку, де зарядова ємність пікселя максимальна Для корекції кута падіння світла і збільшення світлочутливості над кожним пикселом матриці встановлюється опукла мініатюрна лінза (рис 12) Мікролінзи створюються нанесенням резистивного матеріалу на матрицю по сітці розташування пікселів Форма і характеристики мікролінз залежать від товщини і властивостей використовуваного резистивного матеріалу

Рис 12 Структура кольорового CMOS-датчика з мікролінзами

Таким чином, будь КМОП-або ПЗС-датчик зображення виконує пять основних функцій: поглинання квантів світла перетворення їх в електричний заряд накопичення електричного заряду передачу цього заряду і перетворення його в напругу Прилад із зарядним звязком отримав свою назву за способом передачі заряду між зарядовими колодязями і виведення заряду з матриці (рис 13) Заряди зсуваються від одного горизонтального ряду пікселів до подальшого горизонтальному ряду, зверху вниз через підрядник

Рис 13 Алгоритм функціонування чотирьохфазна CCD: а – характер переміщення зарядів б – епюри напруги керуючих входів

Така паралельна архітектура з вертикальними зсувними регістрами використовується для передачі зарядів Заряди переміщаються в звязці. Коли переміщається одна з рядків зарядів, на звільнене місце пересуваються всі заряди з строчки вище Останній рядок в самій нижній позиції являє собою горизонтальний зсувний регістр У цій сходинці всі заряди послідовно покидають датчик, при цьому звільняється місце для нової «звязки» зарядів Перед тим як покинути ПЗС-датчик, заряд кожного пікселя посилюється, і на виході генерується аналоговий сигнал з різною напругою Далі цей сигнал пересилається на окремий аналого-цифровий перетворювач (АЦП) На виході АЦП формується послідовність двійкових даних, що представляють

рядок зображення, отриманого датчиком На відміну від оперативної памяті компютера, де логічна одиниця або нуль представлені наявністю або відсутністю заряду, заряд на ПЗС зберігається в аналоговому вигляді до тих пір, поки не перетвориться АЦП Переміщення зарядів по ПЗС здійснюється управлінням затворами (електронними воротами) Функціонально бувають пропускають затвори (transfer gates), експонують затвори (exposure control) і затвори переповнення (overflow gates) На пропускають затвори подається тактовий імпульс різної напруги, в результаті чого заряд здатний переміщатися від одного пікселя до іншого, строчки зарядів зміщуються вниз, і відбувається послідовне зчитування зарядів з нижньої строчки Експонує затвор ПЗС-датчика, керований напругою, впливає на час експозиції, тобто на тривалість отримання пикселом фотонів і перетворення їх в електрони Затвори переповнення використовуються для запобігання розсіювання електронів і зменшення впливу зарядів сусідніх пікселів Розглянемо управління передачею зарядів на прикладі ПЗС, в якому на кожен піксель доводиться чотири електроди (рис 14)

Рис 14 CMOS active-pixel – архітектура G – зелений фільтр R – червоний фільтр В – синій фільтр

Кількість електродів-фаз на піксель залежить від конкретної моделі ПЗС-датчика Спочатку кожен піксель отримує однакову напругу Далі, якщо на

електрод надходить висока напруга, під ним у кремнієвій підкладці створюється зарядовий колодязь Якщо надходить низька напруга, створюється потенційний барєр, який дозволяє утримувати електрони (Дані зображення) в зарядовим колодязі Таким чином, при зміні вхідної напруги, що подається на сусідні пікселі в певні моменти часу, зарядові колодязі переміщуються попіксельно, то Тобто створюється ефект зарядовим звязку Процес починається з першого такту вимиканням першого і другого електродів і включенням третього і четвертого На другому такті включається перший електрод і вимикається третій На третьому такті включається другий електрод і вимикається четвертий На останньому четвертому такті включається третій і вимикається перший електрод наступного піксела Потім процес повторюється знову, виконуючи просування заряду по датчику Існують чотири основні типи ПЗС-датчиків: лінійні (linear) черезрядкові (interline) повноформатні (full frame) з покадровим перенесенням (frame transfer)

У лінійному ПЗС-датчику всі пікселі розташовані на єдиному рядку Лінійні ПЗС використовуються в планшетних сканерах і в цифрових блоках-насадках до плівковим среднеформатним камерам Решта типів ПЗС-датчиків відносяться до матричних ПЗЗ

У черезрядкових ПЗС електричний заряд пікселя швидко зрушуватися на сусідню накапливаемую область заряду, за якою він, рядок за рядком, переміщується вниз до горизонтального сдвиговому регістру Це дозволяє зарядовому криниці пікселя приймати наступну порцію фотонів Швидка готовність апертури пікселя приймати наступний кадр зображення дозволяє отримувати потокове відео Недоліком черезрядковою технології є значне зменшення світлочутливої ​​області, дозволу датчика (можлива щільність пікселів) Усунення цього недоліку в ПЗС-датчиках досягається використанням мікролінз, концентрують потік фотонів на світлочутливі області

У повноформатних ПЗС піксел служить тільки для «захоплення» зображення, тому під час передачі заряду піксел не повинен приймати фотони щоб уникнути розмазування зображення З цією метою пристрій забезпечений механічним затвором Повноформатні ПЗС мають високий дозвіл

У ПЗС з покадровим перенесенням для тимчасового зберігання заряду відводиться половина матриці Ця область матриці називається матрицею зберігання Як тільки в світлочутливих елементах матриці накопичується заряд, він швидко переміщається в матрицю зберігання Такий тип матриць не вимагає використання механічного затвора, що дозволяє дуже швидко захоплювати зображення Однак заряд не завжди повністю встигає переміститися в матрицю зберігання до моменту початку накопичення наступного заряду в світлочутливих елементах датчика і зображення може вийти розмитим

КМОП-технологія дозволяють створювати на одному кристалі датчики, які перетворюють фотони в електрони, переміщують їх, обробляють отримане зображення, виділяють контур, мінімізують і усувають шуми (наприклад від темнового струму) і виконують аналого-цифрові перетворення Також можуть створюватися програмовані КМОП-датчики, на основі яких можна проектувати гнучкі багатофункціональні пристрої з малим енергоспоживанням

У технології CMOS active-pixel-sensor у кожного пікселя зявився свій зчитує транзисторний підсилювач, який перетворює заряд в напругу безпосередньо на пікселі і створює можливість довільного доступу до пикселу, аналогічно оперативної памяті (рис 14) Зчитування заряду з активних пікселів відбувається за паралельною схемою, при якій сигнал з кожного пікселя або колонки пікселів зчитується безпосередньо Такий довільний доступ дозволяє КМОП-датчику зчитувати не всю матрицю цілком, а відбирати групи пікселів Цей метод отримав назву віконного зчитування (windowing readout), тобто при захопленні зображення КМОП-датчик може зменшити його розмір, що істотно збільшує швидкість отримання зображення Крім підсилювачів, розташованих у кожного пікселя, схеми підсилення можуть бути розташовані в будь-якій області кристала, що дозволяє створювати кілька каскадів посилення по всьому датчику Однак додаткові елементи, розміщені на кристалі, створюють перешкоди (струми витоку транзисторів, діодів, залишковий заряд) Схематично принцип роботи датчика наведено на рис 15 Принципова особливість такої архітектури в тому, що в кожному пікселі крім фоточутливого елемента (фотодіода, рис 15, а чи фотозатвора, рис 15, б) знаходиться активна транзисторна схема посилення сигналу фото датчика, виконана по С MOS-tqx н о л о г і і Активний елемент датчика утворений фотодиодом VD або фототранзистором VT і чотирма транзисторами VT 1 .. VT4, керуючими процесом отримання та зчитування потенціалу зображення, створеного світловим потоком і накопиченого фотодиодом або фототранзистором У режимі накопичення фотодиодом фотогенерованих електронів (інформація про зображення) керуючий імпульс RST, що надходить на базу транзистора VT 1, дорівнює нулю, потенціал на фотодіоді зменшується, а потенціал загальної точки зєднання транзисторів VTl, VT2 і СУЗ змінюється за значенням («плаваючий» вузол) У режимі вибірки інформації короткочасний керуючий імпульс RST надходить на затвор транзистора VT2 і дорівнює 1 VT2 відкривається і потенціал «плаваючого» вузла відновлюється до рівня напруги харчування [ЛШт (Стирання попередньої інформації) Потім на всі активні елементи вибраного рядка подається імпульс R на затвор транзистора VT 1, відкриваючи його Накопичений фотодиодом потенціал заряду передається в точку А Для подальшої вибірки інформації керуючий імпульс RS = 1 (вибірка рядка) подається на транзистор VT4 Він відкривається і спільно з транзистором VT3 утворює істоковий повторювач На шину стовпця подається посилений за потужністю потенціал, накопичений фотодиодом На шини стовпців передаються лічені потенціали всіх елементів вибраного рядка Дешифратор стовпців послідовно вибирає потенціали шин і передає їх на схему аналогової обробки сигналів окремих елементів матриці Після закінчення зчитування сигнал RS роблять рівним 1, транзистор VT4 закривається Починається накопичення потенціалу зарядів наступного кадру зображення У ПЗС-датчиках фоточутлива область займає більшу частину площі активного елемента, що визначається фактором заповнення (Fill Faktor-/ * 7/), Який може досягати 100%

Рис 15 CMOS Active-pixel-sensor архітектура з фотодиодом (a) і фотозатвор (б)

У КМОП-датчиках фоточутлива область займає лише частину площі, а решта площі зайнята шинами і КМОП-транзисторами Тут FF становить 30-35% Для підвищення фоточутливості КМОП-датчика використовуються мікролінзи, які фокусують більшу частину світлового потоку на фотодіод Це дозволяє отримати значення FF при перпендірулярном напрямку світлового потоку до 80%, а за інших умов – До 45-50%

Принципово датчик зображення визначає лише градації сірого, тобто інтенсивність світла від білого до абсолютно чорного Для створення кольорового зображення на кремній за допомогою процесу фотолітографії наноситься шар кольорових фільтрів, який поміщається між мікролінзами і світлочутливими елементами (рис 12) Кожен піксель відповідає за «свій» колір, для чого над ним поміщається відповідний фільтр Фотони, перш ніж потрапити на піксель, проходять через фільтр, який пропускає світло з довжинами хвиль тільки «свого» кольору Світло з іншими довжинами хвиль поглинається фільтром У моделі RGB таких кольору три: червоний, зелений і синій (система Байєра) Фільтри розташовані поперемінно, в шаховому порядку, причому кількість зелених фільтрів у два рази більше, ніж червоних і синіх Порядок розташування фільтрів такий, що червоні і сині фільтри розташовані між зеленими Таке співвідношення пояснюється будовою людського ока Розташування фільтрів в шаховому порядку забезпечує колірну рівномірність зображення незалежно від того, як розташований датчик під час зйомки: горизонтально або вертикально Інформація з такого датчика зчитується послідовно, через підрядник, за рядком BGBGBG послідує GRGRGR

У ПЗС-датчиках підсумовування трьох кольорів для отримання кольорового зображення виконується поза датчика Накладення квітів відбувається в пристрої обробки зображення після того, як сигнал перетворений з аналогової форми в цифрову У КМОП-датчиках суміщення кольорів може відбуватися безпосередньо на кристалі У будь-якому випадку первинні кольори кожного пікселя математично інтерполюються з урахуванням кольорів сусідніх пікселів Насправді лише деякі частини зображення мають точний червоний, зелений або синій колір, більшість з них виходять в результаті суміщення цих трьох кольорів При інтерполяції обробляється матриця пікселів розміром 3×3 При цьому для визначення кольору центрального пікселя порівнюються і враховуються значення навколишніх пікселів

Однією з характеристик датчика зображення є дозвіл В оптиці дозвіл – це міра здатності оптичного пристрою, в тому числі і людського ока, розрізняти окремі лінії на спеціальних діаграмах У компютерній техніці дозволом прийнято називати кількість пікселів, яке можна відобразити на екрані Кількість пікселів, або дозвіл датчика, повязано з розміром файлу одержуваного зображення і з його подальшою обробкою Чим більше пікселів, тим більше файл Так, наприклад, датчик зображення формату VGA розміру 640 х 480 або 307 200 активних пікселів займатиме в стислому вигляді приблизно 900 Кб (307200 пікселів, по 3 байта RGB на піксель складе 921 600 байтів, або 921 600/1024 складе 900 Кб) Крім оптичного дозволу (реальна здатність пікселів реагувати на фотони), існує також дозвіл, підтримуване програмними засобами, що використовують інтерполюються алгоритми При інтерполяції дозволу математично аналізуються дані сусідніх пікселів, в результаті чого створюються проміжні, додаткові значення сусідніх пікселів

Іншою характеристикою датчика зображення є динамічний діапазон, який характеризує його здатність «захоплювати» відтінки зображення від найтемніших до самих світлих тонів Чим ширше цей діапазон, тим більше відтінків зображення фіксується датчиком Співвідношення сигнал / шум також є важливою характеристикою датчика, тобто неможливо визначити динамічний діапазон датчика, не знаючи його рівень шуму Датчики зображення є електронними пристроями, перешкоди в яких можуть виникнути з цілого ряду причин, і всі ці причини призводять до небажаних ефектів, що викривляє зображення, тобто до шумів У деяких випадках пікселі нерівномірно реагують на світло, що призводить до утворення зон з різною чутливістю З усіх шумів саму негативну роль, особливо у звязку з динамічним діапазоном, грає темновой струм Темновой ток – це струм, що виникає в електричному ланцюзі датчика при відсутності світлового потоку Основна причина появи темнового струму – це домішки в кремнієвій підкладці або пошкодження кристалічної решітки кремнію Динамічний діапазон також залежить від розміру пікселя Чим менше піксель, тим менше його зарядова ємність, тим менше динамічний діапазон Ставлення розміру датчика до кількості пікселів також впливає на рівень шуму Більш щільне розташування пікселів на датчику призводить до зменшення розміру пікселів і, відповідно, до збільшення ймовірності появи електричних перешкод, що знижує динамічний діапазон

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р