ПЗС

читайте также по теме: Стандарты телесигналов, видикон

ПЗС применяются в современных устройствах для передачи как статических, так и динамических изображений: сканеры, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и др. В основе принципа работы лежит способность ячейками ПЗС накапливать заряд в зависимости от их освещенности. Ключевой особенностью ПЗС является принцип считывания образа светового потока. Накопленные заряды по очереди продвигаются по линейной структуре ПЗС к выходу, и таким же порядком поступают на обработку. По сравнению с другими способами преобразования и передачи изображения, например с передающими ЭЛТ (Электронно-Лучевыми Трубками), ПЗС обладают большей чувствительностью к свету, отстутствием геометрических искажений и большей разрешающей способностью.

ПЗС (CCD — Charge Coupled Device, твердотельные фотоэлектрические преобразователи изображения) бывают двух типов: линейно-строчные и матричные. Первые применяются в основном для передачи неподвижных изображений в таких аппаратах, различные следящие системы, построчные сканеры изображений. А последние нашли широкое применение в цифровой фото- и видеоаппаратуре. Прогресс в радиотехнической промышленности позволяет создавать год от года все более совершенные системы и устройства. Так в области видеоаппартуры ПЗС-матрицы вытеснили передающие ЭЛТ благодаря безусловному превосходству по своим основным характеристикам. Благодаря современным технологиям чипы ПЗС могут содержать достаточное количество ячеек, чтобы удовлетворить почти все существующие запросы в качественной четкой передаче изображений.

Рис. 1. Режим хранения информации в ячейках

ПЗС формируются на основе отдельных ячеек, представляющих собой конденсатор МОП-структуры (Метал-Окисел-Подложка). Последовательность ячеек образует цепочку ПЗС, которая может работать в двух-, трех- и четырехтактном режимах. Рассмотрим трехтактный режим работы. В течение первого такта на электроды 1 подается напряжение U₁ = U₀, а все остальные электроды заземляются. Под электродами 1, если на ячейки падают световые потоки, создаются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться заряды. В образованных потенциальных ямах заряды накапливаются и хранятся в течение времени действия напряжения U₁. Этот режим работы называется режимом хранения зарядов.

Рис. 2. Режим переноса заряда в ячейки

Во время второго такта работы на электроды 2 подается положительное напряжение U₂, которое по модулю больше первого в 1,5-2 раза. При этом образовавшиеся заряды под первыми электродами перемещаются под действием возникающего электрического поля под электроды 2 — это режим переноса зарядов. В третьем такте работы электроды 1 и 3 заземляются, а на электроды 2 подается напряжение U₂ = U₀. В этом режиме происходит хранение зарядов под электродами 2.

Рис. 3. Режим хранения зарядов в ячейкех 2

Таким образом, как было указано, заряды могут образовываться за счет фотопроцесса или за счет инжекции в начало цепочки ПЗС через входной p-n (n-p) переход (аналогично для снятия зарядов — в конце). Понятно, что если мы будем поочередно перемещать накопившиеся заряды из одной группы электродов в другую, то на выходе мы можем получить сигнал. Если ПЗС применяется в оптических преобразователях, то после относительно длительной фазы накопления, заряды быстро перемещаются к выходу на выходной усилитель. Тем самым сигнал будет содержать информацию об освещенности соответствующих ячеек ПЗС. Линейная организация ПЗС используется в сканирующих устройсвах или следящих системах. А в цифровых видео- и фотокамерах используют кадровую матричную структуру ПЗС.

сентябрь 1998—ноябрь 1998

Максим Проскурня
Источники: П.В. Шмаков «Телевидение»