в чем состоит принцип работы пзс матрицы

В чем состоит принцип работы пзс матрицы

Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.

Начнем с расшифровки термина.

Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.

Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.

Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.

Кратко о физике процесса.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Рис. 1
Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору

Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если она «глубже». в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.

Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Рис. 5.
Вид на регистр «сверху».
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.

Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.

Проблемы

Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.

Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.

В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)

Как работает система AGC

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).

Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.

Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.

Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.

Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.

Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль «Error Diffusion», в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.

Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»

Пример распечатки профиля:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.

Источник

Матрица цифрового фотоаппарата. Принцип работы.

Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве цифрового фотоаппарата.

Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата. О матрицах фотоаппаратов уже говорилось ранее, теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.

В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

ПЗС-матрица. Устройство. Принцип работы.

Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы.

Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.

Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:

Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа — слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями — дырками, т. к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.

В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.

Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.

Далее используется свойство ПЗС-элементов перемещать заряды под действием подаваемых тактовыми импульсами потенциалов на электроды смещения.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3 ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицыРис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

Для преобразования зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку. Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.

Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов объединяются в ПЗС-матрицу. Работа такой матрицы основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.

Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.

На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).

Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.

Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.

Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.

ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки. Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.

С целью уменьшения интервала между экспонированием отдельных кадров была разработана матрица с буферизацией кадра.

Здесь была рассмотрена физика восприятия света светочувствительным элементом ПЗС-матрицы, но ничего не говорится о цвете. В принципе ПЗС-элемент воспринимает все цвета почти одинаково (есть некоторая спектральная чувствительность, но об этом позже). Каким же образом с помощью Пзс-элементов создается цветное изображение рассматривается далее.

Предлагаю вам на десерт ролик с изумительной музыкой, в котором представлены армянский дудук и скрипка:

Источник

Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы

Предисловие

Два месяца тому назад в статье, посвящённой сравнению LCD и E-Ink дисплеев, я упомянул, что одним из следующих обзоров будет «вскрытие» матрицы современного фотоаппарата. И спешу исполнить данное обещание!

Первым в «коллекцию» светочувствительных матриц попали фронтальная и задняя камеры смартфона одного известного корейского производителя, который был любезно предоставлен Василием Столяровым. Затем хабраюзер DarkWood, живущий недалеко от Москвы, прислал мне свой старенький неработающий фотоаппарат фирмы Pentax (здесь и далее я намеренно не буду указывать точную модель девайсов). Девайс был мёртв и это был хороший повод сдать его в мои заботливые руки, а не выкидывать, как многие делают.

И как только я собрался пилить, поступило ещё одно предложение от моего практически однокурсника, Ильи. От этого предложение я не мог отказаться. Мне презентовали относительно современный Canon, у которого были проблемы со съёмкой изображений.

Таким образом, на красно-революционно-первомайский стол ложатся три кандидата: OEM камера из телефона и фотоаппараты Pentax (самый пожилой среди всех участников) и Canon (пожалуй, самый молодой).

Если ещё кто-то не знает, зачем мы здесь собрались, то в подвале данной статьи есть ссылки на предыдущие «вскрытия». Если же кто-то запамятовал, как работает цифровой фотоаппарат или зачем нужна матрица, то милости просим на Wiki или просто посмотрите это видео от канала Discovery:

Часть теоретическая. CCD и CMOS

На сегодняшний день матрицы, выполненные по технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоевали более 90% мирового рынка, а не так давно безумно популярным CCD (Charge-Coupled Device) уже пророчат скорый закат.

Причин тому масса, вот далеко не полный список преимуществ CMOS-технологии: во-первых, низкое энергопотребление в статическом состоянии по сравнению с CCD, во-вторых, CMOS сразу «выдаёт» цифровой сигнал, который не требует дополнительного преобразования (точнее преобразование происходит на каждом отдельном субпикселе), в отличие от CCD, которое является фактически аналоговым устройством, в-третьих, дешевизна производства, особенно при больших размерах матриц.

Кратко ознакомиться с принципами работы CMOS-матриц можно с помощью в двух видео от компании Canon:

Но все наши пациенты (может быть, за исключением матрицы камеры мобильного телефона) относятся к той эпохе, когда миром безраздельно правил CCD, а CMOS только набирался сил и светочувствительности, чтобы впоследствии занять лидирующие позиции. Поэтому несколько слов, всё же, скажу о том, как работает CCD-матрица. Более подробное описание всегда можно найти на страницах Wiki.

Итак, фотон от объекта съёмки, пройдя сквозь фильтр Байера, то есть цветофильтр типа RGBG, или фильтр RGBW и собирающую микролинзу, попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. Поглощаясь, фотон порождает электро-дырочную пару, которая в ячейке под действием внешнего электрического поля «разделяется», и электрон «отправляется» в копилку – потенциальную яму, где он будет ожидать «чтения».

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Схема устройства CCD матрицы (Источник)

Чтение же в CCD матрицы происходит «поячеечно», если так можно выразиться. Пусть мы имеем массив 5 на 5 пикселей. Сначала мы считываем количество электронов, а по-простому величину электрического тока, с первого пикселя. Затем специальный контроллер «сдвигает» все ячейки на одну, то есть заряд из второй ячейки перетекает в первую. Опять считывается значение и так, пока не будут прочитаны все 5 ячеек. Далее уже другой контроллер сдвигает оставшееся «изображение» на одну строчку вниз и процесс повторяется, пока не будут измерены токи во всех 25 ячейках. Может показаться, что это долгий процесс, однако для 5 миллионов пикселей он занимает считанные доли секунд.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Процесс считывания изображения с CCD матрицы (Источник)

Чтобы было совсем понятно, предлагаю ознакомиться со следующими видео:

Часть практическая

Обычно красивыми разборами занимаются люди в белоснежных перчатках, недавно они добрались и до фотоаппаратов, однако поговаривают, что за видео-инструкцию по сборке необходимо доплатить, отправив смс на короткий номер. Далее будут применяться чуть более чем полностью топорные методы, так что не советую повторять это в домашних условиях…

Как разбирался сотовый телефон всегда можно посмотреть на страницах предыдущей статьи, поэтому не буду здесь приводить эти душераздирающие кадры ещё раз.

Вышеупомянутый фотоаппарат Pentax был предоставлен мисьё DarkWood, у которого, как мне кажется, сейчас сердце должно обливаться кровью, а по щеке катиться скупая мужская слеза:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Разборка Pentax в фотографиях

Из всего многообразия деталей, нас пока интересует лишь LCD дисплей, который будет демонстрироваться школьникам, приходящим к нам, на ФНМ, на экскурсии, сама CCD матрица, стекло с чем-то подозрительно напоминающим поляризатор или фильтр и ИК-подсветка (красная лампочка) для ночной съёмки. Стоит отметить, что матрица жёстко закреплена на корпусе фотоаппарата. Следовательно, все вибрации Ваших рук будут без труда напрямую передаваться на саму матриц, что, согласитесь, никак не способствует качественной фотосъёмке. Видимо, DarkWood имеет железобетонные нервы.

Что между тем не помешало ему, «утопить» свой любимый фотоаппарат. Помните, когда летом Вы оправитесь в тёплые страны на море и будете пытаться сфотографировать очередную накатывающую волну, что фотоаппарат – устройство, в котором токи могут приводить к коррозии.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Следы коррозии прямо на шлейфе, ведущем к кнопке спуска затвора (к сожалению, не единственное такое место)

Сразу видно, что Canon – чуть более продвинутая, более современная модель, нежели Pentax. Например, матрица подпружинена (на левом нижнем изображении хорошо различимы маленькие пружинки). Такая пассивная система стабилизации изображения способствует получению более качественных и чётких снимков, если, конечно, Вы не неврастеник в запущенной стадии!

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
«Внутренности» Canon

Кстати, на фото справа внизу отчётливо виден громадный конденсатор, отвечающий за вспышку, из-за проблем с которым мне когда-то пришлось списать свою цифровую мыльницу Canon.

Камера мобильного телефона

Начнём наши изыскания с камеры мобильного телефона, которой будет посвящено не так много времени и слов в этой статье по причине того, что сама матрица имеет совершенно микроскопические размеры и с ней трудно работать (пилить, шлифовать).

Как не сложно заметить, на оптических микрофотографиях ниже матрица у края имеет две зоны: более светлую и более тёмную. Надеюсь, что все уже догадались: под светлой стороной нет диодов, она нанесена просто так, с запасом, чтобы максимально закрыть собой тонкую душевную организацию матрицы…

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Накроем всё с запасом – нам не жалко

Микрофотографии, полученные с помощью оптического микроскопа, значительно отличаются, от тех, что выдаёт микроскоп электронный. Например, как на счёт «квадратуры сферы»?

Дело в том, что на оптике мы не видим каких-то прозрачных слоёв (да хотя б они и просто менее заметны), тогда как электронная микроскопия – прежде всего метод анализа поверхности, то есть вполне может быть так, что круглые цветные цветофильтры накрыты сверху квадратными «колпаками». При этом размеры такого кубосферического субпикселя составляют около 2,5 микрометров.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Вот такая она, квадратура сферы…кстати, в вакууме…

Матрица фотоаппарата Pentax

Исследование CCD-матрицы фотоаппарата Pentax начнём с оптических микрофотографий. К моему глубокому сожалению, из-за стерических затруднений, как говорят химики, в системе образец-микроскоп, не удалось снять при больших увеличениях и рассмотреть отдельные субпикселы.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Что-то написано, интересно, а можно тут где-нибудь увидеть имена маленьких китайских детишек?

Каждая посадочная площадка под контакты пронумерована, но не к каждой подведён тот самый контактный провод.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
А вот так мы скоро будем учиться считать – с помощью нанотехнологий, естественно…

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Чёткая граница между самой матрицей и «обвязкой»

А следующая микрофотография достойна учебника по электронной микроскопии. Знаете, почему электронный микроскоп не является средством измерения? Да-да, именно поэтому: из-за локального накопления заряда, вроде бы сферические объекты вдруг стали эллипсоидами:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Но мы-то знаем, что это сферы…

Далее взглянем на то, что находится вокруг светочувствительной матрицы. Так как я не являюсь специалистом в области создания электронных схем, то боюсь даже предполагать, зачем нужны все эти сложные конструкции и «хитросплетения» проводников, может быть, найдётся кто-нибудь, готовый пояснить назначение приведённых ниже деталей и компонентов (в комментариях, конечно же)?

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Непоколебимые столбики, пережившие распил и полировку…

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
В этих слоях можно запутаться, а чёрту и ногу сломать

Этот выпуск «Взгляд изнутри» — знаковый, после нескольких лет «мытарств» нам, наконец-то, установили новую систему микроанализа, так что в некоторых случаях, я смогу не только приводить красивые картинки, но и пояснять из каких химических элементов увиденное состоит.

А вот и самое интересное – матрица во всей своей красе. Под сеточкой, в ячейках которой расположились микросферы-линзы, можно видеть отдельные фоточувствительные элементы (ну или их останки, точнее сказать затруднительно). Чуть ниже при обсуждении матрицы Canon я в деталях поясню «cross-section» устройство матрицы. Пока же обратимся к данным локального химического анализа. Оказывается, что сетка состоит из вольфрама, а микросферы, по всей видимости, это диоксид кремния, который сверху «укрыт» каким-то полимерным материалом. С более детальным анализом можно ознакомиться здесь.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Матрица во всей своей сложноустроенной красоте

Возвращаясь к первому СЭМ-изображению в этой главе, хочется отметить, что контактные площадки выполнены из чистого золота (о да!), однако проводники внутри сенсора, по всей видимости, состоят из алюминия, на который тончайшим слоем напылена медь, содержание которой на грани чувствительности прибора. Детальная информация представлена тут.

Матрица фотоаппарата Canon

Продолжим наше погружение в микро- и наномиры мы, как обычно, с оптической микроскопии. Как и в случае с Pentax, матрицу от фотоаппарата Canon не удалось снять на высоком увеличении вследствие геометрических нестыковок. Однако из полученных микрофотографий можно оценить размер отдельного субпикселя – около 1,5 мкм, что гораздо меньше, чем у матрицы мобильного телефона.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Оптические микрофотографии матрицы Canon

Кстати, один из виновников невозможности снимать на оптическом микроскопе при больших увеличениях – «покровное» стекло, закрывающее собой матрицу и её «начинку»:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Хороший кадр: передача за стеклом

Конечно, всегда самое интересное прячется на сколах, где разваливающийся строго упорядоченный мир даёт трещину, позволяющую заглянуть в самые сакраментальные уголки устройства:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Чуть позже мы ещё вернёмся к желтовато-оранжевым областям этой фотографии…

Уже знакомые нам столбики совершенно не понятного предназначения:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Как стойкие оловянные солдатики

Теперь рассмотрим более детально устройство CCD-матрицы. Сверху CCD-матрица покрыта чем-то, напоминающем полимерный слой (1), который защищает фоточувствительные элементы от агрессивной внешней среды. Под ним находятся микролинзы с красителем (2 и 3). Но так как электронная микроскопия не позволяет получать цветные изображения, то точно сказать, окрашена большая или маленькая сферы не представляется возможным. Микролинзы из диоксида кремния (наиболее вероятный материал для их изготовления) закреплены в ячейках вольфрамовой сетки (4), под которой скрывают фоточувствительные элементы (5). И, конечно же, вся эта конструкция покоится на подложке из чистейшего кремния!

С учётом того, что матрица дополнительно защищена «покровным» стеклом, то фотоэлементы защищены лучше, чем президент РФ в своём лимузине (если, конечно, сделать поправку на масштабный фактор).

Данные микроанализа можно скачать тут.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Устройство матрицы по пунктам. Описание в тексте

Но и это ещё не всё. У нас же осталось ещё стёклышко, прикрывающее матрицу, которое, как кажется, является поляризатором. Оно несколько шероховатое по краям, но практически идеально гладкое по всей остальной площади поверхности. Вроде бы оптическая микроскопия не даёт никаких результатов: стекло, как стекло.

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Стекло с подозрением на поляризатор: ничего необычного

И только с помощью электронной микроскопии удаётся увидеть химконтраст на изображении и полосатую структуру. Толщина такой «плёнки» составляет всего-навсего 2,5 микрометра, при этом размеры отдельных слоёв 180 и 100 нм, соответственно, для более тёмных и более светлых. На основании данных микроанализа (тут), рискну предположить, что более тёмные области обогащены титаном, а светлые – алюминием. По-моему, это потрясающе!

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Оказывается, внутри фотоаппарата своя полосата жизнь!

Послесловие

Такой мир уходящего века CCD-матриц предстал перед нами сегодня.

Спасибо всем (Василию за телефон, Илье и DarkWood за фотоаппараты), кто внёс свой посильный вклад в создание данной статьи. Вы – молодцы, что поддержали в этом нелёгком начинании!

И апофеоз данной статьи, а точнее его апофигей:

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Покойтесь с миром, пока мы не придумаем вам нового применения

Бонус 1. Как выглядит зелёная пылевая буря в Москве?

Хотел сначала отдельным постом выложить, но решил не захламлять пространство. Буквально несколько дней назад Москву накрыло жёлто-зелёное облако, многие уже начали было готовится к приходу апокалипсиса, но обошлось… Что в реальности явилось причиной столь странной окраски?

Климат в последнее время барахлит на этой планете: то на Новый Год оставит без снега, то завалит снегом по самую макушку, то весна будет похожа на зиму, то вдруг неожиданно наступит лето. Цветы, деревья и растительность менее приспособлены к такого рода пертурбациям, поэтому 1,5 месяца весны сжавшиеся в 1 неделю заставили растения пересмотреть свои планы по размножению…

Утром, сев за письменный стол, я обнаружил на нём слой пыли, а протерев салфеткой, понял, что надо бы эту пыль как следует изучить. Сказано – сделано!

Но для всех у меня две новости: хорошая и плохая.

Хорошая новость – окраска жёлто-зелёного облака действительно была обусловлена большим количеством пыльцы (я насчитал, как минимум, три вида):

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Состав московской бури: пыльца… Справа внизу пыльца на поверхности части растения

Плохая новость – этим мы тоже дышим, причём каждый день, а не в периоды размножения растений (микро- и наночастицы, которые не каждый фильтр поймает):

в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Смотреть картинку в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Картинка про в чем состоит принцип работы пзс матрицы. Фото в чем состоит принцип работы пзс матрицы
Состав московской бури: не очень приятная пыль и грязь

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *