ДАТЧИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

March 13, 2014 by admin Комментировать »

Датчиками изображения называются полупроводниковые устройства, преобразующие световой поток (фотоны) в электрическое напряжение с последующим получением его значения в цифровом виде. Твердотельным датчиком изображения является полупроводниковый фоточувствительный прибор – фотосканер. На основе физических эффектов, возникающих в полупроводниках под действием светового излучения, появился Charge Coupled Device (CCD) – прибор с зарядовой связью (ПЗС). Функционально ПЗС – это прибор, воспринимающий изображение и осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, сканирование (поэлементное электронное считывание) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. Современные датчики изображения создаются на основе ПЗС- и КМОП-технологии. Основным отличием между ними является способ переноса электронов в матрице, а также возможность КМОП реализовывать дополнительные функции непосредственно на кристалле. Область применения КМОП- устройств намного шире области использования ПЗС-устройств. КМОП- устройства имеют ряд дополнительных преимуществ:

–   архитектура КМОП позволяет расположить на одном кристалле процессор обработки изображения и аналого-цифровой преобразователь;

–   геометрические размеры КМОП-датчиков значительно меньше ПЗС;

–   экономичность с точки зрения энергопотребления.

ПЗС-датчики обладают большей светочувствительностью, широким динамическим диапазоном и меньшими шумами.

Датчики изображения в большинстве случаев создаются на основе кремния. Когда фотоны попадают на кристалл кремния, электроны кремния возбуждаются и разрушают ковалентную связь, удерживающую их в атоме. Количество высвободившихся электронов прямо пропорционально мощности светового потока. Энергия фотонов должна быть больше, чем запрещённая зона кремния – 1,1 эВ. Этот энергетический барьер преодолевают электромагнитные волны видимой части спектра (от 400 до 750 им) и волны, близкие к инфракрасному спектру (до 1100 нм). Волны длиной менее 400 нм могут быть поглощены или отражены датчиком. В том случае, когда энергия фотонов меньше, чем ширина запрещённой зоны, а это происходит при длинах волн свыше 1100 нм, фотоны проходят сквозь кристалл кремния, не вызывая появления свободных электронов. По этой причине именно кремний используется для создания датчиков изображения. Технология считывания свободных электронов определяет конструкцию датчиков, а качество и чистота кремниевой подложки – квантовую эффективность кристалла.

Датчик изображения состоит из набора пикселов, которые представляют собой светочувствительные элементы. Обычно пикселы располагаются в узлах пересечения строк и столбцов в предполагаемой координатной сетке. Область, на которую падает свет, называется апертурой (aperture).Светочувствительная область пикселов, преобразовывающая полученные кванты света в электроны, называется фото детектором. Электроны фотодетектора накапливаются в так называемом зарядовом колодце или потенциальной яме (рис. 1.1). Величина заряда зависит от интенсивности света, падающего на поверхность фотодетектора. Соответственно, зарядовый колодец содержит некоторую часть информации об исходном изображении в виде электрического заряда.

Рис. 1.1. Элемент трехфазного С CD

Здесь изображено устройство одного пиксела, работающего в режиме накопления и использующего явление внутреннего фотоэффекта. Структура состоит из кремниевой подложки /7-типа, изолирующего слоя двуокиси кремния и располагающихся на нем электродов. Основными носителями заряда в подложке являются положительно заряженные дырки. Под одним из электродов при подаче на него положительного потенциала (+U) образуется область, обедненная основными носителями. На остальных электродах потенциал в этот момент равен нулю (U = 0). Когда фотон светового излучения проникает в кремниевую подложку, происходит генерация пары носителей заряда – электрона и дырки. Под действием положительного потенциала дырка отталкивается вглубь кристалла, и под соответствующим электродом за счет сил электростатического поля скапливаются неосновные носители заряда – электроны. В дальнейшем происходит перенос этого заряда в область хранения путем последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. Если элементы организованы в виде двухмерного массива, перенос производится целыми строками. Из области хранения заряды последовательно подаются на выходной усилитель, преобразующий заряд в напряжение, которое поступает затем на аналого-цифровой преобразователь. Для улучшения функционирования CCD-матрицы под слой окисла кремния наносят тонкий п- слой, так называемый объемный канал переноса. Его наличие позволяет избавиться от влияния дефектов поверхностного слоя полупроводника, что дает возможность улучшить четкость получаемого изображения и снижает величину темного сигнала. Кроме этого для устранения растекания заряда при большой освещенности используют антибликовое покрытие, которое наносится на подложку матрицы и позволяет поглощать «лишние» фотоны, повышая четкость изображения на верхней границе динамического диапазона. Основными характеристиками датчиков изображения являются:

–   размер пиксела (например, 14×14 мкм или 3,1 χ 3,1 мкм):

–   количество пикселей, что определяет разрешающую способность датчика (например, для матрицы – 2048 χ 2048 или 2452 χ 1634);

–   оптический формат – это размер диагонали активной области

матрицы фотоэлементов в дюймах (например, формат CIF – Common Intermediate Format: 352 χ 288 dpi, 101 400 пикселов или SVGA – Super Video Graphics Array: 1024 χ 768 dpi, 786 400 пикселов);

–   чувствительность – под ней понимается отношение величины электрического сигнала, вырабатываемого датчиком, к его освещенности; В/(люкс/с). У черно-белых датчиков высока чувствительность в инфракрасном диапазоне. Для цветных датчиков значение чувствительности указывается отдельно для разных длин волн. Спектральная чувствительность цветных датчиков изображения близка к чувствительности человеческого глаза;

–   квантовая эффективность – отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы датчика. Для CCD-датчиков квантовая эффективность достигает 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого глаза составляет около 1%;

–   динамический диапазон – это отношение максимального выходного сигнала датчика к его собственному уровню шума, дБ. Человеческий глаз имеет динамический диапазон около 200 дБ. Ни один искусственный прибор не обладает столь высоким значением этого параметра;

– отношение сигнал/шум – величина, равная отношению полезного видеосигнала к уровню шума, дБ; приемлемым отношением считается величина не менее 50 дБ.

Строение пикселов КМОП- и ПЗС-матриц примерно одинаковое. Пикселы матрицы светочувствительны только в области прямого или близкого к прямому углу падения светового потока, где зарядовая ёмкость пиксела максимальна. Для коррекции угла падения света и увеличения светочувствительности над каждым пикселом матрицы устанавливается выпуклая миниатюрная линза (рис. 1.2). Микролинзы создаются нанесением резистивного материала на матрицу по сетке расположения пикселов. Форма и характеристики микролинз зависят от толщины и свойств используемого резистивного материала.

Рис. 1.2. Структура цветного CMOS-датчика с микролинзами

Таким образом, любой КМОП- или ПЗС-датчик изображения выполняет пять основных функций: поглощение квантов света; преобразование их в электрический заряд; накопление электрического заряда; передачу этого заряда и преобразование его в напряжение. Прибор с зарядовой связью получил своё название по способу передачи заряда между зарядовыми колодцами и вывода заряда из матрицы (рис. 1.3). Заряды сдвигаются от одного горизонтального ряда пикселов к последующему горизонтальному ряду, сверху вниз построчно.

Рис. 1.3. Алгоритм функционирования четырехфазного CCD: а – характер перемещения зарядов; б – эпюры напряжения управляющих входов.

Такая параллельная архитектура с вертикальными сдвиговыми регистрами используется для передачи зарядов. Заряды перемещаются «в связке». Когда перемещается одна из строчек зарядов, на освободившееся место передвигаются все заряды из строчки выше. Последняя строчка в самой нижней позиции представляет собой горизонтальный сдвиговый регистр. В этой строчке все заряды последовательно покидают датчик, при этом освобождается место для новой «связки» зарядов. Перед тем как покинуть ПЗС-датчик, заряд каждого пиксела усиливается, и на выходе генерируется аналоговый сигнал с различным напряжением. Далее этот сигнал пересылается на отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). На выходе АЦП формируется последовательность двоичных данных, представляющих

строчку изображения, полученного датчиком. В отличие от оперативной памяти компьютера, где логическая единица либо ноль представлены наличием или отсутствием заряда, заряд на ПЗС сохраняется в аналоговом виде до тех пор, пока не преобразуется АЦП. Перемещение зарядов по ПЗС осуществляется управлением затворами (электронными воротами). Функционально бывают пропускающие затворы (transfer gates), экспонирующие затворы (exposure control) и затворы переполнения (overflow gates).На пропускающие затворы подается тактовый импульс различного напряжения, в результате чего заряд способен перемещаться от одного пиксела к другому, строчки зарядов смещаются вниз, и происходит последовательное считывание зарядов с нижней строчки. Экспонирующий затвор ПЗС-датчика, управляемый напряжением, влияет на время экспозиции, т. е. на продолжительность получения пикселом фотонов и преобразования их в электроны. Затворы переполнения используются для предотвращения рассеивания электронов и уменьшения воздействия зарядов соседних пикселов. Рассмотрим управление передачей зарядов на примере ПЗС, в котором на каждый пиксел приходится четыре электрода (рис. 1.4).

Рис. 1.4. CMOS active-pixel – архитектура G — зеленый фильтр; R — красный фильтр; В — синий фильтр

Количество электродов-фаз на пиксел зависит от конкретной модели ПЗС- датчика. Вначале каждый пиксел получает одинаковое напряжение. Далее, если на

электрод поступает высокое напряжение, под ним в кремниевой подложке создаётся зарядовый колодец. Если поступает низкое напряжение, создаётся потенциальный барьер, который позволяет удерживать электроны (данные изображения) в зарядовом колодце. Таким образом, при изменении входного напряжения, подаваемого на соседние пикселы в определённые моменты времени, зарядовые колодцы перемещаются попиксельно, то есть создаётся эффект зарядовой связи. Процесс начинается с первого такта выключением первого и второго электродов и включением третьего и четвертого. На втором такте включается первый электрод и выключается третий. На третьем такте включается второй электрод и выключается четвёртый. На последнем четвёртом такте включается третий и выключается первый электрод следующего пиксела. Затем процесс повторяется снова, выполняя продвижение заряда по датчику. Существуют четыре основных типа ПЗС- датчиков: линейные (linear); чересстрочные (interline); полноформатные (full frame); с покадровым переносом (frame transfer).

В линейном ПЗС-датчике все пикселы расположены на единственной строке. Линейные ПЗС используются в планшетных сканерах и в цифровых блоках- насадках к плёночным среднеформатным камерам. Остальные типы ПЗС-датчиков относятся к матричным ПЗС.

В чересстрочных ПЗС электрический заряд пиксела быстро сдвигаться на соседнюю накапливаемую область заряда, по которой он, строчка за строчкой, перемещается вниз к горизонтальному сдвиговому регистру. Это позволяет зарядовому колодцу пиксела принимать следующую порцию фотонов. Быстрая готовность апертуры пиксела принимать следующий кадр изображения позволяет получать потоковое видео. Недостатком чересстрочной технологии является значительное уменьшение светочувствительной области, разрешения датчика (возможная плотность пикселов). Устранение этого недостатка в ПЗС-датчиках достигается использованием микролинз, концентрирующих поток фотонов на светочувствительные области.

В полноформатных ПЗС пиксел служит только для «захвата» изображения, поэтому во время передачи заряда пиксел не должен принимать фотоны во избежание размазывания изображения. С этой целью устройство снабжено механическим затвором. Полноформатные ПЗС имеют высокое разрешение.

В ПЗС с покадровым переносом для временного хранения заряда отводится половина матрицы. Эта область матрицы называется матрицей хранения. Как только в светочувствительных элементах матрицы накапливается заряд, он быстро перемещается в матрицу хранения. Такой тип матриц не требует использования механического затвора, что позволяет очень быстро захватывать изображение. Однако заряд не всегда полностью успевает переместиться в матрицу хранения до момента начала накапливания следующего заряда в светочувствительных элементах датчика и изображение может получиться размытым.

КМОП-технология позволяют создавать на одном кристалле датчики, которые преобразовывают фотоны в электроны, перемещают их, обрабатывают полученное изображение, выделяют контур, минимизируют и устраняют шумы (например от темнового тока) и выполняют аналого-цифровые преобразования. Также могут создаваться программируемые КМОП-датчики, на основе которых можно проектировать гибкие многофункциональные устройства с малым энергопотреблением.

В технологии CMOS active-pixel-sensor у каждого пиксела появился свой считывающий транзисторный усилитель, который преобразует заряд в напряжение непосредственно на пикселе и создает возможность произвольного доступа к пикселу, аналогично оперативной памяти (рис. 1.4). Считывание заряда с активных пикселов происходит по параллельной схеме, при которой сигнал с каждого пиксела или колонки пикселов считывается напрямую. Такой произвольный доступ позволяет КМОП-датчику считывать не всю матрицу целиком, а отбирать группы пикселов. Этот метод получил название оконного считывания (windowing readout), т. е. при захвате изображения КМОП-датчик может уменьшить его размер, что существенно увеличивает скорость получения изображения. Помимо усилителей, расположенных у каждого пиксела, схемы усиления могут быть расположены в любой области кристалла, что позволяет создавать несколько каскадов усиления по всему датчику. Однако дополнительные элементы, размещённые на кристалле, создают помехи (токи утечки транзисторов, диодов, остаточный заряд). Схематично принцип работы датчика приведен на рис. 1.5. Принципиальная особенность такой архитектуры в том, что в каждом пикселе помимо фоточувствительного элемента (фотодиода, рис. 1.5, а или фотозатвора, рис. 1.5, б) находится активная транзисторная схема усиления сигнала фото датчика, выполненная по С MOS-tqx н о л о г и и. Активный элемент датчика образован фотодиодом VD или фототранзистором VT и четырьмя транзисторами VT 1… VT4, управляющими процессом получения и считывания потенциала изображения, созданного световым потоком и накопленного фотодиодом или фототранзистором. В режиме накопления фотодиодом фотогенерированных электронов (информация об изображении) управляющий импульс RST, поступающий на базу транзистора VT 1, равен нулю, потенциал на фотодиоде уменьшается, а потенциал общей точки соединения транзисторов VTl, VT2 и СУЗ изменяется по значению («плавающий» узел). В режиме выборки информации кратковременный управляющий импульс RST поступает на затвор транзистора VT2 и равен 1. VT2 открывается и потенциал «плавающего» узла восстанавливается до уровня напряжения питания [Лшт (стирание предыдущей информации). Затем на все активные элементы выбранной строки подается импульс R на затвор транзистора VT 1, открывая его. Накопленный фотодиодом потенциал заряда передается в точку А. Для дальнейшей выборки информации управляющий импульс RS = 1 (выборка строки) подается на транзистор VT4. Он открывается и совместно с транзистором VT3 образует истоковый повторитель. На шину столбца подается усиленный по мощности потенциал, накопленный фотодиодом. На шины столбцов передаются считанные потенциалы всех элементов выбранной строки. Дешифратор столбцов последовательно выбирает потенциалы шин и передает их на схему аналоговой обработки сигналов отдельных элементов матрицы. После окончания считывания сигнал RS делают равным 1, транзистор VT4 закрывается. Начинается накопление потенциала зарядов следующего кадра изображения. В ПЗС-датчиках фоточувствительная область занимает большую часть площади активного элемента, определяющаяся фактором заполнения (Fill Faktor-/*7/), который может достигать 100%.

Рис. 1.5. CMOS Active-pixel-sensor архитектура с фотодиодом (a) и фотозатвором (б)

В КМОП-датчиках фоточувствительная область занимает лишь часть площади, а остальная площадь занята шинами и КМОП-транзисторами. Здесь FF составляет 30-35%. Для повышения фоточувствительности КМОП-датчика используются микролинзы, которые фокусируют большую часть светового потока на фотодиод. Это позволяет получить значение FF при перпендирулярном направлении светового потока до 80%, а при прочих условиях – до 45-50%.

Принципиально датчик изображения определяет лишь градации серого, т. е. интенсивность света от белого до совершенно чёрного. Для создания цветного изображения на кремний с помощью процесса фотолитографии наносится слой цветных фильтров, который помещается между микролинзами и светочувствительными элементами (рис. 1.2). Каждый пиксел отвечает за «свой» цвет, для чего над ним помещается соответствующий фильтр. Фотоны, прежде чем попасть на пиксел, проходят через фильтр, который пропускает свет с длинами волн только «своего» цвета. Свет с другими длинами волн поглощается фильтром. В модели RGB таких цвета три: красный, зелёный и синий (система Байера). Фильтры расположены попеременно, в шахматном порядке, причём количество зелёных фильтров в два раза больше, чем красных и синих. Порядок расположения фильтров таков, что красные и синие фильтры расположены между зелёными. Такое соотношение объясняется строением человеческого глаза. Расположение фильтров в шахматном порядке обеспечивает цветовую равномерность изображения независимо от того, как расположен датчик во время съёмки: горизонтально или вертикально. Информация с такого датчика считывается последовательно, построчно, за строчкой BGBGBG последует GRGRGR.

В ПЗС-датчиках суммирование трёх цветов для получения цветного изображения выполняется вне датчика. Наложение цветов происходит в устройстве обработки изображения после того, как сигнал преобразован из аналоговой формы в цифровую. В КМОП-датчиках совмещение цветов может происходить непосредственно на кристалле. В любом случае первичные цвета каждого пиксела математически интерполируются с учётом цветов соседних пикселов. В действительности лишь некоторые части изображения имеют точный красный, зелёный или синий цвет, большинство из них получаются в результате совмещения этих трёх цветов. При интерполяции обрабатывается матрица пикселов размером 3×3. При этом для определения цвета центрального пиксела сравниваются и учитываются значения окружающих пикселов.

Одной из характеристик датчика изображения является разрешение. В оптике разрешение – это мера способности оптического устройства, в том числе и человеческого глаза, различать отдельные линии на специальных диаграммах. В компьютерной технике разрешением принято называть количество пикселов, которое можно отобразить на экране. Количество пикселов, или разрешение датчика, связано с размером файла получаемого изображения и с его дальнейшей обработкой. Чем больше пикселов, тем больше файл. Так, например, датчик изображения формата VGA размера 640 х 480 или 307 200 активных пикселов будет занимать в несжатом виде примерно 900 Кб (307 200 пикселов, по 3 байта R-G-B на пиксел составит 921 600 байтов, или 921 600/1024 составит 900 Кб). Кроме оптического разрешения (реальная способность пикселов реагировать на фотоны), существует также разрешение, поддерживаемое программными средствами, использующими интерполирующие алгоритмы. При интерполяции разрешения математически анализируются данные соседних пикселов, в результате чего создаются промежуточные, дополнительные значения соседних пикселов.

Другой характеристикой датчика изображения является динамический диапазон, который характеризует его способность «захватывать» оттенки изображения от самых тёмных до самых светлых тонов. Чем шире этот диапазон, тем больше оттенков изображения фиксируется датчиком. Соотношение сигнал/шум также является важной характеристикой датчика, т. е. невозможно определить динамический диапазон датчика, не зная его уровень шума. Датчики изображения являются электронными устройствами, помехи в которых могут возникнуть по целому ряду причин, и все эти причины приводят к нежелательным эффектам, искажающим изображения, т.е. к шумам. В некоторых случаях пикселы неравномерно реагируют на свет, что приводит к образованию зон с разной чувствительностью. Из всех шумов самую негативную роль, особенно в связи с динамическим диапазоном, играет темновой ток. Темновой ток – это ток, возникающий в электрической цепи датчика при отсутствии светового потока. Основная причина появления темнового тока – это примеси в кремниевой подложке или повреждение кристаллической решётки кремния. Динамический диапазон также зависит от размера пиксела. Чем меньше пиксел, тем меньше его зарядовая ёмкость, тем меньше динамический диапазон. Отношение размера датчика к количеству пикселов также влияет на уровень шума. Более плотное расположение пикселов на датчике приводит к уменьшению размера пикселов и, соответственно, к увеличению вероятности появления электрических помех, что снижает динамический диапазон.

Источник: Беляев В. П., Шуляк Р. И., «Электронные устройства полиграфического оборудования», Белорусский государственный Технологический университет, Минск, 2011 г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты