Матрица ПЗС. Устройство и принцип работы. Сенсор и пиксел матрицы. Форматы матрицы

В цифровой фотографии или цифровой видеозаписи, относящихся к электронному виду записи изображения, светочувствительным материалом, регистрирующим световое излучение, является фоточувствительная матрица, которая в свою очередь состоит из светочувствительных элементов - сенсоров. Рабочие параметры цифровой камеры зависят в первую очередь от свойств сенсора, так как именно он прежде всего, определяет разрешающую способность и качество изображения.
В качестве сенсора в матрице могут использоваться фотодиоды (светочувствительные полупроводники) или МОП-конденсаторы.
Фоточувствительная матрица обычно содержит 100000 - 1000000 элементов изображения (пикселов) размером от 10х10 мкм (микрометров) до 30х30 мкм.
Для ясности рассмотрим некоторые данные по числу элементов изображения:
Почтовая марка 18х22 мм - 4000 пикселов
Цветная негативная плёнка обычного формата 24х36 мм - 20 000 000 пкс (20 Мпкс)
Цветное изображение на бумаге 12х16 см - 12 800 000 пкс (12,8 Мпкс)
В ПЗС(CCD) матрицах используется фотоэффект, возникающий между металлом и образованной на нём плёнкой оксида. Между металлом и оксидом образуется тонкий слой полупроводящего вещества, обладающего свойством пропускать электроны, выделяющиеся из металла, и препятствовать прохождению электронов проивоположного направления (полупроводник), образующего так называемый запорный слой.
Основная идея ПЗС (прибор с зарядовой связью) или состоит в накоплении зарядов в конденсаторах, имеющих твёрдотельную структуру металл-оксид-полупроводник (МОП), и передаче накопленных зарядов к устройству, измеряющему значение каждого из этих зарядов.
ПЗС - плоская тонкая светочувствительная матрица. Она представляет собой ортогональную, ячеистую структуру, формируемую на единой полупроводниковой подложке методами микроэлектронной технологии. Используется в качестве узла для формирования изображения в большинстве современных фотокамер. Размер матрицы измеряется по диагонали. Существует два типа матриц: с покадровым сканированием или черезстрочным.. ПЗС представляет собой микросхему, состоящую из соединённых между собой полупроводниковых конденсаторов. Каждый из них держит определённый заряд. С помощью управлющей электрической схемы эти заряды определённым, синхронизированным во времени образом, последовательно по цепочке сдвигаются с одного конденсатора на другой, соседний.
Под действием света, проходящего через объектив, светочувствительные конденсаторы заряжаются. Чем больше света попадает на поверхность, тем больший заряд передаётся на второй слой, откуда пакеты зарядов выводятся (по одному пакуту в единицу времени) на преобразователь "заряд - напряжение". В результате получается аналоговый электрический сигнал, представляющий собой оптическое изображение. Пройдя через аналогово-цифровой конвертор, информация преобразуется в цифровую форму, после чего её можно сжимать, сохранять и обрабатывать различными способами.

Чтобы получить цветное изображение, необходимо приложить некоторые дополнительные усилия, поскольку чувствительность элементов матрицы к разным излучениям видимого спектра примерно одинакова. Простейшее решение - при помощи призм и фильтров разбить поступающий через объектив свет на цветовые составляющие, а затем отправить красную, зелёную и синюю составляющие на отдельные матрицы ПЗС. Такую систему называют 3CCD.
Более разумный способ - использовать один ПЗС, но поместить перед ним мельчайщий фильтр с отдельной цветовой ячейкой для каждого пиксела. В результате получается ПЗС обычно с набором вертикальных красных, зелёных и синих полос. Благодаря этим светофильтрам МОП-конденсатор способен сохранять информацию не только о яркости объекта съемки, но и о его цвете. Пикселы группируются в тройки: каждый из них передаёт своё собственное значение яркости, а цветовая состовляющая вычисляется как среднее из трёх значений. Как правил, используют фильтр Байера, состоящий из повторяющихся шаблонов из красного, синего и двух зелёных фильтров, причем зелёные светофильтры расположены по диагонали.
Если посмотреть на фильтр Байера и другие подобные светофильтры, то можно заметить, что в них количество зелёных или родственных к ним светофильтров больше, чем других. Это на прямую связано со спектральной чувствительностью глаза человека. Глаз человека, если вспомнить кривую видности, имеет максимальную чувствительность в зелёной области спектра. Под него и подстроена матрица.
Одна из важных характеристик ПЗС матрицы - её размер. Матрица - аналог фотоплёнки, поэтому поначалу производители цифровых зеркальных фотокамер ориентировались на плёночный стандарт. А он ещё с 1925 года был 36х24 мм - размер кадра с соотношением сторон 3:2 (35-мм плёнка). Зеркальная фотокамера с таким форматом матрицы была аналогом плёночной камеры, то есть достаточно велика и тяжела. Поэтому в 1999 году был разработан новый стандарт зеркальной цифровой фотографии, получивший название "четыре третьих". В основу стандарта легло использование матриц типа 4/3, произведимых фирмой Kodak. Размер такой матрицы 18х13,5 мм (рабочая область -17,3х13 мм), 4/3 - формально означает размер диагонали матрицы, но с реальным размером это число не совпадает. Размер матрицы типа 4/3 заметно меньше плёночного кадра, да и соотношение сторон другое - 4:3. Такое соотношение соответствует стандарту телевизионного изображения и размеру экрана монитора.