Физические принципы построения преобразователей свет-сигнал на приборах с зарядовой связью (ПЗС)

Достоинства ПЗС-структур. Основой ПЗС является конденсатор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-конденсатор) [23]. Именно МОП-конденсатор является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света или путем инжекции через р-n переход. Цепочка из МОП-конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.

К достоинствам ПЗС-структур следует отнести:

- возможность непосредственного преобразования светового потока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую информацию;

- способность направленной передачи зарядовой информации и преобразования ее в видеосигнал при достаточно точном построении геометрии точечного растра (координаты элементов фиксируются с точностью до 0,5 мкм);

- высокое быстродействие;

- возможность реализации обработки информации непосредственно на матрице;

- высокую степень интеграции, малые потребляемую мощность и габаритные размеры;

- высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и электромагнитным воздействиям, надежность и большой срок службы.

Преобразователи на ПЗС делятся на линейные и двумерные (матрицы). Линейные ПЗС содержат ряд фоточувствительных элементов, т.е. передают одну строку изображения. Для передачи двумерной сцены используют перемещение передаваемого изображения поперек строки (например, в системах телекинопроекции кинопленку непрерывно перемещают относительно ПЗС-линейки) или линейный преобразователь перемещают относительно передаваемого объекта (например, в системах съемки поверхности Земли сканирование по одной координате осуществляется за счет движения космического аппарата, несущего ПЗС-преобразователь). Матричный преобразователь является полным аналогом передающей телевизионной трубки.

Структуры линейных преобразователей свет-сигнал. Известно значительное число схем построения линейных преобразователей на ПЗС. Рассмотрим некоторые из них. В преобразователях должны быть реализованы процессы накопления зарядовых пакетов под действием излучения и считывания его со скоростью, принятой в телевизионной системе. При этом используется пространственное или временное разделение процессов накопления и считывания.

Структура линейного преобразователя с разделением во времени показана на рис. 7.7, а. Накопление и передача зарядовых пакетов к выходу в таком преобразователе осуществляются одними и теми же элементами ПЗС-структуры. На заштрихованных элементах происходит накопление. Далее накопление прерывается с помощью электрического затвора и происходит проталкивание зарядовых пакетов к выходу устройства с помощью манипуляции потенциалов U₁, U₂, U₃, как было рассмотрено выше. Структура работает, как трехфазные регистры сдвига. После считывания сигнала строки изображения возобновляется процесс накопления [23].

С целью реализации накопления в течение всего периода строки используют пространственное разделение накопления и считывания. Пример организации структуры линейного преобразователя такого типа приведен на рис. 7.7, б.

Рис. 7.7. Различные организации структуры линейного ПЗС:

1 - секция накопления; 2 - затвор; 3 - секция считывания; 4 - сумматор;

а - структура линейного преобразователя с разделением во времени процессов накопления и считывания; б - структура линейного преобразователя с пространственным разделением процессов накопления и считывания; в - структура линейного преобразователя с билинейным считыванием.

Здесь секция накопления и регистр сдвига разделены электродом переноса (затвором). После завершения периода накопления заряды, сформированные в светочувствительных элементах секции накопления, параллельно переносятся в несветочувствительный регистр сдвига (затвор открывается). Далее, после закрытия затвора, параллельно протекают процессы накопления и считывания. По завершении считывания процессы повторяются.

Для повышения разрешающей способности линейного преобразователя число светочувствительных элементов может быть увеличено вдвое при той же длине линейки за счет организации билинейного считывания (рис. 7.7, в). В этом случае устройство преобразования представляет собой две структуры, вставленные одна в другую.

Рассмотренные принципы построения линейных преобразователей могут быть использованы для образования матричных структур. Линейные ПЗС, приведенные на рис. 7.7, могут быть скомпонованы в матрицу.

Классификация матричных преобразователей свет-сигнал.Как теле-, так и видеокамеры требуют использования в них преобразователей свет-сигнал, способных формировать сразу целое изображение, сфокусированное оптической системой на светочувствительной поверхности пробора с зарядовой связью. Для этого используются многие тысячи светочувствительных датчиков, объединенных в матрицу. Такой двумерный массив получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп-каналы - это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. Аналоговый метод работы сдвигового регистра используется для переноса зарядов, генерируемых светочувствительными датчиками, из этой секции на выходной терминал прибора.

Число элементарных конденсаторов (элементов) по горизонтали определяет горизонтальное разрешение, а число элементов по вертикали жестко привязано к телевизионному стандарту.

При разработке двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания. По способу накопления и переноса зарядовых пакетов матрицы делятся на три вида. Первый - это приборы со строчным переносом зарядов (Interline Transfer - IT), второй с кадровым переносом или Frame Transfer - FT и, наконец, третий с кадрово-строчным переносом или Frame Interline Transfer - FIT (рис. 7.8).

Принципы кадрового переноса зарядов. Первые формирователи видеосигнала на ПЗС использовали принцип кадрового переноса зарядов, который является самым простым, а поэтому наиболее удобным в производстве и эксплуатации матриц.

Рис. 7.8. Основные разновидности матриц ПЗС:

а - структура матрицы с кадровым переносом зарядов (ПЗС КП); б - структура матрицы со строчным переносом зарядов (ПЗС СП); в -структура матрицы с кадрово-строчным переносом зарядов (ПЗС КСП)

В матрице данного типа кремниевая интегральная схема как бы разделена на две секции. Верхняя половина представляет собой секцию светочувствительных датчиков, накапливающих заряды (создающих потенциальный рельеф). Нижняя же часть полностью замаскирована, чтобы на нее не мог попасть световой поток. Эта половина матрицы представляет собой секцию хранения (памяти) зарядов, равную по площади секции накопления, и считывающего регистра. В этой секции происходит последовательное считывание зарядовых пакетов. Упрощенная конструкция такой матрицы представлена на рис. 7.9 [24, 25]. Реально, конечно, матрица состоит из гораздо большего числа элементов.

Рис. 7.9. Конструкция матрицы ПЗС с кадровым переносом зарядов:

а - режим формирования зарядов; 6 - режим переноса зарядов;

1 - фотодатчик; 2 - заряды, пропорциональные падающему световому потоку; 3 - секция накопления зарядов; 4 - оптическая маска; 5 - секция хранения зарядов; 6 - выходной терминал; 7 - считывающий регистр

В процессе телевизионной развертки во время активной части поля на секцию накопления заряда проецируется изображение, формируемое объективом, а вторая половина матрицы (секция хранения заряда) защищена от попадания какого-либо света (и, следовательно, от увеличения заряда на ней). Потенциальный рельеф формируется на всей площади изображения.

За время кадрового гасящего импульса накопленные заряды с большой скоростью последовательно движутся в вертикальном направлении в секцию хранения зарядов. Во время накопления в фотоприемной секции следующего телевизионного кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса зарядов - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса зарядов осуществляется в интервале строчного гасящего импульса.

Поскольку заряд, соответствующий какому-либо пикселю, проходит через области других пикселей, необходим затвор, который перекрывал бы доступ света из объектива на время переноса. Далее затвор снова открывается для следующего телевизионного кадра, а в это время (активная часть строки) зарядовые пакеты поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, где двумерная сетка распределения интенсивности засветки (потенциальный рельеф) преобразуется в сигнал с изменяющимся напряжением.

Перенос зарядов отдельных строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода строчной развертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное устройство - во время прямого хода строчной развертки.

Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема:

- перенос из секции накопления в секцию памяти;

- перенос из секции памяти в сдвиговый регистр;

- перенос из сдвигового регистра в выходное устройство.

Простая электродная структура позволяет компактно расположить ячейки матрицы.

На практике матрицы ПЗС КП оказались малопригодными для камер цветного телевидения из-за недостаточной чувствительности в синей области видимого спектра излучения. Это объясняется тем, что поликремниевые электроды, толщину которых для обеспечения достаточной проводимости приходится выбирать равной примерно 0,5 мкм, сильно поглощают синюю составляющую спектра и практически не пропускают ее в подложку.

Серьезным недостатком матриц ПЗС КП является смаз, т.е. появление вертикальных светлых столбов от ярких участков на изображении. В ПЗС КП из-за того, что во время покадрового переноса (а он осуществляется достаточно продолжительное время, порядка 1 мкс) накопленных зарядов из секции накопления в секцию памяти свет продолжает попадать в секцию накопления, образуя новые пакеты зарядов, которые добавляются к переносимым пакетам. В последующих полях появляется смаз в виде отрезка белой вертикальной полосы, следующей за очень ярким объектом (рис. 7.10). Отрезок вертикальной белой полосы перед ярким объектом соответствует паразитным зарядам, накопленным в секции накопления во время переноса полезных пакетов зарядов в первом и последующих полях и считываемых из нее во втором и последующих полях.

Рис. 7.10. Изображение яркой детали на экране видеомонитора при наличии смаза:

1 - экран; 2 - яркая деталь изображения; 3 - двусторонние вертикальные тянущиеся продолжения (смаз) от яркой детали изображения

Рис. 7.11. Конструкция матрицы ПЗС с построчным переносом зарядов:

1 - регистр вертикального сдвига; 2 - фотодатчик; 3 - горизонтальный считывающий регистр; 4 - оптическая маска; 5 - выходной терминал

Особенности построчного переноса зарядов. В матрицах с построчным переносом зарядов светочувствительные ячейки расположены между вертикальными ПЗС-регистрами сдвига, заэкранированными от света алюминиевой маскирующей пленкой (рис. 7.11) [24, 25]. Секция хранения зарядов отсутствует (ее роль выполняют вертикальные регистры), что при заданном оптическом формате изображения приводит к уменьшению площади кристалла.

Во время кадрового гасящего импульса все накопленные в светочувствительных ячейках заряды переносятся за один такт в рядом расположенные потенциальные ямы вертикальных ПЗС-регистров, из которых далее построчно переносятся в горизонтальный регистр во время строчного гасящего импульса. Из горизонтального регистра заряды считываются во время активной части строки и преобразуются в выходное напряжение во встроенном усилителе.

Поскольку в подобной конструкции функции светочувствительных датчиков и регистров сдвига разделены, каждая из этих структур может быть оптимизирована. Рассматриваемый преобразователь обладает высокой эффективностью переноса зарядов, при этом обеспечиваются хороший динамический диапазон видеосигнала и сверхнизкий уровень структурных шумов в изображении.

При наличии ярко освещенных деталей изображения в матрицах ПЗС СП также возникает вертикальный смаз (см. рис. 7.10). Однако здесь он обусловлен другими причинами. В первых моделях телекамер, использовавших ПЗС с построчным переносом, искажения были вызваны действием фотонов света, глубоко проникающих под’ алюминиевый экран над вертикальным ПЗС-регистром - в полупроводниковую структуру преобразователя. Например, в ранних моделях матриц ПЗС СП смаз составлял 3%. Переход к матрицам ПЗС СП с объемными стоками избыточных зарядов позволил уменьшить смаз до 0,2%. Затем и это значение было уменьшено в 12 раз до 0,016% за счет исключения сравнительно толстого (до 1,8 мкм) слоя фосфор-силикатного стекла под алюминиевым экраном и заменой его тонким (0,2 мкм) слоем окисла, что резко снизило паразитную засветку. Фирма Sony в своих матрицах ПЗС СП снизила уровень смаза до 0,01% за счет уменьшения подтекания зарядов в ПЗС-регистр путем увеличения сопротивления подложки, а также за счет введения р-кармана под вертикальными регистрами.

Для обеспечения чересстрочной развертки в матрицах ПЗС СП могут использоваться два способа накопления и считывания зарядов из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры. В первом из них в четных полях считываются заряды из всех четных ячеек, а в нечетных полях - из всех нечетных ячеек. Время накопления зарядов в каждой ячейке в этом случае равно длительности телевизионных кадров (40 мс), что приводит к уменьшению динамического разрешения для движущихся деталей изображения по сравнению с матрицами ПЗС КП, где время накопления зарядов равно длительности поля (20 мс). Для устранения этого недостатка в последнее время в качестве основного используется второй способ считывания зарядов с двух соседних ячеек одновременно с номерами 1 + 2, 3 + 4, ... в первом поле и 2 + 3, 4 + 5, ... - во втором. В результате время накопления зарядов становится равным длительности одного поля телевизионной развертки, т.е. 20 мс (рис. 7.12). Недостаток второго способа заключается в некотором снижении вертикальной разрешающей способности.

Рис. 7.12. Иллюстрация принципа накопления зарядов в течение телевизионного поля

Отмеченный недостаток можно устранить, если в четных полях считывать заряды из всех четных ячеек, а заряды из нечетных удалять. В нечетных же полях нужно считывать заряды из нечетных ячеек, заряды из четных ячеек во время того же полевого гасящего импульса удалять в специальные стоки. Следует заметить, что в предлагаемом режиме считывания зарядов вдвое снижается чувствительность матрицы.

Технология кадрово-строчного переноса зарядов. В трехматричных камерах вещательного телевидения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза вплоть до тех пор, пока он не станет существенно меньше уровня шумов даже при значительных локальных пересветах. Поэтому для повышения качества формируемого изображения в ПЗС был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом кадрово-строчного или гибридного переноса [25, 26].

Указанный принцип объединил в себе особенности двух предыдущих методов - построчного и покадрового переноса зарядов (рис. 7.13).

Верхняя секция преобразователя работает точно так же, как и матрица ПЗС с построчным переносом зарядов. В этом случае заряды от светочувствительных датчиков поступают на вертикальные регистры сдвига во время кадрового гасящего импульса, но затем осуществляется перенос зарядов в секцию хранения и далее к регистру горизонтального сдвига.

Благодаря наличию в матрицах ПЗС КСП дополнительной секции хранения зарядов на длительность телевизионного поля частота переноса зарядов из вертикальных ПЗС-регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз (до 60 раз) больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС с построчным переносом зарядов. В данном случае закрытые непрозрачной маскирующей пленкой пакеты зарядов становятся невосприимчивыми к мощным пересветам. Таким образом, заряды искажаются в 60 раз меньше по сравнению с вариантом, используемым в ПЗС с СП. Это и позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Практически уровень смаза снизился до 0,0002% и стал практически незаметным даже при значительных локальных пересветах. В названных четырехфазных матрицах ПЗС КСП фирмы Sony используется электронное регулирование длительности накопления зарядов (электронный фотозатвор) при передаче быстродвижущихся изображений с целью повышения динамической разрешающей способности. В этом случае заряды, накопленные в светочувствительных ячейках за выбранную часть длительности поля (1/125, 1/500, 1/1000 или же 1/2000 с, например), переносятся в секцию памяти во время полевого гасящего импульса, а все ненужные заряды, накапливаемые в остальное время, предварительно удаляются в специальный сток, расположенный в верхней части матрицы.

Рис. 7.13. Конструкция матрицы ПЗС с кадрово-строчным переносом зарядов

Могут использоваться и другие способы удаления ненужных зарядов.

Из рис. 7.14 видно, что часть светочувствительной поверхности секции накопления покрыта непрозрачными для света вертикальными регистрами переноса, что существенно снижает световую чувствительность таких ПЗС по сравнению с ПЗС с переносом кадра. Преодолеть этот недостаток позволило применение микролинз, которые располагаются перед каждым фотодатчиком и поэтому практически весь свет собирается на них, минуя закрытые от света участки секции накопления. Этим достигается высокая светочувствительность матриц ПЗС [27].

Рис. 7.14. Конструкция матрицы ПЗС с микролинзами

Первооткрывателем микролинз стала фирма Sony. Теперь матрицы ПЗС с микролинзами используют Panasonic, Ikegami, Toshiba, Hitachi и другие фирмы.

Матрицы ПЗС с кадрово-строчным переносом зарядов устанавливаются в высококачественных и, как следствие, наиболее дорогих теле- и видеокамерах. Эти матрицы обеспечивают наиболее высокое качество формируемых видеосигналов, объединяя все преимущества кадрового и строчного переноса зарядов.

У матриц ПЗС КСП есть и свои недостатки. Поскольку матрица является сложной составной структурой и использует большую площадь интегральной схемы из-за необходимости наличия отдельной секции накопления, она становится более дорогостоящей в процессе производства.