Сcd-матрица

Принцип действия

Принцип действия CCD матрицы следующий: изображение (т.е. лучи света), сформированное объективом попадает на матрицу, на ее светочувствительную поверхность состоящую из ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p — типа оснащается каналами из полупроводника n -типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель. 
Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.
Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.
В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD — matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя— при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full — frame matrix smear). 
Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Параллельный режим работы

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD).

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

История[]

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе . Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У.Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ.). В октябре 2009 года каждому «досталось» по четверти Нобелевской премии по физике.

CCD Blooming (Блюминг ПЗС-матриц) | Радожива

Sigma ART Sigma CONTEMPORARY Sigma SPORT Tamron E, Z, M, X, MFT Samyang E, RF, X, EF, F Tokina E/FE, X Voigtlander 1:0.95 MFT IRIX EF, F, K, G ZEISS ZA, A, E ZEISS Batis, E ZEISS Touit, E, X ZEISS Otus (MF), F, EF ZEISS Loxia (MF), E 85mm, Full Frame F/2.8, Standart, APS-C F/2.8, Standart, FF F/2.8, 70-200, FF Super Wide, APS-C Super Wide, FF Super Fast Zoom Super Fast Prime Средний формат Nikon 8, 14, 16, 17, 18, 20 Nikon 50, 58 mm Nikon 85, 105, 135, 180, 200 mm Nikon AF F/1. 2-F/1.4 Nikon Micro Nikkor Nikon DX (F+Z) Nikon F Canon EF/EF-S Canon 50-55-58 F/1.2

Кратенькая заметка про один из недостатков CCD-сенсоров.

Блюминг

Почти на всех старых камерах с CCD-сенсором я наблюдал блюминг. Особенно сильно подвержены этому явлению камеры-старушки на матрицах Sony ICX-453-AQ и Sony ICX-413-AQ. Очень много блюминга на моих снимках было во время работы с камерой Nikon D40.

Блюминг проявляется во время съемки ярких источников света, либо во время съемки на длинных выдержках. В таких случаях ячейки ПЗС матрицы переполняются зарядами (засвечиваются), заряды ‘растекаются’ по соседним ячейкам, засвечивая и их. Так как данные считываются методом сдвига в вертикальном направлении, то сильней всего перетекание заметно в вертикальном направлении.

Кроме обычной засветки могут появляться и другие артефакты, например, лесенки, показанные на заглавном фото.

К слову, блюминг – камень в огород CCD-матриц и еще одна причина массового перехода на CMOS.

Блюминг

Блюминг

Блюминг

Блюминг – очень неприятная вещь в астрофотографии, где снимки на длительных выдержках могут сильно пострадать. Теоретически, с 2006 года ПЗС-матрицы имеют специальную модификацию, которая предотвращает блюминг, но создает дополнительные сложности в обработке сигнала.

Но ничего, Юнона все же использует матрицу Kodak KAI-2020 (Kodak!) на базе Interline Transfer Progressive Scan CСD для своей 2-х мегапиксельной Juno Camera. Несмотря на массовое засилье CMOS-сенсоров, в медицине, астрономии и областях науки, где требуется точный результат, до сих пор используют наработки на основе CCD.

Спасибо за внимание

Аркадий Шаповал.

Принцип

ПЗС-сенсор веб-камеры .

Датчики изображения CCD состоят из матрицы фотодиодов, которая может быть квадратной, прямоугольной или даже многоугольной с характерным диаметром от 1,4  мкм до более 20  мкм . Эффективность чувствительного элемента выражается в количестве электронов, произведенных на полученный фотон. Чем больше поверхность элемента, тем больше фотонов он получает и, следовательно, тем выше светочувствительность и динамический диапазон ПЗС, но количество датчиков уменьшается при той же длине, что снижает разрешающую способность устройства.

Большинство ПЗС-матриц используют эффект поля  : диэлектрическая пленка покрывает легированный слой, и к этой пленке подключаются прозрачные электроды. Носители заряда (чаще всего электроны, но иногда и «  дырки  ») накапливаются на пленке. Другой тонкий проводящий слой иногда вставляют между пикселями для улучшения контрастности и электрического разряда чрезмерно подсвеченных пикселей.

Падающий свет передает свою энергию электронам полупроводника посредством . Этот вход высвобождает электроны (отрицательно заряженные) и «дырки» (положительно заряженные), которые отталкиваются друг от друга при приложении электрического напряжения. В отличие от фотодиода, заряды не удаляются сразу, а накапливаются в ячейке памяти, потенциальной яме , которая функционирует как конденсатор. Если он декодируется вовремя, до насыщения напряжения фотодиода, общий накопленный заряд пропорционален экспозиции .

В случае передержки заряд ячейки памяти может влиять на заряд соседней ячейки; «Контур против цветения  », который действует как эвакуатор и отсекает избыточную энергию, может уменьшить или устранить этот эффект. При длительной паузе выходной сигнал больше не пропорционален экспозиции; Вот почему такой практики избегают в научных приложениях ПЗС-сенсоров.

После экспонирования устройство переноса заряда работает как цепочка ведра до выходного фильтра. Выходной сигнал датчика передается последовательно  : заряды каждого из пикселей один за другим, в то время как падающий свет заряжает их одновременно, «параллельно», во время экспонирования.

Область применения CMOS матриц

гибкой настройки

• При охране квартир;
• Наблюдении за аэропортом;
• Контроле строительной площадки;
• В офисе;
• В торговом центре;
• На складе;
• Для других объектов с разными условиями эксплуатации.

Матрицы удастся встретить в дорожной (контроль поведения участников дорожного движения), научной сфере, медицине, промышленности.

Фотоаппарата, особенности, достоинства и недостатки таких матриц.

К достоинствам ПЗС-матриц
можно отнести:

• Высокий коэффициент использования площади пиксела (близок к 100%);
• относительно низкий ;
• очень высокая эффективность;
• достаточно большой .

К недостаткам ПЗС-матриц
относятся:

• высокая энергоемкость;
• достаточно сложный процесс считывания информации;
• дорогостоящее производство.

В современных цифровых фотоаппаратах применяются не только матрицы на основе ПЗС, но и КМОП-матрицы
, доля фотоаппаратов, оснащенных такими матрицами постоянно растет.

КМОП-матрица фотоаппарата.

Еще в конце 60-х годов прошлого века ученые знали свойство КМОП-стуктур воспринимать свет. Однако ПЗС-структуры обеспечивали гораздо более высокую чувствительность к свету и высокое качество изображения. Вот почему матрицы на основе КМОП-технологии не получили столь широкого распространения. В начале 90-х годов характеристики КМОП-матриц
и их производство были значительно улучшены, что привело к более широкому внедрению этих матриц. Революционные открытия были сделаны в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL NASA), где были созданы активные пикселы (Active Pixel Sensors – APS). Суть состояла в том, что в каждый был добавлен транзисторный усилитель сигнала, что позволило преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в самом пикселе. Благодаря этому стал возможен произвольный доступ к отдельным пикселам, в принципе аналогичный схемам ОЗУ.

В результате уже к 2008 году матрицы на КМОП-элементах стали альтернативой ПЗС-матрицам.

КМОП-матрица (комплиментарная структура металл-окисел-полупроводник), в английской транскрипции — CMOS (Complementary metal oxide semiconductor), в принципе похожа на ПЗС-матрицу. Также, как и в ПЗС под воздействием света рождаются электроны.

Ячейки КМОП-матриц представляют из себя полевые транзисторы с изолированным затвором и имеют каналы разной проводимости.

В отличие от ПЗС-элемента каждая ячейка КМОП-матрицы
имеет дополнительно электронные устройства, называемые обвязкой пиксела, позволяющие преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в ячейке.

На рис.1 показана эквивалентная схема устройства КМОП-элемента.

Рис.1. Эквивалентная электрическая схема КМОП-элемента.

1 — Светодиод. 2 — электронный затвор. 3 — конденсатор, накапливающий заряд с фотодиода. 4 — усилитель сигнала. 5 — шина считывания строки. 6 — шина, по которой происходит передача сигнала процессору. 7 — линия подачи сигнала сброса.

Принцип работы приведенной схемы:

перед съемкой изображения по линии 7 подается сигнал сброса;

при воздействии света на фотодиод в нем пропорционально интенсивности светового потока создается заряд, который заряжает конденсатор;

считывание сигнала с элемента происходит путем разряда конденсатора, возникающий при этом ток передается на усилитель и далее в обрабатывающую схему.

Синхронизация работы матрицы осуществляется через адресные шины столбцов и строк.

Благодаря такой схеме появляется возможность считывать заряд сразу из группы пикселей (а не последовательно ячейка за ячейкой, как в ПЗС-матрице) или даже выборочно из отдельных пикселей. В такой матрице отсутствует необходимость в регистрах сдвига столбцов и строк, что намного убыстряет процесс считывания информации с матрицы, . Значительно уменьшается и энергопотребление матрицы.

Прогресс в развитии технологий, в частности получения кремниевых пластин высокого качества и улучшения схемы усилителя КМОП-элемента, привел к тому, что последний вышел по качеству получаемого изображения практически на тот же уровень, что и ПЗС-элемент.

История

Точная дата рождения
КМОП-матрицы неизвестна. В конце 1960-х
гг. многие исследователи отмечали, что
структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью
к свету. Однако приборы
с зарядовой связью

обеспечивали настолько более высокую
светочувствительность и качество
изображения, что матрицы на КМОП
технологии не получили сколько-нибудь
заметного развития.

В начале 90-х характеристики
КМОП-матриц, а также технология
производства были значительно улучшены.
Прогресс в субмикронной фотолитографии

позволил применять в КМОП-сенсорах
более тонкие соединения. Это привело к
увеличению светочувствительности за
счет большего процента облучаемой
площади матрицы.

Переворот в технологии
КМОП-сенсоров произошел, когда в
лаборатории реактивного движения (Jet
Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали
Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования
были выполнены еще несколько десятков
лет тому назад, но практическое
использование активного сенсора
отодвинулось до 1993
года
. APS добавляет
к каждому пикселу транзисторный усилитель
для считывания, что даёт возможность
преобразовывать заряд в напряжение
прямо в пикселе. Это обеспечило также
произвольный доступ к фотодетекторам
наподобие реализованного в микросхемах
ОЗУ.

В результате к 2008
году
КМОП стали
практически альтернативой ПЗС.

Блуминг

Блуминг (или блюминг) (англ. blooming — ореол, расплывание изображения) в ПЗС — это эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Основная причина возникновения — ограниченная ёмкость потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. Блуминг имеет характерную симметричную форму, определяемую геометрией расположения элементов на матрице. Приблизительно с 2006 года в большинстве любительских устройств блуминг больше не появляется, так как в них стали использоваться специальные антиблуминговые цепи, которые отводят избыточные электроны из ячеек. Однако, отвод электронов по мере заполнения потенциальной ямы приводит к нелинейности характеристики ПЗС и затрудняет измерения. Поэтому в научных целях по-прежнему применяются ПЗС без антиблуминговых цепей, и блуминг часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов.

Светочувствительность[]

Cветочувствительность фотосенсора складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

• интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;
• монохроматической светочувствительности’ — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;
• набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность — зависимость светочувствительности от длины волны света;

Динамический диапазон матрицы

Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накопить определённой величины, называется «глубиной потенциальной ямы» (well depth), и именно от неё зависит динамический диапазон матрицы. Разумеется, при съёмке в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.
Очевидно, что потери электронов, составляющих фототок, происходят не только в процессе накопления заряда потенциальной ямы, но и при его транспортировке к выходу матрицы. Потери эти вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда при его перетекании под следующий электрод переноса. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда (charge transfer efficiency). Данный параметр измеряется в процентах и показывает долю заряда, сохранившуюся при «переправе» между ПЗС-элементами.
Для того, чтобы достичь приемлемых скоростей считывания кадра при высокой эффективности переноса заряда при конструировании ПЗС-матрицы планируют «заглублённое» размещение потенциальных ям. Благодаря этому электроны не так активно «прилипают» к электродам переноса, и именно для «глубокого залегания» потенциальной ямы в конструкцию ПЗС-элемента вводят n-канал.
Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накопить определённой величины, называется «глубиной потенциальной ямы» (well depth), и именно от неё зависит динамический диапазон матрицы. Разумеется, при съёмке в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.

Тепловой «шум»

Подавляя тем или иным способом темновой ток, следует помнить о другом факторе, ограничивающем порог чувствительности. Им является тепловой шум (thermal noise), создаваемый даже при отсутствии потенциала на электродах одним лишь хаотичным движением электронов по ПЗС-элементу. Выдержки большой длительности ведут к постепенному накапливанию блуждающих электронов в потенциальной яме, что искажает истинное значение фототока. И чем «длиннее» выдержка, тем больше «заблудившихся» в яме электронов.
Технология производства ПЗС-матриц обладает рядом особенностей. В частности, практически в каждом ПЗС-элементе уровни как темнового тока, так и теплового шума не такие, как в соседних пикселах. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Положение усугубляется практически всегда присутствующей несогласованностью в подаче перемещающих потенциалов на электроды переноса. Всё это ведёт к появлению у каждого отдельного сенсора присущего только ему шума фиксированного распределения (fixed pattern noise), выражающегося в виде раскиданных по всему кадру пикселов постороннего цвета, яркость которых напрямую связана с выдержкой — чем дольше длится экспонирование, тем резче выделяются на снимке точки с паразитными зарядами. Наиболее заметные пикселы называются «горячими» (hot pixels).
Технология производства ПЗС-матриц обладает рядом особенностей. В частности, практически в каждом ПЗС-элементе уровни как темнового тока, так и теплового шума не такие, как в соседних пикселах. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Положение усугубляется практически всегда присутствующей несогласованностью в подаче перемещающих потенциалов на электроды переноса. Всё это ведёт к появлению у каждого отдельного сенсора присущего только ему шума фиксированного распределения (fixed pattern noise), выражающегося в виде раскиданных по всему кадру пикселов постороннего цвета, яркость которых напрямую связана с выдержкой — чем дольше длится экспонирование, тем резче выделяются на снимке точки с паразитными зарядами. Наиболее заметные пикселы называются «горячими» (hot pixels).

Варианты решения:

— iKon-M Deep Cooled CCD Cameras
Благодаря принудительному охлаждению до – 1000С и низкому уровню шумов, камеры могут использоваться в микроскопии, в условиях недостаточной освещенности, характерной для слабой внутриклеточной биолюминесценции. Максимальное разрешение 1024 х 1024.

— iKon-L Large Area CCD Cameras
Аналогичная камера, но с большим максимальным разрешением 2048 х 2048

— iDus Spectroscopy CCD Cameras
Камеры основаны на крайне чувствительной и высокоточной матрице, с еще более нихким уровнем шумов (менее 3е). Для использования в широком диапазоне обычных и высокоточных задач, в области флюоресценции, атомно-эмиссионной спектроскопии.

Габаритные характеристики

Размер светочувствительной области чипа играет решающую роль в качестве изображения. При одинаковом разрешении (количестве пикселей) площадь ячеек пропорциональна площади чипа. Чем больше клетки, тем больше фотонов они перехватывают и соответственно увеличивается светочувствительность. Поскольку не весь шум увеличивается с увеличением площади элементарной ячейки, более крупный чип имеет лучшее отношение сигнал / шум . Кроме того, большие ячейки собирают больше электронов и имеют более широкий динамический диапазон.

В дополнение к метрическим данным для самой активной области (например,  16 мм ×  2 мм ) промышленность заморозила освященную веками традицию электронно-лучевых трубок , где внешний диаметр колбы указывается в дюймах (например, 2/3 дюйма ). Однако светочувствительная поверхность этих трубок была меньше их внешнего диаметра: таким образом, активная часть трубки диаметром 1 дюйм имела диагональ изображения только около 16  мм . По определению, 1-дюймовая ПЗС-матрица имеет такую ​​же диагональ изображения, как и 1-дюймовая трубка.

Наиболее распространенные размеры датчиков изображения CCD — 2/3 дюйма ( диагональ примерно 11  мм ) для профессиональных камер или 1/2 дюйма ( диагональ примерно 8  мм ); для устройств, предназначенных для «  просьюмеров  », 1/3 дюйма ( диагональ прибл. 5,5  мм ) и для потребительских приложений или камер мобильных телефонов, даже меньшие датчики (1/4 дюйма или 1/6 дюйма). Маленькие цифровые устройства часто имеют сенсоры размером 1 / 2,3 дюйма ( диагональ примерно 7  мм ); зеркальные цифровые, как правило , формат APS-C (прибл. 28  мм по диагонали), или в верхней части диапазона цен, в стандартном формате из пленочных камер.

Преимущества

• Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
• Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.

• С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout

  ). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.

• В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого .
• Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Ошибки обнаружения

Компенсация систематических ошибок, калибровка

Различия в контрасте

Для компенсации различий в контрасте изображения, возникающих из-за наличия примесей на поверхности ПЗС-матрицы ( пыли ), неоднородной чувствительности пикселей или конкретных дефектов используемой оптики ( виньетирование , наконец, отражения ), а также для их маскировки. записанное изображение перекомпоновывается путем деконволюции его яркого фона (коррекция плоского поля), а затем умножается путем свертки на среднее значение этого яркого фона. Чтобы устранить шум изображения, вызванный темновым током, на фотографиях в неподвижном состоянии (например, в астрофотографии ) также выполняется субтрактивный синтез с темным фоном ( вычитание темных кадров ). В результате получается откалиброванное изображение .

На изображениях ниже показан эффект этой калибровки в случае астрономической фотографии. Необработанное изображение представляет собой множество горячих , то есть четких пикселей, соответствующих разнице в чувствительности между пикселями. Этот фоновый шум на изображении закрывает более тусклые звезды. Запыленность светочувствительного чипа вызывает появление темных пятен.

Для калибровки изображения мы используем две записи:

• Черного записаны при той же температуре окружающей среды в качестве исходного изображения, с тем же временем экспозиции и с закрытым затвором, который характеризует темновой ток , который установлен во время экспозиции;
• Заготовки регистрируются путем фотографирования равномерного освещения поверхности, которая характеризует неровность воздействия на датчик (например , из — за виньетирование или пыли) и чувствительность каждого пикселя в отдельности.

Эти два фона дают корректировки для каждого пикселя. На откалиброванном фото видны даже самые слабые звезды. Откалиброванную фотографию можно использовать для целей количественного анализа, например, для измерения альбедо звезд: без шага калибровки использование необработанного изображения приведет к ошибочным значениям.

Неровности ячейки ПЗС

Может случиться, в частности, при когерентном свете , что недостаточно тщательная подготовка экрана ПЗС, предназначенного для защиты сенсора от пыли, приводит к образованию интерференционных картин. Эту проблему можно решить, применив для экрана не тонкую полоску с параллельными гранями, а плоскую диоптрию , грани которой образуют между собой небольшой угол. Когда луч падает на переднюю поверхность диоптрии, он выходит с углом преломления на оси датчика, где определяет точное значение возникающего угла; одновременно часть этого луча посредством полного отражения описывает серию отражений, прежде чем также появиться на оси датчика. Если мы рассмотрим эти два луча, разница в их траектории заставляет фронты световых волн образовывать муаровый узор . Подходящий выбор угла преломления позволит сузить светлые линии изображения до такой степени, что граница раздела меньше характерного диаметра пикселей.

Шум и статистические недостатки

Основными характерными качествами ПЗС-чипов являются:

• Квантовая эффективность , то есть вероятность того, что в фотонной охотничьим падающего электрона. Квантовая эффективность ПЗС-матриц зависит от длины волны света и может превышать 90% (по сравнению с фотопленкой  : от 5% до 10%).
• Темновой ток светочувствительных клеток. Темновой ток сильно термозависим и по своим статистическим свойствам вызывает шум sui generis , по-разному влияя на каждый пиксель и тем самым создавая цифровой шум . Он также может создавать «  горячие пиксели  », то есть пиксели, на которые воздействует сильный темновой ток.
• Количество заряда, которое может хранить пиксель, или глубина потенциальной ямы ( полная емкость ямы ).
• Поведение отдельных ячеек в случае передержки: тогда они получают больше заряда, чем могут сохранить. Когда заряд воздействует на соседние пиксели, возникает так называемый дефект цветения . Многие цифровые фотоаппараты исправляют это, отводя избыточные заряды с помощью специальной схемы («антибликовые ворота»), но эти схемы иногда преждевременно разряжают определенные ячейки и, таким образом, теряют некоторую полезную информацию: соотношение между освещенностью и заряд перестает быть линейным, и изображение теряет верность.
• Эффективность передачи заряда на выходной фильтр.
• Фоновый шум выходного фильтра (декодирования шум, шум считывания ).

В камерах с высоким разрешением темновой ток и уровень шума ограничиваются охлаждением чипа. С помощью жидкого азота мы можем снизить темновой ток до менее трех электронов на пиксель в час.