Сканеры: виды, устройство, принципы работы (стр. 6 из 15)
Теперь вернёмся к структуре двумерной матрицы ПЗС. Простейший её вариант изображён на рис. 6а. В нём можно выделить два вертикальных регистра сдвига на ПЗС, образующие секцию накопления и секцию хранения с равным числом строк (каждая строка секции образована одной тройкой электродов), горизонтальный регистр сдвига и выходное устройство. Рассмотрим подробнее работу такой структуры.
Рис.6а Структура двумерной матрицы ПЗСВ течение времени прямого хода по кадру секция накопления стоит, т. е. на неё подаются неизменные напряжения, формирующие потенциальные ямы только под одним электродом каждой тройки, скажем, под электродом первой фазы (VS1), причём потенциальные ямы образуются во всех элементах всех строк секции. По горизонтали отдельные ячейки накопления отделены стоп каналами (выделены на рисунке красным цветом). Изображение, проецируемое на секцию накопления, вызывает фотогенерацию - образование электронно-дырочных пар. При этом фотогенерированные электроны остаются в потенциальной яме, дырки же, соответственно, уйдут в подложку или в вдоль поверхности в стоп каналы. Таким образом, под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф, т. е. в каждой ячейке собирается заряд, пропорциональный её освещённости и времени накопления.
По окончании прямого хода по кадру на обе секции подаются тактовые импульсы, вызывающие синхронный перенос заряда, при этом важно (и это показано на рисунке), что обе секции образуют непрерывный регистр сдвига. После числа тактов, равного числу строк в каждой секции (напомним, что каждая строка образована тремя электродами), весь накопленный зарядовый рельеф целиком переместится в секцию памяти, закрытую от света, а секция накопления будет очищена от заряда. Этот перенос секции в секцию происходит достаточно быстро (фактически он занимает малую часть времени обратного хода по кадру). Теперь, во время следующего цикла накопления (это следующее поле кадровой развёртки), секция накопления накапливает следующий кадр изображения, а из секции памяти заряды построчно, во время обратного хода по строке, передаются в горизонтальный регистр), каждый элемент регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за один раз передаётся одна строка, и затем выводятся в выходное устройство регистра за время прямого хода по строке, формируя видеосигнал. О выходном устройстве мы подробнее поговорим ниже.
Сразу отметим одно важное обстоятельство. Первые матрицы выглядели именно так, как показано на рисунке, с электродами, сформированными из металла (молибдена). Понятно, что для обеспечения зарядовой связи и возможно полного переноса заряда от затвора к затвору зазор между ними не мог быть большим, что приводило к крайне низкой чувствительности: действительно, почти вся площадь элемента оказывалась непрозрачной для света. Кроме того, при ширине зазора 2 микрона и суммарной его длине для всей матрицы несколько метров весьма вероятно замыкание металлических фаз друг на друга, что приводит к потере работоспособности матрицы.
Радикальным выходом стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттом из Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во всём видимом диапазоне. В таких приборах для формирования трёхфазной системы электродов используются три последовательно наносимых на подложку уровня поликремния, каждый для своей фазы, которые после формирования электродного рисунка окисляются. Чтобы при окислении поликремния не изменялась толщина под затворного диэлектрика, в современных приборах он делается двухслойным - окисел + нитрид кремния (Si3N4). Первые же приборы с поликремниевыми затворами превзошли по чувствительности вакуумные трубки и даже фотоэмульсию. Кроме того, выращенный на каждом слое поликремния изолирующий окисел (см рис. 6а) резко снизил вероятность межфазного замыкания, а межфазный зазор уменьшился до 0,2 мкм - толщины межфазного окисла.
Теперь, мне кажется, настало время поговорить о достоинствах и ограничениях ПЗС вообще и данной структуры в частности. Разумеется, общие преимущества перехода от вакуумных приборов сразу к ИС высокой степени интеграции очевидны и не нуждаются в комментариях. Остановимся на менее очевидных (а для непосвящённых, возможно, и просто новых) моментах.
Прежде всего, отметим жёсткий растр. В трубках растр создавался сканирующим электронным лучом, и его геометрическое качество зависело от массы факторов - линейности напряжений развёрток, стабильности питающих напряжений, температурных эффектов и т. д. В твердотельных приборах растр задаётся с высокой точностью в процессе изготовления структуры прибора, так что геометрические искажения получаемого изображения определяются только качеством оптики. С жёсткостью растра связаны и такие достоинства, как отсутствие микрофонного эффекта (т. е. изменения параметров электровакуумного прибора из-за акустического воздействия) и нечувствительность к магнитным полям - а ведь искажения в трубках, если не принимать специальных мер, могли порой возникать даже от изменения её положения относительно магнитного поля Земли!
С жёстким растром - и вообще с тем, что это интегральная схема связано и другое преимущество ПЗС, особенно важное для профессиональных цветных камер - совмещение растров датчиков в трех матричных камерах цветного ТВ. Я напомню, как получается цветной сигнал в таких камерах (будь то на ПЗС или на трубках): световой поток от объектива с помощью специальной дихроичной призмы расщепляется на три - соответственно красный, зелёный и синий, поступающие каждый на свой датчик. Ясно, что малейшее рассогласование растров этих датчиков приводит к появлению цветовой окантовки на результирующем изображении. А теперь представьте себе, каких ухищрений стоит добиться совмещения растров для трёх электронно-лучевых приборов! Жёсткий растр и связанная с этим жёсткая привязка выходного сигнала к тактовой частоте упростила и конструкцию одно-матричных цветных камер, в которых для получения информации о цвете используется нанесение непосредственно на фоточувствительную секцию специального фильтра - мозаичного или полосового - так что каждый элемент ПЗС передаёт сигнал только одного какого-то цвета, а полный цветной сигнал получается за счёт соответствующей обработки выходного сигнала ПЗС. Ясно, что однозначная привязка сигнала каждого элемента с сетке частот упрощает эту обработку (нелинейность развёртки в трубках вынуждала формировать специальный индексный сигнал, для чего конструкция мишени трубок для одно-трубочных камер цветного ТВ сильно усложнялась).
Ещё одно достоинство - отсутствие эффекта выжигания. В трубках чрезмерно яркий свет (например, случайно попавший в поле зрения яркий источник света или, не приведи бог, Солнце), приводил к выжиганию - длительному, а иногда и необратимому изменению параметров фото катода - и изображение этого источника (причём негативное) ещё долгое время можно было наблюдать, даже не открывая объектив... Ещё один неприятный эффект, свойственный трубкам (кстати, и фоторезисторным матрицам) и полностью отсутствующий в ПЗС - инерционность. Многие, вероятно, видели хвост, тянущийся за изображением яркой лампы при панорамировании камеры. Именно так проявляется инерционность трубки - даже после исчезновения освещенности данной точки фото катода сигнал с неё не спадает мгновенно. В матрицах ПЗС, накопленный сигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра - и к началу следующей экспозиции секция накопления как новенькая.
По сравнению с твердотельными приборами с координатной адресацией (КА) ПЗС сильно выигрывают в однородности сигнала, так как все зарядовые пакеты детектируются одним усилителем (вспомним, что в приборах с КА каждый столбец имеет свой усилитель - со своим коэффициентом усиления). Помимо одинакового для всех зарядовых пакетов коэффициента преобразования заряд-напряжение, усилитель ПЗС характеризуется и значительно меньшим по сравнению с матрицами с КА шумом (это связано с величиной ёмкости преобразования, о чём мы ещё поговорим).
И ещё одно достоинство по сравнению с конструкцией, о которой речь пойдёт ниже: вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т. е. коэффициент заполнения (fill factor) равен 100%. Эта особенность делает приборы данной организации монополистами в астрономии и вообще везде, где идёт борьба за чувствительность.