| |
Прибор с зарядовой связью 
/b>Минимальная площадь одного элемента значительно превышает минимальную «технологическую» и составляет около Аэ?400 мкм2. Выше уровня 109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическими размерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисунке экспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗС при низких уровнях освещенности.Реальное изображение характеризуется непостоянным потоком Низ(у, z) в плоскости ФСИ. За счет искажений, вносимых ФСИ в процесс преобразования светового потока в «картину» зарядовых пакетов и последующего сканирования зарядов на выход, минимальный размер элемента передаваемого изображения будет больше размера ПЗС-элемента, определяемого шумами или технологией.Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ)( MTF(madulation transfer function).), описывающая изменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе на выходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменении пространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальное изображение Hиз может быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так как амплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходе системы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определить искажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения. Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точки зрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различные устройства (оптические, фотоэлектронные, электронные, механические и т. д.), вводящие в телевизионную систему, вносят искажения в передаваемую информацию. Частотно-контрастная характеристика и учитывает эти искажения. Аналогией ЧКХ в электронных системах являются амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Изменение ЧКХ происходит вследствие действия трех факторов: дискретности расположения светочувствительных элементов (изменяющийся в пределах одного элемента световой сигнал представляется усредненным зарядовым пакетом); диффузионного расплывания фотогенерируемых носителей под соседние элементы; потерь зарядов при их переносе.ЧКХ формирователя сигналов изображений на ПЗС определяется совместным действием всех трех факторов. Поскольку эти факторы являются независимыми, то для получения ЧКХ необходимо перемножить амплитуды и сложить фазы, обусловленные разными эффектами.Ранее уже отмечалось, что реальное изображение можно разложить в ряд Фурье по пространственным частотам. При передаче через ФСИ гармоники с большей пространственной частотой будут иметь большее затухание по амплитуде и больший фазовый сдвиг, т. е. будут сильнее искажаться по сравнению с низкочастотными. Задаваясь определенным уровнем искажений (по амплитуде и по фазе) и используя ЧКХ, можно определить реальную разрешающую способность ФСИ на ПЗС. При А = 0,2 разрешающая способность оказывается в 2--3 раза меньше предельной Rmax , вычисляемой исходя из размеров ПЗС (4.1), а при А =0,5 -- в 3--4 раза меньше. Таким образом, реальная разрешающая способность ФСИ на ПЗС оказывается равной 20--30 линий/мм.Динамический диапазон, определяемый как диапазон значений освещенности изображений, который может быть передан без искажений с помощью ФСИ, для ПЗС составляет 1000:1. Нижняя граница этого диапазона определяется шумами, а верхняя -- насыщением потенциальных ям ПЗС и растеканием зарядов при их переполнении. Если на ФСИ падает сильный световой поток, то за время интегрирования потенциальные ямы ПЗС переполняются. Это приводит к двум нежелательным эффектам: во-первых, после заполнения зарядовый пакет, локализованный в потенциальной яме, остается постоянным независимо от уровня освещенности, во-вторых, избыточные заряды под действием диффузии растекаются в соседние ячейки, искажая хранящуюся в них информацию, В конечном итоге это приводит к расплыванию передаваемого изображения, для устранения которого формируют дополнительные обратносмещенные р-n-переходы, собирающие избыточные носители.5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗСШирокое распространение получили две разновидности ФСИ на ПЗС: строчные (линейные), воспринимающие за один период интегрирования линию изображения, и матричные (плоскостные), в которые весь образ записывается сразу.Некоторые положения по организации ФСИ являются общими для обоих типов устройств. Прежде всего должно быть обеспечено два режима работы устройства: восприятие светового потока изображения и последовательный вывод зарядовых пакетов к выходу. Используются два принципа: временное или пространственное разделение режимов восприятия и сканирования.При разделении во времени обе функции ФСИ (восприятие и сканирование) выполняются с помощью одних и тех же ПЗС-элементов за счет усложнения схем управления. Во время восприятия светового потока на соответствующих ПЗС (в трехтактной схеме на каждом третьем электроде) устанавливаются потенциалы хранения, обеспечивающие накопление фотогенерируемых носителей. Все остальные электроды находятся при нулевом потенциале. После восприятия оптической информации на электроды подается последовательность тактовых импульсов, обеспечивающая перемещение зарядовых пакетов информации к выходу.При разделении обеих функций в пространстве формирователь должен включать в себя две области: светочувствительную область, которая воспринимает световой поток и преобразует его в картину распределения зарядов, и защищенную от света область хранения, в которую после интегрирования передается вся картина распределения зарядов. В следующем затем режиме сканирования информация из этой области передается на выход.В первом методе все элементы используются в качестве светочувствительных ячеек. Использование всей площади кристалла позволяет получить максимальное разрешение. Недостатком этого метода является усложненение электронного обрамления (управляющих схем), некоторое уменьшение интервала времени, отводимого на интегрирование изображения, и влияние засветки, поскольку за время кадра информация должна быть не только воспринята, но и передана на выход.Во втором методе для получения той же разрешающей способности требуется удвоенное количество элементов. Соответственно должна быть увеличена и площадь кристалла. К достоинствам метода кроме увеличения длительности интегрирования (вся продолжительность кадра) относится и то, что сканирование осуществляется в области, защищенной от света с незначительным искажением информации.Применимость того или иного метода определяется достижимыми характеристиками ПЗС и, наоборот, требования к параметрам элементов определяются выбранным методом сканирования. Оба принципа -- и временное, и пространственное разделение -- нашли достаточно широкое распространение.Перейдем к рассмотрению возможной организации строчных ФСИ (рис.13). В этом устройстве имеется три области: центральная светочувствительная полоска ПЗС, покрытая прозрачным антиотражающим материалом, и две защищенные от света области передачи зарядовых пакетов, расположенные по обе стороны от светочувствительной области и связанные с выходным СР. Электроды центральной области 1 находятся под потенциалом хранения Uхр, обеспечивающим накопление в ПЗС фотогенерируемых зарядов. После восприятия изображения на связывающие электроды 3 поступают импульсы передачи Фх и зарядовые пакеты поочередно сдвигаются в правую и в левую передающие области 2 благодаря соответствующему расположению электродов 3. Затем включаются цепи тактовых импульсов Ф1, Ф2, Ф3 и заряды последовательно перемещаются к двухразрядному СР. Следующий этап -- перевод зарядов в выходную схему считывания на МОП-транзисторах, сформированную на том же кристалле, и превращение их в видеосигнал.Благодаря наличию двух областей передачи, в которые распределяются зарядовые пакеты, число переносов уменьшается вдвое. Например, если светочувствительная область содержит. 500 воспринимающих электродов, а для передачи используется трехтактная система, то каждая передающая область должна содержать по 250 ПЗС-элементов или 750 электродов (так как в трехтактной системе каждый передающий ПЗС-элемент состоит из трех электродов). Следовательно, число переносов для самой удаленной от выхода точки составит 750.Рис.13. Организация строчного ФСИ с отдельными светочувствительной и передающей областями:1 - электроды светочувствительной области; 2 - передающие электроды: 3 - связывающие электроды; 4 - двухразрядный сдвиговый регистр; 5 - выходная схема считыванияВыходная схема считывания состоит из плавающей диффузионной области D, МДП-транзистора T1, восстанавливающего потенциал этой области, и транзистора Т2, на затвор которого воздействует изменение потенциала плавающей диффузионной области, пропорциональное поступившему зарядовому пакету. Транзистор Т2 обычно является входом истокового повторителя. Импульсная диаграмма выходных сигналов приведена на рис.14. В такте Фл, совпадающем по времени с тактом Ф'з, диффузионная область D через восстанавливающий транзистор 77 заряжается до высокого отрицательного напряжения, равного Е. Затем в такте Ф'з очередной зарядовый пакет поступает на диффузионную область D, вызывая изменение ее потенциала.Рис.14. Импульсная диаграмма сигналов на выходе строчного ФСИПри использовании строчных ФСИ развертка изображения по вертикали осуществляется механическим сканированием с помощью зеркального барабана или качающегося зеркала, которые последовательно направляют полоски изображения на ФСИ. Малогабаритная камера, разработанная на основе строчного ФСИ, обеспечивает передачу 8 кадров в секунду, имеет размеры 51X102X76 мм3 и потребляет мощность 2,5 Вт.Строчные ФСИ используются главным образом в фототелеграфии и реже в телевидении. Отдельные фрагменты рисунка, помещенного на вращающийся барабан, через щелевой экран поступают на линзу, которая фокусирует их на фотосчитывающую ПЗС-линейку. В результате последовательно передаются все фрагменты изображения, которые после преобразования в видеосигналы позволяют передать и воспроизвести изображение.6 Матричные (плоскостные) ФСИУстройства на основе строчных ФСИ позволяют передавать изображение с низкой скоростью и не обеспечивают высокого качества видеосигналов. Поэтому телевизионные передающие камеры строят главным образом на основе матричных ФСИ.Используются четыре основных способа организации матричных формирователей сигналов изображений на ПЗС: кадровая, строчная, строчно-кадровая, адресная. Эти организации отличаются способом считывания картины зарядовых пакетов.Рис.15. ФСИ с кадровой организацией:1 - каналоограничивающая диффузионная область; 2 - оптическая секция; 3 - элемент изображения; 4 - секция хранения; 5 - выход видеосигнала; 6 - выходной затворФСИ с кадровой организацией состоит из трех секций (рис.15): фотоприемной (оптической), представляющей собой матрицу ПЗС требуемого формата; секции хранения того же формата, в которой хранится картина зарядов; секции считывания, состоящей из СР на ПЗС и выходного считывающего элемента, преобразующего зарядовые пакеты в видеосигналы.Картина зарядов, накопленные в фотоприемной секции, после окончания кадра с помощью соответствующей последовательности тактовых импульсов быстро сдвигается в секцию хранения. Таким образом, после восприятия изображения весь кадр сдвигается в секцию хранения и фотоприемная секция готова к приему следующего кадра. В течение времени формирования следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в выходной СР, откуда она поэлементно передается на выходной считывающий элемент (подобно тому, как в строчном ФСИ). Тактовая частота сдвига в выходном регистре должна быть в r раз (где r -- количество элементов в одной строке) выше тактовой частоты в секции хранения для того, чтобы к моменту поступления в регистр следующей строки обеспечить передачу на выход всех зарядовых пакетов предыдущей строки.Достоинствами кадровой организации процесса Сканирования являются высокое качество передаваемого изображения, возможность чересстрочной развертки, топологическая простота и регулярность кристалла. Высокое качество видеосигналов достигается благодаря тому, что после восприятия изображения картина зарядов быстро сдвигается в защищенную от света секцию хранения и поэтому не происходит дополнительной засветки при сканировании, вызывающей искажения видеосигналов. Чересстрочная развертка является прогрессивным методом считывания информации, позволяющим вдвое уменьшить частоту следования видеосигналов при сохранении того же качества изображения. В ФСИ на ПЗС она может быть получена следующим образом.В трехтактной системе каждый светочувствительный элемент содержит три электрода. При интегрировании изображения только один из них находится под напряжением смещения и накапливает заряды, два остальных электрода необходимы для направленной передачи зарядов и используются только при сдвиге картины зарядов в секцию хранения. Такую избыточность электродов в режиме восприятия изображения можно использовать так. В течение первого полукадра напряжение смещения подается на одну группу электродов, например, на первые электроды светочувствительных элементов. Накопленные заряды сдвигаются в секцию хранения. В течение второго полукадра напряжение смещения подается на все электроды, и заряды накапливаются под ними. Следовательно, один и тот же светочувствительный ПЗС-элемент используется для восприятия различных элементов изображения, т. е. применение чересстрочной развертки позволяет вдвое увеличить разрешающую способность матрицы на ПЗС при сохранении того же количества элементов. Примером этого служит разработанная фирмой RCA передающая камера, имеющая 256X320 светочувствительных элементов и обеспечивающая в то же время получение 512X320 элементов разложения, т. е. практически полный телевизионный стандарт.Третье достоинство ФСИ с кадровой организацией состоит в топологической простоте кремниевого кристалла. Все три секции ФСИ имеют регулярную структуру. Электроды формируются в виде поперечных полос металлизации, пересекающих весь кристалл. Области хранения зарядов отделяются друг от друга продольными диффузионными полосами. Секция хранения и выходной СР защищаются от света с помощью дополнительной металлизации.Кадровая организация ФСИ имеет и определенные недостатки. За счет дополнительной секции хранения, содержащей такое же количество ПЗС, что и светочувствительная секция, общее количество элементов увеличивается вдвое. Например, для получения разрешения 500X500 элементов при использовании чересстрочной развертки необходимо иметь светочувствительную секцию объемом 500X250 элементов, секцию хранения такого же объема и выходной СР на 500 элементов. Следовательно, общее количество элементов равно 500X X 501 = 250 500. Если учесть, что в вертикальном направлении каждый светочувствительный элемент содержит три электрода, то общее количество электродов, которые должны быть сформированы на кристалле, близко к 750 000. Создание таких сверхбольших интегральных систем (СБИС) наталкивается (и еще долго будет наталкиваться) на значительные технологические трудности (основная -- бездефектная фотолитография).Другим недостатком рассматриваемой структуры является сильное влияние дефектов на качество изображения. Если в светочувствительной секции (а особенно в секции хранения) неисправен только один ПЗС-элемент, то на выходе будет потеряна информация от всего столбца, так как при сканировании через неисправный элемент не смогут быть переданы зарядовые пакеты всех элементов столбца, расположенных выше данного. Если в неисправном элементе электрод закорочен с подложкой через отверстие в окисле, то при передаче через данный элемент зарядовые пакеты будут заполняться до насыщения и на воспроизводимом изображении появится вертикальная светлая полоса. Если на электрод не попадает управляющее напряжение из-за обрыва металлизации, то через данный элемент вообще не будут передаваться зарядовые пакеты и на изображении появится вертикальная темная полоса. Все это еще более усиливает требования к бездефектности всех элементов ФСИ.Для достижения этого используют усложненную технологию последовательного осаждения трех слоев поликристаллического кремния, изолированных друг от друга термически выращенным окислом (рис.16).Рис.16. Трехтактная структура с перекрывающимися кремниевыми электродами: 1- поликристаллическне электроды; 2 - изолирующий окиселТакая структура является трехтактным ПЗС. Перекрытие кремниевых слоев у краев электродов приводит к тому, что реальная ширина зазоров оказывается равной толщине окисла и не превышает 0,1--0,2 мкм. Благодаря узким зазорам возникают сильные краевые поля, обеспечивающие высокую эффективность передачи. Важным достоинством данной трехуровневой структуры, приводящим к уменьшению дефектов, является то, что вся поверхность кремния оказывается достаточно надежно защищенной. Важно и то, что поликристаллические кремниевые электроды прозрачны и обеспечивают максимальное использование активной площади кристалла для восприятия потока света. На основе этой технологии создан ФСИ с кадровой организацией, содержащий 220X128 элементов размером 30X30 мкм2 каждый.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
|
|
