CCD-матрица

CCD-матрица (прибор с зарядовой связью, ПЗС-матрица) — это специализированная интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотоэлементов (пикселей), выполненных на основе кремния, и аналогового регистра сдвига, выполненного по технологии приборов с зарядовой связью. CCD-матрица преобразует оптическое изображение в аналоговый электрический сигнал путём накопления и последовательного переноса зарядовых пакетов, возникших под действием света. Является одним из основных типов сенсоров для цифровых камер, видеокамер, сканеров и научных приборов, наряду с КМОП-матрицами (CMOS).

История

Предпосылки и изобретение

Принцип работы приборов с зарядовой связью был открыт в 1969 году в лаборатории Bell Labs (США) сотрудниками Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом. Первоначально устройство разрабатывалось как полупроводниковая память для хранения данных, однако уже в 1970 году была продемонстрирована его способность регистрировать свет. Первая CCD-матрица, способная формировать изображение, была создана в 1970 году в компании Fairchild Semiconductor (США) под руководством Майкла Томпсета. Она представляла собой массив из 100×100 пикселей и имела крайне низкую чувствительность по современным меркам.

Коммерциализация и развитие

В 1975 году компания Kodak (США) создала первую цифровую камеру на основе CCD-матрицы, а в 1980-х годах технология начала активно внедряться в астрономию, научные исследования и видеонаблюдение. Первые массовые потребительские цифровые фотоаппараты, такие как Dycam Model 1 (1990) и Apple QuickTake 100 (1994), использовали CCD-сенсоры. В 1990-х годах CCD-матрицы доминировали на рынке цифровых камер благодаря высокой чувствительности и низкому уровню шума. Однако с начала 2000-х годов их начали вытеснять КМОП-матрицы, которые были дешевле, потребляли меньше энергии и позволяли интегрировать дополнительные функции на одном кристалле. К середине 2010-х годов CCD-матрицы сохранили позиции в узкоспециализированных областях: научная и медицинская визуализация, астрономия, промышленная съёмка, а также в некоторых высококачественных среднеформатных камерах.

Устройство и принцип работы

Структура пикселя

Каждый пиксель CCD-матрицы представляет собой металл-оксид-полупроводниковый (МОП) конденсатор, состоящий из:

• Подложки — кремний p-типа (с избытком дырок).
• Слоя диоксида кремния (SiO₂) — изолятора.
• Прозрачного электрода — обычно из поликристаллического кремния (поликремния), на который подаётся управляющее напряжение.

При подаче положительного напряжения на электрод под ним образуется область обеднения (потенциальная яма), в которую стекают электроны, генерируемые фотонами в кремнии. Количество накопленных электронов пропорционально интенсивности падающего света.

Перенос заряда

Главная особенность CCD — последовательный перенос зарядовых пакетов. Матрица состоит из вертикальных колонок (столбцов) и горизонтального регистра сдвига. Процесс считывания включает три этапа:

1. Накопление — в течение времени экспозиции под каждым пикселем накапливается заряд.
2. Вертикальный перенос — заряды из всех пикселей одновременно сдвигаются вниз по колонке на один ряд. Верхний ряд переходит в горизонтальный регистр.
3. Горизонтальный перенос — заряды из горизонтального регистра последовательно передаются на выходной усилитель, где преобразуются в напряжение.

Для синхронизации переноса используются многофазные тактовые сигналы (обычно 2, 3 или 4 фазы), которые управляют потенциалами на электродах.

Типы CCD-матриц

По способу организации переноса заряда различают:

• Full-Frame (полнокадровая) — весь массив пикселей используется для накопления света. Требует механического затвора для предотвращения смазывания изображения во время переноса.
• Frame-Transfer (кадровый перенос) — матрица разделена на светочувствительную и экранированную (запоминающую) области. После экспозиции заряд быстро переносится в запоминающую область, что позволяет использовать электронный затвор, но увеличивает площадь кристалла.
• Interline Transfer (межстрочный перенос) — каждый столбец пикселей чередуется с вертикальным регистром сдвига, экранированным от света. Заряд переносится в регистр за короткое время, что минимизирует смазывание и позволяет отказаться от механического затвора. Наиболее распространённый тип в видеокамерах и потребительских фотоаппаратах.

Характеристики и параметры

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность (QE) — отношение числа зарегистрированных электронов к числу падающих фотонов. Для CCD-матриц QE может достигать 80–95% в видимом диапазоне (особенно в монохромных вариантах с тыловой подсветкой), что значительно выше, чем у большинства КМОП-сенсоров.

Тёмновой ток

Тёмновой ток — ток, возникающий в пикселях даже при отсутствии освещения, вызванный тепловой генерацией электронов. Он увеличивается с ростом температуры и ограничивает максимальное время экспозиции. Для снижения тёмнового тока CCD-матрицы часто охлаждают (например, в астрономических камерах — до −30 °C и ниже).

Шум считывания

Шум считывания — шум, вносимый выходным усилителем и аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В CCD-матрицах он обычно ниже, чем в КМОП-сенсорах, что обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум при слабом освещении.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — отношение максимального неискажённого сигнала к уровню шума. Для CCD-матриц он может достигать 70–80 дБ (12–14 бит), а в специализированных научных сенсорах — более 90 дБ (16 бит и выше).

Применение

Научная и медицинская визуализация

CCD-матрицы широко применяются в астрономии (камеры для телескопов, спектрографы), микроскопии (флуоресцентная, конфокальная), рентгенографии и маммографии. Высокая чувствительность и низкий шум позволяют регистрировать единичные фотоны и работать в условиях крайне низкой освещённости.

Промышленная и техническая съёмка

В промышленности CCD-матрицы используются в системах машинного зрения, контроля качества, 3D-сканирования и лазерной триангуляции. Высокая линейность и стабильность характеристик делают их предпочтительными для измерительных задач.

Фотография и видеосъёмка

Хотя CCD-матрицы почти полностью вытеснены из массового рынка фотоаппаратов и смартфонов, они продолжают применяться в некоторых среднеформатных цифровых камерах (например, Phase One, Hasselblad) и в видеокамерах высокого разрешения (например, для телевещания). В кинематографе CCD-матрицы использовались в ранних цифровых кинокамерах (например, Sony CineAlta).

Специальные области

CCD-матрицы применяются в спектроскопии, лазерной локации (LIDAR), военной технике (приборы ночного видения, системы наведения), а также в космических аппаратах (например, камеры марсоходов и спутников дистанционного зондирования Земли).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая квантовая эффективность — до 95% в монохромном исполнении.
• Низкий уровень шума считывания — особенно в режимах с медленным считыванием.
• Высокая однородность пикселей — минимальные различия в чувствительности между соседними пикселями.
• Большой динамический диапазон — до 16 бит и более.
• Отсутствие эффекта «роллинг-шаттера» (искажения при съёмке быстродвижущихся объектов) в полнокадровых матрицах с механическим затвором.

Недостатки

• Высокое энергопотребление — особенно при быстром считывании.
• Сложность производства — требует большего числа технологических операций, что увеличивает стоимость.
• Невозможность реализации произвольного доступа к пикселям — считывание происходит последовательно.
• Склонность к «смазыванию» (blooming) — переполнение пикселя светом приводит к растеканию заряда на соседние ячейки (частично решается анти-блюминг-структурами).
• Ограниченная скорость считывания — для получения высокого качества требуется медленное считывание, что снижает частоту кадров.

Сравнение с КМОП-матрицами

К началу 2020-х годов CCD-матрицы уступили КМОП-сенсорам в большинстве потребительских и коммерческих применений. Основные различия:

Интересные факты

• За изобретение CCD-сенсора Уиллард Бойл и Джордж Смит получили Нобелевскую премию по физике в 2009 году.
• Первая CCD-матрица, использованная в космическом телескопе «Хаббл» (1990), имела разрешение 800×800 пикселей.
• Некоторые CCD-матрицы для научных целей имеют размер пикселя до 24 мкм и более, что позволяет накапливать заряд в течение нескольких часов.
• В 2010-х годах компания Sony (Япония) прекратила массовое производство CCD-матриц, сосредоточившись на КМОП-сенсорах.

Источники

• Бойл У., Смит Дж. «Приборы с зарядовой связью» (1970).
• Томпсет М. «CCD-сенсоры: от изобретения до коммерциализации» (1975).
• Холст Г. «CCD-массивы, камеры и системы» (1998).
• Джейнс Х. «Сравнение CCD и CMOS сенсоров» (2005).
• Данные производителей: Sony, Kodak, Fairchild Semiconductor, Teledyne e2v.