ПЗС

ПЗС (прибор с зарядовой связью, англ. CCD — Charge-Coupled Device) — это полупроводниковое устройство, состоящее из матрицы светочувствительных элементов (фотодиодов) и системы переноса накопленного электрического заряда по поверхности кристалла. Основное назначение ПЗС-матриц — преобразование оптического изображения в аналоговый электрический сигнал. ПЗС являются ключевым компонентом цифровых камер, видеокамер, сканеров, астрономических телескопов и медицинского оборудования.

История

Принцип работы прибора с зарядовой связью был разработан в 1969 году в лабораториях Bell Labs (США). Авторами изобретения стали Уиллард Бойл и Джордж Смит, которые впоследствии получили Нобелевскую премию по физике (2009) за этот вклад. Первоначально ПЗС создавался как устройство памяти для хранения данных, однако его способность накапливать и переносить заряд под воздействием света была быстро замечена и использована для формирования изображений.

Первая рабочая ПЗС-матрица была продемонстрирована в 1970 году. В 1973 году компания Fairchild Semiconductor выпустила первую коммерческую ПЗС-камеру с разрешением 100×100 пикселей. В 1975 году инженер Стивен Сассон, работавший в компании Kodak, создал первый прототип цифрового фотоаппарата, в основе которого лежала ПЗС-матрица размером 100×100 пикселей. В 1980-х годах ПЗС начали активно применяться в астрономии (заменив фотопластинки и фотоумножители), что позволило значительно повысить чувствительность и точность измерений.

В 1990-х годах ПЗС-матрицы стали основой для бытовых цифровых фотоаппаратов и видеокамер, а также для сканеров и копировальных аппаратов. В 2000-х годах, с развитием КМОП-технологий (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), ПЗС начали постепенно вытесняться из массового потребительского сегмента, однако сохранили доминирование в областях, требующих максимальной чувствительности и низкого уровня шума (научная фотография, медицина, астрономия).

Устройство и принцип работы

Основные элементы

ПЗС-матрица представляет собой монокристалл кремния, на поверхности которого сформирована сетка из электродов (поликремниевых или металлических), разделённых слоем диэлектрика (обычно диоксида кремния). Под каждым электродом образуется потенциальная яма, способная накапливать электроны.

Основные функциональные зоны матрицы:

• Фоточувствительная область — массив пикселей, где происходит накопление заряда под действием света.
• Регистр сдвига (вертикальный и горизонтальный) — система электродов, последовательно передающих заряды от пикселей к выходному усилителю.
• Выходной усилитель — преобразует заряд в напряжение.

Процесс формирования изображения

1. Экспозиция (накопление заряда). Свет, проходя через объектив камеры, попадает на поверхность ПЗС-матрицы. Каждый фотон, поглощённый кремнием, генерирует электронно-дырочную пару. Электроны накапливаются в потенциальных ямах под соответствующими электродами. Количество накопленных электронов пропорционально интенсивности падающего света.
2. Перенос заряда. После окончания экспозиции система тактовых импульсов (обычно трёхфазная или четырёхфазная) последовательно изменяет напряжение на электродах, заставляя заряды «перетекать» из одной ямы в соседнюю вдоль строки матрицы. Так заряды всех пикселей строки последовательно перемещаются в горизонтальный регистр сдвига.
3. Считывание. Из горизонтального регистра заряды по одному поступают на выходной усилитель, который преобразует каждый заряд в напряжение. Далее аналоговый сигнал оцифровывается АЦП (аналого-цифровым преобразователем) и передаётся на обработку.

Особенности конструкции

Главное отличие ПЗС от КМОП-матриц — способ считывания. В ПЗС все пиксели считываются последовательно через один или несколько выходных усилителей, что обеспечивает высокую однородность сигнала и низкий уровень шума, но снижает скорость работы. В КМОП-матрицах каждый пиксель имеет собственный усилитель и может считываться независимо, что быстрее, но за счёт большей неоднородности и шума.

Классификация ПЗС-матриц

По типу организации переноса заряда различают:

• Фреймовые (full-frame) — вся поверхность матрицы является фоточувствительной. Для переноса заряда требуется механический затвор, перекрывающий свет во время считывания. Используются в научной и астрономической фотографии.
• Кадровые с буфером (frame-transfer) — матрица разделена на фоточувствительную область и область памяти (буфер), закрытую от света. После экспозиции заряд быстро переносится в буфер, откуда считывается без необходимости механического затвора. Применяются в видеокамерах.
• Строчные (interline) — между строками фоточувствительных элементов расположены вертикальные регистры сдвига, закрытые светонепроницаемым экраном. После экспозиции заряд переносится в эти регистры, откуда считывается. Обеспечивают высокую скорость, но имеют меньшую эффективную фоточувствительную площадь (меньший коэффициент заполнения). Широко используются в бытовых видеокамерах.
• Полнокадровые с просветлённой обратной стороной (back-illuminated) — свет падает не на лицевую сторону с электродами, а на обратную, что повышает квантовую эффективность (долю фотонов, преобразованных в электроны) до 90% и более. Применяются в научных и астрономических приборах.

По размеру матрицы и пикселей ПЗС классифицируются на:

• Формат 1/3", 1/2", 2/3" — для бытовых видеокамер.
• APS-C, Full-frame — для цифровых фотоаппаратов.
• Большие форматы (например, 4K×4K, 10K×10K и более) — для научных и промышленных целей.

Применение

Астрономия

ПЗС-матрицы являются основным инструментом для получения изображений в оптической астрономии. Благодаря высокой квантовой эффективности (до 95% у просветлённых матриц) и низкому уровню шума, они позволяют регистрировать чрезвычайно слабые объекты. ПЗС-матрицы используются в наземных телескопах (например, в телескопе Хаббла, где установлены ПЗС-камеры WFPC2 и ACS) и в космических обсерваториях.

Медицина

В медицинской визуализации ПЗС применяются в цифровых рентгеновских аппаратах (прямое преобразование рентгеновского излучения в видимый свет через сцинтиллятор), в эндоскопах, в микроскопах для флуоресцентной и конфокальной микроскопии.

Промышленность

ПЗС-матрицы используются в системах машинного зрения для контроля качества продукции, в спектрометрах, в сканерах штрих-кодов, в системах видеонаблюдения с высокими требованиями к качеству изображения.

Фотография и видеосъёмка

До середины 2000-х годов ПЗС-матрицы были стандартом для цифровых фотоаппаратов и видеокамер. В настоящее время в потребительском сегменте они почти полностью вытеснены КМОП-матрицами, однако некоторые производители (например, Pentax, Leica) продолжают выпускать камеры с ПЗС-матрицами для энтузиастов.

Научные исследования

ПЗС широко применяются в спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии, в детекторах частиц (например, в экспериментах на Большом адронном коллайдере), в биологии (для регистрации флуоресценции и люминесценции).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая квантовая эффективность (особенно у просветлённых матриц).
• Низкий уровень шума (тёмновой и считывания).
• Высокая однородность чувствительности по полю матрицы.
• Широкий динамический диапазон (способность регистрировать как слабые, так и яркие объекты на одном кадре).
• Отсутствие эффекта «роллинг-шаттера» (искажения изображения при съёмке движущихся объектов), характерного для КМОП-матриц.

Недостатки

• Относительно низкая скорость считывания (по сравнению с КМОП).
• Более высокое энергопотребление (из-за необходимости подачи нескольких тактовых напряжений).
• Сложность изготовления больших матриц (высокая стоимость).
• Чувствительность к перегрузке (при ярком свете возможно «растекание» заряда в соседние пиксели — эффект blooming).
• Необходимость внешних цепей тактирования и охлаждения (для снижения тёмнового шума).

Интересные факты

• Самая большая ПЗС-матрица, созданная для астрономических целей, имеет размер около 10×10 см и содержит более 100 миллионов пикселей (например, матрица для телескопа Pan-STARRS).
• В 2009 году Нобелевская премия по физике была присуждена Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту «за изобретение полупроводниковой схемы формирования изображений — ПЗС-сенсора».
• В бытовых цифровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы использовались в основном до 2008 года, после чего почти полностью уступили место КМОП-матрицам, которые оказались дешевле и быстрее.
• В некоторых моделях телескопов (например, «Хаббл») ПЗС-матрицы работают при температуре около -100 °C для минимизации тёмнового шума.

Источники

• Бойл У., Смит Дж. «Charge-Coupled Semiconductor Devices» // Bell System Technical Journal, 1970.
• Джеймс Р. Дженик. «Scientific Charge-Coupled Devices» // SPIE Press, 2001.
• Хауэлл С. Б. «Handbook of CCD Astronomy» // Cambridge University Press, 2006.
• Энциклопедия «Британника»: статья «Charge-Coupled Device» (CCD).
• «Физическая энциклопедия» / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3.