ПЗС-матрица

ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью, CCD, Charge-Coupled Device) — это полупроводниковое устройство, состоящее из светочувствительных фотодиодов, выполненное на основе кремниевой подложки и предназначенное для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал. ПЗС-матрица является основным элементом многих цифровых устройств захвата изображения, таких как цифровые фотоаппараты, видеокамеры, сканеры, астрономические телескопы и медицинские эндоскопы. Принцип её действия основан на накоплении электрического заряда, пропорционального интенсивности падающего света, и последующем переносе этого заряда по строкам и столбцам матрицы для считывания.

История создания

Предпосылки и изобретение

Разработка ПЗС-матрицы началась в конце 1960-х годов в лабораториях Bell Labs (США). В 1969 году инженеры Уиллард Бойл и Джордж Смит предложили концепцию прибора с зарядовой связью, изначально предназначенного для хранения информации в виде зарядовых пакетов. Однако вскоре была обнаружена высокая светочувствительность устройства, что привело к его использованию в качестве светочувствительного сенсора. За это изобретение в 2009 году Бойл и Смит были удостоены Нобелевской премии по физике.

Первые коммерческие реализации

В 1973 году компания Fairchild Semiconductor выпустила первую коммерческую ПЗС-матрицу — CCD201, имевшую разрешение 100×100 пикселей. В 1975 году инженер Стивен Сассон из компании Kodak создал первый цифровой фотоаппарат, использующий ПЗС-матрицу размером 100×100 пикселей. В 1980-х годах ПЗС-матрицы начали активно применяться в астрономии, заменив фотопластинки, благодаря значительно более высокой квантовой эффективности и низкому уровню шума.

Развитие в 1990–2000-х годах

В 1990-е годы ПЗС-матрицы стали основой для цифровых фотоаппаратов потребительского сегмента. В 1995 году компания Sony представила матрицу с разрешением 1,3 мегапикселя, что позволило создавать компактные камеры. В начале 2000-х годов ПЗС-матрицы начали вытесняться КМОП-сенсорами (CMOS) в массовых устройствах из-за их меньшего энергопотребления и более низкой стоимости производства, однако ПЗС-матрицы сохранили лидирующие позиции в областях, требующих максимального качества изображения и низкого уровня шума, таких как научная и медицинская визуализация.

Принцип действия

Фотогенерация заряда

ПЗС-матрица состоит из множества пикселей, каждый из которых представляет собой металл-оксид-полупроводниковую (МОП) структуру. Под действием фотонов, падающих на кремниевую подложку, в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары. Электроны накапливаются в потенциальной яме, создаваемой управляющим напряжением на электроде. Количество накопленного заряда линейно зависит от интенсивности света и времени экспозиции.

Перенос заряда

После завершения экспозиции накопленные заряды считываются путём последовательного переноса по строкам и столбцам матрицы. Для этого на электроды подаются тактовые импульсы, которые перемещают зарядовые пакеты в соседние ячейки. В типичной архитектуре ПЗС-матрицы заряды сначала сдвигаются по вертикали (столбцам) в горизонтальный регистр считывания, а затем — по горизонтали к выходному усилителю. Этот процесс требует точной синхронизации и занимает определённое время, что ограничивает скорость считывания.

Преобразование в напряжение

Выходной усилитель преобразует заряд каждого пикселя в напряжение, которое затем оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Полученный цифровой сигнал обрабатывается и формирует изображение.

Классификация и типы

По архитектуре переноса заряда

• ПЗС с полнокадровым переносом (Full-Frame CCD) — наиболее простая и чувствительная архитектура. Вся площадь матрицы используется для накопления заряда, но для считывания требуется механический затвор, так как во время переноса свет продолжает попадать на матрицу, вызывая смазывание изображения.
• ПЗС с буферным переносом (Frame-Transfer CCD) — матрица разделена на две области: светочувствительную и буферную (затенённую). После экспозиции заряд быстро переносится в буферную область, откуда считывается, что позволяет обойтись без механического затвора.
• ПЗС с межстрочным переносом (Interline Transfer CCD) — в каждом пикселе имеется светочувствительный элемент и затенённый регистр хранения. После экспозиции заряд переносится в регистр хранения, что обеспечивает высокую скорость считывания и возможность видеосъёмки. Однако часть площади матрицы занята регистрами, что снижает светочувствительность.

По цветовому представлению

• Монохромные ПЗС-матрицы — регистрируют только интенсивность света, не различая цвета. Используются в научных и промышленных приложениях, где требуется высокая чувствительность и точность.
• Цветные ПЗС-матрицы — для получения цветного изображения применяется фильтр Байера (Bayer filter), представляющий собой мозаику из красных, зелёных и синих фильтров, расположенных над каждым пикселем. Зелёные фильтры занимают вдвое больше площади, чем красные и синие, что соответствует чувствительности человеческого глаза. Для восстановления полного цветного изображения используется алгоритм демозаики (интерполяции).

По размеру и формату

Размер ПЗС-матрицы обычно указывается в дюймах, например, 1/2,3″, 1/1,7″, 1″ или APS-C. Более крупные матрицы имеют большие пиксели, что обеспечивает более высокую светочувствительность и меньший уровень шума. В профессиональных и научных камерах используются полноформатные матрицы (Full Frame, 36×24 мм) и среднеформатные матрицы (например, 44×33 мм).

Характеристики

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность ПЗС-матрицы — это отношение числа собранных электронов к числу падающих фотонов. Для современных ПЗС-матриц она может достигать 80–90% в видимом диапазоне, что значительно выше, чем у фотоплёнки (около 1–5%) и многих КМОП-сенсоров.

Уровень шума

Основными источниками шума в ПЗС-матрицах являются:

• Темновой ток — тепловая генерация электронов в отсутствие света, увеличивающаяся с ростом температуры. Для снижения темнового тока в научных камерах применяется охлаждение (до −40 °C и ниже).
• Шум считывания — шум выходного усилителя, обычно составляющий 2–10 электронов.
• Фотонный шум — статистическая флуктуация числа фотонов, подчиняющаяся распределению Пуассона.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — отношение максимального неискажённого сигнала к уровню шума. Для ПЗС-матриц он может достигать 60–80 дБ (1000–10000:1), что позволяет одновременно регистрировать яркие и тёмные детали сцены.

Разрешение

Разрешение ПЗС-матрицы определяется количеством пикселей. В научных приложениях используются матрицы с разрешением до нескольких сотен мегапикселей (например, в телескопах). В потребительских камерах типичное разрешение составляет от 5 до 50 мегапикселей.

Применение

Астрономия

ПЗС-матрицы являются основным типом детекторов в астрономических телескопах. Благодаря высокой квантовой эффективности и низкому уровню шума они позволяют регистрировать слабые объекты, такие как далёкие галактики и экзопланеты. В крупных обсерваториях используются мозаики из нескольких ПЗС-матриц, например, в камере DECam (Dark Energy Camera) установлено 62 ПЗС-матрицы общим разрешением 570 мегапикселей.

Медицина

В медицинской визуализации ПЗС-матрицы применяются в эндоскопах, микроскопах, рентгеновских аппаратах (в сочетании с люминофорными экранами) и цифровых маммографах. Высокая чувствительность и низкий уровень шума позволяют получать качественные изображения при низких дозах облучения.

Промышленность и наука

ПЗС-матрицы используются в спектрометрах, интерферометрах, системах машинного зрения, микроскопии и литографии. В научных исследованиях они применяются для регистрации слабых световых сигналов, например, в флуоресцентной микроскопии и спектроскопии.

Фотография и видеосъёмка

В профессиональных цифровых фотоаппаратах и видеокамерах, особенно в среднеформатных и полноформатных моделях, ПЗС-матрицы продолжают использоваться благодаря превосходному качеству изображения. Однако в массовых потребительских устройствах они практически полностью вытеснены КМОП-сенсорами.

Достоинства и недостатки

Преимущества

• Высокая квантовая эффективность (до 90%).
• Низкий уровень шума считывания.
• Большой динамический диапазон.
• Высокая однородность пикселей.
• Отсутствие эффекта «роллинг-шаттера» (rolling shutter) благодаря глобальному затвору.

Недостатки

• Высокое энергопотребление (требуется несколько тактовых напряжений).
• Сложность и высокая стоимость производства.
• Ограниченная скорость считывания (не подходит для сверхскоростной видеосъёмки).
• Необходимость в механическом затворе для полнокадровых матриц.
• Чувствительность к перегрузке (блики и засветки могут вызывать вертикальные полосы — «блюминг»).

Современное состояние и перспективы

Несмотря на доминирование КМОП-сенсоров в потребительском сегменте, ПЗС-матрицы продолжают использоваться в специализированных областях, где требуется максимальное качество изображения. В 2020-х годах ведутся разработки гибридных сенсоров, сочетающих преимущества ПЗС и КМОП, а также сенсоров на основе перовскитов и органических полупроводников, которые могут превзойти ПЗС по чувствительности. Однако в ближайшие десятилетия ПЗС-матрицы останутся востребованными в астрономии, научной микроскопии и медицинской диагностике.

Источники

• Бойл У., Смит Дж. — «Приборы с зарядовой связью» (1970).
• Холст Дж. — «ПЗС-матрицы и системы обработки изображений» (1996).
• Джейнс Дж. — «Цифровая обработка изображений» (2005).
• Научные статьи журнала «IEEE Transactions on Electron Devices» (1970–2020).
• Материалы сайта «Astronomy & Astrophysics» (раздел «Детекторы»).