Вступ
Оптико-електронні перетворювачі (ОЕП) зображень можна умовно розділити на три групи: дискретні, лінійні та матричні. Дискретними є пристрої, які працюють від єдиного джерела випромінювання і здатні виконувати функції або спостереження за цим джерелом, коли вихідний сигнал містить інформацію про відхилення цього джерела відносно певного положення або координування джерела, коли у вихідному сигналі також закладена інформація про величину зміщення. Пристроями даного класу не проводиться сканування оптичного поля, де знаходиться об'єкт.
Лінійні фотоперетворювачі, на відміну від дискретних здатні проводити сканування оптичного поля, де знаходиться об'єкт, проте лише відносно однієї координати. Тому їх ще також називають однокоординатними.
Для отримання двовимірного зображення лінійним ОЕП потрібно вздовж другої осі, перпендикулярної напрямкові перенесення створювати механічне переміщення (сканування): зсовувати зображення перпендикулярно регістру або регістр рухати відносно зображення. Швидкість руху електронного променя повинна бути синхронною зі швидкістю виведення зарядних пакетів з регістра, а швидкість зміни кадрів - із швидкістю механічного руху. Також лінійні фотоперетворювачі можуть використовуватись з метою отримання копій для предметів, які не дуже швидко рухаються. Це зумовлено тим, що механічне сканування дає розширення 10 - 50 ліній при не дуже швидкій роз- гортці. Основна перевага лінійних ОЕП - простота, недолік - розмазування зображення при зчитуванні, внаслідок додавання до рядка носіїв при зчитуванні наступного рядка.
Двовимірне зображення можна отримати без механічного сканування. Для цього потрібно використати набір з лінійних ОЕП, створивши тим самим двокоординатний фотоперетворювач - двовимірну матрицю фоточутливих елементів.
Оскільки сучасні матричні перетворювачі світла мають досить різні розміри пікселя (від 2,2 до 9,2 мікрон), що дає змогу отримати розширення ОЕП від 1,31 до 16,6 мегапікселів, точність технології виготовлення знаходиться на рівні десятих мікрон, напруга живлення 3,3 - 5 В, коефіцієнт чутливості в перспективі наближується до 100 % дає можливість ефективно використовувати матричні фотоперетворювачі в цифровій фото та відеотехніці, телескопах наземного та бортового базування, в медицині та в фотометрії. Саме тому, актуальним є широке впровадження матричних фотоперетворювачів в вимірювальну техніку.
Розділ 1. ПЗЗ - МАТРИЦІ
ПЗЗ-матриця (скорочено від «пристрій з зарядовим зв'язком») або CCD-матриця (скорочено від «Charge Coupled Device») є одним з основних елементів цифрових фотоапаратів і фотокамер. Принцип роботи ПЗЗ з ідеєю зберігати і потім зчитувати електронні заряди був розроблений співробітниками корпорації Bell у ході пошуку нових типів пам'яті для ЕОМ. Ідея виявилася неперспективною, але здатність кремнію реагувати на видиме світло, привела до думки спробувати використати такий принцип для отримання і обробки зображень об'єктів. 2006 року Національна Академія інженерів (США) нагородила Уілларда Бойля (Willard Boyle) і Джорджа Сміта (George Smith) премією Чарльза Старка за внесок у винахід та дослідження ПЗЗ-структур в 1969 році. У 2009 році обидва винахідники отримали Нобелівську премію по фізиці за розробку CCD- матриці, яка відкрила шлях цифровій фотографії та цифровому відео.
На сьогодні дослідницькі лабораторії всього світу повідомляють про нові удосконалення в конструкції і технології виробництва датчиків зображення. Розвиток та дослідження ПЗЗ-матриць привели до створення цілого покоління пристроїв. На ринку з'явилися цифрові сканери, пристрої зчитування цифрового коду, копіювальні пристрої т.ін. Високоякісні професійні фотоапарати, системи технічного зору, системи формування зображення високої чіткості, безпровідні системи безпеки і військова/аерокосмічна апаратура не можуть обійтися без ПЗЗ-датчиків зображення.
Основною ідеєю ПЗЗ є накопичення зарядів в конденсаторах типу метал-оксид-напівпровідник (МОН-конденсаторах) і передача накопичених зарядів до пристрою, що проводить вимірювання кожного з них. Саме тому з фізичної точки зору фоточутливі ПЗЗ (ФПЗЗ) цікаві ще й тим, що електричний сигнал в них представлений не струмом чи напругою, а електричним зарядом. В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. Поглинання кремнієм фотона приводить до генерації пари електрона і дірки ара розтягується електростатичним полем в області пікселя, причому дірка витісняється в глибину кремнію. Електрони, як неосновні носії заряду накопичуватимуться в потенційній ямі під електродом і, в зв'язку з тим, що дірок в збідненій області немає, електрони можуть зберігатися там достатньо довго. Якщо носій генерований поблизу збідненої області, то він може попасти під сусідній електрод при умові, що потенціал одного електрода буде зменшуватись, а іншого збільшуватись. Так заряди переміщаються вздовж зсувного регістра вимірюються на його виході. Таким чином на виході горизонтального зсувного регістра формується сигнал, що надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП).
Матричні ФПЗЗ по способу організації формування сигналу розділяють на матриці з перенесенням кадру, стрічково-кадрові матриці та матриці зі стрічковою адресацією .
Матриці з перенесенням кадру містять в собі щільно розміщені вертикальні регістри перенесення і горизонтальний вихідний регістр. По вертикалі матриця розділена на секції накопичення і пам'яті. Під час зворотного ходу по кадру інформація переноситься із секції накопичення в секцію пам'яті, а потім построково виводиться горизонтальним регістром протягом наступного півкадру.
В полікремнієвих затворах відбувається сильне поглинання випромінювання з довжиною хвилі меншою за 500 нм, що приводить до втрати інформації про синій компонент колірності. Для підвищення чутливості в синій області спектру здійснюється освітлення із внутрішньої сторони підкладки, а підкладка при цьому сточується до товщини 20 мкм. Також для вирішення даної проблеми використовується ПЗЗ-структура з вузьким каналом. Полікремнєві затвори складаються з широкої частини, під якою знаходиться інформаційний заряд вузької бар'єрної частини, ширина каналу якої 3 мкм. Під впливом ефекту вузького каналу порогова напруга на 4 - 5 В більша, ніж в частині, що зберігає, завдяки чому є можливим двофазне керування пристроєм. Причому дана форма затворів приводить до того, що в кожній комірці залишається область, яка є незакритою полікремнієм, а отже чутливою до синьої частини спектру. При площі фоточутливого вікна, вільного від полікремнію, яка займає 27 % площі комірки, чутливість матриці при довжині 450 нм складає 40 % від максимальної чутливості .
Кольорове зображення отримують шляхом формування на скляній підкладці смужкових фільтрів червоного, зеленого і голубого кольорів. Підкладка наклеюється на матрицю таким чином, щоб кожний вертикальний регістр був закритий смужкою свого кольору. З метою послаблення змішування кольорів стоп-канали ПЗЗ закриваються напівпрозорим екраном. Якщо інформація швидко переноситься з секції накопичення в секцію пам'яті, то виникає паразитне свічення зображення, що приводить до спотворення інформації. Для запобігання цьому зменшують площу пристрою або підвищують частоту перенесення зображення.
В стрічково кадрових матрицях відбувається чергування між вертикальними фоточутливими областями та екранованими від світла регістрами зчитування. Область накопичення є ніби розрізаною на вертикальні стовбці, між якими знаходяться зсувні регістри. Хоча фоточутливою є та частина площі, що не зайнята зсувними регістрами, зображення проектують на весь кристал. Накопичені у фотокомірках зарядні пакети одночасно переносяться в сусідні елементи регістрів зчитування. Протягом часу накопичення наступного кадру чи півкадру зарядні пакети виносяться у вихідний пристрій через горизонтальний вихідний регістр.
На відміну від матриць з накопиченням кадру, де фотокоміркою може бути лише МОН-накопичувач, в стрічково-кадрових матрицях в якості фотокомірок можна використовувати як МОН-накопичувач, фотодіод, фоторезистор. Використання діодних фотокомірок дозволяє покращити чутливість в синій області спектру. Оскільки в стрічково-кадрових матрицях половина площі зайнята вертикальними регістрами, то виникає проблема збільшення заряду. Тому використовується режим накопичення поля, коли при звичайному робочому режимі матриці парні фотокомірки зчитуються в одному пі- вкадрі, а непарні - в іншому. При використанні фотодіодної матриці підвищення фото- чутливості здійснюють шляхом формування на поверхні приладу масиву напівпрозорих лінз, які фокусують світло на діоди, в результаті чого ефективна апертура зростає на 80 %. Кольорові фільтри наносяться безпосередньо на поверхню матриці.
В матрицях зі стрічковою адресацією області накопичування і зчитування є суміщеними, а матриці призначені для роботи в малокадровому режимі, коли можна застосовувати фотозатвор або зробити час накопичення набагато більшим за час зчитування. Матриці являють собою комбінацію накопичувачів на основі МОН-транзисторів з горизонтальним вихідним ПЗЗ-регістром. Зчитування двокоординатного масиву відбувається построково у вихідний зсувний регістр та у вихідний пристрій. При такій організації необхідно забезпечити зчитування малого заряду з вертикальної шини великої ємності в комірку горизонтального регістра. Тому між фоточутливою матрицею та регістром вводять спеціальний узгоджувальний пристрій, який в значній степені визначає якість роботи пристрою. До матриць зі стрічковою адресацією відносять ФПЗЗ з тимчасовою затримкою та накопиченням (ТЗН), використання яких дозволяє різко збільшити відношення сигнал - шум, і як наслідок реалізувати високу чутливість. Використання тимчасової затримки і накопичення дозволяє різко поліпшити відношення сигнал-шум матриць і, отже, реалізувати високу чутливість. Одна з основних переваг матриць з ТЗН - можливість гібридної збірки їх в суперлінійки, число елементів яких досягає десятків тисяч.
1.1 Принцип дії ПЗЗ-матриці

Пристрій з зарядовим зв'язком являє собою однорядкову або двовимірну матрицю, кожен елемент якої є мініатюрним електричним конденсатором типу метал-оксид-напівпровідник (МОН) (рис.1).
Рис. 1.
Елемент ПЗЗ - електричний конденсатор типу МОН: 1 - металевий електрод; 2 - діелектрик; 3 - напівпровідник ^-типу; 4 - потенціальна яма, що сформувалася біля площини розділу між діелектриком та напівпровідником під впливом прикладеного до електрода імпульсу позитивної напруги.
В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. При освітленні структури світловим потоком Ф в напівпровіднику генеруються пари носіїв заряду — електрон і дірка. Під дією позитивної напруги (+U) дірки витісняються в глиб напівпровідника, а неосновні носії заряду, електрони, накопичуються в потенціальній ямі. Тут вони можуть зберігатися достатньо тривалий час, оскільки дірок в збідненій області немає і елект рони не рекомбінують. Електроди виготовлені з полікристалічного кремнію, який є прозорим майже у всьому видимому діапазоні. Якщо два мініатюрних конденсатори розмістити один біля одного так, щоб їх електричні поля впливали один на одного, потенціальні ями двох конденсаторів стануть зв'язаними, а накопичений заряд потече в більш глибшу потенціальну яму. Таке перетікання зарядів складає основу принципу дії пристроїв з зарядовим зв'язком.

Рис.2. Елемент трифазного ПЗЗ
На рис. 2 показана структура одного елемента, лінійного трифазного ПЗЗ. Заряд, нагромаджений під одним електродом, у будь-який момент може бути перенесений під сусідній електрод, якщо його потенціал (U)буде збільшений, тоді як потенціал (U) першого електроду буде зменшений. Перенесення в трифазному ПЗЗ можна виконати в одному з двох напрямів (ліворуч або праворуч). Всі зарядові пакети лінійки переносяться в той же бік одночасно.

Рис. 3. Структура ПЗЗ-матриці
Двовимірний масив (матрицю) пікселів отримують за допомогою стоп-каналів, що розділяють електродну структуру ПЗЗ на стовпці. Стоп-канали — це вузькі області, що формуються спеціальними технологічними прийомами в поверхневій області, які перешкоджають розтіканню заряду під сусідні стовпці. Як правило, такі матриці складаються з двох ідентичних областей — області накопичення і області зберігання. Пристрій схематично показаний на рис. 3.
Область зберігання захищена від дії світла світлонепроникним покриттям. Зарядовий рельєф, сформований в області накопичення, швидко переноситься в область зберігання і, потім, поки експонується наступний кадр, зчитується порядково у вихідний зсуваючий (послідовний) регістр. З послідовного регістра зарядові пакети виводяться один за одним послідовно через вихідний підсилювач, розташований на цьому ж кристалі. У цьому вузлі відбувається перетворення заряду в напругу для подальшої обробки сигналу зовнішньою електронною апаратурою.
Існують також матриці, в яких відсутня секція зберігання, і тоді рядкове перенесення здійснюється по секції накопичення. Для роботи таких матриць потрібний оптичний заслін.
1.2 Принцип кольоровості ПЗЗ
Набір сенсорів ПЗЗ-матриці відображає рівень яскравості різних ділянок зображення і на виході формується чорно-біле зображення.
Для формування кольорового зображення на сенсор накладається світлофільтр. Розподіл таких світлофільтрів по поверхні матриці утворює масив кольорових фільтрів. Принцип дії кольорового фільтру дуже простий: він пропускає світло тільки певного кольору (інакше кажучи, тільки світло з певною довжиною хвилі). Будь-який колірний відтінок можна отримати змішуванням в певних пропорціях декількох основних (базових) кольорів. У найбільш популярній адитивній моделі RGB (Red, Green, Blue) таких кольори три: червоний, зелений і синій. Колірна модель RGB не єдина, але в переважній більшості цифрових Web-камер використовують саме її.
Найбільш популярними є масиви кольорових фільтрів моделі Байера, створеної науковим робітником компанії KODAK Брюсом Байером (Bryce Bayer) в 1976 році, за що він був нагороджений Королівським Фотографічним Товариством (Royal Photographic Society) в 2009 році. Компанія Eastman Kodak представила принципово нову світлочутливу цифрову матрицю з кольоровими фільтрами моделі Truesense. Вона будується на принципі стандартних фільтрів моделі Байера, але з додаванням додаткового панхроматичного пікселя або, як називають його у компанії, «clear» - прозорий або безбарвний. Він ефективно сприймає світло відразу в усьому видимому діапазоні, тому вся матриця збирає набагато більшу долю світла, що потрапляє на неї. Нова матриця має приблизно в 2-4 рази більшу чутливість в порівнянні з існуючими зараз моделями і без погіршення якості зображення.
Варіацією фільтра Байера є RGBE-фільтр від компанії Sony. Тобто до RGB-світлофільтра доданий Emerald - смарагдовий. Теоретично, четвертий компонент для визначення кольору вже зайвий. Проте на практиці він трохи наближає колірну гамму зображення до натуральної (для людського ока), покращуючи передачу синьо-зелених і червоних відтінків.
Вище були розглянуті мозаїки в основу яких покладена модель адитивного колірного синтезу (RGB), проте випускаються сенсори з мозаїками (CYM=Cyan Yellow Magenta). Компанія Sony випускає матриці з CYMG- фільтром. Основні компоненти в якому - CYM (блакитний, жовтий, пурпурний) і один, додатковий, адитивний - G (зелений). Типова проблема сенсорів з такою мозаїкою - це погана реєстрація світла в синьому та червоному діапазонах довжин хвиль.
Іншим способом отримання кольорового зображення є використання матриць Foveon X3. В основу покладена ідея поглинання фотонів різних довжин хвиль на різних глибинах у напівпровіднику. Це дає можливість для кожного пікселя сенсора отримувати свої власні RGB- компоненти, в одному пікселі поєднані детектори усіх трьох колірних компонент. Дуже витончена ідея: вмить позбавляє від колірної інтерполяції, згладжування і різниці фаз між RGB-компонентами.
Метод отримання кольору з використанням 3ПЗЗ матриць - це технологія отримання кольорового зображення, заснована на застосуванні трьох приймачів світла і дихроїдних призм, що ділять світло по спектру на три пучки : червоний, зелений і синій. Кожен з цих пучків прямує на окрему матрицю. Незважаючи на те, що в якості фотоприймачів можуть бути використані матриці виготовлені за різними технологіями, єдиним широко поширеним методом стало застосування саме трьох ПЗЗ-матриць. Завдяки цій технології вдається помітно підвищити якість зображення, передусім відтворення кольорів, збільшити роздільну здатність, уникнути кольорових ореолів на краях об'єктів на зображенні.
Практично в кожній напів- і професіональній відеокамерах використовується технологія 3ПЗЗ. Вона являється стандартом професіональної зйомки. Такі відеокамери використовуються в операторській справі і придатні для зйомок тележурналістики, репортажів, подій, документальних, корпоративних фільмів, телевізійної продукції тощо. Недоліками камер є складність конструкції і висока вартість.
Сигнал з матриці, яка використовує колірний фільтр, поступає в спеціальний процесор для його дешифрування (перетворення його на RGB складові). Сигнали основних кольорів E'R , E'G , ЕЛВ сумуються в певному відношені для отримання сигналу яскравості EY. При наявності цього сигналу, який необхідний для реалізації умови сумісності з чорно-білою системою, не потрібно додаткова передача по каналу зв'язку трьох сигналів Er , E'g, ЕЛВ. Достатньо передавати будь-які два з них, а інформацію про третій отримати в декодуючому пристрої відніманням від EY два інших. Оскільки сигнал яскравості несе повну інформацію про співвідношення яскравості елементів зображення, то ця інформація може бути виключена з двох інших сигналів. Тому передають тільки три сигнали - яскравості EY і два різницеві сигнали, а саме E'R-Y та E'B-Y ,так як вони мають найкраще співвідношення сигнал/шум. Після цього з цих сигналів формується повний кольоровий телевізійний сигнал.
1.3 Основні параметри ПЗЗ матриць
Кількість пікселів матриці (Array Format). Цей параметр характеризує роздільну здатність датчика. Чим більше пікселів, тим більш деталізованим буде зображення. Роздільна здатність визначається двома способами. По-перше, можна підрахувати загальне число піскелей (наприклад, якщо воно становить 1,5 мільйона, говорять про 1,5-мегапіксельну камеру). По-друге, можна вказати кількість стовпців і рядків ПЗЗ-матриці, що беруть участь у формуванні зображення (скажімо, 1360х1020) - це максимальний розмір кадру у пікселях, тобто число активних пікселів, які використовуються для одержання зображення. Різниця між цими двома показниками зазвичай не перевищує 5%. Існує кілька причин такої розбіжності. По-перше, в процесі сенсора створюються «темні», дефектні пікселі (створення повністю справного сенсора практично неможливо при існуючих технологіях). По-друге, деякі пікселі використовуються для інших цілей, наприклад, для калібрування сигналів сенсора. По-третє, на частину пікселів по краях світло не потрапляє. Ці пікселі допомагають визначити фоновий шум, який потім буде відніматися з сигналів активних пікселів.
Оптичний формат (Optical format). Оптичний формат - це розмір діагоналі активної області матриці фотоелементів в дюймах і приймає значення: 1'', 2/3'',1/2", 1/3", 1/4". Матриці великого формату 1", 2/3'' практично перестали випускатися, оскільки камери на їх основі виходять дуже громіздкими і дорогими. Останні моделі ПЗС - матриць фірми "Sony" мають формат 1/4''. На основі таких матриць деякі фірми випускають надмі- ніатюрні камери. Але чим менший розмір матриці, тим менша чутливість (через малу площу пікселів) і при цьому ж вноситься більший рівень шумів, погіршуючи якість зображення. Розмір матриці важливий при визначенні кута огляду камери. З однаковими об'єктивами камера на основі матриці 1/2" має більший кут огляду, ніж камера з матрицею 1/3".
Чутливість (Sensitivity). Під чутливістю розуміється відношення величини електричного сигналу, що формується датчиком, до рівня його освітленості в даний момент. Величина електричного сигналу часто представляється у вольтах, а освітленість в лк/сек. Для кольорових датчиків зображення значення чутливості вказується окремо для різних довжин хвиль (монохроматична чутливість до потоку випромінювання шириною 1 нм). При обчисленні чутливості кожен виробник використовує свою власну методику, тому порівняння за цим параметром продукції різних вендорів часто є некоректним.
Квантова ефективність (Quantum Efficiency). Це відношення числа зареєстрованих фотонів до їх загального числа, що потрапило на світлочутливу область матриці. Цей параметр має дуже високе значення для ПЗЗ- датчиків у кращих зразків він досягає 95%. Для порівняння, квантова ефективність людського ока складає близько 1%, а високоякісних фотоемульсій не більше 3%.
Динамічний діапазон (Dynamic Range). Динамічний діапазон - це відношення максимального вихідного сигналу датчика до його власного рівня шуму. Цей параметр вказується, як правило, в дБ. Людське око має дуже великий динамічний діапазон - близько 200 дБ. Жоден штучний прилад не має такого високого значення цього параметра.
Відношення сигнал/шум (S/N ratio). Під відношенням сигнал/шум розуміється величина, рівна відношенню корисного відеосигналу до рівня шуму, виражена в дБ. Прийнятним відношенням сигнал/шум вважається величина не менше 50 дБ.
Розділ 2. КМОН-матриці
Довгий час ПЗЗ-матриці були практично єдиним масовим видом цифрових фотоперетворювачів. Реалізація технології Active Pixel Sensors в 1993 році і подальший розвиток технологій привели в результаті до того, що в 1998 році були розроблені матричні фоточутливі прилади на основі комплементарної структури типу метал-оксид-напівпровідник (КМОН-матриці) і стали практично альтернативою ПЗЗ-матриць.
Як і в матричних ПЗЗ, світлочутливим пікселем в КМОН-сенсорі може бути збіднена область МОН-ємності, що виникає при подачі на фазний електрод збіднювальної напруги, або ж збіднена область зворотньозміщеного фотодіода. Світлочутливий елемент другого типу переважає, хоча б з тієї точки зору, що фотодіодна структура має суттєво вищий коефіцієнт збору світлового потоку через відсутність шарів полікрем- нію, поглинаючого світловий потік.
На відміну від технології ПЗЗ, КМОН технологія дозволяє достатньо простими засобами організувати фотоприймач, що містить дуже велике число пікселів - десятки мільйонів, і має дуже велику площу кристала. Це пояснюється тим, що при збільшенні розміру кристала ПЗЗ-перетворювача ймовірність захопити фатальний дефект швидко зростає. В КМОН сенсорі такий дефект викличе пошкодження лише єдиного пікселя, коли в матричних ПЗЗ такий дефект дуже часто приводить до непрацездатності всього перетворювача в цілому.
Наявність великого числа транзисторів в кожному пікселі приводить до зниження коефіцієнта використання світлового потоку в КМОН сенсорах, проте застосування добре відпрацьованої в матричних ПЗЗ з стрічковою адресацією технології мікролінз, розташованих над фотодіодом дозволяє добитися дуже високих значень коефіцієнта збору, що наближаються в перспективі до 100%. У вже існуючих КМОН сенсорах з активним пікселем коефіцієнт перетворення заряду в напругу може складати сотні мкВ на електрон в порівнянні з десятками мкВ на електрон в кращих фотоприймачах на ПЗЗ, що забезпечує зменшення смуги обробки частот сигналу, а отже і зниження власного шуму. Проте, неможливість створення мегапіксельного масиву малошумних транзисторів призводить до того, що шуми КМОН фотоприймачів поки перевищують шуми ПЗЗ перетворювачів і тому при рівності часу накопичення і розмірів світлочутливих елементів чутливість КМОН-матриць поступається чутливості матричних ПЗЗ. Характеристики спектральної чутливості в цілому є ідентичними з характеристиками матричних ПЗЗ і визначаються типом і особливостями застосованого кремнієвого світлочутливого елемента - МОН-ємності або фотодіода.
2.1 Принцип дії КМОН-матриці
КМОН-сенсори являють собою матрицю, що складається з набору фотоприймачів - пікселів, здатних перетворювати світлову енергію в заряд, який згодом передається, і з його допомогою формується кінцеве зображення, отримане сенсором. Зупинимося на принципі роботи сенсора, а також розглянемо питання якості отримуваної картинки. Прилад із зарядовим зв'язком - напівпровідниковий прилад, що представляє собою матрицю або лінійку ізольованих від підкладки затворів (МДП-структур), під якими може відбуватися перенесення до стоку інформаційних пакетів неосновних носіїв заряду, або інжектованих з витоку, або виникли в підкладці через поглинання оптичного випромінювання.
Розглянемо принцип дії КМОН-матриць. На рис. 4 наведена архітектура сенсора. Неважко помітити, що сенсор містить крім самої оптичної матриці додаткові блоки, наприклад АЦП (аналогово-цифровий перетворювач), логічні пристрої, інтерфейс і ін.
Ділянка, безпосередньо сприймає оптичне випромінення (піксель) показаний на рис. 5. Наявність у кожного пікселя свого власного посилювача явля дуже суттєву різницю від ПЗЗ-датчика, які не мають такої можливості інтеграції. Крім цього за допомогою простої ХУ-адресації можна зчитувати інформацію не зі всієї структури, а з конкретної її частини, або взагалі ідеальної області.
Напівпровідникова КМОН-матриця забезпечина системою мікролінз, кожна з яких розташована безпосередньо над пікселем і фокусує падаюче світло на фотодетектор. З метою запобігання потрапляння цього випромінювання на підкладку, що може згенерувати додаткові заряди і привести до небажаних наведенням, підкладка захищена спеціальним непрозорим металевим шаром.
Резюмуючи опис КМОН-датчиків, можна виділити такі їх основні переваги перед ПЗЗ-датчиками:
мінімальне споживання енергії;
високий ступінь інтеграції та розміщення на базі чіпа додаткових блоків для обробки зображення;
невелика вартість;
можливість вибіркового читання.
Не варто забувати також, що при всіх перерахованих перевагах КМОН-сенсорів ПЗЗ-датчики таки мають менший рівень шумів і більш широкий динамічний діапазон, що обмежує застосування у високотехнологічних областях недорогих КМОН-сенсорів.
2.2 Застосування КМОН-сенсорів
На початку 1990-х років на ринку фотообладнання намітилося пожвавлення, спрямоване на нові розробки, за допомогою яких планувалося створити недорогі і якісні фотоапарати і камери з КМОН-датчиками зображення. Сьогодні КМОН-матриці на рівних конкурують з ПЗЗ-сенсорами на ринку фототехніки, і кожна з технологій має певними особливостями і перевагами. Виділимо кілька сфер застосування датчиків зображення:
мобільні пристрої (мобільні телефони й камери);
автомобільний ринок;
системи спостереження;
промислове технічне зір (контроль геометричних параметрів і т. д.);
медичне обладнання. Безсумнівно, найбільш розвинений ринок
для застосування КМОН-відеосенсоров - це сегмент портативної техніки, що включає в себе цифрові камери і мобільні телефони. Сенсори, виготовлені за КМОН-технології, мають низьке споживання і можливість створення систем на кристалі (system on chip), що є великою перевагою перед ПЗЗ-струк-турами. Крім цього, технологія виготовлення дозволяє випускати недорогі продукти і суттєво вигравати у ПЗЗ-структур без значного зниження якості одержуваного зображення. Поряд з користувальницької електронікою активно розвивається ринок систем безпеки, за оцінками фахівців компанії Micron, системи відеоспостереження на базі КМОН-відеосенсоров сьогодні мають від 300 до 350 000 000 приватних будинків і організацій в світі, кожна система відповідно до свого складу може включати від 3 і більше камер . Незважаючи на істотні обсяги, цей ринок продовжує розширюватися з кожним днем завдяки випуску низкою компаній готових недорогих рішень, швидко і просто інтегруються в систему охорони будинку або офісу.
Активно впроваджуються в промисловість системи технічного зору, які можуть контролювати різні процеси або просто геометричні параметри предметів. В Москві кілька компаній веде розробки автономних систем для ГИБДД, за допомогою яких на дорогах можливе здійснення контролю швидкості автотранспорту з додатком фотографії машини та її номера. Це може засмутити любителів швидкої їзди, але направлено на підвищення безпеки дорожнього руху і фіксування порушення правил водієм без присутності виїзної бригади співробітників інспекції. Застосування в медицині КМОН-сенсорів сьогодні обумовлено їх невеликим розміром і достатніми для діагностування характеристиками, більшість сенсорів знаходять застосування в ендоскопії та іншому обладнанні.
Дуже широке застосування в останній час знаходять КМОН-датчікн в автомобільній промисловості. Поряд з вже стали стандартними камерами бокового виду для спрощення парковки та огляду під час руху активно впроваджуються камери для контролю положення пасажира при його посадці в транспорт для приведення систем безпеки (ременів і т. д.) у стан, що забезпечує найбільший комфорт пасажирові. Також дуже цікавою можна вважати розробку датчика стану водія, який за допомогою контролю ступеня закритості очі, середньої кількості моргання ока, положення голови і інших параметрів відстежує ознаки втоми водія і інформує про це, щоб запобігти аварії. Камери інфрачервоного діапазону дозволяють водієві контролювати ситуацію на дорозі (поява тварин і т. д.) в темний час доби без включення фар дальнього світла, що дає можливість додатково убезпечити водіїв транспортних засобів зустрічного напрямку.
Актуальним напрямком можна також вважати камери на базі високошвидкісних сенсорів зі швидкістю зйомки від 300 і більше кадрів в секунду (наприклад сенсор МТ9М413 компанії Micron). Рішення на базі цих систем дозволяють відслідковувати та аналізувати динаміку бистропротекающих процесів у природі і повсякденному житті.
Висновки. 1. Проведено аналіз структури та конструктивних особливостей матричних фотоперетворювачів.
Відмічено основні недоліки та переваги матричних елементів при використанні їх у вимірювальній техніці.
Наведено приклади в застосуванні матричних елементів при динамічному вимірюванні параметрів світлового поля на дорогах і в тунелях.
Список використаної літератури
1. Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія–Радіотехніка.Радіоапаратобудування.-2010.-№41
2. Пресс. Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. – М.:Радио и связь, 1991. – 131 с.
3. Джакония В.Е. Телевидение. – М.: Радио и связь, 2004. – 616с
4. Компоненты и технологии. №10 2007.