Veľkosť CCD matice. Základom modernej televíznej techniky sú nabíjacie zariadenia. hlavné charakteristiky CCD. Z čoho je pixel vyrobený?

V posledných rokoch sú v takmer počítačovej (nielen) tlači celkom bežné nadšené recenzie venované ďalšiemu „technologickému zázraku navrhnutému na revolúciu v budúcnosti digitálnej fotografie“ – toto je zovšeobecnená verzia tejto frázy. formulár alebo iný, ktorý sa nachádza v každom z týchto článkov. Charakteristické však je, že už po roku sa počiatočný humbuk postupne vytráca a väčšina výrobcov digitálnych fotografických zariadení namiesto „pokročilého vývoja“ uprednostňuje osvedčené riešenia.

Dovolím si tvrdiť, že dôvod tohto vývoja udalostí je celkom jednoduchý – stačí venovať pozornosť „brilantnej jednoduchosti“ toho či onoho rozhodnutia. Naozaj, rozlíšenie matice nestačí? A usporiadajme pixely nie do stĺpcov a riadkov, ale do diagonálnych čiar a potom „otočte“ „obrázok“ programovo o 45 stupňov - tu okamžite zdvojnásobíme rozlíšenie! Nezáleží na tom, že týmto spôsobom sa zvyšuje čistota iba striktne zvislých a vodorovných čiar, pričom šikmé a krivky (z ktorých pozostáva skutočný obraz) zostávajú nezmenené. Hlavná vec je, že účinok je pozorovaný, čo znamená, že ho môžete nahlas vyhlásiť.

Bohužiaľ, moderný používateľ je „rozmaznaný megapixelmi“. Netuší, že pri každom zvýšení rozlíšenia musia vývojári „klasických“ CCD matíc vyriešiť najťažšiu úlohu, ktorou je zabezpečenie prijateľného dynamického rozsahu a citlivosti snímača. Ale „riešenia“, ako je prechod z pravouhlých na osemuholníkové pixely, sa bežnému amatérskemu fotografovi zdajú celkom pochopiteľné a opodstatnené - koniec koncov, je to tak jasne napísané v reklamných brožúrach ...

Účelom tohto článku je pokúsiť sa o to jednoduchá úroveň vysvetliť, čo určuje kvalitu obrazu získaného na výstupe z CCD. Zároveň je možné úplne ignorovať kvalitu optiky - vzhľad druhej „DSLR“ stojacej menej ako 1 000 dolárov (Nikon D 70) nám umožňuje dúfať, že ďalšie zvýšenie rozlíšenia snímača pre fotoaparáty je prijateľné. cenovej kategórii sa nebude obmedzovať len na „namydlené“ šošovky.

Vnútorný fotoelektrický efekt

Obraz vytvorený šošovkou teda dopadá na matricu CCD, to znamená, že svetelné lúče dopadajú na svetlocitlivý povrch prvkov CCD, ktorých úlohou je premeniť energiu fotónu na elektrický náboj. Deje sa to približne nasledovne.

Pre fotón, ktorý dopadol na prvok CCD, existujú tri scenáre vývoja udalostí – buď sa „odrazí“ od povrchu, alebo bude absorbovaný v hrúbke polovodiča (materiál matrice), alebo „prerazí“ svoju „pracovnú oblasť“. Je zrejmé, že od vývojárov sa vyžaduje vytvorenie takého snímača, pri ktorom by boli straty z „odrazu“ a „prestrelenia“ minimalizované. Rovnaké fotóny, ktoré boli absorbované matricou, tvoria pár elektrón-diera, ak došlo k interakcii s atómom polovodičovej kryštálovej mriežky, alebo iba fotón (alebo diera), ak bola interakcia s atómami donorových alebo akceptorových nečistôt, a oba tieto javy sa nazývajú vnútorný fotoelektrický efekt. Činnosť snímača sa samozrejme neobmedzuje len na vnútorný fotoelektrický efekt – nosiče náboja „odobraté“ z polovodiča je potrebné uložiť do špeciálneho úložiska a následne ich načítať.

CCD prvok

Vo všeobecnosti dizajn prvku CCD vyzerá takto: kremíkový substrát typu p je vybavený kanálmi z polovodiča typu n. Nad kanálmi sú elektródy vyrobené z polykryštalického kremíka s izolačnou vrstvou oxidu kremičitého. Po privedení elektrického potenciálu na takúto elektródu v ochudobnenej zóne pod kanálom typu n, potenciálna diera, ktorej účelom je uchovávať elektróny. Fotón prenikajúci do kremíka vedie k vytvoreniu elektrónu, ktorý je priťahovaný potenciálovou jamou a zostáva v nej. Viac fotónov (jasné svetlo) poskytuje viac náboja do studne. Potom je potrebné vypočítať hodnotu tohto poplatku, tiež tzv fotoprúd a zosilniť ho.

Čítanie fotoprúdov CCD prvkov sa uskutočňuje tzv sekvenčné posuvné registre, ktoré premieňajú reťazec nábojov na vstupe na sled impulzov na výstupe. Táto séria je analógový signál, ktorý sa potom privádza do zosilňovača.

Pomocou registra je teda možné previesť náboje radu CCD prvkov na analógový signál. V skutočnosti je sériový posuvný register v poliach CCD implementovaný pomocou rovnakých prvkov CCD kombinovaných v rade. Prevádzka takéhoto zariadenia je založená na schopnosti nabíjacie zariadenia(toto znamená skratka CCD) na výmenu nábojov svojich potenciálnych vrtov. Výmena sa vykonáva z dôvodu prítomnosti špeciálnych prenosové elektródy(prenosová brána) umiestnená medzi susednými prvkami CCD. Keď sa na najbližšiu elektródu aplikuje zvýšený potenciál, náboj pod ňou „tečie“ z potenciálovej jamky. Medzi CCD prvkami môžu byť umiestnené dve až štyri prenosové elektródy, „fáza“ posuvného registra závisí od ich počtu, ktorý môžeme nazvať dvojfázový, trojfázový alebo štvorfázový.

Prívod potenciálov k prenosovým elektródam je synchronizovaný tak, že pohyb nábojov potenciálových jamiek všetkých CCD-prvkov registra prebieha súčasne. A v jednom prenosovom cykle prvky CCD, ako to bolo, „prenášajú náboje pozdĺž reťazca“ zľava doprava (alebo sprava doľava). Prvok CCD, ktorý sa ukázal ako „extrémny“, dáva svoj náboj zariadeniu umiestnenému na výstupe registra, teda zosilňovaču.

Vo všeobecnosti je sériový posuvný register zariadenie s paralelným vstupom a sériovým výstupom. Preto po načítaní všetkých poplatkov z registra je možné pripísať jeho vstup Nový riadok, potom ďalší a teda tvoria súvislý analógový signál založený na dvojrozmernom poli fotoprúdov. Na druhej strane, vstupný paralelný tok pre sériový posuvný register (t. j. rady dvojrozmerného poľa fotoprúdov) zabezpečuje sada vertikálne orientovaných sériových posuvných registrov, tzv. paralelný posuvný register a celá štruktúra ako celok je len zariadenie nazývané CCD matica.

Volajú sa „vertikálne“ sériové posuvné registre, ktoré tvoria paralelný posuvný register CCD stĺpce a ich práca je plne synchronizovaná. Dvojrozmerné pole fotoprúdov poľa CCD sa súčasne posunie o jeden riadok smerom nadol, a to až potom, čo náboje predchádzajúceho radu zo sériového posuvného registra umiestneného „úplne dole“ prejdú do zosilňovača. Kým sa neuvoľní sériový register, paralelný register bude nečinný. No a pre normálnu prevádzku musí byť samotná CCD matica pripojená k mikroobvodu (alebo ich zostave), ktorý dodáva potenciály elektródam sériových aj paralelných posuvných registrov a zároveň synchronizuje činnosť oboch registrov. Okrem toho je potrebný generátor hodín.

Full frame snímač

Tento typ snímača je z konštruktívneho hľadiska najjednoduchší a je tzv full frame CCD(full-frame CCD - matrix). Okrem „páskovacích“ mikroobvodov potrebuje tento typ matrice aj mechanickú uzávierku, ktorá po dokončení expozície blokuje svetelný tok. Nie je možné začať čítať náboje, kým sa uzávierka úplne nezatvorí - počas pracovného cyklu paralelného posuvného registra sa do fotoprúdu každého z jeho pixelov pridajú ďalšie elektróny spôsobené dopadom fotónov na otvorený povrch CCD matrice. Tento jav sa nazýva "Rozmazanie" náboja vo full-frame matrici(celorámový maticový náter).

Touto cestou, snímková frekvencia čítania v takejto schéme je limitovaný rýchlosťou paralelných aj sériových posuvných registrov. Je tiež zrejmé, že je potrebné blokovať svetlo prichádzajúce z šošovky, kým sa proces čítania nedokončí, takže interval expozície závisí aj od rýchlosti čítania.

Existuje vylepšená verzia plnoformátovej matice, v ktorej sa náboje paralelného registra neprivádzajú po riadkoch na vstup sériového, ale sú „uložené“ vo vyrovnávacom paralelnom registri. Tento register sa nachádza pod hlavným paralelným posuvným registrom, fotoprúdy sa posúvajú po riadkoch do vyrovnávacieho registra a z neho sú privádzané na vstup sériového posuvného registra. Povrch vyrovnávacieho registra je pokrytý nepriehľadným (zvyčajne kovovým) panelom a celý systém je tzv rámcové vyrovnávacie matice(rám - prenosový CCD).

Frame Buffered Matrix

V tejto schéme sa potenciálne jamky hlavného paralelného posuvného registra "vyprázdňujú" výrazne rýchlejšie, pretože pri prenose riadkov do vyrovnávacej pamäte nie je potrebné, aby každý riadok čakal na celý cyklus sériového registra. Interval medzi expozíciami sa preto skracuje, aj keď rýchlosť čítania tiež klesá - čiara musí „cestovať“ dvakrát tak ďaleko. Interval medzi expozíciami sa teda skracuje len pri dvoch snímkach, aj keď cena zariadenia vďaka vyrovnávaciemu registru výrazne stúpa. Najvýraznejšou nevýhodou matíc s frame bufferingom je však predĺžená „trasa“ fotoprúdov, čo negatívne ovplyvňuje bezpečnosť ich hodnôt. A v každom prípade by medzi snímkami mala fungovať mechanická uzávierka, takže o kontinuálnom video signále netreba hovoriť.

Matice so stĺpcovou vyrovnávacou pamäťou

Navrhnuté špeciálne pre video zariadenia nový typ matrice, v ktorých sa interval medzi expozíciami minimalizoval nie na pár snímok, ale na súvislý prúd. Samozrejme, aby sa zabezpečila táto kontinuita, bolo potrebné zabezpečiť odmietnutie mechanickej uzávierky.

Vlastne túto schému, pomenovaný stĺpcové matice(interline CCD -matrix), do istej miery podobný systémom s vyrovnávaním snímok (frame buffering) – používa aj vyrovnávací paralelný posuvný register, ktorého CCD prvky sú skryté pod nepriehľadným povlakom. Tento buffer sa však nenachádza v jedinom bloku pod hlavným paralelným registrom – jeho stĺpce sú „premiešané“ medzi stĺpcami hlavného registra. Výsledkom je, že vedľa každého stĺpca hlavného registra je stĺpec vyrovnávacej pamäte a bezprostredne po expozícii sa fotoprúdy nepohybujú „zhora nadol“, ale „zľava doprava“ (alebo „sprava doľava“ ) a len v jednom pracovnom cykle vstúpiť do vyrovnávacieho registra, čím sa úplne a úplne uvoľnia potenciálne otvory pre ďalšiu expozíciu.

Náboje, ktoré spadli do vyrovnávacieho registra, sa čítajú v obvyklom poradí cez sériový posuvný register, to znamená „zhora nadol“. Keďže resetovanie fotoprúdov do vyrovnávacieho registra nastáva len v jednom cykle, dokonca aj bez mechanickej uzávierky, neexistuje nič podobné „rozmazaniu“ náboja v matici s plným rámom. Čas expozície pre každý rámec však vo väčšine prípadov zodpovedá trvaním intervalu strávenému úplným čítaním paralelného registra vyrovnávacej pamäte. Vďaka tomu všetkému je možné vytvoriť video signál s vysokou snímkovou frekvenciou - najmenej 30 snímok za sekundu.

Matrica so stĺpcovou vyrovnávacou pamäťou

V domácej literatúre sa matice so stĺpcovou vyrovnávacou pamäťou často mylne nazývajú „prekladané“. Je to pravdepodobne spôsobené tým, že anglické názvy „interline“ (vyrovnávanie riadkov) a „interlaced“ (prekladané skenovanie) znejú veľmi podobne. V skutočnosti pri čítaní všetkých riadkov v jednom cykle môžeme hovoriť o matici s progresívne skenovanie(progresívne skenovanie) a keď sa čítajú nepárne riadky pre prvý cyklus a párne riadky pre druhý (alebo naopak), hovoríme o prekladaná matica(prekladané skenovanie).

Hoci fotoprúdy hlavného paralelného posuvného registra okamžite spadajú do vyrovnávacieho registra, ktorý nie je vystavený „fotónovému bombardovaniu“, Rozmazávanie náboja v matriciach pufrovaných stĺpcami(mazať) sa tiež stáva. Je to spôsobené čiastočným pretečením elektrónov z potenciálovej jamy "svetlocitlivého" CCD prvku do potenciálovej jamky "buffer" prvku, najmä často sa to stáva pri úrovniach nabitia blízkych maximu, keď je osvetlenie pixelu veľmi vysoko. Výsledkom je, že svetlý pás sa tiahne nahor a nadol od tohto svetlého bodu na obrázku, čo pokazí rám. Aby sa zabránilo tomuto nepríjemnému efektu, pri navrhovaní snímača sú stĺpce „citlivé na svetlo“ a nárazníky umiestnené vo väčšej vzdialenosti od seba. To samozrejme komplikuje výmenu náboja a tiež predlžuje časový interval tejto operácie, ale poškodenie, ktoré „rozmazanie“ spôsobuje na obrázku, nenecháva vývojárom na výber.

Ako už bolo spomenuté vyššie, na poskytnutie videosignálu je potrebné, aby snímač nevyžadoval prekrytie svetelného toku medzi expozíciami, pretože mechanická uzávierka v takýchto prevádzkových podmienkach (asi 30 operácií za sekundu) môže rýchlo zlyhať. Našťastie je to vďaka buffer strings možné implementovať elektronická uzávierka, ktorý vám po prvé umožňuje v prípade potreby sa zaobísť bez mechanickej uzávierky a po druhé poskytuje ultra nízke rýchlosti uzávierky (až 1/10 000 sekundy), obzvlášť dôležité pri snímaní rýchlo sa pohybujúcich procesov (šport, príroda atď.) . Elektronická uzávierka však tiež vyžaduje, aby matica mala systém na odstraňovanie nadmerného náboja potenciálnej studne, všetko sa však bude diskutovať v poriadku.

Musíte platiť za všetko a tiež za schopnosť vytvárať video signál. Registre posunu vyrovnávacej pamäte „požierajú“ značnú časť plochy snímača, výsledkom čoho je, že každý pixel získa iba 30 % svetlocitlivej plochy svojho celkového povrchu, zatiaľ čo táto plocha je 70 % pri plnoformátovom snímači. pixel. Preto je vo väčšine moderných matíc CCD navrchu každého pixelu mikrošošoviek. Takéto jednoduché optické zariadenie pokrýva väčšinu plochy CCD prvku a zhromažďuje celú frakciu fotónov dopadajúcich na túto časť do koncentrovaného svetelného toku, ktorý je naopak nasmerovaný do pomerne kompaktnej svetlocitlivej oblasti ​pixel.

mikrošošoviek

Keďže pomocou mikrošošoviek je možné oveľa efektívnejšie registrovať svetelný tok dopadajúci na snímač, postupom času začali tieto zariadenia dodávať nielen systémy so stĺpcovým bufferingom, ale aj full-frame matrice. Mikrošošovky však tiež nemožno nazvať „riešením bez nevýhod“.

Bytie optické zariadenie, mikrošošovky do určitej miery skresľujú zaznamenaný obraz, najčastejšie sa to prejavuje stratou jasnosti v najmenších detailoch rámu - ich okraje sú mierne rozmazané. Na druhej strane, takýto rozmazaný obraz nie je v žiadnom prípade vždy nežiaduci - v niektorých prípadoch obraz tvorený šošovkou obsahuje čiary, ktorých veľkosť a frekvencia sú blízke rozmerom CCD prvku a medzipixelovej vzdialenosti matice. V tomto prípade sa často pozoruje rám krokovanie(aliasing) - priradenie k pixelu určitú farbu bez ohľadu na to, či je pokrytý celým detailom obrázka alebo len jeho časťou. V dôsledku toho sú čiary objektu na obrázku roztrhané, so zubatými okrajmi. Na vyriešenie tohto problému používajú kamery so snímačmi bez mikrošošoviek drahé antialiasingový filter(antialiasingový filter) a snímač s mikrošošovkami takýto filter nepotrebuje. V každom prípade za to však musíte zaplatiť nejakým poklesom rozlíšenia snímača.

Ak objekt nie je dobre osvetlený, odporúča sa otvoriť clonu čo najširšie. To však prudko zvyšuje percento lúčov dopadajúcich na povrch matrice pod strmým uhlom. Mikrošošovky, na druhej strane, oddeľujú značnú časť takýchto lúčov, takže účinnosť absorpcie svetla matricou (pre ktorú bola clona otvorená) je značne znížená. Aj keď je potrebné poznamenať, že lúče dopadajúce pod strmým uhlom sú tiež zdrojom problémov - vstupom do kremíka jedného pixelu môže byť fotón s dlhou vlnovou dĺžkou, ktorý má vysokú penetračnú schopnosť, absorbovaný materiálom iného prvku matrice. , čo nakoniec povedie k skresleniu obrazu. Na vyriešenie tohto problému je povrch matrice pokrytý nepriehľadnou (napríklad kovovou) "mriežkou", v ktorej výrezoch zostávajú iba zóny pixelov citlivé na svetlo.

Historicky sa full-frame snímače používali predovšetkým v štúdiovej technike a stĺpcové snímače v amatérskej technike. Oba typy snímačov sa nachádzajú v profesionálnych fotoaparátoch.

V klasickom obvode CCD, ktorý využíva elektródy z polykryštalického kremíka, je citlivosť obmedzená v dôsledku čiastočného rozptylu svetla povrchom elektródy. Preto sa pri fotografovaní v špeciálnych podmienkach vyžadujúcich zvýšenú citlivosť v modrej a ultrafialovej oblasti spektra používajú matrice so spätným osvetlením. V senzoroch tohto typu dopadá zaznamenané svetlo na substrát a aby sa dosiahol požadovaný vnútorný fotoelektrický efekt, substrát bol vyleštený na hrúbku 10–15 mikrometrov. Táto fáza spracovania značne zvýšila náklady na matricu, navyše sa zariadenia ukázali ako veľmi krehké a vyžadovali si zvýšenú starostlivosť pri montáži a prevádzke.

Spätne osvetlená matica

Je zrejmé, že pri použití svetelných filtrov, ktoré tlmia svetelný tok, strácajú všetky drahé operácie na zvýšenie citlivosti zmysel, preto sa spätne osvetlené matrice používajú väčšinou v astronomickej fotografii.

Citlivosť

Jednou z najdôležitejších vlastností záznamového zariadenia, či už je to fotografický film alebo CCD matrica, je citlivosť- schopnosť reagovať určitým spôsobom na optické žiarenie. Čím vyššia je citlivosť, tým menej svetla je potrebných na odozvu záznamového zariadenia. Na označenie citlivosti sa používali rôzne hodnoty (DIN, ASA), ale nakoniec sa prax označovala v jednotkách ISO (International Standards Organization - International Standards Organization).

Pre jeden CCD prvok by sa odpoveď na svetlo mala chápať ako generovanie náboja. Je zrejmé, že citlivosť matice CCD je súčtom citlivosti všetkých jej pixelov a vo všeobecnosti závisí od dvoch parametrov.

Prvým parametrom je integrovaná citlivosť, čo je pomer fotoprúdu (v miliampéroch) k svetelnému toku (v lúmenoch) zo zdroja žiarenia, ktorého spektrálne zloženie zodpovedá volfrámovej žiarovke. Tento parameter umožňuje vyhodnotiť citlivosť snímača ako celku.

Druhým parametrom je monochromatická citlivosť, teda pomer veľkosti fotoprúdu (v miliampéroch) k veľkosti svetelnej energie žiarenia (v milielektronvoltoch) zodpovedajúcej určitej vlnovej dĺžke. Súbor všetkých monochromatických hodnôt citlivosti pre časť spektra záujmu je spektrálnej citlivosti- závislosť citlivosti od vlnovej dĺžky svetla. Spektrálna citlivosť teda ukazuje schopnosť snímača registrovať odtiene určitej farby.

Je zrejmé, že jednotky merania pre integrálnu aj monochromatickú citlivosť sa líšia od označení populárnych vo fotografickej technike. To je dôvod, prečo výrobcovia digitálnych fotografických zariadení v špecifikáciách produktu uvádzajú ekvivalentná citlivosť CCD v jednotkách ISO. A na určenie ekvivalentnej citlivosti výrobca potrebuje poznať iba osvetlenie objektu, clonu a rýchlosť uzávierky a použiť niekoľko vzorcov. Podľa prvého sa expozičná hodnota vypočíta ako log 2 (L *S /C), kde L je osvetlenosť, S je citlivosť a C je expozičná konštanta. Druhý vzorec definuje hodnotu expozície ako 2*log 2 K - log 2 t., kde K je hodnota clony a t je rýchlosť uzávierky. Nie je ťažké odvodiť vzorec, ktorý umožňuje za predpokladu L, C, K a t vypočítať, čo sa rovná S.

Citlivosť matice je integrálnou hodnotou v závislosti od citlivosti každého prvku CCD. Citlivosť maticového pixelu závisí v prvom rade od „fotónov nahradených dažďom“ fotosenzitívna oblasť(faktor plnenia) a po druhé, od kvantová účinnosť(kvantová účinnosť), teda pomer počtu registrovaných elektrónov k počtu fotónov dopadajúcich na povrch senzora.

Na kvantovú účinnosť zasa vplýva množstvo ďalších parametrov. Po prvé, toto koeficient odrazu- hodnota predstavujúca podiel tých fotónov, ktoré sa "odrazia" od povrchu snímača. Keď sa koeficient odrazu zvyšuje, podiel fotónov zapojených do vnútorného fotoelektrického javu klesá.

Fotóny, ktoré sa neodrazia od povrchu snímača, budú absorbované a vytvoria sa nosiče náboja, avšak niektoré z nich „uviaznu“ blízko povrchu a niektoré preniknú príliš hlboko do materiálu CCD prvku. Je zrejmé, že v oboch prípadoch sa nebudú podieľať na tvorbe fotoprúdu. „Sila prieniku“ fotónov do polovodiča, tzv absorpčný koeficient, závisí ako od materiálu polovodiča, tak aj od vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla – „dlhovlnné“ častice prenikajú oveľa hlbšie ako „krátkovlnné“. Pri vyvolávaní CCD prvku je potrebné, aby fotóny s vlnovou dĺžkou zodpovedajúcou viditeľnému žiareniu dosiahli taký absorpčný koeficient, aby došlo k vnútornému fotoelektrickému javu v blízkosti potenciálovej jamy, čím sa zvýši šanca na pád elektrónu do nej.

Často sa namiesto kvantovej účinnosti používa termín "kvantový výstup"(kvantový výťažok), ale v skutočnosti tento parameter zobrazuje počet nosičov náboja uvoľnených pri absorpcii jedného fotónu. Samozrejme, pri vnútornom fotoelektrickom jave väčšina nosičov náboja stále spadá do potenciálovej jamy CCD prvku, avšak určitá časť elektrónov (alebo dier) sa „pasci“ vyhne. Čitateľ vzorca popisujúceho kvantovú účinnosť je presne počet nosičov náboja, ktoré spadli do potenciálnej studne.

Dôležitou charakteristikou CCD matrice je prah citlivosti- parameter svetelného záznamového zariadenia, ktorý charakterizuje minimálnu hodnotu svetelného signálu, ktorú je možné zaregistrovať. Čím je tento signál menší, tým je prah citlivosti vyšší. Hlavným faktorom limitujúcim prah citlivosti je temný prúd(temný prúd). Je to dôsledok termionickej emisie a vyskytuje sa v CCD prvku, keď sa na elektródu privedie potenciál, pod ktorým sa vytvorí potenciálová jamka. Tento prúd sa nazýva „tmavý“, pretože pozostáva z elektrónov, ktoré spadli do studne v neprítomnosti svetelného toku. Ak je svetelný tok slabý, potom je hodnota fotoprúdu blízka a niekedy dokonca menšia ako hodnota tmavého prúdu.

Existuje závislosť tmavého prúdu od teploty snímača - keď sa matrica zahreje o 9 stupňov Celzia, jej tmavý prúd sa zdvojnásobí. Na chladenie matrice, rôzne systémy odvodu tepla (chladenie).. V poľných komorách, ktorých hmotnostné a rozmerové charakteristiky značne obmedzujú použitie chladiacich systémov, sa niekedy kovové puzdro komory používa ako výmenník tepla. V štúdiových zariadeniach neexistujú prakticky žiadne obmedzenia hmotnosti a rozmerov, navyše je povolená dostatočne vysoká spotreba energie chladiaceho systému, ktorý sa zase delí na pasívne a aktívne.

Pasívne chladiace systémy zabezpečujú len „vypustenie“ prebytočného tepla ochladzovaného zariadenia do atmosféry. Chladiaci systém zároveň plní úlohu maximálneho vodiča tepla, ktorý zabezpečuje efektívnejšie odvádzanie tepla. Je zrejmé, že teplota chladeného zariadenia nemôže byť nižšia ako teplota okolitého vzduchu, čo je hlavnou nevýhodou pasívnych systémov.

Najjednoduchším príkladom pasívneho systému výmeny tepla je radiátor(chladič), vyrobený z materiálu s dobrou tepelnou vodivosťou, najčastejšie z kovu. Povrch v kontakte s atmosférou je tvarovaný tak, aby poskytoval čo najväčšiu rozptylovú plochu. Všeobecne sa uznáva, že maximálna plocha rozptylu je ihlové radiátory, v tvare "ježka", posiaty "ihličkami" odvádzajúcimi teplo. Často, aby sa vynútil prenos tepla, je povrch radiátora fúkaný mikroventilátor - podobné zariadenia tzv chladiče(chladič, od slova cool- chladiť), v osobné počítače ochladiť procesor. Na základe skutočnosti, že mikroventilátor spotrebúva elektrickú energiu, systémy, ktoré ho používajú, sa nazývajú "aktívne", čo je úplne nesprávne, pretože chladiče nedokážu ochladiť zariadenie na teplotu nižšiu ako je atmosférická. Pri vysokých teplotách okolia (40 stupňov a viac) začína účinnosť pasívnych chladiacich systémov klesať.

Aktívne chladiace systémy v dôsledku elektrických alebo chemických procesov poskytnúť zariadeniu teplotu pod okolitým vzduchom. V skutočnosti aktívne systémy „vyrábajú chlad“, avšak do atmosféry sa uvoľňuje teplo ochladzovaného zariadenia aj teplo chladiaceho systému. Klasickým príkladom aktívneho chladiča je bežná chladnička. Napriek pomerne vysokej účinnosti sú však jeho hmotnostné a rozmerové charakteristiky neprijateľné aj pre štúdiové fotografické vybavenie. Preto je zabezpečené jeho aktívne chladenie Peltierove systémy, ktorej činnosť je založená na využití rovnomenného efektu, keď v prípade rozdielu potenciálov na koncoch dvoch vodičov z rôznych materiálov sa na spoji týchto vodičov uvoľní alebo pohltí tepelná energia ( v závislosti od polarity napätia). Dôvodom je zrýchlenie alebo spomalenie elektrónov v dôsledku rozdielu vnútorného kontaktného potenciálu prechodu vodičov.

Pri použití kombinácie polovodičov typu n a p, v ktorých dochádza k absorpcii tepla v dôsledku interakcie elektrónov a "dier", dochádza k maximálnemu tepelne vodivému efektu. Na jeho vylepšenie môžete použiť kaskádovú kombináciu Peltierových článkov, a keďže dochádza k absorpcii aj uvoľňovaniu tepla, je potrebné prvky kombinovať tak, aby jedna strana chladiča bola „horúca“ a druhá „studená“. V dôsledku kaskádovej kombinácie je teplota „horúcej“ strany Peltierovho prvku najďalej od matrice oveľa vyššia ako teplota okolitého vzduchu a jeho teplo sa rozptýli v atmosfére pomocou pasívnych zariadení. , teda radiátory a chladiče.

Pomocou Peltierovho efektu môžu aktívne chladiace systémy znížiť teplotu snímača až na nula stupňov, čím sa dramaticky zníži úroveň tmavého prúdu. Pri nadmernom chladení CCD poľa však hrozí kondenzácia vlhkosti z okolitého vzduchu a skrat elektronika. A v niektorých prípadoch môže hraničný teplotný rozdiel medzi ochladzovanou a fotocitlivou rovinou matrice viesť k jej neprijateľnej deformácii.

Avšak ani radiátory, ani chladiče, ani Peltierove prvky nie sú použiteľné pre poľné kamery, ktoré sú obmedzené hmotnosťou a rozmermi. Namiesto toho táto technika využíva metódu založenú na tzv čierne pixely(tmavé referenčné pixely). Tieto pixely sú stĺpce a riadky pokryté nepriehľadným materiálom pozdĺž okrajov matice. Uvažuje sa priemerná hodnota pre všetky fotoprúdy čiernych pixelov úroveň temného prúdu. Je zrejmé, že pri rôznych prevádzkových podmienkach (teplota prostredia a samotnej kamery, prúd batérie atď.) sa bude úroveň tmavého prúdu líšiť. Pri použití ako „referenčného bodu“ pre každý pixel, teda odčítaním jeho hodnoty od fotoprúdu, je možné presne určiť, aký náboj vytvárajú fotóny, ktoré dopadli na CCD prvok.

Pri potláčaní temného prúdu takým či onakým spôsobom si treba uvedomiť ešte jeden faktor, ktorý limituje prah citlivosti. to je tepelný hluk(tepelný šum), vznikajúci aj pri absencii potenciálu na elektródach, len chaotickým pohybom elektrónov po CCD prvku. Dlhé expozície vedú k postupnému hromadeniu bludných elektrónov v potenciálovej studni, čo skresľuje skutočnú hodnotu fotoprúdu. A čím „dlhšia“ je rýchlosť uzávierky, tým viac elektrónov „stratí“ v studni.

Ako viete, svetelná citlivosť filmu v tej istej kazete zostáva konštantná, inými slovami, nemôže sa meniť od snímky k snímke. Ale digitálny fotoaparát vám umožňuje nastaviť najoptimálnejšiu hodnotu ekvivalentnej citlivosti pre každý záber. Dosahuje sa to zosilnením videosignálu prichádzajúceho z matrice – istým spôsobom takýto postup, tzv "zvýšenie ekvivalentnej citlivosti", podobne ako otáčanie ovládača hlasitosti na hudobnom prehrávači.

Pri slabom osvetlení tak používateľ stojí pred dilemou – buď zvýšiť ekvivalentnú citlivosť, alebo zvýšiť rýchlosť uzávierky. Zároveň sa v oboch prípadoch nevyhne poškodeniu rámu hlukom pevného rozvodu. Pravda, skúsenosti ukazujú, že pri „dlhej“ rýchlosti uzávierky sa obraz nezhorší natoľko, ako keď sa zosilní maticový signál. Dlhý expozičný čas však ohrozuje ďalší problém – používateľ môže rámik „krútiť“. Ak teda používateľ plánuje často fotografovať v interiéri, mal by si vybrať fotoaparát s vysokou svetelnosťou objektívu, ako aj výkonným a „inteligentným“ bleskom.

Dynamický rozsah

Matrica je potrebná na to, aby bola schopná detekovať svetlo pri jasnom slnečnom svetle aj pri slabom osvetlení miestnosti. Potenciálne jamky matrice preto musia byť veľmi priestranné a tiež musia byť schopné udržať minimálny počet elektrónov pri slabom osvetlení a obsahovať veľký náboj získaný pri dopade silného svetelného toku na snímač. A obraz tvorený objektívom sa často skladá z jasne osvetlených plôch aj hlbokých tieňov a snímač musí vedieť zaregistrovať všetky ich odtiene.

Schopnosť snímača vytvárať dobrý obraz v rôznych svetelných podmienkach a vysokom kontraste je určená parametrom "dynamický rozsah", ktorá charakterizuje schopnosť matrice rozlíšiť v obraze premietanom na jej záznamovú plochu najtmavšie tóny od najsvetlejších. Pri rozšírení dynamického rozsahu sa počet odtieňov v obraze zvýši a prechody medzi nimi budú čo najbližšie zodpovedať obrazu tvorenému šošovkou.

Vplyv dynamického rozsahu na kvalitu snímky (A – široký dynamický rozsah, B – úzky dynamický rozsah)

Charakteristika, ktorá popisuje schopnosť CCD prvku akumulovať určité množstvo, sa nazýva "hĺbka potenciálnej studne"(hĺbka studne) a od nej závisí dynamický rozsah matrice. Samozrejme, pri fotení v zlých svetelných podmienkach je dynamický rozsah ovplyvnený aj prahom citlivosti, ktorý je zasa určený veľkosťou tmavého prúdu.

Je zrejmé, že k strate elektrónov, ktoré tvoria fotoprúd, dochádza nielen v procese akumulácie náboja potenciálnej jamy, ale aj pri jeho transporte na výstup matrice. Tieto straty sú spôsobené driftom elektrónov, ktoré sú „odtrhnuté“ od hlavného náboja, keď prúdi pod nasledujúcu prenosovú elektródu. Čím menší je počet oddelených elektrónov, tým vyšší účinnosť prenosu náboja(účinnosť prenosu náboja). Tento parameter sa meria v percentách a zobrazuje percento náboja, ktorý zostáva počas „prekríženia“ medzi prvkami CCD.

Vplyv účinnosti prenosu možno demonštrovať na nasledujúcom príklade. Ak je pre maticu 1024 X 1024 hodnota tohto parametra 98 %, potom na určenie hodnoty fotoprúdu centrálneho pixelu na výstupe matice je potrebné zvýšiť 0,98 (množstvo preneseného náboja) na mocnina 1024 (počet „prekrížení“ medzi pixelmi) a vynásobte 100 (percento ). Výsledok je úplne neuspokojivý – z počiatočného nabitia zostane nejakých 0,0000001 %. Je zrejmé, že s nárastom rozlíšenia sa požiadavky na efektivitu prenosu ešte viac sprísnia, pretože počet „prechodov“ narastá. Okrem toho klesá rýchlosť snímania snímok, pretože zvýšenie prenosovej rýchlosti (na kompenzáciu zvýšeného rozlíšenia) vedie k neprijateľnému zvýšeniu počtu „odstránených“ elektrónov.

Aby sa dosiahli prijateľné rýchlosti čítania snímok s vysokou účinnosťou prenosu náboja, pri navrhovaní poľa CCD sa plánuje umiestniť potenciálne jamky do „prehĺbenej“ polohy. Vďaka tomu sa elektróny tak aktívne „nelepia“ na prenosové elektródy a práve pre „hlbokú polohu“ potenciálovej jamy je do konštrukcie CCD prvku zavedený n-kanál.

Vráťme sa k vyššie uvedenému príkladu: ak v danej matici 1024 X 1024 je účinnosť prenosu náboja 99,999 %, potom výstup senzora z fotoprúdu centrálneho náboja zostane 98,98 % svojej pôvodnej hodnoty. Ak matica s viac s vysokým rozlíšením potom je potrebná účinnosť prenosu náboja 99,99999 %.

Kvitnúce

V tých prípadoch, kde vnútorný fotoelektrický efekt vedie k nadmernému počtu elektrónov, ktorý presahuje hĺbku potenciálnej jamy, sa náboj CCD prvku začne "roznášať" po susedných pixeloch. Na fotografiách je tento jav, označovaný ako kvitnúce(z anglického blooming – rozmazanie), sa zobrazuje vo forme bielych škvŕn a správneho tvaru a čím viac elektrónov, tým väčšie sú škvrny.

Potlačenie kvitnutia sa vykonáva pomocou systému elektronické odvodnenie(overflow drain), ktorého hlavnou úlohou je odstrániť prebytočné elektróny z potenciálovej studne. Najznámejšie možnosti vertikálna drenáž(Vertical Overflow Drain, VOD) a bočná drenáž(Lateral Overflow Drain, VOD).

V systéme s vertikálnou drenážou sa na matricový substrát privádza potenciál, ktorého hodnota je zvolená tak, aby pri pretečení hĺbky potenciálovej jamy prúdili prebytočné elektróny z nej do substrátu a tam sa rozptýlili. Nevýhodou tejto možnosti je zníženie hĺbky potenciálnej studne a tým aj zúženie dynamického rozsahu prvku CCD. Je tiež zrejmé, že tento systém nie je použiteľný v matriciach so zadným osvetlením.

Vertikálna elektronická drenáž

Systém bočného odtoku využíva elektródy, ktoré bránia elektrónom potenciálnej studne preniknúť do „drenážnych drážok“, z ktorých sa odvádza prebytočný náboj. Potenciál na týchto elektródach sa volí v súlade s prepadovou bariérou potenciálovej studne, pričom jeho hĺbka sa nemení. Vďaka drenážnym elektródam je však svetlocitlivá oblasť CCD prvku znížená, takže je potrebné použiť mikrošošovky.

Bočný elektronický odtok

Potreba pridať k senzoru odvodňovacie zariadenia samozrejme komplikuje jeho dizajn, ale nemožno ignorovať deformácie rámu spôsobené kvitnutím. Áno, a elektronickú uzávierku nemožno implementovať bez drenáže - hrá úlohu „závesy“ pri ultra krátkych rýchlostiach uzávierky, ktorých trvanie je kratšie ako interval strávený prenosom náboja z hlavného paralelného posuvného registra do paralelného vyrovnávacieho registra. „Uzávierka“, teda drenáž, bráni prenikaniu tých elektrónov, ktoré sa vytvorili v „svetlocitlivých“ pixeloch, do jamiek vyrovnávacích CCD prvkov po uplynutí určeného (a veľmi krátkeho) expozičného času.

„Zaseknuté“ pixely

V dôsledku technologických chýb v niektorých CCD prvkoch aj najkratšia rýchlosť uzávierky vedie k lavínovitému nahromadeniu elektrónov v potenciálovej studni. Na obrázku sú také pixely, tzv "lepkavý"(zaseknuté pixely) sa od okolitých bodov veľmi líšia farbou aj jasom a na rozdiel od šumu s pevnou distribúciou sa objavujú pri akejkoľvek rýchlosti uzávierky a bez ohľadu na teplotu matrice.

Zaseknuté pixely sa odstránia pomocou zabudovaného softvéru fotoaparátu, ktorý vyhľadá chybné prvky CCD a ich „súradnice“ uloží do energeticky nezávislej pamäte. Pri vytváraní obrazu sa neberú do úvahy hodnoty chybných pixelov, sú nahradené interpolovanou hodnotou susedných pixelov. Na určenie defektnosti pixelu počas procesu vyhľadávania sa porovnáva jeho náboj referenčná hodnota, ktorý je tiež uložený v energeticky nezávislej pamäti fotoaparátu.

Veľkosť uhlopriečky matice

Občas okrem iných parametrov aj nejaké digitálny fotoaparát uvedené veľkosť uhlopriečky CCD(zvyčajne v zlomkoch palca). V prvom rade táto hodnota súvisí s charakteristikou objektívu – čím väčšie sú rozmery snímača, tým väčší by mal byť obraz tvorený optikou. Aby tento obraz úplne pokryl záznamový povrch matrice, musia sa zväčšiť rozmery optických prvkov. Ak sa tak nestane a „obrázok“ vytvorený objektívom sa ukáže byť menší ako snímač, okrajové oblasti matrice nebudú nárokované. V mnohých prípadoch však výrobcovia fotoaparátov neuviedli, že v ich modeloch sa určitý podiel megapixelov ukázal ako „bez práce“.

Ale v digitálnych „reflexných kamerách“ vytvorených na základe 35 mm technológie sa takmer vždy vyskytuje opačná situácia - obraz vytvorený šošovkou prekrýva oblasť matice citlivej na svetlo. Je to spôsobené tým, že snímače s rozmermi 35-milimetrového filmu sú príliš drahé a vedie to k tomu, že časť obrazu tvoreného objektívom je doslova „za scénou“. V dôsledku toho sa charakteristika objektívu posúva do oblasti „dlhého ohniska“. Pri výbere výmenných objektívov pre digitálnu zrkadlovku by ste preto mali zvážiť pomer zoomu- spravidla je to asi 1,5. Ak napríklad nainštalujete objektív so zoomom 28 – 70 mm, jeho pracovný rozsah bude 42 – 105 mm.

Tento pomer má pozitívne aj negatívne účinky. Najmä fotografovanie so širokým uhlom pokrytia, ktoré vyžaduje objektívy s krátkym dosahom, sa stáva zložitejším. Optika s ohniskovou vzdialenosťou 18mm a menej je veľmi drahá a v digitálnej „zrkadlovke“ sa mení na triviálnu 27mm. Teleobjektívy sú však tiež veľmi drahé a s veľkou ohniskovou vzdialenosťou spravidla relatívna clona klesá. Ale lacný 200 mm objektív s faktorom 1,5 sa zmení na 300 mm objektív, zatiaľ čo „skutočná“ 300 mm optika má clonu rádovo f / 5,6, clona 200 mm je vyššia ako f / 4,5.

Okrem toho sa každý objektív vyznačuje takými aberáciami, ako je zakrivenie a skreslenie poľa, ktoré sa prejavujú rozmazaním a zakrivením obrazu v okrajových oblastiach rámu. Ak sú rozmery matrice menšie ako veľkosť obrazu tvoreného objektívom, „problémové oblasti“ snímač jednoducho nezaregistruje.

Je potrebné poznamenať, že citlivosť matice súvisí s rozmermi jej záznamovej oblasti. Čím väčšia je fotocitlivá plocha každého prvku, tým viac svetla naň dopadá a tým častejšie dochádza k vnútornému fotoelektrickému efektu, čím sa zvyšuje citlivosť celého snímača. Veľký pixel navyše umožňuje vytvárať potenciálnu studňu „zvýšenej kapacity“, čo má pozitívny vplyv na šírku dynamického rozsahu. Názorným príkladom toho je matrica digitálnych „reflexných kamier“, veľkosťou porovnateľná s rámčekom 35 mm filmu. Tieto snímače sa tradične líšia v citlivosti rádovo ISO 6400 (!), A dynamický rozsah vyžaduje ADC s bitovou hĺbkou 10-12 bitov.

Matice amatérskych kamier majú zároveň dynamický rozsah, na ktorý stačí 8-10-bitový ADC a citlivosť zriedka presahuje ISO 800. Dôvodom sú konštrukčné vlastnosti tejto techniky. Faktom je, že Sony má veľmi málo konkurentov, pokiaľ ide o výrobu malých (1/3, 1/2 a 2/3 palca uhlopriečne) snímačov pre amatérsku techniku, a to bolo spôsobené kompetentným prístupom k vývoju modelový rad matíc. Pri vývoji ďalšej generácie matíc s rozlíšením „na megapixel viac“ bola zabezpečená takmer úplná kompatibilita s predchádzajúcimi modelmi snímačov, a to z hľadiska rozmerov aj rozhrania. Konštruktéri fotoaparátov teda nemuseli vyvíjať objektív a „elektronickú výplň“ fotoaparátu od začiatku.

Keď sa však rozlíšenie zvyšuje, vyrovnávací paralelný posuvný register zachytáva rastúci podiel plochy senzora, v dôsledku čoho sa znižuje oblasť citlivá na svetlo aj „kapacita“ potenciálnej jamky.

Zníženie fotocitlivej oblasti CCD so zvyšujúcim sa rozlíšením.

Preto sa za každým „N +1 megapixelom“ skrýva starostlivá práca vývojárov, ktorá, žiaľ, nie je vždy úspešná.

Analógovo-digitálny prevodník

Video signál, ktorý prešiel cez zosilňovač, musí byť prevedený do digitálneho formátu zrozumiteľného pre mikroprocesor fotoaparátu. Na tento účel sa používa analógovo-digitálny prevodník, ADC(analógovo-digitálny prevodník, ADC) - zariadenie, ktoré konvertuje analógový signál na postupnosť čísel. Jeho hlavnou charakteristikou je bitová hĺbka, teda počet rozpoznaných a zakódovaných úrovní diskrétneho signálu. Na výpočet počtu úrovní stačí zvýšiť dve na mocninu bitovej hĺbky. Napríklad „8 bitov“ znamená, že prevodník je schopný určiť 2 až ôsmu úroveň signálu a zobraziť ich ako 256 rôznych hodnôt.

S veľkou kapacitou ADC je možné (teoreticky) dosiahnuť väčšiu farebná hĺbka(farebná hĺbka), čiže bitová hĺbka spracovania farieb, ktorá popisuje maximálny počet farebných odtieňov, ktoré je možné reprodukovať. Farebná hĺbka sa zvyčajne vyjadruje v bitoch a počet odtieňov sa vypočíta rovnakým spôsobom ako počet úrovní signálu ADC. Napríklad s 24-bitovou hĺbkou farieb môžete získať 16777216 odtieňov farieb.

V skutočnosti je farebná hĺbka súborov vo formátoch JPEG alebo TIFF, ktoré počítač používa na spracovanie a ukladanie obrázkov, obmedzená na 24 bitov (8 bitov pre každý farebný kanál – modrý, červený a zelený). Preto niekedy používané ADC s bitovou hĺbkou 10, 12 a dokonca 16 bitov (teda farebnou hĺbkou 30, 36 a 48 bitov) možno mylne považovať za „nadbytočné“. Dynamický rozsah matice niektorých modelov digitálnych fotografických zariadení je však pomerne široký a ak je fotoaparát vybavený funkciou ukladania snímky v neštandardnom formáte (30-48 bitov), ​​potom s ďalším počítačovým spracovaním je možné použiť bity "naviac". Ako viete, chyby vo výpočte expozície podľa frekvencie prejavu sú až na druhom mieste po nepresnostiach zaostrenia. Preto sa schopnosť kompenzovať takéto chyby pomocou „dolných“ (v prípade podexponovania) alebo „horných“ (v prípade preexponovania) bitov ukazuje ako veľmi užitočná. Ak je expozícia vypočítaná bez chýb, potom „komprimácia“ 30–48 bitov na štandardných 24 bitov bez skreslenia nie je obzvlášť náročná úloha.

Je zrejmé, že dynamický rozsah CCD by mal byť základom pre zvýšenie bitovej hĺbky ADC, pretože s úzkym dynamickým rozsahom ADC s 10-12 bitmi na kanál jednoducho nebude čo rozpoznať. A často sa nedá nazvať inak ako reklamným kúskom spomenúť „36-bitovú“ a dokonca „48-bitovú“ farbu skromnej „mydlovej krabice“ s matricou pol palca uhlopriečne, pretože aj 30-bitová farba vyžaduje aspoň snímač s uhlopriečkou 2/3 palca.

Predajcovia teraz ponúkajú obrovský výber kamier pre video dohľad. Modely sa líšia nielen parametrami spoločnými pre všetky fotoaparáty – ohnisková vzdialenosť, pozorovací uhol, citlivosť na svetlo atď. – ale aj rôznymi značkovými „čipmi“, ktorými sa každý výrobca snaží svoje zariadenia vybaviť.

Stručný popis charakteristík monitorovacej kamery je preto často desivým zoznamom nejasných výrazov, napríklad: 1/2,8" 2,4 MP CMOS, 25/30 fps, OSD Menu, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, Smart IR, IP67, 0,05 Lux a to nie je všetko.

V predchádzajúcom článku sme sa zamerali na video štandardy a klasifikáciu kamier v závislosti od nich. Dnes budeme analyzovať hlavné charakteristiky video monitorovacích kamier a dešifrovať označenia špeciálnych technológií používaných na zlepšenie kvality video signálu:

1. Ohnisková vzdialenosť a pozorovací uhol
2. Clona (číslo F) alebo rýchlosť objektívu
3. Nastavenie clony (automatická clona)
4. Elektronická uzávierka (AES, rýchlosť uzávierky, rýchlosť uzávierky)
5. Citlivosť (citlivosť na svetlo, minimálne osvetlenie)
6. Triedy ochrany IK (odolné proti vandalizmu, antivandal) a IP (proti vlhkosti a prachu)

Typ snímača (CCD CCD, CMOS CMOS)

Existujú 2 typy matíc CCTV kamier: CCD (v ruštine - CCD) a CMOS (v ruštine - CMOS). Líšia sa zariadením aj princípom činnosti.

Dlho sa verilo, že matica CCD poskytuje oveľa lepšiu kvalitu obrazu ako CMOS. Moderné matice CMOS však často nie sú prakticky v žiadnom prípade horšie ako CCD, najmä ak neexistujú príliš vysoké požiadavky na systém video sledovania.

Veľkosť matice

Udáva veľkosť matice diagonálne v palcoch a zapisuje sa ako zlomok: 1/3", 1/2", 1/4", atď.

Všeobecne sa verí, že čím väčšia matica, tým lepšie: menej šumu, jasnejší obraz, väčší pozorovací uhol. V skutočnosti však najlepšiu kvalitu obrazu neposkytuje veľkosť matice, ale veľkosť jej jednotlivých buniek alebo pixelov - čím je väčší, tým lepšie. Preto pri výbere kamery na video dohľad musíte zvážiť veľkosť matice spolu s počtom pixelov.

Ak matice s veľkosťou 1/3 "a 1/4" majú rovnaký počet pixelov, potom v tomto prípade matica 1/3" prirodzene poskytne najlepší obraz. Ak je však na nej viac pixelov, musíte zoberte kalkulačku a vypočítajte približnú veľkosť pixelu.

Napríklad z výpočtov veľkosti buniek matice nižšie je možné vidieť, že v mnohých prípadoch je veľkosť pixelov na 1/4" matici väčšia ako na 1/3" matici, čo znamená, že 1/4" obraz videa, aj keď je menší, bude lepší.

Ohnisková vzdialenosť a pozorovací uhol

Tieto parametre majú veľký význam pri výbere kamery pre video dohľad a úzko spolu súvisia. V skutočnosti je ohnisková vzdialenosť šošovky (často označovaná ako f) vzdialenosť medzi šošovkou a snímačom.

V praxi ohnisková vzdialenosť určuje uhol a rozsah kamery:

• čím menšia je ohnisková vzdialenosť, tým širší je uhol pohľadu a tým menej detailov je možné vidieť na ďaleko vzdialených objektoch;
• čím dlhšia je ohnisková vzdialenosť, tým užší je uhol záberu videokamery a tým detailnejší je obraz vzdialených predmetov.

Ak potrebujete celkový pohľad na nejakú oblasť a chcete na to použiť čo najmenej kamier, kúpte si kameru s krátkou ohniskovou vzdialenosťou, a teda aj širokým pozorovacím uhlom.

Ale v tých oblastiach, kde je potrebné podrobné pozorovanie relatívne malej oblasti, je lepšie umiestniť kameru so zvýšenou ohniskovou vzdialenosťou a nasmerovať ju na objekt pozorovania. Toto sa často používa na pokladniach supermarketov a bánk, kde potrebujete vidieť nominálnu hodnotu bankoviek a ďalšie podrobnosti o výpočtoch, ako aj pri vjazde na parkoviská a iné miesta, kde potrebujete rozlíšiť číslo auta od čísla veľká vzdialenosť.

Najbežnejšia ohnisková vzdialenosť je 3,6 mm. Zodpovedá zhruba zornému uhlu ľudského oka. Kamery s touto ohniskovou vzdialenosťou sa používajú na video dohľad v malých miestnostiach.

Nižšie uvedená tabuľka obsahuje informácie a vzťahy medzi ohniskovou vzdialenosťou, pozorovacím uhlom, rozoznávacou vzdialenosťou atď. pre najbežnejšie triky. Údaje sú približné, keďže závisia nielen od ohniskovej vzdialenosti, ale aj od ďalších parametrov optiky fotoaparátu.

V závislosti od šírky zorného uhla sa kamery pre video dohľad zvyčajne delia na:

• konvenčné (uhol pohľadu 30°-70°);
• širokouhlý (uhol pohľadu od približne 70 °);
• teleobjektív (uhol pohľadu menší ako 30°).

Písmeno F, len obyčajne veľké, označuje aj clonu objektívu – preto pri čítaní charakteristík dávajte pozor na kontext, v ktorom je parameter použitý.

Typ objektívu

Pevná (monofokálna) šošovka- najjednoduchšie a najlacnejšie. Ohnisková vzdialenosť je v ňom pevná a nedá sa zmeniť.

AT varifokálne (varifokálne) šošovky môžete zmeniť ohniskovú vzdialenosť. Jeho nastavenie sa vykonáva ručne, zvyčajne raz, keď je kamera nainštalovaná na mieste snímania, a neskôr - podľa potreby.

Trans-faktor alebo objektívy so zoomom tiež poskytujú možnosť zmeniť ohniskovú vzdialenosť, ale na diaľku, kedykoľvek. Zmena ohniskovej vzdialenosti sa vykonáva pomocou elektrického pohonu, preto sa nazývajú aj motorizované šošovky.

"Rybie oko" (rybie oko, rybie oko) alebo panoramatický objektív umožňuje nainštalovať len jednu kameru a dosiahnuť 360° pohľad.

Výsledkom je, samozrejme, výsledný obrázok má "bublinový" efekt - rovné čiary sú zakrivené, avšak vo väčšine prípadov vám fotoaparáty s takýmito šošovkami umožňujú rozdeliť jeden všeobecný panoramatický obrázok na niekoľko samostatných, korigovaných na známe vnímanie. ľudskému oku.

Dierkové šošovky umožňujú vykonávať skryté video sledovanie vďaka svojej miniatúrnej veľkosti. V skutočnosti dierková kamera nemá šošovku, ale namiesto nej iba miniatúrny otvor. Na Ukrajine je používanie skrytého video sledovania vážne obmedzené, rovnako ako predaj zariadení naň.

Toto sú najbežnejšie typy šošoviek. Ak však pôjdete hlbšie, šošovky sa delia aj podľa ďalších parametrov:

Clona (číslo F) alebo rýchlosť objektívu

Určuje schopnosť fotoaparátu zachytiť vysokokvalitné snímky pri slabom osvetlení. Čím väčšie je clonové číslo, tým je clona menej otvorená a fotoaparát potrebuje viac svetla. Čím je clona menšia, tým je clona viac otvorená a videokamera dokáže vytvárať čisté snímky aj pri zlých svetelných podmienkach.

Písmeno f (zvyčajne malé) označuje aj ohniskovú vzdialenosť, preto pri čítaní charakteristík dávajte pozor na kontext, v ktorom je parameter použitý. Napríklad na obrázku vyššie je clona označená malým f.

Držiak objektívu

K dispozícii sú 3 typy držiakov na pripevnenie objektívu k videokamere: C, CS, M12.

• Držiak C sa teraz používa zriedka. Objektívy C je možné pripevniť k fotoaparátu s bajonetom CS pomocou špeciálneho krúžku.
• CS držiak je najbežnejším typom. Objektívy CS nie sú kompatibilné s fotoaparátmi C.
• Pre malé objektívy sa používa bajonet M12.

Nastavenie clony (automatická clona), ARD, ARD

Membrána je zodpovedná za tok svetla k matrici: so zvýšeným tokom svetla sa zužuje, čím bráni vystaveniu obrazu svetlu, a pri slabom osvetlení sa naopak otvára, aby do nej prenikalo viac svetla. matice.

Existujú dve veľké skupiny fotoaparátov: pevná clona(sem patria aj kamery bez nej) a s nastaviteľným.

Nastavenie clony v rôznych modeloch kamier pre video dohľad je možné vykonať:

• Manuálne.
• Automaticky videokameru pomocou jednosmerného prúdu na základe množstva svetla dopadajúceho na snímač. Toto automatické ovládanie clony (ADC) sa označuje ako DD (Direct Drive) alebo DD/DC.
• Automatickyšpeciálny modul zabudovaný do šošovky a sledujúci svetelný tok prechádzajúci cez relatívnu clonu. Tento spôsob ARD sa v špecifikáciách videokamier označuje ako VD (video mechanika). Je účinný aj vtedy, keď do objektívu prenikne priame slnečné svetlo, no monitorovacie kamery s ním sú drahšie.

Elektronická uzávierka (AES, rýchlosť uzávierky, rýchlosť uzávierky, uzávierka)

U rôznych výrobcov môže byť tento parameter označovaný ako automatická elektronická uzávierka, rýchlosť uzávierky alebo rýchlosť uzávierky, ale v skutočnosti to znamená to isté - čas, počas ktorého je svetlo vystavené matici. Zvyčajne sa vyjadruje ako 1/50-1/100000s.

Činnosť elektronickej uzávierky je trochu podobná automatickému nastaveniu clony - upravuje citlivosť matice na svetlo, aby sa prispôsobila úrovni osvetlenia miestnosti. Na obrázku nižšie môžete vidieť kvalitu obrazu pri slabom osvetlení s iná rýchlosť uzávierka (na obrázku manuálne nastavenie, zatiaľ čo AES to robí automaticky).

Na rozdiel od DGS k úprave nedochádza úpravou svetelného toku, ktorý vstupuje do matrice, ale úpravou rýchlosti uzávierky, trvania akumulácie nabíjačka na matricu.

Avšak možnosti elektronickej uzávierky sú oveľa slabšie ako automatické nastavenie clony, preto v otvorených priestoroch, kde sa úroveň svetla mení od súmraku po jasné slnečné svetlo, je lepšie použiť kamery s DGS. Videokamery s elektronickou uzávierkou sú optimálne pre miestnosti, kde sa úroveň osvetlenia v priebehu času príliš nemení.

Charakteristiky elektronickej uzávierky sa medzi rôznymi modelmi príliš nelíšia. Užitočnou funkciou je možnosť manuálneho nastavenia rýchlosti uzávierky (rýchlosti uzávierky), keďže pri slabom osvetlení sa automaticky nastavia nízke hodnoty, čo vedie k rozmazaniu obrazu pohybujúcich sa objektov.

Sens-UP (alebo DSS)

Je to funkcia akumulácie náboja matrice v závislosti od úrovne osvetlenia, t.j. zvýšenie jej citlivosti na úkor rýchlosti. Nevyhnutné pre zachytenie vysokokvalitného obrazu za zhoršených svetelných podmienok, kedy nie je kritické sledovanie vysokorýchlostných udalostí (na objekte pozorovania nie sú žiadne rýchlo sa pohybujúce objekty).

Úzko súvisí s rýchlosťou uzávierky (rýchlosťou uzávierky) opísanou vyššie. Ak je však rýchlosť uzávierky vyjadrená v časových jednotkách, potom Sens-UP je faktorom zvýšenia rýchlosti uzávierky (xN): čas akumulácie náboja (rýchlosť uzávierky) sa zvýši N-krát.

Povolenie

Témy povolení CCTV kamier sme sa trochu dotkli v minulom článku. Rozlíšenie fotoaparátu je v skutočnosti veľkosť výsledného obrázku. Meria sa buď v TVL (televízne riadky) alebo v pixeloch. Čím vyššie rozlíšenie, tým viac detailov môžete vo videu vidieť.

Rozlíšenie videokamery v TVL- je to počet zvislých čiar (prechodov jasu) umiestnených vodorovne na obrázku. Považuje sa za presnejšie, pretože poskytuje predstavu o veľkosti výstupného obrázka. Zatiaľ čo rozlíšenie v megapixeloch uvedené v dokumentácii výrobcu môže byť pre kupujúceho zavádzajúce – často sa netýka veľkosti konečného obrázka, ale počtu pixelov na matrici. V tomto prípade musíte venovať pozornosť takému parametru ako "Efektívny počet pixelov"

Rozlíšenie v pixeloch- ide o veľkosť obrazu horizontálne a vertikálne (ak je špecifikované ako 1280 × 960) alebo celkový počet pixelov v obrázku (ak je špecifikovaný ako 1 MP (megapixel), 2 MP atď.). Získanie rozlíšenia v megapixeloch je v skutočnosti veľmi jednoduché: musíte vynásobiť počet horizontálnych pixelov (1280) počtom vertikálnych (960) a vydeliť 1 000 000. Celkom 1 280 × 960 = 1,23 MP.

Ako previesť TVL na pixely a naopak? Neexistuje presný vzorec na konverziu. Ak chcete určiť rozlíšenie videa v TVL, musíte použiť špeciálne testovacie tabuľky pre videokamery. Pre približnú reprezentáciu pomeru môžete použiť tabuľku:

Efektívne pixely

Ako sme uviedli vyššie, veľkosť v megapixeloch uvedená v charakteristikách videokamery často neposkytuje presnú predstavu o rozlíšení výsledného obrazu. Výrobca udáva počet pixelov na matici (senzore) fotoaparátu, ale nie všetky sa podieľajú na vytváraní obrázka.

Preto bol zavedený parameter „Počet (počet) efektívnych pixelov“, ktorý len ukazuje, koľko pixelov tvorí výsledný obrázok. Najčastejšie zodpovedá skutočnému rozlíšeniu výsledného obrázku, aj keď existujú výnimky.

IR (infračervené) osvetlenie, IR

Umožňuje fotografovať v noci. Schopnosti matrice (senzora) kamery na sledovanie videa sú oveľa vyššie ako schopnosti ľudského oka - kamera napríklad môže "vidieť" v infračervenom žiarení. Táto nehnuteľnosť sa začala využívať na natáčanie v noci a v neosvetlených/slabo osvetlených miestnostiach. Po dosiahnutí určitého minimálneho osvetlenia sa videokamera prepne do režimu infračerveného záznamu a zapne IR (IR) iluminátor.

IR LED sú v kamere zabudované tak, že svetlo z nich nedopadá do objektívu kamery, ale osvetľuje zorný uhol.

Snímka nasnímaná pri slabom osvetlení pomocou infračerveného osvetlenia je vždy čiernobiela. Do čiernobieleho režimu sa prepínajú aj farebné kamery, ktoré podporujú nočné snímanie.

Hodnoty IR osvetlenia vo videokamerách sa zvyčajne udávajú v metroch - to znamená, koľko metrov od kamery vám osvetlenie umožňuje získať jasný obraz. IR svetlo s dlhým dosahom sa nazýva IR iluminátor.

Čo je Smart IR, Smart IR?

Smart IR (Smart IR) umožňuje zvýšiť alebo znížiť výkon infračerveného žiarenia v závislosti od vzdialenosti objektu. Deje sa tak preto, aby objekty, ktoré sú blízko fotoaparátu, neboli na videu preexponované.

IR filter (ICR), denný/nočný režim

Použitie infračerveného osvetlenia na filmovanie v noci má jednu zvláštnosť: matrica takýchto kamier sa vyrába so zvýšenou citlivosťou na infračervený rozsah. To vytvára problém pri snímaní cez deň, keďže matica počas dňa registruje infračervené spektrum, čo narúša normálnu farbu výsledného obrazu.

Preto takéto kamery fungujú v dvoch režimoch – deň a noc. Cez deň je senzor krytý mechanickým infračerveným filtrom (ICR), ktorý oddeľuje infračervené žiarenie. V noci je filter posunutý, čo umožňuje, aby lúče IR spektra voľne dopadali na matricu.

Niekedy je prepínanie denného/nočného režimu implementované softvérovo, ale toto riešenie produkuje obrázky nižšej kvality.

ICR filter je možné nainštalovať aj do kamier bez infračerveného osvetlenia - na odrezanie infračerveného spektra počas dňa a zlepšenie farebného podania videa.

Ak kamera nemá IGR filter, pretože pôvodne nebola navrhnutá na nočné snímanie, funkciu nočného snímania k nej jednoducho nedokúpite zakúpením samostatného IR modulu. V tomto prípade bude farba denného videa výrazne skreslená.

Citlivosť (citlivosť na svetlo, minimálne osvetlenie)

Na rozdiel od kamier, kde sa citlivosť vyjadruje pomocou ISO, je citlivosť CCTV kamier najčastejšie vyjadrené v luxoch (Lux) a znamená minimálne osvetlenie, pri ktorom je kamera schopná produkovať obraz dobrej kvality – čistý a bez šumu. Čím nižšia je hodnota tohto parametra, tým vyššia je citlivosť.

Kamery na video dohľad sa vyberajú v súlade s podmienkami, v ktorých sa plánujú používať: napríklad, ak je minimálna citlivosť kamery 1 lux, nemožno z nej získať jasný obraz v noci bez dodatočného infračerveného osvetlenia.

Pomer signálu k šumu (S/N) určuje kvalitu video signálu. Šum vo videu sa objavuje v dôsledku slabého osvetlenia a vyzerá ako farebný alebo čiernobiely sneh alebo zrno.

Parameter sa meria v decibeloch. Na obrázku nižšie je celkom dobrá kvalita obrazu už pri 30 dB, ale v moderné fotoaparáty na získanie vysokokvalitného videa musí byť S/N najmenej 40 dB.

Redukcia šumu DNR (3D-DNR, 2D-DNR)

Prirodzene, problém prítomnosti šumu vo videu nezostal bez povšimnutia výrobcov. V súčasnosti existujú dve technológie na redukciu šumu v obraze a zodpovedajúce vylepšenie obrazu:

• 2-DNR. Staršia a menej pokročilá technológia. V podstate je odstránený len šum pri zemi, navyše niekedy je obraz mierne rozmazaný kvôli čisteniu.
• 3-DNR. najnovšie technológie, ktorý pracuje podľa zložitého algoritmu a odstraňuje nielen blízky šum, ale aj sneh a obilie na vzdialenom pozadí.

Snímková frekvencia, fps (rýchlosť streamu)

Frekvencia snímok ovplyvňuje plynulosť obrazu videa – čím je vyššia, tým lepšie. Na dosiahnutie plynulého obrazu je potrebná frekvencia aspoň 16-17 snímok za sekundu. Štandardy PAL a SECAM podporujú snímkovú frekvenciu pri 25 fps, zatiaľ čo štandard NTSC podporuje 30 fps. Pri profesionálnych fotoaparátoch môže snímková frekvencia dosiahnuť až 120 fps a vyššie.

Majte však na pamäti, že čím vyššia je snímková frekvencia, tým viac miesta bude potrebné na uloženie videa a tým viac bude načítaný prenosový kanál.

Kompenzácia protisvetla (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Bežné problémy video sledovania sú:

• samostatné svetlé predmety padajúce do rámu (svetlomety, lampy, lampy), ktoré osvetľujú časť obrazu a vďaka čomu nie je možné vidieť dôležité detaily;
• príliš jasné osvetlenie v pozadí (slnečná ulica pred dverami miestnosti alebo za oknom atď.), proti ktorému sú blízke objekty príliš tmavé.

Na ich vyriešenie slúži viacero funkcií (technológií) používaných v sledovacích kamerách.

HLC - kompenzácia jasného svetla. Porovnaj:

BLC - kompenzácia protisvetla. Realizuje sa zvýšením expozície celého obrazu, v dôsledku čoho sa objekty v popredí stanú svetlejšie, ale pozadie je príliš svetlé na to, aby nebolo možné vidieť detaily.

WDR (niekedy nazývané aj HDR) je široký dynamický rozsah. Používa sa aj na kompenzáciu protisvetla, ale je účinnejšia ako BLC. Pri použití WDR majú všetky objekty vo videu približne rovnaký jas a jasnosť, čo umožňuje detailne vidieť nielen popredie, ale aj pozadie. Dosahuje sa to vďaka tomu, že fotoaparát fotí s rôznymi expozíciami a potom ich kombinuje, aby získal rám s optimálnym jasom všetkých objektov.

DWDR- implementácia softvéruširoký dynamický rozsah, čo je o niečo horšie ako plnohodnotné WDR.

Triedy ochrany IK (odolné proti vandalizmu, antivandal) a IP (proti vlhkosti a prachu)

Tento parameter je dôležitý, ak si vyberiete kameru pre vonkajšie video sledovanie alebo v miestnosti s vysokou vlhkosťou, prachom atď.

IP triedy- ide o ochranu pred vniknutím cudzích predmetov rôznych priemerov, vrátane prachových častíc, ako aj ochranu pred vlhkosťou. triedyIK- ide o antivandalskú ochranu, t.j. pred mechanickým nárazom.

Najbežnejšie triedy ochrany medzi vonkajšími monitorovacími kamerami sú IP66, IP67 a IK10.

• Trieda ochrany IP66: Fotoaparát je úplne prachotesný a chránený pred silnými prúdmi vody (alebo morskými vlnami). Voda sa dovnútra dostane v malom množstve a neprekáža pri prevádzke kamkordéra.
• Trieda ochrany IP67: Fotoaparát je úplne prachotesný a vydrží krátkodobé úplné ponorenie pod vodu alebo dlhé obdobia pod snehom.
• Trieda ochrany proti vandalizmu IK10: telo kamery odolá zásahu 5 kg nákladu z výšky 40 cm (energia nárazu 20 J).

Skryté oblasti (Privacy Mask)

Niekedy je potrebné skryť sa pred pozorovaním a záznamom niektorých oblastí, ktoré spadajú do zorného poľa kamery. Najčastejšie je to kvôli ochrane súkromia. Niektoré modely fotoaparátov umožňujú upraviť parametre niekoľkých takýchto zón, pokrývajúcich určitú časť alebo časti obrazu.

Napríklad na obrázku nižšie sú v obraze kamery skryté okná susedného domu.

Ďalšie funkcie CCTV kamier (DIS, AGC, AWB, atď.)

OSD menu- možnosť manuálne nastavenie veľa parametrov fotoaparátu: expozícia, svetelnosť, ohnisková vzdialenosť (ak existuje) atď.

- fotenie za zlých svetelných podmienok bez infračerveného prisvietenia.

DIS- funkcia stabilizácie obrazu z fotoaparátu pri snímaní v podmienkach vibrácií alebo pohybu

Technológia EXIR je technológia infračerveného osvetlenia vyvinutá spoločnosťou Hikvision. Vďaka nemu sa dosiahne väčšia účinnosť podsvietenia: dlhší dosah s menšou spotrebou energie, rozptylom atď.

AWB- automatické nastavenie vyváženia bielej v obraze tak, aby sa reprodukcia farieb čo najviac približovala prirodzenému, viditeľná ľudským okom. Zvlášť dôležité pre miestnosti s umelým osvetlením a rôznymi zdrojmi svetla.

AGC (AGC)- automatické ovládanie zisku. Používa sa na zabezpečenie toho, aby výstupný tok videa z kamier bol vždy stabilný, bez ohľadu na silu vstupného toku videa. Najčastejšie je potrebné zosilnenie video signálu v podmienkach slabého osvetlenia a naopak, keď je svetlo príliš silné, je potrebná redukcia video signálu.

Detektor pohybu- vďaka tejto funkcii sa kamera dokáže zapnúť a nahrávať len pri pohybe na objekte pozorovania, ako aj vyslať poplachový signál pri spustení detektora. To pomáha ušetriť miesto na ukladanie videa na DVR, odbremeniť prenosový kanál videa a organizovať upozornenia personálu na porušenie.

Vstup alarmu kamery- ide o možnosť zapnúť kameru, spustiť nahrávanie videa, keď nastane udalosť: spustenie pripojeného pohybového senzora alebo iného senzora, ktorý je k nemu pripojený.

výstup alarmu umožňuje spustiť reakciu na poplachovú udalosť zaznamenanú kamerou, napríklad zapnúť sirénu, poslať upozornenie mailom alebo SMS atď.

Nenašli ste funkciu, ktorú ste hľadali?

Snažili sme sa zhromaždiť všetky často sa vyskytujúce charakteristiky kamier pre video dohľad. Ak ste tu nenašli vysvetlenie niektorého parametra, ktorému nerozumiete - napíšte do komentárov, pokúsime sa túto informáciu doplniť do článku.

Úvod

V tejto práci sa budem zaoberať všeobecnými informáciami o zariadeniach s nábojovou väzbou, parametrami, históriou výroby, charakteristikami moderných stredno-infračervených CCD kamier.

V dôsledku exekúcie ročníková prácaštudoval literatúru o vytvorení, princípe činnosti, technických charakteristikách a použití CCD kamier v strednom IR rozsahu.

CCD. Fyzikálny princíp CCD. CCD

Charge-coupled device (CCD) je séria jednoduchých štruktúr MIS (kov-dielektrikum-polovodič) vytvorených na spoločnom polovodičovom substráte takým spôsobom, že pásy kovových elektród tvoria lineárny alebo maticový pravidelný systém, v ktorom je vzdialenosť medzi susednými elektród je dostatočne malý (obr. 1). Táto okolnosť podmieňuje skutočnosť, že určujúcim faktorom pri prevádzke zariadenia je vzájomné ovplyvňovanie susedných štruktúr MIS.

Obrázok 1 - Štruktúra CCD

Hlavným funkčným účelom fotosenzitívnych CCD je konverzia optických obrazov na sekvenciu elektrických impulzov (tvorba video signálu), ako aj ukladanie a spracovanie digitálnych a analógových informácií.

CCD sú vyrobené na báze monokryštálového kremíka. Na tento účel sa na povrchu kremíkového plátku tepelnou oxidáciou vytvorí tenký (0,1-0,15 μm) dielektrický film oxidu kremičitého. Tento proces prebieha tak, aby sa zabezpečila dokonalosť polovodičovo-dielektrického rozhrania a minimalizovala sa koncentrácia rekombinačných centier na rozhraní. Elektródy jednotlivých MIS-prvkov sú vyrobené z hliníka, ich dĺžka je 3-7 mikrónov, medzera medzi elektródami je 0,2-3 mikróny. Typický počet prvkov MIS je 500-2000 v lineárnom a maticovom CCD; plocha dosky Pod krajnými elektródami každého radu sú vytvorené p-n-prechody určené na vstup a výstup časti nábojov (nábojových balíkov) el. metóda (p-n-junction injekcia). S fotoelektrikou keď sú vložené nabíjacie jednotky, CCD je osvetlené spredu alebo zozadu. Pri čelnom osvetlení, aby sa predišlo tieniacemu efektu elektród, je hliník zvyčajne nahradený filmami silne dotovaného polykryštalického kremíka (polysilikónu), ktorý je priehľadný vo viditeľnej a blízkej infračervenej oblasti spektra.

Princíp činnosti CCD

Všeobecný princíp činnosti CCD je nasledujúci. Ak sa na akúkoľvek kovovú CCD elektródu aplikuje záporné napätie, potom sa pôsobením výsledného elektrického poľa elektróny, ktoré sú hlavnými nosičmi v substráte, pohybujú od povrchu hlboko do polovodiča. Na povrchu vzniká ochudobnená oblasť, ktorá je na energetickom diagrame potenciálnou studňou pre menšinové nosiče – diery. Otvory, ktoré nejakým spôsobom vstupujú do tejto oblasti, sú priťahované k rozhraniu dielektrika a polovodiča a sú lokalizované v úzkej vrstve blízkej povrchu.

Ak sa teraz na susednú elektródu privedie záporné napätie s väčšou amplitúdou, vytvorí sa hlbšia potenciálová jama a otvory prechádzajú do nej. Privedením potrebných riadiacich napätí na rôzne CCD elektródy je možné zabezpečiť ako ukladanie nábojov v rôznych blízkopovrchových oblastiach, tak aj usmernený pohyb nábojov po povrchu (od štruktúry k štruktúre). Zavedenie nábojového paketu (záznam) sa môže uskutočniť buď p-n prechodom, umiestneným napríklad v blízkosti krajného CCD prvku, alebo generovaním svetla. Odstránenie náboja zo systému (čítanie) je tiež najjednoduchšie vykonať pomocou p-n križovatky. CCD je teda zariadenie, v ktorom sa externé informácie (elektrické alebo svetelné signály) premieňajú na nábojové pakety mobilných nosičov, umiestňované určitým spôsobom v blízkopovrchových oblastiach, a spracovávanie informácií sa vykonáva riadeným pohybom týchto paketov pozdĺž povrch. Je zrejmé, že digitálne a analógové systémy môžu byť postavené na báze CCD. Pre digitálne systémy je dôležitá len prítomnosť alebo neprítomnosť náboja dier v konkrétnom CCD prvku, pri analógovom spracovaní sa zaoberajú veľkosťou pohybujúcich sa nábojov.

Ak je svetelný tok nesúci obraz nasmerovaný na viacprvkový alebo maticový CCD, potom fotogenerácia párov elektrón-diera začne vo veľkom objeme polovodiča. Keď sa dostanú do oblasti vyčerpania CCD, nosiče sa oddelia a v potenciálnych jamkách sa hromadia otvory (navyše akumulovaný náboj je úmerný miestnemu osvetleniu). Po určitom čase (rádovo niekoľko milisekúnd) dostatočnom na vnímanie obrazu, pole CCD uloží vzor paketov náboja zodpovedajúci rozloženiu osvetlenia. Keď sú hodinové impulzy zapnuté, nabíjacie pakety sa presunú do výstupnej čítačky, ktorá ich premení na elektrické signály. Výsledkom bude, že výstupom bude sekvencia impulzov s rôznymi amplitúdami, obálka, ktorú dáva video signál.

Princíp činnosti CCD na príklade fragmentu linky FPCD riadeného trojcyklovým (trojfázovým) obvodom je znázornený na obrázku 2. Počas cyklu I (vnímanie, akumulácia a ukladanie video informácie) , tzv. akumulačné napätie Uxp, ktoré zatláča hlavné nosiče - diery v prípade kremíka typu p - hlboko do polovodiča a vytvára ochudobnené vrstvy hlboké 0,5-2 μm - potenciálne jamky pre elektróny. Osvetlenie povrchu FPCD generuje prebytočné páry elektrón-diera v objeme kremíka, zatiaľ čo elektróny sú vťahované do potenciálových jamiek, lokalizovaných v tenkej (0,01 μm) povrchovej vrstve pod elektródami 1, 4, 7, ktoré tvoria balíčky signálneho náboja.

nabíjacia komunikácia kamera infračervená

Obrázok 2 - schéma činnosti trojfázového zariadenia s pripojením náboja - posuvný register

Množstvo náboja v každom pakete je úmerné expozícii povrchu v blízkosti danej elektródy. V dobre vytvorených štruktúrach MIS môžu náboje vytvorené v blízkosti elektród pretrvávať relatívne dlho, ale postupne, v dôsledku vytvárania nosičov náboja centrami nečistôt, defektmi v objeme alebo na rozhraní, sa tieto náboje akumulujú v potenciálne jamky, kým neprekročia signálne náboje a dokonca úplne naplnia jamky.

Počas cyklu II (prenos náboja) sú elektródy 2, 5, 8 atď. aplikované s čítacím napätím vyšším ako je akumulačné napätie. Preto pod elektródami 2, 5 a 8 vznikajú hlbšie potenciály. jamkami ako pod elektrónmi 1, 4 a 7 a v dôsledku blízkosti elektród 1 a 2, 4 a 5, 7 a 8 bariéry medzi nimi miznú a elektróny prúdia do susedných, hlbších potenciálových jamiek.

Počas cyklu III sa napätie na elektródach 2, 5, 8 zníži na a z elektród 1, 4, 7 sa odstráni.

To. všetky nábojové pakety sa prenesú pozdĺž línie CCD doprava o jeden krok, ktorý sa rovná vzdialenosti medzi susednými elektródami.

Počas celej doby prevádzky sa na elektródach, ktoré nie sú priamo spojené s potenciálmi, udržiava malé predpätie (1–3 V), čo zaisťuje vyčerpanie nosičov náboja na celom povrchu polovodiča a zoslabenie rekombinačných účinkov na ňom.

Mnohonásobným opakovaním procesu prepínania napätia sú všetky nabíjacie pakety postupne vyvedené cez extrémny r-h-prechod, excitované napríklad svetlom vo vedení. V tomto prípade sa vo výstupnom obvode objavia napäťové impulzy úmerné množstvu náboja tohto obalu. Vzor osvetlenia sa premení na reliéf povrchového náboja, ktorý sa po pohybe po celej čiare premení na sled elektrických impulzov. Čím väčší je počet prvkov v rade alebo matici (číslo 1 - IR prijímače; 2 - vyrovnávacie prvky; 3 - CCD, dochádza k neúplnému prenosu nábojového paketu z jednej elektródy na susednú a výsledné skreslenie informácie sa zosilňuje. Aby sa predišlo skresleniu akumulovaného video signálu v dôsledku prebiehajúceho prenosu osvetlenia, na kryštáli sa vytvárajú priestorovo oddelené oblasti vnímania - akumulácie a ukladania - čítania, ktoré v prvom poskytujú maximálnu fotosenzitivitu a v druhom na kryštáli. naopak, tienenie pred svetlom. 1 sa v jednom cykle prenesie do registra 2 (z párnych prvkov) a do registra 3 (z nepárnych prvkov). Zatiaľ čo sa tieto registre prenášajú cez výstup 4 do obvodu kombinovania signálov 5, akumuluje sa nová snímka videa v riadku 1. V FPCD s prenosom rámcov (obrázok 3) sa informácie vnímané akumulačnou maticou 7 rýchlo „vysypú“ do pamäťovej matice 2, z ktorej nasleduje ale je čítaný CCD registrom 3; súčasne matica 1 akumuluje nový rámec.

Obrázok 3 - akumulácia a čítanie informácií v lineárnom (a), maticovom (b) fotocitlivom zariadení s nábojovou väzbou a v zariadení so vstrekovaním náboja.

Okrem CCD s najjednoduchšou štruktúrou (obrázok 1) sa rozšírili aj ďalšie ich odrody, najmä zariadenia s elektródami s prekrývajúcimi sa polysilikónmi (obrázok 4), ktoré poskytujú aktívny fotovplyv na celý povrch polovodiča a malú medzeru medzi elektródy a zariadenia s asymetriou vlastností blízkeho povrchu (napríklad ., s dielektrickou vrstvou s premenlivou hrúbkou - obrázok 4), pracujúce v režime push-pull. Štruktúra CCD s objemovým kanálom (obrázok 4) vytvoreným difúziou nečistôt je zásadne odlišná. Akumulácia, skladovanie a prenos náboja sa vyskytujú vo veľkom objeme polovodiča, kde je menšia rekombinácia centier ako na povrchu a vyššia mobilita nosiča. Dôsledkom toho je rádové zvýšenie hodnoty a zníženie v porovnaní so všetkými typmi CCD s povrchovým kanálom.

Obrázok 4 - Varianty nábojovo viazaných zariadení s povrchovými a objemovými kanálmi.

Na vnímanie farebných obrazov sa používa jedna z dvoch metód: rozdelenie optického toku pomocou hranolu na červenú, zelenú, modrú, vnímanie každého z nich špeciálnym FPCD - kryštálom, zmiešanie impulzov zo všetkých troch kryštálov do jedného videa signál; vytvorenie filmového prerušovaného alebo mozaikového kódovacieho svetelného filtra na povrchu FPCD, tvoriaceho raster viacfarebných triád.

Po prečítaní predchádzajúcej časti môže náš čitateľ nadobudnúť dojem, že matica CCD je akousi „čiernou skrinkou“, ktorá vytvára „elektronický negatív“ po premietnutí svetelného obrazu vytvoreného šošovkou na jej záznamovú plochu a že kvalitu obrazu ovplyvňuje výlučne veľkosť snímača.

K rovnakému názoru sa prikláňajú aj predajcovia digitálnej fotografickej techniky, ktorí jemne, ale vytrvalo tlačia na potenciálneho kupca, aby si zaobstaral model s čo najväčšou matricou, aj keď na takýto nákup neexistujú objektívne dôvody. Ešte častejšie ako "návnada" na klienta pôsobia rôzne druhy "unikátnych vývojov" používaných na vytvorenie matrice, ktoré, napodiv, nepoužíva žiadny iný výrobca.

Pre začínajúceho amatérskeho fotografa je ťažké rozlíšiť reklamné sľuby od skutočne efektívnych inžinierskych nálezov. Tento článok sa pokúsi „oddeliť zrno od pliev“, ale najprv sa musíte zoznámiť so základnými definíciami digitálnej fotografie.

Ako sa z fotónu stane elektrón?

V nábojovo viazaných zariadeniach sa fotón premieňa na elektrón v dôsledku vnútorného fotoelektrického javu: absorpcia svetelného kvanta kryštálovou mriežkou polovodiča s uvoľnením nosičov náboja. Môže to byť buď pár elektrón + diera, alebo jeden nosič náboja - druhý sa vyskytuje pri použití donorových alebo akceptorových nečistôt v polovodiči. Je zrejmé, že vytvorené nosiče náboja musia byť nejakým spôsobom zachované až do okamihu čítania.

Na tento účel je hlavný materiál CCD matrice - kremíkový substrát typu p - vybavený kanálmi vyrobenými z polovodiča typu n, nad ktorými sú elektródy priehľadné pre fotóny vyrobené z polykryštalického kremíka. Po privedení elektrického potenciálu na takúto elektródu sa v zóne vyčerpania pod kanálom typu n vytvorí potenciálová jamka, ktorej účelom je uchovávať náboj „vyrobený“ vnútorným fotoelektrickým javom. Čím viac fotónov dopadne na CCD prvok (pixel) a premení sa na elektróny, tým vyšší bude náboj akumulovaný jamkou.

CCD prvok

Prierez pixelov CCD

Na získanie „elektrónového záporu“ je potrebné spočítať náboj každej potenciálovej jamky matrice. Tento náboj sa nazýva fotoprúd, jeho hodnota je dosť malá a po prečítaní vyžaduje povinné zosilnenie.

Čítanie náboja sa vykonáva zariadením pripojeným k najvzdialenejšiemu radu matice, nazývanému sériový posuvný register. Tento register je reťazec prvkov CCD, ktorých náboje sa čítajú jeden po druhom. Pri čítaní náboja sa využíva schopnosť CCD prvkov pohybovať nábojmi potenciálnych vrtov - v skutočnosti sa preto tieto zariadenia nazývajú nábojovo viazané zariadenia. Na to sa používajú prechodové brány, umiestnené v medzere medzi prvkami PSZ. Na tieto elektródy sú aplikované potenciály, ktoré „lákajú“ náboj z jednej potenciálovej jamky a prenášajú ho do druhej.

Pri synchrónnom prívode potenciálu k prenosovým elektródam je zabezpečený súčasný prenos všetkých nábojov v rade sprava doľava (alebo zľava doprava) v jednom pracovnom cykle. Náboj, ktorý sa ukázal ako „navyše“, sa privádza na výstup matrice CCD. Sériový posuvný register teda premieňa náboje vstupujúce na jeho vstup vo forme paralelných „reťazcov“ na sekvenciu elektrických impulzov rôznych veľkostí na výstupe. Na privedenie týchto paralelných „reťazcov“ do vstupu sériového registra sa opäť používa posuvný register, tentoraz však paralelne.

CCD

Prierez pixelov CCD

Paralelným registrom je v skutočnosti samotná CCD matica, ktorá vytvára elektronický „odliatok“ svetelného obrazu pomocou kombinácie fotoprúdov. Matica je súbor sekvenčných registrov, ktoré sa nazývajú stĺpce a sú navzájom synchronizované. Výsledkom je, že počas pracovného cyklu dochádza k synchrónnemu „skĺznutiu“ fotoprúdov nadol a náboje, ktoré sa ukážu ako „navyše“ spodného radu matice, sa privádzajú na vstup sériového registra.

Ako vyplýva z vyššie uvedeného, ​​na synchronizáciu napájania potenciálov do paralelných aj sériových posuvných registrov je potrebný dostatočne veľký počet riadiacich mikroobvodov. Je zrejmé, že sériový register musí byť v intervale medzi cyklami paralelného registra úplne bez poplatkov, takže je potrebný mikroobvod, ktorý oba registre navzájom synchronizuje.

Z čoho je pixel vyrobený?

Takzvaná full-frame CCD matica pracuje podľa vyššie uvedenej schémy, jej režim činnosti kladie určité obmedzenia na dizajn kamery: ak sa expozícia nezastaví počas snímania fotoprúdov, „dodatočný“ náboj generovaný padajúcimi fotónmi na pixely, "rozmazané" cez rám. Preto je potrebná mechanická uzávierka, ktorá blokuje vstup svetla do snímača na čas potrebný na prečítanie nábojov všetkých pixelov. Je zrejmé, že takáto schéma na čítanie fotoprúdov neumožňuje vytváranie toku videa na výstupe z matrice, preto sa používa iba vo fotografických zariadeniach.

Pri fotografovaní sa však v potenciálovej šachte môže nahromadiť nadmerný náboj - napríklad ak je rýchlosť uzávierky príliš „dlhá“. „Extra“ elektróny majú tendenciu „šíriť sa“ cez susedné pixely, čo sa na obrázku zobrazuje ako biele škvrny, ktorých veľkosť súvisí s veľkosťou pretečenia. Tento efekt sa nazýva blooming (z anglického blooming – „rozmazanie“). Boj proti kvitnutiu sa vykonáva pomocou elektronickej drenáže (drain) - odstránenie prebytočného náboja z potenciálnej studne. Existujú dva hlavné typy drenáže: vertikálna (Vertical Overflow Drain, VOD) a laterálna (Lateral Overflow Drain, LOD).

Bočný odvodňovací CCD

Schéma bočnej drenáže

Na realizáciu vertikálnej drenáže sa na substrát trubice zosilňovača obrazu aplikuje potenciál, ktorý pri pretečení hĺbky potenciálovej jamy zabezpečí odtok prebytočných elektrónov cez substrát. Hlavnou nevýhodou takejto schémy je zníženie hĺbky potenciálnej studne, v dôsledku čoho sa dynamický rozsah zužuje. A v matriciach so spätným osvetlením (v ktorých fotóny prenikajú do senzora nie cez elektródu potenciálovej studne, ale zo strany substrátu) je vertikálna drenáž vo všeobecnosti nepoužiteľná.

Bočná drenáž sa vykonáva pomocou špeciálnych „drenážnych drážok“, do ktorých „tečú prebytočné elektróny“. Na vytvorenie týchto drážok sú položené špeciálne elektródy, na ktoré sa aplikuje potenciál, ktorý tvorí drenážny systém. Iné elektródy vytvárajú bariéru, ktorá zabraňuje predčasnému „úniku“ elektrónov z potenciálovej studne.

Ako vyplýva z popisu, pri bočnom odvodnení sa hĺbka potenciálnej studne nezmenšuje, ale oblasť svetlocitlivej oblasti pixelu je v tomto prípade odrezaná. Napriek tomu nie je možné upustiť od drenáže, pretože kvitnutie skresľuje obraz viac ako všetky ostatné typy rušenia. Preto sú výrobcovia nútení ísť na zložitosť návrhu matríc.

Takže "páskovanie" akéhokoľvek pixelu pozostáva aspoň z elektród na prenos náboja a komponentov drenážneho systému. Väčšina matíc CCD sa však vyznačuje zložitejšou štruktúrou svojich prvkov.

Pixelová optika

CCD matice používané vo videokamerách a vo väčšine amatérskych digitálnych fotoaparátov poskytujú na svojom výstupe nepretržitý prúd impulzov, pričom optická dráha sa neprekrýva. Aby sa predišlo „rozmazaniu“ obrazu, používajú sa CCD matice so stĺpcovou vyrovnávacou pamäťou (interline CCD-matica).

CCD s pufrovaním kolóny

Maticová štruktúra s vyrovnávaním stĺpcov

V takýchto snímačoch sa vedľa každého stĺpca (ktorý je sériovým posuvným registrom) nachádza vyrovnávacia kolóna (tiež sériový posuvný register), pozostávajúca z prvkov CCD pokrytých nepriehľadnými pásikmi (zvyčajne kovovými). Sada vyrovnávacích stĺpcov tvorí vyrovnávací paralelný register a stĺpce tohto registra sú "zmiešané" so stĺpcami zaznamenávajúcimi svetlo.

V jednom pracovnom cykle odovzdá fotosenzitívny paralelný posuvný register všetky svoje fotoprúdy vyrovnávaciemu paralelnému registru „horizontálnym posunom“ nábojov, po ktorom je fotocitlivá časť opäť pripravená na expozíciu. Potom nasleduje riadok po riadku „vertikálny posun“ nábojov vyrovnávacieho paralelného registra, ktorého spodný riadok je vstupom maticového sériového posuvného registra.

Je zrejmé, že prenos maticového náboja do vyrovnávacieho paralelného posuvného registra trvá krátky časový interval a nie je potrebné blokovať svetelný tok mechanickou uzávierkou - jamky nestihnú pretiecť. Na druhej strane, požadovaný expozičný čas je zvyčajne porovnateľný s časom čítania celého vyrovnávacieho paralelného registra. Vďaka tomu je možné interval medzi expozíciami skrátiť na minimum - v dôsledku toho sa video signál v moderných videokamerách vytvára s frekvenciou 30 snímok za sekundu a vyššou.

Senzory s vyrovnávacou pamäťou v stĺpci spadajú do dvoch kategórií. Pri čítaní všetkých riadkov v jednom cykle môžeme hovoriť o matici progresívneho snímania (progresívne snímanie). Keď sa nepárne riadky čítajú v prvom cykle a párne riadky sa čítajú v druhom (alebo naopak), hovoríme o matici prekladaného skenovania. Mimochodom, kvôli podobnosti zvuku anglických výrazov „column-buffered matrix“ (interlined) a „interlaced matrix“ (interlaced), senzory s riadkovou vyrovnávacou pamäťou sa v ruskej literatúre často mylne nazývajú prekladané.

Napodiv, k rozmazaniu náboja dochádza aj v matriciach s pufrovaním kolóny. Je to spôsobené čiastočným pretečením elektrónov z potenciálovej jamky fotosenzitívneho CCD prvku do potenciálovej jamky susedného vyrovnávacieho prvku. Toto sa stáva obzvlášť často pri úrovniach fotoprúdu blízkych maximu, čo je spôsobené veľmi vysokým osvetlením pixelov. Výsledkom je, že z tohto svetlého bodu na obrázku sa nahor a nadol rozprestiera svetlý pás, ktorý kazí rám.

Aby ste tomu zabránili, zväčšite vzdialenosť medzi fotosenzitívnymi a vyrovnávacími CCD prvkami. Výsledkom je, že výmena náboja sa skomplikuje a čas strávený tým sa zvyšuje, avšak deformácie rámca spôsobené „rozmazaním“ sú stále príliš viditeľné na to, aby sa mohli zanedbať.

Stĺpcové vyrovnávanie tiež umožňuje implementovať elektronickú uzávierku, ktorá eliminuje potrebu mechanického blokovania svetelného toku. Pomocou elektronickej uzávierky môžete dosiahnuť ultra-pomalé (až 1/10 000 sekundy) rýchlosti uzávierky, ktoré sú nedosiahnuteľné s mechanickou uzávierkou. Táto funkcia je užitočná najmä pri fotografovaní športu, prírodných javov a pod.

Na implementáciu elektronickej uzávierky je potrebná drenáž proti kvitnutiu. Pri veľmi krátkych expozíciách, ktorých trvanie je kratšie ako čas prenosu náboja z potenciálnej jamky fotosenzitívneho CCD prvku do potenciálnej jamky tlmivého prvku, drenáž hrá rolu „cut-off“. Toto „oddelenie“ zabraňuje elektrónom generovaným vo fotocitlivom prvku dlho po expozičnom čase vstúpiť do komory vyrovnávacieho CCD prvku.

Pixelová štruktúra - s mikrošošovkou a konvenčná

Stupeň koncentrácie svetelného toku pri prechode mikrošošovkou závisí od technologickej úrovne výrobcu matrice. Existujú pomerne zložité návrhy, ktoré týmto miniatúrnym zariadeniam poskytujú maximálnu účinnosť.

Pri použití mikrošošoviek sa však výrazne znižuje pravdepodobnosť, že svetelné lúče dopadajúce pod veľkým uhlom k normále preniknú do fotocitlivej oblasti. A pri veľkej clone je percento takýchto lúčov dosť veľké. Tým klesá intenzita dopadu svetelného toku na matricu, teda hlavný efekt, pre ktorý sa clona otvára.

Škody z takýchto lúčov však nie sú menšie ako dobré. Faktom je, že pri prenikaní do kremíka pod veľkým uhlom môže fotón vstúpiť do matrice na povrchu jedného pixelu a vyradiť elektrón v tele druhého. To má za následok skreslenie obrazu. Preto, aby sa oslabil vplyv takýchto „pancierových“ fotónov, je povrch matrice, s výnimkou oblastí citlivých na svetlo, pokrytý nepriehľadnou maskou (zvyčajne kovovou), čo ešte viac komplikuje dizajn z matrík.

Mikrošošovky navyše vnášajú do zaznamenaného obrazu určité skreslenia, ktoré rozmazávajú okraje čiar, ktorých hrúbka je na hranici rozlíšenia snímača. Ale aj tento negatívny vplyv môže byť čiastočne prospešný. Takéto tenké čiary môžu viesť k aliasingu obrazu, ktorý vzniká priradením určitej farby k pixelu bez ohľadu na to, či je pokrytý celým detailom obrazu alebo len jeho časťou. Striedanie má za následok nerovné čiary s „zubatými“ okrajmi na obrázku.

Práve kvôli aliasingu sú fotoaparáty s veľkými full-frame snímačmi vybavené antialiasingovými filtrami a cena týchto zariadení je pomerne vysoká. No, matrice s mikrošošovkami tento filter nepotrebujú.

Pre rozdielne požiadavky na kvalitu obrazu sa stĺpcové snímače využívajú najmä v amatérskej technike, zatiaľ čo full-frame snímače sa usadili v profesionálnych a štúdiových fotoaparátoch.

Pokračovanie nabudúce

Tento článok poskytuje popis, ak to tak môžem povedať, geometrie pixelu. Viac podrobností o procesoch, ktoré sa vyskytujú pri registrácii, ukladaní a čítaní poplatku, sa bude diskutovať v nasledujúcom článku.

Jediný prvok je citlivý v celom viditeľnom spektrálnom rozsahu, preto sa nad fotodiódami farebných matríc CCD používa svetelný filter, ktorý prepúšťa len jednu z troch farieb: červená (Red), zelená (Green), modrá (Blue) resp. žltá (žltá), purpurová (purpurová), tyrkysová (azúrová). A naopak, v čiernobielej CCD matici nie sú žiadne takéto filtre.

Pixel pozostáva z p-substrátu potiahnutého priehľadným dielektrikom, na ktorom je nanesená elektróda prepúšťajúca svetlo, ktorá tvorí potenciálovú jamku.

Nad pixelom môže byť svetelný filter (používaný vo farebných matriciach) a zbiehavá šošovka (používaná v matriciach, kde snímacie prvky úplne nezaberajú povrch).

Pozitívny potenciál sa aplikuje na svetlo prepúšťajúcu elektródu umiestnenú na povrchu kryštálu. Svetlo dopadajúce na pixel preniká hlboko do polovodičovej štruktúry a vytvára pár elektrón-diera. Výsledný elektrón a diera sú od seba oddelené elektrickým poľom: elektrón sa presunie do úložnej zóny nosiča (potenciálna studňa) a otvory prúdia do substrátu.

Pixel má nasledujúce vlastnosti:

• Kapacita potenciálovej jamy je počet elektrónov, ktoré môže potenciálna jama držať.
• Spektrálna citlivosť pixelu je závislosť citlivosti (pomer hodnoty fotoprúdu k hodnote svetelného toku) od vlnovej dĺžky žiarenia.
• Kvantová účinnosť (meraná v percentách) je fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru počtu fotónov, ktorých absorpcia spôsobila vznik kvázičastíc, k celkový počet absorbované fotóny. V prípade moderných matíc CCD toto číslo dosahuje 95 %. Pre porovnanie, ľudské oko má kvantovú účinnosť okolo 1 %.
• Dynamický rozsah je pomer saturačného napätia alebo prúdu k RMS napätiu alebo prúdu tmavého šumu. Merané v dB.

CCD matica je rozdelená do riadkov a každý riadok je rozdelený na pixely. Rady sú od seba oddelené dorazovými vrstvami (p +), ktoré neumožňujú tok nábojov medzi nimi. Na presun dátového paketu sa používajú paralelné, známe aj ako vertikálne (anglicky VCCD) a sériové, známe aj ako horizontálne (anglicky HCCD) posuvné registre.

Najjednoduchší cyklus činnosti trojfázového posuvného registra začína skutočnosťou, že na prvú bránu sa aplikuje kladný potenciál, v dôsledku čoho sa vytvorí jamka naplnená generovanými elektrónmi. Potom aplikujeme potenciál na druhú bránu, vyšší ako na prvú, v dôsledku čoho sa pod druhou bránou vytvorí hlbšia potenciálová jama, do ktorej budú prúdiť elektróny spod prvej brány. Ak chcete pokračovať v pohybe náboja, mali by ste znížiť hodnotu potenciálu na druhej bráne a použiť väčší potenciál na tretiu. Elektróny prúdia pod treťou bránou. Tento cyklus pokračuje od bodu akumulácie k priamo čítaciemu horizontálnemu odporu. Všetky elektródy horizontálneho a vertikálneho posuvného registra tvoria fázy (fáza 1, fáza 2 a fáza 3).

Klasifikácia matíc CCD podľa farby:

• Čierna a biela
• farebné

Klasifikácia matíc CCD podľa architektúry:

Fotosenzitívne bunky sú označené zelenou farbou, nepriehľadné oblasti sú označené sivou farbou.

Matici CCD sú vlastné nasledujúce charakteristiky:

• Účinnosť prenosu náboja je pomer počtu elektrónov v náboji na konci dráhy posuvného registra k počtu na začiatku.
• Faktor výplne je pomer plochy vyplnenej fotocitlivými prvkami k celkovej ploche fotosenzitívneho povrchu matrice CCD.
• Temný prúd - elektriny, ktorý preteká cez fotosenzitívny prvok, pri absencii dopadajúcich fotónov.
• Čítací šum je šum, ktorý sa vyskytuje v prevodných a zosilňovacích obvodoch výstupného signálu.

Matrice s personálnym presunom. (anglický prenos rámu).

Výhody: Schopnosť obsadiť 100% povrchu fotosenzitívnymi prvkami; Čas načítania je kratší ako u snímača prenosu na celý obraz; Menej rozmazané ako full-frame CCD; Má výhodu pracovného cyklu oproti full-frame architektúre: frame-shift CCD zbiera fotóny po celú dobu. nedostatky: Pri čítaní údajov by uzávierka mala blokovať zdroj svetla, aby sa predišlo rozmazaniu; Zväčšila sa dráha pohybu náboja, čo negatívne ovplyvňuje účinnosť prenosu náboja; Tieto snímače sú drahšie na výrobu a výrobu ako celorámové prenosové zariadenia.

Matice medziriadkového prenosu alebo matice s ukladaním do vyrovnávacej pamäte stĺpcov (anglicky Interline-transfer).
	Výhody: Nie je potrebné aplikovať uzáver; Žiadne mazanie. nedostatky: Možnosť vyplniť povrch citlivými prvkami maximálne o 50%. Rýchlosť čítania je obmedzená rýchlosťou posuvného registra; Rozlíšenie je nižšie ako u CCD s prenosom snímok a s úplným prenosom snímok.

Matice s riadkovým prenosom alebo matice s vyrovnávaním stĺpcov (anglicky interline).

Výhody: Procesy akumulácie a prenosu náboja sú priestorovo oddelené; Náboj z akumulačných prvkov sa prenáša do prenosových registrov uzavretých pred svetlom matrice CCD; Prenos náboja celého obrazu sa uskutočňuje v 1 cykle; Žiadne mazanie; Interval medzi expozíciami je minimálny a vhodný na nahrávanie videa. nedostatky: Možnosť vyplniť povrch citlivými prvkami nie viac ako 50%; Rozlíšenie je nižšie ako u CCD s prenosom snímok a s plným snímkom; Zväčšila sa dráha pohybu náboja, čo negatívne ovplyvňuje účinnosť prenosu náboja.

	VEDECKÉ APLIKÁCIE pre spektroskopiu; pre mikroskopiu; pre kryštalografiu; pre fluoroskopiu; pre prírodné vedy; pre biologické vedy.
	VESMÍRNA APLIKÁCIA v ďalekohľadoch; v sledovačoch hviezd; pri sledovaní satelitov; pri sondovaní planét; palubné a manuálne vybavenie posádky.
	PRIEMYSELNÉ APLIKÁCIE kontrolovať kvalitu zvarov; kontrolovať rovnomernosť lakovaných povrchov; študovať odolnosť mechanických výrobkov proti opotrebovaniu; na čítanie čiarových kódov; kontrolovať kvalitu balenia produktov.
	BEZPEČNOSTNÉ APLIKÁCIE v obytných bytoch; na letiskách; na staveniskách; na pracovisku; v „inteligentných“ fotoaparátoch, ktoré rozpoznávajú tvár človeka.
	APLIKÁCIA VO FOTOGRAFII v profesionálnych fotoaparátoch; v amatérskych fotoaparátoch; v mobilných telefónoch.
	LEKÁRSKA APLIKÁCIA pri fluoroskopii; v kardiológii; v mamografii; v zubnom lekárstve; v mikrochirurgii; v onkológii.
	AUTO-CESTNÁ APLIKÁCIA pre automatické rozpoznávanie ŠPZ; pre reguláciu rýchlosti; pre riadenie toku dopravy; za parkovací preukaz; v policajných sledovacích systémoch.

Ako dochádza k skresleniu pri snímaní pohybujúcich sa objektov na snímači s rolovacou uzávierkou: