3.1. Матричні фоточутливі прилади із зарядовим зв'язком

Структура матричного ПЗЗ наведена на рис. 3.1.

Матриця містить секцію накопичення, або, інакше, секцію зображення, секцію зберігання, або, інакше, секцію пам'яті, вертикальні зрушувальні регіс-т-ри і горизонтальний вихідний зрушувальний регістр. Секція накопичення є частиною ПЗЗ, призначену для формування зарядових пакетів і їх накопичення.

Рис. 3.. Структура (б) матричного ПЗЗ

При використанні в якості перетворювача світло-сигнал цифрової камери прилад працює таким чином. Зображення проектується на секцію накопичення, де відбувається накопичення фотогенерованих зарядів, пропорційних освітленості проектованого зображення. На наступному етапі накопичені заряди переміщаються у вертикальні регістри і по рядках паралельно зрушуються у вихідний горизонтальний зрушувальний регістр.

Таким чином, на виході горизонтального зрушувального регістра формується сигнал, який надходить на аналого-цифровий перетворювач.

3.2. Матричні фоточутливі прилади із зарядовою інжекцією

У 1998 р. були розроблені матричні фоточутливі прилади із зарядовою інжекцією на основі комплементарної структури типу метал-оксид-напівпровідник (КМОП – CMOS APS, Complementary Metal Oxyde Semiconductor Active Pixel Sensor). В порівнянні з ПЗЗ-матрицями вони володіють рядом переваг: нижчим енергоспоживанням, можливістю вбудовування в кожен елемент APS-мікросхеми власного ланцюга зчитування, аналого-цифрового перетворення і первинної обробки зображень. Але головна перевага КМОП-мікросхем – це їх невисока вартість. КМОП – стандартна технологія виготовлення мікросхем (процесорів і мікросхем пам'яті), освоєна більшістю виробників.

Основним недоліком ПЗЗ є вимога до високої ефективності перенесення заряду. Нові прилади були позбавлені цього недоліку, оскільки в них заряд, накопичений кожним пікселем, зчитується безпосередньо на вихід пристрою, що дозволяє різко зменшити розмазання границь в зображенні, покращуючи його якість.

Структура матриці ПЗІ наведена на рис. 5.

Рис. . Структура матриці фоточутливого приладу із зарядовою інжекцією (ПЗІ)

Кожен елемент матриці складається з двох МОП-ємностей, одна з яких приєднана до горизонтальної шини, інша – до вертикальної. Всі елементи ізольовані один від одного спеціальною областю, що надійно оберігає накопичені заряди від розтікання.

Перші матриці ПЗІ випускалися з використанням 0,35 і 0,50 мкм технологій.

У 2002 р. корпорацією National Semiconductor була виготовлена матриця ФПЗІ з використанням 0,18 мкм технології, яка містить 16,8 млн. (4096Ч4096) пікселів. Прилад має розміри 22Ч22 мм і містить 70 млн. транзисторів. Прилад поки знайшов застосування лише на професійному ринку – професійні сканери, медична техніка та ін.

3.3. Передача кольору

Сама по собі ПЗЗ несе інформацію тільки про яскравість зображення, але не про його колір. Для того, щоб одержати кольорове зображення, перед ПЗЗ розташовують спеціальні растрові світлофільтри. Число елементів в ґратах фільтра повинно відповідати числу елементів матриці. Растровий світлофільтр виконується з урахуванням того, що основна компонента, що визначає яскравість відтворного зображення, міститься в складовій, створюваних зеленими ділянками ґрат. З цієї причини в растрових ґратах, що складаються з 3-х кольорів – зеленого, синього і червоного, зеленим ділянкам виділяється половина площі ґрат. Друга половина площі ПЗЗ ділиться порівну між червоними і синіми осередками.

Оскільки піксель може представити тільки відтінок одного кольору, дійсний колір обчислюється процесором на підставі інтерполяції відтінків сусідніх пікселів.

Інтерполяція, природно, дещо сповільнює формування кольорового зображення і веде до спотворення кольору і втрати дрібних деталей.

У 2002 р. корпорація Foveon випустила датчик, розроблений на основі нової революційної технології передачі кольору, розробленою компанією Х3. Суть нової технології полягає в тому, що кремній поглинає світлові хвилі різних довжин хвиль на різній глибині.

Це дало можливість розташувати фотодатчики на трьох рівнях таким чином, що на одному рівні сприймається тільки червоний колір, на другому – зелений, а не третьому – синій.

Новий тип датчика не тільки дозволяє поліпшити перенесення кольорів, але і збільшити реальну роздільну здатність у три рази в порівнянні з датчиками, що мають таку ж кількість пікселів.

3.4. Якість зображень

Якість зображень, одержаних за допомогою цифрової камери, залежить від параметрів об'єктиву і характеристик світлочутливої матриці, алгоритмів стиснення зображень та ін.

3.4.1. Роздільна здатність

Найважливішим параметром цифрової камери є роздільна здатність світлочутливої матриці, яка характеризується кількістю пікселів. Чим більше пікселів містить матриця, тим вища її роздільна здатність, і отже більше деталізація зображення.

Оптична роздільна здатність людського ока складає близько 120 млн. пікселів, а традиційні 35-міліметрові слайди, за різними оцінками, містять від 10 до 20 млн. елементів зображення. Таким чином, цифрові камери починають конкурувати з плівковими.

Деякі виробники в характеристиках своєї продукції указують не оптичну, а інтерполяційну роздільну здатність. При цьому методи інтерполяції можуть бути різними, від простого усереднювання кольорів сусідніх пікселів до додавання пікселів залежно від характеру зображення.

3.4.2. Чутливість

У плівкових фотоапаратах ви можете поліпшити якість знімків в умовах низької освітленості, узявши більш світлочутливу плівку. У цифрових фотоапаратах максимальна світлочутливість фотоматриці є постійною величиною і залежить від розмірів пікселя. Чим більші розміри пікселя, тим більше світла він сприймає і тим більш чутливою буде фотоматриця.

Чутливість ПЗЗ-матриці, так само як і звичайної фотоплівки, вимірюється в одиницях ISO. Чутливість ПЗС-матриць, що виготовляються в даний час, складає приблизно 100 ISO. Деякі фотоапарати дозволяють змінювати значення чутливості за рахунок посилення сигналу з ПЗС-матриці.

Звичайно, слабку освітленість об'єкта зйомки можна компенсувати тривалістю експонування, але цей метод може бути застосований тільки для нерухомих об'єктів зйомки.

3.4.3. Перенесення кольорів

Перенесення кольорів визначається в першу чергу технологією представлення кольорів. Як вже було показано вище, світлочутливі матриці, які використовують технологію Х3, володіють кращою передачею кольору.

Крім того, важливе значення має відповідність колірного балансу фотоматриці і колірного балансу світла, падаючого на об'єкт зйомки.

3.4.4. Глибина кольору

Глибина кольору відображає розрядність аналого-цифрового перетворювача, встановленого у фотоапараті, тобто показує кількість інформації,