Приборы с зарядовой связью

CCD (Charge Coupled Device), или ПЗС (прибор с зарядовой связью), — главная деталь цифровой фотокамеры.
Что это такое и как этот прибор работает?

Изобретенный в 1969 году Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Боуи (Willard Boyle) из компании Bell Laboratories, прибор с зарядовой связью, или Charge Coupled Device (CCD), представляет собой микросхему, состоящую из соединенных между собой полупроводниковых конденсаторов. Каждый из конденсаторов держит определенный заряд. С помощью управляющей электрической схемы эти заряды определенным, синхронизированным во времени образом последовательно, по цепочке сдвигаются с одного конденсатора на другой, соседний.

Сенсоры, используемые в цифровых фотокамерах, — это матрицы ПЗС-элементов, расположенных на двух слоях, согласованных друг с другом. Верхний слой выполняет функцию сетки светочувствительных конденсаторов (твердотельные металл-оксид-полупроводниковые (МОП) конденсаторы еще называют фотодиодами), каждый из которых связан с соответствующим элементом на втором слое. Каждая такая пара представляет собой один пиксел изображения. Под воздействием света, проходящего через обычный объектив, светочувствительные конденсаторы заряжаются. Чем больше света попадает на поверхность, тем больший заряд передается на второй слой, откуда пакеты зарядов выводятся наружу (по одному пакету в единицу времени) на преобразователь «заряд—напряжение». В результате получается аналоговый электрический сигнал, представляющий собой отснятое изображение. Пройдя через аналогово-цифровой конвертор (analogue-digital converter, ADC) информация преобразуется в цифровую форму, после чего ее можно сжимать, сохранять и обрабатывать разными способами.

Чтобы получить полноцветное изображение, необходимо приложить некоторые дополнительные усилия. Простейшее решение — при помощи призм и фильтров разбить поступающий через объектив свет на цветовые составляющие, а затем отправить красную, зеленую и синюю составляющие на отдельные матрицы CCD.

Более разумный способ — использовать один CCD, но поместить перед ним мельчайший фильтр с отдельной цветовой ячейкой для каждого пиксела. В результате получается CCD с набором вертикальных красных, зеленых и синих полос. Пикселы группируются в тройки: каждый из них передает свое собственное значение яркости, а цветовая составляющая вычисляется как среднее из трех значений.