Понимание ПЗС-датчиков: что это такое и как они работают |

Хотя в 2025 году КМОП-сенсоры будут доминировать как в научной, так и в потребительской съемке, так было не всегда.

ПЗС (ПЗС) означает «прибор с зарядовой связью», и ПЗС-сенсоры были первыми сенсорами цифровых камер, разработанными в 1970 году. Ещё несколько лет назад камеры на основе ПЗС и ЭМКД широко рекомендовались для научных применений. Обе технологии до сих пор актуальны, хотя их применение стало узкоспециализированным.

Темпы совершенствования и развития КМОП-сенсоров продолжают расти. Различия между этими технологиями заключаются, прежде всего, в способе обработки и считывания обнаруженного электронного заряда.

Что такое ПЗС-датчик?

ПЗС-матрица — это тип датчика изображения, используемого для улавливания света и преобразования его в цифровые сигналы. Она состоит из массива светочувствительных пикселей, которые собирают фотоны и преобразуют их в электрические заряды.

Считывание данных с ПЗС-сенсора отличается от КМОП по трем существенным параметрам:

● Передача платежей: Захваченные фотоэлектроны электростатически перемещаются от пикселя к пикселю по сенсору в область считывания в нижней части.
● Механизм считывания: Вместо целого ряда аналого-цифровых преобразователей (АЦП), работающих параллельно, ПЗС-матрицы используют всего один или два АЦП (иногда больше), которые считывают пиксели последовательно.

Размещение конденсаторов и усилителей: вместо конденсаторов и усилителей в каждом пикселе каждый АЦП имеет один конденсатор и усилитель.

Как работает ПЗС-датчик?

Вот как работает ПЗС-датчик для получения и обработки изображения:

Рисунок: Процесс считывания данных с ПЗС-датчика

По завершении экспозиции ПЗС-матрицы сначала перемещают накопленные заряды в замаскированную область хранения внутри каждого пикселя (не показана). Затем, по одной строке за раз, заряды перемещаются в регистр считывания. Заряды из регистра считывания считываются по одному столбцу за раз.

1. Очистка зарядов: Для начала захвата заряд одновременно сбрасывается со всего сенсора (глобальный затвор).
2. Накопление заряда: Заряд накапливается во время экспозиции.
3. Хранение заряда: По окончании экспозиции собранные заряды перемещаются в маскированную область внутри каждого пикселя (так называемая ПЗС-матрица с построчным переносом), где они могут ожидать считывания без подсчета новых обнаруженных фотонов.
4. Экспозиция следующего кадра: При сохранении обнаруженных зарядов в замаскированной области пикселей активная область пикселей может начать экспонирование следующего кадра (режим перекрытия).
5. Последовательное считывание: По одному ряду за раз заряды из каждого ряда готовой рамы перемещаются в «считывающий регистр».
6. Окончательный отчёт: По одному столбцу за раз заряды из каждого пикселя передаются в узел считывания для считывания в АЦП.
7. Повторение: Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут подсчитаны обнаруженные заряды во всех пикселях.

Это узкое место, вызванное тем, что все обнаруженные заряды считываются небольшим количеством (иногда одной) точек считывания, приводит к серьезным ограничениям в пропускной способности ПЗС-датчиков по сравнению с КМОП-датчиками.

Плюсы и минусы ПЗС-датчиков

Плюсы	Минусы
Низкий темновой ток. Обычно ~0,001 e⁻/p/s при охлаждении.	Ограниченная скорость Типичная пропускная способность ~20 Мп/с — намного медленнее, чем у КМОП.
Платы пиксельного биннинга суммируются перед считыванием, что снижает уровень шума.	Высокий уровень шума считывания 5–10 e⁻ является обычным явлением из-за одноточечного считывания АЦП.
Глобальный затвор Настоящий глобальный или почти глобальный затвор в ПЗС-матрицах с построчным/кадровым переносом.	Большие размеры пикселей не могут сравниться с миниатюризацией, которую предлагает CMOS.
Высокая однородность изображения. Отлично подходит для количественной визуализации.	Высокое энергопотребление. Требуется больше энергии для смещения заряда и считывания.

Преимущества ПЗС-сенсора

● Низкий темновой ток: По своей сути, ПЗС-датчики, как правило, имеют очень низкий темновой ток, обычно порядка 0,001 э-/п/с при охлаждении.
● «Попиксельное» биннинг: При биннинге ПЗС-матрицы добавляют заряд до считывания, а не после, что означает отсутствие дополнительного шума при считывании. Темновой ток увеличивается, но, как отмечалось выше, обычно очень незначительно.
● Глобальный затвор: ПЗС-матрицы с межстрочным переносом используют полноценный глобальный затвор. ПЗС-матрицы с переносом кадров используют полуглобальный затвор (см. «замаскированную» область на рисунке 45) – процесс переноса кадров для начала и окончания экспозиции не происходит одновременно, а обычно занимает порядка 1–10 микросекунд. В некоторых ПЗС-матрицах используется механический затвор.

Недостатки ПЗС-датчиков

● Ограниченная скорость: типичная пропускная способность данных в пикселях в секунду может составлять около 20 мегапикселей в секунду (МП/с), что эквивалентно 4-мегапиксельному изображению с частотой 5 кадров в секунду. Это примерно в 20 раз медленнее, чем у аналогичной КМОП-матрицы, и как минимум в 100 раз медленнее, чем у высокоскоростной КМОП-матрицы.
● Высокий уровень шума при чтении: Шум считывания в ПЗС-матрицах высок, в основном из-за необходимости работы АЦП на высокой скорости для достижения приемлемой скорости камеры. Для высококлассных ПЗС-камер обычным является уровень шума от 5 до 10 e-.
● Большие пиксели: Для многих приложений меньший размер пикселей обеспечивает преимущества. Типичная архитектура КМОП допускает меньший минимальный размер пикселей, чем ПЗС.
● Высокое энергопотребление: Требования к питанию для работы ПЗС-датчиков намного выше, чем для КМОП.

Применение ПЗС-датчиков в научной визуализации

Несмотря на растущую популярность КМОП-технологии, ПЗС-сенсоры по-прежнему предпочтительны в некоторых научных приложениях, где качество, чувствительность и стабильность изображения имеют первостепенное значение. Превосходная способность регистрировать сигналы при слабом освещении с минимальным уровнем шума делает их идеальными для прецизионных приложений.

Астрономия

ПЗС-матрицы играют ключевую роль в астрономической съёмке благодаря своей способности улавливать слабый свет от далёких звёзд и галактик. Они широко используются как в обсерваториях, так и в любительской астрономии для астрофотографии с длительной выдержкой, обеспечивая чёткие и детальные изображения.

Микроскопия и науки о жизни

В биологических науках ПЗС-сенсоры используются для регистрации слабых флуоресцентных сигналов или мельчайших клеточных структур. Высокая чувствительность и однородность делают их идеальными для таких приложений, как флуоресцентная микроскопия, визуализация живых клеток и цифровая патология. Их линейный отклик на свет обеспечивает точный количественный анализ.

Инспекция полупроводников

ПЗС-датчики играют ключевую роль в производстве полупроводников, особенно для контроля пластин. Их высокое разрешение и стабильное качество изображения необходимы для выявления микродефектов в кристаллах, обеспечивая точность, необходимую для производства полупроводников.

Рентгеновская и научная визуализация

ПЗС-сенсоры также используются в системах обнаружения рентгеновского излучения и других специализированных системах визуализации. Их способность поддерживать высокое отношение сигнал/шум, особенно при охлаждении, критически важна для получения чётких изображений в сложных условиях, таких как кристаллография, анализ материалов и неразрушающий контроль.

Актуальны ли ПЗС-датчики сегодня?

ПЗС-камера Tucsen H-694 и 674

Несмотря на стремительное развитие КМОП-технологии, ПЗС-сенсоры ещё далеки от устаревания. Они остаются предпочтительным выбором для задач сверхнизкой освещённости и высокоточной съёмки, где их непревзойдённое качество изображения и шумовые характеристики имеют решающее значение. В таких областях, как астрономия дальнего космоса или передовая флуоресцентная микроскопия, ПЗС-камеры часто превосходят многие КМОП-альтернативы.

Понимание сильных и слабых сторон ПЗС-датчиков помогает исследователям и инженерам выбирать правильную технологию для своих конкретных потребностей, обеспечивая оптимальную производительность в научных или промышленных приложениях.

Часто задаваемые вопросы

Когда следует выбирать ПЗС-датчик?

ПЗС-сенсоры сегодня встречаются гораздо реже, чем десять лет назад, поскольку КМОП-технология начинает вытеснять даже их характеристики с низким темновым током. Тем не менее, всегда найдутся приложения, где сочетание их характеристик, таких как превосходное качество изображения, низкий уровень шума и высокая чувствительность, обеспечит преимущество.

Почему в научных камерах используются охлаждаемые ПЗС-датчики?

Охлаждение снижает тепловой шум во время съёмки, повышая чёткость и чувствительность изображения. Это особенно важно для научных снимков при слабом освещении и длительной выдержке, поэтому многие высококлассные камерынаучные камерыиспользуйте охлаждаемые ПЗС-матрицы для получения более чистых и точных результатов.

Что такое режим перекрытия в датчиках CCD и EMCCD и как он улучшает производительность камеры?

ПЗС- и ЭМКД-матрицы, как правило, поддерживают режим перекрытия. Для камер с глобальным затвором это означает возможность считывать предыдущий кадр во время экспозиции следующего. Это обеспечивает высокий (почти 100%) рабочий цикл, что означает минимальные потери времени на засветку кадров и, следовательно, более высокую частоту кадров.

Примечание: режим перекрытия имеет другое значение для датчиков с рольставнями.

Если вы хотите узнать больше о рольставнях, нажмите здесь:

Как работает режим управления рольставнями и как его использовать