CCD Snímací prvky

CCD je elektronická součástka používaná pro snímání obrazové informace. Jeden z příkladů viz obr. 1. Zkratka vznikla z anglického „Charge-Coupled Device “, tedy “zařízení s vázanými náboji“, neboli nábojově vázané struktury.

V současné době nachází uplatnění v digitálních fotoaparátech a kamerách, čtečkách čárových kódů, dalekohledech (včetně astronomických, např. i Hubbleově teleskopu).

Obr. 1: Barevné CCD v TV kameře s malým rozlišením

Princip nábojově vázaných senzorů spočívá v tom, že po dopadu světelného záření vzniká v každé buňce senzoru elektrický náboj, jehož velikost odpovídá intenzitě dopadajícího světelného záření (viz. obrázek 2).

Obr. 2: Expozice obrazu na CCD prvek (sejmutí obrazové informace)

Hlavním postupem, jak z CCD senzorů tento ve velikosti náboje zakódovaný otisk světla získat, je posouvat elektrický náboj přeléváním z jedné senzorové buňky do druhé (viz. obr. 3).

Obr. 3: Postup čtení obrazové informace

Koncová buňka každé řady (nebo sloupce podle toho, jakou organizaci čipu zvolil výrobce) je spojena s vybíjecím odporem. Průchodem náboje odporem na něm vznikne napětí a jeho velikost je informací o množství světla, které na příslušnou buňku dopadlo. Po převodu na číslicový signál jsou informace ukládány v digitální podobě do paměti zařízení.

Každá CCD buňka obsahuje tři MOS tranzistory, které spolu těsně sousedí. Kapacita řídicí elektrody jednoho z nich hromadí náboje vzniklé dopadem světla. Posuv náboje je uskutečňován pomocí dvoufázového, třífázového či čtyřfázového řídicího signálu ovládajícího zbylé tranzistory.

MOS kondenzátor je hlavním prvkem CCD buňky. Je většinou vytvořen na substrátu s vodivostí typu P. Izolační vrstva mezi substrátem a kovovou elektrodou hradla je obvykle zhotovena z SiO₂ (tloušťka je přibližně 0,1μm).

Osvítíme-li buňku CCD, vygenerují fotony, které proniknou do polovodiče, pár elektron-díra. Kladné napětí na řídicí elektrodě přitahuje elektrony, které se pod ní hromadí, a odpuzuje díry. Ty se soustřeďují v substrátu typu P. Počet párů elektron-díra vytvořených za určitý čas je úměrný intenzitě osvětlení.

Pro vytvoření obrazových buněk jsou používány dva typy kondenzátorů. Jednak kondenzátor SCCD, tj. kondenzátor s povrchovým kanálem, nebo kondenzátor typu BCCD s vnořeným kanálem. Vnořený kanál je vytvořen umístěním tenké vrstvy s vodivostí typu N pod izolační vrstvu. Tato vnořená vrstva je při normálním provozu plně ochuzená a posunuje oblast, ve které je umístěn vygenerovaný elektrický náboj, dále od povrchu. Proto je v buňkách BCCD vyšší účinnost přenosu elektrického náboje. Nevýhodou tohoto uspořádání je snížení maximální velikosti signálového náboje zapříčiněné zmenšením kapacity kondenzátorů. V tomto parametru jsou lepší zase buňky s kondenzátorem SCCD.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Barevné CCD v TV kameře s malým rozlišením, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Expozice obrazu na CCD prvek (sejmutí obrazové informace), Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK.  Postup čtení obrazové informace, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009