Фотоэлектрическая матрица

Фотосенсор, содержащий основной элемент фотоматрицу ПЗС с активной частью работающих фотодиодов — пикселей в зоне прямоугольника слабо-красного цвета и фотодиодов по периметру вне поля — не работающих. Корпус датчика имеет выход монтажных проводов с фотоматрицей, отверстия для монтажа и крепления датчика в фотокамерах.

Схема однослойных фотодиодов и субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора), где обозначения на схеме:
1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — Микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или оксида олова;
5 — Изолятор (оксид кремния);
6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта);
7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей;
8 — Кремниевая подложка p-типа.

Рис.2,Схема трёхуровнего, трёхслойного фотодиода (трехпиксельного фотоприёмника) Foveon X3, где все RGB (без светофильтров) фотоприёмники расположены в одной функциональной единице — одном фотодиоде. Схема трехслойного пикселя Foveon X3:
1 — Источник элекртонов «синего» луча света RGB (канал n-типа);
2 — Источник элекртонов «зеленого» луча света RGB (канал n-типа);
3 — Источник элекртонов «красного» луча света RGB (канал n-типа);
4 — Потенциальная яма электронов «синего» луча света RGB;
5 — Потенциальная яма электронов «зеленого» луча света RGB;
6 — Потенциальная яма электронов «красного» луча света RGB;
7 — Подложка p-типа;
8 — Электрод;
9 — Синяя составляющая света;
10 — Зеленая составляющая света;
11 — Красная составляющая света;
12 — Микролинза.

Фотоэлектрическая матрица или Фотома́трица — элемент (Фотосенсора) прямоугольной формы, полученный на базе полупроводникового материала, полимера кремния и других добавок методом: окисления, литографии, травления, легирования, химического парофазного осаждения и металлизации, отличающийся наличием полученных фотодиодов и пикселей, созданных на цельной керамической кремниевой подложке и предназначен для сборки.

Фотоматрица состоит из работающих фотодиодов — пикселей), объединённых специализированной аналоговой интегральной микросхемой в указанной границе, а также —неработающих фотодиодов по периметру пластины

Обычно фотоэлектрическая матрица формируется из фотодиодов, которые могут быть однослойными и многослойными. Именно работающие фотодиоды, объединённые токопроводящими электрическими проводниками, называются пикселями. Готовые фотосенсоры получают при сборке матриц и каркаса фотосенсора с токопроводящими выводами. Они используют нейтральные контуры пластин (матриц) по периметру для крепления в корпусе и для пайки выводов фотосенсора. Не работающие фотодиоды оговаривается в инструкциях цифровых фотоаппаратов. Т.е. габарит фотосенсора определяется конечными размерами корпуса с выводами, в которам вмонтирована матрица (фото). Рабочая поверхность фотосенсора определяется обычно прямоугольной зоной на поверхности матрицы соединенных между собой электрической схемой фотодиодов — пикселей. В однослойных фотосенсорах матрицы содержат фотодиоды однослойные. В этом случае фотодиоды и пиксели лежат в одной плоскости. В Foveon X3-матрица каждый фотодиод трёхуровневый, трёхслойный и несёт 3 пикселя, откуда размеры их в три раза меньше по площади, чем однослойные пластины матриц. В обоих случаях по переферии пластин матриц расположены только фотодиоды, служащие технологической базой при содании готового фотодатчика (фотосенсора).

Применение:

• Предназначена для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
• Является основным элементом современных цифровых фотоаппаратов, видео- и телевизионных камер, фотокамер в телефонах, камер видеонаблюдения и т.п.
• Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

(Ипользование термина Фотоматрица связано с частым использованим его в русских СМИ при описании тем, связанных с Фотодатчиками. Термин матрица появился в XI веке в полиграфии и связан с изготовлением литер. В металлургии применяются матрицы , когда готовят чугунные образцы-матрицы для исследований структуры чугуна в микроскопе. Поэтому данный термин можно использовать и в цифрографии, но как главного элемента при сборке фотосенсора. В собранном виде, после окончательных паек в спецкорпусе, создания электрических выводов для дальнейшего использования в фотоаппратуре, получаем товарный продукт — Фотодатчик (Фотосенсор) для производства.)

Немного истории

Фотоматрица с Фильтрами Байера и расположение световоспринимающих элементов в одной плоскости ведут своё происхождение от растрового способа цветной фотографии.

П. П. Аносов, работая над получением булатной стали, открыл в 1837 году ее и сделал фотографию поверхности стального листа с помощью растрового способа цветной фотографии.

Классификация матриц (фотодиодных)

Однослойные матрицы (фото) Матрицы (фото) с Фильтром Байера

• ПЗС-матрица
• КМОП-матрица
• RGBW-матрицы (Массив цветных фильтров)
• Nikon RGB-матрица
• Матрицы с пикселами различного размера
• Live-MOS-матрица

Трехматричные системы Фотоматрицы без Фильтром Байера

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD). Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Трехслойные фотоматрицы Foveon X3 Фотоматрица без Фильтра Байера

Foveon X3-матрица или основной элемент фотодатчика, разработанного в компании Foveon отличается цветоделением на аддитивные цвета RGB c использованием дисперсного свойства кремния поглощать «синие», «зелёные» и «красные» составляющие лучи света на разной глубине фотодиода (в зависимости от разной длины волны — разной интенсивности сигнала) в пределах одного пикселя.

ПЗС-матрица

ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») — (основной элемент ПЗС-сенсора) специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС.

КМОП-матрица

КМОП-матрица — основной злемент КМОП-сенсора — Фотодатчик, выполненный на основе КМОП-технологии.

В КМОП-сенсорах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Nikon RGB-матрица

Nikon RGB-матрица — технология изготовления матриц, запатентованная фирмой Nikon, (сокр. от англ. Red Green Blue). Цветоделение на аддитивные цвета RGB производится дихроидными зеркалами внутри каждого пиксела, содержащего три фотодиода и одну микролинзу на весь пиксел.

Фотоматрицы с пикселами различного размера

В фотоаппаратах фирмы Fujifilm применяются матрицы с зелёными фильтрами пикселей двух различных размеров. Большие — для малых уровней освещённости. И малые, совпадающие по размеру с синими и красными. Это позволяет увеличить фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней.

Трехматричные системы

Схема 3CCD-матрицы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару A,B,C дихроических призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса

Foveon X3-матрица

Foveon X3-матрица или основной элемент фотодатчика, разработанного в компании Foveon отличается цветоделением на аддитивные цвета RGB c использованием дисперсного свойства кремния поглощать «синие», «зелёные» и «красные» составляющие лучи света на разной глубине фотодиода (в зависимости от разной длины волны — разной интенсивности сигнала) в пределах одного пикселя (без применения фильтра Байера).Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».Матрицы Foveon X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma. Получаемые изображения при помощи этой матрицы 1:1 аналогичны по сравнению со снимаемым объектом.

Фотодиоды матрицы Foveon X3 компании расположены в три слоя — «синий», «зелёный», «красный».

Светочувствительность матриц (фото)

К матрицам применяется термин эквивалентная «чувствительность», потому что:

• в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
• аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне;

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне ISO 50-6400. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

См. также

• Фото-электрический датчик