デジタルカメラのCCD - 電子のバンチにイメージを回す

多くのデジタルスチルカメラでは、標準的なフィルムの代わりに私たちの写真を取り込むイメージセンサは、CCD（電荷結合素子）である。どのようにそれを製造し、それがよりよい写真を撮ることに貢献するかもしれないので、私たちは、シャッターボタンを押したとき、そこに起こることは、何か良い写真家に興味があります。また、専門用語の基本は、1つを買おうとしている場合は特に、カメラの特性を理解するのに便利です。

金属酸化膜半導体：CCDの画素要素は、最も単純な形式では、三層からなる半導体構造、すなわち、基本的にはMOSキャパシタである。酸化物は絶縁層として機能し、二酸化ケイ素である間MOSの半導体部品は、単にシリコンである。金属は、実際の金属物質ではなく、高濃度ドープポリシリコン層ではなく、 "ゲート"と命名されます。基本的には、イメージがMOS系の半導体部品内に形成され、金属ゲートはそのようなイメージをシフトするために使用されます。

我々はカメラのシャッターボタンを押すと、光はMOS構造でシリコンを打つ開始し、正孔 - 電子対は、光電効果によって作成されます。穴が接地された基板で排水して利用されていませんが、電子がMOSの半導体部分に収集されます。彼らは私たちの写真を構築しますので、我々は、これらの電子に興味を持っています。電子が収集された領域は、 "チャネル"と呼ばれ、もちろん、電子最小ポテンシャルエネルギーに対応しています。よりよい画像を得るために、基本的にすべてのCCDメーカーは電子が半導体（その名は "埋葬"内に、酸化物半導体界面ではない収集が、少し離れている、いわゆる "埋め込みチャネル構造"を、使用。）チャネルの光生成電子を閉じ込めるために、隣接するものから各MOS素子を分離し、MOS構造で作成された "チャネルが停止します"。

収集された光電子の数は、光子束の強度には、この磁束がピクセルに当たった時（ "積分時間"）に比例します。したがって、我々は今より明るく登録シーンは、電子数が多いことを知っています。入射光子が検出される効率は、 "量子効率"として知られています。典型的な値は40％である。この値があるため、集積回路および受信光子で通過しなければならないポリシリコンゲートの存在上に存在する不動態化（保護）層による吸収が非常に低くなっています。

私たちのデジタルカメラの単一のピクセルは、上記のMOSキャパシタと同様の構造で構成されています。私たちは彼らが永遠に生成された場所に電子が閉じ込められたくないので、しかし、少し複雑ですが、生成されたどのように多くの電子が感知したいと思います。これを達成するためには、それぞれのCCDのピクセルは3つのパラレルゲート（変形が可能であるが）と、垂直にこれらに、両側のチャネルストップで構成されています。他の二つよりも高い電位に中心電極（ゲート）を維持することによって、電子がそこに集めなど収集されます。 CCDは、行と列の数千、数千に配置されたこれらのピクセル数百万人の行列で構成されています。

だから、シャッターを押すと、我々は、カメラマン（数秒に典型的に1/2000s）で設定された露光時間の後にアクイジション·フェーズ、この両端を開始します。この時点では、各ピクセルで収集した電子の数を読み取る必要があります。電子の数が多いほど、明るいピクセル。この目的のために、電荷移動プロセスは、各ピクセルからのセンシング回路に場所を取る必要があります。これを達成するために、シフト·フェーズ3ゲート構造は、最初の行の電子がCCDマトリックスの端に位置するシリアルレジスタの配列にシフトされた後、上記の悪用、発生し、2行目の電子はにシフトしている最初の行のように。転送プロセスが発生すると効率は、 "電荷転送効率"と呼ばれるパラメータは、ピクセルあたりの99.999パーセントとなっている典型的な値で測定されます。シリアルレジスタは、一度に充電検出出力アンプを一つの画素にその内容をシフトします。出力アンプは、電圧に電子の電荷に変換します。大きさの順序は、電子当たり約1マイクロボルトの出力電圧であり、これは線形関係である。この曲線の傾きは、 "出力感度"または "変換利得"と呼ばれています。電圧が高い、明るいピクセル。一度最初の行のすべてのピクセルが出力アンプによって読み取られ、位相シフトが再び行われ、全体の検出プロセスが繰り返されます。マトリックス内のすべてのピクセルが読み出されるまで、これがそうです。

これで終わりです。他には何もCCDチップにも起こりません。画像処理のすべての残りの部分は、オフチップで行われます。特に、CCDによって読み出さ電圧が最初に増幅され、その後デジタル·コンバータのオフチップ·アナログでデジタル値に変換されます。...