Принцип работы пзс матрицы: ПЗС. Физический принцип работы ПЗС
1. ПЗС. Физический принцип работы ПЗС. ПЗС-матрица. ПЗС-камеры среднего инфракрасного диапазона
Похожие главы из других работ:
Атомно-силовой микроскоп
4. Принцип работы
Рис1. Схема работы атомно-силового микроскопа Рассмотрим подробнее, какие силы действуют между зондом и исследуемой поверхностью. Для начала обратимся к взаимодействию двух атомов (молекул)…
Волновая резонансная теория
2.3.6 Принцип работы
Блок управления (БУ) получает на вход вектор x и пропускает его в параллельно во все ансамбли. Вместе с сигналом БУ пропускает номер первого необученного ансамбля n, который при инициализации сети равен 1; и командную переменную c. В случае…
Датчики измерения давления, температуры и качества воздуха
Принцип работы
В простейшем случае емкостные гигрометры это просто обычные конденсаторы с воздушным зазором. Диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от влажности, и ее изменение приведет к изменению емкости.
Датчики измерения давления, температуры и качества воздуха
Принцип работы
Кремниевый датчик состоит из кристалла кремния n-типа, металлизированного с одной стороны и с контактной площадкой с другой стороны. Измерение температуры всегда заключается в передаче небольшой порции тепловой энергии от объекта к датчику…
Интеллектуальные силовые модули. Автономные инверторы тока
1. Принцип работы
Интеллектуальные силовые модули (IPM) объединяют в одном устройстве силовой ключ (одиночный, полумостовой или 3-фазный мостовой), драйвер, оптимизированный по сигналам управления, и устройство защиты…
Магнитные запоминающие устройства
4.2.2 Принцип работы
Рассмотрим тонкую ферромагнитную проволоку, в которой создана такая намагниченность, как показана на рис. 12. Отдельные стрелочки («маленькие магнитики») показывают направление локальной намагниченности материала; области…
Милицейская крякалка (сирена) на PIC-микроконтроллере
1.
1.1 Принцип работыСхема этой прерывистой сирены очень простая, я нашел её несколько лет назад в интернете, тогда же была спаяна плата и опробована на практике. В основе её лежит генератор на транзисторах VT1 и VT2, собранный по схеме несимметричного мультивибратора…
Обработка изображения от приборов с зарядовой связью средствами микроконтроллеров
3.2.1 Физический принцип работы
С микроконтроллера (15 контакт PortB1) на ПЗС (2 контакт CLK) идут синхроимпульсы, которые задают такт работы ПЗС датчика. Когда контроллер готов принимать сигнал от ПЗС то на его 16 контакт подаётся логическая единица…
ПЗС-камеры среднего инфракрасного диапазона
2. Принцип работы ПЗС
Общий принцип работы ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке…
2.
1 Принцип работыРабота различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том…
Проектирование локальной вычислительной сети для организации «Коммерческий банк»
3. Принцип работы
Передача и обмен данными в сети между рабочими станциями производится с помощью коммутаторов(switch), а обработка данных должна производиться рабочими станциями. В данной сети используется топология «иерархическая звезда»…
Разработка СВЧ блока устройства для бесконтактного измерения электрофизических параметров полупроводников
1.1 Принцип работы
…
Разработка системы управления аппарата по розливу воды в стаканчики
1.1 Принцип работы
Пользователь устанавливает на поднос пустые стаканчики, включает аппарат, при этом начинает светить красный индикатор. Включает питание насоса.
И для запуска аппарата нажимает на кнопку «ПУСК». Если уровень воды недостаточен…Современные лазерные гироскопы
3.2 Принцип работы и принцип действия лазерного гироскопа
Принцип работы лазерного гироскопа можно описать следующим образом, в кольцевом резонаторе под воздействием накачки возбуждаются две электромагнитные волны с частотами v1 и н2…
Фотоэлектрический преобразователь
3.Физический эффект работы
Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения…
Сравнение матриц в видеокамерах и фотоаппаратах (CMOS, CCD). Считывание потенциального рельефа с матрицы пзс Пзс матрица как работает
о выборе видеокамеры для семьи мы писали о матрицах. Там мы коснулись этого вопроса легко, однако сегодня постараемся более детально описать обе технологии.
Что же такое матрица в видеокамере? Это микросхема, которая преобразовывает световой сигнал в электрический. На сегодняшний день существует 2 технологии, то есть
Технология CMOS (КМОП)
CMOS-матрицы в первую очередь хвастаются низким энергопотреблением, что плюс. Видеокамера с этой технологией будет работать чуть дольше (зависит от емкости аккумулятора). Но это мелочи.
Главное отличие и достоинство – это произвольное считывание ячеек (в CCD считывание осуществляется одновременно), благодаря чему исключается размазывание картинки. Возможно, вы когда-нибудь видели «вертикальные столбы света» от точечных ярких объектов? Так вот CMOS-матрицы исключают возможность их появления.
И еще камеры на их основе дешевле.Недостатки также есть. Первый из них – небольшой размер светочувствительного элемента (в соотношении к размеру пикселя). Здесь большая часть площади пикселя занята под электронику, поэтому и площадь светочувствительного элемента уменьшена. Следовательно, чувствительность матрицы уменьшается.
Т.к. электронная обработка осуществляется на пикселе, то и количество помех на картинке возрастает. Это также является недостатком, как и низкое время сканирования. Из-за этого возникает эффект «бегущего затвора»: при движении оператора возможно искажение объекта в кадре.
Технология CCD (ПЗС)
Видеокамеры с CCD-матрицами позволяют получить высококачественное изображение. Визуально легко заметить меньшее количество шумов на видео, отснятом с помощью видеокамеры на основе CCD-матрицы по сравнению с видео, отснятым на камеру CMOS. Это самое первое и важное преимущество. И еще: эффективность CCD-матриц просто потрясающая: коэффициент заполнения приближается к 100%, соотношение зарегистрированных фотонов равен 95%.
Высокая цена и большое энергопотребление – это недостатки данных матриц. Дело в том, что здесь процесс записи невероятно труден. Фиксация изображения осуществляется благодаря многим дополнительным механизмам, которых нет в CMOS-матрицах, поэтому технология CCD существенно дороже.
CCD-матрицы используются в устройствах, от которых требуется получение цветного и качественного изображения, и которыми, возможно, будут снимать динамические сцены. Это профессиональны видеокамеры в своем большинстве, хотя и бытовые тоже. Это также системы наблюдения, цифровые фотоаппараты и т.д.
CMOS-матрицам применяются там, где нет особо высоких требований к качестве картинки: датчики движения, недорогих смартфонах…Впрочем, так было ранее. Современные матрицы CMOS имеют разные модификации, что делает их весьма качественными и достойными с точки зрения составления конкуренции матрицам CCD.
Сейчас сложно судить о том, какая технология лучше, ведь обе демонстрируют прекрасные результаты. Поэтому ставить тип матрицы как единственный критерий выбора, как минимум, глупо. Важно учитывать многие характеристики.
Пожалуйста, оцените статью:
После прочтения предыдущей части у нашего читателя могло сложиться впечатление, что ПЗС-матрица – это некий «чёрный ящик», выдающий «электронный негатив» после того, как на его регистрирующую поверхность было спроецировано созданное объективом световое изображение, и что на качество снимка влияет исключительно размер сенсора.
Той же точки зрения придерживаются продавцы цифровой фототехники, мягко, но настойчиво подталкивающие потенциального покупателя к приобретению модели с как можно более крупногабаритной матрицей, даже если объективных причин для такой покупки нет. Ещё чаще в качестве «наживки» для клиента выступают разного рода «уникальные разработки», использованные при создании матрицы, которые, как ни странно, никем из прочих производителей не применяются.
Начинающему фотолюбителю трудно отличить рекламные обещания от действительно эффективных инженерных находок. В настоящей статье будет сделана попытка «отделить зерна от плевел», однако для начала необходимо ознакомиться с базовыми определениями цифровой фотографии.
Как фотон становится электроном
В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Это может быть либо пара «электрон + дырка», либо единичный носитель заряда – последнее происходит при использовании донорных либо акцепторных примесей в полупроводнике. Очевидно, что образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо как-то сохранить.
Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка p-типа – оснащается каналами из полупроводника n-типа, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд, «добываемый» посредством внутреннего фотоэффекта. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой.
Элемент ПЗС-матрицы
Сечение пикселя ПЗС-матрицы
Чтобы получить «электронный негатив», необходимо считать заряд каждой потенциальной ямы матрицы. Данный заряд получил название фототок, его значение довольно мало и после считывания требует обязательного усиления.
Считывание заряда производится устройством, подключённым к самой крайней строке матрицы, которое называется последовательным регистром сдвига. Данный регистр представляет собой строку из ПЗС-элементов, заряды которой считываются поочерёдно. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – собственно, именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью. Для этого используются электроды переноса (transfer gate), расположенные в промежутке между ПСЗ-элементами. На эти электроды подаются потенциалы, «выманивающие» заряд из одной потенциальной ямы и передающие его в другую.
При синхронной подаче потенциала на электроды переноса обеспечивается одновременный перенос всех зарядов строки справа налево (или слева направо) за один рабочий цикл. Оказавшийся «лишним» заряд поступает на выход ПЗС-матрицы. Таким образом, последовательный регистр сдвига преобразовывает заряды, поступающие на его вход в виде параллельных «цепочек», в последовательность электрических импульсов разной величины на выходе. Чтобы подать эти параллельные «цепочки» на вход последовательного регистра, опять-таки используется регистр сдвига, но на этот раз параллельный.
ПЗС-матрица
Сечение пикселя ПЗС-матрицы
Фактически параллельным регистром является сама ПЗС-матрица, создающая посредством совокупности фототоков электронный «слепок» светового изображения. Матрица представляет собой множество последовательных регистров, называемых столбцами и синхронизированных между собой. В результате за рабочий цикл происходит синхронное «сползание» фототоков вниз, а оказавшиеся «лишними» заряды нижней строки матрицы поступают на вход последовательного регистра.
Как следует из вышесказанного, необходимо достаточно большое количество управляющих микросхем, синхронизирующих подачу потенциалов как на параллельный, так и на последовательный регистры сдвига. Очевидно, что последовательный регистр должен полностью освободиться от зарядов в промежутке между тактами параллельного регистра, поэтому требуется микросхема, синхронизирующая между собой оба регистра.
Из чего состоит пиксель
По указанной выше схеме работает так называемая полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD-matrix), её режим работы накладывает некоторое ограничение на конструкцию камеры: если в процессе считывания фототоков экспонирование не прекращается, «лишний» заряд, генерируемый попадающими на пиксели фотонами, «размазывается» по кадру. Поэтому необходим механический затвор, перекрывающий поступление света к сенсору на время, необходимое для считывания зарядов всех пикселей. Очевидно, что такая схема считывания фототоков не позволяет формировать видеопоток на выходе с матрицы, поэтому применяется она только в фототехнике.
Впрочем, избыточный заряд может накопиться в потенциальной яме и при фотосъёмке – например, при слишком «длинной» выдержке. «Лишние» электроны стремятся «растечься» по соседним пикселям, что на снимке отображается в виде белых пятен, размер которых связан с величиной переполнения. Данный эффект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).
Боковой дренаж ПЗС-матрицы
Схема бокового дренажа
Для реализации вертикального дренажа на подложку ЭОП подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон. А в матрицах с обратной засветкой (в них фотоны проникают внутрь сенсора не сквозь электрод потенциальной ямы, а со стороны подложки) вертикальный дренаж вообще неприменим.
Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных «дренажных канавок», в которые «стекают» избыточные электроны. Для формирования этих канавок прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному «бегству» электронов из потенциальной ямы.
Как следует из описания, при боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех. Поэтому производители вынуждены идти на усложнение конструкции матриц.
Таким образом, «обвязка» любого пикселя состоит как минимум из электродов переноса заряда и из компонентов дренажной системы. Однако большинство ПЗС-матриц отличается более сложной структурой своих элементов.
Оптика для пикселя
ПЗС-матрицы, используемые в видеокамерах и в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов, обеспечивают непрерывный поток импульсов на своём выходе, при этом перекрытие оптического тракта не происходит. Чтобы при этом не происходило «смазывание» изображения, используются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix).
ПЗС-матрица с буферизацией столбцов
Структура матрицы с буферизацией столбцов
В таких сенсорах рядом с каждым столбцом (который представляет собой последовательный регистр сдвига) располагается буферный столбец (тоже последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупность буферных столбцов составляет буферный параллельный регистр, причём столбцы данного регистра «перемешаны» с регистрирующими свет столбцами.
За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига отдаёт все свои фототоки буферному параллельному регистру посредством «сдвига по горизонтали» зарядов, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный «сдвиг по вертикали» зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы.
Очевидно, что перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени и перекрывать световой поток механическим затвором нет необходимости – ямы не успеют переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо со временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с частотой от 30 кадров в секунду и выше.
В свою очередь, сенсоры с буферизацией столбцов подразделяются на две категории. При считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan). Когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй – чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan). Кстати, за счёт сходства звучания английских терминов «матрица с буферизацией столбцов» (interlined) и «чересстрочная матрица» (interlaced) в отечественной литературе сенсоры с буферизацией строк нередко ошибочно называют чересстрочными.
Как ни странно, «размазывание» заряда (smear) происходит и в матрицах с буферизацией столбцов. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму расположенного рядом буферного элемента. Особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях фототока, вызванных очень высокой освещённостью пикселя. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, которая портит кадр.
Для противодействия этому явлению увеличивают расстояние между светочувствительным и буферным ПЗС-элементами. В результате усложняется обмен зарядом и увеличивается затрачиваемое на это время, однако искажения кадра, вызываемые «размазыванием», всё же слишком заметны, чтобы ими пренебрегать.
Буферизация столбцов позволяет также реализовать электронный затвор, с помощью которого можно отказаться от механического перекрытия светового потока. С помощью электронного затвора можно получить сверхмалые (до 1/10000 секунды) значения выдержки, недостижимые для механического затвора. Эта возможность особенно актуальна при фотографировании спортивных состязаний, природных явлений и т. п.
Для реализации электронного затвора обязательно необходим антиблюминговый дренаж. При очень коротких выдержках, которые по длительности меньше, чем время переноса заряда из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, дренаж играет роль «отсечки». Эта «отсечка» предотвращает попадание в яму буферного ПЗС-элемента электронов, возникших в яме светочувствительного элемента по истечении времени выдержки.
Структура пикселей – с микролинзой и обычного
Степень концентрации светового потока при прохождении сквозь микролинзу зависит от технологического уровня производителя матрицы. Встречаются довольно сложные конструкции, обеспечивающие максимальную эффективность этим миниатюрным устройствам.
Однако при использовании микролинз значительно сокращается вероятность того, что лучи света, падающие под большим углом к нормали, проникнут в светочувствительную область. А при большом отверстии диафрагмы процент таких лучей довольно велик. Таким образом, уменьшается интенсивность воздействия светового потока на матрицу, то есть основной эффект, ради которого открывают диафрагму.
Впрочем, вреда от таких лучей ничуть не меньше, чем пользы. Дело в том, что, проникая в кремний под большим углом, фотон может войти в матрицу на поверхности одного пикселя, а выбить электрон в теле другого. Это приводит к искажению изображения. Поэтому, чтобы ослабить влияние таких «бронебойных» фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической), что дополнительно усложняет конструкцию матриц.
Кроме того, микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора. Но и данный негативный эффект может оказаться частично полезным. Такие тончайшие линии могут привести к ступенчатости (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Ступенчатость приводит к появлению в изображении рваных линий с «зазубринами» по краям.
Именно из-за ступенчатости камеры с крупногабаритными полнокадровыми матрицами оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), и цена этих устройств довольно высока. Ну а матрицам с микролинзами этот фильтр не нужен.
Вследствие различных требований к качеству изображения матрицы с буферизацией столбцов применяются в основном в любительской технике, тогда как полнокадровые сенсоры обосновались в профессиональных и студийных камерах.
Продолжение следует
Настоящая статья даёт описание, если можно так сказать, геометрии пикселя. Более подробно о процессах, происходящих при регистрации, хранении и считывании заряда, будет рассказано в следующей статье.
Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red), зелёного (Green), синего (Blue) или жёлтого (Yellow), пурпурного (Magenta), бирюзового (Cyan). А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ
Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.
Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).
На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.
Для пикселя присущи следующие характеристики:
- Ёмкость потенциальной ямы — это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
- Спектральная чувствительность пикселя — зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
- Квантовая эффективность (измеряется в процентах) — физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощённых фотонов. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
- Динамический диапазон — отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.
ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p +), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.
Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).
Классификация ПЗС-матриц по цветности:
- Чёрно-белые
- Цветные
Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:
Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым — непрозрачные области.
Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:
- Эффективность передачи заряда — отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
- Коэффициент заполнения — отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
- Темновой ток — электрический ток, который протекает по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
- Шум считывания — шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала.
Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer). | |
Преимущества:
Недостатки:
|
Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer). | |
Преимущества:
Недостатки:
|
Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline). | |
Преимущества:
Недостатки:
|
ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ
НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
| |
КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
| |
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
| |
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ
| |
| ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ
|
| МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
Как возникают искажения при съёмке движущихся объектов на сенсор со строковым затвором:
{lang: ‘ru’}
Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве .
Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная цифрового фотоаппарата . О матрицах фотоаппаратов уже говорилось , теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.
В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.
Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы .
Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.
Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:
Рис.1
Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа — слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями — дырками, т. к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.
В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.
Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.
Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.
Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.
В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.
При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3 ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.
Рис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.
Для преобразования зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку. Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.
Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов объединяются в ПЗС-матрицу . Работа такой матрицы основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.
Рис.5.
Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.
На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).
Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.
Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.
Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.
ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки. Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.
В данной курсовой работе я рассмотрю общие сведения о приборах с зарядовой связью, параметры, историю создания, характеристики современных ПЗС-камер среднего инфракрасного диапазона.
В результате выполнения курсовой работы изучил литературу по созданию, принципу действия, технических характеристиках и применении ПЗС-камер среднего ИК диапазона.
Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл — диэлектрик— полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис. 1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур .
Рисунок 1 — Структура ПЗС
Основные функциональные назначения фото-чувствительных ПЗС — преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов (формирование видеосигнала), а также хранение и обработка цифровой и аналоговой информации.
ПЗС изготовляют на основе монокристаллического кремния. Для этого на поверхности кремниевой пластины методом термического окисления создаётся тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая плёнка диоксида кремния. Этот процесс осуществляется таким образом, чтобы обеспечить совершенство границы раздела полупроводник — диэлектрик и минимизировать концентрацию рекомбинаций центров на границе. Электроды отдельных МДП-элементов производятся из алюминия, их длина составляет 3-7 мкм, зазор между электродами 0,2-3 мкм. Типичное число МДП-элементов 500-2000 в линейном и в матричном ПЗС; площадь пластины Под крайними электродами каждой строки изготовляют p- n — переходы, предназначенные для ввода — вывода порции зарядов (зарядовых пакетов) электрич. способом (инжекция p- n -переходом). При фотоэлектрич. вводе зарядовых пакетов ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий обычно заменяют плёнками сильнолегированного поликристаллического кремния (поликремния), прозрачного в видимой и ближней ИК-областях спектра.
Общий принцип работы ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение, то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности вглубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик — полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.
Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента, либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода. Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.
Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.
Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трёхтактовой (трёхфазной) схемой, иллюстрируется на рисунке 2. В течение такта I (восприятие, накопление и хранение видеоинформации) к электродам 1, 4, 7 прикладывается т. н. напряжение хранения Uxp, оттесняющее основные носители — дырки в случае кремния р-типа — в глубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5-2 мкм — потенциальные ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком (0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами 1, 4,7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.
зарядовый связь камера инфракрасный
Рисунок 2 — схема работы трёхфазного прибора с зарядовой связью — сдвигового регистра
Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объёме или на границе раздела эти заряды будут накапливаться в потенциальных ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.
Во время такта II (перенос зарядов) к электродам 2, 5, 8 и так далее прикладывается, напряжение считывания, более высокое, чем напряжение хранения. Поэтому под электродами 2, 5 и 8 возникают более глубокие потенц. ямы, чем под электронами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5,7 и 8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенциальные ямы.
Во время такта III напряжение на электродах 2, 5, 8 снижается до а с электродов 1, 4, 7 снимается.
Т. о. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.
Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам или поддерживается небольшое напряжение смещения (1-3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинации эффектов.
Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний r- h-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, напр., светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число 1- ИК приемники; 2- буферные элементы; 3 — ПЗС происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему и усиливаются обусловленные этим искажением информации. Чтобы избежать искажений накопленного видеосигнала из-за продолжающегося во время переноса освещения, на кристалле ФПЗС создают пространственно разделённые области восприятия — накопления и хранения — считывания, причём в первых обеспечивают максимальную фоточувствительность, а вторые, наоборот, экранируют от света. В линейном ФПЗС (рис. 3, а) заряды, накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из чётных элементов) и в регистр 3 (из нечётных). В то время, как по этим регистрам информация передаётся через выход 4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр. В ФПЗС с кадровым переносом (рисунок 3) информация, воспринятая матрицей накопления 7, быстро «сбрасывается» в матрицу хранения 2, из которой последовательно считывается ПЗС-регистром 3; в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.
Рисунок 3 — накопление и считывание информации в линейном (a), матричном (б) фоточувствительном приборе с зарядовой связью и в приборе с зарядовой инжекцией.
Кроме ПЗС простейшей структуры (рисунок 1) получили распространение и другие их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами (рисунок 4), в которых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (напр., слоем диэлектрика переменной толщины — рисунок 4), работающие в двухтактовом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом (рисунок 4), образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинация центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения и уменьшение по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.
Рисунок 4 — Разновидности приборов с зарядовой связью с поверхностным и объёмным каналами.
Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптического потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС — кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.
Видеонаблюдение
Методическое пособие по системам охранного телевидения
Н.В. Будзинский, А.Г. Зайцев, А.С. Гонта, А.А. Михайлов.
ПЗС-видеокамера – это видеокамера, созданная на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС или CCD). Прибор с зарядовой связью выполняет функции светочувствительного элемента и является аналоговым устройством.
В охранном телевидении прибор с зарядовой связью принято называть ПЗС-матрица.
ПЗС-матрица – это прямоугольная светочувствительная полупроводниковая пластина с соотношением сторон 3:4, которая преобразует падающий на нее свет в электрический сигнал.
Таблица 11 ПЗС-матрицы, обозначения и размеры
ПЗС-матрица состоит из большого числа фоточувствительных ячеек – пикселов, количество которых указывается в паспорте на видеокамеру.
ПЗС-матрицы имеют разные размеры, которые называются форматом матриц и имеют обозначения и размеры, приведенные в таблице 11.
Формат матриц хоть и указан в дюймах, но не соответствует реальному размеру ПЗС-матрицы. Эти форматы исторически перешли к ПЗС-камерам от передающих телевизионных трубок на видиконах и ньювиконах.
Градации яркости
Градации яркости хоть и не являются параметром видеокамеры, но именно они и определяют для пользователя ощущение высокого качества изображения. Что же такое градации яркости?
В изображении, которое мы видим на мониторе, информация передается за счет большего количества градаций яркости. Это означает, что кроме ярких и темных мест в изображении еще имеется много промежуточных градаций, так называемых полутонов. Наличие в изображение большего их количества делает его более художественным, живым, сочным и увеличивает разборчивость элементов изображения.
Максимальное количество градаций яркости, которое природа способна предоставить нам, наверно, бесконечно. Стремиться к воспроизведению такого большого количества градаций яркости, по меньшей мере, расточительно. В бытовом телевидении, по экспертным оценкам, его количество было определено исходя из порога, при котором человек еще замечает разницу в двух соседних значениях яркости. Поэтому количество градаций яркости в результате экспертных оценок составляет величину от 80 до 130 при средней яркости свечения экрана 40 кд/кв. м. При увеличении яркости свечения экрана количество различимых градаций яркости увеличивается.
В CCTV изображение формируется на экране монитора. Для компьютерных систем, работающих под Windows, количество возможных градаций яркости зависит от выбранного режима экрана. Если режим экрана 16 миллионов цветов, то максимальное количество оттенков красного (R), или зеленого (G), или синего (B) равно 255. Во всей этой цветовой палитре, когда R = G = B, появляется оттенок серого. Общее количество оттенков серого или градаций яркости в цветовой палитре 256. Если у нас режим экрана 65 536 цветов, то мы имеем 32 градации яркости, а если изображение выводится в режиме экрана 256 цветов, то количество градаций яркости равно 16.
Разрешающая способность
В настоящее время количество разнопланового оборудования, из которого состоят системы видеонаблюдения, привело к тому, что понятие разрешающая способность стало больше путать пользователей CCTV, чем отвечать на естественный вопрос: «Какая разрешающая способность у этого оборудования?».
Основную путаницу вносит то, что мы ни как не привыкнем к тому, что одно дело количество дискретных элементов (пикселов), которые работают с изображением и совсем другое дело как эти элементы «создают» изображение. И многие пользователи CCTV заметили, что видеокамеры с одинаковыми по количеству пекселов ПЗС матрицами создают совершенно разные по качеству изображения.
Давайте вспомним, что означало понятие разрешающей способности у обыкновенного аналогового телевизора.
Разрешающая способность подразделялась на разрешающую способность по вертикали и по горизонтали.
Разрешающая способность по вертикали – максимальное число горизонтальных линий, которое способно передать оборудование. Разрешающая способность по вертикали ограничена количеством строк в кадре (рис. 27). Так, для стандартов CCIR и SECAM это 625 строк или линий (точно 575), а для EIA – 525 строк или линий (точно 475). Точное значение количества строк отличается от общего количества строк в кадре за счет того, что строки, «находящиеся» в кадровом гасящем импульсе, не передают изображение, а значит, и не должны учитываться в разрешающей способности по вертикали. Но это теоретическое разрешение по вертикали, практически разрешение равно результату умножения 575 или 475 на поправочный коэффициент 0,7 (Келл фактор).
Рис. 27 График разрешающей способности по вертикали, ограниченный количеством строк в кадре
Исходя из вышесказанного, практическое разрешение по вертикали для CCIR и EIA равно 403 и 333 линиям соответственно. Обратите внимание, что разрешение по вертикали измеряется в линиях, а не в телевизионных линиях.
Разрешающая способность по горизонтали – это максимальное число вертикальных линий, которое способно передать оборудование (рис. 28). Она зависит от верхней границы полосы частот сигнала и от размера апертуры (диаметра) сканирующего луча. Фактически разрешение по горизонтали в основном и интересует потребителей. Чем больше вертикальных линий умещается по всей ширине строки, тем больше на изображении проработаны мелкие детали.
Рис. 28 Разрешающая способность по горизонтали
На заре эфирного телевидения широко использовался термин: «количество элементов разложения», который соответствовал количеству точек пересечения горизонтальных линий развертки с вертикальными линиями. Общее их количество составляло величину порядка 390 – 400 тысяч.
В настоящее время, с появлением дискретных структур (ПЗС), мы имеем эти же элементы разложения, только они стали называться пикселами.
В эфирном телевидении наличие разрешающих способностей – как по горизонтали, так и по вертикали – создавали определенные неудобства в описании характеристик оборудования. Поэтому возникла необходимость выработать единый параметр для оценки разрешающей способности. Эта задача была решена путем пересчета разрешающей способности по горизонтали к разрешающей способности по вертикали, используя соотношение сторон экрана ¾. В результате чего и появился коэффициент 0,75, а за разрешающую способность принята одна телевизионная линия, или сокращенно «твл».
Например, часто можно видеть такие расчеты:
1. ПЗС-матрица видеокамеры по горизонтали имеет 627 пикселей, то есть она способна прорисовать 627 линий. Разрешающая способность равна 627 х 0,75 = 470 твл.
2. Разрешающая способность камеры 600 твл. Количество пикселей в горизонтальном ряду матрицы 600 : 0,75 = 800 пикселов.
И эти расчеты вполне оправданы. Ведь естественно, что если количество пикселов в одной камере с 752х564 (564 твл), а в другой 520х390 (390 твл), то разрешающая способность первой камеры лучше.
Но количество пикселов и связанное с этим разрешение это только сравнение видеокамер или любого оборудования по «внешним» признакам, т. е. по количеству дискретных элементов в структуре их фоточувствительного элемента – ПЗС матрице. И пока мы не касаемся характеристик изображения, которые формирует оборудование, то такая разрешающая способность имеет право на существование, и совершенно не важно представлена она в виде телевизионных линий или в виде количества пикселов по горизонтали и вертикали. Называть такую разрешающую способность целесообразно как — потенциальная разрешающая способность. Но лучше не использовать в этом случаи понятие разрешающей способности, а характеризовать видеокамеру имеющую 752х564 пикселов в матрице как 0,424 мегапиксельную, что представляет из себя результат умножения количества пикселей по вертикали на количество пикселей по горизонтали. Тем более, что такие аналогии уже присутствуют в фото и видео технике.
Но как только мы хотим сравнить оборудование по разрешающей способности создаваемого им изображения, количество пикселов в матрице совершенно не достаточно для получения численного значения этой характеристики. Изображение хоть и создается дискретной структурой ПЗС матрицы, но кроме количества пикселов, нужно знать величину еще одного немаловажного параметра. Этот параметр должен характеризовать как каждый пиксел работает с изображением, т.е. как он способен передать все полтона изображения, которые на него проецируются.
В качестве такого параметра выступает контраст, а точнее зависимость величины ухудшения контраста от размера элементов изображения. Другими словами эта характеристика покажет нам, на сколько оборудование ухудшает контраст объектов, находящихся в поле зрения камеры в зависимости от их пространственных размеров.
Но каждый пиксел в ПЗС матрице вроде и «занимается» тем, что накапливает заряды, количество которых пропорционально количеству фотонов света, падающих на него. Если бы мы рассматривали идеальный случай, то количество градаций яркости на изображении было равно количеству электронов, накопленных в потенциальной яме. Но такого не происходить по ряду объективных и субъективных причин.
Любой объект на изображении, который нам интересен, всегда находится на каком то фоне. Что бы мы могли увидеть объект его яркость должна быть больше или меньше яркости фона. Если яркость объекта ровна яркости фона, то объект сольется с фоном и различить его очень трудно. Отсюда мы приходим к очень важному параметру, определяющему видимость объекта, — к яркостному контрасту объекта с фоном. Аналитическое выражение для его определения выглядит следующим образом:
К = ;
где: Еоб –яркость объекта.
Eф – яркость фона.
Когда мы определяем предельную разрешающую способность оборудования, по создаваемому им изображению мы как раз должны ответить на вопрос: «Какой минимальный размер изображения способно обработать оборудование, при условии, что контраст между объектом и фоном снизится до предельных значений. На сегодняшний день в качестве предельного значения выступает модуляция равная 10%. Если пересчитать 10% модуляцию в контраст, то контраст будет равен 18,18(18)%. Естественно, что на глаз ни кто не определяет, как снизился контраст изображения, для этого существуют специальные программно-аппаратные средства.
Что же такое модуляция и чем она отличается от контраста?
Прежде всего, приведу широко известную формулу для определения модуляции:
М =
На самом деле эта формула легко может ввести в заблуждение. Ведь мы с Вами хотим знать, как контрастирует объект наблюдения относительно фона, а модуляция на этот вопрос не дает нам ответа. Модуляция показывает, какой контраст объекта относительно среднего значения яркостей объекта и фона. Если это выразить в виде формулы, то она будет выглядеть так:
М = = ; где Еср =
Поэтому в CCTV основным параметрам, определяющим характеристику изображения должен быть контраст, а не модуляция. Тем более что контраст наиболее чувствительный в областях малых освещенностей.
Значение модуляции равное 10% приближается к предельным возможностям человеческого зрения различать две расположенные рядом градации яркости. Поэтому значение разрешающей способности, полученное таким образом, является предельным разрешением. Но пользователям, а тем более проектировщикам интересно знать разрешение оборудования не на предельных его значениях, а во всем диапазоне возможных значений.
Для видеокамер, видеорегистраторов, мониторов и другого оборудования, работающего с видеосигналом, наиболее полную информацию об их разрешении и качестве формируемого изображения предоставляет функция передачи модуляции (ФПМ). Что такое ФПМ, мы рассмотрели в разделе объективы. Но поскольку в CCTV параметр модуляция не отражает физического смысла решаемых видеосистемами задач, целесообразно строить не ФПМ, а частотно контрастную характеристику (ЧКХ). Частотно контрастная характеристика незаменима при определении разрешающей способности оборудования и видеотрактов, а также их линейности во всем диапазоне пространственных частот. Эта характеристика является полным аналогом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая широко используется в технике связи, при звуковоспроизведении и в акустических системах. Отличие состоит в том, что АЧХ – это зависимость амплитуды сигнала от частоты, а ЧКХ – зависимость контраста видеосигнала от пространственной частоты. Почему контраст является основным критерием при тестировании видеооборудования? Потому что контраст, а точнее его уменьшение в зависимости от уменьшения пространственных размеров объектов характеризует способность оборудования передавать без искажений все градации яркости объектов на монитор. Чем больше контраст, тем больше полутонов в нем может присутствовать. И наоборот.
Количество градаций яркости, или полутонов, в изображении определяет, насколько «сочным», высокохудожественным оно будет. Если видеооборудование, на вход которого подается сигнал белого и черного цвета, без потери контраста передаст его на устройство отображения, то количество градаций яркости будет определяться только возможностями монитора. Если же оборудование снижает контраст при передаче изображения на монитор, то и количество градаций яркости также будет уменьшаться.
Для видеооборудования ЧКХ выражает зависимость передачи контраста мелких деталей объекта при уменьшении их размеров или, что то же самое, – увеличении пространственной частоты линий на мире, выраженной в их количестве, приходящемся на одну строку изображения.
Частотно контрастная характеристика может строиться по разным мирам, отличающиеся друг от друга контрастом и законом изменения контраста.
Наибольшее распространение получили миры, которые имеют 100% контраст между белыми и черными штрихами. На рис. 29 изображена одна из таких мир, представляющая собой чередующиеся белые и черные полосы, следующие с возрастающей частотой. Верхняя половина представляет собой эталонную миру с контрастом, равным 1, нижняя – изображение миры после прохождения через тестируемое устройство. Хорошо видно, как на нижней половине рис. 29 падает контраст между черным и белым по мере увеличения частоты следования черных и белых полос, а на высоких частотах полосы сливаются, превращаясь в серый фон.
Рис. 29 Функция передачи модуляции
Используя эту миру, строят частотно контрастную характеристику. На рис. 30 представлена функция передачи модуляции (Приводим графики ФПМ, а не ЧКХ в связи с отсутствием последних). Ось ординат на графике – это значение модуляции, которое получается на изображении, создаваемом видеокамерой, видеорегистратором, монитором или любым другим испытуемым видеоустройством. Ось абсцисс представляет количество телевизионных линий.
Для примера на рис. 30 приведены ФПМ двух видеорегистраторов и платы видеозахвата компьютерной системы видеонаблюдения. Что бросается в глаза? Прежде всего, модуляция изображения относительно своего исходного значения, равного 1 стала немного меньше, а со значений (100 — 150) твл резко падает до ноля (искажается исходный контраст объекта). При этом плата видеозахвата значительно превосходит видеорегистраторы по предельному разрешению, по четкости, да и максимальный уровень модуляции очень близок к единице.
Рис. 30 ФПМ двух видеорегистраторов и платы видеозахвата компьютерной системы видеонаблюдения
Но, к сожалению, все эти превосходства не позволяют этой плате видеозахвата работать даже с видеокамерами среднего разрешения 420–470 твл. в связи с тем, что предельное разрешение платы видеозахвата по уровню модуляции 0,1 (контраст 0,18) составляет величину 380 твл.
Поскольку каждый элемент в видеотракте снижает контраст, результирующая ФПМ видеотракта, состоящего из объектива, камеры и платы видеозахвата будет еще хуже, чем ФПМ каждого элемента в отдельности. На рис. 31 как раз представлена сквозная характеристика видеотракта. В результате предельное разрешение составило 300 твл, а четкость – 150 твл при хорошей модуляции на низких частотах.
Рис. 31 Сквозная характеристика видеотракта
Наверно, именно потому, что разрешение, которое способны обеспечить цифровые системы обработки видеосигнала, имеют такое низкое значение, во всех рекламных проспектах не приводится параметр «разрешающая способность», а появилась очень странная характеристика: «Средний размер кадра на разрешении 768 x 576, ч/б – 7,7 кб». Но ведь разрешение 768 х 576 пикселей говорит нам о том, что в этот кадр можно вывести изображение с разрешением 576 телевизионных линий. Если этот параметр характеризует предельную возможность экранной области, то это вполне возможно, а вот если подразумеваются возможности платы видеозахвата работать с таким разрешением, то этого просто не может быть. А ведь заказчик платит деньги за конкретное разрешение видеокамер, которое, как он надеется, будет и на экране.
Когда мы покупаем магнитофон (усилитель), то в его паспорте читаем: «Полоса частот от 100 Гц до 12000 Гц». И нам абсолютно ясно, что ниже 100 Гц мы ничего не услышим или услышим с искажениями. То же самое касается и частот выше 12000 Гц. Но поскольку мы собираемся слушать только бардовские песни, то нас такой магнитофон (усилитель) устраивает. Но если мы хотим слушать симфонический оркестр, то ищем оборудование с полосой частот 20 Гц – 20 кГц. Почему же когда мы приобретаем видеорегистратор или компьютерную систему видеонаблюдения, у нас нет никаких характеристик, описывающих для какого качества видеосигнала он рассчитан. То же самое касается и объективов.
Создается впечатление, что объективы, видеорегистраторы и т. п. имеют идеальные характеристики, которых с лихвой хватает для работы с любой видеокамерой. В реальной действительности все как раз наоборот. Видеокамеры ушли далеко вперед по качеству создаваемого ими изображения. А вот устройства обработки видеосигналов, объективы являются реальным тормозом на пути к высокому качеству изображения.
Такое положение дел в CCTV отрицательно сказывается на этапах проектирования систем, ну и конечно, на изображении, качество которого невозможно прогнозировать.
На резкость изображения, которое мы видим на мониторе, оказывают свое влияние все элементы видеотракта. Но причины вызывающие ухудшение резкости у каждого элемента видеотракта свои. Для объективов это одна причина для видеокамер другая, а для радиочастотного кабеля третья.
Но начнем по порядку.
Чтобы не было путаницы, о какой резкости идет речь, будем использовать термин «аппаратная резкость» когда будем рассматривать характеристики оборудования. А термин просто «резкость» оставим для фокусировки объектива.
Что скрывается под термином «аппаратная резкость» любого элемента в видеотракте CCTV? Прежде всего, этот параметр показывает, как рассматриваемый элемент в видеотракте способен обработать смену одного цвета на другой. Идеальное оборудование должно обеспечить вывод информации о смене цвета в элементе изображения таким образом, чтобы никакого промежутка между цветами не было.
Рис. 32 Процесс смены цвета при «аппаратной резкости»
Процесс смены цвета во времени должен произойти мгновенно, а на экране граница между цветами должна отсутствовать (рис. 32, верхняя часть). Но реальная действительность такова, что выполнить эти условия ни один из элементов видеотракта не в состоянии (Это касается любого оборудования не только оборудования CCTV).
Вопрос только в том, насколько оборудование может исказить эту переходную область. Чем она больше, тем сильнее эти искажения заметны на экране монитора и тем аппаратная резкость хуже. На рис. 32 в качестве примера приведен переход от белого к черному. На верхнем рисунке идеальный переход, а на нижнем переход, искажен аппаратурой плохого качества. Искажение как раз и заключается в том, что граница между двумя цветами размыта. Вот эта размытость на границе перехода двух цветов и создает ощущение не резкости при просмотре изображения на мониторе.
Для количественной оценки аппаратной резкости используется переходная характеристика, которая показывает, как быстро во времени происходит процесс смены цвета. Пример переходной характеристики приведен на рис. 33 [13].
Рис. 33 Пример переходной характеристики
Переходная характеристика предназначена для оценки резкости изображения и искажений формы сигнала на границе перехода от черного к белому или наоборот. Переходная характеристика определяет длительность переходного процесса и вид кривой, которой она описывается. Чем ширина переходного процесса уже, тем резкость лучше, и наоборот.
Что представляет собой переходная характеристика? Прежде всего, ось абсцисс – это временная ось, по которой определяют, сколько времени необходимо, чтобы цвет из черного стал белым. И ось ординат, на которой отложены уровни сигнала или в абсолютном их значении или в процентах.
Переходная характеристика дает следующую информацию об оборудовании:
1. Аппаратная резкость изображения в микросекундах (мкс).
2. Окантовки, как в области белого, так и в области черного в процентах.
3. Тянущиеся продолжения в процентах.
Рассмотрим каждую характеристику отдельно.
Аппаратная резкость, как мы уже выше отметили, определяется временем, которое необходимо оборудованию, что бы из черного цвета перейти к белому. В зависимости от того, какой контраст между цветами время перехода разное. Чем меньше контраст, тем быстрей происходит смена цвета. Для тестирования оборудования используют переход между черным и белым цветом при контрасте между ними равном единице. Это самые сложные условия работы оборудования, с точки зрения сохранения резкости. С уменьшением контраста величина аппаратной резкости улучшается, т.е. переходная область делается уже.
Для определения численного значения величины аппаратной резкости на уровнях переходной характеристики 0,1 и 0,9 определяют время начала (Tн) и время завершения (Тк) переходного процесса (рис. 33). Аппаратная резкость вычисляется как Р = Тк – Тн.
Окантовки это искажения в виде колебательного процесса на вершине или спаде переходной характеристики (рис. 33).
Рис. 34 Изображение окантовки
На изображении окантовки проявляются в виде темной или светлой полосы проходящей вдоль границы перехода от одного цвета к другому (рис. 34). Степень отличия цвета окантовки от цветов, между которыми осуществляется переход, зависит от амплитуды колебательного процесса. На рис. 33 это +∆U и -∆U. Чем амплитуда больше, тем окантовка становится, все более заметна на изображении. Окантовки на переходной характеристике могут быть как в области белого, называются «Кайма», так и в области черного – «Бахрома».
Тянущиеся продолжения характеризуют, на сколько быстро заканчивается колебательный процесс. На изображении тянущиеся продолжения выглядят как полосы с убывающей интенсивностью цвета. Для определения количественных значений тянущихся продолжений определяют, как угасает их амплитуда на интервале от t1 к t2.
В технике вещательного телевидения переходная характеристика имеет строго определенные параметры, которые не должны выходить за пределы допустимых значений.
Таблица 12Пределы допустимых значений переходной характеристики
Время, мкс |
Предельное значение переходной характеристики, % |
|
не менее |
не более |
|
±1,2 |
-5; +95 |
+5; +105 |
±0,4 |
||
±0,2 |
-7 |
+107 |
±0,1 |
-10 |
+110 |
±0,0625 |
+10 |
+90 |
Допустимые значения задаются в виде шаблона (рис. 35), внутри которого должна укладываться переходная характеристика (кривая синего цвета).
Рис. 35 Шаблон, внутри которого укладывается переходная характеристика
Если характеристика оборудования не укладывается в отведенный шаблоном диапазон значений, то оборудование не проходит испытания. Эти требования в телевидении очень жесткие и именно поэтому качество телевизионных изображений, не идет ни в какое сравнение с качеством картинки в CCTV.
Для представления о том, какие ограничения задаются в вещательном телевидении на переходную характеристику, приведу выдержку из: «Правила применения оборудования систем телевизионного вещания», утвержденных приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от «10» января 2006г. № 1.
В современных фото и видео камерах, в том числе и CCTV все шире стали применяться искусственные способы повышения резкости изображения. Эта необходимость обусловлена тем, что возможности оборудования формировать резкое изображение ограничены, а желание иметь резкую картинку всегда имеет место. Поэтому искусственное повышение резкости сейчас стало применяться очень часто. Способов, а точнее алгоритмов создания фильтров позволяющих увеличивать резкость много, но мы рассмотрим только один, и на его примере, попробуем объяснить принцип повышения резкости.
Резкость изображения увеличивают на стадии формирования или обработки изображения. Процесс увеличения резкости может происходить, как в видеокамере, так и в устройствах обработки видеосигнала. В Русском языке пока нет термина, который адекватно характеризовал этот процесс, в то же время в фотографии широко используется термин шарпинг (от английского sharpness – величина, характеризующая качество воспроизведения границ участков изображений и контуров). Это понятие резкости — шарпинг имеет уже третий физический смысл, который мы рассматриваем в этой статье.
Основа увеличения резкости с использованием шарпинга заключается в том, что на границах яркостных переходов искусственно увеличивают контраст. Как это происходит? На рис. 36 приведена переходная характеристика процесса изменения цвета с «темного» на «светлый».
Рис. 36 Переходная характеристика процесса изменения цвета с «темного» на «светлый»
Переходная область состоит из двух оттенков серого, являющихся промежуточными цветами между «темным» и «светлым». Причем в исходном изображении этих оттеков нет. Они появились как следствие плохой аппаратной резкости оборудования. На мониторе эти оттенки присутствуют и вызывают эффект размытия границ яркостных переходов, что снижает визуально оцениваемую наблюдателем резкость. Что бы эффект размытия не был так заметен цвета полутонов переходной области (рис. 37) заменяют на другие.
Рис. 37 Длительность переходной области при использовании принципа замены цвета
Принцип замены цвета состоит в том, чтобы контраст цветов переходной области был больше контраста цветов, между которыми происходит переход. В результате такой замены длительность переходной области (рис. 37) значительно сократилась, при этом увеличенный контраст подчеркнул границу перехода между цветами. Результат работы этого эффекта хорошо виден на фотографиях (рис. 38) приведенных на сайте http://www.fototest.ru/articles/59/ в статье: “Да здравствует резкость”.
Рис. 38 Результат принципа замены цвета
Шарпинг описывается несколькими параметрами. Первый из них это – радиус.
Радиус (рис. 37) фактически определяет ширину области, в которой будет повышен контраст. Маленький радиус говорит о том, что будет повышен контраст только близлежащих к границе перехода пикселов. А чем больше радиус, тем больше пикселов «вглубь» от границы будет подвержено изменению контраста. Использование минимальной величины радиуса чревато появлению на изображении искажений в виде ступенек (рис. 39).
Рис. 39 Результат использования минимальной величины радиуса
Порог (рис. 36) определяет, какова должна быть разница исходных полутонов изображения, чтобы к ним было применено увеличение резкости (шарпинг). При малой величине порога увеличение резкости не происходит. Как только порог превысил заданное значение, включается алгоритм увеличения резкости.
Интенсивность (рис. 37) характеризует, насколько сильно будет увеличен контраст между исходными полутонами на границах деталей изображения. Другими словами насколько темнее станут темные полутона и насколько светлее светлые. Чрезмерная величина интенсивности может привести и к искажениям сходных с теми, что мы рассматривали выше (рис. 34), а именно окантовки.
Использование технологий шарпинга не всегда приводит к 100% положительным результатам. Причина заключается в том, что для каждого изображения, к которому необходимо применить шарпинг, нужно подбирать оптимальные значения параметров. Для нашего примера это радиус, порог и интенсивность. В этом случае успех обеспечен. Оборудование CCTV, какой бы алгоритм усиления резкости не использовало, все равно имеет фиксированные значения параметров, выбранные разработчиками только по известным им критериям. Поэтому и результат повышения резкости изображения пользователь видит не всегда. В ближайшей перспективе наверняка в CCTV появится шарпинг с адаптивными способами выбора параметров. Вот тогда аппаратная резкость оборудования за счет шарпинга порадует пользователей.
Чувствительность
Прежде чем привести формулировку чувствительности, хочу напомнить читателям, что в любом устройстве чувствительность – это такое минимальное значение уровня полезного сигнала на входе, при котором на выходе устройства все параметры, характеризующие его качество, находятся в допустимых пределах или снизились на минимально допустимую величину. Обычно эта величина находится в пределах 3 дБ.
Видеокамера не исключение, и ее чувствительность может быть однозначно определена, если известны выходные параметры и критерии их оценки.
Итак, формулировка чувствительности:
чувствительность видеокамеры – минимальное значение отверстия диафрагмы, при котором размах видеосигнала на выходе камеры равен 1 вольту при освещенности тестовой таблицы 2000 лк источником с цветовой температурой 3200 градусов Кельвина [1].
Примечание автора. Самая лучшая формулировка. Критерий 1 В на выходе камеры не совсем корректен. Сигнал с размахом в 1 В может содержать столько паразитных шумов, что картинка будет очень плохого качества. Поэтому было бы правильнее в качестве критерия использовать допустимое отношение сигнал/шум.
Параметр чувствительности записывается как F16.
Чувствительность камеры с F16 выше, чем с F8.
Почему эта формулировка так хороша?
Вы без проблем можете сами сравнить чувствительность имеющихся у вас видеокамер. Даже если у вас нет возможности создать нужное освещение с нужной цветовой температурой, то все равно относительный результат даст однозначный ответ, какая камера имеет более высокую чувствительность.
Отношение сигнал/шум (S/N Ratio, Signal/Noise)
Отношение сигнал/шум – это отношение максимального уровня сигнала (уровень белого) к уровню шума ПЗС-матрицы и остальных электронных компонентов видеокамеры (рис. 39).
Рис. 39 Определение отношения сигнал/шум
Отношение сигнал/шум характеризует «количество» шума, присутствующего в видеосигнале. Связано это с тем, что максимальный уровень сигнала в видеокамере имеет постоянную величину, поддерживаемую системой АРУ и имеющую значение 0,7 В, а собственные шумы могут иметь различные значения, в зависимости от используемой камеры. Чем больше отношение сигнал/шум, тем меньше шума присутствует в видеосигнале и тем лучше изображение на мониторе.
Собственные шумы камеры в основном проявляются на темных участках изображения, поэтому, чем чище материал, из которого изготовлена ПЗС-матрица и чем совершеннее технология ее изготовления, тем меньше собственных шумов присутствует в видеосигнале.
Не стоит забывать и о том, что чем меньше формат матрицы, тем выше ее шумы и (следовательно) ниже чувствительность [2].
Нормальным считается отношение сигнал/шум 45 дБ. У камер высокого класса это отношение достигает 58 дБ.
По рекомендациям CCIR (The International Radio Consultative Committee), существуют пять градаций качества в зависимости от отношения сигнал/шум, которые приведены в таблице 13.
Таблица 13 Пять градаций качества в зависимости от отношения сигнал/шум
Существует и другой способ определения качества сигнала – шкала IRE (Institute of Radio Engineers). В этом случае полный видеосигнал (0,7 вольта без синхросмеси) принимается за 100 единиц IRE. Допустимым считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, например
BURLE, допустимым считают сигнал 25 IRE, другие – 50 IRE.
Все это говорит о том, что до настоящего времени не выработан единый критерий оценки качества видеосигнала, будь то допустимый уровень шума или шкала IRE, а может быть, и совсем другой критерий.
Динамический диапазон
Этот параметр характеризует возможность видеокамеры работать в широком диапазоне освещенностей. Величину динамического диапазона любых электронных устройств определяют входные каскады. В видеокамере это ПЗС-матрица.
Динамический диапазон это максимальная разница между самым светлым и самым темным элементом изображения, фокусируемым на ПЗС-матрице.
Динамический диапазон у видеокамеры характеризуется свойствами ПЗС-матрицы одновременно воспринимать сигнал с максимальной и минимальной яркостью. В идеальном случае при бесконечно большем динамическом диапазоне у видеокамеры ей не нужен объектив с диафрагмой, регулирующей количество света, попадающего на ПЗС-матрицу. Но в реальной действительности динамический диапазон «снизу» ограничен уровнем собственных шумов, а «сверху» – максимальным уровнем яркости, который приводит к растеканию электронов по поверхности ПЗС-матрицы (блюминг).
Не совсем корректно с точки зрения параметра видеокамеры, но в качестве примера динамический диапазон можно увидеть и в каждой строке видеосигнала. Например, на рис. 40 видно, что сигнал имеет значительно большую динамику, чем динамический диапазон камеры.
Рис. 40 Определение динамического диапазона
Сигнал с низким уровнем освещенности находится в области собственных шумов камеры и на экране не виден. Если уровень собственных шумов уменьшить, то «замаскированный» шумами сигнал будет виден на мониторе. Но это произойдет только в том случае, если видеокамера будет иметь меньший уровень собственных шумов или большее отношение сигнал/шум.
Существует и другая формулировка динамического диапазона, которая часто используется у фотографов, но которая может иметь практическое применение и в CCTV.
Динамический диапазон – это максимальное количество Ф-стопов, которое может передать видеокамера.
Иными словами динамический диапазон это, сколько ступеней градаций яркости может зафиксировать видеокамера, при условии, что каждая градация яркости отличается от соседней на lg2. Разница между двумя соседними значениями диафрагмы, например 5.6 и 8 (уменьшение светового потока в 2 раза) как раз и будет равна одному Ф-стопу.
Чем меньше динамический диапазон у камеры, тем больше информации мы теряем в области слабой освещенности.
Следует помнить, что объект может содержать как ярко освещенные участки, так и глубокие тени, и желательно, чтобы все их оттенки отображались на сформированном ПЗС-матрице изображении.
Но, говоря о динамическом диапазоне оборудования не следует забывать, что существует еще и динамический диапазон изображения, которое формирует видеотракт.
В CCTV динамический диапазон конечного продукта – изображения, как параметр почти не используется хотя динамический диапазон отдельных элементов видеотракта – видеокамер присутствует, но на этом все и заканчивается. Это приводит к тому, что при проектировании CCTV отсутствует возможность прогнозировать качество получаемого изображения, оперировать характеристиками изображения при проектировании, а следовательно и управлять этим качеством при моделировании видеосистем. В связи с этим проектирование CCTV «ушло» от изображения и остановилась на рисовании секторов наблюдения ни чем не отличающихся от секторов ИК датчиков в охранной сигнализации.
В CCTV изображение формируется на экране монитора. Для компьютерных систем, работающих под Windows количество возможных цветов красного (R), или зеленого (G) или синего (B) находится в диапазоне от 0 – 255, т.е. составляет 16 миллионов цветов. Во всей этой цветовой палитре, когда R=G=B появляется оттенок серого. Общее количество оттенков серого или градаций серого в цветовой палитре 256. Если у нас режим экрана 65 536 цветов, то мы имеем 32 градации серого, а если изображение выводится в режиме экрана 256 цветов, то количество градаций серого может быть от 16 до 256 и зависит от используемой палитры, заложенной в Windows или созданной программистами специально для решения поставленных задач [12]. Это означает, что кроме ярких и темных мест в изображении еще имеется много промежуточных градаций так называемых полутонов, количество которых определяется, выбранным режимом экрана. Наличие в изображение большего их количества делает его более художественным, живым, сочным и увеличивает разборчивость элементов изображения. Чем больше динамический диапазон изображения, тем большим количеством градаций серого “оно создается”. Причем для мультиэкрана цвета элементов изображения не соответствуют их реальному значению, а предопределены опять же палитрой Windows. Какая реально палитра используется в компьютерных системах видеонаблюдения наверно известно только программистам, создающих программное обеспечение.
В связи с этим, какое бы количество градаций серого не присутствовало в изображении объекта, расположенного перед камерой, все равно, пройдя, через видеотракт их количество на мониторе будет определяться выбранным режимом экрана.
Если для отображаемой на объекте сцены диапазон градаций серого, выходит за пределы динамического диапазона монитора, то он (динамический диапазон) относительно реального изображения будет «сжат» до возможности монитора, а точнее — выбранного режима экрана.
Если видеокамера или любой элемент в видеотракте оцифровывает изображение с помощью АЦП имеющего разрядность больше 8 бит, то количество градаций серого будет уменьшено до 8 бит путем приведения их к ближайшим значениям градаций серого монитора.
Поскольку динамический диапазон и контраст тесно связаных друг с другом, то на рис. 41 представлен график, который поможет, определить один из параметров, зная другой.
Рис. 41 Взаимосвязь динамического диапазона и контраста
Этот график построен для 256 градаций серого при условии, что шумы на изображении отсутствуют.
Но, рассуждая о градациях серого, которые способен передать монитор, не следует забывать и о том, что человеческое зрение имеет значительно меньший диапазон различимых градаций. В бытовом телевидении по экспертным оценкам его количество было определено исходя из порога, при котором человек еще замечает разницу в двух соседних значениях серого. Поэтому количество градаций серого, в результате экспертных оценок составляет величину от 80 до 130 при средней яркости свечения экрана 40 кд/кв. м. [11]. При увеличении яркости свечения экрана количество различимых градаций серого увеличивается.
Но в каком виде должен быть представлен динамический диапазон изображения? Правильнее было бы использовать динамический диапазон в уже устоявшихся значениях — децибелах (Дб). Но децибел отражает логарифм отношения напряжения или тока и в зависимости от этого используется сомножитель при логарифме равный 20 или 10 соответственно. Между изменяющимися значениями градаций серого на экране монитора вроде бы нет никаких изменений напряжения или тока. Однако существует пропорциональная зависимость изменения напряжения видеосигнала с изменением градаций серого на экране монитора, поэтому мне кажется возможным определять динамический диапазон изображения как:
D = 20 lg (Nmax/Nmin)
где: Nmin – минимальный уровень серого по шкале Windows (0 – 255).
Nmax – максимальный уровень серого по шкале Windows (0 – 255).
Используя эту зависимость можно вычислить максимально возможный динамический диапазон ч/б изображения, формируемого на экране компьютерного монитора, который равен 48,16дБ. Напомню, что динамический диапазон сверху ограничен максимальным уровнем сигнала, а снизу уровнем шума. В реальной картинке, которая выводится на монитор, на темных элементах изображения присутствуют и шумы, которые необходимо так же оценить и учесть. Поэтому правильнее за Nmin принимать среднеквадратический уровень шума.
Теперь немного о том, как практически определить динамический диапазон изображения, которое выводится на монитор. Для этого достаточно иметь градационный клин (Рис. 42) на котором каждая градация серого отличается от соседней на lg2. Очень часто градационный клин называют – серая шкала.
Рис. 42 Определение динамическоко диапазона изображения при использовании градационного клина
Если установить его перед видеокамерой, то на мониторе можно подсчитать, сколько градаций серого может передать видеотракт — объектив, камера, монитор. Вот количество различимых градаций серого и будет характеризовать динамический диапазон, но в терминах Ф-стоп, широко применяемых в фотографии. Но это ориентировочное значение. Почему ориентировочное? Прежде всего, потому, что динамический диапазон определяется на линейной области динамической характеристики. Когда сверху и снизу динамическая характеристика начинает ограничиваться, то есть присутствует явная нелинейность, различать градации серого мы еще можем, но это уже не соответствует истинной динамике сигнала на линейной области (рис. 43).
Рис. 43 Определение реального динамического диапазона изображения
Для правильного определения динамического диапазона изображения по серой шкале существуют специальные программные продукты, которые отслеживают появление нелинейности в характеристики и выдают динамический диапазон изображения только линейной области. Из графика на рис. 43 видно, что реальный динамический диапазон всегда будет меньше своего предельного значения — 48,16дБ.
И еще раз хочу обратить Ваше внимание на то, что мы говорим о динамическом диапазоне и о градациях яркости изображения, которое оператор видит на мониторе. Изменения освещенности на объекте и динамика их изменения нами не рассматривалась и естественно на качество видеотракта не влияет.
Минимальная освещенность
Однозначного определения минимальной освещенности мне найти не удалось. Этот параметр измеряется в люксах и характеризует освещенность на объекте или ПЗС-матрице, при которой видеокамера дает распознаваемый видеосигнал. Из практики известно, что уровень освещенности на ПЗС-матрице приблизительно в 10 раз меньше, чем на объекте.
Зато этот параметр широко используется при тестировании ПЗС-матриц.
Очень часто путают минимальную освещенность и чувствительность. Разница в этих параметрах заключается в том, что чувствительность определяется таким уровнем минимального освещения, при котором сигнал на выходе имеет требуемый размах и заданное отношение сигнал/шум. Параметр минимальная освещенность определяет действительно минимальный уровень освещенности, при котором сигнал еле различим на уровне шумов.
Система автоматической регулировки усиления (Gain Control)
Система автоматической регулировки усиления служит для поддержания максимального уровня видеосигнала на выходе камеры в пределах 0,7 В.
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) характеризуется глубиной АРУ и выражается в децибелах.
Глубина АРУ у различных видеокамер может быть от 12 дБ до 30 дБ.
Автоматическая регулировка усиления начинает работать, когда освещенность на объекте имеет низкий уровень, а полностью открытая диафрагма не в состоянии компенсировать недостаток освещенности. Вот в таких случаях АРУ начинает усиливать видеосигнал. Правда, уровень собственных шумов при этом тоже возрастает.
Гамма-коррекция (Gamma Correction)
Гамма-коррекция предназначена для корректировки усиления сигналов яркости в видеокамере и получения комфортного для восприятия человеческим зрением видеоизображения на мониторе. С помощью этой регулировки происходит согласование закона восприятия освещенностей человеческим зрением с линейным законом усиления сигналов в телекамерах и видеомониторах. Исторически это обусловлено тем, что у электронно-лучевой трубки зависимость между количеством испускаемых фотонов и напряжением на катоде близка к формуле . Где — показатель гамма коррекции. Для жидкокристаллических мониторов, проекторов и т. д., где зависимость между напряжением и яркостью имеет более сложный характер, используются специальные компенсационные схемы.
Гамма-коррекция имеет диапазон изменений от 0,45 до 1. Конкретное значение устанавливается при изготовлении камеры.
В некоторых камерах пользователь имеет возможность изменять это значение по своему усмотрению.
Компенсация встречной засветки (BLC – Back Light Compensation)
Позволяет скомпенсировать ярко освещенный задний план для хорошей проработки объектов, расположенных на переднем плане. К сожалению, при использовании этого режима теряется информация в ярко освещенных участках. Зато остальные градации яркости становятся хорошо проработанными.
Существуют видеокамеры, позволяющие задавать уровень компенсации заднего света не на весь кадр, а на несколько зон, выбранных пользователем (рис. 44).
Рис. 44 Результат использования видеокамеры, позволяющей задавать уровень компенсации заднего света на несколько зон
Количество зон у разных производителей может быть различным. Камеры Mintron разбивают изображение на 48 зон.
Электронный затвор — способность видеокамеры изменять время считывания информации с ПЗС — кристалла и тем самым расширять диапазон освещенности, в котором она способна работать.
Современные камеры выпускаются с автоматическим электронным затвором и с ручным. Камеры с автоматическим электронным затвором могут работать с объективами, не имеющими диафрагмы. Электронные затворы обеспечивают регулировку выдержки в диапазоне от 1/50 до 1/500000.
Видеокамеры с ручным электронным затвором обычно используются для фиксации быстро протекающих процессов, например для чтения номеров, двигающихся по автострадам автомашин. Короткая выдержка не позволяет «смазываться» изображению при быстром перемещении автомобиля перед видеокамерой.
Предназначена для обеспечения синхронной работы группы видеокамер с точностью до кадровой или строчной синхронизации.
Внешняя синхронизация (External) – V-lock (кадровой развертки) или Gen lock (кадровой и строчной разверток) актуальна для видеокамер, питаемых от источника постоянного тока, причем для этой цели может использоваться либо видеосигнал от одной из видеокамер, либо синхросмесь, вырабатываемая специальным прибором – синхронизатором.
Для видеокамер с сетевым питанием удобна синхронизация от сети переменного тока (LL – Line-Lock).
Таблица 14 Климатическое исполнение и температурные режимы работы электрооборудования
Видеокамеры с синхронизацией от сети допускают подстройку фазы. В качестве опорного сигнала используется видеосигнал от одной из камер, а остальные следует подстроить по ней.
Диапазон рабочих температур (Operating Temperature)
Существуют обозначения, определяющие допустимые условия работы видеокамер. Weather Proof Camera – всепогодная видеокамера и Water Proof – водозащищенная.
Такой информации явно недостаточно, чтобы планировать эксплуатацию устройства в разных климатических регионах и при разных вариантах их установки.
Климатические условия и температурные режимы работы электрооборудования, приведены в таблицах 14, 15. Единственное неудобство, что это отечественные требования, а оборудование иностранного производства, естественно проектируют по своим нормам.
Таблица 15 Категория исполнения изделия и их характеристики места размещения
Степень защиты электротехнических изделий от проникновения воды и мелких частиц классифицируют символами IPxx. Начальные буквы IP – International Protection. Первая цифра – это характеристика защиты персонала от соприкосновения с находящимися под напряжением частями оборудования и от попадания внутрь оборудования посторонних твердых тел (таблица 16). Вторая цифра – это характеристика защиты от проникновения воды (таблица 17).
Таблица 16 Степень защиты электротехнических изделий от проникновения воды и мелких частиц
Первая цифра |
Краткое описание |
---|---|
0 |
Защита отсутствует |
1 |
Защита от твердых тел размером более 50 мм |
2 |
Защита от твердых тел размером более 12 мм |
3 |
Защита от твердых тел размером более 2,5 мм |
4 |
Защита от твердых тел размером более 1 мм |
5 |
Защита от пыли |
6 |
Пыленепрницаемость |
Таблица 17 Характеристика защиты от проникновения воды
Первая цифра |
Краткое описание |
---|---|
0 |
Защита отсутствует |
1 |
Защита от капель воды |
2 |
Защита от капель воды при наклоне до 15 градусов |
3 |
Защита от дождя |
4 |
Защита от брызг |
5 |
Защита от водных струй |
6 |
Защита от волн воды |
7 |
Защита при погружении в воду |
8 |
Защита при длительном погружении в воду |
Термины и определения
Таблица 18 Термины и определения
Термин |
Размерность |
Сокращения |
Определение |
---|---|---|---|
Автоматическая регулировка усиления |
дБ |
АРУ (AGC) |
Поддерживает размах видеосигнала на выходе камеры в пределах 1 В. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) измеряется в децибелах. Глубина АРУ у различных видеокамер может быть от 12 дБ до 30 дБ. |
Внешняя синхронизация |
|
ext. sync. |
Предназначена для обеспечения синхронной работы во времени кадровой и строчной синхронизации группы видеокамер. |
Гамма-коррекция |
|
|
Предназначена для изменения закона (линейный, нелинейный) усиления сигнала яркости в видеокамере и получения комфортного для восприятия человеческим зрением видеоизображения на мониторе. |
Диапазон рабочих температур |
градус Цельсия |
|
Характеризует способность видеокамеры безотказно работать в указанных температурных диапазонах. |
Динамический диапазон |
дБ |
|
Динамический диапазон – это максимальная разница между самым светлым и самым темным участками изображения, фокусируемого на ПЗС матрицу |
Кадр |
|
|
Проход электронного луча кинескопа как по нечетным, так и по четным строкам. |
Компенсация встречной засветки |
|
BLC |
Позволяет скомпенсировать ярко освещенный задний план для хорошей проработки объектов, расположенных на переднем плане. |
Минимальная освещенность |
люкс |
|
Характеризует освещенность на объекте или ПЗС-матрице, при которой видеокамера дает распознаваемый видеосигнал. |
Отношение сигнал/шум |
дБ |
|
Отношение максимального уровня сигнала к уровню шума ПЗС-матрицы. |
Переходное кольцо |
|
CS to C mount |
Совместимы следующие комбинации: С-кaмepa + С-объeктив, СS-кaмepa + С-объeктив + СS/С-кольцо, CS-кaмepa + CS-объeктив. |
ПЗС-видеокамера |
|
CCD |
Видеокамера, созданная на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС). |
Пиксель |
|
|
Элемент изображения. |
Полукадр (поле) |
|
Field |
Проход электронного луча кинескопа только по нечетным строкам (первое поле или полукадр). Проход электронного луча кинескопа только по четным строкам (второе поле или полукадр). |
Посадочное место для объектива |
|
C-mount |
Конструкция посадочного места, имеющая расстояние до ПЗС-кристалла 17,26 мм. |
Посадочное место для объектива |
|
CS-mount |
Конструкция посадочного места, имеющая расстояние до ПЗС-кристалла 12,5 мм. |
Размах видеосигнала |
Вольт |
|
Диапазон значений от уровня белого в видеосигнале до нижнего уровня синхроимпульсов. |
Разрешающая способность по вертикали |
|
линии |
Максимальное число горизонтальных линий, которое способна передать видеокамера. |
Разрешающая способность по горизонтали |
|
твл |
Максимальное число вертикальных линий, которое способна передать видеокамера. Для приведения разрешения по вертикали и разрешения по горизонтали к одной размерности количество линий по горизонтали умножают на 0,75. Полученный результат назван телевизионной линией. |
Разъем коаксиальный |
|
(BNC) |
Разъем, позволяющий быстро осуществлять соединение или рассоединение. |
Телевизионная линия |
|
твл |
Вычисляемый параметр, связывающий разрешение по вертикали и разрешение по горизонтали. |
Формат кристалла ПЗС |
|
|
Определяет размер ПЗС-кристалла. Существуют форматы 1/4″, 1/3″, 1/2″, 2/3″ и 1″. |
Черезстрочная развертка |
|
|
Электронный луч за первый проход прорисовывает только нечетные строки (первое поле), а во втором проходе – все четные (второе поле). |
Чувствительность |
|
F |
Минимальное значение отверстия диафрагмы, при котором размах видеосигнала на выходе камеры равен 1 вольту. |
Электронный затвор |
|
|
Способность видеокамеры изменять время считывания информации с ПЗС-кристалла и тем самым расширять диапазон освещенности, в котором способна работать видеокамера. Существуют электронные затворы от 1/50 до 1/10000 – 1/15000 и 1/100000. |
Группа продуктовЯзык: Валюта: МенюРекомендованная статья Импульсные источники питания „SMPS” (Switched Mode Power Supplies) Бюллетень E-mail |
|
AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL-КАМЕРА APTI-H50PV2-28W 2Mpx / 5Mpx 2.8 mm Нетто: 22.77 EUR ВИДЕОТРАНСФОРМАТОР TR-1CD*P2 Нетто: 2.26 EUR ВИТАЯ ПАРА UTP/K6/305M/MTC METACON Нетто: 0.37 EUR БЛОК ПИТАНИЯ 12V/5A/5.5*P50 Нетто: 496.40 EUR МОДУЛЬНЫЙ РАЗЪЕМ RJ45/C53*P1000 Нетто: 38.69 EUR IP-КАМЕРА IPC-HFW1431S-0280B-S4 4 Mpx 2.8 mm DAHUA Нетто: 105.85 EUR ДИСК ДЛЯ РЕГИСТРАТОРА HDD-WD40PURX 4TB 24/7 WESTERN DIGITAL Нетто: 95.34 EUR AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL-КАМЕРА APTI-H50V2-36 2Mpx / 5Mpx 3.6 mm Нетто: 26.27 EUR АНТИВАНДАЛЬНАЯ КАМЕРАAHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL APTI-H50V3-2812W 2Mpx / 5Mpx 2.8 … 12 mm Нетто: 49.32 EUR |
Введение в работу ПЗС
Основы
Устройство с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой высокочувствительный детектор фотонов. ПЗС-матрица разделена на большое количество светочувствительных небольших областей. (известные как пиксели), которые можно использовать для создания изображения сцены интерес. Фотон света, попадающий в область, определяемую одним пикселей будут преобразованы в один (или несколько) электронов, а число собранных электронов будет прямо пропорционально интенсивности сцены в каждом пикселе.Когда ПЗС отключена, количество электронов в каждом пикселе измеряются, и сцена может быть реконструирована.
На этом рисунке показан «типичный» ПЗС. Сама ПЗС в первую очередь сделан из кремния, и структура была изменена так, что некоторые из атомы кремния заменены атомами примеси.
На рисунке ниже показано очень упрощенное поперечное сечение ПЗС.
Видно, что сам Кремний не настроен на формирование отдельных
пикселей.Фактически пиксели определяются положением электродов.
над самой ПЗС. Если к электроду приложено положительное напряжение,
то этот положительный потенциал притянет все отрицательно заряженные
электроны близко к области под электродом. Кроме того, любой положительный
заряженные дырки будут отталкиваться от области вокруг электрода. следовательно
сформируется «потенциальная яма», в которой все электроны, произведенные входящим
фотоны будут храниться.
Чем больше света падает на ПЗС, тем потенциальная яма, окружающая
этот электрод будет притягивать все больше и больше электронов, пока потенциал
ячейка заполнена (количество электронов, которое может храниться под пикселем
называется полной емкостью скважины).Чтобы этого не произошло, свет
необходимо предотвратить падение на ПЗС, например, с помощью затвора
как в фотоаппарате. Таким образом, изображение объекта может быть получено путем открытия
затвор, «интегрирующий» в течение некоторого времени, чтобы заполнить большую часть электронов
в потенциальную яму, а затем закрытие затвора для обеспечения
полная вместимость скважины не превышена.
Фактическая ПЗС-матрица будет состоять из большого количества пикселей (т. е. потенциальных скважины), расположенные по горизонтали рядами и по вертикали столбцами.Номер количество строк и столбцов определяет размер ПЗС, типичные размеры 1024 пикселя в высоту на 1024 пикселя в ширину. Разрешение ПЗС определяется размером пикселей, а также их разделением (шагом пикселя). В большинстве астрономических В ПЗС пиксели касаются друг друга, поэтому разрешение ПЗС будет определяется размером пикселя, обычно 10-20 мкм. Таким образом, 1024×1024 ПЗС-матрица будет иметь размер изображения физической области около 10 мм x 10 мм.
Как тактируется ПЗС?
На рисунке ниже показано поперечное сечение ряда ПЗС.Каждый пиксель фактически состоит из трех электродов IØ1, IØ2 и IØ3. Для создания потенциала требуется только один из этих электродов. хорошо, но для переноса заряда из ПЗС. В верхней части рисунка (часть 1) показан сбор заряда. под одним из электродов. Для переноса заряда из ПЗС новый потенциальную яму можно создать, удерживая IØ3 на высоком уровне, заряд равен теперь совместно используется IØ2 и IØ3 (раздел 2). Если IØ2 теперь низкий, заряд будет полностью передан под электродом IØ3 (раздел 3).Чтобы продолжить тактирование ПЗС, принимая IØ1 высокий, а затем низкий IØ3 гарантирует, что облако заряда теперь дрейфует под электродами IØ1. По мере продолжения этого процесса облако заряда будет продвигаться либо вниз по столбцу, либо по строке, в зависимости от ориентации электродов.
На приведенном ниже рисунке (называемом тактовой диаграммой) показано изменение каждый электрод удерживается высоко и низко, чтобы обеспечить передачу заряда через ПЗС.
Первоначально IØ2 высокий – обычно около 12 В, и заряд удерживается под этим электродом, как в (1) ранее. Когда удерживается IØ3 высоким, а IØ2 берется низким (обычно 0 В), заряд мигрирует под электрод IØ3 (как в (2)). Наконец, взяв IØ1 высоким и IØ3 low передает заряд под IØ1 (как в (3)). Этот процесс повторяется в передаче 2 и передаче 3, теперь заряд был переместился на три пикселя вперед. Этот процесс известен как зарядовая связь (отсюда ПЗС).
Для большинства ПЗС электроды в каждом пикселе расположены так, что заряд переносится вниз по колоннам. Следовательно, во время Тактирование CCD, строки передаются вниз к последней строке (регистр считывания), который используется для передачи заряда в каждом пикселе из ПЗС, чтобы его можно было измерить.
В считываемом регистре электроды расположены так, что заряд
передается в горизонтальном направлении, по регистру считывания.
Как взимается плата измеренный
Последним процессом на ПЗС является считывание каждого пикселя, чтобы размер соответствующего облака заряда может быть измерен. В конце регистр считывания — это усилитель, который измеряет значение каждого заряда облако и преобразует его в напряжение, типичный коэффициент преобразования около 5-10 мкВ на электрон с «типичными» значениями полной ямы около 100 000 электронов или около того.
ПЗС-камера будет состоять из ПЗС-чипа и соответствующей электроники,
который используется в этот момент для усиления небольшого напряжения на ПЗС, удалите
компонентов шума, оцифровать значения пикселей и вывести значения каждого
пиксель, например, на ПК, где изображение может быть обработано в программном обеспечении
и отображаемое изображение. ПЗС является аналоговым устройством, и аналог
значения напряжения преобразуются в цифровую форму электроникой камеры.
Некоторые аспекты поведения ПЗС
Квантовая эффективность
Не каждый фотон, попавший на детектор, будет обнаружен и
преобразуется в электрический импульс. Процент фотонов,
фактически обнаруженный, известен как квантовая эффективность (КЭ). Например,
человеческий глаз имеет только QE около 20%, фотопленка имеет QE около
около 10%, а лучшие ПЗС-матрицы могут достигать QE более 80%.Квантовая эффективность
будет меняться в зависимости от длины волны.
Диапазон длин волн
ПЗС могут иметь широкий диапазон длин волн
от примерно 400 нм (синий) до примерно 1050 нм (инфракрасный) с пиковой чувствительностью
около 700нм. Тем не менее, используя процесс, известный как обратное утонение,
можно расширить диапазон длин волн ПЗС до более коротких длин волн
такие как экстремальный ультрафиолет и рентгеновские лучи.
Динамический диапазон
Возможность правильного просмотра ярких и слабых источников на одном изображении очень полезное свойство детектора.Разница между самым ярким возможный источник и самый слабый возможный источник, который детектор может точно видеть в том же изображении, известном как динамический диапазон. Когда свет падает на ПЗС, фотоны превращаются в электроны. Следовательно, динамический диапазон ПЗС обычно обсуждается с точки зрения минимума и максимальное количество электронов, которое можно отобразить. Чем больше света падает на ПЗС все больше и больше электронов собирается в потенциальной яме, и в конечном итоге больше электронов не может быть размещено в пределах потенциала ну и пиксель называется насыщенным.Для типичной научной ПЗС это может произойти примерно при 150 000 электронов. Минимальный сигнал, который может быть обнаружен не обязательно один электрон (соответствующий одному фотону в видимом диапазоне волн). На самом деле, существует минимальное количество электронных шум, который связан с физической структурой ПЗС и обычно около 2-4 электронов на каждый пиксель. Таким образом, минимальный сигнал, который может быть обнаружен, определяется этим шумом считывания.
В приведенном выше примере ПЗС-матрица будет иметь динамический диапазон 150 000:4. (принимая верхний уровень шума).Но — этот динамический диапазон тоже зависит на способности электроники быть в состоянии полностью оцифровать все это динамический диапазон (см. более подробную информацию о ПЗС для обсуждения разрешение электроники).
Линейность
В целом глаз не является линейным детектором (за исключением очень маленьких
изменения интенсивности) и имеет логарифмическую характеристику. Важное соображение
в детекторе — это его способность линейно реагировать на любое изображение, которое он просматривает.
Под этим мы подразумеваем, что если он обнаружит 100 фотонов, он преобразует их в
100 электронов (если бы у нас было 100% QE) и если он обнаружит 10000 фотонов, он
преобразовать их в 10000 электронов.В такой ситуации мы говорим, что
детектор имеет линейный отклик. Такой ответ явно очень полезен
так как нет необходимости в какой-либо дополнительной обработке изображения для определения
«истинная» интенсивность различных объектов на изображении.
Шум
Одним из наиболее важных аспектов характеристик ПЗС является его шумовая характеристика. Есть ряд вкладов в шумовые характеристики ПЗС, они кратко перечислены здесь:
- Темновой ток — т.е.e термический шум. При комнатной температуре, Шумовая характеристика ПЗС может достигать тысяч электронов на пиксель в секунду. Следовательно, полная емкость каждого пикселя будет будет достигнуто за несколько секунд, и ПЗС будет насыщена. Темный ток можно значительно уменьшить за счет охлаждения. Например, шумовые характеристики ПЗС можно было бы уменьшить из тысяч электронов при комнатной температуре всего до десятков электронов на пиксель в секунду при -40 градусах Цельсия. Путем охлаждения вплоть до температур ниже примерно -70 градусов по Цельсию темновой ток может быть практически устранены (существенно ниже одного электрона на пиксель в секунду). Второй способ уменьшить шум — немного изменить технику обработки ПЗС для производства многофазных (MPP) ПЗС. Эта техника может уменьшить темновой ток до очень низких уровней (несколько сотен электронов на пиксель на второй при комнатной температуре).
- Шум считывания – предельным уровнем шума ПЗС-матрицы является считывание. шум. Шум считывания возникает из-за преобразования электронов в каждом пикселе к напряжению на выходном узле ПЗС (типичное значение быть около 4 мкВ на электрон).Величина этого шума зависит от размера выходного узла. Было приложено большое количество усилий к уменьшению шума считывания ПЗС, так как это значение шума в конечном счете определяют динамический диапазон и должен быть как можно меньше, особенно при обнаружении очень слабых источников, например при обнаружении фотонов при энергиях рентгеновского излучения, например, в миссии XMM-Newton. Значения шума 2-3 Среднеквадратичное значение электронов (среднеквадратичное) в настоящее время является типичным для многих ПЗС, но некоторые компании недавно заявляли о шумовом разрешении менее 1 электрона. среднеквадратичное значение
Сила
ПЗС сами по себе потребляют очень мало энергии. В течение
интеграции, протекает только очень небольшой ток, а ПЗС потребляет
всего 50 мВт или около того. Пока ПЗС разряжается, можно увеличить мощность.
потребляется, но обычно это всего несколько ватт или около того.Конечно,
электроника, необходимая для работы ПЗС и обработки изображений, может потреблять
гораздо больше мощности.
Почему научные ПЗС такие
дорогой ?
Видеокамеру с ПЗС можно купить всего за 400-500 фунтов.
Однако ПЗС научного класса может стоить до 100 раз дороже, иногда
более. Некоторые из причин, по которым научные ПЗС намного дороже, чем
ПЗС в бытовой электронике описаны ниже:
Стоимость и сложность
ПЗС научного класса намного дороже, чем базовый тип ПЗС-матрицы, которые обычно используются в таких устройствах, как имеющиеся в продаже видеокамеры. камеры.Имеющиеся в продаже видеокамеры обычно имеют ряд недостатки, которые делают их непригодными для научного использования. Например:
- Коммерческие ПЗС-матрицы могут содержать большее количество дефектов и дефектов, которые ухудшит качество изображения. Для тех изображений, которые обычно просматриваются видеокамера эти пятна не проблема, так как их можно удалить программным обеспечением в камере. Однако для научных целей качество изображения будет недопустимо деградировать;
- Шум коммерческих ПЗС и систем их камер намного выше, чем для специально построенных научных систем;
- Динамический диапазон системы камер намного ниже, чем для научных камеры.
Подготовлено Крисом МакФи
ПЗС-датчики
Термин «ПЗС» означает «устройство с зарядовой парой» и представляет собой электронный модуль, способный передавать электронные заряды.
Эта технология была изобретена в 1969 году в Bell Laboratories Уиллардом Бойлом и Джорджем Э. Смитом как возможность хранения данных в целях хранения, однако она так и не получила технического признания. Тем не менее, этот принцип до сих пор успешно используется для переноса зарядов, генерируемых при воздействии на полупроводник из-за «эффекта внутреннего фотона», посредством большого количества небольших шагов (вертикальных и горизонтальных сдвиговых регистров) к центральному аналого-цифровому преобразователю. преобразователь, т.е. с использованием своего рода «принципа цепочки ведра». Перемещение заряда с помощью электродов форсируется извне приложением электрических потенциалов:
(Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит получили Нобелевскую премию по физике в 2009 г. за это принципиально важное изобретение спустя 40 лет после открытия этого эффекта.)
Датчик изображения, который использует этот принцип для смещения и считывания зарядов светоактивных пикселей, называется «ПЗС-датчик».
Частота, т.е. как часто в секунду датчик способен транспортировать заряд одним пикселем, называется «часами пикселей». Частоты, на которых сегодня работают ПЗС, составляют приблизительно от 25 до 50 МГц.
Упрощенный принцип действия светочувствительности
Внутренний фотоэлектрический эффект является основой для работы датчика.
Атомы кристалла кремния расположены в дискретных энергетических зонах, энергетически более низкая называется валентной зоной, энергетически более высокая называется зоной проводимости.В основном состоянии большинство электронов находится в валентной зоне, однако они могут переноситься в зону проводимости за счет возбуждения извне.
Энергия, необходимая для этого, составляет 1,26 эВ или более. В случае ПЗС-датчика этот перенос может быть вызван светом, а также более высоким подводом тепла (темновой шум датчика). (Примечание: 1,26 эВ примерно соответствуют энергии инфракрасного излучения с длиной волны 1 мкм. Свет с более длинными волнами может проходить через кремний без поглощения, он практически прозрачен от этих длин волн и нечувствителен. )
Из-за возбуждения одновременно создаются свободные (отрицательные) электроны и положительно заряженные «дыры» в валентной зоне, которые отделяются друг от друга из-за приложенного напряжения. Эти заряды, однако, не утекают сразу наружу (как в случае с фотодиодом в CMOS-датчике), а сохраняются в самой ячейке памяти.
С помощью описанного выше сдвига заряда заряд транспортируется через весь датчик за много маленьких шагов к центральному усилителю/АЦП.
Типовая компоновка ПЗС-сенсоров
В целом мы различаем несколько типовых схем ПЗС-сенсоров, которые описаны ниже:
, из которых в основном так называемый «датчик межстрочного переноса» получил признание в машинном зрении.
Только этот может снимать с очень высокой частотой кадров с помощью «функции электронного затвора» и поэтому используется в 90 процентах промышленных ПЗС-камер для машинного зрения.
ПЗС-матрицы с передачей кадров и ПЗС-матрицы с полной передачей кадров сегодня в основном используются в научных приложениях с низкой частотой обновления изображения, где основным критерием является чрезвычайно высокая чувствительность к свету.
Преимущества и недостатки сенсорной технологии CCD
Поскольку преобразование заряда в напряжение осуществляется одним центральным усилителем/АЦП для всех пикселей, существует много преимуществ и недостатков по сравнению с датчиками CMOS:
Преимущества
- Более высокая чувствительность и более низкий уровень шума благодаря расширенному использованию поверхности (более высокий коэффициент заполнения)
- Меньше дефектных пикселей благодаря более простой структуре
- Улучшенная однородность изображения благодаря центральному аналого-цифровому преобразователю
Недостатки
- Более медленное считывание, поскольку оцифровывает только один центральный аналого-цифровой преобразователь
- Нет прямого доступа к пикселям, как в случае с датчиком CMOS, так как датчик CCD должен считываться последовательно
- Более сложная компоновка камеры из-за необходимости использования дополнительной электроники приводит к увеличению размера и стоимости камер
- Более высокое энергопотребление всей камеры
- Больше эффектов смазывания и размытия при передержке по сравнению с датчиком CMOS
Важно для машинного зрения
- В большинстве промышленных приложений используются камеры с ПЗС-датчиками. Они малошумны, чувствительны к свету, имеют высокую однородность и благодаря своим линейным характеристикам подходят для точных измерений.
- Подавляющее большинство производителей промышленных камер используют в своих стандартных продуктах ПЗС-сенсоры, которые в 90% случаев производятся компанией Sony. На протяжении многих лет новые и усовершенствованные датчики снова и снова выводились на рынок. Если у вас особенно высокие требования к датчику, проверьте, используется ли новый или старый вариант датчика.
- Благодаря усовершенствованным технологиям производства достигается более высокая чувствительность пикселей, что, в свою очередь, позволяет использовать все меньшие и меньшие размеры пикселей (сохраняя то же качество). Поэтому требования к качеству оптики чрезвычайно возросли. Датчики ПЗС
- с особенно высокой частотой кадров или особенно высоким разрешением разработаны Kodak (с 2011 года: TrueSense). Здесь также стоит взглянуть на техпаспорт, чтобы увидеть, какой тип (новый/старый вариант) используется.
- Почти каждый датчик имеет определенное количество дефектных пикселей, которые в большинстве случаев практически незаметны и иногда могут быть устранены прошивкой камеры с помощью исправления ошибок пикселей. Производители ПЗС обычно различают свои датчики по классам качества «B», «A» и «ноль», чтобы описать количество дефектных пикселей. Они различаются по цене. В случае крайне критичных приложений вы можете купить камеры класса «ноль» с нулевым числом битых пикселей у некоторых производителей камер с доплатой.
- Примерно с каждыми 6 градусами повышения температуры тепловые шумы пикселей удваиваются. Хорошие камеры не должны сильно нагреваться во время работы. Кроме того, избегайте установки камеры в зоне накопления тепла.
ПЗС и КМОП: безпленочные камеры
Вместо пленки цифровая камера оснащена датчиком, преобразующим свет в электрические заряды.
В большинстве цифровых камер используется датчик изображения с зарядовой связью (ПЗС). В некоторых камерах вместо этого используется технология комплементарного оксида металла-полупроводника (КМОП) . Датчики изображения CCD и CMOS преобразуют свет в электроны. Если вы читали «Как работают солнечные батареи», вы уже понимаете одну из технологий, используемых для преобразования. Упрощенный способ думать об этих датчиках — думать о двухмерном массиве из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов.
Когда датчик преобразует свет в электроны, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки изображения.Вот здесь-то и проявляются различия между двумя основными типами датчиков:
- ПЗС-матрица переносит заряд через чип и считывает его с одного угла матрицы. Затем аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует значение каждого пикселя в цифровое значение путем измерения количества заряда на каждом фотосайте и преобразования этого измерения в двоичную форму.
- КМОП-устройства используют несколько транзисторов в каждом пикселе для усиления и перемещения заряда с использованием более традиционных проводов.
Различия между двумя типами сенсоров приводят к ряду плюсов и минусов:
- ПЗС-сенсоры создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. Датчики CMOS обычно более чувствительны к шуму.
- Поскольку каждый пиксель на КМОП-сенсоре имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность КМОП-чипа ниже. Многие фотоны попадают на транзисторы, а не на фотодиод.
- Датчики CMOS традиционно потребляют мало энергии. ПЗС, с другой стороны, используют процесс, который потребляет много энергии.ПЗС потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентный датчик CMOS.
- ПЗС-сенсоры производились серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые. У них, как правило, пиксели более высокого качества, и их больше.
Несмотря на многочисленные различия между двумя датчиками, они оба играют в камере одну и ту же роль — превращают свет в электричество. Чтобы понять, как работает цифровая камера, вы можете думать о них как о почти идентичных устройствах.
Что такое прибор с зарядовой связью (ПЗС)?
Что такое прибор с зарядовой связью (ПЗС)?Устройство с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой светочувствительную интегральную схему, которая захватывает изображения путем преобразования фотонов в электроны. Датчик CCD разбивает элементы изображения на пиксели. Каждый пиксель преобразуется в электрический заряд, интенсивность которого связана с интенсивностью света, захваченного этим пикселем.
В течение многих лет ПЗС-датчики были предпочтительными датчиками в широком спектре устройств, но их неуклонно заменяют датчики изображения, основанные на технологии комплементарных металл-оксид-полупроводник (КМОП).
ПЗС-матрица была изобретена в 1969 году в Bell Labs (теперь часть Nokia) Джорджем Смитом и Уиллардом Бойлом. Однако усилия исследователя были сосредоточены в первую очередь на компьютерной памяти, и только в 1970-х годах Майкл Ф. Томпсетт, также работавший в Bell Labs, усовершенствовал конструкцию ПЗС-матрицы, чтобы она лучше подходила для обработки изображений.
После этого Томпсетт и другие исследователи продолжали совершенствовать ПЗС, что привело к улучшению светочувствительности и общего качества изображения. ПЗС вскоре становится основной технологией, используемой для цифровых изображений.
Светочувствительные интегральные схемы, устройства с зарядовой связью преобразуют фотоны в электроны для захвата изображений. Что делает устройство с зарядовой связью?Небольшие светочувствительные области выгравированы на поверхности кремния, чтобы создать массив пикселей, которые собирают фотоны и генерируют электроны. Количество электронов в каждом пикселе прямо пропорционально интенсивности света, захваченного пикселем. После того, как все электроны сгенерированы, они подвергаются процессу сдвига, который перемещает их к выходному узлу, где они усиливаются и преобразуются в напряжение.
В прошлом ПЗС-матрицы могли обеспечивать изображения гораздо лучшего качества, чем датчики других типов, в том числе основанные на технологии CMOS. В результате они использовались в самых разных устройствах, включая сканеры, считыватели штрих-кодов, микроскопы, медицинское оборудование и астрономические телескопы. Устройства также нашли применение в машинном зрении для роботов, оптическом распознавании символов (OCR), обработке спутниковых фотографий и радиолокационных изображений, особенно в метеорологии.
Кроме того, ПЗС-матрицы использовались в цифровых камерах для обеспечения более высокого разрешения, чем старые технологии.К 2010 году цифровые камеры могли создавать изображения с разрешением более одного миллиона пикселей, но продавались они по цене менее 1000 долларов. Термин «мегапиксель» был придуман для обозначения таких камер.
ПЗС-матрицы и КМОП-сенсорыНесмотря на первые успехи ПЗС-матриц, КМОП-сенсоры завоевывают популярность в отрасли и теперь широко используются в потребительских товарах для захвата изображений. Датчики CMOS проще и дешевле в производстве, чем датчики CCD. Они также потребляют меньше энергии и производят меньше тепла.
Несмотря на это, датчики CMOS имеют репутацию более восприимчивых к шуму изображения, который может повлиять на качество и разрешение. Но их качество значительно улучшилось за последние годы, и сейчас на рынке датчиков изображения доминируют датчики CMOS.
Несмотря на распространение КМОП-датчиков, ПЗС-датчики по-прежнему используются в приложениях, требующих точности и высокой степени чувствительности. Например, датчики CCD продолжают использоваться в медицинском, научном и промышленном оборудовании.Даже космический телескоп Хаббл оснащен ПЗС-датчиком. Но импульс явно отстает от CMOS, и будущее CCD остается неясным.
Хотя датчики CMOS в настоящее время используются для захвата изображений в потребительских товарах, ПЗС-матрицы продолжают широко использоваться в медицине, науке и промышленности благодаря их высокой чувствительности и точности.Изучите использование ИИ в медицинской визуализации и почему обмен данными медицинской визуализации с приложениями ИИ вызывает опасения .
Мы начали интересоваться твердотельными свойствами ПЗС в
1996. С тех пор мы исследовали различные свойства различных передних и
научные ПЗС с обратной засветкой. Некоторые примеры, такие как характеристика
описываются темные кадры и кадры смещения, «двоение» и функция рассеяния точки
более подробно ниже. Введение Первоначально разработан как запоминающее устройство, вскоре после изобретения другие приложения были предложены.Поскольку ПЗС-чип был чувствителен к свету, его можно было использовать как датчик изображения. Первым, кто осознал потенциал ПЗС для Высокое качество научных изображений получили астрономы. ПЗС значительно более высокая чувствительность, чем у приборов того времени: фотопленка и видикон трубы. Обладая чувствительностью в 100 раз большей, чем пленка, ПЗС вытеснила другие датчиков в течение нескольких лет. В истории физики изобретение нового или лучшего оборудования обычно вызывает каскад других открытий. То же самое было и после изобретения ПЗС. Вскоре, ранее невидимый объекты были обнаружены и расширили наши знания и понимание Вселенная. На основе новых данных теоретические модели могли быть проверены или недавно разработан. ПЗС-чип представляет собой массив металл-оксид-полупроводниковых конденсаторов (MOS конденсаторы), каждый конденсатор представляет пиксель. С помощью внешнего напряжение на верхних обкладках МОП-структуры, заряды (электроны (е-) или дырки (h+)) могут храниться в полученной потенциальной яме.Эти обвинения может быть смещен от одного пикселя к другому пикселю с помощью цифровых импульсов к верхним плитам (воротам). Таким образом, заряды могут быть перенесены ряд построчно в последовательный выходной регистр. На картинке показан электрон распределение. Поскольку электроны могут генерироваться оптическим путем или, точнее, возбуждаться от валентность в зоне проводимости, ПЗС можно использовать как датчик света для камер. Камеры, где свет проникает через конструкцию ворот для достижения области, где собираются электроны, называются фронтально освещенными. Более совершенными в производстве, но с более высокой чувствительностью являются камеры где микросхема ПЗС экспонируется с противоположной стороны. Эти камеры называется задней подсветкой. Для обеспечения транспортировки заряда из задней части в с лицевой стороны, где собираются электроны, объем кремния утончается. Картинка на ПЗС представлена распределением электронов на ПЗС-чипе. Но не все электроны дают полезную информацию изображенного объект. Электроны могут быть термически возбуждены в зону проводимости.К свести к минимуму темновой ток научные ПЗС обычно охлаждаются. Изображения, которые включают Темновой ток можно скорректировать путем вычитания так называемого темного кадра. Темный кадр представляет собой снимок, сделанный с закрытым затвором. Он содержит счетчик смещения а также счет от термически освобожденных электронов. Темный счет сильно зависит от температуры и времени воздействия. Энергия, необходимая для возбуждения электронов в зоне проводимости называется энергией активации. Энергии активации варьируются от пикселя к пикселю. Пиксели с очень низкой энергией активации имеют более высокую скорости счета и называются «горячими».Некоторые пиксели показывают счет два или три раза среднее значение кадра. Темновой счет обычно удваивается для каждого повышение температуры от 5 до 10 Кельвинов. Для большинства пикселей разница между темновые подсчеты и подсчеты смещения увеличиваются линейно с течением времени. Температура зависимость темнового тока может быть использована для исследования правила Мейера-Нельделя (MNR). МПР является эмпирический закон, известный с 1937 года. Он гласит, что логарифм экспоненциального предфактора линейно связана с энергией активации.Несмотря на то, что ряд теоретических моделей, объясняющих происхождение теории Мейера-Нельделя, предложены правила, ни одно из них не является общепризнанным. Темный счет в ПЗС дает уникальную возможность (можно использовать более 222 000 отсчетов для проверить MNR) для исследования MNR и лежащего в его основе механизма. Мы нашли что MNR возникает естественным образом для величины, где и внутренний процесс а также процесс с участием примесей. Логарифм экспоненциального предфактора в зависимости от кажущейся активации
энергии для Примеси в кристаллической структуре кремния вызывают два разных эффекта в ПЗС-изображениях. Примесные состояния между валентностью и зона проводимости облегчает переход электронов в зону проводимости и вызвать увеличение сигнала темнового счета. Еще одно явление, вызванное примесными состояниями являются затяжные образы. На фотографиях ниже показано темное кадр, сделанный вскоре после облучения лазерным лучом.Счета за лазерное изображение было ниже, чем значения насыщения для ПЗС-чипа. Темные рамки, следующие за изображением, отображают остатки, «призрак». предыдущей картины, затяжные образы. Этот эффект необходимо учитывать если интенсивность света объекта очень низкая, а высокое разрешение обязательный. Во время экспозиции фотоны переводят электроны в примесные состояния. находится между зоной проводимости и валентной зоной. В более поздних экспозициях эти электроны могут быть легко термически возбуждены в зону проводимости.Это может увеличить количество темных отсчетов, особенно для пикселей с большим количеством загруженные ловушки примесей. При низких температурах захваченные электроны могут оставаться в течение нескольких часов или дней в местах загрязнения. Со времени жизни этих пойманных в ловушку электронов сильно зависит от температуры повышение температуры вызывает выпуск в короткие сроки. Таким образом, ореолы могут быть сведены к минимуму с помощью разогрев чипа перед экспонированием. Левое изображение: плоское поле лазерного пятна; правое изображение: темное изображение двадцать секунд после окончания экспонирования плоского поля.Обратите внимание на «призрака» в темная рамка в той же части изображения, где изображение лазерного пятна был. Изображения, сделанные с помощью устройства с зарядовой связью (ПЗС), представляют собой распределение электронов. над чипом, генерируемым падающим светом. Электроны, генерируемые в пикселе области не обязательно собираются одним и тем же пикселем, но могут рассеиваться в соседние пиксели, потому что электрическое поле, собирающее заряд, не не проникнуть через весь чип. В этих свободных от поля областях заряд может диффундировать случайно.Знание размера области, свободной от поля, помогает улучшить производство. и определить передаточную функцию модуляции для чипа. Мы разработали метод исследования диффузии заряда и исследования размера области без поля. Во-первых, источник для получения светового пятна диаметром менее одного микрометра. Наша идея заключалась в том, чтобы взять наконечник из стекловолокна, похожий на сканер ближнего поля. Микроскоп (SNOM), который позволяет легко менять длину волны. Различные процессы травления с фтористоводородной кислоты были использованы на стекловолокне для формирования наконечника. После покрытия наконечника металл, сфокусированный ионный пучок был использован для разрезания конца, что дало размер апертуры менее одного микрона. Мы используем трехмерную трансляцию, управляемую с пьезоэлементом для сканирования кончиком волокна по одному пикселю. Разные длины волн, поглощаются на разных расстояниях внутри ПЗС, генерируют носители на разных расстояния от области истощения пикселей. Способность переносчиков распространяться будет меньше для длин волн, проникающих глубже, и, таким образом, разнообразие длин волн можно использовать для независимого определения области, свободной от поля.Ответ пикселя в зависимости от расположения иглы над пикселем. Экспериментальная установка для измерения ФРТ ПЗС. IV характеристики диодов CV характеристики устройств GaN в сотрудничестве с НАСА ИК отклик ПЗС Ральф Виденхорн, Ларс Мюндерманн, Армин Рест и Эрик Бодегом, Мейер-Нельдел правило темнового тока в устройствах с зарядовой связью», J. Appl. Phys. 89 , 8179 (2001) pdf Ральф Уайденхорн, Морли М.Блуке, Александр Вебер, Армин Рест и др. Эрик Бодегом, «Температурная зависимость темнового тока в ПЗС», Труды SPIE Vol. 4669 , 193 (2002) pdf Ральф Виденхорн, Армин Рест и Эрик Бодегом, «Мейер-Нельдель правило для свойства, определяемого двумя транспортными механизмами», Дж. Заявл. физ. 91 , 6524 (2002) pdf Армин Рест, Ларс Мюндерманн, Ральф Виденхорн, Эрик Бодегом и Т.К. МакГлинн, «Остаточные изображения в детекторах устройств с зарядовой связью», . преподобный наук. Инструм. 73 , 2028 (2002) pdf Ральф Виденхорн, Эрик Бодегом, «Интерпретация параметров подгонки», Материалы второго выпуска коллоквиума «Математика в технике». численной физики», Бухарест, 26 (2002) Ральф Виденхорн, Эрик Бодегом, «Интерпретация подгоночных параметров», Избранные работы по компьютерным прикладным наукам, т. 1, с.2, Бухарест, 595 (2002) Ральф Уайденхорн, Александр Вебер, Морли М. Блук, Альберт Дж. Бэ, и Эрик Бодегом, «Измерения PSF на ПЗС с задней подсветкой», Проц. SPIE 5017 , 176 (2003) pdf Ральф Виденхорн, Д.А. Йордаке, Эрик Бодегом, «Новый Мейер-Нельдел соотношения для обедненных и диффузионных темновых токов в некоторых ПЗС», с , Международная конференция по полупроводникам, 2004 г. Труды 2 , 363 (2004) pdf Ральф Виденхорн, М.Фитцгиббонс, Эрик Бодегом, «Мейер-Нельдел правило для диодов при прямом смещении», J. Appl. физ. 96 , 7379 (2004) pdf Матиас. Лох, Ральф Виденхорн и Эрик Бодегом, «Инфракрасный отклик приборов с зарядовой связью», Proc. SPIE 5677 , 201 (2005) pdf Ральф Виденхорн, Д.А. Йордаке, Эрик Бодегом, «Интерпретация параметры температурной зависимости темновых токов в некоторых ПЗС», Международная конференция по полупроводникам, 2005 г. Труды 2 , 327 (2005) pdf А.Дж. П. Теувиссен, М.Ф. Snoeij, X. Wang, P.R. Rao, E. Bodegom, «CMOS Датчики изображения для окружающего интеллекта», в «AmIware», ред. С. Мукерджи и др., Springer, 125-150 (2006) Ральф Уайденхорн, Армин Рест, Морли М. Блук, Ричард Л. Берри и Эрик Бодегом, «Вычисление темных кадров в цифровых устройствах формирования изображений». проц. SPIE 6501, 650103 (2007) pdf Ральф Виденхорн,а,б Инес Хартвиг,а Джастин С. Данлэп,а и Эрик Бодегом, «Измерения темнового тока в ПЗС-матрице во время световых экспозиций», будет представлен на Electronic Imaging 2008 Уильям К.Портер, Брэдли Копп, Джастин С. Данлэп, Ральф Уиденхорн и
Эрик Бодегом, «Измерения темнового тока в формирователе изображения CMOS»,
будет представлен на Electronic Imaging 2008 |
Понимание структуры и функциональности ПЗС
Одним из первых крупных проектов, над которым я работал в качестве начинающего инженера, была специально разработанная цифровая камера, построенная на устрашающем ПЗС-датчике от Kodak. Я написал прошивку и взял на себя все управление считыванием, а старший инженер разработал аппаратную часть.Мы были почти командой из двух человек.
Поначалу у меня не было никакого опыта в низкоуровневых деталях электронных систем визуализации, но мои начальники выбрали подход «утону-или-плыву», и это окупилось. Камера работала, и к концу этого проекта я, наверное, знал о синхронизации ПЗС больше, чем кто-либо другой в здании.
Что такое ПЗС?
«ПЗС» означает «устройство с зарядовой связью». ПЗС — это интегрированная полупроводниковая система, которая преобразует фотоны в электроны, а затем перемещает эти генерируемые светом пакеты электрического заряда из их первоначального местоположения на выходной контакт датчика.
Если вы думаете, что «устройство с зарядовой связью» — это странное название для датчика изображения, вы правы. Этот термин относится просто к системе движущегося электрического заряда, так что в данном контексте, когда мы говорим «ПЗС», мы на самом деле имеем в виду что-то вроде «светочувствительного устройства с зарядовой связью ».
Сначала исследователи изучали ПЗС как новый способ хранения информации в компьютерных системах, а позже они поняли, что эта технология может быть полезна в приложениях для обнаружения света.Это, вероятно, объясняет, почему термин «ПЗС» обозначает устройство формирования изображения, но не содержит явного упоминания об изображении.
Структура ПЗС
Следующая диаграмма дает общее представление о конструкции ПЗС и о том, что происходит на уровне полупроводников.
- Фотодиод пикселя создает электрический потенциал в ответ на падающий свет. Зависимость между интенсивностью света во времени и накопленным зарядом изначально линейна, но становится нелинейной по мере приближения пикселя к насыщению.В современных ПЗС-матрицах используются штифтовые фотодиоды с тонким p+-слоем, не показанным на этой диаграмме.
- Электроны накапливаются в «потенциальной яме» внутри кремния р-типа под диодом.
- Потенциальная яма — это физическая область, созданная приложением положительного напряжения . Термин «колодец» используется потому, что это положительное напряжение притягивает электроны и отталкивает дырки, тем самым создавая область, в которую будут течь генерируемые светом электроны.
- Мы создаем потенциальный барьер, подавая 0 В или отрицательное напряжение.Барьер блокирует движение электронов.
- Тактовые сигналы, подаваемые на переходные затворы, приводят к последовательному созданию колодцев и барьеров, и это основной механизм, с помощью которого ПЗС-матрица направляет дискретные пакеты генерируемого светом заряда от отдельных пикселей к выходному терминалу датчика.
- Затвор сброса — это средство очистки накопленного заряда в пикселе. Мы вернемся к сбросу и сливу позже в статье.
Операция ПЗС
Процесс захвата изображения начинается в фотоактивной области каждого пикселя.После периода, известного как экспозиция (в отношении пленки, которая подвергается воздействию света только при открытом механическом затворе камеры) или как интегрирование (поскольку фотодиоды накапливают заряд), каждый пиксель имеет количество электрического заряда, соответствующее интенсивности света. в этом конкретном месте пикселя.
Теперь у нас есть электрическое представление оптической сцены, но у нас нет прямого доступа к этим дискретным пакетам заряда. Нам нужно передать их с устройства, чтобы их можно было усилить, оцифровать, обработать и отобразить в виде двухмерного изображения.Вот здесь-то и вступает в действие зарядовая связь. Подавая на датчик тщательно рассчитанные по времени управляющие напряжения, мы можем перемещать эти зарядовые пакеты — один за другим, шаг за шагом — к выходному контакту. Это называется считыванием.
ПЗС работает как сеть аналоговых сдвиговых регистров. Горизонтальный (он же последовательный) регистр сдвига перемещает зарядовые пакеты с одной линии датчика на выход. Когда эта строка завершена, вертикальные (также известные как параллельные) сдвиговые регистры перемещают пакеты заряда для следующей строки в горизонтальный сдвиговый регистр, который затем выполняет считывание.Этот процесс продолжается с тысячами или миллионами маленьких пакетов заряда, марширующих вокруг датчика, пока каждый последний не будет преобразован в напряжение и доставлен во внешнюю схему обработки сигналов.
На этой схеме показаны структура и функциональные возможности ПЗС-матрицы с межстрочным переносом. После интегрирования заряд передается в вертикальные сдвиговые регистры (зеленые стрелки), затем вниз в горизонтальный сдвиговый регистр (синие стрелки), затем на выходной терминал (оранжевая стрелка) через усилитель заряда.
Сброс пикселей и электронный затвор
Когда на затвор сброса подается 0 В или отрицательное напряжение, потенциальный барьер препятствует движению электронов в сток. Это гарантирует, что генерируемый светом заряд может накапливаться под фотодиодом.
Если мы хотим слить любой заряд, который может храниться в пикселе, мы можем подать положительное напряжение на вентиль сброса.
Приложение положительного напряжения к затвору сброса устранило потенциальный барьер.
Эта важная функция позволяет реализовать электронный затвор. Если ворота сброса удерживаются высоко, затвор «закрыт»: хотя мы на самом деле не заблокировали падающий свет, датчик ведет себя так, как будто света нет, потому что генерируемый светом заряд стекает с фотодиода. Экспозиция начинается, когда мы «открываем» затвор, опуская затвор сброса; это устанавливает потенциальный барьер и позволяет произойти интеграции заряда. Затем мы заканчиваем период экспозиции, перенося интегрированный заряд в сдвиговый регистр.
Электронная опалубка более точна, чем механическая, и делает всю систему проще и надежнее.
Цветение
Ворота сброса также участвуют в решении проблемы, известной как цветение. Передержка нежелательна в любом типе системы обработки изображений, но она может быть особенно проблематичной в ПЗС-матрицах, поскольку избыточный заряд, генерируемый передержанными пикселями, будет распространяться или «растекаться» по соседним пикселям.
Сток обеспечивает обходной путь: напряжение, подаваемое на вентиль сброса, определяет высоту потенциального барьера, который, в свою очередь, определяет «полную емкость пикселя». ” Если накопленный заряд достигает полной емкости колодца, избыток переливается через барьер и стекает, прежде чем он вызовет цветение.
Заключение
Мы рассмотрели некоторые основные структурные и рабочие характеристики ПЗС-датчиков изображения. Мы продолжим наше исследование ПЗС в следующей статье.
Что такое ПЗС-детектор?
A ПЗС или Устройство с зарядовой связью представляет собой высокочувствительный детектор фотонов. Он разделен на большое количество светочувствительных небольших областей, известных как пиксели, которые можно использовать для создания изображения интересующей области.
ПЗС — многоканальный матричный детектор УФ, видимого и ближнего инфракрасного диапазона на основе кремния. Они используются для спектроскопии, так как они чрезвычайно чувствительны к свету. Это делает эти детекторы подходящими для анализа изначально слабого рамановского сигнала. Он также позволяет работать в многоканальном режиме, что означает, что весь спектр может быть обнаружен за один раз.
ПЗС широко используются помимо датчиков в цифровых камерах. Версии, которые используются для научной спектроскопии, имеют значительно более высокий класс, чтобы обеспечить наилучшие характеристики чувствительности, однородности и шума.
ПЗС-детекторы обычно являются одномерными, называемыми линейными, или двумерными, называемыми массивами площадей из тысяч или миллионов отдельных детекторных элементов. Эти элементы известны как пиксели. Каждый элемент взаимодействует со светом, создавая заряд. Чем ярче свет и/или дольше взаимодействие, тем больше регистрируется заряд. В конце измерения электроника считывания снимает заряд с элементов, и измеряется каждое отдельное показание заряда.
В типичном рамановском спектрометре рамановский рассеянный свет рассеивается с помощью дифракционной решетки. Этот рассеянный свет проецируется на длинную ось матрицы ПЗС. Первый элемент будет обнаруживать свет от нижнего края спектра -1 см. Второй элемент будет обнаруживать свет из следующей спектральной позиции и так далее.