Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. основные характеристики пзс

Неизвестный Сергей Иванович
Никулин Олег Юрьевич

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ -
ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЗС.

В предыдущей статье был сделан краткий анализ существующих полупроводниковых приёмников света и подробно описаны строение и принцип функционирования приборов с зарядовой связью.

В предлагаемой статье речь пойдет о физических характеристиках ПЗС-матриц и об их влиянии на общие свойства телекамер.

Число элементов ПЗС-матрицы.

Пожалуй, самая “базовая” характеристика ПЗС-матриц - число элементов. Как правило, подавляющее число моделей имеют стандартное число элементов, ориентированное на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (такие матрицы позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала).

Наиболее крупным из изготовленных и описанных в литературе ПЗС является монокристальный прибор корпорации Ford Aerospace размером 4096х4096 пикселов со стороной пиксела 7,5 микрон.

При производстве выход качественных приборов больших размеров очень невысок, поэтому при создании ПЗС-видеокамер для съемок крупноформатных изображений применяют другой подход. Многими фирмами изготавливаются ПЗС с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне (buttable CCD). Из таких приборов собирают мозаичные ПЗС. Например, фирмой Loral Fairchild изготавливается очень интересный и перспективный прибор 2048х4096 15 мкм. Выводы этого ПЗС вынесены на одну узкую сторону. Достижения российской промышленности несколько скромнее. НПП “Силар” (Санкт-Петербург) выпускает ПЗС 1024х1024 16 мкм с объемным каналом переноса заряда, виртуальной фазой и выводами на одной стороне прибора. Такая архитектура приборов позволяет стыковать их друг с другом с трех сторон.

Интересно отметить, что в настоящее время создано несколько специализированных крупноформатных светоприемников на основе ПЗС-мозаик. Так, например, из восьми ПЗС 2048х4096 компании Loral Fairchild собирается мозаика 8192х8192 с общими размерами 129х129 мм. Зазоры между отдельными кристаллами ПЗС составляют менее 1 мм. В некоторых приложениях относительно большие зазоры (до 1 см) не считаются серьезной проблемой, так как полное изображение можно получить суммированием в памяти компьютера нескольких экспозиций, слегка смещенных относительно друг друга, заполняя таким образом зазоры. Изображение, полученное мозаикой 8196х8196, содержит 128 Мбайт информации, что эквивалентно, примерно, 100-томной энциклопедии по 500 страниц в каждом томе. Хотя эти цифры и внушительны, они все же малы по сравнению с размерами и разрешением фотографических эмульсий, которые могут изготавливаться огромными листами. Даже самая крупнозернистая 35-мм пленка содержит в кадре до 25 миллионов разрешаемых зерен (пикселов).

Разрешающая способность телекамер

От числа элементов ПЗС-матрицы напрямую зависит один из основных параметров телекамеры - разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики.

Разрешение определяется как максимальное количество чёрных и белых полос (т.е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте.

Это означает, что камера позволяет рассмотреть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, если в паспорте камеры указано, что её разрешение составляет N телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая расстояние и фокусируя изображение таблицы, надо добиться того, чтобы верхний и нижний края изображения таблицы на мониторе совпали с внешними контурами таблицы, отмечаемыми вершинами черных и белых призм. Далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают различаться. Последнее замечание очень важно, так как и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС-матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами.

За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия). Разрешение по вертикали у всех камер практически одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом - 625 строк телевизионной развертки и они по этой координате не могут передать больше 625 объектов. Различие в разрешении по горизонтали - именно оно обычно указывается в технических описаниях.

На практике в большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для задач теленаблюдения общего характера. Однако, для специализированных телесистем и задач, таких, как телемониторинг большого пространства одной камерой, просмотр большого периметра телекамерой с переменным угловым увеличением (зумом), слежения в аэропортах, железнодорожных вокзалах, причалах, супермаркетах, системы отождествления и распознавания автомобильных номеров, системы идентификации по лицу и пр., требуется более высокое разрешение (для этого используются камеры с разрешением 570 и более тв-линий).

Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых. Это является следствием того, что структура пиксела ПЗС-матриц, применяемых в цветном телевидении, отличается от структуры пиксела черно-белых матриц. Образно говоря, пиксел цветной матрицы состоит из комбинации трех пикселов, каждый из которых регистрирует свет либо в красной (Red), либо в зелёной (Green), либо в голубой (Blue) части оптического спектра. Таким образом, с каждого элемента цветной ПЗС-матрицы снимется три сигнала (RGB-сигнал). Эффективное разрешение при этом должно быть в раз хуже, чем у чёрно-белых матриц. Однако, у цветных матриц разрешение ухудшается меньше, так как размер их пиксела по сравнению с размером пиксела аналогичной чёрно-белой матрицы в полтора раза меньше, что в результате приводит к ухудшению разрешения всего лишь на 30-40%. Негативной стороной этого является снижение чувствительности цветных матриц, поскольку эффективная площадь регистрации элемента изображения становится существенно меньше. Типичное разрешение цветных телекамер составляет 300 - 350 тв-линий.

Кроме того, на разрешение камеры влияет полоса частот видеосигнала, выдаваемого камерой. Для передачи сигнала 300 ТВЛ необходима полоса частот 2,75 МГц (150 периодов на 55 мкс строки телевизионной развертки). Связь между полосой частот телеразвертки (n пчтр) и разрешением (ТВЛ) определяется соотношением:

n пчтр =(ТВЛ/2) х n чств,

где частота n пчтр измеряется в МГц, разрешение ТВЛ в тв-линиях, частота строчной телеразвертки n чств =18.2 кГц.

В настоящее время разработано много разнообразных полупроводниковых усилителей с хорошими частотными характеристиками, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую, чтобы ни в коей мере не повлиять на итоговое разрешение системы. Так что разрешение ограничивается именно топологией дискретности светоприемной области ПЗС-матрицы. Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют красивыми словами типа “resolution enhancement” или “edge enhancement”, что можно перевести как “контрастное разрешение” и “подчёркнутые границы”. Надо отдавать себе отчет в том, что такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.

Однако есть один случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на несущей (в стандарте PAL - на частоте около 4,4 МГц.), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц (строго говоря, стандарт предполагает гребёнчатые фильтры для разделения сигналов цветности и яркости, однако реальное оборудование имеет просто фильтры НЧ). Это соответствует разрешению около 420 ТВЛ. В настоящее время некоторые производители декларируют разрешение своих цветных камер 480 ТВЛ и более. Но они, как правило, не акцентируют внимание на том, что это разрешение реализуется, лишь если сигнал снимается с Y-C (S-VHS) или компонентного (RGB) выхода. В этом случае сигналы яркости и цветности передаются двумя (Y-C) или тремя (RGB) отдельными кабелями от камеры к монитору. При этом монитор, а также все промежуточное оборудование (переключатели, мультиплексоры, видеомагнитофоны) также должны обладать входами/выходами типа Y-C (или RGB). В противном случае, один-единственный промежуточный элемент, обрабатывающий композитный видеосигнал, ограничит полосу пропускания упомянутыми 3,8 МГц и сделает все затраты на дорогие камеры бесполезными.

Квантовая эффективность и квантовый выход ПЗС-камеры.

Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла ПЗС.

Однако не следует путать понятия квантовая эффективность и квантовый выход. Квантовый выход - это отношение числа фотоэлектронов, образовавшихся в полупроводнике или вблизи его границы в результате фотоэффекта, к числу упавших на этот полупроводник фотонов.

Квантовая эффективность - это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала.

По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) - до 20%, у ПЗС этот параметр может достигать 95% при типичном значении от 4% (низкокачественные ПЗС, используемые, как правило, в дешёвых видеокамерах “желтой” сборки) до 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у ПЗС. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных телекамер и фотоэмульсий. ПЗС реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (ИК-излучение). Этот огромный диапазон намного больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени.

Рис. 1.Пример квантовой эффективности ПЗС-матрицы.

Чувствительность и спектральный диапазон

С понятиями квантовой эффективности и квантового выхода тесно связан другой важный параметр телекамеры - чувствительность. Если квантовой эффективностью и квантовым выходом оперируют, в основном, разработчики и проектировщики новых телесистем, то чувствительностью пользуются инженеры-наладчики, служба эксплуатации и проектировщики непосредственных рабочих проектов на предприятиях. По сути, чувствительность и квантовый выход приёмника связаны между собой линейной функцией. Если квантовый выход связывает количество падающих на светоприемник фотонов и число фотоэлектронов, порождённых этими фотонами в результате фотоэффекта, то чувствительность определяет отклик светоприёмника в электрических единицах измерения (например, в мА) на определённую величину падающего потока света (например, в Вт или в лк/сек). При этом разделяется понятие болометрической чувствительности (т.е. суммарная во всем спектральном диапазоне чувствительности приёмника) и монохроматическая, измеряемая, как правило, по потоку излучения спектральной шириной в 1 нм (10 ангстрем). Когда говорят, что чувствительность приёмника на длине волны (например, 450 нм), то это означает, что чувствительность пересчитана на поток в диапазоне от 449,5 нм до 450,5 нм. Такое определение чувствительности, измеряемой в мА/Вт, является однозначным и не вызывает при его использовании никакой путаницы.

Однако для потребителей телевизионной техники, применяемой в охранных системах, чаще используют другое определение чувствительности. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице (image illumination).

С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения (иногда этот коэффициент называют словом “альбедо”). Альбедо обычно определяется на конкретной длине волны, хотя есть такое понятие как болометрическое альбедо. Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности на объекте. Это особенно сказывается при проектировании телесистем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом.*

Примечание

* Задачи такого рода появляются в практике охранного телевидения, особенно в местах с повышенной угрозой терроризма и пр. Телесистемы такого рода разработаны в 1998 году в Японии и готовятся к массовому производству.

Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизованных условиях - коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4. Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приведена ниже:

Iimage=Iscene х R/(p х F2),

где Iimage , Iscene - освещенность ПЗС-матрицы и объекта (табл. 1);
R - коэффициент отражения объекта (табл. 2);
p - число 3,14;
F - светосила объектива.

Значения Iimage и Iscene отличаются обычно больше, чем в 10 раз.

Освещенность измеряется в люксах. Люкс - освещенность, создаваемая точечным источником в одну международную свечу на расстоянии в один метр на поверхности, перпендикулярной к лучам света.

Таблица 1. Ориентировочная освещенность объектов.

* “Белые ночи” - условия освещенности, удовлетворяющие гражданским сумеркам, т.е. когда солнце погружается под горизонт без учёта атмосферной рефракции не более чем на 6° . Это справедливо для Санкт-Петербурга. Для Москвы выполняются условия так называемых “навигационных белых ночей”, т.е. когда диск солнца погружается под горизонт не более чем на 12° .

Нередко чувствительность камеры указывают для “приемлемого сигнала”, под которым подразумевается такой сигнал, когда отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.

Другой способ определения “приемлемого” сигнала - шкала IRE (Institute of Radio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта) принимается за 100 единиц IRE. “Приемлемым” считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, в частности, BURLE, указывает для 25 IRE, некоторые - для 50 IRE (уровень сигнала -6 дБ). Выбор “приемлемого” уровня определяется отношением сигнал/шум. Нетрудно усилить электронный сигнал. Беда, что шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового производства ныне обладают Hyper-HAD матрицы фирмы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве камер высокого качества. Разброс параметров, построенных на их основе камер означает, в основном, разнобой в подходах производителей к определению понятия “приемлемый сигнал”.

Дополнительная проблема с определением чувствительности связана с тем, что единица измерения освещенности “люкс” определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. В связи с чем имеет смысл обращать особое внимание на такую характеристику, как спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и по некоторым параметрам приближаются к приборам ночного видения.

Спектральная чувствительность цветных камер примерно совпадает с человеческим глазом.

Рис. 2. Пример спектральной чувствительности цветной ПЗС-матрицы с RGB стандартными полосами.

Таблица 2. Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов.

* Интересно отметить, что коэффициент отражения лунной поверхности тоже составляет около 7%, т.е. Луна на самом деле чёрная.

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь - ЭОП). Подобные камеры обладают уникальными свойствами (чувствительность в 100 - 10000 раз выше обычных, причем в среднем инфракрасном диапазоне там, где наблюдается максимум излучения человеческого тела, оно само светится), но, с другой стороны, и уникальной капризностью - время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до F/1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, дабы избежать “вжигания” изображения на катоде ЭОП.

Интересно отметить, что в отличие от ПЗС-матриц, катоды ЭОП очень чувствительны к максимальным засветкам. Если светочувствительная область ПЗС-камеры после яркого освещения сравнительно легко возвращается в своё исходное состояние (ей практически не страшны засветки), то катод ЭОП после яркой засветки очень долго (иногда 3-6 часов) “восстанавливается”. Во время этого восстановления, даже при закрытом входном окне, с катода ЭОП считывается остаточное, “воженное” изображение. Как правило, после больших засветок, из-за эффектов реабсорбции (выделение газов под воздействием бомбардировки стен каналов потоками ускоряемых электронов) на большой площади микроканальных пластин резко возрастают шумы ЭОП и, в частности, многоэлектронные и ионные. Последние проявляются в виде частых ярких вспышек большого диаметра на экране монитора, что резко затрудняет выделение полезного сигнала. При ещё больших входных световых потоках могут произойти необратимые процессы как с катодом, так и с выходным люминесцентным экраном ЭОП: под воздействием большого потока происходит выход из строя (“выжигание”) отдельных их участков. При дальнейшей эксплуатации эти участки имеют пониженную чувствительность, падающую в дальнейшем до нуля.

В большинстве телекамер сверхвысокой чувствительности применяются усилители яркости с выходными люминесцентными экранами жёлтого или желто-зеленого свечения. В принципе, свечение этих экранов можно рассматривать как монохроматический источник излучения, что автоматически приводит к определению: системы такого типа могут быть только монохромные (т.е. чёрно-белые). Учитывая это обстоятельство, создатели систем подбирают и соответствующие ПЗС-матрицы: с максимумом чувствительности в жёлто-зелёной части спектра и с отсутствием чувствительности в ИК-диапазоне.

Отрицательным следствием высокой чувствительности матриц в ИК-диапазоне является повышенная зависимость шумов прибора от температуры. Поэтому ИК-матрицы, используемые для работ в вечернее и ночное время без усилителей яркости, в отличие от телесистем с ЭОП, рекомендуется охлаждать. Основной причиной сдвига чувствительности ПЗС-телекамер в ИК-область по сравнению с другими полупроводниковыми приёмниками излучения связан с тем, что более красные фотоны проникают дальше в кремний, так как прозрачность кремния больше в длинноволновой области и при этом вероятность захвата фотона (преобразования его в фотоэлектрон) стремится к единице.

Рис. 3. Зависимость глубины поглощения фотонов в кремнии от длины волны.

Для света с длиной волны больше 1100 нм кремний прозрачен (энергии красных фотонов не достаточно для создания электронно-дырочной пары в кремнии), а фотоны с длиной волны менее 300-400 нм поглощаются в тонком поверхностном слое (уже на поликремневой структуре электродов) и не достигают потенциальной ямы.

Как уже говорилось выше, при поглощении фотона генерируется пара носителей электрон-дырка, и электроны собираются под электродами, если поглощение фотона произошло в обедненной области эпитаксиального слоя. При такой структуре ПЗС может быть достигнута квантовая эффективность около 40% (теоретически на этой границе квантовый выход равен 50%). Однако поликремниевые электроды непрозрачны для света с длиной волны короче 400 нм.

Для получения более высокой чувствительности в коротковолновом диапазоне часто используют покрытие ПЗС тонкими пленками веществ, которые поглощают голубые или ультрафиолетовые (УФ) фотоны и переизлучают в видимом или красном диапазоне длин волн.

Шумом называют любой источник неопределенности сигнала. Можно выделить следующие типы шумов ПЗС.

Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону (статистике) Пуассона. Поток фотонов (S - количество фотонов, падающих на светочувствительную часть приемника за единицу времени) так же следует этой статистике. Согласно ей, фотонный шум равен . Таким образом, отношение сигнал/шум (обозначается как S/N - signal/noise ratio) для входного сигнала будет:

S/N==.

Шум темнового сигнала.Если на вход матрицы не подавать световой сигнал (например, плотно закрыть светонепроницаемой крышкой объектив видеокамеры), то на выходе системы получим так называемые “темновые” кадры, по-другому его называют шум-снежок. Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал. Термоэлектронная эмиссия также подчиняется статистике Пуассона и её шум равен: , где N t - число термически сгенерированных электронов в общем сигнале. Как правило, во всех используемых в системах охранного телевидения видеокамерах ПЗС применяются без активного охлаждения, вследствие чего темновой шум оказывается одним из основных источников шума.

Шум переноса. Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется. Она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса случайным образом меняется как функция количества переносимых зарядов (N), числа переносов (n) и неэффективности отдельного акта переноса (e). Если предположить, что каждый пакет переносится независимо, то шум переноса можно представить следующим выражением:

s =.

Пример: для неэффективности переноса 10 -5 , 300 переносов и числа электронов в пакете 10 5 , шум переноса составит 25 электронов.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания можно представить как некоторый базовый уровень шума, который присутствует даже в изображении с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала равен нулю. Типичный шум считывания для хороших образцов ПЗС составляет 15-20 электронов. В лучших образцах ПЗС, изготавливаемых корпорацией Ford Aerospace по технологии Skipper, достигнут шум считывания менее 1 электрона и неэффективность переноса составляет 10 -6 .

Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд. Для этого используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла, что вносит шум:

s r =,

где k - постоянная Больцмана.

Для типичного значения ёмкости С равной 0.1пф при комнатной температуре шум сброса составит около 130 электронов. kTC-шум может быть полностью подавлен специальным методом обработки сигнала: двойной коррелированной выборкой (ДКВ). Метод ДКВ эффективно устраняет и низкочастотные сигналы, вносимые обычно цепями питания.

Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения приходится на темное время суток (либо плохо освещенные помещения), то особенно важно уделять внимание низкошумящим видеокамерам, имеющим большую эффективность применения в условиях низкого освещения.

Параметр, описывающий относительную величину шума, как было сказано выше, называется отношением сигнал/шум (S/N) и измеряется в децибелах.

S/N =20 х log(<видеосигнал>/<шум>)

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума.

При соотношении сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума, при 40 дБ - иногда заметны мелькающие точки, при 30 дБ - “снег” по всему экрану, при 20 дБ - изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную “снежную” пелену разглядеть еще можно.

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма-коррекции, больше.

Динамический диапазон

Динамический диапазон - это отношение максимально возможного сигнала, сформированного светоприемником, к его собственному шуму. Для ПЗС этот параметр определяется как отношение наибольшего зарядового пакета, который может быть накоплен в пикселе к шуму считывания. Чем больше размер пиксела ПЗС, тем больше электронов может удерживаться в нем. Для разных типов ПЗС эта величина составляет от 75000 до 500000 и выше. При 10 е - шумов (шум ПЗС измеряется в электронах е -) динамический диапазон ПЗС достигает значения 50000. Большой динамический диапазон особенно важен для регистрации изображения в уличных условиях при ярком солнечном свете или в ночных условиях, когда имеется большой перепад освещенности: яркий свет от фонаря и неосвещенная теневая сторона объекта. Для сравнения: лучшие фотоэмульсии имеют динамический диапазон лишь около 100.

Для более наглядного понимания некоторых характеристик ПЗС-приемников и, прежде всего, динамического диапазона, приведем краткое сопоставление их со свойствами глаза человека.

Глаз - самый универсальный светоприёмник.

До сих пор самым эффективным и совершенным, с точки зрения динамического диапазона (и, в особенности, с точки зрения эффективности обработки и восстановления изображения), светоприёмником является человеческий глаз. Дело в том, что глаз человека совмещает два типа светорегистраторов: палочки и колбочки.

Палочки имеют малый размер и сравнительно низкую чувствительность. Они расположены в основном в области центрального жёлтого пятна и практически отсутствуют на периферии сетчатки глазного дна. Палочки хорошо отличают свет с разной длиной волны, точнее имеют механизм формирования разного нейросигнала в зависимости от цвета падающего потока. Поэтому в условиях нормальной освещенности обычный глаз имеет максимальное угловое разрешение вблизи оптической оси хрусталика, максимальное различие цветовых оттенков. Хотя у некоторых людей наблюдаются патологические отклонения, связанные с уменьшением, а иногда отсутствием способности формировать различные нейросигналы в зависимости от длины волны света. Эта патология называется дальтонизм. Люди с острым зрением практически не бывают дальтониками.

Колбочки распределены почти равномерно по всей сетчатке глаза, имеют больший размер и, следовательно, большую чувствительность.

В условиях дневного освещения сигнал от палочек значительно превышает сигнал от колбочек, глаз настроен на работу с ярким освещением (так называемое “дневное” зрение). Палочки по сравнению с колбочками имеют больший уровень “темнового” сигнала (в темноте мы видим ложные светлые “искорки”).

Если неуставшего человека с обычным зрением поместить в тёмную комнату и дать ему адаптироваться (“привыкнуть”) к темноте, то “темновой” сигнал от палочек сильно уменьшится и в восприятии света начнут эффективнее работать колбочки (“сумеречное” зрение). В знаменитых опытах С.И.Вавилова было доказано, что человеческий глаз (вариант “колбочки”) способен регистрировать отдельные 2-3 кванта света.

Таким образом, динамический диапазон человеческого глаза: от яркого солнца до отдельных фотонов, составляет 10 10 (т.е. 200 децибел!). Наилучшим по этому параметру искусственным светоприемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В режиме счета фотонов он имеет динамический диапазон до 10 5 (т.е. 100 дБ), а с устройством автоматического переключения на регистрацию в аналоговый режим динамический диапазон ФЭУ может достигать 10 7 (140 дБ), что в тысячу раз хуже по динамическому диапазону, чем глаз человека.

Спектральный диапазон чувствительности у палочек весьма широк (от 4200 до 6500 ангстрем) с максимумом примерно на длине волны 5550 ангстрем. У колбочек спектральный диапазон более узкий (от 4200 до 5200 ангстрем) с максимумом на длине волны около 4700 ангстрем. Поэтому при переходе от дневного зрения к сумеречному обычный человек теряет способность различать цвета (недаром говорят: “ночью все кошки серы”), а эффективная длина волны смещается в синюю часть, в область высокоэнергетичных фотонов. Этот эффект смещения спектральной чувствительности называется эффектом Пуркинье. Им (косвенным образом) обладают многие цветные ПЗС-матрицы, несбалансированные по RGB-сигналу на белый цвет. Это следует учитывать при получении и использовании информации о цвете в телесистемах с камерами, не имеющими автоматической коррекции белого.

Линейность и гамма-коррекция.

ПЗС обладают высокой степенью линейности. Другими словами, число электронов, собираемых в пикселе, строго пропорционально числу фотонов, попавших на ПЗС.

Параметр “линейность” тесно связан с параметром “динамический диапазон”. Динамический диапазон, как правило, может существенно превосходить диапазон линейности, если в системе предусмотрена аппаратная или дальнейшая программная коррекция работы прибора в нелинейной области. Обычно легко поддается корректировке сигнал с отклонением от линейности не более чем на 10%.

Совершенно другая ситуация наблюдается в случае фотографических эмульсий. Эмульсии имеют сложную зависимость реакции на свет и, в лучшем случае, позволяют достичь фотометрической точности в 5% и то только в части своего и без того узкого динамического диапазона. ПЗС же линейны с точностью до 0,1% практически во всем динамическом диапазоне. Это позволяет относительно легко устранять влияние неоднородности чувствительности по полю. Кроме того, ПЗС позиционно стабильны. Положение отдельно взятого пиксела строго фиксировано при изготовлении прибора.

Кинескоп в мониторе имеет степенную зависимость яркости от сигнала (показатель степени 2,2), что приводит к уменьшению контрастности в темных участках и к увеличению - в ярких; в то же время, как было уже отмечено, современные ПЗС-матрицы производят линейный сигнал. Для компенсации общей нелинейности в камеру обычно встраивается устройство (гамма-корректор), предъискажающее сигнал с показателем степени 1/2,2, т.е. 0,45. Некоторые камеры предоставляют выбор коэффициента предъискажения, например, вариант 0,60 приводит к субъективному повышению контрастности, что производит впечатление более “четкой” картинки. Побочный эффект - гамма-коррекция означает дополнительное усиление слабых сигналов (в частности, шума), т.е. одна и та же камера с включенной Г=0.4 будет примерно вчетверо “чувствительнее”, чем при Г=1. Однако еще раз напомним, что никакой усилитель не может увеличить отношение сигнал/шум.

Растекание заряда.

Максимальное количество электронов, накапливаемых в пикселе, ограничено. Для матриц среднего качества изготовления и типичных размеров это значение обычно составляет 200000 электронов. И если суммарное количество фотонов за время экспозиции (кадра) достигнет предельного значения (200000 или более при квантовом выходе 90 % или более), то зарядовый пакет начнет перетекать в соседние пикселы. Детали изображения начинают сливаться. Эффект усиливается, когда “лишний” не поглощенный тонким телом кристалла световой поток отражается от подложки-основы. При световых потоках в пределах динамического диапазона фотоны не доходят до подложки, они практически все (при большом квантовом выходе) трансформируются в фотоэлектроны. Но вблизи верхней границы динамического диапазона происходит насыщение и нетрансформированные фотоны начинают “блуждать” по кристаллу преимущественно с сохранением направления начального входа в кристалл. Большая часть этих фотонов достигает подложки, отражается и этим увеличивает вероятность последующей трансформации в фотоэлектроны, перенасыщая зарядовые пакеты и без того находящиеся у границы растекания. Однако, если на подложку нанести поглощающий слой, так называемое противобликовое покрытие (антиблюмминг), то эффект растекания сильно уменьшится. Многие современные матрицы, выпускаемые по новым технологиям, имеют антиблюмминг, что является одним из составляющих системы компенсации заднего света.

Стабильность и фотометрическая точность.

Даже наиболее чувствительные ПЗС-видеокамеры бесполезны для применения в условиях низкого освещения, если они имеют нестабильную чувствительность. Стабильность - неотъемлемое свойство ПЗС как твердотельного прибора. Здесь, прежде всего, имеется ввиду стабильность чувствительности во времени. Временная стабильность проверяется по измерениям потоков от специальных стабилизированных источников излучения. Она определяется стабильностью квантового выхода самой матрицы и стабильностью работы электронной системы считывания, усиления и регистрации сигнала. Эта результирующая стабильность работы видеокамеры является основным параметром при определении фотометрической точности, т.е. точности измерения регистрируемого светового сигнала.

Для хороших образцов матриц и качественной электронной системы фотометрическая точность может достигать 0,4 - 0,5%, а в некоторых случаях, при оптимальных условиях работы матрицы и применении специальных методов обработки сигнала, - 0.02%. Результирующая фотометрическая точность определяется несколькими основными составляющими:

• временной нестабильностью системы в целом;
• пространственной неоднородностью чувствительности и, прежде всего, неоднородностью высокочастотной (т.е. от пиксела к пикселу);
• величиной квантовой эффективности видеокамеры;
• точностью оцифровки видеосигнала для цифровых видеокамер;
• величиной шумов разных типов.

Даже если ПЗС-матрица имеет большие неоднородности в чувствительности, их влияние на результирующую фотометрическую точность может быть снижено специальными методами обработки сигнала, если конечно эти неоднородности стабильны во времени. С другой стороны, если матрица обладает высокой квантовой эффективностью, но нестабильность которой велика, результирующая точность регистрации полезного сигнала будет низкой. В этом смысле для нестабильно работающих приборов точность регистрации полезного сигнала (или фотометрическая точность) является более важной характеристикой, чем характеристика отношения сигнал/шум.

В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве систем ввода изображений используются ПЗС (прибор с зарядовой связью, английский эквивалент CCD) матрицы.

Принцип работы ПЗС матрицы следующий: на основе кремния создается матрица светочувствительных элементов (секция накопления). Каждый светочувствительный элемент имеет свойство накапливать заряды, пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом за некоторое время (время экспозиции) на секции накопления получается двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. Накопленные заряды первоначально переносятся в секцию хранения, а далее строка за строкой и пиксел за пикселом на выход матрицы.

Размер секции хранения по отношению к секции накопления бывает разный:

• на кадр (матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки);
• на полукадр (матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки);

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Очевидно, что для работы таких матриц требуется оптический затвор.

Качество современных ПЗС матриц таково, что в процессе переноса заряд практически не изменяется.

Не смотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС матрицы, используемые в них, практически одни и теже, поскольку массовое и крупносерийное производство ПЗС матриц осуществляется всего несколькими фирмами. Это SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Основными параметрами, ПЗС матриц являются:

• размерность в пикселях;
• физический размер в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т.д.). При этом сами цифры не определяют точный размер чувствительной области, а, скорее, определяют класс прибора;
• чувствительность.

Разрешающая способность ПЗС камер .

Разрешающая способность ПЗС камер в основном определяется размерностью ПЗС матрицы в пикселях и качеством обьектива. В какой-то степени на это может влиять электроника камеры (если она плохо сделана это может ухудшить разрешение, но откровенно плохо сейчас делают редко).

Здесь важно сделать одно замечание. В некоторых случаях для улучшения видимого разрешения в камерах устанавливаются высокочастотные пространственные фильтры. В этом случае изображение объекта, полученное с камеры меньшей размерности, может выглядеть даже более резким, чем изображение этого же объекта, полученное объктивно лучшей камерой. Конечно, это приемлемо, в том случае когда камера используется в системах визуального наблюдения, но совершенно не подходит для построения измерительных систем.

Разрешающая способность и формат ПЗС матриц .

В настоящее время различными компаниями выпускается ПЗС матрицы, охватывающие широчайший диапазон размерностей от нескольких сотен до нескольких тысяч. Так сообщалось о матрице с размерностью 10000х10000, причем в этом сообщении отмечалась не столько проблема стоимости этой матрицы, сколько проблемы хранения, обработки и передачи полученных изображений. Как нам известно, сейчас более или менее широко применяются матрицы с размерностью до 2000х2000.

К наиболее широко, точнее массово применяемым ПЗС матрицам, безусловно следует отнести матрицы с разрешением ориентированным на телевизионный стандарт. Это матрицы, в основном, двух форматов:

• 512*576;
• 768*576.

Матрицы 768*576 (иногда чуть больше, иногда чуть меньше) позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала. При этом, в отличии от матриц формата 512*576, они имеют близкую к квадрату сетку расположения светочувствительных элементов, а, следовательно, равную разрешающую способность по горизонтали и вертикали.

Часто фирмы-изготовители телекамер указывают разрешающую способность в телевизионных линиях. Это означает, что камера позволяет разглядеть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, где N - заявленное число телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая растояние и фокусируя изображение таблицы надо добиться того, чтобы верхний и нижний край изображения таблицы на мониторе совпал с внешним контуром таблицы, отмечаемым вершинами черных и белых призм; далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают разрешаться. Последнее замечание очень важно т.к. и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами (см. выше)!

Хочется заметить, что при прочих равных условиях (в основном на это может повлиять обьектив) разрешающая способность черно-белых камер однозначно определяется размерностью ПЗС матрицы. Так камера формата 768*576 будет иметь разрешающую способность 576 телевизионных линий, хотя в одних проспектах можно найти величину 550, а в других 600.

Обьектив.

Физический размер ПЗС ячеек является основным параметром, определящим требование к разрешающей способности обьектива. Другим таким параметром может явиться требование по обеспечению работы матрицы в условии световой перегрузки, которое будет рассмотрено ниже.

Для 1/2 дюймовой матрицы SONY ICX039 размер пикселя составляет 8.6мкм*8.3мкм. Следовательно обьектив должен иметь разрешение лучше чем:

1/8.3*10e-3= 120 линий (60 пар линий на миллиметр).

Для обьективов, сделанных под 1/3 дюймовые матрицы, это значение должно быть еще выше, хотя это, как ни странно, не отражается на стоимости и таком параметре как светосила, поскольку эти объективы делают с учетом необходимости формирования изображения на меньшем светочувствительном поле матрицы. Отсюда следует и то, что объективы для матриц меньшего размера не подходят к большим матрицам из-за существенно ухудшающихся характеристиках на краях больших матриц. В тоже время объективы для больших матриц могут ограничить разрешение изображений, получаемых с меньших матриц.

К сожалению, при всем современном изобилии обьективов для телекамер, информацию по их разрешающей способности получить очень тяжело.

Вообще, мы не часто занимаемся подбором объективов, поскольку почти все наши Заказчики устанавливают видеосистемы на уже имеющуюся оптику: микроскопы, телескопы и т.д., поэтому наши сведения о рынке объективов носят характер заметок. Можно только сказать, что разрешающая способность простых и дешевых обьективов находится в диапазоне 50-60 пар линий на мм, что вообще- то недостаточно.

С другой стороны у нас есть информация, что специальные объективы производства Zeiss с разрешением 100-120 пар линий на мм стоят более 1000$.

Так, что при покупке объектива необходимо провести предварительное тестирование. Надо сказать, что большинство Московских продавцов дают объективы на тестирование. Здесь ещё раз уместно вспомнить об эффекте муара, наличие которого, как отмечалось выше, может ввести в заблуждение относительно разрешающей способности матрицы. Так вот, наличие муара на изображении участков таблицы со штрихами выше 600 телевизионных линий в отношении объктива свидетельствует о некотором запасе разрешающей способности последнего, что, конечно, не помешает.

Еще одно, может быть, важное замечание для тех, кого интересуют геометрические измерения. Все объективы в той или иной степени имеют дисторсию (подушкообразное искажение геометрии изображения), причем чем короткофокуснее объектив, тем эти искажения, как правило, больше. По нашему представлению приемлимую дисторсиии для 1/3" и 1/2" камер имеют объективы с фокусными расстояниями больше 8-12 мм. Хотя уровень "приемлимости", конечно, зависит от задач, которые должна решать телекамера.

Разрешающая способность контроллеров ввода изображения

Под разрешающей способность контроллеров ввода изображений следует понимать частоту преобразований аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) контроллера, данные которого затем записываются в память контроллера. Очевидно, что есть разумный предел повышения частоты оцифровки. Для устройств, имеющих непрерывную структуру фоточувствительного слоя, например, видиконов, оптимальная частота оцифровки равна удвоенной верхней частоте полезного сигнала видикона.

В отличии от таких светоприемников ПЗС матрицы имеют дискретную топологию, поэтому оптимальная частота оцифровки для них определяется как частота сдвига выходного регистра матрицы. При этом важно, что бы АЦП контроллера работал синхронно с выходным регистром ПЗС матрицы. Только в этом случае может быть достигнуто наилучшее качество преобразования как с точки зрения обеспечения "жесткой" геометрии получаемых изображений так и с точки зрения минимизации шумов от тактовых импульсов и переходных процессов.

Чувствительность ПЗС телекамер

Начиная с 1994 года мы используем в своих устройствах кард-камеры фирмы SONY на основе ПЗС матрицы ICX039. В описании SONY на это устройство указана чувствительность 0.25 лк на объекте при светосиле обьектива 1.4. Уже несколько раз, мы встречали камеры с похожими параметрами (размер 1/2 дюйма, разрешение 752*576) и с декларируемой чувствительностью в 10 а то и в 100 раз большей чем у "нашей" SONY.

Мы несколько раз проверяли эти цифры. В большинстве случаях в камерах разных фирм мы обнаруживали туже самую ПЗС матрицу ICX039. При этом все микросхемы "обвязки" были тоже SONY-вские. Да и сравнительное тестирование показало почти полную идентичность всех этих камер. Так в чем вопрос?

А весь вопрос в том, при каком соотношении сигнал/шум (с/ш) определяется чувствительность. В нашем случае компания SONY добросовестно показала чувствительность при с/ш=46 дб, а другие фирмы либо не указали это, либо указали так, что непонятно при каких условиях производились эти измерения.

Это, вообще, общий бич большинства фирм-изготовителей телекамер - не указывать условия проведения замеров параметров телекамер.

Дело в том, что при уменьшении требования к соотношению с/ш чувствительность камеры возрастает обратно пропорционально квадрату требуемого отношения с/ш:

где:
I - чувствительность;
K - коэффициент пересчета;
с/ш - отношение с/ш в линейных единицах,

поэтому у многих фирм появляется соблазн указывать чувствительность камер при заниженном отношении с/ш.

Можно сказать, что способность матриц лучше или хуже "видеть" определяется количеством зарядов, преобразованных из падающих на её поверхность фотонов и качеством доставки этих зарядов на выход. Количество накопленных зарядов зависит от площади светочувствительного элемента и квантовой эффективности ПЗС матрицы, а качество траспортировки определяется множеством факторов, которые часто сводят к одному - шуму считывания. Шум считывания для современных матриц составляет величину порядка 10-30 электронов и даже менее!

Площади элементов ПЗС матриц различны, но типовое значение для 1/2 дюймовых матриц для телекамер - 8.5мкм*8.5мкм. Увеличение размеров элементов ведет к увеличению размером самих матриц, что повышает их стоимость не столько за счет собственно увеличения цены производства, сколько за счет того, что серийность таких устройств на несколько порядков меньше. Кроме того на площадь светочувствительной зоны влияет топология матрицы в той степени сколько процентов к общей поверхности кристалла занимает чувствительная площадка (фактор заполнения). В некоторых специальных матрицах фактор заполнения заявляется 100%.

Квантовая эффективность (на сколько в среднем изменяется заряд чувствительной ячейки в электронах при падении на её поверхность одного фотона) у современных матриц равна 0.4-0.6 (у отдельных матриц без антиблюминга она достигает 0.85).

Таким образом видно, что чувствительность ПЗС камер, отнесенная к определенному значению с/ш, вплотную подошла к физическому пределу. По нашему заключению типичные значения чувствительности камер общего применения при с/ш=46 лежат в диапазоне 0.15-0.25 лк освещенности на обьекте при светосиле обьектива 1.4.

В связи с этим мы не рекомендуем слепо доверять цифрам чувствительности, указанным в описаниях телекамер, тем более, когда не приведены условия определения этого параметра и, если вы видите в паспорте камеры ценой до 500 $ чувствительность 0.01-0.001 лк в телевизионном режиме, то перед вами образец, мягко говоря, некорректной информации.

О способах повышения чувствительности ПЗС камер

Один из путей решения - накопление изображения во времени. Реализация этого способа позволяет существенно увеличить чувствительность ПЗС. Разумеется этот метод может быть применен для неподвижных обьектов наблюдения или в том случае, когда движение может быть компенсировано, как это делается в астрономии.

Рис1 Планетарная туманность М57.

Телескоп: 60 см, экспозиция - 20 сек., темпеpатуpа во вpемя экспозиции - 20 С.
В центре туманности звездный объект 15 звездной величены.
Изобpажение получено В. Амиpханяном в САО РАH.

Можно утверждать с достаточной точностью, что чувствительность ПЗС камер прямо пропорциональна времени экспозиции.

Например, чувствительность при выдержке 1 сек по отношению к исходной 1/50с увеличится в 50 раз т.е. будет лучше - 0.005 лкс.

Конечно на этом пути есть проблемы, и это, прежде всего, темновой ток матриц, который приносит заряды, накапливаемые одновременно с полезным сигналом. Темновой ток определяется во-первых, технологией изготовления кристалла, во-вторых, уровнем технологии и, конечно, в очень большой степени рабочей температурой самой матрицы.

Обычно для достижения больших времен накопления, порядка минут или десятков минут, матрицы охлаждают до минус 20-40 град. С. Сама по себе задача охлаждения матриц до таких температур решена, но сказать, что это сделать просто нельзя, поскольку всегда есть конструктивные и эксплуатационные проблемы, связанные с запотеванием защитных стекол и сброса тепла с горячего спая термоэлектрического холодильника.

В тоже время технологический прогресс производства ПЗС матриц коснулся и такого параметра, как темновой ток. Здесь достижения весьма значительны и темновой ток некоторых хороших современных матриц очень невелик. По нашему опыту камеры без охлаждения позволяют при комнатной температуре делать экспозиции в пределах десятков секунд, а при компенсации темнового фона и до нескольких минут. Для примера здесь приведена фотография планетарной туманности М57, полученная видеоситемой VS-a-tandem-56/2 без охлаждения с экспозицией 20с.

Второй способ увеличения чувствительности это применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП). ЭОПы - это устройства которые усиливают световой поток. Современные ЭОПы могут иметь очень большие величины усиления, однако, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение ЭОПов может улучшить лишь пороговую чувствительность камеры, а посему его усиление не следует делать слишком большим.

Спектральная чувствительность ПЗС камер

Для некоторых областей применения, важным фактором является спектральная чувствительности ПЗС матриц. Поскольку все ПЗС изготавливаются на основе кремния, то в "голом" виде спектральная чувствительность ПЗС соответствует этому параметру у кремния (см. рис. 2).

Как можно заметить, при всем разнообразии характеристик ПЗС матрицы обладают максимумом чувствительности в красном и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне и совершенно ничего не видят в сине-фиолетовой части спектра. Чувствительность ПЗС в ближнем ИК используется в системах скрытного наблюдения с подсветкой ИК источниками света, а таже при измерении тепловых полей высокотемпературных объектов.

Фирма SONY все свои черно-белые матрицы выпускает со следующей спектральной характеристикой (см рис. 3). Как видно их этого рисунка чувствительность ПЗС в ближнем ИК значительно уменьшена, но зато матрица стала воспринимать синюю область спектра.

Для различных специальных целей разрабатываются матрицы чувствительные в ультрафиолетовом и даже рентгеновском диапазоне. Обычно эти устройства уникальны и их цена довально высока.

О прогрессивной и черезстрочной развертке

Стандартный телевизионный сигнал, разрабатывался для системы вещательного телевидения, и имеет с точки зрения современных систем ввода и обработки изображения один большой недостаток. Хотя в телесигнале содержится 625 строк (из них около 576 с видеоинформацией), показываются последовательно 2 полукадра состоящие из четных строк (четный полукадр) и нечетных строк (нечетный полукадр). Это приводит к тому, что если вводится движущееся изображение, то при анализе нельзя использовать разрешение по Y более чем число строк в одном полукадре (288). Кроме этого в современных системах, когда изображение визуализируется на компьютерном мониторе (который имеет прогрессивную развертку), изображение, введенное с черезстрочной телекамеры при движении обьекта наблюдения, вызывает неприятный визуальный эффект раздвоения.

Все методы борьбы с этим недостатком приводят к ухудшению разрешения по вертикали. Единственный способ преодолеть этот недостаток и добиться разрешения, соответствующего разрешению ПЗС матрицы - перейти на прогресивную развертку в ПЗС. Фирмы-изготовители ПЗС выпускают такие матрицы, но из-за малой серийности цена подобных матриц и камер значительно выше чем у обычных. Например цена матрицы SONY с прогрессивной разверткой ICX074 в 3 раза выше чем ICX039 (черезстрочная развертка).

Другие параметры камер

К этим другим можно отнести такой параметр как "блюминг" т.е. расплывание заряда по поверхности матрицы при пересветке отдельных ее элементов. На практике такой случай может встретиться, например, при наблюдении объектов с бликами. Это довольно неприятный эффект ПЗС матриц, поскольку несколько ярких точек могут исказить все изображение. По-счастию, многие современные матрицы содержат антиблюминговые устройсва. Так в описаниях некоторых последних матриц SONY мы нашли 2000, характеризующую допустимую световую перегрузку отдельных ячеек, не приводящую еще к растеканию зарядов. Это достаточно высокое значение, тем более, что добиться этого результата можно, как показал наш опыт, только при специальной подстройке драйверов, управляющих непосредственно матрицей и канала предварительного усиления видеосигнала. Кроме того свой вклад в "растекание" ярких точек вносит и объектив, поскольку при таких больших световых перегрузках даже малое рассеяние за пределы основного пятна дает заметную световую подставку для соседних элементов.

Здесь также необходимо отметить и то, что по некоторым данным, которые мы сами не проверяли, матрицы с антиблюмингом имеют в 2 раза более низкую квантовую эффективность, чем матрици без антиблюминга. В связи с этим, в системах, требующих очень высокой чувствительности, возможно имеет смысл применять матрицы без антиблюминга (обычно это специальные задачи типа астрономических).

О цветных телекамерах

Материалы этого раздела несколько выходят за установленные нами же рамки рассмотрения измерительных систем, тем не менее широкое распространение цветных камер (даже большее чем черно-белых) вынуждает нас внести ясность и в этот вопрос, тем более, что Заказчики часто пытаются использовать с нашими черно-белыми фраймграберами цветные телекамеры, и очень удивляются, когда на полученных изображениях они обнаруживают какие-то разводы, а разрешение изображений оказывается недостаточным. Поясним в чем тут дело.

Существуют 2 способа формирования цветного сигнала:

• 1. использование одноматричной камеры.
• 2. использование системы из 3 ПЗС матриц с цветоделительной головкой для получения R, G, B компоненов цветного сигнала на этих матрицах.

Второй путь обеспечивает наилучшее качество и только он позволяет получить измерительные системы, однако камеры, работающие на этом приципе достаточно дороги (более 3000$).

В большинстве случаев используются одноматричные ПЗС камеры. Рассмотрим их принцип работы.

Как явствует из достаточно широкой спектральной характиристики ПЗС матрицы, она не может определить "цвет" фотона, попавшего на поверхность. Поэтому для того, чтобы вводить цветное изображение перед каждым элементом ПЗС матрицы устанавливается светофильтр. При этом общее число элементов матрицы остается прежним. Фирма SONY, например, выпускает совершенно одинаковые ПЗС матрицы для черно-белого и цветного варианта, которые отличаются только наличием у цветной матрицы сетки светофильтров, нанесенных непосредственно на чувствительные площадки. Существуют несколько схем раскраски матриц. Вот одна из них.

Здесь используются 4 разных светофильтра (см рис. 4 и рис. 5).

Рис 4. Распредение светофильтров на элементах ПЗС матрицы

Рис 5. Спектральная чувствительность элементов ПЗС с различными светофильтрами.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

В строке A1 получают "красный" цветоразностный сигнал как:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

а в строке A2 получают "голубой" цветоразностный сигнал:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Отсюда ясно, что пространственное разрешение цветной ПЗС матрицы по сравнению с такой же черно-белой обычно в 1.3-1.5 раза хуже по горизонтали и по вертикали. За счет применения светофильтров чувствительность цветной ПЗС также хуже, чем у черно-белой. Таким образом можно сказать, что, если имеется одноматричный приемник 1000*800, то реально можно получить около 700*550 по яркостному сигналу и 500*400 (возможен вариант 700*400) по цветному.

Отвлекаясь от технических вопросов хочется заметить, что с рекламными целями многие фирмы-изготовители электронных фотоаппаратов сообщают совершенно непонятные данные по своей технике. Например, фирма "Кодак" обьявляет разрешение у своего электронного фотоаппарата DC120 1200*1000 при матрице 850х984 пикселей. Но господа - информация из пустого места не возникает, хотя визуально смотрится и неплохо!

О постранственном разрешении цветового сигнала (сигнала который несет информацию о цвете изображения) можно сказать, что она как минимум в 2 раза хуже, чем разрешение по черно-белому сигналу. Кроме того "вычисленный" цвет выходного пиксела не есть цвет соответствующего элемента исходного изображения, а лишь результат обработки яркостей различных элементов исходной картинки. Грубо говоря, за счет резкого различия яркостей соседних элементов объекта может быть вычислен цвет, которого вовсе здесь и нет, при этом незначительное смещение камеры приведет к резкому изменению выходного цвета. Для примера: граница темного и светлого поля серого цвета будет выглядеть, состоящей из разноцветных квадратиков.

Все эти рассуждения касаются только физического принципа получения информации на цветных ПЗС матрицах, при этом надо учесть, что обычно видеосигнал на выходе цветных камер представлен в одном из стандартных форматов PAL, NTSC, реже S-video.

Форматы PAL и NTSC хороши тем, что могут сразу быть воспроизведены на стандартных мониторах с видеовходом, но при этом надо помнить, что этими стандартами для сигнала цветности предусмотрена существенно более узкая полоса, поэтому правильнее здесь говорить о раскрашенном, а не о цветном изображении. Ещё одной неприятной особенностью камер с видеосигналами, несущими цветовую компоненту, является появление, упомянутых выше, разводов на изображении, полученных черно-белыми фраймграберами. И дело здесь в том, что сигнал цветности находится почти в середине полосы видеосигнала, создавая помеху при вводе кадра изображения. Мы же не видим эту помеху на телевизионном мониторе потому, что фаза этой "помехи" через четыре кадра изменяется на противоположную и усредняется глазом. Отсюда недоумении Заказчика, получающего изображение с помехой, которую он не видит.

Из этого следует, что, если вам необходмо проводить какие-то измерения или дешифровку объектов по цвету, то к этом у вопросу надо подойти с учетом, как сказанного выше, так и других особенностей вашей задачи.

О CMOS матрицах

В мире электроники все меняется очень быстро и хотя область фотоприемников одна из наиболее консервативных, но и тут в последнее время на подходе новые технологии. В первую очередь это относится к появлению CMOS телевизионных матриц.

Действительно, кремний является светочувствитерным элементом и любое полупроводниковое изделие можно использовать как датчик. Использование CMOS технологии дает несколько очевидных преимуществ по сравнению с традиционной.

Во-первых, технология CMOS хорошо освоена и позволяет выпускать элементы с большим выходом годных изделий.

Во-вторых технология CMOS позволяет разместить на матрице кроме светочувствительной области и различные устройства обрамления (вплоть до АЦП), которые раньше устанавливались "снаружи". Это позволяет выпускать телекамеры с цифровым выходом "на одном кристале".

Благодаря этим преимуществам становиться возможен выпуск значительно более дешевых телевизионных камер. Кроме этого значительно расширяется круг фирм производящих матрицы.

В настоящий момент выпуск телевизионных матриц и камер на CMOS технологии только налаживается. Информация о параметрах таких устройств весьма скудна. Можно лишь отметить, что параметры этих матриц не превосходят достигнух сейчас, что же касается цены, то тут их преимущества неоспоримы.

Приведу в качестве примера однокристальную цветную камеру фирмы Photobit PB-159. Камера выполнена на одном кристале и имеет следующие технические параметры:

• разрешение - 512*384;
• размер пикселя - 7.9мкм*7.9мкм;
• чувствительность - 1люкс;
• выход - цифровой 8-ми битный SRGB;
• корпус - 44 ноги PLCC.

Таким образом камера проигрывает в чувствительности раза в четыре, кроме того из информации по другой камере ясно, что в этой технологии есть проблемы со сравнительно большим темновым током.

О цифровых фотоаппаратах

В последние время появился и стремительно растет новый сегмент рынка, использующий ПЗС и CMOS матрицы - цифровые фотоаппараты. Причем в настояший момент происходит резкое повышение качества этих изделий одновременно с резким понижением цены. Действительно еще 2 года назад одна только матрица с разрешением 1024*1024 стоила около 3000-7000$ , а сейчас фотоаппараты с такими матрицами и кучей прибамбасов (ЖК экран, память, вариообьектив, удобный корпус и т.д.) можно купить дешевле 1000$. Это можно обьяснить только переходом на крупносерийное производство матриц.

Поскольку эти фотоаппараты основаны на ПЗС и CMOS матрицах, то все рассуждения в этой статье о чувствительности, о принципах формирования цветного сигнала действительны и для них.

Вместо заключения

Накопленый нами практический опыт позволяет сделать следующие выводы:

• технология производства ПЗС матриц с точки зрения чувствительности и шумов весьма близка к физическим пределам;
• на рынке телевизионных камер можно найти камеры приемлемого качества, хотя для достижения более высоких параметров возможно потребуется подрегулировка;
• не следует обольщаться цифрам высокой чувствительности, приведенным в проспектах на камеры;
• и ещё, цены на абсолютно одинаковые по качеству и даже на просто одинаковые камеры у разных продавцов могут отличаться более чем в два раза!

Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумерные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изображение объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использованы при контроле за технологическими процессами производства, при специальном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъектов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещение ФЭП или объекта в направлении, перпендикулярном направлению строчной развертки.

Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является матричный формирователь сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординатный массив светочувствительных элементов, в котором осуществляется электронное сканирование по координатам х и y. При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос организации ее считывания.

Для наиболее полного использования достоинств ПЗС зарядовые пакеты должны перемещаться к одному выходному устройству, а порядок считывания информации - обычно соответствовать принятому телевизионному стандарту. При выборе способа организации считывания необходимо обеспечить минимальное смазывание изображения, возникающее при переносе накопленных зарядовых пакетов через освещенные области прибора. Поэтому в современных матричных ФЭП на ПЗС области накопления заряда и его переноса разделяют.

По способу организации считывающие матрицы ПЗС делятся на матрицы с кадровым переносом заряда (КП), матрицы со строчным переносом заряда (СП) и матрицы со строчно-кадровым переносом заряда (СКП).

Матрицы ПЗС КП (см. рис. 8.12) включают в себя секцию накопления - фотоприемную секцию, секцию хранения или памяти, которая защищена от света и равна по площади секции накопления, и один или несколько параллельных выходных сдвиговых регистров.

Рис. 8.12. Способ организации покадрового считывания

Во время активной части поля происходит накопление зарядовых пакетов в фотоприемной секции. Во время кадрового гасящего импульса, накопленные заряды всех строк поля последовательно переносятся в защищенную от света секцию хранения. Далее во время накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал изображения. После считывания всей видеоинформации из секции хранения начинается перенос следующего кадра.

Одним из основных достоинств покадрового считывания является уменьшение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При покадровой организации легко осуществляется чересстрочное разложение изображения, также проста электродная структура, что позволяет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить более равномерную характеристику спектральной чувствительности.

Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвигового регистра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число переносов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным - для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по трехтактной схеме сдвига число переносов N max = 2 х 3z + 2n , где z - число строк; п - число элементов в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй - число переносов вдоль строки.

Учитывая, что зарядовые пакеты переносятся не полностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках, существующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при определенной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда ε накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которые можно совершить без существенного разрушения сигнала. Если ε - относительная величина и характеризует часть заряда, отставшую от пакета на один перенос, умножив ε на число переносов в приборе N , получим результирующую неэффективность переноса N ε всего прибора.

Недостатком матриц ПЗС КП является неполное устранение смаза изображения, которое проявляется в виде вертикальных тянущихся продолжений за очень яркими деталями. Смаз появляется из-за того, что при переносе накопленных зарядов из фотоприемной секции в секцию памяти свет продолжает попадать в фотоприемную секцию.

Для уменьшения величины смаза изображения были разработаны матрицы со строчным переносом зарядов (см. рис. 8.13), в которых область накопления образована вертикальными столбцами светочувствительных элементов, между которыми помещены защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры. В течение времени кадра в светочувствительных элементах накапливаются зарядовые пакеты. Во время гасящего кадрового импульса они одновременно переносятся в соседние ячейки вертикальных сдвиговых регистров. Во время накопления следующего кадра, зарядовые пакеты из вертикальных регистров одновременно сдвигаются в горизонтальный (выходной) регистр. Сдвиг по вертикальным регистрам на один элемент происходит во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядовых пакетов из горизонтальных регистров в выходное устройство - за время прямого хода строчной развертки. Полное освобождение вертикальных сдвиговых регистров от зарядов происходит за время кадра.

Рис. 8.13. Матрица со строчным переносом зарядов

Рис. 8.14. Матрица со строчно-кадровым переносом зарядов

Для обеспечения чересстрочной развертки в матрице ПЗС СП заряды из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры переносятся: в нечетных полях - из нечетных ячеек, а в четных полях - из четных ячеек.

В трехматричных камерах вещательного назначения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза изображения. Для обеспечения этого требования были разработаны гибридные матрицы ПЗС со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС СКП (см. рис. 8.14 и 8.15) отличаются от матриц ПЗС СП (см. рис. 8.13) наличием в них дополнительной секции хранения зарядов на длительность поля.

Рис. 8.15. Концепция строчно-кадрового переноса

Поэтому частота переноса заряда из вертикальных ПЗС регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС СП. Это позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Недостатки матриц ПЗС СКП заключаются в относительной сложности изготовления и высокой стоимости производства.

Основные недостатки матричных ПЗС СП – невозможность освещения со стороны подложки и неполное использование светового потока из-за того, что фотодиоды занимают не всю площадь кристалла фотоны, попадающие на экранированные от света вертикальные ПЗС-регистры, не создают зарядов. Вследствие этого существенно снижается чувствительность камер.

Таким образом, уменьшение размеров светочувствительной площади в матрицах со строчным переносом косвенно ухудшает световую чувствительность матрицы. Эта проблема может быть разрешена очень просто (хотя технологически это очень сложно) – поверх каждого пикселя (фотодиода) помещается микролинза. Микролинза концентрирует весь падающий свет на маленькую область, на сам пиксель (фотодиод), собирает в него весь световой поток, и этим самым эффективно увеличивает минимальную освещенность фотодиода (см. рис. 8.16).

Рис. 8.16,а. Сравнение традиционных схем с микролинзами

Рис. 8.16,б. Структура ПЗС-матрицы с микролинзами (фотография сделана электронным микроскопом)

Число фотодиодов в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре. Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со строчным переносом может быть реализовано различными способами. В простейшем случае в первом поле зарядовые пакеты из нечетных фотодиодов считываются в вертикальный ПЗС-регистр, а в четных фотодиодах накопление продолжается. Во втором поле считываются заряды, накопленные в четных фотодиодах. Размер светочувствительного элемента по вертикали оказывается равным размеру одного фотодиода. Центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании составляет в телевизионном режиме 40 мс – время кадра. Поэтому данный режим получил название режима накопления кадра. Столь большое время накопления приводит к искажениям при передаче подвижных объектов. Появляется зубчатость вертикальных границ при движении объектов по горизонтали. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля.

Световая характеристика матрицы ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна (см. рис. 8.17). Точка 1 соответствует выходному

сигналу в отсутствие освещения и определяет темновой ток, обусловленный в большой степени термогенерацией неосновных носителей. Точка 2 характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителями. Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными параметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено напряжением пробоя МОП-конденсатора.

Рис. 8.17. Световая характеристика матрицы ПЗС

Рис. 8.18. Спектральная характеристика матрицы ПЗС

Спектральная чувствительность матричного формирователя (рис. 8.18 и 8.19) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая 1), который обусловлен сильным поглощением на этом участке спектра нанесенными на полупроводниковую подложку поликремниевыми электродами.

Рис. 8.19. Спектральная чувствительность глаза и ПЗС-матрицы

Для повышения чувствительности в этой области спектра в поликремниевых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет примерно 15... 20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло чувствительность матрицы на длине волны λ = 0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в цветном телевидении. Разрешающая способность определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Для систем телевидения высокой четкости разработаны матрицы ПЗС с числом элементов 1035x1920.

Спектральная чувствительность ПЗС-матрицы зависит от типа кремниевой подложки, но общая характеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет (рис. 8.19).

Однако такое проникновение является вредным. Такие волны настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. В результате в изображении пропадают мелкие детали, потому что заряд ячеек растекается по соседним, теряя при этом компоненты высокого разрешения и вызывая «эффект заплывания». Может быть затронута также и масковая зона (рис. 8.15), предназначенная лишь для временного хранения зарядов и не предназначенная для засвечивания, в результате чего могут, в значительной степени возрасти шумы и вертикальный ореол. Поэтому в усовершенствованных ПЗС-видеокамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Они монтируются сверху ПЗС-матрицы и ведут себя как оптические НЧ фильтры с частотой среды порядка 700 нм, вблизи красного цвета (рис. 8.20) .

Рис. 8.20. Инфракрасный отсекающий фильтр изменяет характеристику спектральной чувствительности ПЗС-матрицы

Однако в тех случаях, когда предполагается использовать видеокамеру (черно-белую) в условиях низкой освещенности или в систему входят источники инфракрасного освещения объектов, такие фильтры не используются (чтобы не ослаблять чувствительность камер).

В цветных ПЗС-камерах, напротив, нужно использовать ИК-отсекающий фильтр. Типичная черно-белая ПЗС-матрица без инфракрасного фильтра может дать приемлемый уровень видеосигнала при освещенности мишени камеры в 0,01 лк. Та же камера с ИК-фильтром потребует освещенность в 10 раз большую. Но в этом случае верность цветопередачи является определяющим критерием.

Введение

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.

ПЗС. Физический принцип работы ПЗС. ПЗС-матрица

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.

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, 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.

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 2 типа матриц – CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) . Они отличаются друг от друга, каждая имеет свои плюсы и минусы. Нельзя точно сказать, какая из них лучше, а какая – хуже. Они развиваются параллельно. Вдаваться с технические детали мы не будем, т.к. они будут банально непонятны, но общими словами определим их главные плюсы и минусы.

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%. Возьмите обычный человеческий глаз – здесь соотношение равно приблизительно 1%.

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.