Tundmatu Sergei Ivanovitš
Nikulin Oleg Jurjevitš

Laadige SEOTUD SEADMEID –
KAASAEGSTE TELEVISIOONIDE ALUS.
CCD PÕHIOMADUSED.

Eelmises artiklis tehti lühianalüüs olemasolevatest pooljuhtvalgusvastuvõtjatest ning kirjeldati üksikasjalikult laenguga sidestatud seadmete ehitust ja tööpõhimõtet.

Selles artiklis käsitletakse CCD maatriksite füüsilisi omadusi ja nende mõju telekaamerate üldistele omadustele.

CCD maatriksi elementide arv.

CCD maatriksite kõige "põhilisem" omadus on elementide arv. Reeglina on valdaval hulgal mudelitel standardne arv elemente, mis on orienteeritud televisiooni standardile: 512x576 pikslit (neid maatrikseid kasutatakse tavaliselt lihtsates ja odavates videovalvesüsteemides) ja 768x576 pikslit (sellised maatriksid võimaldavad teil saavutada maksimaalse eraldusvõime standardse telesignaali jaoks).

Suurim toodetud ja kirjanduses kirjeldatud CCD on Ford Aerospace Corporationi ühekristallseade, mille mõõtmed on 4096x4096 pikslit ja pikslikülg on 7,5 mikronit.

Tootmises on kvaliteetsete ja suurte mõõtmetega seadmete saagis väga väike, seega kasutatakse suureformaadiliste piltide pildistamiseks mõeldud CCD-videokaamerate loomisel teistsugust lähenemist. Paljud ettevõtted toodavad CCD-sid, mille juhtmed asuvad kolmel, kahel või ühel küljel (kokkupõrkel CCD). Sellistest seadmetest nad koguvad mosaiik CCD. Näiteks Loral Fairchild toodab väga huvitavat ja paljutõotavat seadet 2048x4096 15 mikronit. Selle CCD järeldused on paigutatud ühele kitsale küljele. Venemaa tööstuse saavutused on mõnevõrra tagasihoidlikumad. NPP Silar (Sankt-Peterburg) toodab 1024x1024 16 µm CCD-d, millel on mahuline laengu ülekandekanal, virtuaalne faas ja juhtmed seadme ühel küljel. Selline seadmete arhitektuur võimaldab neid kolmest küljest üksteisega ühendada.

Huvitav on märkida, et nüüdseks on loodud mitu CCD-mosaiikidel põhinevat spetsiaalset suureformaadilist valgusdetektorit. Näiteks kasutatakse kaheksat 2048x4096 CCD-d firmalt Loral Fairchild, et kokku panna 8192x8192 mosaiik kogumõõtmetega 129x129 mm. Vahed üksikute CCD-kiipide vahel on alla 1 mm. Mõnes rakenduses ei peeta suhteliselt suuri lünki (kuni 1 cm) tõsiseks probleemiks, kuna täieliku pildi saab arvutimälus mitme särituse summeerimisel, mis on üksteise suhtes veidi nihkes, täites nii lüngad. 8196x8196 mosaiigiga saadud pilt sisaldab 128 MB teavet, mis võrdub ligikaudu 100-köitelise entsüklopeediaga, kus igas köites on 500 lehekülge. Kuigi need arvud on muljetavaldavad, on need siiski väikesed, võrreldes fotoemulsioonide suuruse ja eraldusvõimega, mida saab toota tohutute lehtedena. Isegi kõige jämedama teraga 35 mm film sisaldab kuni 25 miljonit lahustuvat tera (pikslit) kaadri kohta.

Kaamera eraldusvõime

Telekaamera üks peamisi parameetreid - eraldusvõime (või eraldusvõime) sõltub otseselt CCD maatriksi elementide arvust. Kaamera kui terviku lahutusvõimet mõjutavad ka elektroonilise signaalitöötlusahela parameetrid ja optika parameetrid.

Eraldusvõime on defineeritud kui maksimaalne must-valgete triipude arv (st üleminekute arv mustast valgeks või vastupidi), mida kaamera suudab edastada ja salvestussüsteem eristada maksimaalse tuvastatava kontrastiga.

See tähendab, et kaamera võimaldab teil näha heledal taustal N/2 tumedat vertikaalset tõmmet, mis on paigutatud pildiväljale kirjutatud ruutu, kui kaamera passis on märgitud, et selle eraldusvõime on N telerida. Seoses tavalise televiisorilauaga tähendab see järgmist: kauguse valimisel ja tabeli kujutise teravustamise teel tuleb tagada, et monitoril oleva tabeli kujutise ülemine ja alumine serv langeksid kokku laua väliskontuuridega, mida tähistavad mustvalgete prismade tipud. Järgmisena, pärast lõplikku alafookustamist, loetakse arv vertikaalkiilu kohast, kus vertikaalsed löögid ei eristata esimest korda. Viimane märkus on väga oluline, kuna tabeli 600 või enama joonega testväljade pildil on sageli näha vahelduvaid triipe, mis tegelikult on joonte ruumiliste sageduste löömisel tekkinud muareed. tabeli ja CCD maatriksi tundlike elementide ruudustiku. See efekt on eriti väljendunud kõrgsageduslike ruumifiltritega kaamerates.

Eraldusvõime mõõtühikuks televisioonisüsteemides on TVL (TV line). Kõigi kaamerate vertikaalne eraldusvõime on peaaegu sama, sest seda piirab televisiooni standard - 625 televisiooni skaneerimisjoont ja nad ei saa sellel koordinaadil edastada rohkem kui 625 objekti. Horisontaalse eraldusvõime erinevus on see, mis tavaliselt on näidatud tehnilistes kirjeldustes.

Praktikas on enamikul juhtudel 380-400 teleriliini eraldusvõime üldiste televisioonivalve ülesannete jaoks täiesti piisav. Spetsiaalsete televisioonisüsteemide ja -ülesannete jaoks, nagu suure ruumi kaugjälgimine ühe kaameraga, suure perimeetri vaatamine muutuva nurga suurendusega (suum) telekaameraga, jälgimine lennujaamades, raudteejaamades, muulide, supermarketites, tuvastamine ja tuvastamine numbrimärkide süsteemid, näo järgi identifitseerimissüsteemid jne, on vaja suuremat eraldusvõimet (selleks kasutatakse kaameraid, mille eraldusvõime on 570 või enama teleriliini).

Värvikaamerate eraldusvõime on veidi halvem kui mustvalgetel. See on tingitud asjaolust, et värvitelevisioonis kasutatavate CCD-maatriksite pikslistruktuur erineb must-valgete maatriksite pikslistruktuurist. Piltlikult öeldes koosneb piksel värvimaatriksis kolme piksli kombinatsioonist, millest igaüks registreerib valgust kas optilise spektri punases, rohelises või sinises osas. Seega võetakse värvilise CCD maatriksi igast elemendist kolm signaali (RGB signaal). Efektiivne eraldusvõime peaks olema mitu korda halvem kui must-valgete maatriksite oma. Kuid värvimaatriksite puhul halveneb eraldusvõime vähem, kuna nende pikslite suurus on poolteist korda väiksem võrreldes sarnase mustvalge maatriksi pikslisuurusega, mis põhjustab eraldusvõime halvenemist vaid 30-40%. . Selle negatiivne külg on värvimaatriksite tundlikkuse vähenemine, kuna pildielemendi efektiivne registreerimisala muutub oluliselt väiksemaks. Värviliste telekaamerate tüüpiline eraldusvõime on 300–350 telerida.

Lisaks mõjutab kaamera eraldusvõimet kaamera poolt väljastatava videosignaali sagedusriba. 300 TVL signaali edastamiseks on vaja 2,75 MHz sagedusriba (150 perioodi 55 µs televisiooni skaneerimisliini kohta). Teleskaneerimise sagedusriba (n pphtr) ja eraldusvõime (TVL) vahelise seose määrab seos:

n pchtr = (TVL/2) x n osa,

kus sagedust n pchtr mõõdetakse MHz-des, TVL-i eraldusvõimet TV-liinides, horisontaalset teleskaneerimise sagedust n osa = 18,2 kHz.

Praeguseks on välja töötatud palju erinevaid heade sagedusomadustega pooljuhtvõimendeid, mistõttu on kaameravõimendite ribalaius tavaliselt oluliselt (1,5-2 korda) suurem kui vaja, et mitte kuidagi mõjutada süsteemi lõppresolutsiooni. Seega piirab eraldusvõimet täpselt CCD-maatriksi valgust vastuvõtva piirkonna diskreetne topoloogia. Mõnikord nimetatakse hea elektroonilise võimendi kasutamist ilusateks sõnadeks nagu "eraldusvõime suurendamine" või "serva suurendamine", mida võib tõlkida kui "kontrasteraldusvõimet" ja "rõhutatud piire". Peame teadma, et selline lähenemine ei paranda eraldusvõimet ennast, nii paraneb ainult must-valge piiride edastamise selgus ja isegi mitte alati.

Siiski on üks juhtum, kus ükski kaasaegse elektroonika nipp ei võimalda videosignaali ribalaiust üle 3,8 MHz tõsta. See on liitvärviline videosignaal. Kuna värvuse signaal edastatakse kandjal (PAL standardis - sagedusel umbes 4,4 MHz), on heleduse signaal sunnitud piirama 3,8 MHz sagedusriba (rangelt võttes eeldab standard kammfiltreid värvi ja värvi eraldamiseks heleduse signaale, kuid tegelikel seadmetel on ainult madalpääsfiltrid). See vastab umbes 420 TVL eraldusvõimele. Praegu deklareerivad mõned tootjad oma värvikaamerate eraldusvõimet 480 TVL või rohkem. Kuid nad ei keskendu reeglina sellele, et see eraldusvõime realiseerub ainult siis, kui signaal võetakse Y-C (S-VHS) või komponendi (RGB) väljundist. Sel juhul edastatakse heledus- ja värvisignaalid kahe (Y-C) või kolme (RGB) eraldi kaabli kaudu kaamerast monitorile. Sel juhul peavad monitoril, aga ka kõikidel vaheseadmetel (lülitid, multiplekserid, videosalvestid) olema ka Y-C (või RGB) tüüpi sisendid/väljundid. Vastasel juhul piirab üksainus vaheelement, mis töötleb komposiitvideosignaali, ribalaiuse eelmainitud 3,8 MHz-ni ja muudab kõik kallite kaamerate kulutused kasutuks.

CCD-kaamera kvanttõhusus ja kvantsaagis.

Kvantefektiivsuse all peame silmas registreeritud laengute ja CCD kristalli valgustundlikule piirkonnale langevate footonite arvu suhet.

Siiski ei tohiks segi ajada kvanttõhususe ja kvantsaagise mõisteid. Kvantsaagis on pooljuhis või selle piiri lähedal fotoelektrilise efekti tulemusel tekkivate fotoelektronide arvu ja sellele pooljuhile langevate footonite arvu suhe.

Kvantefektiivsus on vastuvõtja valgust salvestava osa kvantväljund, mis on korrutatud fotoelektronide laengu registreeritud kasulikuks signaaliks muundamise koefitsiendiga. Kuna see koefitsient on alati väiksem kui ühtsus, on ka kvantefektiivsus väiksem kui kvantsaagis. See erinevus on eriti suur madala efektiivsusega signaalisalvestussüsteemiga seadmete puhul.

Kvantefektiivsuse osas on CCD-d võrreldamatud. Võrdluseks, igast 100 silma pupilli sisenevast footonist tajub võrkkest ainult ühte (kvantefektiivsus on 1%), parimate fotoemulsioonide kvantefektiivsus on 2-3%, elektrovaakumseadmed (näiteks fotokordisaatorid) - kuni 20%, CCD-de puhul võib see parameeter ulatuda 95% -ni tüüpilise väärtusega 4% (madala kvaliteediga CCD-d, mida kasutatakse reeglina "kollase" ehitusega odavates videokaamerates) kuni 50% (a tüüpiline valimata Western videokaamera). Lisaks on lainepikkuste vahemik, millele silm reageerib, palju kitsam kui CCD-del. Piiratud on ka traditsiooniliste vaakumkaamerate ja fotoemulsioonide fotokatoodide spektraalne ulatus. CCD-d reageerivad valgusele lainepikkustega, mis ulatuvad angströmist (gamma- ja röntgenikiirgus) kuni 1100 nm (infrapuna). See tohutu ulatus on palju suurem kui ühegi teise seni teadaoleva detektori spektraalvahemik.

Riis. 1. CCD maatriksi kvantefektiivsuse näide.

Tundlikkus ja spektrivahemik

Telekaamera teine ​​oluline parameeter, tundlikkus, on tihedalt seotud kvantefektiivsuse ja kvantsaagise mõistetega. Kui kvantefektiivsust ja kvanttootlust juhivad peamiselt uute telesüsteemide arendajad ja projekteerijad, siis tundlikkust kasutavad seadistusinsenerid, operatiivteenistused ja ettevõtete otseste tööprojektide projekteerijad. Sisuliselt on vastuvõtja tundlikkus ja kvantväljund omavahel seotud lineaarse funktsiooniga. Kui kvantsaagis seostab valgusdetektorile langevate footonite arvu ja nende footonite poolt fotoelektrilise efekti tulemusena genereeritud fotonite arvu, siis tundlikkus määrab valgusdetektori reaktsiooni elektriühikutes (näiteks mA-des). ) teatud langeva valgusvoo hulgani (näiteks W või luksides). sek). Sel juhul on bolomeetrilise tundlikkuse (st vastuvõtja kogu tundlikkuse kogu spektrivahemikus) ja monokromaatilise tundlikkuse mõiste, mõõdetuna reeglina kiirgusvooga spektraallaiusega 1 nm (10 angströmi). jagatud. Kui nad ütlevad, et vastuvõtja tundlikkus on lainepikkusel (näiteks 450 nm), tähendab see, et tundlikkus teisendatakse vooluks vahemikus 449,5 nm kuni 450,5 nm. See tundlikkuse määratlus, mõõdetuna mA/W, on ühemõtteline ega tekita selle kasutamisel segadust.

Turvasüsteemides kasutatavate televisiooniseadmete tarbijate puhul kasutatakse aga sagedamini teistsugust tundlikkuse määratlust. Kõige sagedamini mõistetakse tundlikkuse all objekti minimaalset valgustust (stseeni valgustus), mille puhul saab eristada üleminekut mustalt valgele, või maatriksi minimaalset valgustust (pildi valgustus).

Teoreetilisest vaatenurgast oleks õigem märkida maatriksile minimaalne valgustus, kuna sel juhul pole vaja täpsustada kasutatava läätse omadusi, kaugust objektist ja selle peegelduskoefitsienti (mõnikord ka see koefitsienti nimetatakse sõnaks "albedo"). Albedo määratakse tavaliselt kindlal lainepikkusel, kuigi on olemas selline asi nagu bolomeetriline albeedo. Objekti valgustuse põhjal tundlikkuse määramisega on väga raske objektiivselt opereerida. See kehtib eriti pikkade vahemaade kaugtuvastussüsteemide kavandamisel. Paljud andurid ei suuda registreerida pilti inimese näost 500 meetri kaugusel, isegi kui seda valgustab väga ere valgus.*

Märge

* Sellised probleemid ilmnevad suletud televisiooni praktikas, eriti kohtades, kus on suurenenud terrorismioht jne. Seda laadi televisioonisüsteemid töötati välja 1998. aastal Jaapanis ja neid valmistatakse ette masstootmiseks.

Kuid kaamerat valides on kasutajal mugavam töötada objekti valgustusega, mida ta eelnevalt teab. Seetõttu näitavad need tavaliselt minimaalset valgustatust objektil, mõõdetuna standardtingimustes – objekti peegeldusvõime on 0,75 ja objektiivi ava 1,4. Valem, mis käsitleb objekti ja maatriksi valgustust, on toodud allpool:

Iimage = stseen x R/(p x F2),

kus Iimage, Iscene - CCD maatriksi ja objekti valgustus (tabel 1);
R - objekti peegelduse koefitsient (tabel 2);
p - arv 3,14;
F - objektiivi ava.

Iimage ja Iscene väärtused erinevad tavaliselt rohkem kui 10 korda.

Valgustust mõõdetakse sviidid. Luksus - valgustus, mille tekitab ühe rahvusvahelise küünla punktallikas ühe meetri kaugusel valguskiirtega risti asetseval pinnal.

Tabel 1. Objektide ligikaudne valgustus.

* “Valged ööd” - valgustingimused, mis rahuldavad tsiviilhämarust, s.o. kui päike sukeldub horisondi alla, võtmata arvesse atmosfääri murdumist mitte rohkem kui 6° võrra. See kehtib Peterburi kohta. Moskva jaoks on täidetud nn “navigatsioonivalgete ööde” tingimused, s.o. kui päikeseketas sukeldub horisondi alla mitte rohkem kui 12°.

Sageli näidatakse kaamera tundlikkust vastuvõetava signaali puhul, mis tähendab signaali, kui signaali-müra suhe on 24 dB. See on empiiriliselt kindlaks määratud müra piirväärtus, mille juures saab kujutise siiski videolindile salvestada ja taasesituse ajal midagi näha.

Teine viis "vastuvõetava" signaali määramiseks on IRE (Institute of Radio Engineers) skaala. Kogu videosignaal (0,7 volti) on 100 IRE ühikut. Signaali umbes 30 IRE peetakse vastuvõetavaks. Mõned tootjad, eriti BURLE, näitavad 25 IRE, mõned 50 IRE (signaali tase -6 dB). Vastuvõetava taseme valiku määrab signaali-müra suhe. Elektroonilise signaali võimendamine pole keeruline. Häda on selles, et ka müra suureneb. Sony Hyper-HAD-maatriksitel, mille igal valgustundlikul elemendil on mikrolääts, on nüüd masstoodetud CCD-maatriksite seas kõrgeim tundlikkus. Neid kasutatakse enamikus kvaliteetsetes kaamerates. Nende baasil ehitatud kaamerate parameetrite hajumine tähendab peamiselt erinevust tootjate lähenemises mõiste "aktsepteeritav signaal" määratlemisele.

Täiendav probleem tundlikkuse määratlusega on seotud asjaoluga, et valgustuse mõõtühik “luks” on defineeritud monokromaatilise kiirguse jaoks lainepikkusega 550 nm. Sellega seoses on mõttekas pöörata erilist tähelepanu sellisele omadusele nagu videokaamera tundlikkuse spektraalne sõltuvus. Enamasti on must-valgete kaamerate tundlikkus inimsilmaga võrreldes oluliselt laienenud infrapuna vahemikku kuni 1100 nm. Mõne modifikatsiooni tundlikkus on lähi-infrapuna piirkonnas isegi suurem kui nähtaval. Need kaamerad on loodud töötama infrapuna prožektoritega ja on mõnes mõttes lähedased öövaatlusseadmetele.

Värvikaamerate spektraalne tundlikkus on ligikaudu sama, mis inimsilmal.

Riis. 2. RGB standardribadega värvilise CCD maatriksi spektraaltundlikkuse näide.

Tabel 2. Erinevate objektide peegeldustegurite ligikaudsed väärtused.

* Huvitav on märkida, et ka Kuu pinna peegeldusvõime on umbes 7%, s.o. Kuu on tegelikult must.

Eraldi äramärkimist väärivad ülitundlikud kaamerad, tegelikult on tegemist tavakaamera ja öövaatlusseadme (näiteks mikrokanaliga elektronoptilise muunduri – pildivõimendi) kombinatsiooniga. Sellistel kaameratel on ainulaadsed omadused (tundlikkus on tavapärasest 100 - 10 000 korda kõrgem ja keskmises infrapunavahemikus, kus inimkeha maksimaalne kiirgus on vaadeldav, see ise helendab), kuid teisest küljest on neil ka ainulaadne kapriissus - rikete vaheline aeg on umbes aasta ja kaameraid ei tohiks päeval sisse lülitada, soovitatakse isegi nende objektiiv katta, et kaitsta pildivõimendi katoodi läbipõlemise eest. Minimaalselt peaksite paigaldama objektiivid, mille automaatne avavahemik on F/1000 või rohkem. Töötamise ajal tuleb kaamerat regulaarselt veidi pöörata, et vältida pildi “sissepõletamist” pildivõimendi toru katoodil.

Huvitav on märkida, et erinevalt CCD maatriksitest on pildivõimendi toru katoodid maksimaalse valgustuse suhtes väga tundlikud. Kui CCD-kaamera valgustundlik ala taastub pärast eredat valgustust suhteliselt kergesti oma algsesse olekusse (see praktiliselt ei karda peegeldust), siis pildivõimendi katood võtab pärast eredat valgustamist väga kaua aega (mõnikord 3 -6 tundi), et "taastuda". Selle taastamise ajal, isegi suletud sisestusaknaga, loetakse pildivõimendi katoodist jääkpilt, "täiustatud". Reeglina tekib pärast suuri säritusi reabsorptsiooni (gaaside eraldumine kanali seinte pommitamise mõjul kiirendatud elektronide voogudega) mõju tõttu pildivõimendi toru ja eriti mitmeelektroni ja ioonide müra. müra suureneb järsult suurel mikrokanali plaatide alal. Viimased ilmuvad monitori ekraanile sagedaste suure läbimõõduga eredate välkudena, mis muudab kasuliku signaali eraldamise väga keeruliseks. Veelgi suuremate sisendvalgusvoogude korral võivad nii katoodiga kui ka pildivõimendi toru väljundluminestsentsekraaniga toimuda pöördumatud protsessid: suure voo mõjul üksikud lõigud ebaõnnestuvad (“põlevad läbi”). Edasisel kasutamisel on nende piirkondade tundlikkus vähenenud, mis seejärel langeb nullini.

Enamik ülitundlikkusega kaameraid kasutab kollase või kollakasrohelise väljundiga fluorestsentsekraaniga heledusvõimendeid. Põhimõtteliselt võib nende ekraanide sära pidada monokromaatiliseks kiirgusallikaks, mis viib automaatselt definitsioonini: seda tüüpi süsteemid saavad olla ainult ühevärvilised (st mustvalged). Seda asjaolu arvesse võttes valivad süsteemi loojad ka sobivad CCD-maatriksid: maksimaalse tundlikkusega spektri kollakasrohelises osas ja ilma tundlikkuseta IR-vahemikus.

Maatriksite kõrge tundlikkuse negatiivne tagajärg IR-vahemikus on seadme müra suurenenud sõltuvus temperatuurist. Seetõttu soovitatakse õhtul ja öösel töötamiseks kasutatavaid IR-maatriksiid ilma heledusvõimenditeta erinevalt pildivõimendustorudega televiisorisüsteemidest jahutada. CCD-kaamerate tundlikkuse nihkumine IR-piirkonna suhtes võrreldes teiste pooljuhtkiirguse detektoritega on tingitud peamiselt asjaolust, et punasemad footonid tungivad räni kaugemale, kuna räni läbipaistvus on suurem pikalainepiirkonnas ja samal ajal kaldub footoni kinnipüüdmise (fotoelektroniks muutmise) tõenäosus ühtsusele.

Riis. 3. Ränis oleva footoni neeldumissügavuse sõltuvus lainepikkusest.

Valguse puhul, mille lainepikkus on suurem kui 1100 nm, on räni läbipaistev (punaste footonite energiast ei piisa ränis elektron-augu paari loomiseks) ja footonid lainepikkusega alla 300-400 nm neelduvad õhukeses. pinnakiht (juba elektroodide polüräni struktuuril) ja ei jõua potentsiaali hästi.

Nagu eespool mainitud, tekib footoni neeldumisel elektron-augu kandjapaar ja elektronid kogutakse elektroodide alla, kui footon neeldub epitaksiaalse kihi ammendumise piirkonnas. Sellise CCD struktuuriga on võimalik saavutada umbes 40% kvantefektiivsus (teoreetiliselt on sellel piiril kvantefektiivsus 50%). Siiski on polüräni elektroodid valguse suhtes läbipaistmatud, mille lainepikkus on lühem kui 400 nm.

Suurema tundlikkuse saavutamiseks lühikese lainepikkuse vahemikus kaetakse CCD-d sageli õhukeste ainete kiledega, mis neelavad siniseid või ultraviolett- (UV) footoneid ja kiirgavad neid uuesti nähtava või punase lainepikkuse vahemikus.

Müra on mis tahes signaali ebakindluse allikas. Eristada saab järgmisi CCD müra tüüpe.

Footonmüra. See on valguse diskreetsuse tagajärg. Iga diskreetne protsess järgib Poissoni seadust (statistika). Seda statistikat järgib ka footoni voog (S on vastuvõtja valgustundlikule osale langevate footonite arv ajaühikus). Selle järgi on footonmüra võrdne . Seega on sisendsignaali signaali/müra suhe (tähistatud kui S/N – signaali/müra suhe):

S/N==.

Tume signaali müra Kui te ei rakenda maatriksi sisendisse valgussignaali (näiteks sulgege videokaamera objektiiv tihedalt valguskindla kattega), siis süsteemi väljundis saame nn. tumedad” raamid, muidu nimetatakse seda lumepallimüraks. Pimeda signaali põhikomponent on termiline emissioon. Mida madalam on temperatuur, seda madalam on pimedussignaal. Termoemissioon järgib samuti Poissoni statistikat ja selle müra on võrdne: , kus N t on termiliselt genereeritud elektronide arv kogusignaalis. Reeglina kasutatakse kõiki CCTV süsteemides kasutatavaid CCD-videokaameraid ilma aktiivse jahutuseta, mistõttu on tume müra üks peamisi müraallikaid.

Edastusmüra. Laengupaketi ülekandmisel CCD elementide kaudu läheb osa elektronidest kaduma. Seda püüavad kinni kristallis esinevad defektid ja lisandid. See ülekande ebaefektiivsus varieerub juhuslikult sõltuvalt ülekantud tasude arvust (N), ülekannete arvust (n) ja üksiku ülekandesündmuse ebaefektiivsusest (e). Kui eeldame, et iga pakett edastatakse iseseisvalt, saab edastusmüra esitada järgmise avaldisega:

s =.

Näide: ülekande ebaefektiivsuse korral 10–5, 300 ülekannet ja elektronide arvu paketis 10 5, on ülekandemüra 25 elektroni.

Lugemismüra. Kui CCD-elemendis salvestatud signaal maatriksist eemaldatakse, pingeks teisendatakse ja võimendatakse, ilmub igas elemendis täiendav müra, mida nimetatakse lugemismüraks. Lugemismüra võib pidada müra põhitasemeks, mis esineb isegi nullsäritusega pildil, kui andur on täielikus pimeduses ja tumeda signaali müra on null. Tüüpiline näidumüra heade CCD proovide puhul on 15-20 elektroni. Parimad Ford Aerospace'i Skipperi tehnoloogiat kasutavad CCD-d saavutavad lugemismüra alla 1 elektroni ja ülekande ebaefektiivsuse 10-6.

Lähtestage müra või kTC müra. Enne signaali laengu sisestamist tuvastusseadmesse on vaja eelmine laeng eemaldada. Selleks kasutatakse lähtestustransistorit. Elektrilise lähtestamise tase sõltub ainult tuvastussõlme temperatuurist ja mahtuvusest, mis tekitab müra:

s r =,

kus k on Boltzmanni konstant.

Tüüpilise mahtuvuse C väärtuse korral, mis on toatemperatuuril 0,1 pf, on lähtestusmüra umbes 130 elektroni. kTC müra saab täielikult maha suruda spetsiaalse signaalitöötlusmeetodiga: topeltkorreleeritud diskreetimine (DCS). DCV-meetod kõrvaldab tõhusalt madala sagedusega signaalid, mida tavaliselt toiteahelad sisestavad.

Kuna CCTV-süsteemide põhikoormus tekib pimedas (või halvasti valgustatud ruumides), on eriti oluline pöörata tähelepanu madala müratasemega videokaameratele, mis on efektiivsemad vähese valgusega tingimustes.

Müra suhtelist hulka kirjeldavat parameetrit, nagu eespool mainitud, nimetatakse signaali-müra suhteks (S/N) ja seda mõõdetakse detsibellides.

S/N =20 x log(<видеосигнал>/<шум>)

Näiteks signaali-müra suhe 60 dB tähendab, et signaal on 1000 korda suurem kui müra.

Kui signaali-müra suhe on 50 dB või rohkem, on monitoril selge pilt ilma nähtavate müramärkideta; 40 dB juures on mõnikord märgatavad värelevad punktid; 30 dB juures on kogu ekraanil "lund" 20 dB juures on pilt peaaegu vastuvõetamatu, kuigi läbi pideva lumeloori on endiselt näha suuri kontrastseid objekte.

Kaamera kirjeldustes toodud andmed näitavad signaali-müra väärtusi optimaalsete tingimuste jaoks, näiteks kui maatriksil on valgustus 10 luksi ning automaatne võimenduse reguleerimine ja gammakorrektsioon on välja lülitatud. Kui valgustus väheneb, muutub signaal väiksemaks ja AGC-st ja gammakorrektsioonist tingitud müra suureneb.

Dünaamiline ulatus

Dünaamiline ulatus on valgusvastuvõtja poolt genereeritud maksimaalse võimaliku signaali ja selle enda müra suhe. CCD puhul on see parameeter määratletud kui pikslisse akumuleeruva suurima laengupaketi suhe näidumürasse. Mida suurem on CCD piksli suurus, seda rohkem elektrone see mahutab. Erinevat tüüpi CCD-de puhul on see väärtus vahemikus 75 000 kuni 500 000 ja rohkem. 10 e - müra juures (CCD müra mõõdetakse e - elektronides) jõuab CCD dünaamiline ulatus väärtuseni 50 000. Suur dünaamiline ulatus on eriti oluline piltide salvestamiseks välitingimustes eredas päikesevalguses või öistes tingimustes, kui on on suur erinevus valgustuses: ere valgus laternast ja objekti valgustamata varjupool. Võrdluseks, parimate fotoemulsioonide dünaamiline ulatus on ainult umbes 100.

CCD-vastuvõtjate mõningate omaduste ja eelkõige dünaamilise ulatuse selgemaks mõistmiseks võrdleme neid lühidalt inimsilma omadustega.

Silm on kõige universaalsem valguse vastuvõtja.

Siiani on dünaamilise ulatuse (ja eelkõige pilditöötluse ja taastamise efektiivsuse poolest) kõige tõhusam ja täiuslikum valgusdetektor inimsilm. Fakt on see, et inimsilm ühendab kahte tüüpi valgusdetektoreid: vardad ja koonused.

Vardad on väikese suurusega ja suhteliselt madala tundlikkusega. Need asuvad peamiselt tsentraalse makula piirkonnas ja praktiliselt puuduvad võrkkesta silmapõhja perifeerias. Vardad suudavad hästi eristada erineva lainepikkusega valgust, täpsemalt on neil mehhanism erinevate neurosignaalide genereerimiseks sõltuvalt langeva voo värvist. Seetõttu on tavalistes valgustingimustes tavalisel silmal maksimaalne nurkeraldusvõime objektiivi optilise telje lähedal ja maksimaalne värvivarjundite erinevus. Kuigi mõned inimesed kogevad patoloogilisi kõrvalekaldeid, mis on seotud erinevate neurosignaalide moodustamise võime vähenemisega ja mõnikord ka puudumisega, sõltuvalt valguse lainepikkusest. Seda patoloogiat nimetatakse värvipimeduseks. Ägeda nägemisega inimesed pole peaaegu kunagi värvipimedad.

Koonused on jaotunud peaaegu ühtlaselt kogu võrkkesta ulatuses, on suurema suurusega ja seetõttu tundlikumad.

Päevavalguses ületab varraste signaal oluliselt koonuste signaali, silm on häälestatud töötama ereda valgusega (nn päevane nägemine). Võrreldes koonustega on vardadel kõrgem “tume” signaali tase (pimedas näeme valevalguse “sädemeid”).

Kui normaalse nägemisega mitteväsinud inimene paigutada pimedasse ruumi ja lasta tal pimedusega kohaneda (“harjuda”), siis väheneb oluliselt varraste “tume” signaal ja koonused (“hämarus” nägemine). ) hakkab valguse tajumisel tõhusamalt töötama. S. I. Vavilovi kuulsates katsetes tõestati, et inimsilm ("koonuse" versioon) on võimeline registreerima 2-3 valguskvanti.

Seega on inimsilma dünaamiline ulatus: eredast päikesest üksikute footoniteni 10 10 (s.o 200 detsibelli!). Selle parameetri parim tehisvalguse detektor on fotokordisti toru (PMT). Footonite loendamise režiimis on selle dünaamiline ulatus kuni 10 5 (s.o 100 dB) ja analoogrežiimis automaatselt registreerimisele lülituva seadmega võib PMT dünaamiline ulatus ulatuda 10 7-ni (140 dB), mis on dünaamilises vahemikus tuhat korda halvem kui inimsilm.

Varraste spektraalse tundlikkuse vahemik on väga lai (4200 kuni 6500 angströmi), maksimaalne on ligikaudu 5550 angströmi. Koonused on kitsama spektrivahemikuga (4200 kuni 5200 angströmi), mille maksimum on umbes 4700 angströmi lainepikkusel. Seetõttu kaotab tavainimene päevavalguselt hämaras nägemisele üleminekul võime värve eristada (pole asjata öeldud: "öösel on kõik kassid hallid") ja efektiivne lainepikkus nihkub sinisele osale, suure energiaga footonite piirkond. Seda spektraalse tundlikkuse nihutamise efekti nimetatakse Purkinje efektiks. Paljudel värvilistel CCD-maatriksitel, mis on RGB-signaalis valgeks tasakaalustamata, on see (kaudselt). Seda tuleks arvesse võtta värviteabe hankimisel ja kasutamisel televisioonisüsteemides, mille kaamerad ei ole automaatse valge korrektsiooniga.

Lineaarsus ja gamma korrektsioon.

CCD-del on kõrge lineaarsus. Teisisõnu, piksli kohta kogutud elektronide arv on rangelt võrdeline CCD-d tabavate footonite arvuga.

Parameeter "lineaarsus" on tihedalt seotud "dünaamilise ulatuse" parameetriga. Dünaamiline ulatus võib reeglina oluliselt ületada lineaarsusvahemikku, kui süsteem pakub seadme tööks mittelineaarses piirkonnas riistvaralist või täiendavat tarkvara parandust. Tavaliselt saab kergesti korrigeerida signaali, mille lineaarsusest kõrvalekalle ei ületa 10%.

Täiesti teistsugune olukord on fotograafiliste emulsioonide puhul. Emulsioonidel on kompleksne reaktsioon valgusele ja parimal juhul võivad nad saavutada 5% fotomeetrilise täpsuse ja siis ainult osa nende niigi kitsast dünaamilisest vahemikust. CCD-d on lineaarsed 0,1% täpsusega peaaegu kogu dünaamilises vahemikus. See muudab tundlikkuse ebahomogeensuse mõju kogu väljale suhteliselt lihtsaks. Lisaks on CCD-d positsiooniliselt stabiilsed. Üksiku piksli asukoht on seadme valmistamise ajal rangelt fikseeritud.

Monitori kineskoobil on heleduse võimsusseaduse sõltuvus signaalist (eksponent 2.2), mis põhjustab tumedate alade kontrasti vähenemist ja heledate alade suurenemist; samal ajal, nagu juba märgitud, toodavad kaasaegsed CCD-d lineaarset signaali. Üldise mittelineaarsuse kompenseerimiseks on tavaliselt kaamerasse sisse ehitatud seade (gammakorrektor), mis ennustab signaali eksponendiga 1/2,2, s.t. 0,45. Mõned kaamerad võimaldavad valida eelmoonutusteguri, näiteks 0,60 valiku tulemuseks on subjektiivne kontrasti suurenemine, mis jätab mulje “teravamast” pildist. Kõrvalmõju on see, et gammakorrektsioon tähendab nõrkade signaalide (eriti müra) täiendavat võimendamist, s.t. sama kaamera, mille G=0,4 on sisse lülitatud, on ligikaudu neli korda tundlikum kui G=1 puhul. Tuletame aga veel kord meelde, et ükski võimendi ei suuda signaali-müra suhet tõsta.

Laengu levitamine.

Pikslisse kogunevate elektronide maksimaalne arv on piiratud. Keskmise viimistlusega ja tüüpiliste suurustega maatriksite puhul on see väärtus tavaliselt 200 000 elektroni. Ja kui footonite koguarv kokkupuuteaja (kaadri) jooksul jõuab piirväärtuseni (200 000 või rohkem kvantsaagisega 90% või rohkem), hakkab laengupakett voolama naaberpikslitesse. Pildi detailid hakkavad sulanduma. Mõju tugevneb, kui kristalli õhukese kehaga mitte neelduv “ekstra” valgusvoog peegeldub alussubstraadilt. Dünaamilises vahemikus olevate valgusvoogude korral ei jõua footonid substraadini, peaaegu kõik neist (suure kvantsaagisega) muundatakse fotoelektroniteks. Kuid dünaamilise ulatuse ülemise piiri lähedal toimub küllastumine ja transformeerimata footonid hakkavad kristalli ümber "tiirlema", säilitades valdavalt kristalli esialgse sisenemise suuna. Enamik neist footonitest jõuavad substraadini, peegelduvad ja suurendavad seeläbi tõenäosust, et need muunduvad fotoelektroniteks, küllastades üle juba levimispiiril asuvad laengupaketid. Kui aga aluspinnale kanda imav kiht, nn peegeldusvastane kate (anti-blooming), väheneb hajutav efekt oluliselt. Paljudel kaasaegsetel uute tehnoloogiate abil toodetud maatriksitel on õitsenguvastane toime, mis on üks taustavalguse kompensatsioonisüsteemi komponente.

Stabiilsus ja fotomeetriline täpsus.

Isegi kõige tundlikumad CCD-videokaamerad on vähese valgusega rakendustes kasutud, kui nende tundlikkus on ebaühtlane. Stabiilsus on CCD kui pooljuhtseadme lahutamatu omadus. Siin peame silmas eelkõige tundlikkuse stabiilsust ajas. Ajalist stabiilsust kontrollitakse spetsiaalsete stabiliseeritud kiirgusallikate voolumõõtmiste abil. Selle määrab maatriksi enda kvantväljundi stabiilsus ja signaali lugemise, võimendamise ja salvestamise elektroonilise süsteemi stabiilsus. Sellest tulenev videokaamera stabiilsus on peamine parameeter fotomeetrilise täpsuse määramisel, st. salvestatud valgussignaali mõõtmise täpsus.

Heade maatriksnäidiste ja kvaliteetse elektroonilise süsteemi puhul võib fotomeetriline täpsus ulatuda 0,4 - 0,5% -ni ja mõnel juhul optimaalsete maatriksi töötingimuste ja spetsiaalsete signaalitöötlusmeetodite kasutamisel 0,02% -ni. Saadud fotomeetrilise täpsuse määravad mitmed põhikomponendid:

• süsteemi kui terviku ajutine ebastabiilsus;
• tundlikkuse ruumiline heterogeensus ja eelkõige kõrgsageduse heterogeensus (st pikslist pikslini);
• videokaamera kvanttõhusus;
• digitaalsete videokaamerate videosignaali digiteerimise täpsus;
• erinevat tüüpi müra suurus.

Isegi kui CCD maatriksi tundlikkuses on suured ebahomogeensused, saab nende mõju tekkivale fotomeetrilisele täpsusele spetsiaalsete signaalitöötlusmeetoditega vähendada, eeldusel, et need ebahomogeensused on loomulikult ajas stabiilsed. Teisest küljest, kui maatriksil on kõrge kvantefektiivsus, kuid mille ebastabiilsus on suur, on kasuliku signaali salvestamise täpsus madal. Selles mõttes on ebastabiilsete seadmete puhul kasuliku signaali salvestamise täpsus (või fotomeetriline täpsus) olulisem omadus kui signaali-müra suhte karakteristik.

Kirjutasime perele videokaamera valimise maatriksitest. Seal puudutasime seda probleemi lihtsalt, kuid täna proovime mõlemat tehnoloogiat üksikasjalikumalt kirjeldada.

Mis on videokaamera maatriks? See on mikroskeem, mis muudab valgussignaali elektrisignaaliks. Tänapäeval on 2 tehnoloogiat, see tähendab 2 tüüpi maatriksit - CCD (CCD) ja CMOS (CMOS). Need erinevad üksteisest, igaühel on oma plussid ja miinused. On võimatu kindlalt öelda, milline neist on parem ja milline halvem. Nad arenevad paralleelselt. Me ei lasku tehnilistesse üksikasjadesse, sest... need jäävad üsna arusaamatuks, kuid üldiselt määratleme nende peamised plussid ja miinused.

CMOS-tehnoloogia (CMOS)

CMOS-maatriksid Esiteks uhkeldavad nad väikese energiatarbimisega, mis on pluss. Selle tehnoloogiaga videokaamera töötab veidi kauem (olenevalt aku mahust). Kuid need on väikesed asjad.

Peamine erinevus ja eelis on rakkude juhuslik lugemine (CCD-s lugemine toimub samaaegselt), mis välistab pildi määrdumise. Kas olete kunagi näinud "vertikaalseid valgussambaid" punktitaolistest eredatest objektidest? Seega välistavad CMOS-maatriksid nende ilmumise võimaluse. Ja nendel põhinevad kaamerad on odavamad.

On ka puudusi. Esimene neist on valgustundliku elemendi väiksus (piksli suuruse suhtes). Siin hõivab suurema osa pikslite alast elektroonika, seega väheneb valgustundliku elemendi pindala. Järelikult maatriksi tundlikkus väheneb.

Sest Kuna pikslitel toimub elektrooniline töötlemine, suureneb pildi müra hulk. See on ka puudus, nagu ka lühike skannimisaeg. Seetõttu tekib „rullava katiku“ efekt: kui operaator liigub, võib kaadris olev objekt olla moonutatud.

CCD tehnoloogia

CCD-maatriksitega videokaamerad võimaldavad saada kvaliteetseid pilte. Visuaalselt on CCD-põhise videokaameraga jäädvustatud videos lihtne märgata vähem müra võrreldes CMOS-kaameraga jäädvustatud videoga. See on kõige esimene ja kõige olulisem eelis. Ja veel üks asi: CCD maatriksite efektiivsus on lihtsalt hämmastav: täitmistegur läheneb 100%, registreeritud footonite suhe on 95%. Võtke tavaline inimsilm - siin on suhe ligikaudu 1%.

Kõrge hind ja suur energiatarbimine on nende maatriksite puudused. Asi on selles, et salvestusprotsess on siin uskumatult keeruline. Pildistamine toimub tänu paljudele lisamehhanismidele, mida CMOS-maatriksites ei leidu, mistõttu on CCD tehnoloogia oluliselt kallim.

CCD-maatriksit kasutatakse seadmetes, mis nõuavad värvilisi ja kvaliteetseid pilte ning mida saab kasutada dünaamiliste stseenide pildistamiseks. Need on enamasti professionaalsed videokaamerad, kuigi on ka majapidamiskaameraid. Need on ka valvesüsteemid, digikaamerad jne.

CMOS-maatriksiid kasutatakse seal, kus pildikvaliteedile eriti kõrgeid nõudeid pole: liikumisandurid, odavad nutitelefonid... Küll aga oli see nii varem. Kaasaegsetel CMOS-maatriksitel on erinevad modifikatsioonid, mis teeb need väga kvaliteetseks ja CCD-maatriksitega konkureerimise seisukohalt vääriliseks.

Nüüd on raske hinnata, milline tehnoloogia on parem, sest mõlemad näitavad suurepäraseid tulemusi. Seetõttu on maatriksi tüübi seadmine ainsaks valikukriteeriumiks minimaalselt rumal. Oluline on arvestada paljude omadustega.

Fotoelektrilised CCD kujutise muundurid jagunevad kahte klassi: lineaarne (ühemõõtmeline) ja maatriks (kahemõõtmeline). Lineaarsetes fotogalvaanilistes elementides paiknevad valgustundlikud elemendid piki ühte joont, tavaliselt joont, ja moodustavad objektist ühemõõtmelise kujutise. Selliseid üherealisi fotogalvaanilisi elemente saab kasutada tootmisprotsesside jälgimisel, makro- ja mikroobjektide optilise tiheduse erianalüüsis ja analüüsis. Üherealist fotogalvaanikat saab kasutada ka kahemõõtmelise pildi saamiseks. Sel juhul on vaja päikesepatarei või objekti liigutada horisontaalse skaneerimise suunaga risti.

Elektroonilise skaneerimisega edastustoru pooljuhtanaloog piki joont ja kaadrit on maatrikskujutise signaali moodustaja. See on kahe koordinaadiga valgustundlike elementide massiiv, milles elektrooniline skaneerimine toimub piki koordinaate X Ja y. Sellise kahe koordinaadiga maatriksi kujundamisel lahendatakse selle lugemise korraldamise küsimus.

CCD eeliste maksimaalseks kasutamiseks peavad laadimispaketid liikuma ühte väljundseadmesse ja teabe lugemise järjekord vastab tavaliselt aktsepteeritud televisioonistandardile. Lugemise korraldamise meetodi valimisel on vaja tagada pildi minimaalne hägustumine, mis tekib siis, kui kogunenud laengupakette edastatakse läbi seadme valgustatud alade. Seetõttu on CCD-de kaasaegsetes maatriks-PV elementides laengu akumuleerumise ja laengu ülekande alad eraldatud.

Vastavalt organiseerimismeetodile jagunevad CCD lugemismaatriksid kaadrilaengu ülekandega (FC), rea laengu ülekandega (SC) ja ridakaadri laenguülekandega (SCT) maatriksiteks.

CCD CP maatriksid (vt. joon. 8.12) sisaldavad akumulatsioonisektsiooni - fotovastuvõtu sektsiooni, salvestus- või mälusektsiooni, mis on valguse eest kaitstud ja pindalalt võrdne akumulatsioonisektsiooniga, ning üht või mitut paralleelset väljundi nihkeregistrit.

Riis. 8.12. Kaadri kaupa lugemise korraldamise meetod

Välja aktiivse osa ajal kogunevad fotodetektori sektsiooni laengupaketid. Vertikaalse summutusimpulsi ajal kantakse kõigi väljajoonte akumuleeritud laengud järjestikku valguse eest kaitstud salvestussektsiooni. Seejärel kantakse fotovastuvõtu sektsiooni järgmise kaadri kogumise ajal teave salvestussektsioonist rida-realt laengu edastamise sektsiooni - nihkeregistrisse. Joonte nihutamine ülekandesektsiooni toimub vastupidise horisontaalse skaneerimise ajal. Seejärel väljastatakse rea laengupaketid elementide kaupa nihkeregistri abil väljundseadmesse, mis muundab laengud kujutissignaaliks. Kui kogu videoteave on salvestussektsioonist loetud, algab järgmise kaadri ülekandmine.

Kaaderhaaval lugemise üks peamisi eeliseid on pildi hägususe vähendamine, kuna laenguinfot loetakse valguse eest kaitstud salvestussektsioonist ja skaneerimisel ei teki lisavalgustust. Kaadri haaval korraldamise korral on põimitud kujutise lagunemine hõlpsasti teostatav ja elektroodi struktuur on samuti lihtne, mis võimaldab maatriksrakke kompaktselt paigutada. Kaader-kaadrilt ülekande põhimõte on mugav maatriksi valgustamiseks substraadi poolelt, mis võimaldab seadme kvantefektiivsust kahekordistada ja saada ühtlasema spektraalse tundlikkuse karakteristiku.

Seega toimub kaadri kaupa lugemisega maatriksis laengupakettide ülekandmine väljundseadmesse kolmes etapis: 1) ülekandmine akumulatsioonisektsioonist mälusektsiooni; 2) ülekanne mäluosast vahetuste registrisse; 3) ülekanne nihkeregistrist väljundseadmesse. On lihtne näha, et erinevate raamielementide ülekannete arv on erinev. See on maksimaalne ülemise rea esimese elemendi jaoks ja minimaalne alumise elemendi jaoks. Ühe laadimispaketi maksimaalset ülekannete arvu on lihtne arvutada. Lugemise korraldamiseks kaadri kaupa, kasutades kolmetsüklilist nihkeskeemi, ülekannete arv N max = 2 x 3 z + 2n, Kus z- ridade arv; P- elementide arv reas. Ülaltoodud võrdsuse korral võtab esimene termin arvesse ülekannete arvu piki kaadrit ja teine ​​- ülekannete arvu piki joont.

Arvestades, et laengupakette ei kanta täielikult üle, kuna esiteks kaob osa laengust ränioksiidi liideses olevatesse lõksudesse ja teiseks võib teatud edastuskiiruse juures osa laengust paketist maha jääda ja ilmuda järgmine. Laenuülekande ebaefektiivsus ε seab teatud piirangud CCD töökiirusele ja ülekannete koguarvule, mida saab teha ilma signaali olulise hävitamiseta. Kui ε on suhteline väärtus ja iseloomustab seda osa laengust, mis jääb paketist ühe ülekande võrra maha, korrutades ε seadme ülekannete arvuga N, saame tulemuseks ülekande ebaefektiivsuse Nε kogu seadmest.

CP CCD maatriksite miinuseks on pildi hägususe mittetäielik kõrvaldamine, mis väljendub väga eredate detailide taga vertikaalsete trailing laiendustena. Hägusus ilmneb seetõttu, et kui kogunenud laengud kantakse fotovastuvõtu sektsioonist mälusektsiooni, siseneb valgus jätkuvalt fotovastuvõtu sektsiooni.

Pildi hägususe vähendamiseks töötati välja rea ​​laengu ülekandega maatriksid (vt joonis 8.13), milles akumulatsiooniala moodustavad valgustundlike elementide vertikaalsed sambad, mille vahele on paigutatud valguse eest kaitstud vertikaalnihkeregistrid. Kaadri ajal kogunevad valgustundlikesse elementidesse laengupaketid. Katkestuskaadri impulsi ajal kantakse need samaaegselt üle vertikaalsete nihkeregistrite külgnevatesse lahtritesse. Järgmise kaadri kogumise ajal nihutatakse vertikaalregistritest laengupaketid samaaegselt horisontaalsesse (väljund)registrisse. Vertikaalsete registrite nihe ühe elemendi võrra toimub horisontaalse skaneerimise pöördkäigu ajal ja laengupakettide väljund horisontaalregistritest väljundseadmesse toimub horisontaalse skaneerimise edasikäigu ajal. Vertikaalsete nihkeregistrite täielik vabastamine laengutest toimub kaadri ajal.

Riis. 8.13. Maatriks laengute reaülekandega

Riis. 8.14. Maatriks joonkaadri laenguülekandega

Põimitud skaneerimise tagamiseks SP CCD maatriksis kantakse laengud valgustundlikelt rakkudelt vertikaalsetesse registritesse: paaritutes väljades - paaritutest rakkudest ja paarisväljades - paarisrakkudest.

Kolmemaatriksiliste edastuskaamerate puhul on vaja pildi hägusust veelgi vähendada. Selle nõude täitmiseks on välja töötatud line-frame charge transfer (FCT) hübriid-CCD-d. SKP CCD maatriksid (vt joonis 8.14 ja 8.15) erinevad SP CCD maatriksitest (vt joonis 8.13) täiendava laengusalvestuse sektsiooni olemasolu poolest välja kestuse jaoks.

Riis. 8.15. Jooneraami mähise kontseptsioon

Seetõttu saab vertikaalsetest CCD-registritest salvestussektsiooni laengu ülekandmise sagedust valida kümneid kordi kõrgemaks kui SP CCD-maatriksites kasutatav reasagedus. See võimaldab teil sama palju vähendada pildi hägusust. SKP CCD maatriksite puuduseks on tootmise suhteline keerukus ja kõrge tootmiskulu.

Maatriks-CCD SP-de peamised puudused on substraadipoolse valgustuse võimatus ja valgusvoo mittetäielik kasutamine, kuna fotodioodid ei hõivata kogu kristalli ala; footonid, mis langevad valguse eest kaitstud vertikaalsetele CCD-registritele. tasusid ei tekita. Selle tulemusena väheneb oluliselt kaamerate tundlikkus.

Seega halvendab joonülekandega maatriksites valgustundliku ala suuruse vähendamine kaudselt maatriksi valgustundlikkust. Selle probleemi saab lahendada väga lihtsalt (kuigi tehnoloogiliselt on see väga keeruline) - iga piksli (fotodioodi) peale asetatakse mikroobjektiiv. Mikrolääts koondab kogu langeva valguse väikesele alale, pikslile endale (fotodioodile), kogub sinna kogu valgusvoo ja suurendab seeläbi efektiivselt fotodioodi minimaalset valgustust (vt joonis 8.16).

Riis. 8.16, a. Traditsiooniliste ahelate võrdlus mikroläätsedega

Riis. 8.16, sünd. CCD maatriksi struktuur mikroläätsedega (foto tehtud elektronmikroskoobiga)

Fotodioodide arv maatriks-CCD veerus valitakse võrdseks ridade arvuga kaadris. Ridadevahelise ülekandega maatriks-CCD-des saab interlace-dekompositsiooni rakendada mitmel viisil. Lihtsamal juhul loetakse esimesel väljal paaritutest fotodioodidest laengupaketid vertikaalsesse CCD registrisse ja akumuleerumine jätkub paarisfotodioodides. Teisel väljal loetakse paarisarvulistes fotodioodides kogunenud laenguid. Valgustundliku elemendi vertikaalne suurus osutub võrdseks ühe fotodioodi suurusega. Külgnevate joonte keskpunktid asuvad üksteisest võrdsel kaugusel. Sellise lugemise kogunemisaeg on televisioonirežiimis 40 ms - kaadriaeg. Seetõttu nimetatakse seda režiimi kaadri akumulatsioonirežiimiks. Nii pikk kogunemisaeg põhjustab liikuvate objektide edastamisel moonutusi. Vertikaalsete piiride sakilisus ilmneb siis, kui objektid liiguvad horisontaalselt. Selle puuduse ületamiseks töötati välja väljade kogumise režiim.

CCD maatriksi valguskarakteristik töövalgustuse vahemikus on lineaarne (vt joonis 8.17). Punkt 1 vastab väljundile

signaali valgustuse puudumisel ja määrab pimeda voolu, mis on suuresti tingitud vähemuskandjate termilisest genereerimisest. Punkt 2 iseloomustab maatrikselemendi küllastusrežiimi, s.o. potentsiaalikaevu täielik täitmine vähemuskandjatega. Potentsiaalikaevu sügavuse määravad maatriksi projekteerimisparameetrid ja akumulatsioonipotentsiaal, mille väärtust piirab MOS-kondensaatori läbilöögipinge.

Riis. 8.17. CCD maatriksi valgusomadused

Riis. 8.18. CCD maatriksi spektraalkarakteristikud

Maatriksimoodustaja spektraalne tundlikkus (joon. 8.18 ja 8.19) on spektri pikalainepiirkonnas tõusuga ja lainepikkuse piirkonna langusega 0,4...0,5 μm (kõver) 1), mis on tingitud tugevast neeldumisest selles spektri osas pooljuhtsubstraadile sadestunud polüräni elektroodide poolt.

Riis. 8.19. Silma ja CCD maatriksi spektraalne tundlikkus

Tundlikkuse suurendamiseks selles spektri piirkonnas avatakse polüräni elektroodides aknad. Akende pindala on ligikaudu 15...20% elemendi valgustundliku pinna pindalast. See suurendas maatriksi tundlikkust lainepikkusel λ = 0,4 μm 20%-ni (kõver 2), mis võimaldas kasutada maatriksit värvitelevisioonis. Eraldusvõime määratakse CCD maatriksi akumulatsioonielementide arvu järgi. Kõrglahutusega televisioonisüsteemide jaoks on välja töötatud CCD maatriksid, mille elemente on 1035x1920.

CCD spektraalne tundlikkus sõltub ränisubstraadi tüübist, kuid üldine reaktsioon on fotoelektrilise efekti tulemus: pikemad lainepikkused tungivad sügavamale CCD ränistruktuuri. See viitab punasele ja infrapunavalgusele (joonis 8.19).

Selline tungimine on aga kahjulik. Sellised lained on nii tugevad, et võivad tekitada elektroonilisi kandjaid piirkondades, mis ei tohiks olla valguse käes. Selle tulemusena kaovad pildilt peened detailid, kuna rakkude laeng levib üle naaberrakkude, kaotades kõrge eraldusvõimega komponendid ja tekitades "ujumise efekti". Samuti võib mõjutada maski tsoon (joonis 8.15), mis on mõeldud ainult laengute ajutiseks hoidmiseks ja ei ole mõeldud kokkupuuteks, mille tagajärjel võib müra ja vertikaalne halo oluliselt suureneda. Seetõttu kasutavad täiustatud CCD-videokaamerad spetsiaalseid optilisi infrapunalõikefiltreid. Need on paigaldatud CCD maatriksi peale ja käituvad optiliste madalpääsfiltritena keskmise sagedusega umbes 700 nm punase värvi lähedal (joonis 8.20).

Riis. 8.20. Infrapuna-lõigatud filter muudab CCD maatriksi spektraalset tundlikkust

Juhtudel, kui on ette nähtud kasutada videokaamerat (must-valge) vähese valguse tingimustes või kui süsteem sisaldab objektide infrapunavalgustuse allikaid, selliseid filtreid ei kasutata (et mitte nõrgendada kaamerate tundlikkust). .

Värvilised CCD-kaamerad seevastu nõuavad IR-lõigatud filtri kasutamist. Tüüpiline must-valge CCD ilma infrapunafiltrita suudab toota vastuvõetava videosignaali taseme kaamera sihtvalgustuse 0,01 luksi korral. Sama IR-filtriga kaamera vajab 10 korda rohkem valgustust. Kuid sel juhul on määravaks kriteeriumiks värvitruudus.

Mis on CCD?

Natuke ajalugu

Varem kasutati valgusvastuvõtjatena fotomaterjale: fotoplaate, fotofilmi, fotopaberit. Hiljem ilmusid telekaamerad ja fotokordisti torud (PMT).
60ndate lõpus ja 70ndate alguses hakati välja töötama nn Charge Coupled Devices, lühendatult CCD-sid. Inglise keeles näeb see välja nagu "charge-coupled devices" või lühendatult CCD. CCD maatriksite põhimõte seisnes selles, et räni on võimeline reageerima nähtavale valgusele. Ja see asjaolu viis mõttele, et seda põhimõtet saab kasutada helendavate objektide kujutiste saamiseks.

Astronoomid olid esimeste seas, kes mõistsid CCD-de erakordsed võimalused piltide salvestamiseks. 1972. aastal asutas rühm JPL-i (Jet Propulsion Laboratory, USA) teadlasi astronoomia ja kosmoseuuringute jaoks mõeldud CCD-de arendamiseks programmi. Kolm aastat hiljem sai meeskond koos Arizona ülikooli teadlastega esimese astronoomilise CCD-pildi. Pooleteisemeetrise teleskoobi abil tehtud ligi-infrapunakujutis Uraanist paljastas planeedi lõunapooluse lähedal tumedad laigud, mis viitavad metaani olemasolule...

CCD-maatriksite kasutamine on tänapäeval leidnud laialdast rakendust: digikaamerad, videokaamerad; CCD-maatriksi nagu kaamera integreerimine isegi mobiiltelefonidesse on muutunud võimalikuks.

CCD seade

Tüüpiline CCD-seade (joonis 1): pooljuhi pinnal on õhuke (0,1-0,15 μm) dielektriku (tavaliselt oksiidi) kiht, millel asetsevad juhtivate elektroodide ribad (valmistatud metallist või polükristallilisest ränist). Need elektroodid moodustavad lineaarse või maatriksregulaarse süsteemi ning elektroodide vahelised kaugused on nii väikesed, et naaberelektroodide vastastikuse mõju mõju on märkimisväärne. CCD-de tööpõhimõte põhineb laengupakettide tekkimisel, säilitamisel ja suunamisel pooljuhi pinnalähedases kihis tekkivates potentsiaalsetes aukudes, kui elektroodidele rakendatakse välist elektripinget.

Riis. 1. CCD maatriksi põhikujundus.

Joonisel fig. 1 tähistavad sümbolid C1, C2 ja C3 MOS-kondensaatoreid (metalloksiid-pooljuht).

Kui suvalisele elektroodile rakendada positiivset pinget U, siis tekib MIS struktuuris elektriväli, mille mõjul enamuskandjad (augud) väga kiiresti (mõne pikosekundiga) eemalduvad pooljuhi pinnalt. Selle tulemusena moodustub pinnale ammendatud kiht, mille paksus on mikromeetri murdosa või ühikutes. Vähemuskandjad (elektronid), mis tekivad kahanemiskihis mõne protsessi (näiteks termilise) mõjul või satuvad sinna pooljuhi neutraalsetest piirkondadest difusiooni mõjul, liiguvad (välja mõjul) pooljuhti. -isolaatori liides ja olema lokaliseeritud kitsas pöördkihis. Seega tekib pinnale elektronide potentsiaalikaev, kuhu need välja mõjul ammendumiskihist veerevad. Tühjenduskihis tekkivad enamuskandjad (augud) paisatakse välja mõjul pooljuhi neutraalossa.
Teatud aja jooksul täitub iga piksel järk-järgult elektronidega võrdeliselt sellesse siseneva valguse hulgaga. Selle aja lõpus kantakse iga piksli poolt kogunenud elektrilaengud omakorda seadme “väljundisse” ja mõõdetakse.

Maatriksite valgustundliku piksli suurus on vahemikus üks või kaks kuni mitukümmend mikronit. Hõbehalogeniidi kristallide suurus fotofilmi valgustundlikus kihis on vahemikus 0,1 (positiivsed emulsioonid) kuni 1 mikronini (ülitundlik negatiiv).

Maatriksi üks peamisi parameetreid on nn kvanttõhusus. See nimi peegeldab neeldunud footonite (kvantide) fotoelektronideks muundamise efektiivsust ja on sarnane valgustundlikkuse fotograafilise kontseptsiooniga. Kuna valguskvantide energia sõltub nende värvist (lainepikkusest), on võimatu üheselt määrata, kui palju elektrone sünnib maatrikspikslis, kui see neelab näiteks saja heterogeense footoni voo. Seetõttu on kvantefektiivsus maatriksi andmelehel tavaliselt antud lainepikkuse funktsioonina ja spektri teatud osades võib see ulatuda 80%-ni. Seda on palju rohkem kui fotograafilise emulsiooni või silma oma (umbes 1%).

Mis tüüpi CCD-sid on olemas?

Kui pikslid on reastatud ühte ritta, siis nimetatakse vastuvõtjat CCD-massiiviks, kui aga pindala on täidetud paaritute ridadega, siis vastuvõtjat CCD maatriksiks.

CCD massiivi kasutati 80ndatel ja 90ndatel astronoomilisteks vaatlusteks laialdaselt. Piisas pildi liigutamisest mööda CCD joont ja see ilmus arvutimonitorile. Kuid selle protsessiga kaasnes palju raskusi ja seetõttu asendatakse CCD massiivid praegu üha enam CCD maatriksitega.

Kõrvaltoimed

Üheks CCD-l laengu ülekande soovimatuks kõrvalmõjuks, mis võib vaatlusi segada, on väikese ala kujutise heledate alade asemel eredad vertikaalsed triibud (piilarid). CCD-maatriksite võimalike soovimatute mõjude hulka kuuluvad ka suur tume müra, "pimedate" või "kuumade" pikslite olemasolu, ebaühtlane tundlikkus kogu maatriksivälja ulatuses. Tume müra vähendamiseks kasutatakse CCD maatriksite autonoomset jahutamist temperatuurini -20°C ja alla selle. Või tehakse tume kaader (näiteks suletud objektiiviga) sama kestuse (särituse) ja temperatuuriga, kui eelmine kaader. Seejärel lahutab arvuti spetsiaalne programm pildist tumeda raami.

CCD-põhiste telekaamerate hea asi on see, et nad suudavad jäädvustada kuni 25 kaadrit sekundis eraldusvõimega 752 x 582 pikslit. Kuid mõnede seda tüüpi kaamerate sobimatus astronoomilisteks vaatlusteks seisneb selles, et tootja rakendab neis sisemist pildi eeltöötlust (loe: moonutust), et tekkivaid kaadreid nägemise abil paremini tajuda. Siia kuuluvad AGC (automaatne kontrolli reguleerimine) ja nn. "teravate piiride" ja teiste mõju.

Edenemine…

Üldiselt on CCD vastuvõtjate kasutamine palju mugavam kui mittedigitaalsete valgusvastuvõtjate kasutamine, kuna vastuvõetud andmed on koheselt arvutis töötlemiseks sobival kujul ja lisaks on üksikute kaadrite saamise kiirus väga suur. kõrge (mitmest kaadrist sekundis minutini).

Praegu areneb ja täiustub CCD maatriksite tootmine kiiresti. Maatriksite "megapikslite" arv suureneb - üksikute pikslite arv maatriksi pindalaühiku kohta. CCD maatriksite jms abil saadud piltide kvaliteet paraneb.

Kasutatud allikad:
1. 1. Viktor Belov. Täpsus kümnendiku mikronini.
2. 2. S.E. Gurjanov. Tutvuge CCD-ga.

Valgusvoo teisendamiseks elektrooniliseks signaaliks, mis seejärel teisendatakse kaamera mälukaardile salvestatud digitaalseks koodiks.
Maatriks koosneb pikslitest, millest igaühe eesmärk on väljastada elektrooniline signaal, mis vastab sellele langeva valguse hulgale.
CCD ja CMOS maatriksite erinevus on teisendustehnika pikslist saadud signaal. CCD puhul - järjestikku ja minimaalse müraga, CMOS-i puhul - kiiresti ja väiksema voolutarbimisega (ning tänu lisaahelatele väheneb oluliselt müra hulk).
Esmalt siiski...

Seal on CCD ja CMOS maatriksid

CCD maatriks

Laenguga seotud seadet (CCD) nimetatakse selliselt tänu sellele, kuidas laeng valgustundlike elementide vahel edastatakse. pikslist pikslini ja lõpuks laengu eemaldamine andurilt .

Laenguid nihutatakse piki maatriksit joonte kaupa ülalt alla. Seega liigub laeng korraga mitme registri (veeru) rida allapoole.
Enne CCD sensori juurest lahkumist võimendatakse iga piksli laengut ja väljundiks on erineva pingega analoogsignaal (olenevalt pikslit tabava valguse hulgast). Enne töötlemist saadetakse see signaal aadressile eraldi (kiibiväline) analoog-digitaalmuundur ja saadud digitaalandmed teisendatakse baitideks, mis esindavad anduri poolt vastuvõetud pildi rida.

Kuna CCD edastab väikese takistusega elektrilaengu, mis on vähem vastuvõtlik muude elektrooniliste komponentide häiretele, sisaldab saadud signaal tavaliselt vähem müra võrreldes CMOS-andurite signaaliga.

CMOS-maatriks

IN CMOS-maatriks (CMOS - komplementaarne metall - oksiidpooljuht, inglise keeles - CMOS), töötlusseade asub iga piksli kõrval (mõnikord monteeritud maatriksile endale), mille tõttu see suureneb esitus süsteemid. Samuti märgime täiendavate töötlemisseadmete puudumise tõttu madal energiatarbimine CMOS-maatriksid.

Mõne ettekujutuse maatriksitest teabe lugemise protsessist saate järgmisest videost

Tehnoloogiaid täiustatakse pidevalt ja tänapäeval viitab CMOS-maatriksi olemasolu kaameras või videokaameras kõrgema klassi mudelile. Tootjad keskenduvad sageli CMOS-maatriksiga mudelitele.
Viimasel ajal on populaarne tagumiste juhtmete paigutusega CMOS-maatriksi väljatöötamine, mis näitab hämaras pildistamisel paremaid tulemusi ja millel on ka madalam müratase.