Vaizdų kietojo kūno fotoelektriniai keitikliai (SPEC) yra perduodančių CRT analogai.

TFEC datuojami 1970 m., su vadinamaisiais CCD ir yra suformuoti remiantis atskiromis celėmis, kurios yra MIS arba MOS struktūros kondensatoriai. Viena iš tokio elementaraus kondensatoriaus plokščių yra metalinė plėvelė M, antroji yra puslaidininkinis substratas P ( p- arba n-laidumas), dielektrikas D yra puslaidininkis, plonu sluoksniu nusodintas ant pagrindo P. Pagrindas P yra silicis, legiruotas akceptoriumi ( p-tipas) arba donoras ( n-tipo) priemaiša, o kaip D – silicio oksidas SiO 2 (žr. 8.8 pav.).

Ryžiai. 8.8. MOS kondensatorius

Ryžiai. 8.9. Krūvių judėjimas veikiant elektriniam laukui

Ryžiai. 8.10. Trifazės CCD sistemos veikimo principas

Ryžiai. 8.11. Krūvių judėjimas dvifazėje CCD sistemoje

Padėjus įtampą metaliniam elektrodui, po juo susidaro „kišenė“ arba potencialo šulinys, kuriame gali „susikaupti“ mažumos nešikliai (mūsų atveju elektronai), o daugumos nešikliai, skylės, bus atstumti nuo M. tam tikru atstumu nuo paviršiaus mažumos nešiotojų koncentracija gali būti didesnė nei pagrindinių nešėjų koncentracija. Prie dielektriko D substrate P atsiranda inversinis sluoksnis, kuriame laidumo tipas pasikeičia į atvirkštinį.

Įkrovimo paketas CCD gali būti įvestas elektra arba naudojant šviesos generavimą. Šviesos generavimo metu silicyje vykstantys fotoelektriniai procesai lems mažumos nešėjų kaupimąsi potencialiuose šuliniuose. Sukauptas krūvis yra proporcingas apšvietimui ir kaupimo laikui. Krypties perkėlimas į CCD pasiekiamas pastatant MOS kondensatorius taip arti vienas kito, kad jų išeikvojimo sritys sutaptų ir potencialūs šuliniai būtų sujungti. Tokiu atveju mažumos vežėjų mobilusis mokestis kaupsis toje vietoje, kur potencialus šulinys yra giliau.

Tegul krūvis kaupiasi po elektrodu, veikiamas šviesos U 1 (žr. 8.9 pav.). Jei dabar prie gretimo elektrodo U 2 įjunkite įtampą U 2 > U 1, tada šalia, gilesnė, atsiras kita potenciali skylė ( U 2 > U 1). Tarp jų atsiras elektrinio lauko sritis ir mažumos nešėjai (elektronai) dreifuoja (tekės) į gilesnę „kišenę“ (žr. 8.9 pav.). Krūvių perdavimo dvikrypčiui pašalinti naudojama elektrodų seka, sujungta į 3 elektrodų grupes (žr. 8.10 pav.).

Jei, pavyzdžiui, po elektrodu 4 susikaupė krūvis ir jį reikia perkelti į dešinę, tada dešiniajam elektrodui 5 įvedama didesnė įtampa ( U 2 > U 1) ir į jį patenka krūvis ir pan.

Beveik visas elektrodų rinkinys yra prijungtas prie trijų magistralių:

Aš – 1, 4, 7,…

II – 2, 5, 8, …

III – 3, 6, 9, …

Mūsų atveju „priėmimo“ įtampa ( U 2) bus ant 2 ir 5 elektrodų, tačiau 2 elektrodas nuo 4 elektrodo, kuriame kaupiamas krūvis, yra atskirtas 3 elektrodu (kuris

U 3 = 0), todėl srauto į kairę nebus.

Trijų ciklų CCD veikimas reiškia, kad kiekviename TV vaizdo elemente yra trys elektrodai (ląstelės), o tai sumažina šviesos srauto naudojamą plotą. Siekiant sumažinti CCD elementų (elektrodų) skaičių, laiptuota forma formuojami metaliniai elektrodai ir dielektrinis sluoksnis (žr. 8.11 pav.). Tai leidžia, kai elektrodams taikomi įtampos impulsai, po skirtingomis elektrodų dalimis sukurti skirtingo gylio potencialo duobutes. Dauguma krūvių iš kaimyninės ląstelės patenka į gilesnę skylę.

Naudojant dviejų fazių CCD sistemą, elektrodų (ląstelių) skaičius matricoje sumažėja trečdaliu, o tai teigiamai veikia galimo reljefo nuskaitymą.

Iš pradžių buvo pasiūlyta naudoti CCD Kompiuterinė technologija kaip saugojimo įrenginiai, pamainų registrai. Grandinės pradžioje buvo dedamas įpurškimo diodas, įvedantis į sistemą įkrovą, o grandinės gale buvo sumontuotas išėjimo diodas, paprastai tai n-p- arba p-n- MOS struktūrų perėjimai, kurie sudaro lauko tranzistorius su pirmuoju ir paskutiniu CCD grandinės elektrodu (ląstelėmis).

Tačiau netrukus paaiškėjo, kad CCD yra labai jautrūs šviesai, todėl juos geriau ir efektyviau naudoti kaip šviesos detektorius, o ne kaip saugojimo įrenginius.

Jei CCD matrica naudojama kaip fotodetektorius, tada įkrovos kaupimas po vienu ar kitu elektrodu gali būti atliekamas naudojant optinį metodą (šviesos įpurškimą). Galime pasakyti, kad CCD iš esmės yra šviesai jautrūs analoginiai poslinkių registrai. Šiandien CCD naudojami ne kaip saugojimo įrenginiai (atminties įrenginiai), o tik kaip fotodetektoriai. Jie naudojami fakso aparatuose, skaitytuvuose (CCD matricos), fotoaparatuose ir vaizdo kamerose (CCD matricose). Paprastai televizijos kamerose naudojami vadinamieji CCD lustai.

Darėme prielaidą, kad 100% mokesčių perkeliami į gretimą kišenę. Tačiau praktiškai turime skaičiuoti su nuostoliais. Vienas iš nuostolių šaltinių yra „spąstai“, kurie gali užfiksuoti ir kurį laiką išlaikyti krūvius. Šie mokesčiai nespėja nutekėti į gretimą kišenę, jei perdavimo greitis yra didelis.

Antra priežastis – pats srauto mechanizmas. Pirmą akimirką krūvio perdavimas įvyksta stipriame elektriniame lauke – dreifuoja E. Tačiau, tekant krūviams, lauko stiprumas mažėja ir dreifo procesas išnyksta, todėl paskutinė dalis juda dėl difuzijos, 100 kartų lėčiau nei dreifas. Laukti paskutinės porcijos reiškia sumažinti našumą. „Drift“ suteikia daugiau nei 90% perdavimo. Bet būtent paskutinis procentas yra pagrindinis nustatant nuostolius.

Tegu vieno perdavimo ciklo perdavimo koeficientas lygus k= 0,99, darant prielaidą, kad ciklų skaičius lygus N= 100, mes nustatome bendrą perdavimo koeficientą:

0,99 100 = 0,366

Akivaizdu, kad esant dideliam elementų skaičiui, net nedideli vieno elemento nuostoliai tampa labai svarbūs visai grandinei.

Todėl įkrovos perdavimų skaičiaus mažinimo CCD matricoje klausimas yra ypač svarbus. Šiuo atžvilgiu dviejų fazių CCD matrica turės šiek tiek didesnį įkrovos perdavimo koeficientą nei trifazė sistema.

Nežinomas Sergejus Ivanovičius
Nikulinas Olegas Jurjevičius

ĮKRAUTI SUJUSIUS PRIETAISUS –
MODERNIOS TELEVIZIJOS ĮRANGOS PAGRINDAS.
PAGRINDINĖS CCD CHARAKTERISTIKOS.

Ankstesniame straipsnyje buvo atlikta trumpa esamų puslaidininkinių šviesos imtuvų analizė ir detaliai aprašyta įkrovimo įtaisų sandara ir veikimo principas.

Šiame straipsnyje bus aptariamos fizinės CCD matricų charakteristikos ir jų įtaka bendroms televizijos kamerų savybėms.

CCD matricos elementų skaičius.

Galbūt pati „pagrindinė“ CCD matricų savybė yra elementų skaičius. Paprastai didžioji dalis modelių turi standartinį elementų skaičių, orientuotą į televizijos standartą: 512x576 pikselių (šios matricos dažniausiai naudojamos paprastose ir pigiose vaizdo stebėjimo sistemose) ir 768x576 pikselių (tokios matricos leidžia gauti maksimalią skiriamąją gebą standartiniam televizijos signalui).

Didžiausias pagamintas ir literatūroje aprašytas CCD yra vieno kristalo „Ford Aerospace Corporation“ įrenginys, kurio matmenys yra 4096 x 4096 pikseliai, o pikselių pusė yra 7,5 mikrono.

Gamyboje aukštos kokybės didelių dydžių įrenginių išeiga yra labai maža, todėl kuriant CCD vaizdo kameras didelio formato vaizdams fotografuoti, naudojamas kitoks požiūris. Daugelis kompanijų gamina CCD, kurių laidai yra trijose, dviejose arba vienoje pusėje (sujungiamas CCD). Iš tokių prietaisų jie surenka mozaika CCD. Pavyzdžiui, Loral Fairchild gamina labai įdomų ir perspektyvų įrenginį 2048x4096 15 mikronų. Šio CCD išvados pateikiamos vienoje siauroje pusėje. Rusijos pramonės pasiekimai kiek kuklesni. AE Silar (Sankt Peterburgas) gamina 1024x1024 16 µm CCD su tūriniu įkrovos perdavimo kanalu, virtualia faze ir laidais vienoje įrenginio pusėje. Tokia įrenginių architektūra leidžia juos sujungti vienas su kitu iš trijų pusių.

Įdomu pastebėti, kad dabar buvo sukurti keli specializuoti didelio formato šviesos detektoriai, pagrįsti CCD mozaikomis. Pavyzdžiui, aštuoni 2048x4096 CCD iš Loral Fairchild naudojami surinkti 8192x8192 mozaiką, kurios bendri matmenys yra 129x129 mm. Tarpai tarp atskirų CCD lustų yra mažesni nei 1 mm. Kai kuriose programose santykinai dideli tarpai (iki 1 cm) nėra laikomi rimta problema, nes visą vaizdą galima gauti susumavus kelias kompiuterio atmintyje esančias ekspozicijas, šiek tiek paslinkusias viena kitos atžvilgiu, taip užpildant spragas. Vaizdas, gautas naudojant 8196 x 8196 mozaiką, turi 128 MB informacijos, o tai atitinka maždaug 100 tomų enciklopediją su 500 puslapių kiekviename tome. Nors šie skaičiai yra įspūdingi, jie vis dar yra maži, palyginti su fotografinių emulsijų dydžiu ir skiriamąja geba, kurios gali būti gaminamos didžiuliuose lakštuose. Netgi stambiausio grūdelio 35 mm plėvelėje yra iki 25 milijonų išskiriamų grūdelių (pikselių) viename kadre.

Kameros raiška

Vienas iš pagrindinių televizijos kameros parametrų – skiriamoji geba (arba skiriamoji geba) tiesiogiai priklauso nuo CCD matricos elementų skaičiaus. Kameros kaip visumos raiška taip pat priklauso nuo parametrų elektroninė grandinė signalo apdorojimo ir optikos parametrai.

Rezoliucija apibrėžiama kaip didžiausias juodos ir baltos juostelių skaičius (t. y. perėjimų iš juodos į baltą arba atvirkščiai skaičius), kurį gali perduoti fotoaparatas ir atskirti įrašymo sistema esant maksimaliam aptinkamam kontrastui.

Tai reiškia, kad fotoaparatas šviesiame fone leidžia matyti N/2 tamsius vertikalius potėpius, esančius vaizdo lauke įrašytame kvadrate, jei fotoaparato pase nurodyta, kad jos skiriamoji geba yra N televizijos linijų. Kalbant apie standartinį televizoriaus stalą, tai reiškia: pasirenkant atstumą ir sufokusuojant lentelės vaizdą, būtina užtikrinti, kad monitoriaus ekrano lentelės vaizdo viršutinis ir apatinis kraštai sutaptų su išoriniais stalo kontūrais, pažymėti juodai baltų prizmių viršūnėmis. Po to, po galutinio subfokusavimo, skaičius nuskaitomas toje vertikalaus pleišto vietoje, kur vertikalūs potėpiai pirmą kartą nustoja skirtis. Paskutinė pastaba yra labai svarbi, nes lentelės bandomųjų laukų, turinčių 600 ar daugiau eilučių, vaizde dažnai matomos kintamos juostelės, kurios iš tikrųjų yra muare, susidarančios plakant erdvinių linijų dažnius. lentelės ir CCD matricos jautrių elementų tinklelio. Šis efektas ypač ryškus fotoaparatuose su aukšto dažnio erdviniais filtrais.

Televizijos sistemų skiriamosios gebos matavimo vienetas yra TVL (TV linija). Visų kamerų vertikali raiška yra beveik vienoda, nes ją riboja televizijos standartas – 625 televizijos skenavimo linijos ir jos negali perduoti daugiau nei 625 objektų šia koordinate. Horizontaliosios raiškos skirtumas yra toks, koks paprastai nurodomas techniniuose aprašymuose.

Praktiškai daugeliu atvejų 380-400 televizijos linijų raiškos visiškai pakanka bendroms televizijos stebėjimo užduotims atlikti. Tačiau specializuotoms televizijos sistemoms ir užduotims, pvz., didelės erdvės nuotolinis stebėjimas viena kamera, didelio perimetro stebėjimas televizijos kamera su kintamu kampiniu padidinimu (priartinimas), sekimas oro uostuose, geležinkelio stotyse, prieplaukose, prekybos centruose, identifikavimas ir atpažinimas. numerių ženklų sistemos, identifikavimo pagal veidą sistemos ir pan., reikalinga didesnė raiška (tam naudojamos 570 ir daugiau TV linijų raiškos kameros).

Spalvotų kamerų skiriamoji geba yra šiek tiek prastesnė nei nespalvotų. Tai yra pasekmė to, kad spalvotoje televizijoje naudojamų CCD matricų pikselių struktūra skiriasi nuo juodai baltų matricų pikselių struktūros. Vaizdžiai tariant, spalvinės matricos pikselis susideda iš trijų pikselių, kurių kiekvienas registruoja šviesą raudonoje (raudonoje), žalioje (žalia) arba mėlynoje (mėlynoje) optinio spektro dalyje. Taigi iš kiekvieno spalvotos CCD matricos elemento paimami trys signalai (RGB signalas). Efektyvi skiriamoji geba turėtų būti kelis kartus prastesnė nei nespalvotų matricų. Tačiau spalvų matricų skiriamoji geba blogėja mažiau, nes jų pikselių dydis yra pusantro karto mažesnis, palyginti su panašios juodos ir baltos matricos pikselių dydžiu, todėl skiriamoji geba pablogėja tik 30–40%. . Neigiama to pusė yra spalvų matricų jautrumo sumažėjimas, nes efektyvi vaizdo elemento registracijos sritis tampa žymiai mažesnė. Įprasta spalvotų televizijos kamerų skiriamoji geba yra 300 - 350 TV eilučių.

Be to, fotoaparato skiriamąją gebą įtakoja kameros vaizdo signalo išvesties dažnių juosta. Norint perduoti 300 TVL signalą, reikalinga 2,75 MHz dažnių juosta (150 periodų per 55 μs televizijos nuskaitymo liniją). Ryšys tarp teleskenavimo dažnių juostos (n pphtr) ir skiriamosios gebos (TVL) nustatomas pagal ryšį:

n pchtr = (TVL/2) x n dalių,

kur dažnis n pchtr matuojamas MHz, TVL skiriamoji geba TV linijose, horizontalus teleskanavimo dažnis n dalių = 18,2 kHz.

Šiuo metu daug įvairių puslaidininkiniai stiprintuvai su geromis dažninėmis charakteristikomis, todėl kameros stiprintuvų dažnių juostos plotis dažniausiai yra žymiai (1,5-2 kartus) didesnis nei būtina, kad jokiu būdu nepaveiktų galutinės sistemos raiškos. Taigi skiriamąją gebą riboja būtent diskreti CCD matricos šviesos priėmimo srities topologija. Kartais vadinamas gero elektroninio stiprintuvo naudojimo faktas gražiais žodžiaisįveskite „raiškos patobulinimą“ arba „kraštų patobulinimą“, kurie gali būti išversti kaip „kontrasto skyra“ ir „pabrėžtos ribos“. Turime žinoti, kad šis požiūris nepagerina pačios raiškos, tik pagerinamas juodos ir baltos spalvos ribų perdavimo aiškumas, ir net tada ne visada.

Tačiau yra vienas atvejis, kai jokios šiuolaikinės elektronikos gudrybės neleidžia vaizdo signalo pralaidumo pakelti virš 3,8 MHz. Tai sudėtinis spalvotas vaizdo signalas. Kadangi spalvingumo signalas perduodamas nešikliu (PAL standarte - maždaug 4,4 MHz dažniu), skaisčio signalas yra priverstas apriboti 3,8 MHz juostą (griežtai kalbant, standartas daro prielaidą, kad šukų filtrai atskirtų spalvingumą ir skaisčio signalus, tačiau tikroji įranga turi tik žemo dažnio filtrus). Tai atitinka apie 420 TVL skiriamąją gebą. Šiuo metu kai kurie gamintojai deklaruoja savo spalvotų kamerų skiriamąją gebą 480 TVL ar didesnę. Tačiau jie, kaip taisyklė, nesusikoncentruoja į tai, kad ši skiriamoji geba realizuojama tik tuo atveju, jei signalas paimamas iš Y-C (S-VHS) arba komponento (RGB) išvesties. Šiuo atveju ryškumo ir spalvų signalai perduodami dviem (Y-C) arba trimis (RGB) atskirais kabeliais iš fotoaparato į monitorių. Tokiu atveju monitorius, taip pat visa tarpinė įranga (jungikliai, multiplekseriai, vaizdo registratoriai) taip pat turi turėti įėjimus/išėjimus Y-C tipas(arba RGB). Priešingu atveju vienas tarpinis elementas, apdorojantis sudėtinį vaizdo signalą, apribos pralaidumą iki anksčiau minėto 3,8 MHz ir visas brangių fotoaparatų išlaidas pavers nenaudingomis.

CCD kameros kvantinis efektyvumas ir kvantinė išeiga.

Kvantinis efektyvumas reiškia registruotų krūvių skaičiaus ir fotonų, patenkančių į CCD kristalo šviesai jautrią sritį, skaičių.

Tačiau kvantinio efektyvumo ir kvantinės išeigos sąvokų nereikėtų painioti. Kvantinė išeiga yra fotoelektronų, pagamintų puslaidininkyje arba netoli jo ribos dėl fotoelektrinio efekto, skaičiaus ir fotonų, patenkančių į šį puslaidininkį, skaičiaus santykis.

Kvantinis efektyvumas – tai imtuvo šviesą fiksuojančios dalies kvantinė išvestis, padauginta iš fotoelektronų krūvio pavertimo registruotu naudingu signalu koeficiento. Kadangi šis koeficientas visada yra mažesnis už vienetą, kvantinis efektyvumas taip pat yra mažesnis nei kvantinė išeiga. Šis skirtumas ypač didelis įrenginiuose su žemo efektyvumo signalų įrašymo sistema.

Kalbant apie kvantinį efektyvumą, CCD yra neprilygstami. Palyginimui, iš 100 fotonų, patenkančių į akies vyzdį, tinklainė suvokia tik vieną (kvantinis efektyvumas yra 1%), geriausių fotoemulsijų kvantinis efektyvumas yra 2-3%, elektrovakuuminiai prietaisai (pvz. fotodaugintuvai) - iki 20%, CCD parametras gali siekti 95%, o tipinė vertė yra 4% (prastos kokybės CCD, paprastai naudojami pigiose „geltonos“ konstrukcijos vaizdo kamerose) iki 50% (a tipinė nepasirinkta Vakarų vaizdo kamera). Be to, bangų ilgių diapazonas, į kurį reaguoja akis, yra daug siauresnis nei CCD. Tradicinių vakuuminių fotoaparatų ir fotografinių emulsijų fotokatodų spektrinis diapazonas taip pat yra ribotas. CCD reaguoja į šviesą bangų ilgiais nuo angstremų (gama ir rentgeno spindulių) iki 1100 nm (infraraudonųjų spindulių). Šis didžiulis diapazonas yra daug didesnis nei bet kurio kito iki šiol žinomo detektoriaus spektrinis diapazonas.

Ryžiai. 1. CCD matricos kvantinio efektyvumo pavyzdys.

Jautrumas ir spektrinis diapazonas

Kitas svarbus televizijos kameros parametras – jautrumas – glaudžiai susijęs su kvantinio efektyvumo ir kvantinės išeigos sąvokomis. Jei kvantinį efektyvumą ir kvantinę išeigą daugiausia valdo naujų telesistemų kūrėjai ir projektuotojai, tai jautrumą naudoja sąrankos inžinieriai, eksploatavimo tarnybos ir tiesioginio darbo projektų projektuotojai įmonėse. Iš esmės imtuvo jautrumas ir kvantinė išvestis yra tarpusavyje susiję tiesine funkcija. Jei kvantinė išeiga yra susijusi su fotonų, patenkančių į šviesos detektorių, skaičių ir fotoelektronų, kuriuos šie fotonai sukuria dėl fotoelektrinio efekto, skaičių, tada jautrumas lemia šviesos detektoriaus atsaką elektriniais vienetais (pavyzdžiui, mA). tam tikram krintančios šviesos srautui (pavyzdžiui, W arba liuksais). Šiuo atveju bolometrinio jautrumo (t. y. bendro imtuvo jautrumo visame spektriniame diapazone) ir vienspalvio jautrumo sąvoka, paprastai matuojama spinduliavimo srautu, kurio spektrinis plotis yra 1 nm (10 angstremų). padalintas. Kai jie sako, kad imtuvo jautrumas yra bangos ilgio (pavyzdžiui, 450 nm), tai reiškia, kad jautrumas paverčiamas srautu nuo 449,5 nm iki 450,5 nm. Šis jautrumo apibrėžimas, matuojamas mA/W, yra nedviprasmiškas ir nesukelia painiavos jį naudojant.

Tačiau apsaugos sistemose naudojamos televizijos įrangos vartotojams dažniau taikomas kitoks jautrumo apibrėžimas. Dažniausiai jautrumas suprantamas kaip minimalus objekto apšvietimas (scenos apšvietimas), kai galima atskirti perėjimą iš juodos į baltą, arba minimalus apšvietimas ant matricos (vaizdo apšvietimas).

Žvelgiant iš teorinės pusės, teisingiau būtų matricoje nurodyti minimalų apšvietimą, nes tokiu atveju nereikia nurodyti naudojamo objektyvo charakteristikų, atstumo iki objekto ir jo atspindžio koeficiento (kartais tai koeficientas vadinamas žodžiu „albedo“). Albedas paprastai nustatomas tam tikru bangos ilgiu, nors yra toks dalykas kaip bolometrinis albedas. Labai sunku objektyviai veikti naudojant jautrumo nustatymą pagal objekto apšvietimą. Tai ypač aktualu kuriant nuotolinio atpažinimo sistemas dideliais atstumais. Daugelis jutiklių negali užregistruoti žmogaus veido vaizdo, esančio už 500 metrų, net jei jį apšviečia labai ryški šviesa.*

Pastaba

* Tokio pobūdžio problemų atsiranda uždarosios grandinės televizijos praktikoje, ypač vietose, kuriose yra padidėjusi terorizmo grėsmė ir pan. Tokios televizijos sistemos buvo sukurtos 1998 m. Japonijoje ir ruošiamos masinei gamybai.

Tačiau renkantis fotoaparatą vartotojui patogiau dirbti su objekto apšvietimu, kurį jis žino iš anksto. Todėl dažniausiai jie nurodo minimalų objekto apšvietimą, išmatuotą standartizuotomis sąlygomis – objekto atspindžio koeficientas yra 0,75, o objektyvo diafragma – 1,4. Žemiau pateikta formulė, susijusi su objekto ir matricos apšvietimu:

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

kur Iimage, Iscene - CCD matricos ir objekto apšvietimas (1 lentelė);
R – objekto atspindžio koeficientas (2 lentelė);
p - skaičius 3,14;
F - objektyvo diafragma.

Iimage ir Iscene reikšmės paprastai skiriasi daugiau nei 10 kartų.

Apšvietimas matuojamas apartamentai. Liuksas - apšvietimas, kurį sukuria vienos tarptautinės žvakės taškinis šaltinis vieno metro atstumu ant paviršiaus, statmeno šviesos spinduliams.

1 lentelė. Apytikslis objektų apšvietimas.

Gatvėje (Maskvos platumos)
Saulėta diena be debesų	100 000 liuksų
Saulėta diena su mažais debesimis	70 000 liuksų
Tai bjauri diena	20 000 liuksų
Ankstus rytas	500 liuksų
Prieblanda	0,1 - 4 liuksai
"Baltosios naktys"*	0,01 – 0,1 liukso
Giedri naktis, pilnatis	0,02 liukso
Naktis, mėnulis debesyse	0,007 liukso
Tamsi debesuota naktis	0,00005 liuksų
Kambaryje
Kambarys be langų	100-200 liuksų
Gerai apšviestas kambarys	200–1000 liuksų

* „Baltosios naktys“ – civilinę prieblandą tenkinančios apšvietimo sąlygos, t.y. kai saulė nukrenta žemiau horizonto, neatsižvelgdama į atmosferos lūžį ne daugiau kaip 6°. Tai pasakytina apie Sankt Peterburgą. Maskvai tenkinamos vadinamųjų „navigacinių baltųjų naktų“ sąlygos, t.y. kai saulės diskas nukrenta žemiau horizonto ne daugiau kaip 12°.

Dažnai fotoaparato jautrumas nurodomas „priimtinam signalui“, o tai reiškia signalą, kai signalo ir triukšmo santykis yra 24 dB. Tai yra empiriškai nustatyta ribinė triukšmo vertė, kuriai esant vaizdas vis tiek gali būti įrašytas į vaizdajuostę ir tikimasi ką nors pamatyti atkūrimo metu.

Kitas būdas nustatyti „priimtiną“ signalą yra IRE (Radijo inžinierių instituto) skalė. Bendras vaizdo signalas (0,7 volto) laikomas 100 IRE vienetų. Signalas apie 30 IRE laikomas „priimtinu“. Kai kurie gamintojai, ypač BURLE, nurodo 25 IRE, kai kurie – 50 IRE (signalo lygis -6 dB). „Priimtino“ lygio pasirinkimą lemia signalo ir triukšmo santykis. Stiprinti elektroninį signalą nėra sunku. Bėda ta, kad padidės ir triukšmas. „Sony“ Hyper-HAD matricos, kurių kiekvienoje šviesai jautrioje ląstelėje yra mikrolęšiai, dabar turi didžiausią jautrumą tarp masiškai gaminamų CCD matricų. Jie naudojami daugumoje fotoaparatų Aukštos kokybės. Jų pagrindu sukurtų kamerų parametrų sklaida daugiausia reiškia skirtingą gamintojų požiūrį į „priimtino signalo“ sąvokos apibrėžimą.

Papildoma jautrumo apibrėžimo problema yra susijusi su tuo, kad apšvietimo matavimo vienetas „lux“ yra apibrėžiamas monochromatinei spinduliuotei, kurios bangos ilgis yra 550 nm. Šiuo atžvilgiu prasminga atkreipti ypatingą dėmesį į tokią charakteristiką kaip vaizdo kameros jautrumo spektrinė priklausomybė. Daugeliu atvejų nespalvotų kamerų jautrumas, palyginti su žmogaus akimi, gerokai išplečiamas iki infraraudonųjų spindulių diapazono iki 1100 nm. Kai kurių modifikacijų jautrumas artimojo infraraudonųjų spindulių srityje yra net didesnis nei matomajame. Šios kameros skirtos dirbti su infraraudonųjų spindulių prožektoriais ir tam tikrais atžvilgiais yra artimos naktinio matymo įrenginiams.

Spalvotų fotoaparatų spektrinis jautrumas yra maždaug toks pat kaip žmogaus akies.

Ryžiai. 2. Spalvotos CCD matricos su RGB standartinėmis juostelėmis spektrinio jautrumo pavyzdys.

2 lentelė. Įvairių objektų atspindžio koeficientų apytikslės reikšmės.

Objektas	Atspindžio koeficientas (%)
Sniegas	90
Balti dažai	75-90
Stiklas	70
Plyta	35
Žolė, medžiai	20
Žmogaus veidas	15 – 25
Akmens anglis, grafitas*	7

* Įdomu tai, kad Mėnulio paviršiaus atspindėjimas taip pat yra apie 7%, t.y. Mėnulis iš tikrųjų yra juodas.

Ypatingai jautrios kameros nusipelno išskirtinio paminėjimo, iš tikrųjų jos yra įprastos kameros ir naktinio matymo įrenginio (pavyzdžiui, mikrokanalinio elektroninio optinio keitiklio – vaizdo stiprintuvo) derinys. Tokios kameros pasižymi unikaliomis savybėmis (jautrumas yra 100 - 10 000 kartų didesnis nei įprastai, o vidutiniame infraraudonųjų spindulių diapazone, kur stebimas didžiausias žmogaus kūno spinduliavimas, jis pats šviečia), tačiau, kita vertus, jos turi ir unikalus kaprizingumas - laikas tarp gedimų yra apie vienerius metus, o kameros neturėtų būti įjungtos per dieną, kad apsaugotumėte vaizdo stiprintuvo katodą nuo perdegimo. Bent jau turėtumėte įdiegti objektyvus su automatinio diafragmos diapazonu iki F/1000 ar daugiau. Eksploatacijos metu fotoaparatą reikia reguliariai šiek tiek pasukti, kad nebūtų „įdegęs“ vaizdas ant vaizdo stiprintuvo vamzdžio katodo.

Įdomu pastebėti, kad, skirtingai nei CCD matricos, vaizdo stiprintuvo vamzdžių katodai yra labai jautrūs maksimaliam apšvietimui. Jei CCD kameros šviesai jautri sritis po ryškaus apšvietimo gana lengvai grįžta į pradinę būseną (ji praktiškai nebijo blyksnių), tai vaizdo stiprintuvo katodas po ryškaus apšvietimo užtrunka labai ilgai (kartais 3). -6 valandos), kad „atsigautų“. Šio atkūrimo metu, net ir uždarius įvesties langą, iš vaizdo stiprintuvo katodo nuskaitomas liekamasis, „patobulintas“ vaizdas. Paprastai po didelių ekspozicijų dėl reabsorbcijos poveikio (dujų išsiskyrimas bombarduojant kanalo sieneles pagreitintų elektronų srautais), vaizdo stiprintuvo vamzdžio triukšmas ir ypač daugiaelektronų ir jonų. triukšmas smarkiai padidėja dideliame mikrokanalinių plokščių plote. Pastarieji pasirodo kaip dažni ryškūs didelio skersmens blyksniai monitoriaus ekrane, todėl labai sunku atskirti naudingą signalą. Esant dar didesniam įvesties šviesos srautui, gali vykti negrįžtami procesai tiek su katodu, tiek su vaizdo stiprintuvo vamzdžio išėjimo liuminescenciniu ekranu: veikiant dideliam srautui, atskiros sekcijos sugenda („perdega“). Toliau eksploatuojant šios sritys sumažino jautrumą, kuris vėliau nukrenta iki nulio.

Daugumoje itin didelio jautrumo kamerų naudojami ryškumo stiprintuvai su geltonos arba geltonai žalios spalvos fluorescenciniais ekranais. Iš esmės šių ekranų švytėjimas gali būti laikomas monochromatinės spinduliuotės šaltiniu, kuris automatiškai veda prie apibrėžimo: tokio tipo sistemos gali būti tik vienspalvės (ty nespalvotos). Atsižvelgdami į šią aplinkybę, sistemų kūrėjai taip pat parenka tinkamas CCD matricas: su didžiausiu jautrumu geltonai žalioje spektro dalyje ir be jautrumo IR diapazone.

Neigiama didelio matricų jautrumo IR diapazone pasekmė yra padidėjusi įrenginio triukšmo priklausomybė nuo temperatūros. Todėl IR matricas, naudojamas darbui vakare ir naktį be ryškumo stiprintuvų, skirtingai nei televizijos sistemas su vaizdo stiprintuvais, rekomenduojama vėsinti. Pagrindinė CCD kamerų jautrumo infraraudonųjų spindulių zonai poslinkio priežastis, palyginti su kitais puslaidininkių spinduliuotės detektoriais, yra ta, kad raudonesni fotonai prasiskverbia toliau į silicį, nes silicio skaidrumas yra didesnis ilgųjų bangų srityje ir tuo pat metu tikimybė užfiksuoti fotoną (paversti jį fotoelektronu) ) linkusi į vienybę.

Ryžiai. 3. Fotonų sugerties gylio silicyje priklausomybė nuo bangos ilgio.

Šviesai, kurios bangos ilgis didesnis nei 1100 nm, silicis yra skaidrus (raudonųjų fotonų energijos nepakanka elektronų skylių porai silicyje sukurti), o fotonai, kurių bangos ilgis mažesnis nei 300-400 nm, absorbuojami plonoje paviršinis sluoksnis (jau ant elektrodų polisilicio struktūros) ir gerai nepasiekia potencialo.

Kaip minėta aukščiau, kai fotonas yra absorbuojamas, sukuriama elektronų ir skylių nešiklio pora, o elektronai surenkami po elektrodais, jei fotonas absorbuojamas epitaksinio sluoksnio išeikvojimo srityje. Su tokia CCD struktūra galima pasiekti apie 40% kvantinį efektyvumą (teoriškai ties šia riba kvantinis efektyvumas yra 50%). Tačiau polisilicio elektrodai yra nepermatomi šviesai, kurių bangos ilgis yra mažesnis nei 400 nm.

Kad būtų pasiektas didesnis jautrumas trumpų bangų ilgių diapazone, CCD dažnai padengiami plonomis medžiagų plėvelėmis, kurios sugeria mėlynus arba ultravioletinius (UV) fotonus ir išspinduliuoja juos matomų arba raudonų bangų ilgių diapazone.

Triukšmas yra bet koks signalo neapibrėžtumo šaltinis. Galima išskirti šiuos CCD triukšmo tipus.

Fotonų triukšmas. Tai yra diskrečios šviesos prigimties pasekmė. Bet koks atskiras procesas paklūsta Puasono dėsniui (statistikai). Fotonų srautas (S yra fotonų, patenkančių į šviesai jautrią imtuvo dalį per laiko vienetą, skaičius) taip pat vadovaujasi šia statistika. Pagal jį fotonų triukšmas lygus . Taigi įvesties signalo signalo/triukšmo santykis (žymimas kaip S/N – signalo/triukšmo santykis) bus:

S/N==.

Tamsus signalo triukšmas, jei neteikiate šviesos signalo į matricos įvestį (pavyzdžiui, sandariai uždarykite vaizdo kameros objektyvą su šviesos nepraleidžiančiu dangteliu), tada sistemos išvestyje gausime vadinamąjį “. tamsūs“ rėmeliai, kitaip tai vadinama sniego gniūžtės triukšmu. Pagrindinis tamsaus signalo komponentas yra terminė emisija. Kuo žemesnė temperatūra, tuo žemesnis tamsos signalas. Termioninė emisija taip pat paklūsta Puasono statistikai ir jos triukšmas lygus: , kur N t yra termiškai generuojamų elektronų skaičius bendras signalas. Paprastai visos CCTV sistemose naudojamos CCD vaizdo kameros naudojamos be aktyvaus aušinimo, todėl tamsus triukšmas yra vienas pagrindinių triukšmo šaltinių.

Perdavimo triukšmas. Perkeliant įkrovos paketą per CCD elementus, kai kurie elektronai prarandami. Jis yra įstrigęs dėl defektų ir priemaišų, esančių kristale. Šis pervedimo neefektyvumas kinta atsitiktinai, priklausomai nuo pervestų mokesčių skaičiaus (N), pervedimų skaičiaus (n) ir vieno pervedimo įvykio neefektyvumo (e). Darant prielaidą, kad kiekvienas paketas siunčiamas atskirai, perdavimo triukšmas gali būti pavaizduotas tokia išraiška:

s =.

Pavyzdys: kai perdavimo neefektyvumas yra 10–5, 300 perdavimų ir elektronų skaičius pakete yra 105, perdavimo triukšmas bus 25 elektronai.

Skaitymo triukšmas. Kai CCD elemente saugomas signalas pašalinamas iš matricos, paverčiamas įtampa ir sustiprinamas, kiekviename elemente atsiranda papildomas triukšmas, vadinamas skaitymo triukšmu. Skaitymo triukšmas gali būti laikomas tam tikru pagrindiniu triukšmo lygiu, kuris yra net nulinės ekspozicijos vaizde, kai jutiklis yra visiškoje tamsoje, o tamsaus signalo triukšmas yra lygus nuliui. Įprastas gerų CCD mėginių skaitymo triukšmas yra 15–20 elektronų. Geriausi CCD, kuriuos gamina Ford Aerospace naudojant Skipper technologiją, nuskaitymo triukšmas yra mažesnis nei 1 elektronas, o perdavimo neefektyvumas yra 10-6.

Iš naujo nustatyti triukšmą arba kTC triukšmą. Prieš įvedant signalo įkrovą į aptikimo bloką, būtina pašalinti ankstesnį krūvį. Tam naudojamas atstatymo tranzistorius. Elektrinio atstatymo lygis priklauso tik nuo aptikimo mazgo, kuris sukelia triukšmą, temperatūros ir talpos:

s r =,

kur k yra Boltzmanno konstanta.

Esant tipinei talpos C vertei, lygiai 0,1 pf kambario temperatūroje, atstatymo triukšmas bus apie 130 elektronų. kTC triukšmas gali būti visiškai slopinamas specialiu signalų apdorojimo metodu: dvigubu koreliaciniu mėginių ėmimu (DCS). DCV metodas efektyviai pašalina žemo dažnio signalus, kuriuos paprastai įveda maitinimo grandinės.

Kadangi pagrindinė vaizdo stebėjimo sistemų apkrova atsiranda tamsoje (arba prastai apšviestose patalpose), ypač svarbu atkreipti dėmesį į mažai triukšmingas vaizdo kameras, kurios yra efektyvesnės prasto apšvietimo sąlygomis.

Parametras, apibūdinantis santykinį triukšmo kiekį, kaip minėta aukščiau, vadinamas signalo ir triukšmo santykiu (S/N) ir matuojamas decibelais.

S/N = 20 x log(<видеосигнал>/<шум>)

Pavyzdžiui, 60 dB signalo ir triukšmo santykis reiškia, kad signalas yra 1000 kartų didesnis už triukšmą.

Esant 50 dB ar didesniam signalo ir triukšmo santykiui, monitoriuje bus matomas aiškus vaizdas be matomų triukšmo požymių, kai 30 dB, mirgantys taškai, „sniegas“ visame ekrane; esant 20 dB, vaizdas beveik nepriimtinas, nors dideli kontrastingi objektai vis tiek matomi per ištisinį „sniego“ šydą.

Kameros aprašymuose pateikti duomenys rodo signalo ir triukšmo reikšmes optimalioms sąlygoms, pavyzdžiui, esant 10 liuksų apšvietimui ant matricos ir išjungus automatinį stiprinimo valdymą bei gama korekciją. Mažėjant apšvietimui, signalas mažėja, o triukšmas dėl AGC ir gama korekcijos didėja.

Dinaminis diapazonas

Dinaminis diapazonas yra didžiausio galimo signalo, kurį sukuria šviesos imtuvas, ir jo paties triukšmo santykis. CCD atveju šis parametras apibrėžiamas kaip didžiausio įkrovimo paketo, kurį galima sukaupti pikselyje, ir skaitymo triukšmo santykis. Kuo didesnis CCD pikselių dydis, tuo daugiau elektronų jame gali būti. Dėl skirtingi tipai CCD ši vertė svyruoja nuo 75 000 iki 500 000 ir daugiau. Esant 10 e - triukšmo (CCD triukšmas matuojamas e - elektronais), CCD dinaminis diapazonas pasiekia 50 000 reikšmę Didelis dinaminis diapazonas yra ypač svarbus norint įrašyti vaizdus lauko sąlygomis esant ryškiai saulės šviesai arba nakties sąlygomis yra didelis apšvietimo skirtumas: ryški šviesa iš žibinto ir neapšviesta objekto šešėlinė pusė. Palyginimui, geriausių fotografinių emulsijų dinaminis diapazonas yra tik apie 100.

Norėdami geriau suprasti kai kurias CCD imtuvų charakteristikas ir, svarbiausia, dinaminį diapazoną, trumpai palyginkime jas su žmogaus akies savybėmis.

Akis yra universaliausias šviesos imtuvas.

Iki šiol efektyviausias ir tobuliausias šviesos detektorius pagal dinaminį diapazoną (o ypač vaizdo apdorojimo ir atkūrimo efektyvumą) yra žmogaus akis. Faktas yra tas, kad žmogaus akis sujungia dviejų tipų šviesos detektorius: strypus ir kūgius.

Strypai yra mažo dydžio ir palyginti mažo jautrumo. Jie daugiausia yra centrinės geltonosios dėmės srityje, o tinklainės dugno periferijoje jų praktiškai nėra. Strypai gerai atskiria skirtingo bangos ilgio šviesą, turi mechanizmą, skirtą generuoti skirtingus neurosignalus, priklausomai nuo krintančio srauto spalvos. Todėl įprastomis apšvietimo sąlygomis paprastos akies kampinė skiriamoji geba yra didžiausia šalia objektyvo optinės ašies ir didžiausias spalvų atspalvių skirtumas. Nors kai kurie žmonės patiria patologinių anomalijų, susijusių su gebėjimo formuoti įvairius neurosignalus, priklausomai nuo šviesos bangos ilgio, sumažėjimu, o kartais ir nebuvimu. Ši patologija vadinama daltonizmu. Ūminio regėjimo žmonės beveik niekada nėra daltonikai.

Kūgiai beveik tolygiai pasiskirstę tinklainėje, yra didesni, todėl jautresni.

Dienos šviesoje signalas iš strypų gerokai viršija signalą iš kūgių, akis sureguliuojama dirbti su ryškiu apšvietimu (vadinamasis „dieninis“ matymas). Strypai, palyginti su kūgiais, turi aukštesnį „tamsaus“ signalo lygį (tamsoje matome netikros šviesos „kibirkštį“).

Jei nepavargęs žmogus, turintis normalų regėjimą, patalpinamas į tamsią patalpą ir jam leidžiama prisitaikyti ("priprasti") prie tamsos, tada "tamsus" signalas iš strypų labai sumažės ir kūgiai ("prieblandos" regėjimas). ) pradės efektyviau veikti suvokiant šviesą. Garsiaisiais S. I. Vavilovo eksperimentais buvo įrodyta, kad žmogaus akis („kūgio“ versija) gali užregistruoti atskirus 2–3 šviesos kvantus.

Taigi žmogaus akies dinaminis diapazonas: nuo ryškios saulės iki atskirų fotonų, yra 10 10 (t. y. 200 decibelų!). Geriausias šio parametro dirbtinės šviesos detektorius yra fotodaugintuvo vamzdis (PMT). Fotonų skaičiavimo režimu jo dinaminis diapazonas yra iki 10 5 (t. y. 100 dB), o su įrenginiu, automatiškai perjungiančiu į registraciją analoginiu režimu, PMT dinaminis diapazonas gali siekti 10 7 (140 dB), kuris dinaminis diapazonas yra tūkstantį kartų blogesnis nei žmogaus akis.

Strypų spektrinio jautrumo diapazonas yra labai platus (nuo 4200 iki 6500 angstremų), o didžiausias yra maždaug 5550 angstremų. Kūgiai turi siauresnį spektrinį diapazoną (nuo 4200 iki 5200 angstremų), kurių didžiausias bangos ilgis yra apie 4700 angstremų. Todėl, pereinant nuo dienos šviesos į prieblandą, paprastas žmogus praranda gebėjimą atskirti spalvas (ne veltui sakoma: „naktį visos katės pilkos“), o efektyvus bangos ilgis pasislenka į mėlynąją dalį, į didelės energijos fotonų sritis. Šis spektrinio jautrumo keitimo efektas vadinamas Purkinje efektu. Daugelis spalvų CCD matricų, kurios RGB signale yra nesubalansuotos iki baltos spalvos, turi jį (netiesiogiai). Į tai reikia atsižvelgti renkant ir naudojant spalvinę informaciją televizijos sistemose su kameromis, kuriose nėra automatinės baltos spalvos korekcijos.

Tiesiškumas ir gama korekcija.

CCD turi aukštą tiesiškumo laipsnį. Kitaip tariant, elektronų, surinktų viename pikselyje, skaičius yra griežtai proporcingas fotonų, patenkančių į CCD, skaičiui.

Parametras "tiesiškumas" yra glaudžiai susijęs su "dinaminio diapazono" parametru. Dinaminis diapazonas, kaip taisyklė, gali žymiai viršyti tiesiškumo diapazoną, jei sistema pateikia aparatinę ar tolesnę programinę įrangą, kad įrenginys veiktų netiesinėje srityje. Paprastai signalas, kurio nuokrypis nuo tiesiškumo yra ne didesnis kaip 10%, gali būti lengvai ištaisytas.

Visiškai kitokia situacija stebima fotografinių emulsijų atveju. Emulsijos turi sudėtingą atsaką į šviesą ir geriausiu atveju gali pasiekti 5% fotometrinį tikslumą, o tada tik dalį savo jau siauro dinaminio diapazono. CCD yra tiesiniai, kurių tikslumas yra 0,1% beveik visame dinaminiame diapazone. Dėl to gana lengva pašalinti jautrumo nehomogeniškumo įtaką visame lauke. Be to, CCD yra stabilios padėties. Gaminant įrenginį griežtai fiksuojama atskiro pikselio padėtis.

Monitoriaus kineskopas turi galios dėsnio ryškumo priklausomybę nuo signalo (eksponentas 2,2), dėl ko sumažėja kontrastas tamsiose srityse ir padidėja šviesios zonos; Tuo pačiu metu, kaip jau minėta, gaminamos šiuolaikinės CCD matricos linijos signalas. Bendram netiesiškumui kompensuoti dažniausiai į kamerą įmontuojamas prietaisas (gama korektorius), numatantis signalą su eksponentu 1/2,2, t.y. 0,45. Kai kurios kameros suteikia galimybę pasirinkti išankstinio iškraipymo koeficientą, pavyzdžiui, 0,60 parinktis lemia subjektyvų kontrasto padidėjimą, o tai sukuria „ryškesnio“ vaizdo įspūdį. Šalutinis poveikis yra tas, kad gama korekcija reiškia papildomą silpnų signalų (ypač triukšmo) stiprinimą, t.y. ta pati kamera su įjungta G=0.4 bus maždaug keturis kartus „jautresnė“ nei su G=1. Tačiau dar kartą priminsime, kad joks stiprintuvas negali padidinti signalo ir triukšmo santykio.

Krūvio sklaida.

Maksimalus elektronų skaičius, sukauptas pikselyje, yra ribotas. Vidutinio meistriškumo ir tipiškų dydžių matricoms ši vertė paprastai yra 200 000 elektronų. Ir jei bendras fotonų skaičius ekspozicijos (kadro) metu pasiekia ribinę vertę (200 000 ar daugiau, kai kvantinė išeiga yra 90% ar daugiau), tada įkrovos paketas pradės tekėti į gretimus pikselius. Vaizdo detalės pradeda jungtis. Poveikis sustiprėja, kai „papildomas“ šviesos srautas, kurio nesugeria plonas kristalo korpusas, atsispindi nuo pagrindinio pagrindo. Esant šviesos srautams dinaminiame diapazone, fotonai nepasiekia substrato beveik visi (su dideliu kvantiniu derliumi) paverčiami fotoelektronais. Tačiau netoli viršutinės dinaminio diapazono ribos atsiranda prisotinimas ir netransformuoti fotonai pradeda „klaidžioti“ aplink kristalą, daugiausia išlaikydami pradinio įėjimo į kristalą kryptį. Dauguma šių fotonų pasiekia substratą, atsispindi ir taip padidina vėlesnio virsmo fotoelektronais tikimybę, per daug prisotindami krūvio paketus, jau esančius ties plitimo riba. Tačiau jei ant pagrindo bus padengtas sugeriantis sluoksnis, vadinamoji antirefleksinė danga (anti-blooming), sklaidos efektas labai sumažės. Daugelis šiuolaikinių matricų, pagamintų naudojant naujas technologijas, turi anti-blooming, kuris yra vienas iš foninio apšvietimo kompensavimo sistemos komponentų.

Stabilumas ir fotometrinis tikslumas.

Netgi jautriausios CCD vaizdo kameros yra nenaudingos esant prastam apšvietimui, jei jų jautrumas yra nenuoseklus. Stabilumas yra neatsiejama CCD, kaip kietojo kūno įrenginio, savybė. Čia visų pirma turime omenyje jautrumo stabilumą laikui bėgant. Laikinasis stabilumas tikrinamas srauto matavimais iš specialių stabilizuotos spinduliuotės šaltinių. Jį lemia pačios matricos kvantinės išvesties stabilumas ir veikimo stabilumas elektronine sistema signalo skaitymas, stiprinimas ir įrašymas. Toks gautas vaizdo kameros stabilumas yra pagrindinis parametras nustatant fotometrinį tikslumą, t.y. įrašyto šviesos signalo matavimo tikslumas.

Esant geriems matricos mėginiams ir kokybiškai elektroninei sistemai fotometrinis tikslumas gali siekti 0,4 - 0,5%, o kai kuriais atvejais, esant optimalioms matricos veikimo sąlygoms ir naudojant specialius signalų apdorojimo metodus, 0,02%. Gautą fotometrinį tikslumą lemia keli pagrindiniai komponentai:

• laikinas visos sistemos nestabilumas;
• erdvinis jautrumo nevienalytiškumas ir, svarbiausia, aukšto dažnio (t. y. nuo pikselio iki pikselio) nevienalytiškumas;
• vaizdo kameros kvantinis efektyvumas;
• skaitmeninių vaizdo kamerų vaizdo signalų skaitmeninimo tikslumas;
• įvairių tipų triukšmo dydis.

Net jei CCD matrica turi didelius jautrumo nehomogeniškumus, jų poveikį gaunamam fotometriniam tikslumui galima sumažinti specialiais signalų apdorojimo metodais, žinoma, su sąlyga, kad šie nehomogeniškumas laikui bėgant yra stabilus. Kita vertus, jei matrica turi didelį kvantinį efektyvumą, bet jos nestabilumas yra didelis, gaunamas naudingo signalo įrašymo tikslumas bus mažas. Šia prasme nestabiliems įrenginiams naudingo signalo įrašymo tikslumas (arba fotometrinis tikslumas) yra svarbesnė charakteristika nei signalo ir triukšmo santykio charakteristika.

Fotoelektriniai CCD vaizdo keitikliai skirstomi į dvi klases: linijinius (vienmačius) ir matricinius (dvimačius). Linijiniuose fotovoltiniuose elementuose šviesai jautrūs elementai yra išilgai vienos linijos, dažniausiai linijos, ir sudaro vienmatį objekto vaizdą. Tokios vienos linijos fotoelektros gali būti naudojamos stebint gamybos procesus, atliekant specialią makro ir mikro objektų optinio tankio analizę ir analizę. Vienos linijos fotoelektra taip pat gali būti naudojama dvimačiui vaizdui gauti. Tokiu atveju saulės elementą ar objektą reikia perkelti statmena horizontalaus skenavimo krypčiai.

Kietojo kūno analogas perdavimo vamzdžio su elektroniniu skenavimu išilgai linijos ir rėmo yra matricinio vaizdo signalo formuotojas. Tai dviejų koordinačių šviesai jautrių elementų masyvas, kuriame elektroninis nuskaitymas atliekamas pagal koordinates. X Ir y. Kuriant tokią dviejų koordinačių matricą, išsprendžiamas jos skaitymo organizavimo klausimas.

Norint maksimaliai išnaudoti CCD privalumus, įkrovimo paketai turi pereiti į vieną išvesties įrenginį, o informacijos skaitymo tvarka dažniausiai atitinka priimtą televizijos standartą. Renkantis skaitymo organizavimo būdą, būtina užtikrinti minimalų vaizdo susiliejimą, kuris atsiranda, kai sukaupti įkrovimo paketai perduodami per apšviestas įrenginio sritis. Todėl šiuolaikiniuose CCD matriciniuose PV elementuose krūvio kaupimo ir krūvio perdavimo sritys yra atskirtos.

Pagal organizavimo būdą CCD nuskaitymo matricos skirstomos į matricas su kadrų krūvio perdavimu (FC), matricas su eilučių krūvio perdavimu (SC) ir matricas su eilučių kadrų įkrovos perdavimu (SCT).

CCD matricos (žr. 8.12 pav.) apima akumuliacinę sekciją – fotopriėmimo sekciją, saugojimo arba atminties sekciją, kuri yra apsaugota nuo šviesos ir savo plotu prilygsta akumuliacinei sekcijai, ir vieną ar daugiau lygiagrečių išėjimo poslinkių registrų.

Ryžiai. 8.12. Kadras po kadro skaitymo organizavimo metodas

Aktyviosios lauko dalies metu fotodetektoriaus sekcijoje kaupiasi krūvių paketai. Vertikalaus gesinimo impulso metu visų lauko linijų sukaupti krūviai nuosekliai perkeliami į nuo šviesos apsaugotą saugojimo sekciją. Tada, kaupiant kitą kadrą fotopriėmimo sekcijoje, informacija iš saugojimo sekcijos eilutė po eilutės perduodama į krūvio perdavimo sekciją – pamainų registrą. Linijų poslinkis į perdavimo sekciją atliekamas horizontalaus atvirkštinio eigos metu. Tada eilutės įkrovimo paketai po elemento išvedami per poslinkio registrą į išvesties įrenginį, kuris paverčia krūvius vaizdo signalu. Nuskaitius visą vaizdo informaciją iš saugojimo skyriaus, prasideda kito kadro perkėlimas.

Vienas pagrindinių skaitymo kadras po kadro privalumų yra vaizdo susiliejimo sumažinimas, nes informacija apie įkrovimą skaitoma iš nuo šviesos apsaugotos saugojimo dalies ir skenuojant nevyksta papildomas apšvietimas. Organizuojant kadrą po kadro, susipynusio vaizdo skaidymas yra lengvai atliekamas, o elektrodo struktūra taip pat yra paprasta, o tai leidžia kompaktiškai išdėstyti matricines ląsteles. Kadras po kadro perdavimo principas yra patogus apšviečiant matricą iš substrato pusės, o tai leidžia padvigubinti įrenginio kvantinį efektyvumą ir gauti vienodesnę spektrinio jautrumo charakteristiką.

Taigi matricoje su kadras po kadro nuskaitymo įkrovos paketų perkėlimas į išvesties įrenginį atliekamas trimis etapais: 1) perkeliama iš kaupimo sekcijos į atminties sekciją; 2) perkėlimas iš atminties skyriaus į pamainų registrą; 3) perkėlimas iš pamainų registro į išvesties įrenginį. Nesunku pastebėti, kad skirtingų rėmo elementų perkėlimų skaičius skirsis. Jis bus maksimalus pirmam viršutinės eilutės elementui ir minimalus paskutiniam apatinės dalies elementui. Nesunku apskaičiuoti maksimalų vieno įkrovimo paketo pervedimų skaičių. Kadras po kadro skaitymo organizavimui naudojant trijų ciklų poslinkių schemą, perkėlimų skaičius N maks. = 2 x 3 z + 2n, Kur z- eilučių skaičius; P- elementų skaičius eilutėje. Aukščiau pateiktoje lygybėje pirmasis terminas atsižvelgia į pervedimų skaičių išilgai rėmo, o antrasis - pervedimų skaičių išilgai linijos.

Atsižvelgiant į tai, kad įkrovimo paketai nėra visiškai perduodami, nes, pirma, dalis krūvio prarandama spąstuose, esančiuose silicio oksido sąsajoje, ir, antra, esant tam tikram perdavimo greičiui, dalis krūvio gali atsilikti nuo paketo ir atsirasti Kitas. Mokesčio perdavimo neefektyvumas ε nustato tam tikrus CCD veikimo greičio ir viso perdavimų, kuriuos galima atlikti be reikšmingo signalo sunaikinimo, skaičiaus apribojimus. Jei ε yra santykinė reikšmė ir apibūdina krūvio dalį, kuri atsilieka nuo paketo vienu perdavimu, padauginus ε iš perdavimų skaičiaus įrenginyje N, gauname gautą perdavimo neefektyvumą Nε viso įrenginio.

CP CCD matricų trūkumas yra nepilnas vaizdo susiliejimo pašalinimas, kuris pasireiškia vertikaliais užpakaliniais išplėtimais už labai ryškių detalių. Neryškumas atsiranda dėl to, kad kai sukaupti krūviai perkeliami iš foto priėmimo skyriaus į atminties sekciją, šviesa ir toliau patenka į fotopriėmimo sekciją.

Vaizdo neryškumo kiekiui sumažinti buvo sukurtos matricos su eilučių krūvio perkėlimu (žr. 8.13 pav.), kuriose akumuliacinį plotą formuoja vertikalios šviesai jautrių elementų kolonos, tarp kurių yra patalpinti nuo šviesos apsaugoti vertikalių poslinkių registrai. Kadro metu šviesai jautriuose elementuose kaupiasi krūvio paketai. Išjungimo kadro impulso metu jie vienu metu perkeliami į gretimas vertikalių poslinkių registrų ląsteles. Kito kadro kaupimo metu įkrovimo paketai iš vertikalių registrų vienu metu perkeliami į horizontalųjį (išvesties) registrą. Vertikalių registrų poslinkis vienu elementu vyksta atvirkštinio horizontalaus nuskaitymo eigos metu, o įkrovos paketų išvestis iš horizontalių registrų į išvesties įrenginį vyksta horizontalaus nuskaitymo į priekį eigos metu. Kadro metu įvyksta visiškas vertikalių poslinkių registrų atleidimas nuo krūvių.

Ryžiai. 8.13. Matrica su mokesčių perkėlimu

Ryžiai. 8.14. Matrica su linijinio kadro krūvio perkėlimu

Kad būtų užtikrintas susipynęs skenavimas SP CCD matricoje, krūviai iš šviesai jautrių celių perkeliami į vertikalius registrus: nelyginiuose laukuose – iš nelyginių, o lyginiuose – iš lyginių.

Trijų matricų transliavimo kamerose būtina toliau mažinti vaizdo susiliejimą. Siekiant patenkinti šį reikalavimą, buvo sukurti hibridiniai CCD su linijinio kadro įkrovos perdavimu (ICT). SKP CCD matricos (žr. 8.14 ir 8.15 pav.) skiriasi nuo SP CCD matricų (žr. 8.13 pav.), kai yra papildoma sekcija saugoti mokesčius už lauko trukmę.

Ryžiai. 8.15. Linijinio rėmelio apvyniojimo koncepcija

Todėl įkrovos perdavimo dažnis iš vertikalių CCD registrų į saugojimo sekciją gali būti pasirinktas dešimtis kartų didesnis nei eilučių dažnis, naudojamas SP CCD matricose. Tai leidžia tiek pat sumažinti vaizdo suliejimo lygį. SKP CCD matricų trūkumai yra santykinis gamybos sudėtingumas ir didelės gamybos sąnaudos.

Pagrindiniai matricinių CCD SP trūkumai yra negalėjimas apšviesti iš pagrindo pusės ir nepilnas šviesos srauto panaudojimas dėl to, kad fotodiodai neužima viso kristalo, patenkančio į vertikalius CCD registrus, apsaugotus nuo šviesos nekurti mokesčių. Dėl to žymiai sumažėja kamerų jautrumas.

Taigi, mažinant šviesai jautrios srities dydį matricose su linijos perkėlimu, netiesiogiai pablogėja matricos jautrumas šviesai. Šią problemą galima išspręsti labai paprastai (nors technologiškai tai labai sunku) – ant kiekvieno pikselio (fotodiodo) uždedamas mikroobjektyvas. Mikrolęšis visą krentantį šviesą sutelkia į nedidelį plotelį, į patį pikselį (fotodiodą), surenka į jį visą šviesos srautą ir taip efektyviai padidina minimalų fotodiodo apšvietimą (žr. 8.16 pav.).

Ryžiai. 8.16, a. Tradicinių grandinių su mikrolęšiais palyginimas

Ryžiai. 8.16, gim. CCD matricos su mikrolęšiais struktūra (nuotrauka daryta elektroniniu mikroskopu)

Fotodiodų skaičius matricinio CCD stulpelyje parenkamas lygus eilučių skaičiui kadre. Matriciniuose CCD su linijiniu perdavimu galima realizuoti susipynimo skaidymą Skirtingi keliai. Paprasčiausiu atveju pirmame lauke nelyginių fotodiodų krūvių paketai nuskaitomi į vertikalų CCD registrą, o kaupimas tęsiasi lyginiuose fotodioduose. Antrame lauke nuskaitomi porinio skaičiaus fotodioduose sukaupti krūviai. Vertikalus šviesai jautraus elemento dydis pasirodo lygus vieno fotodiodo dydžiui. Gretimų linijų centrai yra vienodais atstumais vienas nuo kito. Tokio skaitymo kaupimo laikas yra 40 ms televizijos režimu - kadro laikas. Todėl šis režimas vadinamas kadrų kaupimo režimu. Toks ilgas kaupimo laikas sukelia iškraipymus perduodant judančius objektus. Vertikalių ribų nelygumas atsiranda, kai objektai juda horizontaliai. Siekiant pašalinti šį trūkumą, buvo sukurtas lauko kaupimo režimas.

CCD matricos šviesos charakteristika darbinio apšvietimo diapazone yra tiesinė (žr. 8.17 pav.). Taškas 1 atitinka išvestį

signalą, kai nėra apšvietimo, ir nustato tamsiąją srovę, kurią daugiausia lemia mažumos nešėjų šiluminė generacija. Taškas 2 apibūdina matricos elemento prisotinimo režimą, t.y. pilnas potencialaus šulinio užpildymas mažumos vežėjais. Potencialo šulinio gylis nustatomas pagal projektinius matricos parametrus ir akumuliacinį potencialą, kurio vertę riboja MOS kondensatoriaus gedimo įtampa.

Ryžiai. 8.17. CCD matricos šviesos charakteristikos

Ryžiai. 8.18. Spektrinė charakteristika CCD matricos

Matricos formuotojo spektrinis jautrumas (8.18 ir 8.19 pav.) spektro ilgųjų bangų srityje didėja, o bangos ilgio srityje sumažėja 0,4...0,5 μm (kreivė). 1), kuri atsiranda dėl stiprios absorbcijos šioje spektro dalyje polisilicio elektrodų, nusodintų ant puslaidininkinio pagrindo.

Ryžiai. 8.19. Akies ir CCD matricos spektrinis jautrumas

Norint padidinti jautrumą šioje spektro srityje, langai atidaromi polisilicio elektroduose. Langų plotas yra maždaug 15...20% elemento šviesai jautraus paviršiaus ploto. Tai padidino matricos jautrumą, kai bangos ilgis λ = 0,4 μm iki 20% (kreivė 2), kuri leido naudoti matricą spalvotoje televizijoje. Rezoliucija nustatoma pagal akumuliacinių elementų skaičių CCD matricoje. Didelės raiškos televizijos sistemoms buvo sukurtos CCD matricos su 1035x1920 elementų skaičiumi.

CCD spektrinis jautrumas priklauso nuo silicio substrato tipo, bet bendrosios charakteristikos yra fotoelektrinio efekto rezultatas: ilgesni bangos ilgiai prasiskverbia giliau į CCD silicio struktūrą. Tai reiškia raudoną ir infraraudonąją šviesą (8.19 pav.).

Tačiau toks įsiskverbimas yra žalingas. Tokios bangos yra tokios stiprios, kad gali generuoti elektroninės žiniasklaidos priemonės vietose, kurios neturėtų būti veikiamos šviesos. Dėl to vaizde išnyksta smulkios detalės, nes ląstelių krūvis pasklinda po kaimynines ląsteles ir taip praranda komponentus. didelės raiškos ir sukelia „plaukimo efektą“. Taip pat gali būti paveikta kaukės zona (8.15 pav.), skirta tik laikinam įkrovų saugojimui, o ne ekspozicijai, dėl to gali smarkiai padidėti triukšmas ir vertikali aureolė. Todėl pažangiosiose CCD vaizdo kamerose naudojami specialūs optiniai infraraudonųjų spindulių pjovimo filtrai. Jie montuojami ant CCD matricos ir elgiasi kaip optiniai žemo dažnio filtrai, kurių vidutinis dažnis yra apie 700 nm, šalia raudonos spalvos (8.20 pav.).

Ryžiai. 8.20. Infraraudonųjų spindulių filtras keičia CCD matricos spektrinį jautrumą

Tačiau tais atvejais, kai vaizdo kamerą (juodą ir baltą) ketinama naudoti prasto apšvietimo sąlygomis arba sistemoje yra objektų infraraudonųjų spindulių apšvietimo šaltiniai, tokie filtrai nenaudojami (kad nesusilpnėtų kamerų jautrumas) .

Kita vertus, spalvotoms CCD kameroms reikia naudoti IR filtrą. Įprastas nespalvotas CCD be infraraudonųjų spindulių filtro gali sukurti priimtiną vaizdo signalo lygį, kai fotoaparato taikinio apšvietimas yra 0,01 liukso. Tai pačiai kamerai su IR filtru reikės 10 kartų daugiau apšvietimo. Tačiau šiuo atveju spalvų ištikimybė yra lemiamas kriterijus.

Bevielis internetas