Системы технического зрения. Твердотельные видеокамеры

СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ВИДЕОКАМЕРЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ВИДЕОКАМЕРЫ Бурное развитие полупроводниковой технологии в конце ХХ века привело к появлению и активному внедрению т вердотельны х телекамер. Их принято разделять на два ос­новных класса: • ПЗС камеры; • камеры на базе фотодиодных (фото­транзистор­ных, и иногда фоторезисторных) матриц. ПЗС камеры В основе работы приборов с зарядовой связью (ПЗС) лежит принцип хранения локализованного заряда в потенциальных ямах, образуемых в полупроводниковом кристалле под действием внешнего поля и передачи этого заряда из одной потенциальной ямы в другую при изменении управляющих воздействий. Идея ПЗС была выдвинута в 1970 г. американцами У. Бойлем и Д. Смитом, и в настоящее время устройства на ПЗС-стру­ктурах используются во многих областях эле­ктроники. На их основе создаются ОЗУ большого объема, фильтры, линии задержки и др. Исключительно перспективно их применение и в качестве приемников изображения. Главные достоинства ПЗС - жестко заданный геометрический растр, исключающий проблему геометрических искажений, относительная температурная стабильность параметров, надежность. Первые фо­точувствительные ин­тегральные схемы на ПЗС появились в 1977 году. Однако долгое время их использование было прак­т ически невозможным в связи с очень низкой чувствительностью, причем различной в красной, синей и зеленой частях спектра. Тем не менее, к середине 90-х годов ХХ века поч­т и по всем техническим параметрам ПЗС камеры (в зарубежной литературе CCD камеры) превзошли телекамеры на ЭЛТ трубках. Возможность миниатюризации камерных головок привела к появлению новых аппаратов - записывающих телекамер - комкордеров (от англ. CAMera + RECorder). ПЗС камеры В настоящее время выпускаются твердотельные передающие камеры на базе ПЗС мат­риц, содержащие более 600 000 элементов и ПЗС ли­неек с 8 192 элементами. Размер ПЗС матрицы описывается параметром, называемым «формат», который соответствует ди­а­гонали видикона, эквивалентного дан­ ной матрице. Он измеряется в дюймах и принимает значения: 1’’, 2/3’’, 1/2’’, 1/3’’, 1/4’’. Последние модели «Sony» имеют формат 1/4’’. Габариты ПЗС камер существенно меньше, чем видикона. Так, плоская черно-белая камера компании Watec WAT-600 имеет размер 292916 мм, цилиндрическая черно-белая камера WAT-704 имеет диаметр 18 мм, цветная камера с вынесенной головкой El­mo QN401E имеет диаметр 7 мм. Размер матрицы влияет на угол поля обзора: при одинаковых объективах камера 1/2’’ имеет больший угол, чем камера с матрицей 1/3’’. Разрешение современных черно-белых ПЗС камер составляет 380 ... 470 твл. Разрешение серийных цветных ПЗС камер несколько хуже: 300 ... 350 твл, хотя все эти показатели определяются технологическими факторами, ограничений которых не видно. Так, уже появляются цветные ПЗС камеры с разрешением 470 … 500 твл (SSC C370P фирмы Sony, TSP-482 фирмы El­mo). ПЗС камеры Ст рукт ура и временны е диаграммы работы трехфазного элемент а ПЗС Основными элементами ПЗС являются МОП-емкости (емкости, образованные структурой металлокисел-проводник) или контакты с барьером Шоттки. Эти дискретные элементы располагаются максимально близко друг к другу, так, чтобы их потенциальные ямы сливались, образуя зарядовую связь. В то же время, самопроизвольного «растека­ния» зарядов между отдельными элементами быть не должно, для чего они разделены стоп-каналами.. Принцип действия устройства основан на накоплении и хранении заряда внутри p-n перехода, который образуется при подаче на металлический электрод на поверхности полупроводника положительного напряжения 10 ... 15 В. (В этом случае, основные носители - «дырки» уходят вглубь ПЗС камеры Каждый элемент (ячейка) матрицы включает 2 ... 3 электрода (количество электродов определяется числом фаз уп­равления) и участок подложки в их окрестности. При определенных фазовых напряжениях под электродами поочередно создаются области, обедне­н­ные основными носителями и являющиеся потенциальными ямами для неосновны х носителей, благодаря чему индуцированный p-n переход начинает работать в режиме накопления заряда. В телевизионных системах образование заряда связано с изме­нением освещен­н ост и ПЗС элемента. Заряд появляется при выбивании квантами света электронов из атомов полупроводника, в результате чего свободные электроны устремляются к p-n переходу, отыскивая положительные дырки и создавая ток через него. Один из электродов делается прозрачным в видимой части спектра. От его материала в значительной степени зависит спект ­ральная чувст вительност ь ПЗС матрицы. Далее, часть свободных электронов рекомбинирует с дырками частично разряжая МОП-емкость, а оставшийся заряд выводится в закрытую от света зону. Перемещение заряда осуществляется уп­­рав­ляющими электродами по принципу «бегущей волны» Ф1 - Ф2 - Ф3, когда потенциальные ямы образуются поочередно под 1, 2, 3 электродами. Аналогичным образом осуществляется перемещение заряда дальше по кристаллу. Так, например, для вывода заряда за пределы светочувствительного слоя и записи нового состояния освещенности напряжение понижается на Ф3 и повышается на Ф1 (при этом под первым электродом формируется потенциальная яма). ПЗС камеры По своей структуре ПЗС матрицы разделяются на три группы: • матрицы с переносом кадра; • матрицы с построчным переносом зарядов; • матрицы со строчно-кадровым переносом. Во всех случаях она содержит светочувствительную секцию (или секцию накопления; в некоторых схемах эти секции разделены), секцию хранения, сдвиговые регистры (или секции переноса), а также выходной регистр и видеоусилитель. ПЗС камеры Функциональная схема телекамеры на основе ПЗС Синхрогенератор СГ задает тактовую частоту управления секциями хранения, накопления (СН) и выходного регистра (ВР) . Выходной каскад, включающий ПДО и ВУ, преобразует заряды ПЗС ячеек в последовательность видеоимпульсов. Усилитель-смеситель УС служит для усиления видеоимпульсов и подмешивания в сигнал гасящих и синхронизирующих импульсов, формируя композитный видеосигнал. СКАНИСТОР Система управления опт ическим ф окусом видеокамеры луч света прошедший сквозь объектив направляется полупрозрачным зеркалом на датчик - линейку ПЗС. При этом из пучка лучей, образующих изображение объекта апертурной маской выделяются два крайних, которые разделительными линзами фокусируются в плоскости ПЗС датчика. Разница между полученным сигналом и опорным, записанным в па­ мяти микропроцессора камеры, является сигналом уп­рав­ления приводом объектива.