Конспект лекции по дисциплине «Системы технического зрения. Твердотельные видеокамеры», pptx
Файл загружается
Благодарим за ожидание, осталось немного.
Конспект лекции по дисциплине «Системы технического зрения. Твердотельные видеокамеры», текстовый формат
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 292916 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.
