4. Преобразованиесветовогопотокавцифровуюинформацию

ИИЗОБРАЖЕНИЕ

Какясноизматериала,приведенноговыше,фотоприемникипре-образуютвнешнееэлектромагнитноеизлучениевэлектрическийсиг-нал–напряжениеилиток.Величинаэтогосигналазависитотмощно-стиизлучения,падающегонаприемнуюплощадку.Вэлектронномтрактетакойсигналобрабатываетсяиусиливается,темсамымпереда-етсяинформация–внепрерывнойилидискретнойформе.Впервомслучаесигналнепрерывноизменяетсяпоамплитудевсоответствиисизменениемвнешнегоэлектромагнитногополя.Такаяформапред-ставленияинформацииноситназваниеаналоговойформыинформа-ции,асамсигналназываетсяаналоговым.

Втожевремядляобработкиполученногосигнала,егозапомина-ния,накопленияидругихпоследующихоперацийсполученнойотфо-

топриемникаинформациейзапоследнеедесятилетиевсечащеприме-няютсяцифровыеэлектронно-вычислительныемашины(ЦЭВМ).ВэтихЦЭВМисходные,промежуточныеивыходныевеличиныпред-ставленывдискретнойформе,котораяреализуетсяввидеразличныхкодов,соответствующихразнымзначениямсигнала.Таккаквреаль-нойситуацииотфотоприемникасигналвыдаетсяввидеэлектрическо-госигналавнепрерывной(аналоговой)форме,товозникаетпроблемасвязимеждуаналоговымвыходомфотоприемникаицифровымвходомЦЭВМ.Ясно,чтоприпереходеотаналоговогосигналакдискретномунепрерывныйпоуровнюсигналдолженбытьзамененнарядкванто-ванныхсигналов,амплитудакоторыхможетприниматьтолькоопре-

деленное,конечноечислозначений.Такаязаменаточногозначениявеличинысигналаприближеннымзначением,прикоторомдвабли-жайшихразрешенныхдискретныхзначенияразличаютсянаэлемен-тарнуювеличину(квант),называетсяквантованиемпоуровню.Одно-временносквантованиемпоуровнюобычнопроизводитсяиквантованиеповремени,т.е.заменанепрерывногововременисигналадискретным.Этоозначает,чтосведенияовеличинесигналапоступаютненепрерывно,атольковопределенноезаданноевремя.Однойизпричиннеобходимоститакогоквантованияповремениявляетсято,чтодляобработки(циклавычислений)поступившейдискретнойин-формациинеобходимоопределенноевремя.Толькопослеокончаниязаданнойпроцедурывычисленийможновводитьновыеданные.

Приборыиустройства,преобразующиеинформациюизнепрерыв-нойформывцифровую,называютсяаналого-цифровымипреобразова-телями.Всевышесказанноеравноотноситсякобработкесигналакаксодиночногосенсора,такисмногоэлементногофотоприемника.Впо-следнемслучаекодированиеиобработкасигналачащепроизводятсяпараллельно,спомощьюмногопроцессорногоустройства.

ЭтазадачапреобразованиявизуальнойинформациивцифровоймассиввначалеХХIвекаприобрелаособеннобольшоезначение.Воз-

никланастоятельнаянеобходимостькпереходуототдельныхуст-ройствцифровойобработкиизображениякиспользованиюаппаратно-программныхмодулейцифровогоизображения.Начиналосьразвитиеэтогонаправления,какобычно,дляобеспечениявоеннойикосмиче-скойтехники,новнастоящеевремяосновнойпотокпрогрессивныхрешенийсвязансновымимоделямицифровыхфотоаппаратовителе-визионныхкамер.Этотжепринциписпользуетсяврядеразделовнау-киитехники,нолюбительскаяцифроваявидео-ифотоаппаратураприноситихразработчикамипроизводителямосновнойдоход.

1. Оцифровываниесигнала

Процесспреобразованияаналоговогосигналавцифровойчастона-зываютоцифровываниемсигнала.Переднепосредственнымоцифро-вываниемполучаемыйнавыходефотоприемникасигналподвергаетсяопределеннойобработке.Проследимкраткозаэтимпроцессомпо[8.14–8.16].

Нарис.8.33вкачествеобъектаизображениявыбраннаборполосоксразличнойстепеньючерноты,чтодолжномоделироватьразличную

1 2 3

4

Тест-объект(штриховоеизображение)

Объектив

Ф1Ф2Ф3

эл.№1эл.№2эл.№3эл.№4Движениелуча

3-фазныйФВС

4

5

Телевизионныйэкран

4321

Видеоимпульсы

1234Полосынаэкране

^{4321Соответствующие}им

номераэлементов

Рис.8.33.Преобразованиятестовогоизображенияспро-странственнымраспределениемамплитудысигнала(освещенностиоткоординаты)впоследовательностьэлектрическихимпульсовразличнойамплитуды[8.15]

степеньмощностиизлученияэлементовобъекта.Оптическоеизобра-жение,попадаянафотоматрицу,генерируетносителизаряда,которыеввидезарядовыхпакетовсобираютсяподэлектродами,гдесозданыпотенциальныеямы.Различныминтенсивностям,какэтовидноизри-сунка,соответствуютразличныевеличиныэтихзарядовыхпакетов.Приподачетактовыхимпульсовнапряжениянасоответствующиеэлектродырегистрасдвигаэтотзарядперемещаетсяквыходномууст-ройствулинейкиПЗС.Каждаяячейка«опрашивается»втечениеопре-деленногоиодинаковоговремени,чтопозволяетполучитьвзаимнооднозначноесоответствиесигнала,исходящегоизтойилиинойячейкиматрицы,ивременипоявленияэлектрическогоимпульсаввыходнойцепипослеусилителя5нарис.8.33.Навыходелинейногофотоприем-ногоПЗС-устройстваобразованныеподвлияниемсветазарядовыепа-

кетыпреобразуютсявимпульсытокаилинапряжения(подробнорабо-таПЗСописанавгл.7).

Получаемыетакимобразомимпульсытока(напряжения)усилива-

ютсяиподаютсянавидеовоспроизводящееустройство.Ранеетакоеустройствовключалокинескоп,движениелучавкоторомсинхронизо-ваносдвижениемзарядовыхпакетоввПЗС.Последнееусловиеозна-чает,чтозавремявоспроизведенияоднойстрокивсеэлементырегист-раочистилисьотзарядов.Наэкранеэтастрокасостоитизточек,числокоторыхстрогоравночислуэлементоврегистра.ЯркостьэтихточекнаэкранепропорциональназарядовомупакетунавыходеПЗСисоответ-ствуетинтенсивностизасветкикаждогоэлементарегистра.Такойфо-топриемникПЗСявляетсяоднокоординатнымприбором.Внемполу-ченнаяинформацияпереноситсявдольоднойоси.ДляполучениядвухмерногоизображенияспомощьюПЗС-линейкиобычносоздаютмеханическоеперемещениерегистраперпендикулярнообъектуиссле-дования.Врезультатенавыходелинейкифотоприемниковполучаемпоследовательностьэлектрическихимпульсовсразличнойамплиту-дой.Внастоящеевремячащевсегоприменяетсяэлектронноесканиро-ваниеподвумосям.Дляэтогообычноиспользуютдвухмернуюмат-рицуфоточувствительныхПЗС-элементов.

Рассмотримпринципиальнуюсхемуработытакогоприборанапримерепростейшегоустройства,включающего10светочувствитель-ныхрегистров,содержащихпо10элементовкаждый.Каквидноизрис.8.34,врезультатеполучаетсяустройство,называемоематрич-нымфотоприемникомПЗС.

Длясчитыванияинформационногозаряда,образующегосяподфо-точувствительнымиэлементамилинеек,ивыводаэтогозарядасмат-рицыкаждыйизнихзаканчиваетсясоединениемсэлементомсдвиго-вогорегистра.(Этотрегистризображеннарис.8.34справаперпендикулярнорядулинеек.)Следуетотметить,чтовыходнойре-гистрзакрытсветонепроницаемымэкраном,т.е.оннеучаствуетвприемесветовойинформации.Заряды,возникающиеприпроецирова-нииизображениянаповерхностьматрицы,переносятсяодновременновправоподнакопительныеэлектродывыходногорегистра,гдедляихприемаподготовленыпотенциальныеямы.Послепервогопереносавыходнойрегистрначинаетпереноситьзарядынавыходдополнойочисткисвоихэлементов.Затемвнегоперейдутследующиезарядыизфоточувствительныхрегистров,ипроцедурапереносаихнавыходпо-вторится.Всяэтапроцедураповторяетсядотехпор,поканеочистятся

Элементырегистров

12345678910

Фоточувствительныерегистры

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ф1Ф2Ф3

Ф1Ф2Ф3

Сдвиговыйрегистр

Выходноеустройство

Рис.8.34.ПринциппостроенияматричногоПЗС-фотоприемника[8.15]

всефоточувствительныерегистры,аматрицаспомощьюсоответст-вующихобедняющихимпульсовнебудетготовакновомунакоплениюинформационногозаряда.Скоростьсчитываниянакопленноговреги-страхматрицыинформационногозарядаиопределяетинтервалмеждупоследовательнымэкспонированиемкадров.

Понятно,чтоодновременносносителями,генерируемымисветом,вэтипотенциальныеямыпопадутитермогенерированныеносители.Подтемиэлектродами,которыесоответствуютгустойштриховке(рис.8.34),находятсятольконосителизаряда,созданныетепловойге-нерацией,иотсутствуетзаряд,возбужденныйсветом.Этитепловыеносителииопределяюттемновойток.Дляэффективнойборьбысэти-ми«паразитными»темновымитокамиидругимипомехамиишумамиприменяютсяразличныесхемныерешения.Наиболеераспространениэффективенметоддвойнойкорреляционнойвыборки(ДКВ).ПринципДКВзаключаетсявизмеренииизапоминаниисигналавмоментотсут-ствияинформацииивпоследующемвычитанииегоизсигнала,содер-жащегопомехииинформацию.ДКВиспользуетсядляподавленияшумовсброса,геометрическихшумов,1/f-шума,низкочастотногошу-маисточниковпитанияит.д.

Такимобразом,навыходематричногофотоприемногоустройствав

концеконцовпоявляетсядискретнаяпоследовательностьимпульсов

напряжения(тока).Этапоследовательностьсигналовможетнепосред-ственноприменятьсядляформирования,например,фото-илителе-изображения.

Длятогочтобыполучитьинформациювцифровомвиде,необхо-димопреобразоватьаналоговыйэлектрическийсигналвцифровойспомощьюаналого-цифровогопреобразователя.Этаоперациявключает

всебяпроцессы:а)дискретизации,б)квантования,в)цифровойобра-ботки.Всемиэтимипроцессамипреобразованиясигналауправляетмикропроцессорнаясистема.ВслучаеполучениясигналасПЗСмы

бездополнительныхусилийимеемисходнуюдискретнуюпоследова-тельностьэлектрическогосигналаизображения,полученнуюспомо-щьюпоследовательногосчитываниясэлементовПЗС-линейкиилиматрицы.Следующейоперациейприобразованииизображениявциф-ровомвидеявляетсяпоэлементноеквантование,азатемианалого-цифровоепреобразование[8.14,8.16].Ссамыхобщихпозицийможносказать,чтовэтотпроцессвходятоперации,которыемыпривыклиназыватьизмерением.Подизмерениемобычноподразумеваютнаборопераций,спомощьюкоторыхустанавливаетсячисленноесоотноше-ниеизмеряемойвеличиныивыбранныхединицизмерения.Этиеди-ницычастоназываютэталонами.Аналого-цифровойпреобразовательвсеэтифункциивыполняетавтоматически.СущественнымотличиемизмеренияиАЦ-преобразованияявляетсяформапредставленияре-зультатов.Приизмерениирезультатпредставляетсячащевсеговфор-медесятичногочисла,априАЦ-преобразованиирезультатобычнопредставляетсяввидедвоичногочисла.Поэлементноеквантованиеявляетсяоперацией,заключающейсяввыбореконечныхзначенийэлектрическогосигналаизображения,разбиваемыхнаинтервалыкван-тования.Значениясигнала,попадающиевопределенныйинтервал,обозначаютсячислом,котороекодируетномеринтервала.

Внастоящеевремячащевсегоиспользуютсятриметодааналого-цифровогопреобразования:последовательныйсчет,поразрядноеко-дированиеисчитывание.Остановимсядляпримератольконавторомметодекакнаиболеепростом,какнамкажется,длядемонстрациивоз-можностейАЦП.Вметодепоразрядногокодированиядляизмерениялюбогозначениявыходногосигналафотоприемногоустройства(вход-ногодляАЦП)используетсяопределенноеколичество(n)эталонов,величиныкоторыхотличаютсядруготдруга.Если,какпринято,навыходеАЦПдолженполучитьсяпозиционнодвоичныйкод(ПДК),тозначенияэтихэталоновпропорциональнычислу2всоответствующей

степени(либоиначе–пропорциональныстепенямчисла2).Измерение(уравновешивание)входногосигналаначинаетсясэталонамаксималь-нойвеличины.Поопределеннойкомандемикропроцессорасхемасравнениявыполняетсравнениеэтогоэталонаивходнойвеличины.Взависимостиотрезультатовэтогосравненияполучаетсяцифравстар-шемразрядевыходногокода.Еслиэталонбольшевходнойвеличины,товстаршемразрядеставитсянольидальшепроисходитсравнениевходнойвеличинысоследующимпозначениюэталоном.Еслиэталонравенвходнойвеличинеилименьше,чемона,товстаршемразрядеставитсяединицаидальшепроизводитсяизмерение(уравновешива-ние)разностимеждувходнойвеличинойипервымэталоном.Далеепроизводятсятакиежеоперациидлявсехиспользуемыхэталонов.По-нятно,чтовсеэтисравнениявходнойвеличиныисуммыэталоноввы-полняетединственноесравнивающееустройство.

Изприведенноговышеалгоритмавидно,чтодляосуществления

методапоразрядногокодированиянеобходимоиметьнаборизnэта-лонныхвеличин.Минимальноезначениетакогоэталонаравновы-бранномуквантусравнения–минимальнойвеличине,выбраннойдляуравновешивания:Э₁₌q.Максимальнаявеличина,авсегоихn,будетравнаЭ_n=2^n–1q,гдеn–числоразрядовввыходномкоде.Длягаранти-рованногопреобразованиявзаданномдиапазонеизменениявходнойвеличинынеобходимо,чтобывыполнялосьусловиеЭ_n≥U_вхmax/2,гдеU_вхmax–максимальноезначениевходногонапряжения.Надоотметить,чтонезависимоотвидасхемыиконструкциипреобразователянапряже-ниявкодпринципегодействияостаетсявсегдаодинаковым.Напряже-ниенавходесравниваетсяссуммойэталонныхнапряжений,создавае-мыхвнутрипреобразователя.Этасуммаизменяетсядотехпор,поканестанетсзаданнойточностьюравнойвходномунапряжению:

n

U_вх_a_nЭ_n,

1

гдеа_n–цифрывразрядахвыходногоПДК(0или1);Э_n–эталонныенапряжениясравнения.

Врезультатеисходныйпространственныйсигнал,дискретизиро-ванныйспомощьюматрицыПЗСиподанныйнавходАЦПввиде

дискретныхимпульсовнапряжения,навыходетогожеАЦПпредстав-ляетсядвоичнымкодомввидепоследовательностиединицинулей.Нарис.8.35представленографическоеизображениеописанноговыше

процессааналого-цифровогопреобразованияимпульсных,дискретныхсигналовизображения,полученныхнавыходефотоматрицыПЗС.

g(jΔt)

g(jΔt)

m

t

0Δt jΔt

t

0Δt jΔt

а б

Рис.8.35.Процессаналого-цифровогопреобразованиядискретнопреобразованногосигналаизображения:

а–квантованныйвдискретныемоменты времени(jΔt)сигналсфото-приемникаg_(jΔt);б–цифрограммаквантованногосигналаg_i(n)[8.14]

Дискретныесигналы,полученныесэлементовматрицы,спомо-щьюсравнениясэталонами,линейноквантуютсянаопределенноечислоmуровней,гдеm=2ⁿ,аn–числоразрядовкодовогочисла,ко-торымпредставляетсясигналвцифровойформе.Врезультатепреоб-разованияполученныйцифровойсигнализображенияпредставляетчислоg_j(n).Всвоемсоставеэточислосодержитнеобходимоеколиче-створазрядов(цифр–0или1),равноечислувозможныхзначений(эталонов)входногопространственногосигналаg(x,y).Именнотакоецифровоеописание(представление)оптическихсигналовпроизводит-сянаосновепоследовательностиоперацийдискретизацииипоэле-ментногоквантования.

Дляполнотыизложенияважноупомянуть,чтодляполномасштаб-

ногофункционированияфотоприемныхустройствтипафото-илите-лекамерысовершеннонеобходимытакжесистемыпамятиимикро-процессоров.Первыенужныдляоперативногозапоминанияизображенияприегообработкеидлядолговременногохраненияпо-лученногоизображенияприегодальнейшемиспользовании.Микро-процессорныеустройстванеобходимынавсехэтапахпреобразованияоптическогосигналавцифровой,начинаясподачитактовыхимпуль-совнаПЗС-матрицудопроизведенияинтерполяциицветовыхсигна-ловисжатияизображенияводинизформатов,принятыхвсистемахобработкиинформациинаЭВМ.Впоследнеевремявцифровыхфото-аппаратахсталиприменятьнарядусПЗС-матрицамиматрицыфото-диодов,сформированныесиспользованиемКМОП-технологии.

Должнобытьясно,чтоглавноенаправлениеразвитияматричныхсенсоровизображениянапротяжениипоследних30лет–этоисполь-

зованиеПЗС-иПЗИ-приборов.Заэтигодымногократноувеличива-лисьразрешение,количествопикселейвматрицеиобщийееразмер.ВсвоемразвитииПЗС-технологияпоследовательноиспользовалавсеобщиедостиженияМДП-технологии,бурноиплодотворноразвивав-шиесязатотжепериод.Однакосконца90-хгодовХХвеканачалисьэнергичныепопыткиприменитьдлясозданияматричныхсенсоровизображенияструктур,построенныхспомощьюКМОП-технологии.Впоследниенескольколетуженынешнегостолетиявнаучно-техническойлитературезаэтимибыстроразвивающимисяфоточувст-вительнымиструктурамиизакрепилосьназвание–КМОП-сенсоры.

Напомним,чтопредложеннаяв1963годутехнологиякомплемен-тарныхструктурметалл–окисел–полупроводник(КМОП)заключается

вформированииn-иp-канальныхтранзисторовнаоднойподложке.Формированиеn-канальноготранзисторанаn-подложкеосуществля-етсявлегированнойакцепторамиp-областинаповерхности(кармане)[8.17].Особенностиэтойтехнологиипозволяютувеличитьплотность

элементовнакристаллеиуменьшитьпространство,занятоеметалли-ческимимежсоединениями,непропускающимисвет,чтопозволилосоздатьнаодинаковойплощадибольшепикселей,чемприПЗС-

технологии,носсохранениемпараметровПЗС-сенсоров[8.18].Кэто-мунадодобавить,чтоКМОП-технологияявляетсяосновойдляэле-ментнойбазывычислительнойтехники(инверторыиэлементыпамя-ти)инаиболеераспространенаповсемумиру.ВсеэтовсовокупностипривелокболеенизкойценевновьразработанныхКМОП-матрицпосравнениюсПЗС,чтодалотолчокдальнейшемубурномуразвитию.Особоеместоонизаняливоснащениифото-ителеаппаратуры.Изрис.8.36видно,чтоонизаняливнастоящеевремядовольнозначи-тельнуюнишунарынкесенсоровизображения.

Небудемостанавливатьсяподробнонасхемотехническихподроб-

ностяхразнообразныхконструкцийисистемобработкисигналавэтойновоймодификациифотосенсоров.Наиболеераспространеннымсталорешениеподназваниемтрехтранзисторныйактивныйпиксель,по-перечныйразрезкоторогопоказаннарис.8.37[8.18].Нанемхорошовидно,чтосветгенерируетносителизарядавлюбомместепoдложки,втомчислеиподэлементамитранзисторов.Новидноидругое:междуp⁺-карманомКМОП-структурыиp^–-эпитаксиальнымслоемсуществу-етнебольшой(около50...60нэВ)потенциальныйбарьер(рис.8.38).

Отсутствиетакогобарьератолькоподn–p-переходомфотодиодаприводитктому,чтопрактическивсеэлектроны,которыегенериру-ютсясветомвэпитаксиальномслоевлюбойточкипикселя,сначала

Характеристики

ВысокиехарактеристикикиМалыеобъемы

НизкаястоимостьБольшиеобъемы

ПЭС

КМОП

Профессиональныецифровыекамеры

Медицина

Космос

Анализдвижения

Компьютеры,видео

Бытовыефото-ителекамерыМобильныесфото

Игрушки

Системыбезопасности

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Рис.8.36.ТенденциииспользованияПЗС-иКМОП-сенсоров

латеральнодиффундируют,азатем,достигаяфотодиода,собираютсяпоследним.Подчеркнемещераз,чтовсоответствиисхарактернойглубинойпроникновениявкремнийвслучаеформированияфотосен-сораКМОП-технологиейсветпроходитдоэпитаксиальногослояпрак-тическиповсейплощадипикселя.Этоприводитктому,чтофакторзаполненияфотосенсора(отношениесветочувствительнойплощадикполнойплощадипикселя)возрастаетотобычныхдляПЗС10…20до70%!Кромеэтого,отмечается,чтооченьмалыеразмерыфотодиодавслучаеКМОПприводяткмалойемкости.Малыйпериметрвызывает

Свет

Электродытранзисторов

Фотодиод

n+p+

p-потенциальныйминимум

Фоточувствительныйобъем

Рис.8.37.РазрезфоточувствительногоустройстваКМОП-пикселя

В _n+

А

_n⁺ Электростатический

Транзистор

потенциал

p-яма ^p-яма

n-яма

p-эпислой

p⁺⁺-подложка

В΄ А΄

А–А΄

В–В΄

Глубинаотповерхности

Рис.8.38.ХодпотенциалавКМОП-фотопикселе:

А–сечениечерезфотодиод; В–сечениевпроизвольномместепикселя

такжеуменьшениетемновыхтоковфотодиодаишумов.Нарис.8.39данопроизведениеквантовойэффективностинафакторзаполнения,гдехорошовидно,чтовпикеэтавеличинасоставляетболее30%.Этооченьвысокийпоказательдляфотоматриц,онподтверждаетрацио-нальностьиспользованияихвфоточувствительныхустройствах.

Квантоваяэффективность

факторзаполнения,%

35

30

25

20

15

10

5

0

400 500 600 700 800 900 1000

Длинаволны,нм

Рис.8.39.Произведениеквантовойэффективностинафак-торзаполнениядлямонохроматическойматрицы[8.18]