Применение
6.2 Структура ТВ камер на ПЗС матрицах
6.3 Технология изготовления матричных ПЗС
6.4 Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС)
6.5 ПЗС для работы в режиме временной задержки и накопления (ВЗН)
6.6 ИК ПЗС с барьерами Шотки из силицида платины
6.7 Цифровые ПЗС-камеры УФ- и видимого диапазонов
6.8 Высокочувствительная ПЗС-камера модели S2X для круглосуточной работы
6.9 Цифровые тепловизионные системы среднего ИК-диапазона
Приборы можно подразделить на типовые и специальные, типовыми считаются приборы, которые серийно производятся для широкого применения в различных отраслях промышленности, а специальные устройства выпускаются с учетом специфики конкретной отрасли.
Области использования матричных твердотельных датчиков на сегодня всё более расширяются (рис.10). Главные их преимущества - малое энергопотребление и низкая стоимость предоставляют замечательные возможности по созданию на их основе самых разнообразных портативных устройств.
В бытовой сфере это:
цифровые фотоаппараты
видеокамеры для персональных компьютеров и ноутбуков
сотовые телефоны с интегрированной видеокамерой
интерактивные игрушки для детей
оптические устройства ввода (оптические "мыши" и пр.)
В коммерческой и промышленной технике такие датчики уже сейчас широко используются в следующих областях:
автоматизация производственных процессов
машинное зрение
датчики движения
медицинская техника (в качестве зондов)
биометрические технологии (получение изображения отпечатков пальцев и пр.)
астрономические наблюдения
Рис.10 – Области применения датчиков изображения на основе использования CMOS и CCD - технологий
ПЗС может быть использован также и по другому назначению - как элемент памяти, хранения информации или как линия задержки электрического сигнала.
Изобретатели ПЗС пророчили им три основные сферы применения: преобразование излучения в электрический сигнал - фоточувствительные ПЗС (ФПЗС); аналоговую обработку информации - линии задержки, фильтры; запоминающие устройства ПЗС(ЗУ). Наибольшее развитие получило первое направление. ФПЗС буквально заполнили вакуум в телевидении. Твердотельные преобразователи излучения в видеосигнал способны не только заменить вакуумные передающие электронно - лучевые трубки (ЭЛТ), но и привнести новые качества. Жёсткий геометрический растр, отсутствие инерционности преобразования, низкие питающее напряжение и потребляемая мощность, малые габариты и масса, высокие показетели по долговечности и прочности, нечувствительность к магнитным полям - эти качества ФПЗС открыли широчайшие возможности использования последних в системах индустриального телевидения (теленаблюдения и охраны).
Наиболее широкое применение в полиграфии ПЗС-фотоприемники нашли в разнообразных сканерах (ручных, листовых, планшетных), цифровых фотоаппаратах и других устройствах оцифровки изображений (слайд-сканерах и т.п.).
Цифровые камеры
Устройство цифрового фотоаппарата схематично представлено на рис. 4.8.
Рис.. Схематическое устройство цифрового фотоаппарата
Профессиональные репортерские (еще их называют «полевые») цифровые фотоаппараты можно разделить на два типа - с одной ПЗС-матрицей и с тремя ПЗС-матрицами. В аппаратах первого типа все составляющие (R, G, B) цвета воспринимаются фоточувствительными ячейками одного ПЗС, для чего перед матрицей устанавливается пленочный светофильтр с построчными или мозаичным (сотовым) чередованием R- G- или В-фильтров (перед каждой микроячейкой - свой микроскопический зональный светофильтр). Пробелы информации между ячейками одного цветовосприятия восполняются алгоритмически интерполяцией данных, снятых в соседних ячейках. В фотоаппаратах с тремя матрицами перед каждой из них ставится свой зональный светофильтр (R, G или В) и все ячейки одной матрицы снимают информацию об одном компоненте цвета проецируемого на фотоприемник изображения.
6.2 Структура тв камер на пзс матрицах
В современных разработках передающих камер применяются твердотельные аналоги передающих трубок – однострочные и матричные приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рис. 35 изображена структурная схема цветной телевизионной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС.
Рисунок 35 – Структурная схема цветной ТВ камеры на матрицах ПЗС
Изображение передаваемого объекта вариообъективом проецируется на светоделительный блок, который разделяет световой поток на три составляющие. Принцип получения сигнала изображения рассмотрим для одного из каналов на примере ПЗС с кадровым переносом зарядов. Основной элемент каждого из каналов – матрица ПЗС. Она преобразует распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда – потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во время следования кадрового гасящего импульса все поле зарядов перемещается в соответствующие зоны хранения, экранированные от светового потока (секция памяти). В течение следующего периода накопления во время следования строчных гасящих импульсов заряды построчно перемещаются из секции памяти к выходному регистру сдвига. В нем в период активной части строки заряды придвигаются к выходному устройству. Таким образом, на выходе матрицы образуется ТВ сигнал в виде поэлементной последовательности импульсов различной амплитуды, пропорциональной освещенности элементов секции накопления. Перемещение зарядов в матрице ПЗС – развертка изображения – производится с помощью тактовых импульсов синхрогенератора, образующихся в формирователях импульсов секций накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного регистра (ФИВ).
Использование в ЦТВ камерах твердотельных сигналов вакуумных передающих трубок позволило значительно сократить габариты, вес и потребляемую мощность камеры, а также существенно повысить надежность ее работы. Дополнительным достоинством камер на матрицах ПЗС является ее так называемый «жесткий растр», т.е. точная привязка координаты передаваемой точки текущему времени, что оказывается определяющим параметром при решении некоторых прикладных задач.
В современных видеокамерах, как правило, применяются матрицы ПЗС, обеспечивающие большую надежность работы при достаточно высоких параметрах. Число строк матрицы принимает значения от 380 до 900.
Внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненные преимущества. Отсутствие громоздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ элементов конструкции, позволило в значительной степени снизить размеры и массу камер на ПЗС по сравнению со своими предшественниками.
Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника ТВ камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность. Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность ТВ камер. Их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры.
Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС. В обычной ТВ камере электроннолучевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишени значительное количество света. Это происходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или осветительный прибор).
В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточного опыта или условий для проведения съемки.
В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" и 1/6" приборы с зарядовой связью (ПЗС). Число пикселов (пиксел – один элемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300 до 1000. Количество элементов матрицы обеспечивает горизонтальное разрешение изображения в зависимости от модели 300...600 телевизионных линий (твл).