fW5B0fDXqV

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРИЕМА И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЙ

Электронные методические указания к лабораторным работам

2-е издание, дополненное

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 2014

1

УДК 621.38:681.327

Электронные приборы для приема и воспроизведения изображений: Электрон. метод. указ. к лаб. работам, 2-е изд., доп. / Сост.: А. Ю. Волков, А. Ю. Грязнов, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014. 32 с.

Содержат описание лабораторных работ, позволяющих изучить основные характеристики систем и средств сбора, обработки и отображения информации.

УДК 621.38:681.327

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве электронных методических указаний

Редактор Н. В. Лукина

Подписано в печать 29.12.14. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,0.

Гарнитура «Times New Roman». Тираж 10 экз. Заказ 252.

© СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014

2

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДЕОКАМЕРЫ НА ОСНОВЕ ПЗС МАТРИЦЫ

Целью работы является ознакомление с устройством, принципом действия и характеристиками видеокамеры на основе ПЗС матрицы.

Устройство и принцип действия ПЗС матрицы.

Видеокамера – устройство приема изображения. На данный момент существует много различных типов видеокамер. Характерным отличием одной видеокамеры от другой является метод получения изображения. ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица относится к твердотельным датчикам изображения.

ПЗС матрица обладает как и целым рядом достоинств, так и недостатков. К достоинствам можно отнести: низкий уровень шума матрицы, высокую чувствительность и высокую квантовую эффективность. К недостаткам можно отнести: сложность технологического процесса производства, высокое энергопотребление, относительно низкое быстродействие, невозможность работы с частью изображения.

Твердотельный датчик изображения состоит из массива элементарных ячеек - пикселей. Принципа работы датчика представлен на рис.1.1.

Рис. 1.1. Элемент ПЗС матрицы.

Структура матрицы состоит из кремниевой подложки p-типа, изолирующего слоя двуокиси кремния и располагающихся на нём электродов. Основными носителями заряда в такой подложке являются положительно заряженные дырки. При подаче положительного потенциала на один из электродов под ним образуется область, обедненная основными носителями. На остальных электродах потенциал в этот момент равен нулю. Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий: он либо отразится от поверхности, либо будет поглощён в толще кремниевой подложки, либо пройдет насквозь её рабочую зону. В основе работы элемента ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда фотон проникает в кремний, происходит генерация пары носителей заряда - электрона и дырки. Под действием положительного потенциала дырка отталкивается вглубь кристалла, а под соответствующим электродом за счёт сил электростатического поля скапливаются неосновные носители заряда - электроны.

По завершении накопления заряда происходит его перенос в область хранения, путём последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. Более подробно этот процесс представлен не рис. 1.2, где изображены элементы двух трехфазных пикселей. В данный момент положительные напряжения поданы на U2 и U5 на остальных электродах напряжение равно нулю. Благодаря наличию оксидного диэлектри-

3

ческого слоя заряды не перетекают на электроды. Под электродами U2 и U5 образуется обедненная дырками область, где и собираются электроны. В случае подачи потенциала на следующие электроды обедненная область сместится, и заряд перетечет под следующий электрод.

Рис. 1.2. Процесс переноса заряда: 1 – пространственный заряд, 2 - электрод

Данный элемент называется регистром сдвига. Между ПЗС-элементами могут располагаться два и более электродов переноса; от их количества зависит число фаз регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным и так далее. В случае, если элементы организованы в виде двумерного массива, перенос производится сразу целыми строками. Последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. Входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом является ПЗС-матрицей.

"Вертикальные" последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного перед усилителем последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный находится в режиме ожидания. ПЗС-мат- рица подключается к микроконтроллеру, подающему потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующему работу обоих регистров.

Современные ПЗС-матрицы имеют под окислом кремния тонкий n-слой, так называемый объёмный канал переноса. Его наличие позволяет частично избавиться от влияния дефектов приповерхностного слоя полупроводника, что улучшает четкость получаемого изображения и снижает величину темнового сигнала. Для предотвращения эффекта растекания заряда при большой освещенности, используется антибликовое покрытие. Оно наносится на подложку матрицы и позволяет поглощать "лишние" фотоны, повышая чёткость изображения на верхней границе динамического диапазона.

Тип датчика, представленный на рис. 3, является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей. Такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя, так как в этом случае к фототоку каждого из его элементов добавится лишний заряд, вызванный попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице.

4

Скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а переносятся в буферный параллельный регистр. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система называется матрицей с буферизацией кадра (рис. 1.4).

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига обрабатываются заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл работы последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, но при этом также падает скорость считывания строк, так как любую строку приходится передавать на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Основным недостатком матриц с буферизацией кадра является увеличение числя строк через которые передается каждый заряд, что негативно сказывается на количестве шумов и динамическом диапазоне. И в данном случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, что делает затруднительным обработку непрерывного видеосигнала. Специально для видеотехники был разработан тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока.

5

Данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (рис. 1.5), сходна со системами с буферизацией кадра – в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако в данном случае его столбцы расположены между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не по строкам, а в параллельный буферный столбец. За один рабочий цикл все заряды попадают в буферный регистр, освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды по строкам считываются через последовательный регистр сдвига. Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается эффекта размазывания заряда. Время экспонирования для каждого кадра по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров – не менее 30 кадров секунду.

Рис. 1.5. Матрица с буферизацией столбцов Хотя фототоки основного параллельного регистра сдвига сразу же попадают в бу-

ферный регистр, который защищен от светового потока, эффект размазывания заряда в матрицах с буферизацией столбцов проявляется. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы основного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях заряда, когда освещённость пикселя очень высока. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой

6

точки протягивается светлая полоса, портящая кадр. Для борьбы с этим неприятным эффектом при проектировании сенсора основной и буферный столбцы располагают на большей дистанции друг от друга. Это усложняет обмен зарядом и увеличивает временной интервал данной операции.

Для обеспечения видеосигнала необходимо, чтобы ПЗС-датчик не требовал перекрытия светового потока между экспозициями, так как механический затвор в таких условиях работы может быстро выйти из строя. Благодаря буферным строкам есть возможность реализовать электронный затвор, который позволяет при необходимости обойтись без механического затвора и обеспечивает сверхмалые (до 1/10000секунды) значения выдержки. Электронный затвор требует, чтобы матрица обладала системой удаления избыточного заряда потенциальной ямы.

Буферные регистры сдвига занимают значительную часть площади матрицы, в результате чего каждому пикселю достаётся около 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. В большинстве ПЗС_матриц поверх каждого пикселя располагается микролинза. Она покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на светочувствительную область основного пикселя.

К основным парметрам ПЗС-матриц можно отнести следующие.

Количество пикселей матрицы. Этот параметр характеризует разрешающую способность датчика. От количества пикселей матрицы напрямую зависит такой параметр как разрешающая способность ПЗС матрицы. Он определяется количеством линий изображения, которые могут быть зафиксированы видеокамерой раздельно. Оптический формат.

Оптический формат - это размер диагонали активной области матрицы фотоэлементов в дюймах.

Чувствительность. од чувствительностью понимается отношение величины электрического сигнала, вырабатываемого датчиком, к уровню его освещённости в данный момент. Величина электрического сигнала представляется в амперах, а освещенность в люменах. Для цветных датчиков изображения значение чувствительности указывается отдельно для разных длин волн (монохроматическая чувствительность к потоку излучения шириной 1 нм). Также может использоваться суммарная чувствительность во всем спектральном диапазоне (болометрическая чувствительность). У многих черно-белых датчиков очень высока чувствительность в инфракрасном диапазоне. Спектральная чувствительность цветных датчиков изображения близка к человеческому глазу.

Квантовая эффективность. Отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы датчика, называется квантовой эффективностью. Этот параметр имеет очень высокое значение для ПЗСматриц - у лучших образцов он достигает 95%. (Чаше 60-80%) Для сравнения, квантовая эффективность человеческого глаза составляет около 1%.

Динамический диапазон. Это отношение максимального выходного сигнала датчика к его собственному уровню шума. Этот параметр указывается, как правило, в дБ. Человеческий глаз имеет очень большой динамический диапазон - около 200 дБ. Ни один искусственный прибор не обладает столь высоким значением этого параметра.

Отношение сигнал/шум. Источники возникновения шума несколько различаются для CCD-датчиков и CMOS-датчиков. В общем случае под отношением сигнал/шум понимается величина, равная отношению полезного видеосигнала к уровню шума, выраженная в дБ. Приемлемым отношением сигнал/шум считается величина не менее 50 дБ.

Описание лабораторной установки.

Лабораторная работа выполняется на базе ПЗС видеокамеры на основе матрицы с буферизацией. Схематично устройство лабораторной работы представлено на рисунке 1.6.

7

Рис. 1.6. Блок-схема лабораторного стнеда.

Видеокамера представляет собой ПЗС-матрицу со съемным объективом, микроконтроллер обработки сигнала и микроконтроллер генерации видеосигнала.

Данная видеокамера передает изображение на осциллограф в формате CCIR, который представляет собой последовательное чередование сигнала каждой отдельной строки и сигнала синхронизации. Сигнал синхронизации характеризуется минимальным уровнем напряжения и присутствует перед каждой строкой изображения.

Проекционное устройство содержит источник света - лампу накаливания, испытательную таблицу и объектив, с помощью которого таблица проецируется на матрицу ПЗС камеры. Изменение освещенности мишени осуществляется плавно в заданных пределах диафрагмой объектива и подаваемым на лампу напряжением питания. Проекционное устройство представлено на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Проекционное устройство: 1 - видеокамера., 2 - проекционное устройство, 3- источник света

Осциллограф выделения строки предназначен для изменения выходного сигнала вдоль заданной строки или группы строк. Частота запуска осциллографа синхронизирована с частотой строк и частотой кадров развертки видеоконтрольного устройства. Настройки осциллографа для проведения лабораторной работы представлены на рис. 1.8.

8

Рис. 1.8 Настройки осциллографа для проведения лабораторной работы: 1- Выбор строки, 2 - Индикации номера выбранной строки, 3 - Установка режима выбора строк, 4 - Настройка уровня напряжения, 5 - Отображение сигнала, 6 - Яркость сигнала. 7 - Время развертки.

Видеоконтрольное устройство предназначено для отображения получаемого с видеокамеры сигнала. Условно принцип работы лабораторной установки можно представить следующим образом: Источник света формирует световой поток, который проходит через испытательную таблицу и фокусируется на ПЗС матрице. Видеокамера генерирует видеосигнал, который одновременно поступает на входы осциллографа и видеоконтрольного устройства (ВКУ). Осциллограф показывает отдельную строку видеосигнала, ВКУ показывает все изображение. Во второй части лабораторной работы видеокамера работает с объективом и полноформатной тестовой таблицей без использования источника света.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Установить на блоке питания видеокамеры напряжение 8.5 В и ток 0.1 А, включить блок питания видеокамеры.

2.Включить ВКУ

3.Включить осциллограф. Для этого повернуть ручку 6 в крайне правое положение.

4.Установить напряжение на лампе 0 В, включить вольтметр для измерения напряжения на лампе.

5.Измерение разрешающей способности ПЗС матрицы без объектива

5.1. Снять объектив с видеокамеры .

5.2.Установить устройство фокусировки изображения.

5.3.Установить напряжение на лампе 45 В.

5.4.Сфокусировать изображение на ПЗС матрице видеокамеры; для этого можно использовать механизм перемещения проекционного устройства и механизмы настройки фокусирующего устройства. Для контроля качества фокусировки ис-

пользуется ВКУ. Характерный вид изображения представлен на рис 10,б. На ПЗС матрице должна быть отображена центральная часть тестовой панели.

5.5.Установить на осциллографе режим выбора первой строки; для этого ручку 1 установить в крайне левое положение.

5.6.С помощью ручки 5найти выбранную строку. Характерный вид изображения представлен на рисунке 10, в. Изменяя номер выбранной строки найти первую информационную строку изображения .

9

5.7.Увеличивая номер строки найти строку изображения соответствующую «200» тестовым линиям испытательной таблицы..

5.8.Снять зависимость разности напряжений черной и белой линий в строке с 200 тестовыми линиями (Uл) от напряжения на лампе. Напряжение на лампе менять от 10 до 160 Вольт с шагом 10 вольт. Разность напряжения между черными и белыми линиями отображается в середине строки в виде частых синусообразных колебаний.

5.9.Повторить пункт 5.8 для строки изображения соответствующей элементу испытательной таблицы с 300, 400, 500 и 600 линиями.

5.10Установить напряжение на лампе 0 В.

6.Измерение разрешающей способности ПЗС матрицы с объективом

6.1.Установить объектив на видеокамеру.

6.2.Установить на устройство фокусировки изображения тестовую панель №1.

Развернуть панель в сторону видеокамеры.

6.3.Сфокусировать объектив на тестовом изображении.

6.4.Максимально приблизить тестовое изображение к объективу видеокамеры.

6.5.Отобразить на осциллографе информативный сигнал.

6.6.Установить время развертки 1мкс.

6.7.Установить режим выбора строки с номером 100.

6.8.Выбрать с помощью ручки «задержка» участок с максимальным значением разности напряжения между белой и черной линиями – U.

6.9.Увеличивая расстояние между объективом и тестовым с шагом 3 сантиметра до максимально значения зафиксировать минимальную и максимальную разницу напряжения между двумя соседними полосами. Разность напряжения между соседними полосами равная нулю определяет тот момент когда две соседние ли-

нии тестовой панели будут отображаться на 2 соседних пикселя ПЗС матрицы.

7.Измерение разрешающей способности ПЗС матрицы с объективом в различных плоскостях

7.1.Установить на устройство фокусировки изображения тестовую панель №2.

7.2.Удалить панель на максимальное расстояние.

7.3.Определить разрешающую способность визуально для горизонтальной оси (1), для этого необходимо определить то место где линии перестают восприниматься отдельно, при этом следует учитывать, что все линии должны восприниматься на изображении отдельно. Для нормировки использовать градировочные окружности.

7.4.Повторить пункт 7. 3 для осей 2 - 8.

8.Исследование минимального значения чувствительности ПЗС матрицы

8.1.Удалить устройство фокусировки.

8.2.Установить светофильтр перед объективом видеокамеры.

8.3.Установить напряжение на лампе 90 вольт.

8.4.Выбрать на осциллографе тестовую строку с подсвеченным изображением тестовой панели.

8.5.Установить напряжение на лампе 0 вольт. Повышая напряжение с шагом 5 вольт до напряжения 140 вольт фиксировать сигнал тестовой панели и фоновый сигнал (шум).

8.6.Установить напряжение на лампе 0 вольт.

9. Исследование максимального значения чувствительности ПЗС матрицы 9.1.Удалить светофильтр.

9.2. Выбрать на осциллографе строку с изображением тестовой панели. 9.3.Уменьшите время развертки для повышения качества изображения.

9.4.Повышая напряжение с шагом 3 вольта до напряжения 60 вольт фиксировать

9.5.Максимальный сигнал с тестовой панели.

10