6.3.2. Телекамеры на основе приборов с зарядовой связью

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 прак­тически 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 поч­ти 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).

В настоящее время промышленно выпускаются твердотельные передающие камеры на базе ПЗС мат­риц, содержащие более 600000 элементов и ПЗС ли­неек с 8192 элементами. Размер ПЗС матрицы описывается параметром, называемым «формат», который соответствует ди­а­гонали В, эквивалентного дан­ной 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 В. 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. Камеры с высоким разрешением (TSR-480 японской фирмы Elmo с 590 твл) позволяют четко видеть мелкие детали: номера машин, лица и т.д. 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).

Рассмотрим принцип действия ПЗС матрицы. Основными элементами ПЗС являются МОП-емкости (емкости, образованные структурой металл-окисел-проводник) или контакты с барьером Шоттки. Эти дискретные элементы располагаются максимально близко друг к другу, так, чтобы их потенциальные ямы сливались, образуя, тем самым, зарядовую связь. В то же время, самопроизвольного «растека­ния» зарядов между отдельными элементами быть не должно, для чего они разделены стоп-каналами. На рис. 6.23 показана структура и временные диаграммы работы трехфазного элемента ПЗС.

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 полупроводника, и в его толще индуцируется p-n переход).

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 неосновных носителей, благодаря чему индуцированный p-n переход начинает работать в режиме накопления заряда. В телевизионных системах образование заряда связано с изме­нением освещен­ности 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 спект­ральная чувствительность ПЗС матрицы. Синтез материала электрода представляет собой сложную технологическую задачу. (Обычно используют поликристаллический кремний, недостатком которого является низкая чувствительность в синей области). 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 (рис. 6.23б). 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).

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 - СН; в некоторых схемах эти секции разделены), секцию хранения СХ, сдвиговые регистры СР (или секции переноса), а также выходной регистр ВР и видеоусилитель ВУ.

Поскольку перенос заряда должен осуществляться в полной темноте, в первых матрицах каждая строка считывалась в активном интервале, а экспозиция (освещение ячейки) осуществлялась во время гасящего импульса. Столь ограниченное время экспозиции приводило к низкой светочувствительности матрицы, и решено было увеличить время экспозиции и снизить время переноса заряда в защищенную от света область. Для этого потребовался накопитель информации, позволяющий сохра­нять заряд долгое время. Он был реализован в конструкции линейной матрицы с двумя параллельными цепочками - одна ис­пользуется в качестве СН, другая - СР. Результатом явилась матрица с построчным переносом зарядов, разработанная фирмой Sony, и широко используемая в недорогих телекамерах (рис. 6.24б). СН и СХ совмещены в одну секцию, чувствительные ячейки которой примыкают к вер­тикальным регистрам сдвига СР и по которым они перемещаются к горизонтальному ВР и ВУ. К недостатку схемы относится сильная чувствитель­ность к ярким фрагментам - так называ­емые «столбы».

ВПЗС скадровым переносом (рис. 6.24а) заряд из секции накопления СН за время переноса сдвигается в секцию хранения СХ. В течение считывания следующего ка­дра в СН зарядовый рельеф предыдущего вводится по­­строчно в ВР. Первые камеры делали именно по этой схеме (так называемые RCA ка­меры). До сих пор фирма Philips выпускает RCA ка­меры. Недо­статком схемы является необхо­димость в двойном количестве ПЗС элементов.

ПЗС матрицы сострочно-кад­ро­вым­ переносом используются в камерах высшего класса (рис. 6.25). Базовой моделью явилась студийная телекамера BVP-50 фирмы Sony. Как известно, телевизионный стандарт предусматривает ре­жим чересстрочной раз­­вертки, когда поочередно выводятся чет­ный и нечетный полукадры. Рассмо­трим процедуру вывода нечетного полу­ка­дра в матрицах со строчно-кад­ро­вым переносом. Сна­чала, сигнал Ф_н ге­не­ратора тактовых импу­ль­сов ГТИ ини­циирует параллельный перенос зарядов, содержащихся в светочувствительных элементах нечетных строк каждого столбца в секцию накопления СН. Затем, фазами Ф_в1 ... Ф_в3 заряды, принадлежащие одному полукадру, из СН переносятся в секцию хранения СХ регистрами вертикального сдвига РВС. Далее, сигналами Ф_г1 и Ф_г2 ГТИ заряды, соответствующие нечетному полукадру построчно перемещаются вдоль ВР (он называется также регистром горизонтального сдвига РГС) и последовательно подаются в выходной каскад, содержащий транзистор сб­ро­са ТС и выходной транзистор ВТ. Наконец, весь процесс повторяется для четного полукадра. Перенос зарядов и сброс из СХ в ВР выполняется в интервале гасящего импульса, а считывание из СН - в интервале следующей экспозиции.

Изменение потенциала затвора ВТ вызывает появление видеоимпульса на выходе всего устройства и матрицы в целом. Выходной каскад (так называемая плавающая диффузионная область - ПДО) преобразует видеосигналы из формы зарядов в форму напряжений. Заряд инжектируется в ПДО путем кратковременного открытия канала ТС. Частота сдвиговых сигналов в регистрах ПЗС связана с темпом вывода видеосигнала и всего кадра. Ее величина определяется необходимостью сопряжения со стандартным телевизионным оборудованием и зависит от размерности матрицы (числа столбцов и строк) и частотных свойств полупроводника. Тактовая частота ВР в разных ПЗС матрицах варьируется в широких пределах 10 кГц ... 10 мГц.

В табл. 6.10 представлены некоторые характеристики отечественной ПЗС матрицы К1200ЦМ7.

Таблица 6.10. Технические характеристики ПЗС матрицы

Параметры		СН		СХ		ВР	Количество строк
Модель	Размерность	Кол-во элементов	Размер, мкм	Кол-во элементов	Размер, мкм	Кол-во элементов
К1200ЦМ7	576360 207360	288360 103680	1819	103680	2121	362	576

Уменьшение габаритов матриц со строчно-кад­ро­вым переносом достигается использованием технологииHAD (Hole Accumulated Diode) фирмы Sony, в которой заряд переносится не в сторону от светочувствительной ячейки, а внутрь кристалла. В технологии Hyper HAD, также предложенной фирмой Sony, каждый элемент матрицы содержит микролинзу, что вдвое увеличивает светочувствительность матрицы.

Функциональная схема телекамеры на основе ПЗС представлена на рис. 6.26. Синхрогенератор СГ задает тактовую частоту управления СХ, СН и 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.

Существенным недостатком современных ПЗС камер является их меньшие, по сравнению с ЭЛТ, чувствительность и разрешающая способность. Самые чувствительные ПЗС камеры, по аналогии с В называемые «ночными», способны работать при уровнях освещенности до 0,005 … 0,00004 лк, что соответствует освещенности от звезд, частично закрытых облаками. Что касается разрешения, то телекамера стандартного разрешения с числом элементов по строке около 500 имеет реальную разрешающую способность всего 380 твл. Это значение, получается умножением числа элементов матрицы ПЗС на технологический коэффициент 0,75. Однако даже такое значение превосходит разрешающую способность большинства стандартных видеомагнитофонов. ПЗС камеры высокого разрешения с 760 элементами на строке имеют разрешающую способность примерно 570 твл.

Формат телекамеры непосредственно связан с размером используемого объектива. Самыми распространенными и дешевыми являются черно-белые ПЗС камеры стандартного разрешения и форматом 1/3". Четвертьдюймовые камеры используются в системах видеонаблюдения. Для телекамер форматом 1/2" характерно более высокое отношение сигнал/шум, достигающее при дневной освещенности значения 55 … 60 дБ.

Примеры выпускаемых телевизионных ПЗС камер представлены в табл. 6.11.

Таблица 6.11. Примеры промышленных ПЗС камер

Модель	Тип	Количество элементов	min, лк	f, МГц	P, Вт	Uип, В	Размеры, мм
КТЛ-3	линейка	8000		0,4	3,0	15	38135
КТН-15	матрица	512582 (380 твл)	0,5	7,0	5,0	15	3442110
WM-202R	матрица «глазок»	380 твл	0,8		1,2	12	2450
SSC-M370	матрица	752582 (570 твл)	0,08		2,3	12	6457155
WAT-704R	матрица	537597 (380 твл)	0,8		1	9	1850
WAT-205A	матрица цветная	537597 (320 твл)	8		1,5	6	454729

Примечание. Модели SSC-M370 и WAT разработаны фирмами Sony и Watec, Япония.

Самая маленькая цифровая фотокамера, разработанная фирмой Sony, весит 26 г., имеет ОЗУ емкостью 64 МБ и способна хранить около 1000 фотографий.

Различные системы на основе ПЗС матриц и линеек нашли широкое применение в самых различных областях. Не рис. 6.27 в качестве примера показано использование ПЗС линейки в системе управления оптическим фокусом видеокамеры. Схема этого устройства похожа на схему устройства автофокусировки головки наведения (рис. 5.78). В одном из наиболее известных решений, известных как TCL (Thro­ugh the Camera Lens), 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 па­мяти микропроцессора камеры, является сигналом уп­рав­ления приводом объектива.

Подведем итоги. Достоинствами телевизионных ПЗС камер являются: высокое быстродействие (малая инер­ци­он­ность), возможность фиксации (запоминания) изо­бра­же­ния, высокая линейность по полю, устойчивость к внешним возмущающим воздействиям, а также малые габариты и вес. Недостатками - меньшая чувствительность и разрешаю­щая способность, чем у вакуумных трубок и геометрический шум.