Втрати світла в об'єктиві. Не всі фотони світла, що потрапляють на вхідну лінзу, проходять до матриці ПЗЗ. Частина з них розсівається, а частина поглинається матеріалом лінз. Потрібно сказати, що сучасні асферичні об'єктиви з відносним отвором 0,8 - 0,75 - мають дуже високі характеристики і в найближчому майбутньому важко чекати помітного поліпшення їх параметрів.

Втрати через малу відносну площу фоточутливих елементів до повної площі фоточутливої секції. Фоточутливі осередки, особливо в матрицях малих форматів 1/3 дюйми і менш займають менше 10% площі чутливої поверхні. Решта площі використовується під канали перенесення заряду і систему антиблюмінга.10 років тому це було одним з головних обмежень чутливість. Фірма SONY винайшла і застосувала прозорі мікролінзи на поверхні ПЗЗ - матриці, які концентрують світло зі всієї поверхні на маленькі фоточутливі осередки. Рік тому SONY удосконалила ці лінзи і випустила нову серію матриць ПЗЗ під маркою EXWAWEHAD CCD, що дозволило додатково в 3 - 4 рази підняти чутливість телекамер. В даний час параметри мікролінзового масиву близькі до теоретичної межі, і тут також важко чекати істотних поліпшень.

Втрати при перетворенні фотон/електрон. Квантовий вихід кращих ПЗЗ - матриці наближається до 0,5 в діапазоні видимих довжин хвиль і ближньому ІЧ діапазоні. Освоєння нових матеріалів і подальша оптимізації структури приладів в майбутньому могла б дозволити збільшити це значення, особливо в області синього і ближньою ультрафіолетовою, що могло б поліпшити чутливість камер. Проте серйозних зрушень тут також важко чекати.

Обмеження чутливості через шум зчитування вихідного пристрою ПЗЗ - матриці. Зараз шум зчитування - головний чинник що обмежує чутливість телекамер. Його значення 20 - 30 електронів/піксель теоретично можна було б понизити в 10 разів. Обмеженням тут є площа затвора першого вихідного транзистора. Чим менше площа, тим менше шум, але затвор з малою площею не в змозі вміщати заряд пікселя у разі, коли світла багато, що приведе до обмеження сигналу в денних умовах. Є патенти, в яких пропонується розмістити в ПЗЗ матриці 2 вихідних пристрою, одне для малих, а інше для великих зарядів, і перемикати їх вночі і вдень відповідно. Тому можна чекати надалі появу нових ПЗЗ - матриць із зменшеним шумом вихідного пристрою, що могло б привести до подальшого зростання чутливості ПЗЗ камер у декілька разів.

Обмеження чутливості через свічення транзисторів вихідного пристрою матриці ПЗЗ. Всі транзистори слабо світяться (аналогічно світлодіодам і лазерним діодам), а в матрицях ПЗЗ це перешкоджає спостереженню слабких освітленостей. Була опублікована стаття, де в охолоджуваній астрономічній камері ПЗЗ було відмічено свічення в тому кутку зображення, де розташований вихідний пристрій. Тоді це було розцінено як унікальне явище, що виявляється тільки при охолодженні ПЗЗ - матриці, що працюють з великим часом експозиції. З тих пір чутливість матриць ПЗЗ зросла в 100 разів і цей ефект вже заважає спостереженню в найчутливіших камерах фірм PANASONIC, BAXALL, ЕВС.

Можна виділити такі головні моменти, що визначають високу чутливість сучасних ПЗЗ телевізійних камер:

· застосування високочутливих матриць ПЗЗ з мікролінзами

· використання асферичних світлосильних об'єктивів

· введення адаптивних режимів накопичення і зчитування заряду в ПЗЗ

· застосування спеціальних електричних режимів, що підвищують чутливість матриці ПЗЗ

· використання режиму регульованої тривалості накопичення (по кадру)

Перші два моменти як відомо, легко реалізуються і використовуються в камерах різних фірм. Типовими представниками таких камер є камери фірм WATEC. Наприклад, в камерах WAT-902H, LCL-902HS, LCL-903HS і деяких інших застосовані матриці ПЗЗ з мікролінзами фірми SONY з торговою маркою ExView. У поєднанні зі світлосильними об'єктивами F1,2 ці камери забезпечують чутливість на об'єкті до 0,003 люкс при відношенні сигнал/шум 20 дБ.

Одну з перших камеру з адаптивним накопиченням сигналу випустила фірма PANASONIC. Режим був названий "Electronic sensitivity enhancer" і забезпечував збільшення часу накопичення від 1 до 32-х телевізійних полів, тобто від 1/50 до 0,64 секунди, що приводило до поліпшення чутливості до 32 разів. В даний час камери з режимом "Electronic sensitivity enhancer" випускають багато фірм, такі як IKEGAMI, BAXALL, PCAM, KAMPO і багато інших. У таких камерах при використанні матриць ПЗЗ фірми SONY серії EXWAVEHAD і асферичних об'єктивів досягається чутливість до 0,0002 люкс при відношенні сигнал/шум 20 дБ. Не дивлячись на відмінні характеристики камери з режимом "Electronic sensitivity enhancer" мають два серйозні недоліки. По-перше, при збільшенні експозиції відбувається "змазування" зображення рухомих об'єктів. Другий недолік - достатньо висока вартість, оскільки для візуалізації на екрані монітора зображення при використанні режиму накопичення потрібний перетворювач телевізійних стандартів з кадровим ОЗП, АЦП, ЦАП і системою синхронізації.

Існує метод підвищення чутливості телевізійних камер, який не має розглянутого вище недоліку. Цей метод отримав назву "Technology EVS". У надвисокочутливих телевізійних камерах (VNC-542, VNC-742) використовується режим сумування зарядового зображення за площею безпосередньо в матриці ПЗЗ. При зменшенні освітленості нижче певного рівня в цих телевізійних камерах автоматично змінюється режим зчитування сигналу з матриць ПЗЗ, внаслідок чого на виході камери з'являється результуючий сигнал: спочатку це сума 2-х елементів, потім 3-х, 4-х і так далі до 10 - 12 кратного складання. В результаті - в стільки ж раз підвищується чутливість камер без збільшення інерційності. У камерах VNC-542 і VNC-742 не відбувається змазування зображення рухомих об'єктів. Платою за підвищення чутливості в цих камерах є плавна втрата роздільної здатності при низьких рівнях освітленості. Змінюючи режим синхронізації ПЗЗ - матриці можна забезпечити складання зарядів сусідніх елементів на затворі вихідного транзистора і сусідніх рядків на електродах вихідного регістра ПЗЗ - матриці. Також, як і в першому способі відбувається складання сигналу з шумом і десятиразове складання приводить до десятиразового поліпшення чутливості. Режим був названий "нічним режимом 1" і в ПЗЗ камерах він автоматично включається при зменшенні освітленості на об'єкті менше 0,02 люкс. ПЗЗ камери, виконані на EXWAVEHAD матрицях ПЗЗ фірми SONY, в нічному режимі 1 розвивають чутливість до 0,0002 люкс (камера VNC-703), що еквівалентно телекамерам з режимом "Electronic sensitivity enhancer". Камери з "нічним режимом 1" працюють без збільшення інерційності, що дозволяє їм надійно спостерігати рухомі об'єкти аж до освітленості, відповідної освітленості від зоряного неба. Вартість камер з "нічним режимом 1" всього на 10 % вище стандартних, оскільки в них не вимагається застосування дорогого кадрового ОЗП. Недоліком "нічного режиму 1" є погіршення роздільної здатності вночі приблизно в 3 рази із-за додавання зарядів з сусідніх елементів і рядків. Здається очевидним для подальшого збільшення чутливості об'єднати два режими "Electronic sensitivity enhancer" і "Нічний режим 1" в одній ПЗЗ камері. В кінці 1999 р. з'явилася перша така камера VNC-702 виробництва фірми "ЕВС". У рекламних матеріалах указується, що в телевізійній камері, що розвиває чутливість на об'єкті 0,00004 люкс при відношенні сигнал/шум 20 дБ, застосовано обидва режими. Унікальна камера VNC-702 в даний час є рекордсменом чутливості серед ПЗЗ камер і всього лише у декілька разів поступається камерам з ЕОП поколінь 3 і 3+. У режимі максимальної чутливості камери VNC-702 свічення вихідного транзистора ПЗЗ матриці перешкоджає подальшому зростанню чутливості адаптивних камер ПЗЗ. Порівняльні характеристики телекамер з ПЗЗ матрицями вказані в таблиці 1.4.

Таблиця 1.4. Порівняльні характеристики телекамер з ПЗЗ матрицями серії EXWAVEHAD і з електронними режимами збільшення чутливості.

Примітка. Для зручності порівняння чутливості всіх камер вказані на об'єкті при використанні світлосильного асферичного об'єктиву з відносним отвором F0,8.

1.5 Динамічний діапазон камер на ПЗЗ

Жоден електронний датчик сигналу не має широкого динамічного діапазону. Це обумовлено фізичними обмеженнями - рівнем власного шуму з одного боку і рівнем насичення сигналу з іншою. Для досягнення діапазону більшого, ніж динамічний діапазон датчика сигналу необхідна побудова системи автоматичного регулювання або адаптації.

У телевізійних камерах найбільш поширено два способи адаптації (рис.1.7.).

У першому способі перед датчиком світла встановлюють послідовно включені: регульований ослаблювач і підсилювач сигналу (керована діафрагма об'єктиву і ЕОП відповідно в телекамері).

У другому способі сам фоточутливий датчик роблять керованим і за рахунок адаптації параметрів змінюють його чутливість.

На рис.1.8 зображено розширення діапазону робочої освітленості фоточутливого датчика, що працює у складі адаптивної системи.

Рис. 1.7 Способи розширення діапазону робочої освітленості в ПЗЗ - матриці камерах

Рис. 1.8 Ілюстрація розширення діапазону робочої освітленості фоточутливого датчика, що працює у складі адаптивної системи.

1.6 Електронно-оптичні підсилювачі яскравості зображення

Електронно-оптичні підсилювачі яскравості (ЕОП) зображення в телебаченні застосовують давно. Ще до ери ПЗЗ камер в телевізійні трубки, що передають, вбудовували каскади електронного посилення, досягаючи чутливості на об'єкті 0,001 люкс і вище. Згодом ЕОП почали зістиковувати з ПЗЗ камерами для збільшення їх чутливості. Утворився новий клас надчутливих телекамер. Проте такі телекамери типу мало поширені, оскільки мають серйозні недоліки. Основних недоліків два: надвисока вартість, що доходить до 10000$ і вище і низька надійність, через можливість руйнування ЕОП сонячним світлом і від пробоїв високої напруги. В даний час ПЗЗ камери з ЕОП покоління 3+ мають неперевершену чутливість (таблиця 1.6.) і застосовуються в тих областях, де важливість надійного нічного спостереження переважає над грошовими витратами. Потрібно відзначити, що такі телекамери все більш витісняються високочутливими камерами ПЗЗ з адаптивними нічними режимами, так, наприклад, чутливість ЕОП поколінь 1, 1+ і 2 успішно перевершена нічними телекамерами фірм PANASONIC, IKEGAMI, KAMPO, BAXALL, ЕВС і по чутливості і за вартістю.

Таблиця 1.6. Порівняльні характеристики телекамер з ЕОП

Примітка. Оскільки для камер з ЕОП цифри чутливості приводяться при відношенні сигнал/шум 34 - 36 дБ, то для порівняння з ПЗЗ камерами, де чутливість приводиться при відносинах сигнал/шум 20 - 24 дБ, цифри чутливості в таблиці 2.2 слід зменшити в 5 разів.

1.7 Визначення еквівалентної схеми фотоматриці ПЗЗ

При визначенні еквівалентної схеми за основу візьмемо топологічну організацію двосекційного матричного ПЗЗ з вихідним регістром. Він містить фоточутливу секцію (секцію накопичення), секцію зберігання, вихідний регістр і вихідний пристрій (рис.1.9). Отримані результати можуть бути поширені і на інші структурні схеми матричних ПЗЗ. У матриці ПЗЗ можуть здійснюватися три операції над зарядом: накопичення (зберігання) заряду, перенесення заряду і екстракція заряду. При виконанні цих операцій корисний заряд кілька спотворюється і зашумлять. Розглянемо детальніше спотворення і перешкоди, що виникають при роботі матриці ПЗЗ з каналом провідності p-типу. Пропонований аналіз фізичних процесів аналогічно може бути поширений і на фотоматриці ПЗЗ з каналом n-типу.

Рис. 1.9 Топологічна організація матричного ПЗЗ з одним вхідним регістром

1.7.1 Накопичення (зберігання) заряду

Для реалізації цього режиму на один або два електроди секції подають негативний потенціал збіднення (ці електроди будемо називати електродами накопичення або зберігання заряду), а на інші електроди подають потенціал, близький до потенціалу підкладки, для створення бар'єрів між потенційними ямами, що виникають під електродами накопичення (зберігання). Ці електроди будемо називати бар'єрними.

При реалізації режиму в секції накопичення або зберігання створюються локалізовані потенційні ями, вертикальними бар'єрами яких є вбудовані в секції області високого легування - "стоп-канали" (див. Рис. 1.9), потенціал яких дорівнює потенціалу підкладки, горизонтальними бар'єрами є бар'єрні електроди, потенціал яких можна змінювати. Локалізовані потенційні ями можуть утримувати заряд не більше деякої величини, яка називається керуючої здатністю елемента в режимі накопичення (зберігання):

, (1.1)

де Uн - напруга на електроді накопичення;

Uб - напруга на бар'єрному електроді;

Sэл. н - площа електродів накопичення в елементі;

е_ок - діелектрична проникність окислу;

е_о - діелектрична проникність вакуума;

d_ок - товщина шару окислу;

З моменту включення режиму накопичення в потенційних ямах починає накопичуватися заряд, що викликається процесами фотогенерації і термогенерації. Число фотогенерованих носіїв прямо пропорційно рівню освітленості і часу накопичення. Процес термогенерації складніше, в нього вносять вклад кілька складових темнового струму, найбільш інтенсивними з яких є об'ємна J_о і поверхнева J_п.

(1.2)

, (1.3)

де е - заряд електрона;

n_i - концентрація носіїв у власному напівпровіднику;

у_о, у_п - перетин захвату на об'ємні і поверхневі пастки відповідно;

- теплова швидкість електронів;

х_об - ширина збідненої області;

N_t, N_ss - щільність об'ємних і поверхневих станів відповідно в середині забороненої зони;

КТ - теплова енергія електронів;

Тоді число термогенерованих носіїв буде дорівнювати:

,

де Т_н - час накопичення

Шумові складові процесів термогенерації і фотогенерації підпорядковуються закону розподілу Пуассона, тоді повне число зібраних в потенційній ямі носіїв Ni та їх середньоквадратичне значення уi будуть рівні:

;

де - кількість фотогенерованих носіїв заряду в i-ом елементі зображення,

, - середньоквадратичне значення шуму фотогенерації і термогенерації відповідно.

Якщо сумарна кількість носіїв, які надходять в потенційну яму, перевищує керуючу здатність елемента , то надлишковий заряд починає розтікатися в сусідні потенційні ями, долаючи сусідні потенційні бар'єри. Якщо потенціал бар'єрних електродів встановлений на потенціал підкладки, потенційні бар'єри стоп-каналів і бар'єрних електродів виявляться рівними, при цьому надлишковий заряд розтікається по колу (малюнок 1.8а), а площа S_п займана надлишковим зарядом, може бути визначена за формулою

, (1.4)

Е_п, Е_н - освітленість плями і освітленість насичення відповідно.

У разі рівності потенційних бар'єрів по горизонталі і вертикалі еквівалентна схема матриці ПЗЗ в режимі розтікання заряду при накопиченні або зберіганні може бути побудована з використанням ключових і логічних схем (рис 1.10б).

При переповненні n-й потенційної ями, роль якої виконує конденсатор С_п напруга на ньому перевищить порогове (U_п). При цьому граничний пристрій Пуп відключить ланцюг заряду від конденсатора і підключить його до двох сусідніх. При заповненні цих конденсаторів вони відключаються від ланцюга заряду і підключаються сусідні з ними і так далі. Зазначена модель легко узагальнюється на двовимірний випадок, відповідний розтіканню по колу.

1.7.2 Перенесення заряду

Характеристики масиву пов'язаних електродів в режимі переносу заряду відрізняються від режиму накопичення (зберігання). У першу чергу зменшується керуюча здатність елемента, оскільки для забезпечення достатньої ефективності переносу заряду потрібно знижувати бар'єрні напруги так, щоб під усіма електродами існувала збіднена область, крім того через відмінності площ фазних електродів, розташованих в різних шарах керуюча здатність при перенесенні визначається площею найбільш вузької, як привило, третьої фази. Тому керуюча здатність при перенесенні, як правило, в 1.5-3 рази менше, ніж при накопиченні під одним або двома фазами відповідно.

При перенесенні заряду виникають специфічні лінійні спотворення, зумовлені неефективністю переносу заряду в ПЗЗ через захоплення переміщається заряду на пастки. При цьому зменшення амплітуди синусоїдального просторового сигналу, спроектованого в області осередків, віддалених від вихідного пристрою на М осередків по горизонталі, виражається формулою:

(1.5)

де - неефективність перенесення зарядового пакету;

- гранична просторова частота, сприйнята набором дискретних елементів без спотворень, і рівна половині частоти вибірки;

N - число переносів, рівне добутку числа фаз регістра Р на число клітинок М.

Рис. 1.10 Ілюстрація розтікання надлишкового заряду в матриці ПЗЗ - а) і одновимірна еквівалентна схема ПЗЗ в режимі розтікання заряду - б);

ПУ - порогові пристрої;

И - логічний елемент ”И”;

Iф, Iт - струми фотогенерації і термогенерації;

К, К' - ключі;

n - номер елемента;

Спотворення за рахунок неефективності перенесення по вертикалі виявляються аналогічно спотворенням горизонтального переносу, а разом вони призводять до завалу верхніх частот відеосигналів по рядку і кадру. Крім спотворень сигналу в процесі переносу заряду виникають шуми через випадкового характеру захоплення і звільнення пастками носіїв заряду. Шум перенесення залежить від величини зарядового пакету і для поверхневого каналу:

, (1.6)

де - площа, займана під електродом перенесеним зарядом;

N - число переносів.

Для типових матриць з щільністю поверхневих станів неефективність перенесення становить 10^-5.

1.7.3 Екстракція заряду

Ця операція означає перетворення "заряд-напруга". При екстракції заряду в процесі зчитування в сигнал вносяться шуми установки потенціалу плаваючою дифузійної області:

(1.7)

де - ємність вимірювальної ями вихідного пристрою.

У вихідному пристрої матриці в сигнал вносяться також шуми вихідного транзистора:

(1.8)

де - еквівалентна шумова напруга транзистора;

- шумовая смуга відсилювача.

Керуюча здатність вихідного вузла, як правило, у кілька разів більше керуючих здібностей електродів секцій і регістрів, а лінійні і нелінійні спотворення значно менше спотворень, обумовлених неефективністю перенесення, тому при побудові еквівалентної схеми ними можна знехтувати.

Слід зазначити, що в перших фотоматрицях ПЗЗ використовувалася інжекція заряду в якості додаткової операції, що означає перетворення "напруга-заряд". Вираз для шуму при інжекції заряду таке ж як при екстракції (1.7), тільки в якості параметра ємності слід підставити величину ємності затвора вхідного пристрою матриці ПЗЗ.

Враховуючи наведені вище характеристики та особливості матриці ПЗЗ, можна побудувати повну еквівалентну схему (Рис. 1.11) для лінійного режиму. Однак ця схема, що враховує при роботі матриці ПЗЗ всі перераховані вище перешкоди і спотворення, занадто складна для теоретичних досліджень.

Для спрощення схеми шуми ПЗЗ можна звести до двох еквівалентних складових: залежною і незалежною від величини зарядового пакета. При цьому перша складова практично повністю визначається фотонним шумом фону, а друга являє еквівалентний шум фонового заряду. Для зменшення площі розтікання заряду необхідно, щоб обмеження заряду відбувалося при накопиченні. У цьому випадку надмірний заряд буде розтікатися по колу (див. Рис. 1.10а).

Зазначимо, що світлове перевантаження не призводить до появи у фотоприймачі необоротних дефектів (пропалів), а чутливість ПЗЗ відновлюється після її закінчення протягом стандартного полукадра (20мс) і незалежно від тривалості експонування.

Рис. 1.11 Еквівалентна схема фотоматриці ПЗЗ з перенесенням кадру

Рис. 1.12 Спрощена еквівалентна схема фотоматриці ПЗЗ з перенесенням кадру - а), залежність вихідного заряду від вхідного - б)

Тоді спрощена еквівалентна схема матриці ПЗЗ з перенесенням кадру має вигляд, показаний на рисунку 1.12а. Відповідна схемі світло-сигнальна ха-рактерістіка приведена на рисунку 1.12б.

З неї видно, що динамічний діапазон матриці ПЗЗ можна розділити на три ділянки. На першій ділянці чутливість лімітується постійним шумом зчитування ПЗЗ, при цьому фотонним шумом можна знехтувати, а відношення сигнал / шум зростає пропорційно величині сигналу. На другій ділянці чутливість обмежує в основному фотонний шум, при цьому відношення сигнал / шум пропорційно квадратному кореню з величини сигналу. Третя ділянка - насичення ПЗЗ, при якому відбувається розтікання заряду в сусідні потенційні ями. Отримана еквівалентна схема матриці ПЗЗ з переносом заряду (див. Рис. 1.12а) досить проста і може бути використана в теоретичних дослідженнях.

Висновки:

1. Параметри камер на ПЗЗ можна покращити застосовуючи режим адаптивним накопиченням сигналу, режим сумування зарядового зображення за площею безпосередньо в матриці ПЗЗ. Причому такі камери здатні конкурувати з камерами на ЕОП забезпечуючи високу чутливість в нічних умовах і надійність при розумній ціні, однак найбільш перспективним методом підвищення чутливості є робота з режимом регульованої тривалості накопичення (по кадрам).

2. Слабке свічення транзисторів вихідного пристрою матриці ПЗЗ обмежує чутливість кращих телевізійних камер з нічними режимами. Найближчими роками можна чекати подальшого зростання чутливості ПЗЗ камер за рахунок зниження шуму зчитування вихідних пристроїв і збільшення коефіцієнта сумування зображення в камерах з електронним збільшенням чутливості.

3. Динамічний діапазон ПЗЗ матриць досить низький. Для досягнення діапазону більшого, ніж динамічний діапазон датчика сигналу необхідна побудова системи автоматичного регулювання або адаптації. Це можливо за рахунок використання поряд з матрицею додаткових пристроїв обробки зображення, а також використовуючи можливості самої матриці.

4. Динамічний діапазон вдається також розширити використовуючи об'єктиви з автоматичним регулюванням діафрагми. Проте це негативно впливає на роздільну здатність системи. Тому для її підвищення використовуються різноманітні коректори чіткості.

5. Існує спрощена еквівалентна схема матриці ПЗЗ з переносом заряду, (див. Рис. 1.10а) яка є досить простою і може бути використана в теоретичних дослідженнях.

2. Розробка телевізійної камери з накопиченням зображення

Телевізійна камера - це пристрій, що перетворює світловий потік, відбитий від об'єкту, у електричні сигнали, використовуючи при цьому фізичні та хімічні властивості фоточутливих матеріалів.

Будь-яка камера даного типу складається з таких основних компонентів:

· Датчик зображення (ПЗЗ - матриця);

· Пристрій синхронізації (команди надходять з комп'ютера через драйвер)

· Пристрій керування (команди надходять з комп'ютера через драйвер)

· Спеціалізована інтегральна схема для оцифровування сигналу з ПЗЗ (CCD image digitizer)

· Програмована логічна інтегральна схема (ПЛІС)

· Оперативна пам'ять

· Контролер

· ЦАП

Повний відеосигнал складається з сигналу зображення (відео), сигналу гасіння та сигналу синхронізації. Сигнал зображення - це частина повного відеосигналу, що несе в собі інформацію про зображення. Сигнал синхронізації - сигнал, що подається на камери та заставляє їх генерувати зображення синхронно. Всі компоненти телевізійної системи повинні перемикатися від кадру до кадру одночасно для виключення зривів зображення. Це найбільш важливо при великій кількості камер в системі. Синхронізація може бути як внутрішня (від вбудованого в камеру кварцового генератора), так і зовнішня. В свою чергу, камеру з зовнішньою синхронізацією можна синхронізувати:

· Від мережі живлення;

· Від синхрогенератора;

· Від іншої телевізійної камери;

2.1 Вибір елементної бази ПЗЗ - камери та розробка структурної схеми

Компоненти відеокамери будемо вибирати, виходячи з наступних міркувань:

· Висока якість та надійність компонентів;

· Відносна дешевизна компонентів;

· Простота реалізації;

· Мінімізація загальної площі відеокамери.

У якості сенсора зображення оберемо ПЗЗ - матрицю ICX429ALL фірми Sony, тим самим вирішуючи питання якості та надійності, так як фірма Sony є одним із світових лідерів у виробництві компонентів відеотехніки, зокрема ПЗЗ - сенсорів.

ПЗЗ - матриця ICX429ALL використовується в монохромних камерах та має наступні особливості:

· діагональ світлочутливої площі матриці - 8мм ( дюйма);

· малий рівень змазування зображення;

· висока роздільна здатність та малий темновий струм;

· кількість ефективних пікселів - 752Ч582;

· телевізійний стандарт - CCIR (625 рядків.25 кадрів);

· розмір пікселя ПЗЗ - 8,6мкмЧ8,3мкм;

Як видно з рис.2.1 перетворювач сигналу зображення на ПЗЗ складається з фотодіодів, вертикальних регістрів зсуву та горизонтального зсувного регістру.

Рис.2.1 Внутрішня структурна схема ПЗЗ

Компоненти перетворювача функціонують наступним чином:

· Фотодіод - перетворює світло, що надходить, в заряд постійно освітленості фотодіоду (перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну);

· Вертикальний зсув регістр (VR) - накопичує заряди, що надходять з фотодіоду та просуває їх у вертикальному напрямку до горизонтального зсувного регістру ПЗЗ;

· Горизонтальний зсувний регістр (HR) - просуває заряди в горизонтальному напрямку до вхідного підсилювача.

Обрана матриця має характеристика відносної спектральної чутливості матриці ICX-429ALL зображена на рис.2.2

Рис.2.2 Відносна спектральна чутливість матриці ICX-429ALL

Таблиця 2.1 Призначення виводів ICX429ALL

№ виводу	Символ	Опис	№ виводу	Символ	Опис
1	V4	Синхроімпульс передачі VR	9	Vdd	Живлення
2	V3	Синхроімпульс передачі VR	10	GND
3	V2	Синхроімпульс передачі VR	11	Sub	Синхроімпульс
4	V1	Синхроімпульс передачі VR	12	V1
5	GND		13	RG	Імпульс збросу затвору
6	NC		14	NC
7	NC		15	H1	Синхроімпульс передачі HR
8	Vout	Вихідний сигнал	16	H2	Синхроімпульс передачі HR

Для коректної роботи ПЗЗ - сенсора необхідно, щоб зчитування з регістрів ПЗЗ відбувалось синхронно з сигналом зчитування. Ці функції на себе бере пристрій комутації ПЗЗ. У якості цього пристрою оберемо CXD1267AN - формувач гасильних імпульсів полів. Дана мікросхема виконує функції буферизації та змішування. ЇЇ внутрішня структура приводиться на рис.2.3.

Задавальні синхроімпульси на схему комутації ПЗЗ повинні надходити з синхрогенератору, функції якого бере на себе ПЛІС XC2S100-TQ144. Ця мікросхема формує синхроімпульси горизонтального регістру ПЗЗ - матриці, синхроімпульси вертикального регістру, що через схему CXD1267AN синхронізують роботу горизонтального регістру ПЗЗ - матриці. Також формує тактові імпульси для узгоджуваної роботи окремих компонентів відеокамери.

Рис.2.3 Внутрішня структура формувача гасильних імпульсів полів

Таблиця 2.2 Опис виводів

№ виводів	Символ	І/О	Опис
1	CPP3	O	Навантажувальний вивід
2	VH	--	Живлення (15V)
3	DCIN	I	Вхід підсилювача
4	XSHT	I	Контроль виводу XSHT
5	XV2	I	Контроль виводу V2
6	XV1	I	Контроль виводу V1
7	XSG1	I	Контроль виводу V1
8	XV3	I	Контроль виводу V3
9	XSG2	I	Контроль виводу V3
10	XV4	I	Контроль виводу V4
11	V4	O	Вивід високої напруги (2 рівні: VL, VM)
12	V3	O	Вивід високої напруги (3 рівні: VH,VL, VM)
13	VM	--	GND
14	V1	O	Вивід високої напруги (3 рівні: VH,VL, VM)
15	V2	O	Вивід високої напруги (2 рівні: VM та VL)
16	VL	--	Живлення (-8,5V)
17	VSHT	O	Вивід високої напруги (2 рівні: VH та VL)
18	DCOUT	O	Вихів підсилювача

Страница:

•  1 
•  2 

дипломная работа "Високочутлива телевізійна камера" скачать

Подобные документы

• Засоби контролю і діагностики електронної побутової апаратури

  Класифікація апаратури контролю і діагностики. Принцип дії і роботи електронних датчиків як первинного ланцюга автоматичної системи контролю. Датчики контролю чутливості приймальних пристроїв, комутаційні пристрої. Апаратура контролю і діагностики ЕПА.
  
  курсовая работа [114,4 K], добавлен 15.05.2011
  

• Устройство сбора данных: web-камера

  Устройство и принцип работы web-камеры, современные промышленные образцы. Аналого-цифровое преобразование и передача изображения. Организация охранно-пожарной сигнализации с применением IP видеокамеры. Разработка схемы web-камеры на основе ATMega32.
  
  курсовая работа [2,7 M], добавлен 21.01.2013
  

• Устройство веб-камеры

  Цифровая веб-камера как сетевое устройство и его основные составляющие: видеокамера (ПЗС-матрица), процессор компрессии и встроенный веб-сервер. Устройство и принцип работы веб-камеры, ее подключение и установка, программное обеспечение и функции.
  
  реферат [140,5 K], добавлен 28.04.2010
  

• Системы видеонаблюдения

  Функции и возможности наблюдения. Аналоговые и цифровые системы. Разнообразие камер видеонаблюдения. Выбор активного оборудования и источника бесперебойного питания. Расчет длины и прокладка кабеля. Размещение камер на объекте. Схема организации связи.
  
  дипломная работа [8,0 M], добавлен 03.05.2018
  

• Оптичні приймальні пристрої

  Функції оптичного приймального пристрою - світлова демодуляція, або перетворення зорових імпульсів в електричні сигнали з їх подальшим підсиленням та обробкою. Визначення квантової межі чутливості. Розрахунок шумів попередніх каскадів підсилювачів.
  
  реферат [176,6 K], добавлен 08.01.2011
  

• Антени військових радіостанцій

  Антени – це пристрої для випромінювання і прийому електромагнітних хвиль. Антени військових радіозасобів. Залежність мінімально необхідної потужності сигналу від чутливості приймача. Зменшення рівня перешкод на вході. Основні характеристики антен.
  
  учебное пособие [1,0 M], добавлен 01.02.2009
  

• Web-камеры

  Подключение и установка Web-камеры. Устройство и принцип работы, возможности и функции. Подключение Web-камеры к сети. Управляющее программное обеспечение: эксклюзивные программы для Web-камер. Разработка программы на языке программирования Basic.
  
  контрольная работа [206,0 K], добавлен 12.10.2009
  

• Цифровые камеры

  Понятие и виды цифровых камер, отличительные особенности устройства: фотосенсор и объектив. Параметры цифрового фотоаппарата: количество пикселей матрицы. Достоинства цифровой фотографии по сравнению с пленочной. Форматы файлов и носители данных.
  
  презентация [7,3 M], добавлен 12.05.2011
  

• Система видеонаблюдения

  Основные технические параметры камер видеонаблюдения. Структурная схема цифровой видеокамеры. Прокладка электропроводок в винипластовых трубах, герметизация места соединения раструба с трубой. Охрана труда и безопасность при работе с электроустановками.
  
  курсовая работа [356,3 K], добавлен 13.06.2015
  

• Цифровые камеры

  История изобретения и развития фотоаппарата. Исследование основных функций, достоинств и недостатков встроенных, компактных и зеркальных цифровых камер. Обзор способов записи изображений на цифровой носитель. Характеристика процесса выбора режима съемки.
  
  презентация [5,2 M], добавлен 18.10.2015
  

Другие документы, подобные "Високочутлива телевізійна камера"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам