Кіріспе

Бұл курстық жұмыста мен зарядты байланыстыратын құрылғылар, параметрлері, жасалу тарихы, қазіргі заманғы орта инфрақызыл CCD камераларының сипаттамалары туралы жалпы ақпаратты қарастырамын.

Орындау нәтижесінде курстық жұмысқұру, жұмыс істеу принципі бойынша әдебиеттерді зерттеді, техникалық шарттаржәне орта IR CCD камераларын пайдалану.

CCD. ПЗС физикалық принципі. CCD

Зарядпен байланысқан құрылғы (CCD) - бұл металл электродтардың жолақтары іргелес арасындағы қашықтық сызықтық немесе матрицалық регулярлы жүйені құрайтын етіп жалпы жартылай өткізгіш субстратта құрылған қарапайым MIS құрылымдарының (металл-диэлектрлік-жартылай өткізгіш) сериясы. электродтар жеткілікті кішкентай (Cурет 1). Бұл жағдай құрылғының жұмысында анықтаушы фактор көрші MIS құрылымдарының өзара әсер ету фактісін анықтайды.

1-сурет - ПЗС құрылымы

Фотосезімтал ПЗС-тердің негізгі функционалдық мақсаттары оптикалық кескіндерді электрлік импульстардың тізбегіне түрлендіру (бейне сигналды қалыптастыру), сондай-ақ цифрлық және аналогтық ақпаратты сақтау және өңдеу болып табылады.

ПЗС монокристалды кремний негізінде жасалады. Ол үшін кремний пластинкасының бетінде термиялық тотығу арқылы кремний диоксидінің жұқа (0,1-0,15 мкм) диэлектрлік қабықшасы жасалады. Бұл процесс жартылай өткізгіш-диэлектрлік интерфейстің жетілдірілуін қамтамасыз ететін және интерфейстегі рекомбинация орталықтарының концентрациясын барынша азайтатындай етіп жүзеге асырылады. Жеке MIS-элементтердің электродтары алюминийден жасалған, олардың ұзындығы 3-7 мкм, электродтар арасындағы саңылау 0,2-3 мкм. MIS элементтерінің әдеттегі саны сызықтық және матрицалық ПЗС-да 500-2000; пластинаның ауданы Әрбір қатардың экстремалды электродтары астында p- n - зарядтардың (заряд пакеттерінің) электрлік кіріс-шығыс бөліктерін шығаруға арналған өткелдер жасалады. әдісі (p-n-өткізу инъекциясы). Фотоэлектрлік зарядтау бумалары салынған кезде, CCD алдыңғы немесе артқы жағынан жарықтандырылады. Фронтальды жарықтандыруда электродтардың көлеңкелі әсерін болдырмау үшін алюминий әдетте көрінетін және ИК-ке жақын спектрлік аймақтарда мөлдір болатын қатты легирленген поликристалды кремний (полисилиций) пленкаларымен ауыстырылады.

ПЗС жұмыс істеу принципі

ПЗС жұмысының жалпы принципі келесідей. Егер кез келген металл ПЗС электродына теріс кернеу қолданылса, онда пайда болған электр өрісінің әсерінен субстратта негізгі тасымалдаушылар болып табылатын электрондар жартылай өткізгішке тереңдікте бетінен алыстайды. Жер бетінде энергетикалық диаграммада азшылық тасымалдаушылар үшін әлеуетті ұңғыма - саңылаулар болып табылатын таусылған аймақ қалыптасады. Бұл аймаққа қандай да бір жолмен енетін саңылаулар диэлектрик-жартылай өткізгіш интерфейсіне тартылады және бетке жақын тар қабатта локализацияланады.

Егер енді іргелес электродқа үлкен амплитудалы теріс кернеу қолданылса, тереңірек потенциалды ұңғыма пайда болады және оған тесіктер өтеді. Әртүрлі ПЗС электродтарына қажетті басқару кернеулерін қолдану арқылы зарядтардың жер бетіне жақын аймақтарында сақталуын да, зарядтардың бет бойымен (құрылымнан құрылымға) бағытталған қозғалысын да қамтамасыз етуге болады. Зарядтау пакетін (жазбаны) енгізу, мысалы, экстремалды CCD элементінің жанында орналасқан p-n өтуі арқылы немесе жарық генерациясымен жүзеге асырылуы мүмкін. Жүйеден зарядты алып тастау (оқу) p-n өткелінің көмегімен жүзеге асырылатын ең оңай. Осылайша, CCD - бұл құрылғы сыртқы ақпарат(электрлік немесе жарық сигналдары) жер бетіне жақын аймақтарда белгілі бір түрде орналастырылған жылжымалы тасымалдаушылардың заряд пакеттеріне түрленеді және ақпаратты өңдеу осы пакеттердің жер беті бойымен басқарылатын қозғалысы арқылы жүзеге асырылады. ПЗС негізінде цифрлық және аналогтық жүйелерді құруға болатыны анық. Цифрлық жүйелер үшін белгілі бір CCD элементінде саңылаулардың зарядының болуы немесе болмауы ғана маңызды; аналогты өңдеуде олар қозғалатын зарядтардың шамаларымен айналысады.

Егер кескінді тасымалдайтын жарық ағыны көп элементті немесе матрицалық ПЗС-ге бағытталса, онда жартылай өткізгіштің негізгі бөлігінде электронды-тесік жұптарының фотогенерациясы басталады. ПЗС сарқылу аймағына кіре отырып, тасымалдаушылар бөлінеді және әлеуетті ұңғымаларда тесіктер жиналады (сонымен қатар жинақталған заряд жергілікті жарықтандыруға пропорционалды). Біраз уақыттан кейін (бірнеше миллисекунд ретімен) кескінді қабылдау үшін жеткілікті, CCD массиві жарықтың таралуына сәйкес келетін заряд пакеттерінің үлгісін сақтайды. Сағат импульстері қосылған кезде зарядтау пакеттері оларды электрлік сигналдарға түрлендіретін шығыс оқырманға ауысады. Нәтижесінде шығыс әртүрлі амплитудалары бар импульстар тізбегі, бейне сигнал беретін конверт болады.

Үш циклды (үш фазалы) схемамен басқарылатын FPCD желісінің фрагменті мысалында ПЗС жұмыс істеу принципі 2-суретте көрсетілген. I цикл кезінде (бейне ақпаратты қабылдау, жинақтау және сақтау) , деп аталатын. сақтау кернеуі Uxp, ол негізгі тасымалдаушыларды итереді - p-типті кремний жағдайындағы саңылаулар - жартылай өткізгішке тереңдікте және 0,5-2 мкм тереңдікте таусылған қабаттарды қалыптастырады - электрондар үшін потенциалды ұңғымалар. FPCD бетін жарықтандыру кремний көлемінде артық электрон-тесік жұптарын тудырады, бұл кезде электрондар 1, 4, 7 электродтары астында бетке жақын жұқа (0,01 мкм) қабатта локализацияланған потенциалды ұңғымаларға тартылып, сигнал зарядының пакеттерін қалыптастырады.

инфрақызыл байланыс камерасын зарядтау

2-сурет – заряд қосылымы – ауысым регистрі бар үш фазалы құрылғының жұмыс схемасы

Әрбір пакеттегі заряд мөлшері берілген электродтың жанындағы беттің экспозициясына пропорционал. Жақсы қалыптасқан MIS құрылымдарында электродтардың жанында пайда болған зарядтар салыстырмалы түрде ұзақ уақыт сақталуы мүмкін, бірақ бірте-бірте қоспалар орталықтары арқылы заряд тасымалдаушылардың пайда болуына, массадағы немесе интерфейстегі ақауларға байланысты бұл зарядтар жинақталады. әлеуетті ұңғымалар сигналдық зарядтардан асып кеткенше және тіпті ұңғымаларды толығымен толтырғанша.

ІІ цикл (заряд беру) кезінде электродтар 2, 5, 8 және т.б. оқу кернеуі сақтау кернеуінен жоғарырақ қолданылады. Сондықтан 2, 5 және 8 электродтардың астында тереңірек потенциалдар пайда болады. ұңғымалар 1, 4 және 7 электрондардың астына қарағанда және 1 және 2, 4 және 5, 7 және 8 электродтардың жақын орналасуына байланысты олардың арасындағы кедергілер жойылып, электрондар көрші, тереңірек потенциалды ұңғымаларға түседі.

III цикл кезінде 2, 5, 8 электродтарындағы кернеу 1, 4, 7 электродтарға дейін төмендейді және олардан алынады.

Бұл. барлық заряд пакеттері ПЗС сызығы бойымен оңға қарай көрші электродтар арасындағы қашықтыққа тең бір қадамға ауыстырылады.

Барлық жұмыс уақытында потенциалдарға тікелей қосылмаған электродтарда шағын ығысу кернеуі (1–3 В) сақталады, бұл жартылай өткізгіштің бүкіл бетінде заряд тасымалдаушылардың таусылуын және оған рекомбинациялық әсерлердің әлсіреуін қамтамасыз етеді.

Кернеуді ауыстыру процесін бірнеше рет қайталау арқылы барлық заряд пакеттері экстремалды r-h-өткізу арқылы дәйекті түрде шығарылады, мысалы, желідегі жарықпен қозғалады. Бұл жағдайда шығыс тізбегінде кернеу импульстері осы пакеттің зарядының мөлшеріне пропорционалды пайда болады. Жарықтандыру үлгісі беттік заряд рельефіне айналады, ол бүкіл сызық бойымен қозғалғаннан кейін электрлік импульстар тізбегіне айналады. Қатардағы немесе матрицадағы элементтердің саны неғұрлым көп болса (1 саны - IR қабылдағыштар; 2 - буферлік элементтер; 3 - ПЗС, заряд пакетінің бір электродтан көршісіне толық емес тасымалдануы орын алады және нәтижесінде ақпараттың бұрмалануы күшейеді. Жарықтандыруды беру кезінде жалғасып жатқан жинақталған бейне сигналдың бұрмалануын болдырмау үшін FCCD кристалында қабылдаудың кеңістікте бөлінген аймақтары - жинақтау және сақтау - оқу жасалады, ал біріншісінде олар максималды фотосезімталдықты қамтамасыз етеді, ал екіншісінде керісінше, жарықтан қорғайды.Бір циклде 1 регистр 2 (жұп элементтерден) және 3 регистрге (тақ элементтерден) ауыстырылады. Бұл регистрлер 4-шығыс арқылы сигналды біріктіретін 5-ші контурға жіберілсе, жаңа бейне кадр 1-жолда жинақталады. Фреймді тасымалдауы бар FPCD-де (3-сурет) жинақтау матрицасы 7 қабылдайтын ақпарат 2 сақтау матрицасына тез «тастайды», оның мұрагері бірақ CCD регистрі 3 арқылы оқылады; бұл ретте 1-матрица жаңа кадрды жинақтайды.

3-сурет – зарядты ілінісуі бар сызықтық (а), матрицалық (б) фотосезімтал құрылғыда және зарядты бүрку бар құрылғыда ақпаратты жинақтау және оқу.

Қарапайым құрылымды ПЗС-дан басқа (1-сурет), олардың басқа сорттары, атап айтқанда, жартылай өткізгіштің бүкіл бетіне белсенді фотоәсерді және олардың арасындағы шағын алшақтықты қамтамасыз ететін полисилиций қабаттасатын электродтары бар құрылғылар (4-сурет) кең таралған. электродтар және беткейге жақын қасиеттерінің асимметриясы бар құрылғылар (мысалы, айнымалы қалыңдықтағы диэлектрлік қабаты бар - 4-сурет), итермелеу режимінде жұмыс істейді. Қоспалардың диффузиясы нәтижесінде пайда болған көлемдік арнасы бар ПЗС құрылымы (4-сурет) түбегейлі ерекшеленеді. Жинақтау, жинақтау және зарядтың тасымалдануы жартылай өткізгіштің негізгі бөлігінде орын алады, мұнда беткі қабатқа қарағанда орталықтардың рекомбинациясы аз және тасымалдаушының қозғалғыштығы жоғары. Мұның салдары беткі арнасы бар ПЗС-ның барлық түрлерімен салыстырғанда мәннің жоғарылау тәртібі және төмендеуі болып табылады.

4-сурет - Беттік және көлемді арналары бар зарядты біріктірілген құрылғылардың сорттары.

Түсті бейнелерді қабылдау үшін екі әдістің бірі қолданылады: оптикалық ағынды призма арқылы қызыл, жасыл, көк түстерге бөлу, олардың әрқайсысын арнайы FPCD – кристалмен қабылдау, барлық үш кристалдан импульстарды бір бейнеге араластыру. сигнал; көп түсті триадалардың растрын құрайтын FPCD бетінде пленкалы сызықша немесе мозаикалық кодтаушы жарық сүзгісін жасау.

Сатушылар қазір бейнебақылау үшін камералардың үлкен таңдауын ұсынады. Модельдер барлық камераларға ортақ параметрлерде ғана емес - фокустық қашықтық, көру бұрышы, жарық сезімталдығы және т.б. - сонымен қатар әр өндіруші өз құрылғыларын жабдықтауға тырысатын әртүрлі фирмалық «чиптермен» ерекшеленеді.

Сондықтан, жиі қысқаша сипаттамасыБейнебақылау камерасының сипаттамалары түсініксіз терминдердің қорқынышты тізімі болып табылады, мысалы: 1/2,8 дюймдік 2,4 МП CMOS, 25/30 кадр/сек, OSD мәзірі, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, Smart IR, IP67, 0,05 Люксжәне бұл бәрі емес.

Алдыңғы мақалада біз бейне стандарттары мен оларға байланысты камера классификацияларына тоқталған болатынбыз. Бүгін біз бейнебақылау камераларының негізгі сипаттамаларын талдаймыз және бейне сигнал сапасын жақсарту үшін қолданылатын арнайы технологиялардың белгілерін ашамыз:

1. Фокус ұзындығы және көру бұрышы
2. Диафрагма (F-саны) немесе объектив жылдамдығы
3. Иристі реттеу (автоматты ирис)
4. Электрондық ысырма (AES, ысырма жылдамдығы, ысырма жылдамдығы)
5. Сезімталдық (жарық сезімталдығы, ең аз жарықтандыру)
6. Қорғаныс кластары IK (вандалға қарсы, вандалдыққа қарсы) және IP (ылғал мен шаңнан)

Сенсор түрі (CCD CCD, CMOS CMOS)

Бейнебақылау камерасының матрицаларының 2 түрі бар: CCD (орыс тілінде - CCD) және CMOS (орыс тілінде - CMOS). Олар құрылғыда да, жұмыс принципінде де ерекшеленеді.

Ұзақ уақыт бойы CCD матрицасы CMOS-қа қарағанда әлдеқайда жақсы кескін сапасын береді деп есептелді. Дегенмен, қазіргі заманғы CMOS матрицалары көбінесе ПЗС-дан кем түспейді, әсіресе бейнебақылау жүйесіне тым жоғары талаптар болмаса.

Матрица өлшемі

Матрицаның өлшемін дюйммен диагональ бойынша көрсетеді және бөлшек түрінде жазылады: 1/3", 1/2", 1/4", т.б.

Жалпы матрица неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жақсы: шу аз, анық сурет, үлкен көру бұрышы деген пікір бар. Дегенмен, шын мәнінде, ең жақсы сурет сапасы матрицаның өлшемімен емес, оның жеке ұяшығының немесе пикселінің өлшемімен қамтамасыз етіледі - ол неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жақсы.Сондықтан, бейнебақылау үшін камераны таңдағанда, пикселдер санымен бірге матрицаның өлшемін ескеру қажет.

Егер 1/3 "және 1/4" өлшемдері бар матрицаларда пикселдер саны бірдей болса, онда бұл жағдайда 1/3" матрица табиғи түрде ең жақсы кескінді береді. Бірақ егер онда пикселдер көбірек болса, онда сізге қажет. калькуляторды алып, пикселдің шамамен өлшемін есептеңіз.

Мысалы, төмендегі ұяшық өлшемін матрицаның есептеулерінен көптеген жағдайларда 1/4" матрицадағы пиксел өлшемі 1/3" матрицадан үлкенірек екенін көруге болады, яғни 1/4" бейне кескіні кішірек болса да, жақсырақ болады.

Фокус ұзындығы және көру бұрышы

Бұл параметрлер бейнебақылау камерасын таңдауда үлкен маңызға ие және олар бір-бірімен тығыз байланысты. Шын мәнінде, линзаның фокустық қашықтығы (көбінесе f деп аталады) линза мен сенсор арасындағы қашықтық болып табылады.

Іс жүзінде фокус қашықтығы камераның бұрышы мен диапазонын анықтайды:

• фокус аралығы неғұрлым аз болса, көру бұрышы соғұрлым кеңірек және алыс орналасқан объектілерде детальдарды азырақ көруге болады;
• фокус қашықтығы неғұрлым ұзағырақ болса, бейнекамераның көру бұрышы неғұрлым тар және алыстағы заттардың кескіні неғұрлым егжей-тегжейлі болады.

Егер сізге қандай да бір аймақтың жалпы көрінісі қажет болса және ол үшін мүмкіндігінше аз камераны пайдаланғыңыз келсе, қысқа фокустық қашықтығы бар және сәйкесінше кең көру бұрышы бар камераны сатып алыңыз.

Бірақ салыстырмалы түрде кішігірім аумақты егжей-тегжейлі бақылау қажет аймақтарда фокустық қашықтығы жоғары камераны бақылау объектісіне бағыттаған дұрыс. Бұл көбінесе супермаркеттер мен банктердің кассаларында қолданылады, онда банкноттардың номиналы мен есеп айырысулардың басқа да реквизиттерін көру қажет, сондай-ақ автотұрақтардың кіреберісінде және көлік нөмірін басқа жерлерден ажырату қажет. ұзақ қашықтық.

Ең көп таралған фокустық арақашықтық 3,6 мм. Ол шамамен адам көзінің көру бұрышына сәйкес келеді. Мұндай фокустық қашықтығы бар камералар шағын бөлмелерде бейнебақылау үшін қолданылады.

Төмендегі кестеде ең көп таралған трюктар үшін фокустық қашықтық, көру бұрышы, тану қашықтығы және т.б. ақпарат пен қатынастар бар. Сандар шамамен алынған, өйткені олар фокустық қашықтыққа ғана емес, сонымен қатар камераның оптикасының басқа параметрлеріне де байланысты.

Көру бұрышының еніне байланысты бейнебақылау камералары әдетте келесіге бөлінеді:

• шартты (көру бұрышы 30°-70°);
• кең бұрыш (қарау бұрышы шамамен 70 °);
• телефото (көру бұрышы 30°-тан аз).

Әдетте бас әріппен жазылатын F әрпі линзаның апертура қатынасын да білдіреді - сондықтан сипаттамаларды оқығанда, параметр қолданылатын контекстке назар аударыңыз.

Линзаның түрі

Тұрақты (монофокальды) линза- ең қарапайым және арзан. Фокус қашықтығы оған бекітілген және оны өзгерту мүмкін емес.

В варифокальды (варифокальды) линзаларфокус ұзындығын өзгертуге болады. Оны реттеу қолмен орындалады, әдетте камера түсіру орнына орнатылған кезде бір рет, ал кейінірек - қажет болған жағдайда.

Транс фактор немесе масштабты линзаларсонымен қатар кез келген уақытта фокустық қашықтықты өзгерту мүмкіндігін қамтамасыз етеді, бірақ қашықтан. Фокустық аралықты өзгерту электр жетегі арқылы жүзеге асырылады, сондықтан оларды моторлы линзалар деп те атайды.

«Балық көзі» (балық көзі, балық көзі)немесе панорамалық линза бір камераны орнатуға және 360° көрініске қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Әрине, нәтижесінде алынған кескінде «көпіршік» әсері бар - түзу сызықтар қисық, бірақ көп жағдайда мұндай объективтері бар камералар бір жалпы панорамалық кескінді бірнеше бөлекке бөлуге мүмкіндік береді, олар таныс қабылдау үшін түзетіледі. адам көзіне.

Шұңқырлы линзаларминиатюралық өлшеміне байланысты жасырын бейнебақылау жүргізуге мүмкіндік береді. Шын мәнінде, түйреуіш камерасында объектив жоқ, оның орнына тек миниатюралық тесік бар. Украинада жасырын бейнебақылауды қолдану, оған арналған құрылғыларды сату айтарлықтай шектелген.

Бұл линзалардың ең көп таралған түрлері. Бірақ егер сіз тереңірек кірсеңіз, линзалар басқа параметрлерге сәйкес бөлінеді:

Диафрагма (F-саны) немесе объектив жылдамдығы

Камераның жарық аз жағдайда жоғары сапалы кескіндерді түсіру мүмкіндігін анықтайды. F-саны неғұрлым үлкен болса, соғұрлым апертура азырақ ашылады және камераға көбірек жарық қажет. Диафрагма неғұрлым кішірек болса, соғұрлым саңылау ашылады және бейнекамера нашар жарық жағдайларында да анық кескіндер жасай алады.

f әрпі (әдетте кіші әріп) фокустық аралықты да білдіреді, сондықтан сипаттамаларды оқығанда, параметр қолданылатын контекстке назар аударыңыз. Мысалы, жоғарыдағы суретте апертура кішкентай f арқылы көрсетілген.

Объектив орнату

Бейнекамераға линзаны бекітуге арналған бекітпелердің 3 түрі бар: C, CS, M12.

• С тауы қазір сирек қолданылады. C линзаларын CS орнату камерасына арнайы сақина арқылы бекітуге болады.
• CS бекіткіші ең көп таралған түрі болып табылады. CS линзалары C камераларымен үйлесімді емес.
• M12 бекіткіші шағын линзалар үшін қолданылады.

Диафрагманы реттеу (автоматты ирис), ARD, ARD

Диафрагма матрицаға жарық ағынына жауап береді: жарық ағынының жоғарылауымен ол тарылады, осылайша суреттің жарыққа түсуіне жол бермейді, ал аз жарықта, керісінше, көбірек жарық түсетін етіп ашылады. матрица.

Камералардың екі үлкен тобы бар: бекітілген диафрагма(мұнда мүлде онсыз камералар да кіреді) және реттелетін.

Бейнебақылау камераларының әртүрлі модельдерінде диафрагманы реттеуді жүзеге асыруға болады:

• Қолмен.
• Автоматты түрдебейнекамера пайдалану тұрақты ток, сенсорға түсетін жарық мөлшеріне негізделген. Бұл иристі автоматты басқару (ADC) деп аталады DD (Direct Drive) немесе DD/DC.
• Автоматты түрделинзаға орнатылған және салыстырмалы апертура арқылы өтетін жарық ағынын бақылайтын арнайы модуль. Бейнекамералардың техникалық сипаттамаларында ARD-ның бұл әдісі деп аталады VD (бейне дискі). Бұл тікелей күн сәулесі линзаға түскенде де тиімді, бірақ онымен бірге бақылау камералары қымбатырақ.

Электрондық ысырма (AES, ысырма жылдамдығы, ысырма жылдамдығы, ысырма)

Әртүрлі өндірушілер үшін бұл параметрді автоматты электронды ысырма, ысырма жылдамдығы немесе ысырма жылдамдығы деп атауға болады, бірақ іс жүзінде бұл бірдей нәрсені білдіреді - жарық матрицаға түсетін уақыт. Ол әдетте 1/50-1/100000с түрінде көрсетіледі.

Электрондық ысырманың әрекеті иристі автоматты басқаруға біршама ұқсас - ол бөлменің жарықтандыру деңгейіне реттеу үшін матрицаның жарық сезімталдығын реттейді. Төмендегі суретте әртүрлі ысырма жылдамдықтарында төмен жарық жағдайында кескін сапасын көре аласыз (суреттегі қолмен орнату, ал AES оны автоматты түрде жасайды).

DGS-тен айырмашылығы, реттеу матрицаға түсетін жарық ағынын реттеу арқылы емес, ысырма жылдамдығын, матрицадағы электр зарядының жинақталу ұзақтығын реттеу арқылы жүзеге асырылады.

бірақ электронды ысырманың мүмкіндіктері иристі автоматты реттеуге қарағанда әлдеқайда әлсіз,сондықтан жарық деңгейі ымырттан ашық күн сәулесіне дейін өзгеретін ашық жерлерде DGS камералары бар камераларды қолданған дұрыс. Электрондық ысырмасы бар бейне камералар уақыт өте жарықтандыру деңгейі көп өзгермейтін бөлмелер үшін оңтайлы.

Электрондық ысырманың сипаттамалары әртүрлі модельдер арасында айтарлықтай ерекшеленбейді. Пайдалы мүмкіндік - ысырма жылдамдығын (ысырма жылдамдығы) қолмен реттеу мүмкіндігі, өйткені аз жарық жағдайында төмен мәндер автоматты түрде орнатылады және бұл қозғалатын нысандардың бұлыңғыр кескіндеріне әкеледі.

Sens-UP (немесе DSS)

Бұл жарықтандыру деңгейіне байланысты матрица зарядының жинақталуының функциясы, яғни жылдамдыққа зиян келтіретін оның сезімталдығын арттыру. Жоғары жылдамдықтағы оқиғаларды бақылау маңызды емес жарықтандыру жағдайында жоғары сапалы суретті түсіру үшін қажет (бақылау объектісінде жылдам қозғалатын нысандар жоқ).

Ол жоғарыда сипатталған ысырма жылдамдығымен (ысырма жылдамдығы) тығыз байланысты. Бірақ егер ысырма жылдамдығы уақыт бірліктерімен көрсетілсе, онда Sens-UP ысырма жылдамдығын арттыру коэффициентінде (xN): зарядтың жинақталу уақыты (ысырма жылдамдығы) N есе артады.

Рұқсат

Біз соңғы мақалада бейнебақылау камерасының рұқсаттары тақырыбын аздап қозғадық. Камераның ажыратымдылығы шын мәнінде алынған кескіннің өлшемі болып табылады. Ол TVL (теледидар желілері) немесе пикселдермен өлшенеді. Ажыратымдылық неғұрлым жоғары болса, бейнеде соғұрлым көбірек мәліметтерді көруге болады.

Бейнекамера ажыратымдылығы TVL- бұл суретте көлденең орналастырылған тік сызықтардың (жарықтық өтулері) саны. Ол дәлірек болып саналады, өйткені ол шығыс кескін өлшемі туралы түсінік береді. Өндірушінің құжаттамасында көрсетілген мегапиксельдегі ажыратымдылық сатып алушыны жаңылыстыруы мүмкін - бұл көбінесе соңғы кескіннің өлшеміне емес, матрицадағы пикселдер санына қатысты. Бұл жағдайда сіз «Пикселдердің тиімді саны» сияқты параметрге назар аударуыңыз керек.

Пиксельдегі ажыратымдылық- бұл суреттің көлденең және тігінен өлшемі (егер ол 1280 × 960 ретінде көрсетілсе) немесе суреттегі пикселдердің жалпы саны (егер ол 1 МП (мегапиксель), 2 МП және т.б. ретінде көрсетілсе). Шындығында, мегапиксельде рұқсат алу өте қарапайым: көлденең пикселдердің санын (1280) тік пикселдер санына (960) көбейтіп, 1 000 000-ға бөлу керек Барлығы 1280 × 960 = 1,23 МП.

TVL-ді пикселдерге және керісінше қалай түрлендіруге болады? Нақты түрлендіру формуласы жоқ. TVL-де бейне ажыратымдылығын анықтау үшін бейнекамералар үшін арнайы сынақ кестелерін пайдалану қажет. Пропорцияны шамамен көрсету үшін кестені пайдалануға болады:

Тиімді пикселдер

Жоғарыда айтқанымыздай, бейнекамералардың сипаттамаларында көрсетілген мегапиксельдегі өлшем көбінесе алынған кескіннің рұқсаты туралы нақты түсінік бермейді. Өндіруші камераның матрицасында (сенсорында) пикселдер санын көрсетеді, бірақ олардың барлығы суретті жасауға қатыспайды.

Сондықтан соңғы кескінді қанша пиксел құрайтынын көрсететін «Тиімді пикселдердің саны (саны)» параметрі енгізілді. Көбінесе, ол ерекше жағдайлар болғанымен, алынған кескіннің нақты ажыратымдылығына сәйкес келеді.

ИҚ (инфрақызыл) жарықтандыру, ИҚ

Түнде түсіруге мүмкіндік береді. Бейнебақылау камерасының матрицасының (сенсорының) мүмкіндіктері адам көзіне қарағанда әлдеқайда жоғары - мысалы, камера инфрақызыл сәулеленуді «көре алады». Бұл қасиет түнде және жарықсыз/жарығы жоқ бөлмелерде түсіру үшін қолданыла бастады. Белгілі бір минималды жарықтандыруға жеткенде, бейнекамера инфрақызыл жазу режиміне өтіп, IR (IR) сəулелендіру құралын қосады.

IR жарықдиодты шамдар камераға олардан түсетін жарық камера объективіне түспейтіндей, бірақ көру бұрышын жарықтандыратын етіп салынған.

Инфрақызыл жарықтандыру арқылы төмен жарық жағдайында түсірілген сурет әрқашан ақ-қара болады. Түнгі түсірілімді қолдайтын түсті камералар да ақ-қара режимге ауысады.

Бейнекамералардағы инфрақызыл сәулелену мәндері әдетте метрмен беріледі, яғни жарықтандыру камерадан қанша метр қашықтықта анық кескін алуға мүмкіндік береді. Ұзақ диапазонға ие ИК сәулесі ИК сәулелендіргіш деп аталады.

Smart IR, Smart IR дегеніміз не?

Smart IR (Smart IR) объектіге дейінгі қашықтыққа байланысты инфрақызыл сәулеленудің қуатын арттыруға немесе азайтуға мүмкіндік береді. Бұл бейнеде камераға жақын орналасқан нысандар шамадан тыс экспозицияланбауы үшін жасалады.

IR сүзгісі (ICR), күндізгі/түнгі режим

Түнде түсіру үшін инфрақызыл жарықтандыруды пайдаланудың бір ерекшелігі бар: мұндай камералардың матрицасы инфрақызыл диапазонға жоғары сезімталдықпен жасалады. Бұл күндізгі суретке түсіру мәселесін тудырады, өйткені күндізгі уақытта матрица инфрақызыл спектрді тіркейді, бұл алынған кескіннің қалыпты түсін бұзады.

Сондықтан мұндай камералар екі режимде - күндіз және түнде жұмыс істейді. Күндізгі уақытта сенсор инфрақызыл сәулеленуді өшіретін механикалық инфрақызыл сүзгімен (ICR) жабылады. Түнде сүзгі ауыстырылады, бұл ИК спектрінің сәулелерінің матрицаға еркін түсуіне мүмкіндік береді.

Кейде күндізгі/түнгі режимді ауыстыру бағдарламалық құралда жүзеге асырылады, бірақ бұл шешім сапасы төмен кескіндерді шығарады.

ICR сүзгісін инфрақызыл жарықтандырусыз камераларға да орнатуға болады - күндізгі уақытта инфрақызыл спектрді өшіру және бейненің түс беруін жақсарту үшін.

Егер камерада IGR сүзгісі болмаса, себебі ол бастапқыда түнде түсіру үшін жасалмаған болса, оны түнде түсіру функциясына жай жеке IR модулін сатып алу арқылы қосу мүмкін емес. Бұл жағдайда күндізгі бейненің түсі айтарлықтай бұрмаланады.

Сезімталдық (жарық сезімталдығы, ең аз жарықтандыру)

Сезімталдық ISO тұрғысынан көрсетілген камералардан айырмашылығы, бейнебақылау камераларының сезімталдығы көбінесе люкспен көрсетілген (люкс)және камера бейне кескінді шығаруға қабілетті ең аз жарықтандыруды білдіреді. жақсы сапа- анық және шусыз. Бұл параметрдің мәні неғұрлым төмен болса, сезімталдық соғұрлым жоғары болады.

Бейнебақылау камералары оларды пайдалану жоспарланған шарттарға сәйкес таңдалады: мысалы, камераның минималды сезімталдығы 1 люкс болса, онда қосымша инфрақызыл жарықтандырусыз түнде анық кескінді алу мүмкін емес.

Сигналдың шуылға қатынасы (S/N) бейне сигналының сапасын анықтайды. Бейнедегі шу нашар жарықтандыру нәтижесінде пайда болады және түрлі-түсті немесе ақ-қара қарға немесе дәнге ұқсайды.

Параметр децибелмен өлшенеді. Төмендегі суретте өте жақсы сурет сапасы 30 дБ-де көрсетілген, бірақ ішінде заманауи камераларжоғары сапалы бейне алу үшін S / N кемінде 40 дБ болуы керек.

DNR шуды азайту (3D-DNR, 2D-DNR)

Әрине, бейнеде шудың болуы мәселесі өндірушілердің назарынан тыс қалмады. Қазіргі уақытта суреттегі шуды азайтудың және сәйкес кескінді жақсартудың екі технологиясы бар:

• 2-DNR. Ескі және аз дамыған технология. Негізінде, тек жерге жақын шу жойылады, сонымен қатар кейде тазалауға байланысты кескін аздап бұлыңғыр болады.
• 3-DNR. Күрделі алгоритм бойынша жұмыс істейтін және жақын маңдағы шуды ғана емес, сонымен қатар алыс фондағы қар мен астықты да кетіретін соңғы технология.

Кадр жиілігі, кадр/с (ағын жылдамдығы)

Кадр жиілігі бейне кескінінің тегістігіне әсер етеді - ол неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жақсы. Тегіс суретке қол жеткізу үшін секундына кемінде 16-17 кадр жиілігі қажет. PAL және SECAM стандарттары кадр жиілігін 25 кадр/сек, ал NTSC стандарты 30 кадр/с қолдайды. Кәсіби камералар үшін кадр жиілігі секундына 120 кадрға дейін және одан жоғары болуы мүмкін.

Дегенмен, кадр жиілігі неғұрлым жоғары болса, бейнені сақтау үшін соғұрлым көбірек орын қажет болатынын және тасымалдау арнасы көбірек жүктелетінін есте сақтаңыз.

Артқы жарық өтемі (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Жалпы бейнебақылау проблемалары:

• кескіннің бір бөлігін жарықтандыратын және олардың арқасында маңызды бөлшектерді көру мүмкін болмайтын кадрға түсетін жеке жарқын заттар (фаралар, шамдар, фонарлар);
• фонда тым ашық жарықтандыру (бөлме есіктерінің сыртындағы немесе терезенің сыртындағы күн шуақты көше және т.б.), оған жақын маңдағы нысандар тым қараңғы болып көрсетіледі.

Оларды шешу үшін бақылау камераларында қолданылатын бірнеше функциялар (технологиялар) бар.

HLC - жарқын жарық өтемі.Салыстыру:

BLC - артқы жарық өтемі.Ол бүкіл кескіннің экспозициясын ұлғайту арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде алдыңғы жоспардағы нысандар жеңілірек болады, бірақ фон тым ашық болғандықтан, бөлшектерді көру мүмкін емес.

WDR (кейде HDR деп те аталады) кең динамикалық диапазон болып табылады.Сондай-ақ артқы жарықтың орнын толтыру үшін пайдаланылады, бірақ BLC-ге қарағанда тиімдірек. WDR пайдалану кезінде бейнедегі барлық нысандар шамамен бірдей жарықтылық пен айқындыққа ие, бұл тек алдыңғы жоспарды ғана емес, сонымен қатар фонды да егжей-тегжейлі көруге мүмкіндік береді. Бұл камераның әртүрлі экспозициялармен суретке түсіруінің, содан кейін барлық нысандардың оңтайлы жарықтығы бар кадрды алу үшін оларды біріктіруінің арқасында қол жеткізілді.

D-WDR - кең динамикалық диапазонды бағдарламалық қамтамасыз ету, бұл толыққанды WDR-ден біршама нашар.

Қорғаныс кластары IK (вандалға қарсы, вандалдыққа қарсы) және IP (ылғал мен шаңнан)

Бұл параметр сыртқы бейнебақылау үшін камераны немесе ылғалдылығы жоғары бөлмеде, шаң және т.б. таңдасаңыз маңызды.

IP кластары- бұл әртүрлі диаметрдегі бөгде заттардың, соның ішінде шаң бөлшектерінің түсуінен қорғау, сондай-ақ ылғалдан қорғау. СабақтарIK- бұл вандалдық қорғаныс, яғни механикалық әсерден.

Сыртқы бақылау камералары арасында ең көп таралған қорғаныс кластары IP66, IP67 және IK10.

• Қорғаныс класы IP66: Камера толығымен шаң өткізбейтін және күшті су ағындарынан (немесе теңіз толқындарынан) қорғалған. Су аз мөлшерде ішке түседі және бейнекамера жұмысына кедергі келтірмейді.
• Қорғаныс класы IP67: Камера толығымен шаң өткізбейтін және су астында қысқа мерзімді толық батыруға немесе қар астында ұзақ уақытқа төтеп бере алады.
• Вандалға қарсы қорғаныс класы IK10: камераның корпусы 40 см биіктіктен 5 кг жүктің соққысына төтеп береді (соққы энергиясы 20 Дж).

Жасырын аймақтар (Құпиялылық маскасы)

Кейде камераның көру аймағына түсетін кейбір аймақтарды бақылаудан және жазудан жасыру қажеттілігі туындайды. Көбінесе бұл құпиялылықты қорғауға байланысты. Кейбір камера үлгілері кескіннің белгілі бір бөлігін немесе бөліктерін қамтитын бірнеше осындай аймақтардың параметрлерін реттеуге мүмкіндік береді.

Мысалы, төмендегі суретте көрші үйдің терезелері камераның суретінде жасырылған.

Бейнебақылау камераларының басқа функциялары (DIS, AGC, AWB және т.б.)

Экрандық мәзір- камераның көптеген параметрлерін қолмен реттеу мүмкіндігі: экспозиция, жарықтық, фокустық қашықтық (осындай опция бар болса) және т.б.

- инфрақызыл жарықтандырусыз аз жарық жағдайында түсіру.

DIS- діріл немесе қозғалыс жағдайында түсіру кезінде камерадан кескінді тұрақтандыру функциясы

EXIR технологиясы Hikvision әзірлеген инфрақызыл жарықтандыру технологиясы болып табылады. Оның арқасында артқы жарықтың жоғары тиімділігіне қол жеткізіледі: қуатты аз тұтынумен ұзағырақ диапазон, дисперсия және т.б.

AWB- түс репродукциясы адамның көзіне көрінетін табиғиға барынша жақын болуы үшін кескіндегі ақ балансты автоматты түрде реттеу. Жасанды жарықтандыру және әртүрлі жарық көздері бар бөлмелер үшін әсіресе өзекті.

AGC (AGC)- күшейтуді автоматты басқару. Ол кіріс бейне ағынының күшіне қарамастан камералардан шығатын бейне ағынының әрқашан тұрақты болуын қамтамасыз ету үшін қолданылады. Көбінесе жарық аз болған жағдайда бейне сигналды күшейту қажет, ал керісінше, жарық тым күшті болған кезде бейне сигналды азайту қажет.

Қозғалыс детекторы- осы функцияның арқасында камера бақылау объектісінде қозғалыс болған кезде ғана қосылып, жаза алады, сондай-ақ детектор іске қосылғанда дабыл сигналын бере алады. Бұл DVR-де бейнені сақтау үшін орынды үнемдеуге, бейне ағынын беру арнасын түсіруге және тәртіп бұзушылық туралы персоналға хабарлауды ұйымдастыруға көмектеседі.

Камера дабылының кірісі- бұл оқиға орын алған кезде камераны қосу, бейне жазуды бастау мүмкіндігі: қосылған қозғалыс сенсорын немесе оған қосылған басқа сенсорды іске қосу.

дабыл шығысыкамерамен жазылған дабыл оқиғасына реакцияны бастауға мүмкіндік береді, мысалы, сиренаны қосу, пошта немесе SMS арқылы ескерту жіберу және т.б.

Сіз іздеген мүмкіндікті таба алмадыңыз ба?

Біз бейнебақылау камераларының барлық жиі кездесетін сипаттамаларын жинауға тырыстық. Егер сіз мұнда сізге түсініксіз кейбір параметрдің түсіндірмесін таппасаңыз - түсініктемелерде жазыңыз, біз бұл ақпаратты мақалаға қосуға тырысамыз.

Бір элемент барлық көрінетін спектрлік диапазонда сезімтал, сондықтан түсті ПЗС матрицаларының фотодиодтарының үстінде жарық сүзгісі қолданылады, ол тек біреуін ғана жібереді. үш түсті: қызыл (қызыл), жасыл (жасыл), көк (көк) немесе сары (сары), күлгін (қызыл), көгілдір (көгілдір). Және өз кезегінде ақ-қара ПЗС матрицасында мұндай сүзгілер жоқ.

Пиксель мөлдір диэлектрикпен қапталған р-субстраттан тұрады, оның үстіне жарық өткізгіш электрод түседі, ол потенциалдық шұңқырды құрайды.

Пиксельдің үстінде жарық сүзгісі (түсті матрицаларда қолданылады) және жинақтаушы линзалар (сезгіш элементтер бетті толығымен алып кетпейтін матрицаларда қолданылады) болуы мүмкін.

Кристалл бетінде орналасқан жарық өткізгіш электродқа оң потенциал беріледі. Пиксельге түсетін жарық жартылай өткізгіш құрылымға терең еніп, электронды-тесік жұбын құрайды. Алынған электрон мен тесік электр өрісінің әсерінен бөлініп шығады: электрон тасымалдаушыны сақтау аймағына (потенциалды шұңқыр) жылжиды, ал тесіктер субстратқа ағып кетеді.

Пиксель келесі сипаттамаларға ие:

• Потенциалды шұңқырдың сыйымдылығы – потенциалдық ұңғыма ұстай алатын электрондар саны.
• Пиксельдің спектрлік сезімталдығы - сезімталдықтың (фототок шамасының жарық ағынының мәніне қатынасы) сәулелену толқын ұзындығына тәуелділігі.
• Кванттық тиімділік (пайызбен өлшенеді) – жұтылуы квазибөлшектердің пайда болуына себеп болған фотондар санының жұтылған фотондардың жалпы санына қатынасына тең физикалық шама. Қазіргі заманғы CCD матрицаларында бұл көрсеткіш 95% жетеді. Салыстыру үшін адам көзінің кванттық тиімділігі шамамен 1% құрайды.
• Динамикалық диапазон - қанықтыру кернеуінің немесе токтың RMS кернеуіне немесе күңгірт шудың токына қатынасы. дБ-де өлшенеді.

CCD матрицасы жолдарға бөлінеді, ал әрбір жол өз кезегінде пикселдерге бөлінеді. Қатарлар бір-бірінен тоқтау қабаттарымен (p+) бөлінген, олар арасындағы зарядтар ағынына жол бермейді. Деректер пакетін жылжыту үшін параллельді тік (ағылшынша VCCD) және сериялық, aka көлденең (ағылшынша HCCD) ауысу регистрлері қолданылады.

Үш фазалы ауысым регистрінің жұмысының ең қарапайым циклі бірінші қақпаға оң потенциалдың түсуінен басталады, нәтижесінде генерацияланған электрондармен толтырылған ұңғыма пайда болады. Содан кейін біз екінші қақпаға біріншіге қарағанда жоғары потенциалды қолданамыз, нәтижесінде екінші қақпаның астында тереңірек потенциалдық шұңқыр пайда болады, оған бірінші қақпаның астынан электрондар ағады. Зарядтың қозғалысын жалғастыру үшін екінші қақпадағы әлеуетті мәнді азайтып, үшіншіге үлкен потенциалды қолдану керек. Электрондар үшінші қақпаның астынан өтеді. Бұл цикл жинақтау нүктесінен тікелей оқылатын көлденең резисторға дейін жалғасады. Көлденең және тік ауысу регистрлерінің барлық электродтары фазаларды құрайды (1 фаза, 2 фаза және 3 фаза).

ПЗС матрицаларының түсі бойынша жіктелуі:

• Қара мен АҚ
• түсті

Архитектура бойынша CCD матрицаларының жіктелуі:

Фотосезімтал жасушалар жасыл түспен, мөлдір емес жерлер сұр түспен белгіленген.

Келесі сипаттамалар CCD матрицасына тән:

• Зарядтың берілу тиімділігі – ауысу регистрінің жолының соңындағы зарядтағы электрондар санының басындағы санға қатынасы.
• Толтыру коэффициенті - бұл фотосезімтал элементтермен толтырылған аймақтың ПЗС матрицасының фотосезімтал бетінің жалпы ауданына қатынасы.
• Қараңғы ағын - электр тоғы, ол түскен фотондар болмаған кезде фотосезімтал элемент арқылы өтеді.
• Оқу шуы - шығыс сигналының түрлендіру және күшейту тізбектерінде пайда болатын шу.

Персоналды ауыстыру бар матрицалар. (Ағылшынша кадрды тасымалдау).

Артықшылықтары: Фотосезімтал элементтермен бетінің 100% алу мүмкіндігі; Оқу уақыты толық кадрды тасымалдау сенсорынан төмен; Толық кадрлық тасымалдау CCD-ге қарағанда аз бұлыңғырлық; Толық кадрлық архитектураға қарағанда жұмыс циклінің артықшылығы бар: кадрды ауыстыру ПЗС барлық уақытта фотондарды жинайды. Кемшіліктері: Деректерді оқыған кезде, жағылу әсерінің пайда болуын болдырмау үшін жарық көзі ысырмамен жабылуы керек; Зарядтың қозғалу жолы ұлғайтылды, бұл зарядты беру тиімділігіне теріс әсер етеді; Бұл сенсорларды өндіру және өндіру толық кадрды тасымалдау құрылғыларына қарағанда қымбатырақ.

Interline-тасымалдау матрицалары немесе бағанды ​​буферлеуі бар матрицалар (ағылшынша Interline-transfer).
	Артықшылықтары: Жапқышты қолданудың қажеті жоқ; Майлау жоқ. Кемшіліктері: Бетті сезімтал элементтермен 50% артық емес толтыру мүмкіндігі. Оқу жылдамдығы ауысым регистрінің жылдамдығымен шектеледі; Ажыратымдылық кадрлық және толық кадрды тасымалдау ПЗС-лерінен төмен.

Жолдық жақтау арқылы тасымалданатын матрицалар немесе бағанды ​​буферлеуі бар матрицалар (ағылшынша интерлайн).

Артықшылықтары: Зарядтың жинақталуы мен берілу процестері кеңістікте бөлінген; Жинақтаушы элементтерден алынатын заряд ПЗС матрицасының жарығынан жабылған тасымалдау регистрлеріне беріледі; Бүкіл кескіннің зарядын беру 1 циклде жүзеге асырылады; Майлау жоқ; Экспозициялар арасындағы аралық минималды және бейне жазу үшін қолайлы. Кемшіліктері: 50% -дан аспайтын сезімтал элементтермен бетті толтыру мүмкіндігі; Ажыратымдылық кадрлық және толық кадрды тасымалдау CCD-лерінен төмен; Зарядтың қозғалу жолы ұлғайтылды, бұл зарядты беру тиімділігіне теріс әсер етеді.

	ҒЫЛЫМИ ҚОЛДАНЫЛУЛАР спектроскопия үшін; микроскопия үшін; кристаллография үшін; флюорография үшін; жаратылыстану ғылымдары үшін; биология ғылымдары үшін.
	ҒАРЫШТЫҚ ҚОЛДАНБА телескоптарда; жұлдызды трекерлерде; спутниктерді қадағалауда; планеталарды зондтау кезінде; экипаждың борттық және қолмен жабдықталуы.
	ӨНДЕРІСТІК ҚОЛДАНУ дәнекерленген жіктердің сапасын тексеру; боялған беттердің біркелкілігін бақылау; механикалық бұйымдардың тозуға төзімділігін зерттеу; штрих-кодтарды оқу үшін; өнімнің қаптамасының сапасын бақылау.
	ҚАУІПСІЗДІК ҚОЛДАНБАЛАР тұрғын пәтерлерде; әуежайларда; құрылыс алаңдарында; жұмыс орнында; адамның бетін танитын «ақылды» камераларда.
	ФОТОГРАФИЯДА ҚОЛДАНУ кәсіби камераларда; әуесқой камераларда; ұялы телефондарда.
	МЕДИЦИНАЛЫҚ ҚОЛДАНУ флюорографияда; кардиологияда; маммографияда; стоматологияда; микрохирургияда; онкологияда.
	АВТО ЖОЛ ҚОЛДАНБАСЫ нөмірді автоматты түрде тану үшін; жылдамдықты бақылау үшін; көлік қозғалысын басқару үшін; тұрақ билеті үшін; полицияның қадағалау жүйелерінде.

Жылжымалы ысырма бар сенсордағы қозғалатын нысандарды түсіру кезінде бұрмалау қалай пайда болады:

CCD дегеніміз не?

Біраз тарих

Бұрын жарық қабылдағыш ретінде фотоматериалдар пайдаланылды: фотопластинкалар, фотопленка, фотоқағаз. Кейінірек телевизиялық камералар мен PMT (фотоэлектрлік мультипликатор) пайда болды.
60-шы жылдардың аяғы мен 70-ші жылдардың басында «Зарядтауды біріктіретін құрылғылар» деп аталатындар әзірлене бастады, ол CCD деп қысқартылған. Ағылшын тілінде бұл «зарядты біріктірілген құрылғылар» немесе қысқаша CCD сияқты көрінеді. ПЗС массивтерінің принципі кремний жауап бере алатындығына негізделген көрінетін жарық. Және бұл факт осы принципті жарық беретін заттардың кескіндерін алу үшін қолдануға болады деген ойға әкелді.

Астрономдар бейнелеуге арналған ПЗС-тың ерекше мүмкіндіктерін алғашқылардың бірі болып таныды. 1972 жылы JPL (Jet Propulsion Laboratory, АҚШ) зерттеушілер тобы астрономия және зерттеу үшін CCD дамыту бағдарламасын құрды. ғарыштық зерттеулер. Үш жылдан кейін Аризона университетінің ғалымдарымен бірге бұл топ бірінші астрономиялық CCD кескінін алды. 1,5 метрлік телескоптың көмегімен Уранның жақын инфрақызыл суретінде планетаның оңтүстік полюсіне жақын жерде метанның бар екенін көрсететін қара дақтар табылды ...

ПЗС матрицаларын қолдану бүгінгі күні кең қолдануды тапты: сандық камералар, бейне камералар; Тіпті ұялы телефондарда камералар сияқты CCD матрицасын ендіру мүмкін болды.

CCD құрылғысы

Әдеттегі ПЗС құрылғысы (1-сурет): жартылай өткізгіш бетінде жұқа (0,1-0,15 мкм) диэлектрлік қабат (әдетте оксид) бар, оның үстінде өткізгіш электродтардың жолақтары (металлдан немесе поликристалды кремнийден жасалған) орналасқан. Бұл электродтар сызықты немесе матрицалық регулярлы жүйені құрайды, ал электродтар арасындағы қашықтық соншалықты аз, көрші электродтардың өзара әсерінің әсері айтарлықтай болады. ПЗС жұмыс істеу принципі электродтарға сыртқы электрлік кернеулер әсер еткенде жартылай өткізгіштің жер бетіне жақын қабатында пайда болған потенциалды ұңғымаларда заряд пакеттерін генерациялауға, сақтауға және бағыттауға негізделген.

Күріш. 1. ПЗС матрицасының негізгі құрылғысы.

Суретте. 1, C1, C2 және C3 символдары MOS конденсаторларын (металл-оксид-жартылай өткізгіш) білдіреді.

Егер кез келген электродқа оң кернеу U қолданылса, онда MIS құрылымында электр өрісі пайда болады, оның әсерінен негізгі тасымалдаушылар (саңылаулар) жартылай өткізгіш бетінен өте тез (бірнеше пикосекундта) шығып кетеді. Нәтижесінде бетке жақын жерде таусылған қабат пайда болады, оның қалыңдығы микрометрдің фракциялары немесе бірліктері болып табылады. Кез келген процестердің әсерінен (мысалы, жылулық) сарқылу қабатында пайда болған немесе диффузия әсерінен жартылай өткізгіштің бейтарап аймақтарынан алынған аз тасымалдағыштар (электрондар) жартылай өткізгішке (өріс әсерінен) ауысады. -диэлектрлік интерфейс және тар кері қабатта локализациялануы. Осылайша, электрондар үшін потенциалды шұңқыр бетке жақын жерде пайда болады, олар өрістің әсерінен таусылған қабаттан айналады. Тазарту қабатында пайда болған негізгі тасымалдаушылар (саңылаулар) өрістің әсерінен жартылай өткізгіштің бейтарап бөлігіне шығарылады.
Белгілі бір уақыт аралығында әрбір пиксель оған түскен жарық мөлшеріне пропорционалды электрондармен біртіндеп толтырылады. Осы уақыттың соңында әрбір пикселде жинақталған электр зарядтары құрылғының «шығысына» кезекпен беріледі және өлшенеді.

Матрицалардың фотосезімтал пикселінің өлшемі бір немесе екіден бірнеше ондаған микронға дейін ауытқиды. Фотопленканың фотосезімтал қабатындағы күміс галогенид кристалдарының мөлшері 0,1 (оң эмульсиялар) мен 1 микрон (жоғары сезімтал теріс) аралығында болады.

Матрицаның негізгі параметрлерінің бірі кванттық тиімділік деп аталады. Бұл атау жұтылған фотондарды (кванттарды) фотоэлектрондарға түрлендіру тиімділігін көрсетеді және фотосезімталдықтың фотографиялық тұжырымдамасына ұқсас. Жарық кванттарының энергиясы олардың түсіне (толқын ұзындығына) байланысты болғандықтан, мысалы, жүз гетерогенді фотонды ағынды жұтқанда матрицалық пикселде қанша электрон туатынын бір мәнді түрде анықтау мүмкін емес. Сондықтан кванттық тиімділік әдетте матрицаның паспортында толқын ұзындығының функциясы ретінде беріледі, ал спектрдің кейбір бөліктерінде ол 80% жетуі мүмкін. Бұл фотографиялық эмульсиядан немесе көзден (шамамен 1%) әлдеқайда көп.

CCD матрицалары дегеніміз не?

Егер пикселдер бір қатарда орналасса, онда қабылдағыш ПЗС-сызығы деп аталады, ал егер бетінің ауданы жұп жолдармен толтырылған болса, онда қабылдағыш CCD-матрица деп аталады.

CCD сызғышы астрономиялық бақылаулар үшін 80-90-шы жылдардағы кең ауқымды қолданбаларға ие болды. Суретті CCD сызғышының бойымен ұстау жеткілікті болды және ол компьютер мониторында пайда болды. Бірақ бұл процесс көптеген қиындықтармен бірге жүрді, сондықтан қазіргі уақытта CCD массивтері барған сайын CCD матрицаларымен ауыстырылады.

Қажет емес әсерлер

Бақылауларға кедергі келтіруі мүмкін CCD зарядты тасымалдаудың жағымсыз жанама әсерлерінің бірі шағын кескін аймағының жарқын аймақтарының орнына жарқын тік жолақтар (бағандар) болып табылады. Сондай-ақ, CCD матрицаларының ықтимал жағымсыз әсерлеріне мыналар жатады: жоғары қараңғы шу, «соқыр» немесе «ыстық» пикселдердің болуы, матрица өрісі бойынша біркелкі емес сезімталдық. Қараңғы шуды азайту үшін ПЗС матрицаларының автономды салқындауы -20°C және одан төмен температураға дейін қолданылады. Немесе алдыңғы кадр жасалған ұзақтығы (экспозиция) және температурасы бірдей қараңғы жақтау (мысалы, жабық линзамен) алынады. Кейіннен арнайы бағдарламакомпьютер суреттен күңгірт жақтауды алып тастайды.

CCD негізіндегі теледидар камералары жақсы, өйткені олар 752 x 582 пиксел рұқсатымен секундына 25 кадрға дейін суретке түсіру мүмкіндігін береді. Бірақ бұл түрдегі кейбір камералардың астрономиялық бақылаулар үшін жарамсыздығы, өндіруші алынған кадрларды көру арқылы жақсы қабылдау үшін оларда кескіннің ішкі өңдеуін (оқу - бұрмалау) жүзеге асырады. Бұл AGC (автоматтандырылған басқаруды реттеу) және деп аталатын. «өткір шекаралардың» әсері және т.б.

Барысы…

Жалпы алғанда, CCD қабылдағыштарын пайдалану цифрлық емес жарық қабылдағыштарды пайдаланудан әлдеқайда ыңғайлы, өйткені алынған деректер дереу компьютерде өңдеуге жарамды пішінде болады, сонымен қатар алу жылдамдығы. жеке кадрлар өте жоғары (секундына бірнеше кадрдан минуттарға дейін).

В қазіргі уақыттаПЗС матрицаларының өндірісі қарқынды дамып, жетілдірілуде. Матрицалардың «мегапиксельдерінің» саны - матрицаның аудан бірлігіндегі жеке пикселдердің саны - өсуде. ПЗС көмегімен алынған кескіндердің сапасын жақсарту және т.б.

Пайдаланылған көздер:
1. 1. Виктор Белов. Микронның оннан бір бөлігіне дейінгі дәлдік.
2. 2. С.Е.Гурьянов. CCD-мен танысыңыз.

Датчик – сандық камераның негізгі элементі

Кез келген сандық бейне немесе фотокамераның жүрегі (қазіргі уақытта бұл құрылғылар түрлерінің арасындағы шекаралар біртіндеп жойылуда) фотосезімтал сенсор болып табылады. Ол көрінетін жарықты электронды схемалар арқылы әрі қарай өңдеу үшін пайдаланылатын электрлік сигналдарға түрлендіреді. Мектеп физика курсынан жарықты элементар бөлшектер – фотондар ағыны ретінде қарастыруға болатыны белгілі. Кейбір жартылай өткізгіш материалдардың бетіне түсетін фотондар электрондар мен саңылаулардың пайда болуына әкелуі мүмкін (жартылай өткізгіштердегі тесік әдетте электрон үшін бос орын деп аталады, ол атомдар арасындағы коваленттік байланысты үзу нәтижесінде пайда болады. жартылай өткізгіш зат). Жарық әсерінен электрон-тесік жұптарының генерациялау процесі фотонның энергиясы электронды «туған» ядродан «жұлып алу» және оны өткізгіштік диапазонына беру үшін жеткілікті болғанда ғана мүмкін болады. Фотонның энергиясы түскен жарықтың толқын ұзындығына тікелей байланысты, яғни сәулеленудің түсіне байланысты. Көрінетін (яғни адам көзімен қабылданатын) сәулелену диапазонында фотон энергиясы, мысалы, кремний сияқты жартылай өткізгіш материалдарда электронды-тесік жұптарын генерациялау үшін жеткілікті.

Шығарылатын фотоэлектрондардың саны жарық ағынының интенсивтілігіне тура пропорционал болғандықтан, түсетін жарық мөлшерін оның тудыратын заряд мөлшерімен математикалық түрде байланыстыруға болады. Дәл осы қарапайым физикалық құбылысқа фотосезімтал сенсорлардың жұмыс принципі негізделген. Датчик бес негізгі операцияны орындайды: фотондарды жұтады, зарядқа айналдырады, жинақтайды, жібереді және кернеуге түрлендіреді. Өндіріс технологиясына байланысты әртүрлі сенсорлар фотоэлектрондарды сақтау және жинақтау міндеттерін әртүрлі тәсілдермен орындайды. Сонымен қатар, жинақталған электрондарды түрлендіру үшін әртүрлі әдістерді қолдануға болады электр кернеуі(аналогтық сигнал), ол өз кезегінде цифрлық сигналға түрленеді.

CCD сенсорлары

Тарихи түрде ПЗС деп аталатын матрицалар 1973 жылы жаппай өндірісі басталған бейнекамералар үшін фотосезімтал элементтер ретінде бірінші рет қолданылған. CCD аббревиатурасы Charge Coupled Device дегенді білдіреді; ағылшын әдебиетінде CCD (Charge-Coupled Device) термині қолданылады. Ең қарапайым CCD сенсоры - жарыққа ұшыраған кезде электр зарядын жинақтауға қабілетті конденсатор. Мұнда диэлектрлік қабатпен бөлінген екі металл пластинадан тұратын кәдімгі конденсатор жұмыс істемейді, сондықтан MOS деп аталатын конденсаторлар қолданылады. Өз жолымен ішкі құрылымымұндай конденсаторлар металдың, оксидтің және жартылай өткізгіштің сэндвичі болып табылады (олар өз атауын қолданылатын компоненттердің бірінші әріптерінен алды). Жартылай өткізгіш ретінде легирленген p-типті кремний қолданылады, яғни қоспа атомдарының қосылуы нәтижесінде артық тесіктер пайда болатын жартылай өткізгіш (допинг). Жартылай өткізгіштің үстінде диэлектриктің (кремний оксиді) жұқа қабаты, ал үстіңгі жағында терминологияны ұстанатын болса, қақпа қызметін атқаратын металл қабаты бар. далалық әсерлі транзисторлар(Cурет 1).

Жоғарыда айтылғандай, жарықтың әсерінен жартылай өткізгіште электронды-тесік жұптары пайда болады. Дегенмен, генерациялау процесімен бірге кері процесс те жүреді - тесіктер мен электрондардың рекомбинациясы. Сондықтан пайда болған электрондар мен саңылауларды бөліп, оларды қажетті уақытқа дейін ұстау үшін шаралар қабылдау керек. Өйткені, бұл жұтылатын жарықтың қарқындылығы туралы ақпаратты тасымалдайтын қалыптасқан фотоэлектрондардың саны. Қақпа мен оқшаулағыш диэлектрик қабаты осыған арналған. Қақпа оң деп есептейік. Бұл жағдайда диэлектрик арқылы жартылай өткізгішке енетін құрылған электр өрісінің әсерінен негізгі заряд тасымалдаушылар болып табылатын саңылаулар диэлектриктен, яғни жартылай өткізгіштің тереңдігіне қарай жылжи бастайды. Жартылай өткізгіштің диэлектрикпен шекарасында негізгі тасымалдаушыларда таусылған аймақ, яғни саңылаулар пайда болады және бұл аймақтың мөлшері қолданылатын потенциалдың шамасына байланысты. Дәл осы таусылған аймақ фотоэлектрондар үшін «сақтау» болып табылады. Шынында да, егер жартылай өткізгішке жарық әсер етсе, онда қалыптасқан электрондар мен тесіктер қарама-қарсы бағытта қозғалады - жартылай өткізгішке тереңдіктегі тесіктер, ал электрондар сарқылу қабатына қарай. Бұл қабатта тесіктер болмағандықтан, электрондар қажетті уақыт ішінде рекомбинациясыз сонда сақталады. Әрине, электрондардың жинақталу процесі шексіз бола алмайды. Электрондар саны артқан сайын олар мен оң зарядталған саңылаулар арасында қақпа арқылы жасалған өріске қарама-қарсы бағытталған индукцияланған электр өрісі пайда болады. Нәтижесінде жартылай өткізгіштің ішіндегі өріс нөлге дейін төмендейді, содан кейін тесіктер мен электрондардың кеңістіктік бөліну процесі мүмкін емес болады. Нәтижесінде электрон-тесік жұбының түзілуі оның рекомбинациясымен жүреді, яғни сарқылған қабаттағы «ақпараттық» электрондардың саны көбеюін тоқтатады. Бұл жағдайда сенсордың сыйымдылығының асып кетуі туралы айтуға болады.

Біз қарастырған сенсор екі маңызды тапсырманы орындауға қабілетті - фотондарды электрондарға түрлендіру және оларды жинақтау. Бұл ақпараттық электрондарды сәйкес түрлендіру бірліктеріне беру мәселесін шешу, яғни ақпаратты іздеу мәселесі қалады.

Бір диэлектриктің бетінде бір емес, бірнеше жақын орналасқан қақпаларды елестетейік (2-сурет). Фотогенерация нәтижесінде бір қақпаның астында электрондар жиналсын. Егер іргелес қақпаға жоғары оң потенциал қолданылса, онда электрондар күштірек өріс аймағына ағып, яғни бір қақпадан екіншісіне ауыса бастайды. Енді бізде қақпалар тізбегі болса, оларға тиісті басқару кернеулерін қолдану арқылы біз локализацияланған заряд пакетін осындай құрылым бойымен жылжыта алатынымыз анық болуы керек. Бұл осында қарапайым принципжәне зарядқа негізделген құрылғылар.

ПЗС-тың тамаша қасиеті жинақталған зарядты жылжыту үшін тек үш түрдегі қақпалар жеткілікті - бір жіберуші, бір қабылдаушы және бір оқшаулағыш, қабылдау және беру жұптарын бір-бірінен ажырату және осындай аттас қақпалар. үштіктер бір-біріне тек бір сыртқы шығысты қажет ететін бір сағатқа автобусқа қосылуы мүмкін (Cурет 3). Бұл ең қарапайым үш фазалы CCD ауыстыру регистрі.

Осы уақытқа дейін біз CCD сенсорын тек бір жазықтықта - бүйірлік бөлікте қарастырдық. Біздің көру өрісімізден көлденең бағытта электрондарды ұстау механизмі қалды, оның қақпасы ұзын жолақ тәрізді. Жартылай өткізгіштің жарықтандыруы мұндай жолақ ішінде біркелкі емес екенін ескерсек, жарықтың әсерінен электрондардың түзілу жылдамдығы қақпаның ұзындығы бойынша өзгереді. Егер электрондарды олардың түзілу аймағына жақын жерде локализациялау шаралары қабылданбаса, онда диффузия нәтижесінде электрон концентрациясы теңестіріледі және бойлық бағытта жарық қарқындылығының өзгеруі туралы ақпарат жоғалады. Әрине, ысырманың өлшемін бойлық және көлденең бағытта бірдей етіп жасауға болады, бірақ бұл CCD массивінде тым көп жапқыштарды жасауды қажет етеді. Сондықтан түзілген электрондарды бойлық бағытта локализациялау үшін қоспаның жоғары мөлшері бар жартылай өткізгіштің тар жолағы болып табылатын тоқтату арналары (4-сурет) деп аталады. Қоспа концентрациясы неғұрлым жоғары болса, мұндай өткізгіштің ішінде соғұрлым көп саңылаулар пайда болады (әрбір қоспа атомы тесіктің пайда болуына әкеледі). Бірақ бұл саңылаулардың концентрациясына байланысты, оның астындағы қақпада қандай нақты кернеуде сарқылу аймағы пайда болады. Жартылай өткізгіштегі саңылаулардың концентрациясы неғұрлым көп болса, оларды тереңдету соғұрлым қиын болатыны интуитивті түрде түсінікті.

Біз қарастыратын ПЗС матрицасының құрылымы беттік беру арнасы бар ПЗС деп аталады, өйткені жинақталған заряд берілетін арна жартылай өткізгіштің бетінде орналасқан. Беттік беру әдісі жартылай өткізгіштер шекарасының қасиеттерімен байланысты бірқатар маңызды кемшіліктерге ие. Өйткені, жартылай өткізгіштің кеңістікте шектелуі оның кристалдық торының идеалды симметриясын бұзады, оның барлық салдары бар. Қатты дене физикасының қыр-сырына үңілмей, мұндай шектеу электрондар үшін энергия тұзақтарының пайда болуына әкелетінін атап өтеміз. Нәтижесінде жарықтың әсерінен жинақталған электрондар бір қақпадан екіншісіне ауысудың орнына, осы тұзақтарға түсіп қалуы мүмкін. Басқа нәрселермен қатар, мұндай тұзақтар электрондарды күтпеген жерден босатуы мүмкін, бірақ әрқашан қажет болған кезде емес. Жартылай өткізгіш «шу» бастайды - басқаша айтқанда, қақпаның астында жиналған электрондар саны жұтылатын сәулеленудің қарқындылығына дәл сәйкес келмейді. Мұндай құбылыстарды болдырмауға болады, бірақ бұл үшін тасымалдау арнасының өзі өткізгішке терең жылжытылуы керек. Бұл шешімді Philips мамандары 1972 жылы енгізді. Мұндағы ой p-типті жартылай өткізгіштің беткі аймағында n-типті жартылай өткізгіштің жұқа қабаты, яғни электрондар негізгі заряд тасымалдаушы болып табылатын жартылай өткізгіш пайда болды (5-сурет).

Екі жартылай өткізгіштің жанасуы белгілі әртүрлі түрлеріөткізгіштік түйісу шекарасында таусылған қабаттың пайда болуына әкеледі. Бұл саңылаулар мен электрондардың өзара қарама-қарсы бағытта таралуына және олардың рекомбинациясына байланысты болады. Қақпаға оң потенциалды қолдану сарқылу аймағының көлемін арттырады. Тән қазір сарқылу аймағының өзі немесе фотоэлектрондар үшін сыйымдылық бетінде емес, демек, электрондар үшін беттік тұзақтар жоқ. Мұндай тасымалдау арнасы жасырын тасымалдау арнасы деп аталады және барлық қазіргі заманғы CCDs жасырын тасымалдау арнасымен жасалады.

Біз қарастыратын CCD сенсорының жұмысының негізгі принциптері әртүрлі архитектураның CCD массивтерін құру үшін пайдаланылады. Құрылымдық жағынан матрицалардың екі негізгі сұлбасын ажыратуға болады: кадр бойынша тасымалдау және желіаралық тасымалдау.

Кадр-кадр матрицасында жолдар саны бірдей екі баламалы бөлім бар: жинақтау және сақтау. Бұл бөлімдердегі әрбір сызық үш қақпадан (беруші, қабылдау және оқшаулау) қалыптасады. Сонымен қатар, жоғарыда айтылғандай, барлық жолдар көлденең бағытта жинақтау ұяшықтарын құрайтын тоқтату арналарының жиынтығымен бөлінген. Осылайша, CCD массивінің ең кіші құрылымдық элементі (пиксель) үш көлденең ысырмалардан және екі тік тоқтату арнасынан жасалады (6-сурет).

Экспозиция кезінде жинақтау бөлімінде фотоэлектрондар түзіледі. Осыдан кейін қақпаларға берілетін тактілік импульстар жинақталған зарядтарды жинақтау бөлімінен көлеңкелі сақтау бөліміне береді, яғни шын мәнінде бүкіл кадр тұтастай беріледі. Сондықтан бұл архитектура кадр бойынша көшіру CCD деп аталады. Тасымалдаудан кейін жинақтау бөлімі тазартылады және зарядтарды қайта жинақтай алады, ал жад бөліміндегі зарядтар көлденең оқу регистріне кіреді. Көлденең регистрдің құрылымы CCD сенсорының құрылымына ұқсас - зарядты беру үшін бірдей үш қақпа. Көлденең регистрдің әрбір элементінде жады бөлімінің сәйкес бағанымен заряд байланысы бар және жинақтау бөлімінен әрбір тактілік импульс үшін бүкіл жол оқу регистріне енеді, одан әрі өңдеу үшін шығыс күшейткішіне беріледі.

ПЗС матрицасының қарастырылған схемасының бір сөзсіз артықшылығы бар - жоғары толтыру коэффициенті. Бұл термин әдетте матрицаның фотосезімтал аймағының оның жалпы ауданына қатынасы деп аталады. Кадр бойынша тасымалданатын матрицалар үшін толтыру коэффициенті дерлік 100% жетеді. Бұл мүмкіндік олардың негізінде өте сезімтал құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді.

Қарастырылған артықшылықтардан басқа, кадр бойынша трансфері бар матрицалардың бірқатар кемшіліктері де бар. Ең алдымен, аудару процесінің өзін бірден жүзеге асыру мүмкін емес екенін ескереміз. Дәл осы жағдай бірқатар келеңсіз құбылыстарға алып келеді. Зарядтың жинақтау бөлімінен сақтау бөліміне ауысу процесінде біріншісі жарық күйінде қалады және онда фотоэлектрондардың жинақталу процесі жалғасады. Бұл кескіннің жарқын аймақтары олар арқылы өтетін қысқа уақыт ішінде шетелдік заряд пакетіне үлес қосуға уақыт бар екеніне әкеледі. Нәтижесінде кадрда кескіннің жарқын аймақтарынан бүкіл кадрға таралатын тік жолақтар түріндегі тән бұрмаланулар пайда болады. Әрине, мұндай құбылыстармен күресу үшін әртүрлі трюктерді қолдануға болады, бірақ ең түбегейлі әдіс - трансфер көлеңкеленген аймақта жүруі үшін жинақтау бөлімі мен тасымалдау бөлімін бөлу. Мұндай архитектураның матрицалары желіаралық тасымалдау ПЗС деп аталады (7-сурет).

Бұрын сипатталған кадр бойынша матрицадан айырмашылығы, мұнда фотодиодтар заряд жинақтау элементтері ретінде әрекет етеді (фотодиодтар кейінірек толығырақ қарастырылады). Фотодиодтармен жинақталған зарядтар одан әрі зарядты тасымалдауды жүзеге асыратын көлеңкеленген ПЗС элементтеріне беріледі. Бүкіл кадрды фотодиодтардан тік CCD тасымалдау регистрлеріне көшіру бір тактілік циклде болатынын ескеріңіз. Табиғи сұрақ туындайды: неліктен бұл архитектура желіаралық тасымалдау деп аталады («аралас тасымалдау» термині де бар)? Интерлайн атауының шығу тегін, сондай-ақ кадр бойынша трансферді түсіну үшін бейне сигналды генерациялау үшін экранда кескінді көрсетудің негізгі принципін еске түсірейік. Фрейм сигналы жоларалық интервалмен бөлінген сызық сигналдарынан тұрады, яғни экранда сканерленген электронды сәуленің бір жолдың соңынан келесі жолдың басына өтуіне қажетті уақыт. Сондай-ақ, кадр аралық бос орындар бар - сәулені соңғы жолдың соңынан бірінші жолдың басына дейін жылжыту үшін қажетті уақыт (жаңа кадрға көшу).

Егер кадраралық трансфері бар ПЗС архитектурасын еске түсірсек, кадрдың жинақтау бөлімінен сақтау бөліміне ауысуы бейне сигналдың кадраралық саңылау кезінде болатыны анық болады. Бұл түсінікті, өйткені бүкіл кадрды тасымалдау үшін көп уақыт қажет. Архитектурада аралық трансфермен кадрдың берілуі бір тактілік циклде жүреді және бұл үшін аз уақыт кезеңі жеткілікті. Содан кейін кескін көлденең ауысу регистріне енеді, ал беріліс бейне сигналдың сызықтық интервалдары кезінде сызық бойынша жүреді.

Қарастырылған ПЗС матрицаларының екі түрінен басқа, басқа схемалар бар. Мысалы, аралық және желіаралық механизмді біріктіретін схема (line-frame transfer) желіаралық тасымалдау CCD-ге сақтау бөлімін қосу арқылы алынады. Бұл жағдайда кадр аралық интервал кезінде бір циклде фотосезімтал элементтерден тасымалданады, ал кадраралық интервал кезінде кадр сақтау бөліміне ауыстырылады (кадраралық тасымалдау); сақтау бөлімінен сызықтық интервалдар кезінде кадр көлденең ауысу регистріне ауыстырылады (кадраралық тасымалдау).

Жақында Super CCD (Super CCD) деп аталатын сегізбұрышты пикселдер арқылы құрылған бастапқы ұялы архитектураны қолдана отырып, кеңінен тарады. Осыған байланысты кремнийдің жұмыс беті ұлғаяды және пиксель тығыздығы (ПЗС пикселдерінің саны) артады. Сонымен қатар, пикселдердің сегізбұрышты пішіні фотосезімтал беттің ауданын арттырады.

CMOS сенсорлары

Сенсордың түбегейлі басқа түрі CMOS сенсоры деп аталады (CMOS - қосымша металл-оксид-жартылай өткізгіш; ағылшын терминологиясында - CMOS).

CMOS сенсорларының ішкі архитектурасы әртүрлі болуы мүмкін. Сонымен, фотодиодтар, фототранзисторлар немесе фотогейттер фотосезімтал элемент ретінде әрекет ете алады. Фотосезімтал элементтің түріне қарамастан, фотогенерация процесінде алынған саңылаулар мен электрондарды бөлу принципі өзгеріссіз қалады. Фотодиодтың ең қарапайым түрін қарастырайық, оның мысалы барлық фотоэлементтердің жұмыс принципін түсінуді жеңілдетеді.

Ең қарапайым фотодиод n- және p-типті жартылай өткізгіштер арасындағы контакт болып табылады. Бұл жартылай өткізгіштердің жанасу шекарасында сарқылу аймағы, яғни тесіктері мен электрондары жоқ қабат түзіледі. Мұндай аймақ негізгі заряд тасымалдаушылардың өзара қарама-қарсы бағытта диффузиясы нәтижесінде пайда болады. Саңылаулар p-жартылай өткізгіштен (яғни олар артық болған аймақтан) n-жартылай өткізгішке (яғни олардың концентрациясы төмен аймаққа), ал электрондар қарама-қарсы бағытта қозғалады, яғни , n-жартылай өткізгіштен p- жартылай өткізгішке. Осы рекомбинация нәтижесінде саңылаулар мен электрондар жойылып, таусылған аймақ пайда болады. Сонымен қатар, қоспа иондары сарқылған аймақтың шекарасында әсер етеді, ал қоспа иондарының n аймағында оң заряд, ал p аймағында теріс заряд болады. Таусылу аймағының шекарасы бойынша бөлінген бұл зарядтар екі пластинадан тұратын жазық конденсаторда жасалғанға ұқсас электр өрісін құрайды. Дәл осы өріс фотогенерация процесінде пайда болған саңылаулар мен электрондарды кеңістікте бөлу функциясын орындайды. Мұндай жергілікті өрістің болуы (потенциалды тосқауыл деп те аталады) кез келген фотосезімтал сенсордағы (тек фотодиодта ғана емес) негізгі нүкте болып табылады.

Фотодиод жарықпен жарықтанады, ал жарық n-жартылай өткізгішке түседі, ал p-n өтуі жарық сәулелеріне перпендикуляр деп алайық (8-сурет). Фотоэлектрондар мен фотосаңылаулар кристалға терең диффузияланады, ал олардың кейбіреулері рекомбинацияға үлгермегендері p-n өткелінің бетіне жетеді. Алайда электрондар үшін бар электр өрісі еңсерілмейтін кедергі – потенциалдық кедергі болып табылады, сондықтан электрондар pn түйісуін жеңе алмайды. Тесіктер, керісінше, электр өрісінің әсерінен жеделдетіліп, p аймағына енеді. Саңылаулар мен электрондардың кеңістікте бөлінуі нәтижесінде n-аймақ теріс зарядталады (фотоэлектрондардың артық болуы), ал p-аймағы оң зарядталады (фототесіктердің артық болуы).

CMOS сенсорлары мен CCD сенсорларының негізгі айырмашылығы зарядтың жинақталуында емес, оның әрі қарай тасымалдануында. CMOS технологиясы, CCD-ден айырмашылығы, фотосезімтал матрица орналасқан чипте тікелей көбірек операцияларды орындауға мүмкіндік береді. CMOS сенсорлары электрондарды босату және жіберуден басқа, кескіндерді өңдей алады, кескін жиектерін жақсарта алады, шуды азайтады және аналогты-сандық түрлендіруді орындай алады. Сонымен қатар, бағдарламаланатын CMOS сенсорларын жасауға болады, сондықтан өте икемді көп функциялы құрылғыны алуға болады.

Бір микросхема арқылы орындалатын функциялардың мұндай кең ауқымы CMOS технологиясының CCD-ге қарағанда басты артықшылығы болып табылады. Бұл қажетті сыртқы құрамдастардың санын азайтады. Сандық камерада CMOS сенсорын пайдалану бос орынға сандық сигнал процессорлары (DSP) және аналогты-сандық түрлендіргіштер сияқты басқа чиптерді орнатуға мүмкіндік береді.

CMOS технологияларының қарқынды дамуы 1993 жылы белсенді пикселдік сенсорлар жасалған кезде басталды. Бұл технологияның көмегімен әрбір пиксельдің өзіндік көрсеткіші болады транзисторлық күшейткіш, бұл зарядты пикселге тікелей кернеуге түрлендіруге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, сенсордың әрбір пикселіне кездейсоқ қол жеткізу мүмкін болды (қалай сияқты жедел жадкездейсоқ қол жеткізу). CMOS сенсорының белсенді пикселдерінен зарядты оқу параллельді түрде жүзеге асырылады (9-сурет), бұл сигналды әрбір пикселден немесе пикселдер бағанынан тікелей оқуға мүмкіндік береді. Кездейсоқ қол жеткізу CMOS сенсорына бүкіл матрицаны ғана емес, сонымен қатар таңдамалы аймақтарды (терезелі оқу әдісі) оқуға мүмкіндік береді.

CMOS матрицаларының CCD-ге қарағанда айқын артықшылықтарына қарамастан (олардың негізгісі көбірек төмен баға), олардың да бірқатар кемшіліктері бар. CMOS матрицалық кристалында қосымша тізбектердің болуы транзисторлар мен диодтардың диссипациясы сияқты бірқатар кедергілердің пайда болуына, сондай-ақ қалдық зарядтың әсеріне әкеледі, яғни CMOS матрицалары бүгінде «шулы». Сондықтан жақын арада кәсіби сандық камераларда жоғары сапалы CCD матрицалары қолданылады, ал CMOS сенсорлары арзанырақ құрылғылар нарығын игереді, атап айтқанда, веб-камералар.

Түс қалай алынады

Жоғарыда қарастырылған фотосезімтал сенсорлар жұтылатын жарықтың қарқындылығына ғана жауап беруге қабілетті - қарқындылық неғұрлым жоғары болса, заряд соғұрлым көп жинақталады. Табиғи сұрақ туындайды: түсті кескін қалай алынады?

Камера түстерді ажырата алуы үшін түс сүзгілерінің массиві (CFA, түсті сүзгі массивтері) белсенді пикселге тікелей қойылады. Түс сүзгісінің жұмыс істеу принципі өте қарапайым: ол тек белгілі бір түсті жарықтың (басқаша айтқанда, белгілі бір толқын ұзындығы бар жарықтың ғана) өтуіне мүмкіндік береді. Бірақ әртүрлі түсті реңктердің саны іс жүзінде шексіз болса, қанша осындай сүзгі қажет болады? Кез келген түсті реңкті белгілі бір пропорцияда бірнеше негізгі (негізгі) түстерді араластыру арқылы алуға болады екен. Ең танымал RGB қосымша моделінде (Қызыл, Жасыл, Көк) осындай үш түс бар: қызыл, жасыл және көк. Бұл тек үш түсті сүзгі қажет дегенді білдіреді. RGB түсті моделі жалғыз емес екенін ескеріңіз, бірақ ол сандық веб-камералардың басым көпшілігінде қолданылады.

Ең танымалы - Bayer үлгі сүзгі массивтері. Бұл жүйеде қызыл, жасыл және көк сүзгілер сатылы және қызыл немесе көк сүзгілерден екі есе көп жасыл сүзгілер бар. Орналасуы қызыл және көк сүзгілер жасыл түсті сүзгілердің арасында орналасқан (Cурет 10).

Жасыл, қызыл және көк сүзгілердің бұл арақатынасы адамның көрнекі қабылдауының ерекшеліктерімен түсіндіріледі: біздің көзіміз жасылға көбірек сезімтал.

CCD камераларында үш түсті арнаның комбинациясы сигнал аналогтықтан сандыққа түрлендіруден кейін бейнелеу құрылғысында жүзеге асырылады. CMOS сенсорларында бұл комбинация тікелей чипте де болуы мүмкін. Кез келген жағдайда, әрбір сүзгінің негізгі түстері көрші сүзгілердің түсін ескере отырып, математикалық интерполяцияланады. Сондықтан кескін пикселінің шынайы түсін алу үшін осы пикселдің жарық фильтрінен өткен жарықтың қарқындылығын ғана емес, сонымен қатар жарықтан өткен жарықтың интенсивтілігін де білу қажет. қоршаған пикселдердің сүзгілері.

Жоғарыда айтылғандай, RGB түсті моделі үш негізгі түсті пайдаланады, олардың көмегімен көрінетін спектрдің кез келген реңкін алуға болады. сандық камералар қанша реңктерді ажыратуға болады? Максималды сомаәртүрлі түс реңктері түс тереңдігімен анықталады, ол өз кезегінде түсті кодтау үшін қолданылатын биттердің санымен анықталады. В танымал модельТүс тереңдігі 24 бит болатын RGB 24 әр түс үшін 8 биттен бөлінген. 8 битпен қызыл, жасыл және көк түстің 256 түрлі реңктерін сәйкесінше орнатуға болады. Әрбір реңкке 0-ден 255-ке дейінгі мән тағайындалады. Мысалы, қызыл түс 256 градацияны қабылдай алады: таза қызылдан (255) қараға (0). Кодтың максималды мәні таза түске сәйкес келеді және әр түс үшін код әдетте келесі ретпен орналастырылады: қызыл, жасыл және көк. Мысалы, таза қызыл түс (255, 0, 0), жасыл түс (0, 255, 0), көк түс (0, 0, 255) болып кодталады. Сары түсті қызыл мен жасылды араластыру арқылы алуға болады және оның коды (255, 255, 0) түрінде жазылады.

RGB моделінен басқа, бір-біріне ұқсас және жарықтылық пен хромдық сигналдарды бөлуге негізделген YUV және YCrCb үлгілері де кең қолданыс тапты. Y сигналы қызыл, жасыл және көк түстер қоспасымен анықталатын жарықтылық сигналы болып табылады. U және V (Cr, Cb) сигналдары түс айырмашылығы болып табылады. Осылайша, U сигналы түсті кескіннің көк және сары компоненттерінің айырмашылығына жақын, ал V сигналы түсті кескіннің қызыл және жасыл компоненттері арасындағы айырмашылыққа жақын.

YUV (YCrCb) моделінің басты артықшылығы мынада, бұл кодтау әдісі RGB-ге қарағанда күрделірек болса да, өткізу қабілеттілігін аз талап етеді. Адам көзінің Y-компонентінің жарықтылығына және түс айырмашылығы компоненттеріне сезімталдығы бірдей емес, сондықтан бұл түрлендіруді түс айырмашылығының құрамдас бөліктерін жұқартып (араластырып) орындау әбден қолайлы болып көрінеді. құрамдас бөліктер төрт көрші пиксел (2 × 2) тобы үшін есептеледі және түс айырмашылығының құрамдастары ортақ пайдаланылады (4:1:1 схемасы деп аталады). 4:1:1 схемасы шығыс ағынын екі есе азайтуға мүмкіндік беретінін есептеу оңай (төрт іргелес пикселдер үшін 12 байттың орнына, алтауы жеткілікті). YUV 4:2:2 кодтауымен жарықтылық сигналы әрбір пиксель үшін беріледі, ал U және V түс айырмашылығы сигналдары жолдағы әрбір екінші пиксел үшін ғана беріледі.

Қалай цифрлық

веб-камералар

Сандық камералардың барлық түрлерінің жұмыс принципі шамамен бірдей. Ең қарапайым веб-камераның типтік схемасын қарастырайық, оның басқа камера түрлерінен негізгі айырмашылығы компьютерге қосылуға арналған USB интерфейсінің болуы.

Басқа оптикалық жүйе(линза) және фотосезімтал CCD немесе CMOS сенсоры үшін фотосезімтал сенсордың аналогтық сигналдарын сандық кодқа түрлендіретін аналогты-цифрлық түрлендіргіш (ADC) болуы міндетті. Сонымен қатар, түсті бейнелеу жүйесі де қажет. Камераның тағы бір маңызды элементі - деректерді сығуға және қажетті форматта беруге дайындауға жауапты схема. Мысалы, қарастырылып отырған веб-камерада бейне деректер компьютерге USB интерфейсі арқылы беріледі, сондықтан оның шығысында USB интерфейсінің контроллері болуы керек. Сандық камераның құрылымдық схемасы күріште көрсетілген. он бір.

Аналогты-цифрлық түрлендіргіш үздіксіз аналогтық сигналды таңдауға арналған және аналогтық сигнал өлшенетін уақыт аралықтарын, сондай-ақ оның разрядтық тереңдігін анықтайтын дискреттеу жиілігімен сипатталады. ADC бит ені - әрбір сигнал үлгісін көрсету үшін пайдаланылатын биттердің саны. Мысалы, егер 8-биттік ADC пайдаланылса, онда 8 бит сигналды көрсету үшін пайдаланылады, бұл бастапқы сигналдың 256 градациясын ажыратуға мүмкіндік береді. 10-биттік ADC пайдаланған кезде аналогтық сигналдың 1024 түрлі градациясын ажыратуға болады.

USB 1.1 өткізу қабілеті төмен болғандықтан (тек 12 Мбит/с, оның ішінде веб-камера 8 Мбит/с аспайды) деректерді компьютерге тасымалдамас бұрын қысу керек. Мысалы, кадр ажыратымдылығы 320×240 пиксель және түс тереңдігі 24 бит болса, сығымдалмаған кадр өлшемі 1,76 Мбит/с болады. USB өткізу қабілеті 8 Мбит/с болғанда, ең жоғары қысылмаған сигнал жылдамдығы секундына небәрі 4,5 кадрды құрайды, ал жоғары сапалы бейне үшін секундына 24 немесе одан да көп кадр қажет. Осылайша, тасымалданатын ақпаратты аппараттық қысусыз екені белгілі болады қалыпты жұмыс істеуікамера мүмкін емес.

Техникалық құжаттамаға сәйкес, бұл CMOS сенсорының рұқсаты 664×492 (326 688 пиксель) және секундына 30 кадрға дейін жұмыс істей алады. Сенсор прогрессивті және көлденең сканерлеу түрлерін қолдайды және 48 дБ-ден астам сигнал-шуыл қатынасын қамтамасыз етеді.

Блок-схемадан көрініп тұрғандай, түс қалыптастырушы блоктың (аналогтық сигнал процессоры) екі арнасы бар - RGB және YCrCb, ал YCrCb моделі үшін жарықтық пен түс айырмашылығы сигналдары мына формулалармен есептеледі:

Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,

Cr = 0,713 × (R - Y),

Cb=0,564×(B-Y).

Аналогтық сигнал процессоры жасаған аналогтық RGB және YCrCb сигналдары пиксель жылдамдығын синхрондау үшін әрқайсысы 13,5 MSPS-те жұмыс істейтін екі 10-биттік ADC арқылы өңделеді. Цифрландырудан кейін деректер 16-биттік YUV 4:2:2 пішімінде немесе 8-биттік Y 4:0:0 пішімінде бейне деректерін генерациялайтын цифрландыру құрылғысына беріледі, ол 16-биттік немесе шығыс портына жіберіледі. 8-биттік автобус.

Сонымен қатар, қарастырылып жатқан CMOS сенсоры кескінді түзету мүмкіндіктерінің кең ауқымына ие: ақ түс балансы, экспозицияны бақылау, гамма түзету, түсті түзету және т.б. Сенсордың жұмысын SCCB (Serial Camera Control Bus) интерфейсі арқылы басқаруға болады.

OV511+ микросұлбасы, оның құрылымдық схемасы күріште көрсетілген. 13 - USB контроллері.

Контроллер бейне деректерді USB-шинасы арқылы 7,5 Мбит/с жылдамдықпен тасымалдауға мүмкіндік береді. Мұндай өткізу қабілеттілігі бейне ағынын алдын ала қысусыз қолайлы жылдамдықпен жіберуге мүмкіндік бермейтінін есептеу оңай. Шын мәнінде, қысу - USB контроллерінің негізгі мақсаты. 8:1 сығу қатынасына дейін қажетті нақты уақытта қысуды қамтамасыз ете отырып, контроллер бейне ағынын секундына 10-15 кадр жылдамдығымен 640x480 рұқсатымен және секундына 30 кадр жылдамдығымен тасымалдауға мүмкіндік береді. 320x240 және одан төмен рұқсатта.

Меншікті қысу алгоритмін жүзеге асыратын OmniCE блогы деректерді қысу үшін жауап береді. OmniCE қажетті бейне ағынының жылдамдығын ғана емес, сонымен қатар ең аз жүктеумен жылдам декомпрессияны қамтамасыз етеді. Орталық Есептеуіш Бөлім(кем дегенде әзірлеушілерге сәйкес). OmniCE құрылғысы қамтамасыз ететін қысу коэффициенті қажетті бейне бит жылдамдығына байланысты 4-тен 8-ге дейін өзгереді.

ComputerPress 12"2001