Глава 6 (Учебник - информационные системы), страница 7

Дальнейшее развитие вакуумных передающих и приемных телекамер происходит в направлении повышения разрешающей способности, яркости и контрастности изображения, улучшения цветопередачи, а также линейности и сведения по всему полю экрана (преимущественно для приемных трубок - кинескопов). Так, увеличение разрешения и яркости (что позволяет увеличить размеры экрана кинескопа до 1 м и более) достигается уменьшением площади триад люминофора с соответствующим уменьшением ячеек теневой мас­ки. Шаг маски и шаг апертурной сетки в трубках типа тринитрон составляет менее 0,25 мм. Наибольшая разрешающая способность 1000 твл до­с­тигается в трубках с дельтавидным расположением электронных прожекторов и точечной теневой маской. Кроме того, для уме­ньшения температурной деформации маски ее изготавливают из инвара (Fe-Ni), имеющего очень малый коэффициент температурного расширения. Такие модели получили название Super Visual. Улучшение четкости изображения достигается уве­личением ускоряющего напряжения трубки. Что касается повышения контрастности, то для этой цели применяют тонирование стекла кинескопа, при котором уменьшается отражение света (трубки Black Trini­tron). При этом контрастность возрастает на 30 … 60%.

Бурное развитие полупроводниковой технологии в конце ХХ века привело к появлению и активному внедрению твердотельных телекамер. Их принято разделять на два ос­новных класса:

• ПЗС камеры;

• камеры на базе фотодиодных (фото­транзистор­ных, и иногда фоторезисторных) матриц.

Сравнительные характеристики этих систем представлены в табл. 6.9.

Таблица 6.9. Сравнительная характеристика твердотельных телекамер СТЗ

Наибольшее распространение получили телевизионные системы на базе ПЗС камер.

6.3.2. Телекамеры на основе приборов с зарядовой связью

В основе работы приборов с зарядовой связью (ПЗС) лежит принцип хранения локализованного заряда в потенциальных ямах, образуемых в полупроводниковом кристалле под действием внешнего поля и передачи этого заряда из одной потенциальной ямы в другую при изменении управляющих воздействий.

Идея ПЗС была выдвинута в 1970 г. американцами У. Бойлем и Д. Смитом, и в настоящее время устройства на ПЗС-стру­ктурах используются во многих областях эле­ктроники. На их основе создаются ОЗУ большого объема, фильтры, линии задержки и др. Исключительно перспективно их применение и в качестве приемников изображения. Главные достоинства ПЗС - жестко заданный геометрический растр, исключающий проблему геометрических искажений, относительная температурная стабильность параметров, надежность. Первые фо­точувствительные ин­тегральные схемы на ПЗС появились в 1977 году. Однако долгое время их использование было прак­тически невозможным в связи с очень низкой чувствительностью, причем различной в красной, синей и зеленой частях спектра. Тем не менее, к середине 90-х годов ХХ века поч­ти по всем техническим параметрам ПЗС камеры (в зарубежной литературе CCD камеры) превзошли телекамеры на ЭЛТ трубках. Возможность миниатюризации камерных головок привела к появлению новых аппаратов - записывающих телекамер - комкордеров (от англ. CAMera + RECorder).

В настоящее время промышленно выпускаются твердотельные передающие камеры на базе ПЗС мат­риц, содержащие более 600000 элементов и ПЗС ли­неек с 8192 элементами. Размер ПЗС матрицы описывается параметром, называемым «формат», который соответствует ди­а­гонали В, эквивалентного дан­ной матрице. Он измеряется в дюймах и принимает значения: 1’’, 2/3’’, 1/2’’, 1/3’’, 1/4’’. Последние модели «Sony» имеют формат 1/4’’. Габариты ПЗС камер существенно меньше, чем В. Так, плоская черно-белая камера компании Watec WAT-600 имеет размер 292916 мм, цилиндрическая черно-белая камера WAT-704 имеет диаметр 18 мм, цветная камера с вынесенной головкой El­mo QN401E имеет диаметр 7 мм. Размер матрицы влияет на угол поля обзора: при одинаковых объективах камера 1/2’’ имеет больший угол, чем камера с матрицей 1/3’’.

Разрешение современных черно-белых ПЗС камер составляет 380 ... 470 твл. Камеры с высоким разрешением (TSR-480 японской фирмы Elmo с 590 твл) позволяют четко видеть мелкие детали: номера машин, лица и т.д. Разрешение серийных цветных ПЗС камер несколько хуже: 300 ... 350 твл, хотя все эти показатели определяются технологическими факторами, ограничений которых не видно. Так, уже появляются цветные ПЗС камеры с разрешением 470 … 500 твл (SSC C370P фирмы Sony, TSP-482 фирмы El­mo).

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

П ринцип действия устройства основан на накоплении и хранении заряда внутри p-n перехода, который образуется при подаче на металлический электрод на поверхности полупроводника положительного напряжения  10 ... 15 В. (В этом случае, основные носители - «дырки» уходят вглубь полупроводника, и в его толще индуцируется p-n переход).

Каждый элемент (ячейка) матрицы включает 2 ... 3 электрода (количество электродов определяется числом фаз уп­равления) и участок подложки в их окрестности. При определенных фазовых напряжениях под электродами поочередно создаются области, обедне­н­ные основными носителями и являющиеся потенциальными ямами для неосновных носителей, благодаря чему индуцированный p-n переход начинает работать в режиме накопления заряда. В телевизионных системах образование заряда связано с изме­нением освещен­ности ПЗС элемента. Заряд появляется при выбивании квантами света электронов из атомов полупроводника, в результате чего свободные электроны устремляются к p-n переходу, отыскивая положительные дырки и создавая ток через него.

Один из электродов делается прозрачным в видимой части спектра. От его материала в значительной степени зависит спект­ральная чувствительность ПЗС матрицы. Синтез материала электрода представляет собой сложную технологическую задачу. (Обычно используют поликристаллический кремний, недостатком которого является низкая чувствительность в синей области). Далее, часть свободных электронов рекомбинирует с дырками частично разряжая МОП-емкость, а оставшийся заряд выводится в закрытую от света зону. Перемещение заряда осуществляется уп­­рав­ляющими электродами по принципу «бегущей волны» Ф₁ - Ф₂ - Ф₃, когда потенциальные ямы образуются поочередно под 1, 2, 3 электродами (рис. 6.23б). Аналогичным образом осуществляется перемещение заряда дальше по кристаллу. Так, например, для вывода заряда за пределы светочувствительного слоя и записи нового состояния освещенности напряжение понижается на Ф₃ и повышается на Ф₁ (при этом под первым электродом формируется потенциальная яма).

По своей структуре ПЗС матрицы разделяются на три группы:

• матрицы с переносом кадра;

• матрицы с построчным переносом зарядов;

• матрицы со строчно-кадровым переносом.

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

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

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

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

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

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

Таблица 6.10. Технические характеристики ПЗС матрицы

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

Функциональная схема телекамеры на основе ПЗС представлена на рис. 6.26. Синхрогенератор СГ задает тактовую частоту управления СХ, СН и ВР. Выходной каскад, включающий ПДО и ВУ, преобразует заряды ПЗС ячеек в последовательность видеоимпульсов. Усилитель-смеситель УС служит для усиления видеоимпульсов и подмешивания в сигнал гасящих и синхронизирующих импульсов, формируя композитный видеосигнал.