Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью (2001) (1095913), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В этом случаенапряжение видеоимпульса будет равно:U вых = U оп − U з = n фKe,Cгде n ф - число фотоэлектронов, Uоп – опорное напряжение на диодепри сбросе, Uз - напряжение, определяемое зарядовым пакетом, К коэффициент усиления транзисторного каскада (обычно К ≈ 1, e - зарядэлектрона, равный 1.6 ⋅ 10-19 Кл).Сформированные видеоимпульсы поступают на вход видеоусилителя,где происходит их усиление и временная фильтрация (сглаживание). Послесуммирования с кадровыми и строчными синхроимпульсами формируетсякомпозитный аналоговый видеосигнал.Все описанные выше процессы формирования видеосигнала, какправило,реализованыводноймикросхеменаединойподложке.Необходимые фазные напряжения, синхроимпульсы, импульсы считывания идругие управляющие сигналы формируются внешними микросхемамиэлектроннойобвязки,установленныминаодной печатной платесмикросхемой ФПЗС.
Внешний вид современной типовой ФПЗС-матрицы,установленной на одной плате с микросхемами электронной обвязкипредставлен на рис. 9.Пример 1Постояннаяравномернаяпороговаяосвещенностьповерхноститиповой ФПЗС-матрицы, определяемая источником с коррелированнойÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.16Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюцветовой температурой Тцв = 2856 К, составляет Епор = 0,1 лк. Определитьсоответствующее этой освещенности среднее число фотоэлектронов n ф ,накопленных одним элементом ФПЗС площадью Аэ = 100 мкм2 за время Тн =20 мс. Основные характеристики типовой ФПЗС-матрицы представлены вПриложении 1.Решение:Поскольку по условию распределение освещенности постоянно попространствуивремени,выражениедлярасчетасреднегочисланакопленных фотоэлектронов будет иметь вид:T н Аэ λ1 Tλnф =∫∫ ∫ ∫ E пор ( x , y, λ, t )η( λ )λdλdtdxdy = hc ∫ E пор ( λ )η( λ )λdλ .
(1.4)hc А 0 λλнф2211В полученном выражении неизвестно распределение спектральнойплотности пороговой энергетической облученности Епор(λ) элемента ФПЗС.Однако, зная коррелированную цветовую температуру Тцв источника, Епор(λ)можно представить в виде:E пор ( λ ) = Е max M λо,отн ( λ,T цв ) , где Еmax –максимальная облученность на длине волны максимума излучения λmax,M λо,отн ( λ,T цв ) - плотность относительного спектрального распределениясветимости АЧТ, определяемая по формуле Планка:1M λо,отн ( λ,T цв ) =oM maxC1C1=,C2C255 5λ [exp() − 1] C 3T λ [exp() − 1]λTλT(1.5)где С1 = 3,743⋅10-16 Вт⋅м2, С2 = 1,4388⋅102 м⋅К, С3 = 1,2864⋅10-15Вт/(м3К5) - константы.
В свою очередь, Еmax можно найти из следующеговыражения:E max =E пор∞683 ∫0 М λо,отн ( λ,Т цв )V ( λ )dλ,(1.6)где V(λ) – распределение относительной спектральной плотностичувствительности глаза (данные для V(λ) можно взять в литературе [6]).Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.17Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюТогда с учетом всего вышесказанного запишем окончательное выражениедля среднего числа накопленных фотоэлектронов:λ2nф =ЕпорTн Аэ683hc∫ М λ ,отн (λ, Tцв )η(λ)λdλоλ1∞∫0М λо,отн (λ, Tцв )V (λ)dλ=ЕпорTн Аэλ2683hcК гл σT∫ М λ,отн (λ, Tцв )η(λ)λdλ ,(1.7)о4цв λ1где Кгл – коэффициент использования глазом излучения источника сцветовой температурой Тцв = 2856 К.
В нашем случае Кгл = 0,12; σ =5,6687⋅10-8Вт- постоянная Стефана-Больцмана.м2К 4Подставляя исходные данные в полученную формулу (численныезначения для η(λ) можно взять из графика на рис. 12) и вычисляя интегралычисленным методом (например, с помощью программы “Mathcad”), получим:nф = 200.32ФПЗС-матрицасо строчнокадровым2321абРис. 9. Внешний вид современных ФПЗС-матриц и камер:а) - ФПЗС-матрица, установленная на плате совместно с микросхемамиэлектронной обвязки;Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.18Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью2. Основные технические характеристики ФПЗС-камерОснову любой ФПЗС-камеры (видеокамеры) составляет ФПЗСматрица, установленная на плате с микросхемами электронной обвязки,приемный объектив, блок питания и корпус, конструктивно объединяющийвсе перечисленные узлы.
Исходя из этого, технические характеристики ипараметры ФПЗС-камеры включают в себя характеристики всех ее составныхкомпонент. С другой стороны, в зависимости от назначения (камеры бываютбытовыми, промышленными или научными) к ним предъявляются различныетребования, определяющие именно те параметры и характеристики, которыеприводятся в паспорте камеры соответствующего типа. В связи с этим,рассмотрим наиболее важные характеристики видеокамеры, позволяющиепровести инженерные расчеты.Угловое поле зренияПолемпредметов,вписываетсязрениявидеокамерыпроекциякоторой,вназываетсясоздаваемаяфоточувствительнуютачастьпространстваприемнымобъективом,площадкурасположенную в фокальной плоскости.ПолеФПЗС-матрицы,зрениявидеокамеры,измеренное в угловых единицах, называется угловым полем зрения.
При этомплоский угол 2ω определяется между главными лучами, идущими черезцентр входного зрачка приемного объектива и края фоточувствительнойплощадки ФПЗС-матрицы (см. рис. 10). Поскольку фоточувствительная зонаФПЗС-матрицы имеет прямоугольную форму, то имеет смысл говорить огоризонтальном 2ωх и вертикальном 2ωу полях зрения, определяемых последующим формулам:2 ωx =lx,f'2ωy =lyf',(2.1)где f’ – фокусное расстояние приемного объектива, lx, ly – линейныеразмеры фоточувствительной зоны ФПЗС-матрицы. Таким образом, угловоеÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.19Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюполе зрения видеокамеры определяется фокусным расстоянием объектива, атакже линейными размерами ФПЗС-матрицы.В отличие от углового, понятие линейного поля зрения применительнок ФПЗС-камере применяется реже, поскольку зависит от расстояния дообъекта, что неудобно.
Так, объект на рис. 10, находящийся на расстоянии L,помещается в линейное поле зрения камеры с объективом 1, и не помещаетсяв поле зрения камеры с объективом 2.Формат ФПЗС-матрицыПод форматом ФПЗС-матрицы понимаются линейные размеры еефоточувствительной зоны. При этом, для упрощения обозначений форматуказывается одним числом, выраженном в дюймах, и обозначающим диаметртрубки видикона, формирующего телевизионное изображение такого жеразмера, что и данная ФПЗС-матрица (подобное обозначение сложилосьисторически и применяется по сей день). Связь между форматом,выраженном в дюймах и реальными усредненными линейными размерамиФПЗС-матрицы представлена на рис. 11.
Все стандартные телевизионныематрицы имеют соотношение сторон 4:3 (ширина к высоте), остальные (вчастности, матрицы для научных исследований) могут быть произвольными.Формат видеосигнала ФПЗС-камерыПоскольку ФПЗС-камеры являются устройствами, формирующимивидеосигнал, несущий информацию об изображении объектов, всегдатребуется видеомонитор, позволяющий это изображение визуализировать. Всвою очередь, видеосигнал представляет собой изменения напряжения вовремени с амплитудой, пропорциональной распределению освещенностинаблюдаемогоизображениеобъекта.приегоДлятого,разверткеначтобыправильноэкране,воспроизвестинеобходимыимпульсысинхронизации, сопровождающие напряжение видеосигнала. Амплитуду иформу представления видеосигнала, а также параметры синхроимпульсовопределяет понятие формата видеосигнала ФПЗС-камеры.В настоящее время существует четыре базовых формата:Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.20Расчет характеристикфоточувствительныхОбъектив2 Объектив 1приборов с зарядовой связью2 ω2 y =lyf1'2 ω1y =lyФПЗС-матрица'1flyОбъектf1'f 2'LРис.
10. Определение углового поля зрения видеокамеры(Вертикальное угловое поле зрения: 2ω y ; горизонтальное угловое поле зрения: 2 ω )x4,8 мм3,2 мм2,4м3,6м4,0 мм6,0 ммФормат1/ 3' 'Формат1/ 4' '8,8 мм6,4 мм4,8м8,0 ммФормат 1/ 2' '6,6м11,0 ммФормат 2 / 3' 'Рис. 11. Размеры фоточувствительных областей в зависимости от форматаФПЗС-матрицы (соотношение между сторонами всех ФПЗС-матриц 4:3)Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.21Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью1) композитный CCIR, 2) композитный S-Video, 3) RGB – формат и 4)цифровой RS-422.Наиболее популярным в технических приложениях в России являетсяформат CCIR. Формат основан на использовании чересстрочной развертки:сначала формируется развертка нечетных строк, образуя нечетное поле илипервый полукадр, затем четное – второй полукадр.
Основные параметрыстандарта следующие:• Частота полных кадров – 25 Гц, полукадров – 50 Гц;• Длительность развертки одной строки – 64 мкс;• Длительность развертки одного полукадра 20 мс;• Максимальное время накопления ФПЗС-матрицы – 18 мс;• Частота строк – 15625 Гц;• Число строк в полном кадре – 625;• Амплитуда видеосигнала – 0,7 В;• Амплитуда синхроимпульса – -0,3 В;• Ширина спектра видеосигнала – 8,5 МГц.Разрешающая способностьРазрешающая способность (разрешение) характеризует способностьФПЗС-матрицы воспроизводить мелкие детали изображения (т.е. передаватьвысокие пространственные частоты).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
