Параметры и характеристики ПЗС

Спектральная характеристика ПЗС определяется, причём мультипликативно, двумя факторами:

1) прохождение света через электродную структуру,

2) фотогенерация, вызванная поглощением света непосредственно в полупроводнике (внутренний квантовый выход).

Фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны - около 1,2 эВ (что соответствует длине волны чуть больше 1,05 мкм). При уменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растёт: при l = 1 мкм свет затухает в е раз на 100 мкм, при l = 0,7 мкм (красный цвет) - на 5 мкм, а при l = 0,5 мкм (зелено-голубой) - на 1 мкм.

Глубина обеднённого слоя (глубина, на которую распространяется электрическое поле затвора вглубь полупроводника) - около 5 мкм. Для света, который целиком поглощается внутри этого слоя (при длине волны менее примерно 0,6 мкм), внутренний квантовый выход почти 100%, так как происходит мгновенное разделение электронно-дырочных пар электрическим полем.

Сечение трёхфазного ПЗС с электродами из поликристаллического кремния и с виртуальной фазой

Свет, попадая в полупроводник, проходит через несколько слоёв с различными оптическими характеристиками, так что неизбежна его интерференция, - толщина этих слоёв соизмерима с длиной волны. И действительно, СХ ПЗС довольно причудлива. Далее, поликристаллический кремний, из которого сделаны электроды, совершенно непрозрачен в области длин волн до 430-450 нм (синий и фиолетовый цвета). В итоге СХ обычного трёхфазного ПЗС с поликремниевыми затворами выглядит так, как показано на рис красной линией.

Спектральные характеристики абсолютного квантового выхода: обычного ПЗС, ПЗС с люминофорным покрытием, с освещением с обратной стороны подложки и с виртуальной фазой (синий). Использование фотодиодов в матрицах МП и СКП значительно улучшает СХ ПЗС, особенно в коротковолновой части спектра, поскольку уходят проблемы, связанные с электродами. Самый простой - нанесение люминофора, специального вещества, прозрачного для длинных волн, но преобразующего коротковолновый свет в кванты с большей длиной волны. Этот приём позволяет расширить СХ ПЗС в синюю и УФ область спектра (на рис. показано жёлтым цветом), не затрагивая, впрочем, средне- и длинноволновую часть СХ. Кроме того, в ряде применений, особенно в астрономии, требуется глубокое охлаждение приборов (о необходимости чего мы ещё поговорим), которое люминофорное покрытие не выдерживает.

Второй способ, пожалуй, самый трудоёмкий и дорогой, но именно он позволяет добиться фантастических результатов. Состоит он в том, что кристалл ПЗС, уже после изготовления, утоньшается до толщины 10 мкм и менее (и это при размере кристалла в несколько сантиметров!), а свет падает на обратную сторону подложки, специальным образом обработанную. При столь тонкой подложке носители успевают добраться до потенциальных ям (напомним, что они простираются на глубину до 5 мкм), а полное отсутствие каких бы то ни было электродов гарантирует, что практически весь свет, за исключением потерь на отражение, проникает в кремний. Квантовая эффективность таких матриц достигает иногда 90%, а спектральный диапазон простирается от 180 до 950 нм.

Третий способ улучшения спектральных характеристик ПЗС - виртуальная фаза, способ, предложенный в 1980 году Ярославом Хинечеком, в то время работавшим в фирме Texas Instruments. Суть этого способа в том, что один из электродов обычного ПЗС заменяется на мелкий слой p-типа (виртуальный затвор) непосредственно на поверхности кремния, замкнутый на стоп-каналы. Доза канала под виртуальным затвором делается больше, чем под тактовыми затворами. Вспомним то, что говорилось про ПЗС со скрытым каналом по поводу фиксации поверхностного потенциала и зависимости глубины потенциальной ямы от дозы легирования канала.

Структура с виртуальным затвором, замкнутым на подложку, с точки зрения канала переноса не отличается от состояния фиксации в обычном ПЗС со скрытым каналом. Если к тому же выбрать дозу легирования канала в области виртуальной ямы надлежащим образом, то потенциал канала в ней будет средним между ямой и барьером под тактовыми электродами, так что условия для тактируемого переноса заряда сохраняются. По сравнению с обычными ПЗС, в ней около половины площади ячейки свободны от поликремния, отсюда высокая чувствительность в синей и УФ области спектра (теоретически даже и до мягкого рентгена). Вместе с тем достигается она при освещении с фронтальной стороны подложки, что явно положительным образом сказывается на их цене.

Темновой ток - это результат спонтанной генерации электронно-дырочных пар и есть явление неизбежное, однако бороться с ним можно. Теоретическая величина темнового тока для кремния (если брать в расчёт только прямую генерацию через запрещённую зону) крайне мала, и на самом деле темновой ток в ПЗС (как и обратные токи в других кремниевых приборах) определяется двустадийной генерацией через промежуточные энергетические уровни в запрещённой зоне. А она определяется качеством исходного кремния, чистотой реактивов и степенью совершенства технологии - тем меньше темновой ток. Понятно также, что граница раздела, где этих уровней заведомо много, даёт заметно больший вклад в темновой ток, чем объём.
И вот здесь-то и надо вспомнить про МРР-приборы. Их отличие от обычных ПЗС в том, что под одной из тактовых фаз доза канала увеличена, соответственно и потенциал канала при фиксации будет выше. Таким образом, даже если на всех фазах напряжение на затворе таково, что поверхностный потенциал фиксирован, в канале переноса потенциальный рельеф сохраняется, а значит, возможно локализованное накопление зарядовых пакетов. Поверхность же замкнута на подложку и исключается из процесса генерации темнового тока. В настоящее время типовые значения темнового тока для лучших западных ПЗС составляют при комнатной температуре доли нА/см 2, или несколько сотен (иногда тысяч) электронов на ячейку в секунду. И если для вещательного и бытового ТВ (время накопления 20 или 40 мс) такой темновой ток незаметен, то для научных применений, где регистрируются потоки в десяток фотонов на элемент, даже столь низкий темновой ток неприемлем.
В этом случае на помощь приходит охлаждение матриц. Как всякий термодинамический процесс, темновой ток сильно зависит от абсолютной температуры; принято считать, что при уменьшении температуры на каждые 7-8 градусов он уменьшается вдвое. Для глубокого охлаждения (в астрономических системах) используются азотные криостаты, где матрицы охлаждаются до -100 ⁰ С. Для более простых систем применяется термоэлектронное охлаждение с использованием батарей Пельтье, которые способны обеспечить перепад в 70 ⁰ С при подаче напряжения в 5-6 В, так что температура кристалла при комнатной наружной оказывается около -40 ⁰ С, а темновой ток снижается до 1 электрона на ячейку в секунду. Эти батареи столь компактны, что монтируются непосредственно в один корпус вместе с кристаллом ПЗС. В цифровых системах на ПЗС, поскольку характеристика его отличается высокой линейностью, можно запоминать темновой сигнал (при данной температуре и данном времени накопления), а затем вычитать его из результирующего.

Неоднородность чувствительности Ячейки ПЗС имеют неодинаковую чувствительность, т. е. даже при абсолютно однородной освещённости сигнал с них разный (иногда этот эффект называют геометрическим шумом). Величина этой неоднородности невелика и обычно не превышает 1-5% (для разных типов приборов), так что, скажем, в обычных ТВ камерах ею можно пренебречь. В научных системах, где требуется высокая фотометрическая точность, применяют довольно простой алгоритм коррекции неравномерности. Поскольку чувствительность каждого индивидуального элемента - фиксированная величина, то для её коррекции при некоторой равномерной освещённости запоминают сигналы со всех элементов прибора - и используют их как коэффициенты коррекции при всех последующих экспозициях. Предварительно, разумеется, проводят коррекцию темнового тока.

Шумы Начнём с того, что шумит сам световой поток. То есть число фотоэлектронов, накопленное в ячейке, определено с точностью до квадратного корня из их числа (статистика Пуассона). Например, зарядовый пакет в 10000 электронов от кадра к кадру будет флуктуировать со среднеквадратическим отклонением в 100 электронов. Точно такой же статистике подвержен и темновой сигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой). Это, однако, не снимает задачи снижения шумов собственно ПЗС, поскольку часто приходится работать с сигналами в десяток-другой фотонов на ячейку Для качественных приборов, где низки темновой ток и неэффективность переноса, доминирующим источником шума будет выходное устройство.
но состоит из ёмкости считывания, как правило, диода, транзистора сброса Q1 и выходного усилителя. Импульс сброса соединяет диод с источником опорного напряжения V _ref., после чего транзистор сброса закрывается, и диод оказывается плавающим, т. е. его потенциал может изменяться при поступлении в него заряда - и он изменяется при следующем такте переноса заряда в регистре. Это изменение потенциала передаётся на выход прибора через усилитель. Так вот, фундаментальным свойством системы ключ - конденсатор (в случае ПЗС это транзистор Q1 и плавающая дифузия) является то, что каждый раз после размыкания ключа исходный потенциал считывающей ёмкости будет разным, причём среднеквадратическая величина этого шума равна (kT/C)1/2, а эквивалентный шумовой заряд - (kTC)1/2, С - ёмкость считывающего узла. При этом сам сигнал пропорционален 1/C. Стало быть, чем меньше ёмкость, на которой детектируется заряд, тем больше отношение сигнал/ установочный шум для данного считывающего устройства. Величина ёмкости считывания в современных ПЗС достигает 0,01-0,03 пФ, что соответствует установочному шуму примерно в 40-70 электронов. Остаётся только шум собственно выходного усилителя. Он имеет две компоненты: так называемый шум 1/f, присущий МОП-транзисторам, спектральная плотность которого, как следует из названия, растёт в области низких частот и сильно зависит от степени совершенства технологического процесса, и тепловой шум канала транзисторов, имеющий равномерный (белый) спектр и определяемый в основном геометрией транзистора.

Антиблюминг, или устойчивость к локальным пересветкам Что же будет происходить в ячейке ПЗС, когда заряд в ней будет расти и расти? С ростом сигнального заряда в потенциальной яме потенциал канала в ней уменьшается, и когда он достигнет значения потенциала в канале по соседним электродом, заряд просто начнёт переливаться через этот незапертый участок канала в соседний элемент - причём в обе стороны. На изображении это проявляется в виде вертикального расплывания ярких деталей изображения. Это явление и называется оптической пересветкой (blooming). Бороться с блюмингом можно только разработкой специальной конструкции ячейки. Первый способ (горизонтальный антиблюминг) состоит в том, что вдоль каждого столбца фоточувствительных ячеек прокладывается узкая стоковая область, находящаяся под большим положительным потенциалом и отделённая от накапливающей сигнальный заряд потенциальной ямы некоторым барьером, потенциал канала в котором (иногда управляемый отдельным затвором) выше, чем в запертом канале, отделяющем ячейки друг от друга. В этом случае избыточный заряд будет переливаться в сток, и искажения сигнала в соседних элементах не возникает. Если используется специальный затвор управления антиблюмингом, то появляется возможность принудительной очистки заряда из накопительной ячейки даже без её переполнения, что есть не что иное, как электронная регулировка экспозиции. Ценой горизонтального антиблюминга является некоторое снижение коэффициента заполнения (область стока, ясно, не может дать вклад в сигнал), и увеличение размеров ячейки, что для приборов с малым размером ячейки неприемлемо. Добавив к регистру ПЗС устройство ввода электрического сигнала, мы получим аналоговую линию задержки, причём время задержки определяется как числом элементов регистра, так и тактовой частотой, а значит, может легко изменяться. В качестве элемента регистрации зарядового пакета можно использовать не только плавающую диффузию, но и плавающий затвор, характеризующийся неразрушающим считыванием, т. е. получить регистр с отводами. Такие регистры являются основой трансверсальных фильтров, широко применявшихся, например, в обработке радиолокационных сигналов. Диапазон выпускаемых приборов охватывает как миниатюрные матрицы с шагом элементов примерно 3 на 5 мкм (одна из последних разработок Sony), так и гигантские кристаллы форматом 5 тыс. на 5 тыс. элементов и размером кристалла почти 8 на 8 см (фирма DALSA, Канада). Не за горами и появление однокристальных приборов форматом 8 на 8 тысяч элементов. Разумеется, у ПЗС есть и свои проблемы. Самая серьёзная из них - специфическая, ни на что не похожая технология изготовления и чрезвычайно жёсткие требования к однородности исходного кремния и степени совершенства технологического процесса. Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла. Специфическим ограничением является и присущий им по принципу действия последовательный вывод информации, тогда как в ряде применений (например, оптические системы наведения или устройства ориентации космических аппаратов) удобнее иметь датчики с произвольным опросом. Всё это привело к тому, что в последние годы заметный интерес проявляется к т. н. приборам с активной ячейкой (APS - active pixel sensors), изготавливаемым по стандартной КМОП-технологии. Пока уступая по своим параметрам ПЗС, эти приборы быстро прогрессируют. Недавно фирма Sony анонсировала Microblock CCD - цветную ПЗС-матрицу и чипсет управления ПЗС и обработки видеосигнала, смонтированные в единый корпус со встроенным пластмассовым объективом. На выходе формируется стандартный ТВ сигнал. Размер этой цветной телекамеры - 18,3 на 18,3 на 7,3 миллиметра.

Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлениях - влево или вправо, причем все зарядовые пакеты линейки элементов будут одновременно переноситься в одну и ту же сторону.

Двухмерный массив (матрицу) элементов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп - каналы - это узкие области, которые формируются специальными технологическими приемами в приповерхностной области и препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Большинство типов ПЗС-матриц массового применения состоят из двух областей - области накопления и области хранения.

Ниже рассмотрены особенности реализации развёртки изображения в матрицах ПЗС различной топологии [10], [12], [17]:

• с кадровым переносом (КП);
• со строчным переносом (СП);
• со строчно-кадровым переносом (СКП).

За рубежом их обозначают, соответственно, индексами: FT (Frame Transfer), IT (Interline Transfer), FIT (Frame-Interline Transfer).

Типы матриц ПЗС.
Исторически первыми были разработаны матричные ПЗС с кадровым переносом (рис. 2.3.). Этот прибор содержит светочувствительную секцию накопления, состоящую из вертикальных ПЗС-регистров, отделенных друг от друга областями стоп-каналов. Непосредственно к секции накопления примыкает секция памяти, имеющая ту же структуру и то же число элементов, что и секция накопления. В конце секции памяти расположен горизонтальный

ПЗС-регистр. Число элементарных ячеек этого регистра равно числу столбцов в секциях накопления и памяти. В конце горизонтального регистра расположено выходное устройство. Секция памяти, выходной горизонтальный регистр и выходное устройство экранируются от падающего света напылением алюминиевого покрытия на поверхность кристалла.

В течение времени накопления на один или на несколько электродов секции накопления подается положительный потенциал, образующий двухмерный массив обедненных областей. Генерируемые падающим светом носители заряда собираются в близлежащих обедненных областях, причем до переполнения потенциальной ямы их количество линейно зависит от экспозиции.

По окончании времени накопления во время обратного хода по кадру на фазные электроды секции накопления и секции памяти подаются импульсы переноса. Накопленный двухмерный массив зарядовых пакетов за время переноса параллельно сдвигается из секции накопления в секцию памяти. Так как число ячеек в секции памяти равно числу ячеек в секции накопления, то каждый накопленный в секции накопления зарядовый пакет займет соответствующее место в секции памяти. После того как все зарядовые пакеты перенесены в секцию памяти, процесс накопления зарядовых пакетов возобновляется.

Одновременно с этим в секции памяти во время обратного хода по строке зарядовые пакеты построчно переносятся в горизонтальный выходной регистр. Для этого на один из электродов горизонтального регистра подается положительный потенциал, соответствующий образованию под ним потенциальной ямы, а на электроды секции памяти подаются импульсы, соответствующие параллельному сдвигу массива зарядовых пакетов на один трехфазный элемент по направлению к горизонтальному регистру. Таким образом очередная строка зарядовых пакетов оказывается в горизонтальном регистре, а следующая за ней? располагается в той строке секции памяти, которая непосредственно прилегает к регистру.

Далее, во время прямого хода по строке, зарядовые пакеты считываются из горизонтального регистра через выходное устройство, для чего на электроды этого регистра подаются импульсы переноса. По окончании считывания строки зарядовых пакетов из секции памяти сдвигается следующая строка и процесс повторяется. После того, как будут считаны все строки из секции памяти, в нее возможен перенос массива зарядовых пакетов, накопленного в секции накопления. Для реализации чересстрочной развёртки накопление в различных полукадрах реализуется под различными фазными электродами секции накопления.

К достоинствам матричных ПЗС с кадровым переносом следует отнести возможность реализации освещения со стороны подложки и полное использование светочувствительной секции, что в совокупности обеспечивает рекордный квантовый выход? до 98%. Благодаря непосредственному облучению светом поверхности кремния эти матрицы обладают высокой чувствительностью в ближней ИК-области спектра. Это обусловливает широкое применение ТВ-камер на базе матриц с кадровым переносом для задач ночного наблюдения, в том числе с ИК-подсветкой.

Существенными недостатком матриц ПЗС с кадровым переносом является вертикальный смаз от ярких деталей изображения. Во время переноса массива зарядовых пакетов из секции накопления в секцию памяти световой поток продолжает генерировать фотоэлектроны. Так как каждая потенциальная яма проходит весь столбец светочувствительной секции (частично до начала накопления, частично после), она неминуемо накопит некоторое количество зарядов от всех точек изображения, лежащих на данном столбце. В реальных изображениях встречаются области, освещённость которых во много раз превышает средний уровень освещённости наблюдаемой сцены. Наличие этих областей приводит к образованию светлого вертикального столбца, являющегося продолжением яркой детали (рис. 2.4). Уровень вертикального смаза прямо пропорционален освещённости и площади яркой детали изображения, а также длительности переноса зарядов из секции накопления в секцию памяти и может превышать порог зрительного восприятия. Эффект вертикального смаза в этих матрицах может быть устранен только перекрытием светового потока на время переноса при помощи механического затвора.

Дополнительным фактором, ограничивающим сферу применения ПЗС с кадровым переносом, является значительная площадь матрицы, обусловленная наличием секции памяти. Поскольку стоимость микросхем пропорциональна четвёртой степени диагонали кристалла, то цена этих ПЗС достаточно высока.

Матричный ПЗС со строчным переносом.
В охранном телевидении наибольшее распространение получили матричные ПЗС со строчным переносом. Для накопления зарядовых пакетов в них используются столбцы обратносмещенных фотодиодов р-типа (Hole-accumulation diode, HAD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. В первых матрицах ПЗС со сточным переносом роль фотозатвора выполнял отдельный поликремниевый электрод. В настоящее время его роль выполняет часть затвора вертикального ПЗС-регистра, выступающая за край скрытого канала переноса зарядов. В конце вертикальных ПЗС-регистров расположен горизонтальный ПЗС-регистр с выходным устройством (рис. 2.5). Все регистры ПЗС - вертикальные и горизонтальный - выполняются экранированными от падающего света.

Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий потенциал, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается положительный потенциал, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Затем с фотозатвора снимается положительное смещение и накопление зарядовых пакетов в фотодиодах возобновляется.

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров построчно переносятся в горизонтальный ПЗС-регистр, из которого поэлементно считываются через выходное устройство. Перенос из светочувстви-тельных фотодиодов в вертикальные регистры осуществляется во время обратного хода по кадру, а перенос зарядовых пакетов из вертикальных регистров в горизонтальный регистр - во время обратного хода по строке. После того как все строки зарядовых пакетов будут считаны, возможен перенос следующего двухмерного массива зарядовых пакетов из фотодиодов.

Достоинством матричных ПЗС со строчным переносом является малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры происходит в течение короткого промежутка времени. Основной недостаток матричных ПЗС со строчным переносом неполное использование светового потока вследствие наличия нечувствительных вертикальных регистров.

Для преодоления этого недостатка была реализована технология нанесения на поверхность кристалла микролинз (рис. 2.6, а).

При использовании этой технологии над каждым элементом матрицы ПЗС расположена микролинза, собирающая на элемент световой поток, падающий на не чувствительные к свету регистры переноса заряда. В развитие этого метода фирма Sony разработала технологию Hyper-HAD, позволяющую повысить чувствительность матриц ПЗС за счет увеличения размера микролинз (рис. 2.6,б).

В настоящее время "Sony" продвигает на рынок свою новую разработку? ПЗС-матрицы ExWave HAD. По сравнению с Hyper-HAD камеры на основе новой матрицы имеют лучшую чувствительность за счет более равномерной спектральной характеристики в сине-зеленой области спектра.

Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со строчным переносом может быть реализовано несколькими различными способами (рис. 2.7).

Число фотодиодов в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре. В простейшем случае в первом поле зарядовые паке-ты из нечетных фотодиодов считываются в вертикальный ПЗС-регистр, а в четных фотодиодах накопление продолжается (рис. 2.7, а). Во втором поле считываются заряды, накопленные в четных фотодиодах. Размер светочувствительного элемента по вертикали оказывается равным размеру одного фотодиода; центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании равно времени кадра (40 мс).

Большое время накопления приводит к тому, что подвижные объекты передаются с заметными искажениями. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля. В этом режиме зарядовые пакеты соседних фотодиодов объединяются попарно, причем по-разному в различных полях (рис. 2.7, б). Центры строк соседних полей при этом оказываются также расположенными на равном расстоянии. Время накопления в этом режиме равно 20 мс - времени поля, так как в каждом поле считываются зарядовые пакеты из всех фотодиодов. Несмотря на уменьшенное в два раза время накопления по сравнению с режимом накопления кадра, чувствительность матричного ПЗС остается той же, поскольку в данном режиме суммируются зарядовые пакеты с двух фотодиодов. Размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух фотодиодов по вертикали, что приводит к снижению вертикальной разрешающей способности. Так, в матричном ПЗС с 580 фотодиодами по вертикали разрешающая способность ограничивается на уровне 380 - 400 телевизионных линий.

Этого недостатка лишен режим накопления кадра с уменьшенным временем накопления (рис. 2.7, в). Он полностью эквивалентен режиму накопления кадра, за исключением того, что при считывании зарядов из одной половины фотодиодов зарядовые пакеты во второй половине сбрасываются. Благодаря этому время накопления становится равным

20 мс, а размер светочувствительного элемента по вертикали снова равным размеру одного фотодиода. Однако уничтожение половины накопленных зарядовых пакетов приводит к двукратному снижению чувствительности матричного ПЗС.

Уровень смаза в матричных ПЗС со строчным переносом существенно меньше, чем в матричных ПЗС с кадровым переносом, однако в ряде случаев он является заметным. Наличие смаза в матричных ПЗС со строчным переносом объясняется двумя основными причинами. Первая - это переотражение света в электродах вертикального ПЗС-регистра. Вторая причина связана с тем, что длинноволновые фотоны, имеющие малую энергию, проникают глубоко в полупроводник, откуда вероятность диффузии образованного электрона прямо в вертикальный ПЗС-регистр достаточно велика. Рекордно низкий уровень вертикального смаза для матричных ПЗС со строчным переносом и технологией EXview составляет минус 120 дБ при освещении белым светом.

Матричные ПЗС со строчно-кадровым переносом были разработаны специально для телевизионного вещания и в телекамерах для СФЗ используются крайне редко. Такие матрицы состоят из обычного матричного ПЗС со строчным переносом, к которому добавлена секция памяти от матричного ПЗС с кадровым переносом. Количество ячеек в секции памяти равно половине количества фотодиодов. Зарядовые пакеты, накопленные в фотодиодах, переносятся в вертикальные ПЗС-регистры, после чего на повышенной частоте передвигаются в вертикальные ПЗС-регистры секции памяти. В дальнейшем они считываются через горизонтальный ПЗС-регистр так же, как и в матричном ПЗС со строчным переносом. Особенностью данного типа фотоприёмников является то, что во время считывания зарядовые пакеты хранятся не в непосредственной близости от фотодиодов, а в секции памяти, и, таким образом, переотражение света и диффузия из глубины полупроводника искажают сигнал только во время переноса зарядовых пакетов в секцию памяти. Тем самым уровень смаза по сравнению с матричным ПЗС со строчным переносом уменьшается в 20?50 раз.

Матричный ПЗС с разделением цветовых сигналов.
Для камер цветного телевидения матрицы ПЗС с кадровым переносом непригодны из-за недостаточной чувствительности в синей области видимого спектра излучения. Кроме того, они имеют избыточную чувствительность в ближней ИК-области и для получения приемлемого качества цветопередачи требуют использования светофильтров с отсечкой ИК-области спектра. Поэтому в системах безопасности наибольшее распространение получили одноматричные цветные камеры на базе ПЗС со строчным переносом зарядов. Для выделения информации о цвете наблюдаемых объектов на светочувствительную поверхность ПЗС наносят мозаику из кодирующих светофильтров, имеющих прозрачность К(?).

Наибольшее распространение в настоящее время получил мозаичный фильтр из четырёх цветов: жёлтого (Ye = G+R), голубого (Cy = G+B), пурпурного (Mg = R+B) и зелёного (G). Пространственное расположение и спектральные характеристики элементов мозаики приведены на рис 2.8, а и б соответственно.

Такая комбинация цветов уступает по точности цветопередачи классической триаде "красный?зелёный?синий" (RGB), но обеспечивает лучшую чувствительность телекамеры.

Для обеспечения высокой чувствительности цветной ТВ-камеры обычно в ней используется режим накопления поля (рис. 2.7, б). В результате, из горизонтального регистр матрицы ПЗС для каждого элемента изображения попарно следуют отсчёты смеси цветов, например для нечётных строк: (Mg + Cy), (G + Ye), (Mg + Cy), (G + Ye) и т. д., и для чётных строк: (G + Cy), (Mg + Ye), (G + Cy), (Mg + Ye) и т.д. В дальнейшем выделяется яркостный и цветовой сигналы. Для получения яркостного сигнала для нечётных строк производится следующая операция:

Y = 1/2[(G+Ye) + (Mg+Cy)] = 1/2(2B + 3G + 2R).

Аналогичный алгоритм обработки, заключающийся в задержке во времени и попарном суммировании отсчётов, применяется и для чётных строк:

Y = 1/2[(G+Сy) + (Mg+Ye)] = 1/2(2B + 3G + 2R).

При получении цветоразностного сигнала для нечётных строк производится следующая операция:

(B - Y) = [(G + Ye) - (Mg + Cy)] = - [2B - G].

Для чётных строк алгоритм обработки также заключается в задержке и вычитании попарных отсчётов:

R - Y = [(Mg + Ye) - (G + Cy)] = [2R - G].

Приведённые выражения для чётных и нечётных строк матриц ПЗС показывают, что в видеосигнале каждой чётной строки матрицы содержится информация о цветах R и G, а в каждой нечётной - B и G. Поэтому при половинной частоте выборки можно отделить один цвет от другого. Эта операция производится в аналоговой форме с помощью отдельной схемы выборки-хранения либо в цифровой форме в видеопроцессоре. Из сигналов яркости и цветности затем получают композитный сигнал в системе PAL. Подчеркнём, что разрешающая способность ТВ-камер 480 линий реализуется только при раздельной передаче сигналов яркости и цветности (так называемый выход Y/C).

Основные требования к фотоприёмникам для цветных камер охранного телевидения вытекают из требования их совместимости с аппаратурой чёрно-белого отображения и принятыми стандартами видеозаписи. Поэтому число элементов в чёрно-белых и цветных матрицах и тактовая частота их выходного регистра одинаковы. Необходимость передачи сигнала цветности через канал с той же полосой пропускания (примерно, 6 МГц) ведёт к сокращению полосы частот яркостного канала. В результате разрешающая способность цветных ПЗС снижается на 20-30% по сравнению с чёрно-белыми с тем же числом элементов. Использование матрицы цветоделительных фильтров уменьшает световой поток, поступающий на элементы матрицы ПЗС. Это обусловливает снижение чувствительности цветных матриц ПЗС на порядок по сравнению с чёрно-белыми при той же площади элемента разложения.

Несмотря на это, цветное изображение является более предпочтительным при выполнении операций обнаружения, опознавания и идентификации. Известно, что вероятность обнаружения существенно зависит от величины отношения сигнал/шум в видеосигнале; при высоком отношении сигнал/шум для яркостного сигнала чёрно-белая камера обеспечивает несколько более высокую вероятность обнаружения. Однако при ухудшении отношения сигнал/шум величины вероятностей выравниваются, а затем вероятность обнаружения объекта для цветного изображения существенно превосходит аналогичную вероятность для черно-белого изображения. Снижение вероятности связано с дополнительными шумами в канале цветности, повышение - с возможностью обнаружения цели на фоне за счет цветового контраста. Особенно это заметно на сценах с богатой цветовой гаммой (автостоянки, участки улиц с элементами рекламы и пр.). Желание сохранить цветовую информацию привело к созданию телевизионных камер с возможностью автоматического переключения режимов из цветного в чёрно-белый при снижении освещённости ночью. В ряде камер в ночном режиме в оптическом тракте видеокамеры исключается фильтр, нормирующий спектральную характеристику ПЗС до спектральной характеристики кривой видности глаза, а цветовые сигналы используются для формирования яркостного сигнала с полным разрешением, соответствующем количеству элементов в матрице. За счет этого достигается максимальный выигрыш в отношении сигнал/шум. В более дешевых моделях камер переход в ночной режим реализуется без изменения кривой спектральной чувствительности.

Фотоприёмники с координатной адресацией.
Считывание электрического сигнала, накопленного под воздействием света может быть осуществлено двухмерной координатной адресацией к элементам фотодиодных или фоторезистивных матриц (рис. 2.9).

Поочерёдное подключение каждого из элементов разложения осуществляется с помощью электронных ключей, выполненных по технологии комплиментарных МОП-транзисторов (КМОП). Эти фотоприёмники имеют ряд достоинств по сравнению с ПЗС, хотя и уступают им по качеству изображения [18]. Можно выделить такие свойства КМОП-фотоприёмников, как низкая мощность потребления, возможность считывания произвольного фрагмента изображения, низкая стоимость. Важным преимуществом КМОП-камер является возможность реализации функций накопления, управления считыванием, квантования и обработки видеосигнала на одном кристалле. В настоящее время освоено производство однокристалльных КМОП-телекамер с непосредственным выходом на шину USB, широко используемую в персональных компьютерах.

Основной недостаток КМОП-камер связан пока с их малой чувствительностью, её неоднородностью по массиву элементов, а также с неоднородностью темновых сигналов. В настоящее время чувствительность КМОП-камер ограничена в первую очередь структурной помехой, на порядок превышающей флуктуационный шум. При компенсации структурной помехи флуктуационный шум КМОП-камер превышает аналогичное значение шума матричных ПЗС в 3-5 раз при одинаковой частоте считывания сигнала. Так как выходной сигнал насыщения у матричных фотоприемников обоих типов соизмерим, то в настоящее время КМОП-камеры имеют меньший динамический диапазон, чем ПЗС-камеры.

Схемотехнические методы компенсации неравномерных темновых сигналов хорошо освоены в телевизионных системах измерения координат точечных объектов [10], [11]. Поэтому на определённом этапе развития КМОП-телевидения предельная чувствительность камер будет достигаться применением внешних устройств компенсации темновых сигналов; на последующих этапах можно ожидать повышения однородности массива фоточувствительных элементов, как это было достигнуто в ПЗС.

Первое поколение КМОП-камер характеризовалось тем, что в них использовался единый усилитель на весь столбец фотодиодов. В камерах второго поколения к каждому фотодиоду был добавлен однотранзисторный буфер, а также введена схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) на каждый столбец. Камеры такого типа называются камерами с активным элементом. Отличие третьего поколения КМОП-камер заключается в том, что для стабилизации коэффициента усиления усилителей каждого столбца, расположенных перед схемой ДКВ, используется обратная связь. КМОП-камеры третьего поколения изготавливаются различными фирмами, в том числе не специализирующимися в области телевизионной техники.

Дата добавления: 2014-12-25