Цифровые камеры

Устройство цифрового фотоаппарата схематично представлено на рис. 4.8.

Рис.. Схематическое устройство цифрового фотоаппарата

Профессиональные репортерские (еще их называют «полевые») цифровые фотоаппараты можно разделить на два типа - с одной ПЗС-матрицей и с тремя ПЗС-матрицами. В аппаратах первого типа все составляющие (R, G, B) цвета воспринимаются фоточувствительными ячейками одного ПЗС, для чего перед матрицей устанавливается пленочный светофильтр с построчными или мозаичным (сотовым) чередованием R- G- или В-фильтров (перед каждой микроячейкой - свой микроскопический зональный светофильтр). Пробелы информации между ячейками одного цветовосприятия восполняются алгоритмически интерполяцией данных, снятых в соседних ячейках. В фотоаппаратах с тремя матрицами перед каждой из них ставится свой зональный светофильтр (R, G или В) и все ячейки одной матрицы снимают информацию об одном компоненте цвета проецируемого на фотоприемник изображения.

6.2 Структура ТВ камер на ПЗС матрицах

В современных разработках передающих камер применяются твердотельные аналоги передающих трубок – однострочные и матричные приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рис. 35 изображена структурная схема цветной телевизионной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС.

Рисунок 35 – Структурная схема цветной ТВ камеры на матрицах ПЗС

Изображение передаваемого объекта вариообъективом проецируется на светоделительный блок, который разделяет световой поток на три составляющие. Принцип получения сигнала изображения рассмотрим для одного из каналов на примере ПЗС с кадровым переносом зарядов. Основной элемент каждого из каналов – матрица ПЗС. Она преобразует распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда – потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во время следования кадрового гасящего импульса все поле зарядов перемещается в соответствующие зоны хранения, экранированные от светового потока (секция памяти). В течение следующего периода накопления во время следования строчных гасящих импульсов заряды построчно перемещаются из секции памяти к выходному регистру сдвига. В нем в период активной части строки заряды придвигаются к выходному устройству. Таким образом, на выходе матрицы образуется ТВ сигнал в виде поэлементной последовательности импульсов различной амплитуды, пропорциональной освещенности элементов секции накопления. Перемещение зарядов в матрице ПЗС – развертка изображения – производится с помощью тактовых импульсов синхрогенератора, образующихся в формирователях импульсов секций накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного регистра (ФИВ).

Использование в ЦТВ камерах твердотельных сигналов вакуумных передающих трубок позволило значительно сократить габариты, вес и потребляемую мощность камеры, а также существенно повысить надежность ее работы. Дополнительным достоинством камер на матрицах ПЗС является ее так называемый «жесткий растр», т.е. точная привязка координаты передаваемой точки текущему времени, что оказывается определяющим параметром при решении некоторых прикладных задач.

В современных видеокамерах, как правило, применяются матрицы ПЗС, обеспечивающие большую надежность работы при достаточно высоких параметрах. Число строк матрицы принимает значения от 380 до 900. Внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненные преимущества. Отсутствие громоздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ элементов конструкции, позволило в значительной степени снизить размеры и массу камер на ПЗС по сравнению со своими предшественниками. Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника ТВ камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность. Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность ТВ камер. Их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры. Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС. В обычной ТВ камере электроннолучевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишени значительное количество света. Это происходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или осветительный прибор). В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточного опыта или условий для проведения съемки. В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" и 1/6" приборы с зарядовой связью (ПЗС). Число пикселов (пиксел – один элемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300 до 1000. Количество элементов матрицы обеспечивает горизонтальное разрешение изображения в зависимости от модели 300...600 телевизионных линий (твл). 6.3 Технология изготовления матричных ПЗС Матрицы ПЗС изготавливаются по МДП-технологии с двухслойным диэлектриком (Si3N4–SiO2) и скрытым каналом N-типа. Минимальная ширина линий на поле 20х20 мм составляет 1 мкм. Двух-, трех- или четырехуровневая структура системы электродов переноса выполняется из поликристаллического кремния, легированного фосфором. Система металлизации приборов состоит из одного или двух уровней алюминия, осаждаемого методом магнетронного распыления или терморезистивным методом. Для электрической изоляции уровней металлизации используется слой оксида кремния, получаемого методом осаждения из газовой фазы, стимулированного плазмой (PECVD). Для формирования необходимого потенциального рельефа в ячейках матриц последовательно проводятся несколько (от двух до пяти) операций прецизионного легирования ионами фосфора и бора с дозами в диапазоне 1012–1013 см^-2. Матричные приемники ИК-диапазона имеют структуру с барьером Шотки на основе силицида платины. Оригинальная технология изготовления этих приборов включает ряд специфических операций, таких как напыление сверхтонких слоев платины, специальный отжиг для формирования силицида требуемого состава, формирование структуры оптического резонатора и нанесение просветляющего покрытия на обратную сторону подложки.
Сборка приемников в корпуса проводится с обеспечением прецизионных геометрических параметров. При этом возможна сборка в корпуса специальной конструкции, в том числе в вакуумплотные газонаполненные с микроохладителями на эффекте Пельтье, в корпуса с входными окнами из высококачественного оптического стекла, кварца или из волоконно-оптических пластин.Фотоэлектрические параметры приборов измеряются с помощью разработанных на предприятии автоматизированных контрольно-измерительных стендов, обеспечивающих многоступенчатую систему контроля с полным компьютерным управлением. Благодаря точному выбору режима внутреннего геттерирования и специальному водородному отжигу удалось получить низкий темновой ток. На применяемые в производстве ПЗС конструктивно-технологические решения получен ряд авторских свидетельств.6.4 Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью(ФПЗС)

ГУП "НПП "Электрон-Оптроник" разрабатывает и выпускает более 10 моделей ФПЗС различных типов на диапазон длин волн от 0,2 до 5,5 мкм (УФ – ИК-диапазоны). При этом пять моделей – это традиционные для "НПП "Электрон-Оптроник" приборы с модифицированной структурой "виртуальной фазы" (ВФПЗС), созданной в 80-е годы специалистами предприяти «НПП «Электрон-Оптроник». Это приборы форматом от 386х298 до 1300х1225 элементов с так называемой "2,5-фазной структурой" (рис.36), имеющей ряд преимуществ перед оригинальной конструкцией, в числе которых возможность двунаправленного переноса заряда, в полтора-два раза большая зарядовая емкость (и соответственно динамический диапазон прибора), симметрия апертурной характеристики, простая технология изготовления.

Рисунок 36 –Поперечное сечение ФПЗС с виртуальной "2,5-фазной структурой" Во всех ВФПЗС предусмотрена кадровая организация переноса. Секция накопления их выполнена по двухуровневой поликремниевой технологии. Выпускаются ПЗС с односекционной (Full-Frame) архитектурой или с двумя идентичными секциями, объединенными в единый фоточувствительный массив (Split Full-Frame), а также ПЗС с двухсекционной архитектурой, работающие в режиме кадрового переноса (Frame-Transfer). Практически все ФПЗС отличаются высокой квантовой эффективностью в УФ- и видимой областях спектра (в среднем около 25 % на 250 нм и до 60% в максимуме, рис. 37). Для них характерны низкие значения неоднородности чувствительности по полю изображения (менее 3%), темновых токов (1-7 электронов при -35^оС) и шумов считывания (8-12 электронов при частоте считывания 1 МГц). Для ПЗС типа ISD-017A на частоте считывания 50 кГц удалось снизить уровень шумов считывания до четырех электронов. Рисунок 37 – Типовые спектральные характеристики ВФПЗС Основные области применения ВФПЗС – системы астроориентации и астронавигации искусственных спутников Земли и космических станций, наземная и космическая астрономия, экспериментальное физическое оборудование, биолого-медицинская аппаратура (системы рентгеновской диагностики, флуоресцентной микроскопии, рис. 38), устройства криминалистики, экологического мониторинга и многие другие.

Рисунок 38 – Изображения, полученные с помощью ПЗС ISD-017AP на установке цифровой флюорографии (а) и цифровой рентгенографии (б). Доза облучения пациента в 20 раз меньше, чем в стандартной установке Для технических систем сверхбольшого телескопа Южно-Европейской обсерватории (проект ESO-VLT) специально разработан ВФПЗС типа ISD-049AP с прецизионной установкой кристалла в корпус. За пять лет было поставлено более 70 таких приборов. Для считывания изображения с выходных экранов различных электронно-оптических преобразователей выпускаются ПЗС с волоконно-оптическим входным окном (ВОП ПЗС). Изготавливаются они по прецизионной технологии монтажа входного окна, обеспечивающей равномерный по всей площади ПЗС зазор (примерно 3-5 мкм) между внутренней поверхностью волоконно-оптической планшайбы и фоточувствительной поверхностью ПЗС. Характеристики ВОП ПЗС приведены в табл.2. Все матричные ФПЗС выпускаются как в неохлаждаемом варианте, так и в вакуумно-плотном газонаполненном корпусе с термоэлектрическим охлаждением.Разработки ФПЗС не прекращаются. Продолжается выпуск малыми сериями утоньшенных электронно-чувствительных приборов этого типа с форматами 520x580 и 1024x1024 элементов.6.5 ПЗС для работы в режиме временной задержки и накопления (ВЗН)

В отдельный класс ПЗС выделены приборы, работающие в ВЗН-режиме и применяемые в основном для решения задач дистанционного зондирования Земли. Создан и серийно выпускается ВЗН ПЗС с числом элементов 1024х128, размером элементов 9 мкм и электронной регулировкой времени экспозиции. Предусмотрена возможность создания на основе таких ПЗС гибридных сборок, эквивалентная скорость считывания с двух выходов которых достигает 12 МГц. Разрабатывается новая версия этого прибора с улучшенной чувствительностью и эффективной частотой считывания 30 МГц. Изучается возможность изготовления ФПЗС ВЗН-режима с размерами элемента до 6-7 мкм. Ведутся работы по созданию прибора с эффективным шагом элементов 4,5 мкм (две матрицы 9х9 мкм на одном кристалле со сдвигом на полшага), а также спектрозонального ВЗН ПЗС, содержащего на одном кристалле три матрицы (каждая со своим светофильтром). 6.6 ИК ПЗС с барьерами Шотки из силицида платины

ИК-направление представлено приборами со строчно-кадровой организацией на барьерах Шотки форматом 256х290 элементов и новыми разработками – приборами с форматами 480х320 элементов и 320х240 элементов (табл.3). Матричный ИК ПЗС (рис. 39) представляет собой монолитный прибор со строчно-кадровым переносом и объемным каналом. Его фоточувствительная секция выполнена на основе диодов с барьером Шотки из силицида платины. Информация с фоточувствительного массива считывается с помощью вертикальных и горизонтального ПЗС-регистров с четырех- или трехфазной организацией. Рисунок 39 – Матричный ИК ПЗС ISD200М В ближайшей перспективе предполагается создать ИК ФПЗС на барьерах Шотки форматом 1024х128 элементов для работы в режиме ВЗН.6.7 Цифровые ПЗС-камеры УФ- и видимого диапазонов В области малокадровых цифровых ПЗС-камер на предприятии освоен малосерийный выпуск камеры нового поколения типа S1C. Это – компактная моноблочная 14-разрядная цифровая камера с двумя режимами опроса ПЗС (скоростным и точным), регулируемым временем экспозиции ПЗС (от 1 мс до 3000 с) и с большим числом встроенных функций обработки изображения.
Особенность камер типа S1С – полностью цифровая обработка видеосигнала (двойная коррелированная выборка, привязка к уровню черного и др.). Управление камерой и отображение видеоинформации осуществляется с помощью компьютера. Конструктивно камера выполнена в виде моноблока (100х80х90мм) с выносным блоком питания. Базовый интерфейс с компьютером – последовательный, расстояние до компьютера в основном варианте – до 15 м (с оптоволоконным интерфейсом – до 100 м). Для подключения к компьютеру используется PCI-адаптер, обеспечивающий ввод изображения в реальном времени.Камера может быть выполнена на ФПЗС различных форматов, обеспечивая гибкое управление режимами их работы. Предусмотрены различные алгоритмы очистки датчиков, триггерный режим и режим дрейфового сканирования (drift scan). Динамический диапазон (в зависимости от типа датчика и режима считывания) достигает 15000. Программное обеспечение поддерживает все режимы работы камеры, а также некоторые операции предварительной обработки изображения.Основные области применения ПЗС-камер типа S1C – астрономические исследования (рис. 40 а, б), физические эксперименты, экологический мониторинг, микробиология (цифровая микроскопия), криминалистика и многие другие.

Рисунок 40 – Изображение звездного скопления М13 в созвездии Геркулеса (а) и галактики М51 из созвездия Гончих Псов (б), полученные в Андрушевской народной обсерватории (Украина) на 60-см телескопе с помощью камеры типа S1C на основе ПЗС ISD-017AP (1040х1160) Сейчас разрабатывается усовершенствованная версия камеры S1C – модель S3C. Эта камера нового поколения отличается от предыдущей возможностью охлаждения ПЗС до -70°С, наличием 16-разрядного АЦП, промежуточного USB II-адаптера и FireWire- (стандарта IEEE 1394) интерфейса.Для решения задач, не требующих применения широкоформатных ПЗС и 14-, 16-разрядного преобразования сигнала, разработана недорогая 12-разрядная цифровая ПЗС-камера широкого применения модели S249 на основе охлаждаемого ПЗС-датчика типа ICX249AL фирмы Sony. Охлаждение ПЗС-датчика до -20°С позволяет резко снизить темновой ток, что в сочетании с эффектом антиблюминга позволило создать ПЗС-камеру с управляемым в широких пределах временем экспозиции ПЗС (от 256 мкс до 20 мин). Камера особенно эффективна для наблюдения за малоподвижными и неподвижными объектами при низких уровнях освещенности. 6.8 Высокочувствительная ПЗС-камера модели S2X для круглосуточной работы Для решения задач круглосуточного (диапазон освещенностей от 10-5 до 103 лк без объектива) наблюдения и картографии с борта маловысотного летательного аппарата при повышенных требованиях к механо-климатическим параметрам приборов разработана цифровая камера типа S2X на основе ПЗС, состыкованного с выходом усилителя яркости изображения. В ней реализованы различные режимы автоматического или внешнего (от компьютера) управления усилением.Камера состоит из двух блоков: выносной камерной головки и системы управления. В камерной головке находится датчик изображения – ЭОП на МКП типа XX1450 производства фирмы DEP (Нидерланды), который через волоконно-оптическую планшайбу сочленен с кристаллом специально разработанного ПЗС с волоконно-оптическим входом типа ISD-070 форматом 512х512. Для лучшего согласования чувствительности ПЗС со спектральной характеристикой люминофора ЭОП конструкция ячейки прибора выполнена с учетом обеспечения повышенной чувствительности в синей и голубой областях спектра. Предусмотрена и защита от оптических перегрузок (антиблюминг). Максимальная кадровая частота камеры составляет 20 Гц. Возможен режим длительного накопления (до 25 с). Выходной сигнал – 12-разрядный при частоте квантования 6,7 МГц. Особенность камеры – полностью цифровая обработка видеосигнала (ДКВ, привязка к уровню черного и АРУ, коррекция гистограммы). В камере реализованы защита ЭОП при пересветках, формирование сигнала необходимости включения внешней подсветки при недостаточной освещенности.Камера рассчитана на работу в диапазоне температур
-40…50°С с учетом повышенных требований к механической стойкости. Программное обеспечение под Windows 95/98 содержит средства управления камерой и отображения изображения в реальном времени непосредственно на дисплее компьютера. ПО позволяет производить некоторые виды обработки изображения в реальном времени – цифровое накопление, гамма-коррекцию, изменение масштабов, построение гистограмм и сечений. Изображение может быть записано в файл в стандартных форматах.Сейчас разрабатывается следующая версия камеры с расширенным диапазоном входных освещенностей (до 150 дБ, а при использовании объектива с автоматической диафрагмой – до 175 дБ), двух- и моноблочной конструкцией, усилителем яркости с повышенной чувствительностью и разрешающей способностью.6.9 Цифровые тепловизионные системы среднего ИК-диапазона Ведутся работы по совершенствованию и разработке новой модификации тепловизионной цифровой камеры TVC200ML для работы в диапазоне 3–5,5 мкм. Камера представляет собой моноблок, в котором расположены азотный криостат с установленным в нем ИК ПЗС и комплект электронных устройств для съема, преобразования и цифровой обработки сигнала. Время непрерывной работы криостата (без дозаправки) не менее 6 ч.Камера комплектуется объективами с фокусным расстоянием 40, 100 и 240 мм и реализует температурную чувствительность (разность температур, эквивалентную шуму) не хуже 0,1°С при 30°C. Выходные сигналы камеры – 12-разрядный цифровой поток с частотой дискретизации 2,5 МГц и черно-белый телевизионный видеосигнал по ГОСТ 7845-72. Данные вводятся в компьютер через специальную цифровую плату захвата изображения, соединенную с PCI-шиной (входит в комплект поставки), с использованием параллельной (до 2 м) или последовательной (до 100 м) линии связи.Тепловизионные камеры семейства TVC предназначены для обнаружения и распознавания объектов в ночных условиях, поиска утечек тепла в зданиях, сооружениях и тепловых сетях; выявления перегретых элементов в силовых электро-энергетических системах (подстанциях, распределительных щитах); диагностики и исследований в медицине, биологии, машиностроении и т.п.Камера TVC200ML успешно проходит клинические испытания в нескольких медицинских центрах Санкт-Петербурга по тепловизионной диагностике различных заболеваний и контролю за ходом их лечения (рис. 41). Разработана новая модель TVC480ML на ПЗС форматом 480х320 элементов.
Кроме того разрабатывается ИК ПЗС-камера с использованием микрохолодильника замкнутого типа ("Стирлинг"). Рисунок 41 – Термографическая диагностика подагры – воспаление левой стопы (а) и термография тела пациента (б)

Твердотельные формирователи изображений широ­ко используются при формировании изображений в видимой области света. Что касается их применения для рентгеновской области спектра, то здесь существу­ет ряд ограничений и особенностей, связанных со сла­бой эффективностью прямого преобразования энергии рентгеновских квантов в заряд в относительно тонком кремниевом детекторе, изготовленном на пластинах кремния толщиной около 0,5 мм. В связи с этим необ­ходимо применение таких конверторов как сцинтилляторы — для более полного преобразования энергии рентгеновских квантов в этом случае в световое из­лучение с последующей регистрацией фотоприемны­ми устройствами видимого диапазона.

Дата добавления: 2013-12-14