Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

тах. В результате активная площадь светочувствительных ячеек оказывается сравнительно небольшой (около 23%). Поэтому в последнее время многие зарубежные фирмы, в том числе и фирма Sony, стали применять в качестве светочувствительных ячеек в матрицах ПЗС СП фотодиоды различной конструкции в совокупности с объемными стоками для удаления избыточных зарядов.

В упрощенных конструкциях одноматричных телекамер, использующих ПЗС-сенсор СП-типа, возможность различения цветов обеспечивается за счет использования комплементарных мозаичных фильтров, имеющих другое название – массив цветных фильтров (CFA – Color Filter Array), и последующей математической обработки сигналов изображения в цифровых сигнальных процессорах [51]. В этом случае над всеми светочувствительными элементами ПЗС-матрицы под микролинзами размещены мозаичные фильтры, каждый из которых может пропускать световые лучи определенного цвета: Ye – желтый фильтр, пропускающий световые лучи красного и зеленого цветов (синий подавляется), Cy – сине-зеленый фильтр пропускает лучи синего и зеленого цветов (подавляется красный цвет), G – зеленый фильтр, пропускающий лучи зеленого цвета (красный и синий подавляются), Mg – пурпурный фильтр пропускает лучи красного и синего цветов (лучи зеленого цвета подавляются).

Совокупность ячеек мозаичного фильтра, расположенных под одной микролинзой, представляет собой группу из 16 элементов, как показано на рис. 5.9. Причем каждый элемент мозаичного фильтра прикрывает один из светочувствительных элементов ПЗС-матрицы. Сдвиг зарядов в горизонтальный регистр матрицы (Hreg) происходит парами А1 и А2 в нечетных полях и В в четных. В результате на выходе горизонтального регистра матрицы последовательно во времени чередуются электрические импульсы, вызванные световым излучением различных цветов. В строках А1 сигналы следуют в порядке (G + Cy), (Mg + + Ye), (G + Cy), …. Полученные сигналы используют для формирования яркостного Y и цветоразностного R-Y сигналов путем суммирования и вычитания соседних сигналов по следующим алгоритмам: Y = [(G + Cy) + (Mg + Ye)] 0,5 = = 0,5(2B + 3G + 2R); R-Y = [(Mg + Ye) – (G + Cy)] 0,5 = 2R – G. Для получения яркостного и цветоразностного В-Y сигналов суммируют и вычитают сигналы строк А2. Аналогичный алгоритм используют для четных полей В. Все операции осуществляют в цифровом сигнальном процессоре после преобразования выходного аналогового сигнала ПЗС-сенсора в цифровой. При этом качество и однородность цветного изображения во многом зависит от идентичности спектральных характеристик единичных элементов мозаичных фильтров.

Рис. 5.9. Структура мозаичного фильтра комплементарного типа

5.5.Технология кадрово-строчного переноса зарядов

Втрехматричных камерах вещательного телевидения необходимо дальнейшее снижение уровня смаза вплоть до тех пор, пока он не станет существенно меньшим уровня шумов даже при значительных локальных пересветах. Поэтому для повышения качества формируемого изображения в ПЗС был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом кад- рово-строчного или гибридного переноса [37, 51].

Указанный принцип объединил в себе особенности двух предыдущих методов – построчного и покадрового переноса зарядов (рис. 5.10).

Верхняя секция преобразователя работает точно так же, как и матрица ПЗС

спострочным переносом зарядов. В этом случае заряды от светочувствительных датчиков поступают на вертикальные регистры сдвига во время кадрового гасящего импульса, но затем осуществляется перенос зарядов в секцию хранения и далее к регистру горизонтального сдвига.

Рис. 5.10. Конструкция матрицы ПЗС с кадрово-строчным переносом зарядов

Благодаря наличию в матрицах ПЗС КСП дополнительной секции хранения зарядов на длительность телевизионного поля частота переноса зарядов из вертикальных ПЗС-регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз (до 60 раз) больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС с построчным переносом зарядов. В данном случае закрытые непрозрачной маскирующей пленкой пакеты зарядов становятся невосприимчивыми к мощным пересветам. Таким образом, заряды искажаются в 60 раз меньше по сравнению с вариантом, используемым в ПЗС с СП. Это и позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Практически уровень смаза снизился до 0,0002% и стал практически незаметным даже при значительных локальных пересветах. В названных четырехфазных матрицах ПЗС КСП фирмы Sony используется электронное регулирование длительности накопления зарядов (электронный фотозатвор) при передаче быстродвижущихся изображений с целью повышения динамической разрешающей способности. В этом случае заряды, накопленные в светочувствительных ячейках за выбранную часть длительности поля (1/125, 1/500, 1/1000 или же 1/2000 секунды, например), переносятся в секцию памяти во время полевого гасящего импульса, а все ненужные заряды, накапливаемые в остальное время, предварительно удаляются в специальный сток, расположенный в верхней части матрицы. Могут использоваться и другие способы удаления ненужных зарядов.

Из рис. 5.11 видно, что часть светочувствительной поверхности секции накопления покрыта непрозрачными для света вертикальными регистрами переноса, что существенно снижает световую чувствительность таких ПЗС по сравнению с ПЗС с переносом кадра. Преодолеть этот недостаток позволило применение микролинз, которые располагаются перед каждым фотодатчиком и поэтому практически весь свет собирается на них, минуя закрытые от света участки секции накопления. Этим достигается высокая светочувствительность матриц ПЗС [52].

Первооткрывателем микролинз стала фирма Sony. Теперь матрицы ПЗС с микролинзами используют Panasonic, Ikegami, Toshiba, Hitachi и другие фирмы.

Матрицы ПЗС с кадрово-строчным переносом зарядов устанавливаются в высококачественных и, как следствие, наиболее дорогих теле- и видеокамерах.

Рис. 5.11. Конструкция матрицы ПЗС с микролинзами

Эти матрицы обеспечивают наиболее высокое качество формируемых видеосигналов, объединяя все преимущества кадрового и строчного переноса зарядов.

У матриц ПЗС КСП есть и свои недостатки. Поскольку матрица является сложной составной структурой и использует большую площадь интегральной схемы из-за необходимости наличия отдельной секции накопления, она становится более дорогостоящей в процессе производства.

5.6. Основные характеристики и параметры матриц ПЗС

Характеристики преобразователей свет-сигнал на основе матриц ПЗС в конечном счете отражают качество формируемого в телевизионной системе изображения. К их числу относятся: характеристика преобразования свет-сигнал, чувствительность, шумы преобразователя, спектральная характеристика, разрешающая способность и другие [49]. Вместе с этими важными свойствами матричных преобразователей достаточно существенными являются эксплуатационные параметры: размеры, масса, ремонтопригодность.

Характеристика преобразования свет-сигнал представляет зависимость выходного видеосигнала от освещенности соответствующего участка изображения. Эта характеристика определяет передачу градаций яркости (освещенности) матрицы ПЗС. Связь между значением выходного сигнала Iс или Uс и освещенностью E может быть линейной или более сложной. Обычно эту харак-

теристику аппроксимируют степенной функцией Iс E , где – значение темнового тока; – коэффициент, определяющий чувствительность преобразователя; – коэффициент, характеризующий степень нелинейности характеристики. Для преобразователей на базе ПЗС = 1, то есть характеристика преобразования линейна (рис. 5.12). Иногда вводят представление о широте характеристики как диапазоне освещенностей, в котором может работать преобразователь. Минимальное значение Emin этого диапазона определяется допустимым отношением сигнал/шум, а максимальное Emax – заданным значением (как правило, с ростом освещенности уменьшается) или возникающими искажениями на изображении типа «растекания» изображения ярких деталей

Рис. 5.12. Характеристика преобразования матрицы ПЗС

(растекания зарядов в ПЗС). Возникновение указанных искажений связано с заполнением потенциальных ям максимальным зарядом. Для ПЗС этот параметр определяется как отношение наибольшего зарядового пакета, который может быть накоплен в пикселе к шуму считывания. Чем больше размер пикселя ПЗС, тем больше электронов может удерживаться в нем. Для разных типов ПЗС эта величина составляет от 75 000 до 500 000 и выше. Большой динамический диапазон особенно важен для регистрации изображения в уличных условиях при ярком солнечном свете или в ночных условиях.

Характеристика преобразования вместе с шумовыми параметрами преобразователя определяет число передаваемых градаций яркости (освещенности) изображения. Существенным вопросом при этом является определение начала отсчета сигнала. Темновой ток ПЗС связан с тепловой генерацией электроннодырочных пар и пропорционален времени накопления заряда, площади элемента, зависит от температуры преобразователя и темпа термической генерации носителей заряда, создаваемых рекомбинационно-генерационными центрами у поверхности и в объеме полупроводниковой подложки.

Характеристики преобразования в различных частях матрицы ПЗС, как правило, различаются, что вызвано рядом технологических факторов (например, неидентичностью толщины электродов элементарных накопителей; различием концентрации примесей в накопительных ячейках, размеров светочувствительных элементов). Это приводит к неравномерности видеосигнала по полю изображения. В промышленных образцах матриц ПЗС неравномерность крутизны характеристики преобразования не превышает 5%.

Чувствительность преобразования свет-сигнал определяется как вели-

чина, обратная освещенности, необходимой для формирования на выходе телекамеры сигнала с заданными параметрами. Чаще всего в качестве такого параметра используют заданное отношение сигнал/шум. Следует заметить, что обычно учитывают флуктуационные шумы, возникающие в процессе формирования видеосигнала, его усиления. Однако в качестве шумов, ограничивающих чувствительность преобразователя, в ряде случае могут выступать структурные помехи ПЗС, неравномерность сигнала по полю изображения. При отношении сигнал/шум около 50…60 дБ и относительном отверстии объектива 1:1,4 номинальная чувствительность матриц ПЗС составляет 100…200 лк–1.

Отрицательным следствием высокой чувствительности матриц ПЗС в инфракрасном диапазоне является повышенная зависимость шумов преобразователя свет-сигнал от температуры. Основная причина сдвига чувствительности ПЗС-телекамер в инфракрасную область по сравнению с другими полупроводниковыми приемниками излучения связана с тем, что более красные, то есть инфракрасные, фотоны проникают дальше в кремний, так как прозрачность кремния больше в длинноволновой области и при этом вероятность захвата фотона (преобразования его в фотоэлектрон) стремится к единице.

Для повышения чувствительности в коротковолновом диапазоне в поликремниевых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет примерно 15…20%, что позволило использовать матрицы ПЗС в цветном телевидении.