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

Рис. 5.15. Структура одного элемента матрицы ПЗС типа Power HAD

меньшее количество света. Значительно снижены утечки и уровень вертикального смаза даже при использовании данной технологии в матрицах с построчным переносом зарядов.

Практически установлено, что вертикальный смаз при работе с матрицами ПЗС с построчным переносом типа Hyper HAD имеет такой же незначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов. Матрица ПЗС фактически любого типа, снабженная внешними микролинзами на поверхности кристалла, обладает достаточно слабым «смазом» (–125 дБ).

Дальнейшее усовершенствование матрицы ПЗС модели Hyper HAD заключается в дополнительном введении внутренних микролинз, которые еще сильнее концентрируют падающий свет на светочувствительные детекторы (рис. 5.15). В этом случае уровень вертикальной тянучки («смаза») становится исчезающее малым (–140 дБ). Светоэлектрические преобразователи подобного типа обозначаются как матрицы ПЗС типа Power HAD. К важнейшим достоинствам подобных матриц следует также отнести их очень высокую чувствительность за счет увеличения светового потока, падающего на каждый светочувствительный элемент, и низкий уровень шумов.

Таким образом, ПЗС-матрицы моделей Hyper HAD и Power HAD представляют собой версию простого датчика HAD типа, усовершенствованного путем нанесения на поверхность каждого светочувствительного элемента микролинзы для направления световых лучей с затененных участков матрицы на светочувствительные площадки, то есть фотодатчики. При этом в процессе перехода к новым типам ПЗС-матриц увеличивалась апертура микролинз, снижалась площадь вертикальных регистров, формировались двояковыпуклые линзы, становился тоньше изолирующий слой и другие элементы конструкции, что привело к существенному улучшению основных технических характеристик вышеуказанных ФПМ (чувствительность, линейность, быстродействие и динамический диапазон).

5.8. Применение электронного затвора в матрицах ПЗС

Электронный затвор является неотъемлемой частью матрицы ПЗС и, когда говорят о скорости электронного затвора, являющейся одной из основных характеристик видеокамеры, подразумевают соответствующий режим работы матрицы ПЗС. Если сканирование элементов матрицы ПЗС производится 50 раз в секунду, то это будет стандартной («нормальной») скоростью электронного затвора для видеокамеры. Однако изображение быстро движущегося перед камерой объекта при такой скорости затвора будет смазано, так как во время сканирования в течение 1/50 секунды изображение объекта будет перемещаться по матрице. Уменьшение времени сканирования матрицы (эквивалентно уменьшению времени экспозиции электронного затвора при уменьшении его скорости) за счет снижения длительности считывающего импульса улучшает разрешение изображений, быстро движущихся объектов и особенно полезно, когда нужен замедленный повтор спортивных событий. Но это сокращение длительности сканирующего импульса приводит к уменьшению количества света, попадающего на светочувствительные элементы матрицы ПЗС во время их сканирования. Таким образом, увеличение скорости электронного затвора требует и увеличения апертуры для компенсации потерь света.

В современных телекамерах скорость электронного затвора (длительность импульса сканирования матрицы ПЗС) меняется ступенчато: 1/60; 1/125; 1/500; 1/1000; 1/2000 с. В некоторых передающих камерах частота сканирования (1/длительность импульса сканирования) меняется с одинаковыми ступенями по 0,5 Гц.

Для примера следует отметить, что при съемках с экрана монитора компьютера на телевизионном изображении часто появляются линии или горизонтальные полосы. Это вызвано рассогласованием частоты развертки дисплея компьютера и рабочей частоты телевизионной системы. Меняя скорость затвора, можно добиться уменьшения или даже пропадания этих горизонтальных полос.

5.9. Устройство фотоприемных матриц КМОП-типа

Современной альтернативой ФПМ ПЗС-типа является КМОП-матрица, представляющая собой СБИС (сверхбольшую интегральную схему) с внутрикристалльными схемами управления и обработки изображения. Причем, термин КМОП относится, в основном, к технологии изготовления матриц (чипов), а не к конкретному типу светочувствительного датчика. Например, для изготовления КМОП-матриц используется стандартная (конвейерная) кремниевая технология производства чипов. По такой технологии изготавливается большинство микропроцессоров. Все это в значительной степени удешевляет процесс изготовления КМОП-матриц. По данным фирмы Ikegami КМОПкристалл стоит в 26 раз меньше, чем аналогичная по разрешающей способности ПЗС-матрица.

Рис. 5.16. Функциональная схема ФПМ КМОП-типа

Типовая архитектура ФПМ КМОП-типа показана на рис. 5.16. Непосредственно датчик видеосигнала состоит из матрицы активных фотоприемных ячеек (активных пикселей, которые обычно разделяются на строки), схемы выбора строк, например, сдвигового регистра, процессоров аналогового сигнала (аналоговых усилителей считывания на выходе каждого столбца), АЦП, схемы выбора столбцов, а также схемы синхронизации и управления. Процессоры аналогового сигнала, наряду с усилением выполняют функции накопления зарядов, то есть хранения, и двойной коррелированной выборки. Каждый столбец пикселей имеет свой собственный АЦП. Причем, цифровой выход АЦП выбирается для считывания столбца логической схемой выбора.

Активный элемент ФПМ КМОП-типа образован фотодиодом (ФД) и четырьмя транзисторами, которые выполняют функции предустановки и считывания заряда, накопленного фотодиодом (рис. 5.17) [53].

Рис. 5.17. Электрическая схема активного пикселя ФПМ КМОП-типа

На транзисторе VT3 активного пикселя выполнен нетоковый повторитель, транзистор VT4 является элементом выборки строк. В режиме интегрирования видеосигналов, соответствующих проецируемому изображению объекта, импульс R, подаваемый на транзистор VT2, равен 0. Фотодиод накапливает фотогенерируемые электроны. По мере их накопления потенциал диода уменьшается. В результате потенциал общего узла, то есть соединения транзисторов VT1,VT2,VT3, оказывается плавающим. В режиме выборки на транзистор VT2 поступает импульс восстановления R = 1, в результате чего транзистор VT2 открывается и потенциал плавающего узла восстанавливается до исходного уровня. Затем на все активные элементы выбранной строки подается импульс TG1 = 1, который поступает на затвор транзистора VT1, открывая его. Накопленный фотодиодом сигнальный заряд поступает на плавающий узел. После прихода импульса выборки строки RS = 1 открывается транзистор VT4. Транзисторы VT3, VT4 и общий нагрузочный транзистор столбца образуют истоковый накопитель, и на шину столбца поступает усиленный по мощности сигнал фотодиода. Коэффициент передачи по напряжению истокового повторителя близок к единице. На шины столбцов подаются считанные сигналы всех элементов выбранной строки. Дешифратор столбцов последовательно выбирает сигналы шин и передает их на схему аналоговой обработки сигналов отдельных активных элементов матрицы. После окончания режима считывания сигнала RS = 0 и транзистор VT4 закрывается. Начинается процесс накопления зарядов следующего кадра изображения.

Основное достоинство КМОП-матрицы по сравнению с матрицей ПЗСтипа заключается в возможности интеграции на одном кристалле функций приема и обработки видеосигналов (например, возможна реализация однокристальной камеры с цифровым выходом).

Это объясняется тем, что в матрице КМОП-типа каждый активный фотоприемный элемент снабжен своим индивидуальным усилителем, преобразующим электрические заряды в электрические сигналы (видеосигналы) поэтому перенос зарядов в горизонтальном направлении не нужен и возможно высокоскоростное считывание видеоданных.

Вследствие этого фотоприемные элементы не требуют высокого управляющего напряжения и могут быть смонтированы в одной микросхеме совместно с многочисленными периферийными цепями.

Другими достоинствами КМОП-матриц являются низкая потребляемая мощность (например, передающая камера на КМОП-датчике потребляет примерно 20% мощности, необходимой для аналогичной камеры на ПЗС-матрице), возможность программирования интересующих пользователя окон в плоскости анализируемого изображения, высокая скорость считывания видеоданных, отсутствие шумов излучения.

К основным недостаткам КМОП-матриц следует отнести высокий уровень шума, обусловленный тем, что каждый активный элемент содержит несколько МОП-транзисторов и несколько шин, относительно низкая чувствительность, приводящая к снижению качества преобразования изображения в видеосигнал в условиях низкой освещенности, более высокие значения темнового тока, боль-

шие по сравнению с ПЗС-матрицами геометрические размеры активного элемента, следовательно, меньшая разрешающая способность.

Меньшая фоточувствительность активных пикселей КМОП-матрицы обусловлена тем, что часть площади каждой фотоячейки занята схемой управления

иобработки видеосигналов, например, отфильтровывает шум. Отношение площади фотоприемной ячейки, открытой свету, ко всей площади пикселя называется коэффициентом заполнения. ПЗС-датчики имеют коэффициент заполнения, фактически равный 100%, а КМОП-матрицы имеют гораздо меньший по значению коэффициент заполнения. Чем ниже коэффициент заполнения, тем менее чувствительным является фотодатчик, и тем большая по длительности требуется экспозиция. Слишком низкий по значению коэффициент заполнения делает съемку внутри помещения без ламп-вспышки фактически невозможной. Чтобы компенсировать небольшое значение коэффициента заполнения, к каждому активному пикселю может быть добавлена микролинза, которая будет собирать световой поток со всей площади фотоприемной ячейки

ифокусировать его в область, открытую для света.

Теоретически КМОП-матрица может работать в любом стандарте разложения, так как индивидуально считывается каждый элемент матрицы. Однако при этом возникает проблема структурного шума. Поскольку такой шум «фиксированный», то его относительно легко можно удалить с помощью последующей цифровой обработки. Например, фирма Arri использует специальные алгоритмы для подавления практически любых видов структурного шума.

Для устранения шумовой составляющей процесса восстановления в КМОП-матрице было предложено заменить фотодиод фоточувствительным затвором, в потенциальной яме которого накапливаются фотогенерируемые сигнальные заряды (рис. 5.18) [53].

В этом случае в режиме считывания на затвор транзистора VT1 подается его импульс восстановления R1, что приводит к восстановлению до исходного уровня потенциала плавающего затвора.

Рис. 5.18. Электрическая схема светочувствительного элемента с фотозатвором