Материал: fW5B0fDXqV

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПРИЕМА И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЙ

Электронные методические указания к лабораторным работам

2-е издание, дополненное

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 2014

1

УДК 621.38:681.327

Электронные приборы для приема и воспроизведения изображений: Электрон. метод. указ. к лаб. работам, 2-е изд., доп. / Сост.: А. Ю. Волков, А. Ю. Грязнов, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014. 32 с.

Содержат описание лабораторных работ, позволяющих изучить основные характеристики систем и средств сбора, обработки и отображения информации.

УДК 621.38:681.327

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве электронных методических указаний

Редактор Н. В. Лукина

Подписано в печать 29.12.14. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,0.

Гарнитура «Times New Roman». Тираж 10 экз. Заказ 252.

© СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014

2

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДЕОКАМЕРЫ НА ОСНОВЕ ПЗС МАТРИЦЫ

Целью работы является ознакомление с устройством, принципом действия и характеристиками видеокамеры на основе ПЗС матрицы.

Устройство и принцип действия ПЗС матрицы.

Видеокамера – устройство приема изображения. На данный момент существует много различных типов видеокамер. Характерным отличием одной видеокамеры от другой является метод получения изображения. ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица относится к твердотельным датчикам изображения.

ПЗС матрица обладает как и целым рядом достоинств, так и недостатков. К достоинствам можно отнести: низкий уровень шума матрицы, высокую чувствительность и высокую квантовую эффективность. К недостаткам можно отнести: сложность технологического процесса производства, высокое энергопотребление, относительно низкое быстродействие, невозможность работы с частью изображения.

Твердотельный датчик изображения состоит из массива элементарных ячеек - пикселей. Принципа работы датчика представлен на рис.1.1.

Рис. 1.1. Элемент ПЗС матрицы.

Структура матрицы состоит из кремниевой подложки p-типа, изолирующего слоя двуокиси кремния и располагающихся на нём электродов. Основными носителями заряда в такой подложке являются положительно заряженные дырки. При подаче положительного потенциала на один из электродов под ним образуется область, обедненная основными носителями. На остальных электродах потенциал в этот момент равен нулю. Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий: он либо отразится от поверхности, либо будет поглощён в толще кремниевой подложки, либо пройдет насквозь её рабочую зону. В основе работы элемента ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда фотон проникает в кремний, происходит генерация пары носителей заряда - электрона и дырки. Под действием положительного потенциала дырка отталкивается вглубь кристалла, а под соответствующим электродом за счёт сил электростатического поля скапливаются неосновные носители заряда - электроны.

По завершении накопления заряда происходит его перенос в область хранения, путём последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. Более подробно этот процесс представлен не рис. 1.2, где изображены элементы двух трехфазных пикселей. В данный момент положительные напряжения поданы на U2 и U5 на остальных электродах напряжение равно нулю. Благодаря наличию оксидного диэлектри-

3

ческого слоя заряды не перетекают на электроды. Под электродами U2 и U5 образуется обедненная дырками область, где и собираются электроны. В случае подачи потенциала на следующие электроды обедненная область сместится, и заряд перетечет под следующий электрод.

Рис. 1.2. Процесс переноса заряда: 1 – пространственный заряд, 2 - электрод

Данный элемент называется регистром сдвига. Между ПЗС-элементами могут располагаться два и более электродов переноса; от их количества зависит число фаз регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным и так далее. В случае, если элементы организованы в виде двумерного массива, перенос производится сразу целыми строками. Последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. Входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом является ПЗС-матрицей.

"Вертикальные" последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного перед усилителем последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный находится в режиме ожидания. ПЗС-мат- рица подключается к микроконтроллеру, подающему потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующему работу обоих регистров.

Современные ПЗС-матрицы имеют под окислом кремния тонкий n-слой, так называемый объёмный канал переноса. Его наличие позволяет частично избавиться от влияния дефектов приповерхностного слоя полупроводника, что улучшает четкость получаемого изображения и снижает величину темнового сигнала. Для предотвращения эффекта растекания заряда при большой освещенности, используется антибликовое покрытие. Оно наносится на подложку матрицы и позволяет поглощать "лишние" фотоны, повышая чёткость изображения на верхней границе динамического диапазона.

Тип датчика, представленный на рис. 3, является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей. Такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя, так как в этом случае к фототоку каждого из его элементов добавится лишний заряд, вызванный попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице.

4

Скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а переносятся в буферный параллельный регистр. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система называется матрицей с буферизацией кадра (рис. 1.4).

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига обрабатываются заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл работы последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, но при этом также падает скорость считывания строк, так как любую строку приходится передавать на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Основным недостатком матриц с буферизацией кадра является увеличение числя строк через которые передается каждый заряд, что негативно сказывается на количестве шумов и динамическом диапазоне. И в данном случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, что делает затруднительным обработку непрерывного видеосигнала. Специально для видеотехники был разработан тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока.

5