Das CCD-Prinzip mit der Idee, elektronische Ladungen zu speichern und anschließend auszulesen, wurde erstmals Ende der 60er Jahre von zwei BELL-Ingenieuren im Zuge der Suche nach neuartigen Speichertypen für Computer entwickelt, die den Speicher auf Ferritringen ersetzen konnten (ja, es gab so eine Erinnerung). Diese Idee erwies sich als wenig erfolgversprechend, aber man bemerkte die Fähigkeit von Silizium, auf das sichtbare Strahlungsspektrum zu reagieren, und entwickelte die Idee, dieses Prinzip für die Bildverarbeitung zu nutzen.

Beginnen wir mit der Definition des Begriffs.

Die Abkürzung CCD bedeutet „Charge-Coupled Devices“ – dieser Begriff wurde aus dem englischen „Charge-Coupled Devices“ (CCD) gebildet.

Dieser Gerätetyp findet derzeit ein sehr breites Anwendungsspektrum in einer Vielzahl von optoelektronischen Geräten zur Bildaufnahme. Im Alltag sind das Digitalkameras, Camcorder, diverse Scanner.

Was unterscheidet einen CCD-Empfänger von einer herkömmlichen Halbleiter-Fotodiode, die einen lichtempfindlichen Bereich und zwei elektrische Kontakte zum Abgreifen eines elektrischen Signals hat?

Erstens, solche lichtempfindlichen Bereiche (oft als Pixel bezeichnet - Elemente, die Licht empfangen und in elektrische Aufladungen) in einem CCD-Empfänger ist sehr groß, von mehreren Tausend bis zu mehreren Hunderttausend und sogar mehreren Millionen. Die Größen einzelner Pixel sind gleich und können von Einheiten bis zu mehreren zehn Mikrometern reichen. Pixel können in einer Reihe aneinandergereiht werden – dann wird der Empfänger als CCD-Zeile bezeichnet, oder eine Fläche in geraden Reihen füllen – dann wird der Empfänger als CCD-Matrix bezeichnet.

Lage der lichtempfangenden Elemente (blaue Rechtecke) im CCD-Array und in der CCD-Matrix.

Zweitens In einem CCD-Empfänger, der wie eine herkömmliche Mikroschaltung aussieht, gibt es keine große Anzahl elektrischer Kontakte zum Ausgeben elektrischer Signale, die anscheinend von jedem Lichtempfangselement kommen sollten. Aber es verbindet sich mit dem CCD-Empfänger elektronische Schaltung, mit dem Sie von jedem lichtempfindlichen Element ein elektrisches Signal proportional zu seiner Beleuchtung extrahieren können.

Die Wirkungsweise eines CCD lässt sich wie folgt beschreiben: Jedes lichtempfindliche Element – ​​ein Pixel – funktioniert wie ein Sparschwein für Elektronen. Elektronen werden in Pixeln durch die Wirkung von Licht erzeugt, das von einer Quelle kommt. Über einen bestimmten Zeitraum füllt sich jedes Pixel allmählich mit Elektronen im Verhältnis zur Lichtmenge, die in es eindringt, wie ein Eimer draußen, wenn es regnet. Am Ende dieser Zeit werden die von jedem Pixel angesammelten elektrischen Ladungen der Reihe nach zum "Ausgang" des Geräts übertragen und gemessen. All dies ist möglich durch eine bestimmte Kristallstruktur, in der sich lichtempfindliche Elemente befinden, und eine elektrische Steuerschaltung.

Die CCD-Matrix funktioniert fast genauso. Nach der Belichtung (Beleuchtung durch das projizierte Bild) versorgt es die elektronische Steuerschaltung des Gerätes komplexer Satz Impulsspannung, die beginnen, die Spalten mit in Pixeln angesammelten Elektronen zum Rand der Matrix zu verschieben, wo sich ein ähnliches Mess-CCD-Register befindet, dessen Ladungen bereits in senkrechter Richtung verschoben sind und auf das Messelement fallen, wodurch darin Signale erzeugt werden proportional zu den einzelnen Gebühren. Somit können wir für jeden nachfolgenden Zeitpunkt den Wert der akkumulierten Ladung erhalten und herausfinden, welchem ​​Pixel auf der Matrix (Reihennummer und Spaltennummer) sie entspricht.

Kurz zur Physik des Prozesses.

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass CCDs Produkte der sogenannten funktionalen Elektronik sind und nicht als Ansammlung einzelner Funkelemente – Transistoren, Widerstände und Kondensatoren – dargestellt werden können. Die Arbeit basiert auf dem Prinzip der Ladungsbindung. Das Prinzip der Ladungskopplung nutzt zwei aus der Elektrostatik bekannte Positionen:

1. Gleiche Ladungen stoßen sich ab
2. Ladungen neigen dazu, sich dort niederzulassen, wo ihre potentielle Energie minimal ist. Diese. grob - "der Fisch sucht, wo er tiefer ist."

Beginnen wir mit einem MOS-Kondensator (MOS ist die Abkürzung für Metall-Oxid-Halbleiter). Dies ist, was vom MOSFET übrig bleibt, wenn Sie Drain und Source entfernen, dh nur eine Elektrode, die durch eine Dielektrikumsschicht vom Silizium getrennt ist. Zur Sicherheit nehmen wir an, dass der Halbleiter vom p-Typ ist, d. h. die Konzentration von Löchern unter Gleichgewichtsbedingungen ist viel (mehrere Größenordnungen) größer als die von Elektronen. In der Elektrophysik ist ein „Loch“ eine Ladung, die invers zur Ladung eines Elektrons ist, d.h. positive Ladung.

Was passiert, wenn an eine solche Elektrode (auch Gate genannt) ein positives Potential angelegt wird? Das vom Gate erzeugte elektrische Feld, das durch das Dielektrikum in das Silizium eindringt, stößt die sich bewegenden Löcher ab; Es erscheint eine verarmte Region - ein bestimmtes Siliziumvolumen, das frei von den Majoritätsträgern ist. Bei den für CCDs typischen Parametern von Halbleitersubstraten beträgt die Tiefe dieses Bereichs etwa 5 µm. Vielmehr werden die hier unter Lichteinwirkung entstandenen Elektronen vom Gate angezogen und sammeln sich an der Oxid-Silizium-Grenzfläche direkt unter dem Gate an, fallen also in einen Potentialtopf (Abb. 1).

Reis. eines
Bildung einer Potentialmulde beim Anlegen einer Spannung an das Gate

Wenn sich Elektronen in der Wanne ansammeln, neutralisieren sie in diesem Fall teilweise das vom Gate im Halbleiter erzeugte elektrische Feld und können es schließlich vollständig kompensieren, so dass das gesamte elektrische Feld nur auf das Dielektrikum fällt und alles wird zurückkehren der Anfangszustand- außer dass sich an der Grenzfläche eine dünne Elektronenschicht bildet.

Neben dem Gate befinde sich nun ein weiteres Gate, an das ebenfalls ein positives Potential angelegt wird, noch dazu ein größeres als an das erste (Abb. 2). Wenn nur die Gates nahe genug sind, werden ihre Potentialtöpfe kombiniert, und die Elektronen in einem Potentialtopf bewegen sich zum benachbarten, wenn es "tiefer" ist.
Reis. 2
Überlappende Potentialtöpfe von zwei eng beabstandeten Gates. Die Ladung fließt zu der Stelle, wo der Potentialtopf tiefer ist.

Nun sollte klar sein, dass es bei einer Kette von Gates möglich ist, durch Anlegen geeigneter Steuerspannungen an sie ein lokalisiertes Ladungspaket entlang einer solchen Struktur zu übertragen. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von CCDs, die selbstscannende Eigenschaft, ist, dass nur drei Taktbusse ausreichen, um eine beliebig lange Gatterkette zu treiben. (Der Begriff Bus in der Elektronik ist ein Leiter elektrischer Strom, Verbindungselemente des gleichen Typs, ein Taktbus - Leiter, durch die eine phasenverschobene Spannung übertragen wird.) Tatsächlich sind für die Übertragung von Ladungspaketen drei Elektroden notwendig und ausreichend: eine sendende, eine empfangende und eine isolierende, trennende Paare, die voneinander empfangen und senden, und die gleichnamigen Elektroden solcher Tripletts können miteinander zu einem einzigen Taktbus verbunden werden, der nur einen externen Ausgang benötigt (Abb. 3).

Reis. 3
Das einfachste dreiphasige CCD-Register.
Die Ladung in jedem Potentialtopf ist unterschiedlich.

Dies ist das einfachste dreiphasige CCD-Schieberegister. Taktdiagramme des Betriebs eines solchen Registers sind in Abb. vier.

Reis. vier
Taktdiagramme zur Steuerung eines Drehstromregisters sind drei um 120 Grad verschobene Mäander.
Wenn sich die Potentiale ändern, bewegen sich Ladungen.

Es ist ersichtlich, dass für seinen normalen Betrieb zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Taktbus ein hohes Potential und mindestens einer ein niedriges Potential (Sperrpotential) haben muss. Wenn das Potential auf einem Bus ansteigt und auf dem anderen (vorhergehend) abfällt, werden alle Ladungspakete gleichzeitig zu benachbarten Gattern übertragen, und für einen vollen Zyklus (ein Zyklus auf jedem Phasenbus) werden Ladungspakete zu einem übertragen (verschoben). Registerelement.

Zur Lokalisierung der Ladungspakete in Querrichtung werden sogenannte Stoppkanäle gebildet – schmale Streifen mit erhöhter Konzentration des Hauptdotierstoffs, die entlang des Transferkanals verlaufen (Abb. 5).

Reis. 5.
Ansicht des Registers von oben.
Der Überführungskanal in seitlicher Richtung wird durch die Stoppkanäle begrenzt.

Tatsache ist, dass die Konzentration des Dotierstoffs bestimmt, bei welcher bestimmten Spannung am Gate sich darunter ein Verarmungsgebiet bildet (dieser Parameter ist nichts anderes als die Schwellenspannung der MOS-Struktur). Aus intuitiven Überlegungen ist klar, dass je größer die Störstellenkonzentration, d. h. je mehr Löcher im Halbleiter, desto schwieriger ist es, sie tief zu treiben, d. h. je höher die Schwellenspannung oder bei einer Spannung, desto niedriger das Potential im Potentialtopf.

Probleme

Wenn bei der Herstellung digitaler Geräte die Streuung von Parametern über die Platte ein Vielfaches erreichen kann, ohne dass sich dies auf die Parameter der resultierenden Geräte merklich auswirkt (da mit diskreten Spannungspegeln gearbeitet wird), dann ist bei einem CCD eine Änderung in sprich die Dotierstoffkonzentration um 10% macht sich bereits im Bild bemerkbar. Die Größe des Kristalls fügt ihre eigenen Probleme hinzu, sowie die Unmöglichkeit der Redundanz, wie bei Speicher-LSI, so dass defekte Bereiche zur Unbrauchbarkeit des gesamten Kristalls führen.

Ergebnis

Unterschiedliche Pixel einer CCD-Matrix haben technologisch unterschiedliche Lichtempfindlichkeit, und dieser Unterschied muss korrigiert werden.

Bei digitalen CMAs wird diese Korrektur als Auto Gain Control (AGC)-System bezeichnet.

Funktionsweise des AGC-Systems

Der Einfachheit halber nehmen wir nichts Bestimmtes. Nehmen wir an, dass am Ausgang des ADC des CCD-Knotens einige Potentialpegel vorhanden sind. Nehmen wir an, dass 60 - Durchschnittsniveau Weiß.

1. Für jedes Pixel der CCD-Zeile wird der Wert gelesen, wenn es mit weißem Referenzlicht beleuchtet wird (und bei ernsthafteren Geräten wird auch der „Schwarzwert“ gelesen).
2. Der Wert wird mit einem Referenzwert (z. B. Durchschnitt) verglichen.
3. Die Differenz zwischen dem Ausgabewert und dem Referenzpegel wird für jedes Pixel gespeichert.
4. Beim Scannen wird diese Differenz künftig pixelweise kompensiert.

Das AGC-System wird jedes Mal initialisiert, wenn das Scannersystem initialisiert wird. Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass der Scannerschlitten beim Einschalten des Geräts nach einiger Zeit beginnt, Vor- und Zurückbewegungen auszuführen (kriechen am S/W-Streifen). Dies ist der Initialisierungsprozess des AGC-Systems. Das System berücksichtigt auch den Zustand der Lampe (Alterung).

Sie haben wahrscheinlich auch bemerkt, dass kleine MFPs, die mit einem Farbscanner ausgestattet sind, die Lampe abwechselnd in drei Farben „einschalten“: rot, blau und grün. Dann wird nur die Hintergrundbeleuchtung des Originals weiß. Dies geschieht, um die Empfindlichkeit der Matrix separat für die RGB-Kanäle besser zu korrigieren.

Halbtontest (SCHATTENTEST) ermöglicht es Ihnen, diesen Vorgang auf Wunsch des Ingenieurs einzuleiten und die Korrekturwerte auf reale Bedingungen zu bringen.

Versuchen wir, all dies auf einer echten "Kampf" -Maschine zu betrachten. Wir nehmen ein bekanntes und beliebtes Gerät als Basis SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Es sollte beachtet werden, dass CCD in unserem Fall zu CIS (Contact Image Sensor) wird, aber die Essenz dessen, was passiert, ändert sich grundsätzlich nicht. Nur als Lichtquelle wird eine Reihe von LEDs verwendet.

So:

Das Bildsignal vom CIS hat einen Pegel von ca. 1,2 V und wird dem ADC-Teil (ADCP) des Device Controllers (ADCP) zugeführt. Nach dem SADC wird das analoge CIS-Signal in ein digitales 8-Bit-Signal umgewandelt.

Der Bildprozessor im SADC verwendet zuerst die Tonkorrekturfunktion und dann die Gammakorrekturfunktion. Danach werden die Daten je nach Betriebsart unterschiedlichen Modulen zugeführt. Der Textmodus sendet Bilddaten an das LAT-Modul, der Fotomodus sendet Bilddaten an das "Error Diffusion"-Modul, der PC-Scan-Modus sendet Bilddaten direkt an Persönlicher Computerüber DMA-Zugriff.

Legen Sie vor dem Testen mehrere leere Blätter weißes Papier auf das Vorlagenglas. Es versteht sich von selbst, dass die Optik, der S/W-Streifen und die Scanner-Baugruppe im Allgemeinen zuerst von innen „geleckt“ werden müssen.

1. Wählen Sie im TECH-MODUS
2. Drücken Sie die ENTER-Taste, um das Bild zu scannen.
3. Nach dem Scannen wird „CIS SHADING PROFILE“ (CIS-Halbtonprofil) gedruckt. Ein Beispiel für ein solches Blatt ist unten gezeigt. Es muss keine Kopie Ihres Ergebnisses sein, aber nah am Bild.
4. Wenn das gedruckte Bild stark von dem in der Abbildung gezeigten Bild abweicht, ist das CIS defekt. Bitte beachten Sie, dass „Ergebnisse: OK“ am Ende des Berichtsblatts steht. Damit hat das System keine ernsthaften Ansprüche an das CIS-Modul. Andernfalls werden Fehlerergebnisse ausgegeben.

Beispiel Profilausdruck:

Viel Erfolg!!

Materialien von Artikeln und Vorträgen von Lehrern der St. Petersburg State University (LSU), der St. Petersburg Electrotechnical University (LETI) und Axl werden als Grundlage genommen. Danke Ihnen.

Material vorbereitet von V. Shelenberg

Allgemeine Informationen zu CCD-Matrizen.

Gegenwärtig werden in den meisten Bilderfassungssystemen CCD-Sensoren (Charge-Coupled Device, englisches Äquivalent von CCD) als lichtempfindliche Vorrichtung verwendet.

Das Funktionsprinzip der CCD-Matrix ist wie folgt: Auf der Basis von Silizium wird eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen (Akkumulationsabschnitt) erstellt. Jedes lichtempfindliche Element hat die Fähigkeit, Ladungen proportional zur Anzahl der Photonen, die darauf treffen, zu akkumulieren. Somit wird für einige Zeit (Belichtungszeit) auf dem Akkumulationsabschnitt eine zweidimensionale Ladungsmatrix erhalten, die proportional zur Helligkeit des ursprünglichen Bildes ist. Die akkumulierten Ladungen werden zunächst in den Speicherabschnitt und dann Zeile für Zeile und Pixel für Pixel zum Matrixausgang übertragen.

Die Größe der Speicherstrecke im Verhältnis zur Staustrecke ist unterschiedlich:

• pro Bild (Matrizen mit Bildübertragung für progressive Abtastung);
• pro Halbbild (Matrizen mit Bildübertragung für Zeilensprungverfahren);

Es gibt auch Matrizen, bei denen keine Speicherstrecke vorhanden ist und dann die Leitungsübergabe direkt über die Akkumulationsstrecke erfolgt. Es ist offensichtlich, dass für den Betrieb solcher Matrizen ein optischer Verschluss erforderlich ist.

Die Qualität moderner CCD-Matrizen ist so beschaffen, dass sich die Ladung während des Transfervorgangs praktisch nicht ändert.

Trotz der offensichtlichen Vielfalt von Fernsehkameras sind die darin verwendeten CCD-Matrizen praktisch gleich, da die Massen- und Massenproduktion von CCD-Matrizen nur von wenigen Firmen durchgeführt wird. Dies sind SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Die Hauptparameter von CCD-Matrizen sind:

• Dimension in Pixeln;
• physische Größe in Zoll (2/3, 1/2, 1/3 usw.). Gleichzeitig bestimmen die Zahlen selbst nicht die genaue Größe des sensiblen Bereichs, sondern die Klasse des Geräts;
• Empfindlichkeit.

Auflösung von CCD-Kameras.

Die Auflösung von CCD-Kameras wird hauptsächlich durch die Größe der CCD-Matrix in Pixeln und die Qualität des Objektivs bestimmt. Bis zu einem gewissen Grad kann dies von der Kameraelektronik beeinflusst werden (wenn es schlecht gemacht ist, kann es die Auflösung verschlechtern, aber ehrlich gesagt machen sie es jetzt selten schlecht).

Es ist wichtig, hier eine Bemerkung zu machen. In einigen Fällen werden Hochfrequenz-Raumfilter in Kameras eingebaut, um die scheinbare Auflösung zu verbessern. In diesem Fall kann ein Bild eines Objekts, das von einer Kamera mit kleineren Abmessungen erhalten wird, sogar schärfer aussehen als ein Bild des gleichen Objekts, das von einer objektiv besseren Kamera erhalten wird. Das ist natürlich beim Einsatz der Kamera in visuellen Überwachungssystemen akzeptabel, aber für den Aufbau von Messsystemen völlig ungeeignet.

Auflösung und CCD-Format.

Derzeit produzieren verschiedene Firmen CCD-Matrizen, die die unterschiedlichsten Dimensionen von mehreren hundert bis zu mehreren tausend abdecken. So wurde über eine Matrix mit einer Größe von 10000 x 10000 berichtet, und in dieser Nachricht wurde nicht so sehr das Problem der Kosten dieser Matrix erwähnt, sondern die Probleme beim Speichern, Verarbeiten und Übertragen der empfangenen Bilder. Wie wir wissen, sind heute Matrizen mit Abmessungen bis zu 2000x2000 mehr oder weniger weit verbreitet.

Die am weitesten verbreiteten, genauer gesagt, massiv verwendeten CCD-Matrizen sollten natürlich Matrizen mit einer an der Fernsehnorm orientierten Auflösung umfassen. Dies sind im Grunde Matrizen in zwei Formaten:

• 512*576;
• 768*576.

Matrizen 512*576 werden normalerweise in einfachen und billigen Videoüberwachungssystemen verwendet.

Matrizen 768 * 576 (manchmal etwas mehr, manchmal etwas weniger) ermöglichen es Ihnen, zu bekommen maximale Auflösung für ein Standard-TV-Signal. Gleichzeitig haben sie im Gegensatz zu Matrizen des Formats 512*576 ein Gitter aus lichtempfindlichen Elementen in der Nähe eines Quadrats und folglich eine gleiche horizontale und vertikale Auflösung.

Oft geben Kamerahersteller die Auflösung in Fernsehzeilen an. Dies bedeutet, dass Sie mit der Kamera N / 2 dunkle vertikale Striche auf hellem Hintergrund sehen können, die in einem in das Bildfeld eingeschriebenen Quadrat angeordnet sind, wobei N die angegebene Anzahl von Fernsehzeilen ist. Bezogen auf einen handelsüblichen Fernsehtisch bedeutet dies: Durch die Wahl des Abstandes und die Fokussierung des Tischbildes ist darauf zu achten, dass Ober- und Unterkante des Tischbildes auf dem Monitor mit der Außenkontur des Tisches übereinstimmen, gekennzeichnet durch die Spitzen von schwarzen und weißen Prismen; ferner wird nach der letzten Fokussierung die Zahl an der Stelle des vertikalen Keils abgelesen, wo die vertikalen Striche zum ersten Mal nicht mehr aufgelöst werden. Die letzte Bemerkung ist sehr wichtig. und auf dem Bild der Testfelder des Tisches, die 600 oder mehr Striche aufweisen, sind oft intermittierende Bänder sichtbar, die tatsächlich Moiré sind, das durch die Schwebung der räumlichen Frequenzen der Striche des Tisches und des Gitters gebildet wird die empfindlichen Elemente der CCD-Matrix. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Kameras mit hochfrequenten Ortsfiltern (siehe oben)!

Ich möchte anmerken, dass unter sonst gleichen Bedingungen (meistens kann das Objektiv dies beeinflussen) die Auflösung von Schwarzweißkameras eindeutig durch die Größe der CCD-Matrix bestimmt wird. Eine Kamera im Format 768 * 576 hat also eine Auflösung von 576 TV-Zeilen, obwohl Sie in einigen Broschüren einen Wert von 550 und in anderen 600 finden.

Linse.

Die physische Größe der CCD-Zellen ist der Hauptparameter, der die Anforderungen an die Objektivauflösung bestimmt. Ein anderer derartiger Parameter kann die Anforderung sein, den Betrieb der Matrix unter der Bedingung einer leichten Überlastung sicherzustellen, was weiter unten betrachtet wird.

Bei einem 1/2 Zoll SONY ICX039 Sensor beträgt die Pixelgröße 8,6 μm*8,3 μm. Daher muss das Objektiv eine Auflösung haben, die besser ist als:

1/8,3*10e-3= 120 Linien (60 Linienpaare pro Millimeter).

Bei Objektiven für 1/3-Zoll-Sensoren sollte dieser Wert sogar noch höher sein, obwohl dies seltsamerweise die Kosten und einen Parameter wie die Blende nicht beeinflusst, da diese Objektive unter Berücksichtigung der Notwendigkeit, ein Bild zu erzeugen, hergestellt werden ein kleineres lichtempfindliches Feld der Matrix. Daraus folgt auch, dass Objektive für kleinere Sensoren nicht für große Sensoren geeignet sind, da sich die Leistung an den Rändern großer Sensoren erheblich verschlechtert. Gleichzeitig können Objektive für große Sensoren die Auflösung von Bildern begrenzen, die von kleineren Sensoren erhalten werden.

Leider ist es bei der modernen Fülle an Objektiven für Fernsehkameras sehr schwierig, Informationen über deren Auflösung zu erhalten.

Im Allgemeinen wählen wir nicht oft Objektive aus, da fast alle unsere Kunden Videosysteme auf vorhandenen Optiken installieren: Mikroskope, Teleskope usw., so dass unsere Informationen über den Objektivmarkt eher Notizen sind. Wir können nur sagen, dass die Auflösung einfacher und billiger Objektive im Bereich von 50-60 Linienpaaren pro mm liegt, was im Allgemeinen nicht ausreicht.

Andererseits haben wir Informationen, dass von Zeiss hergestellte Spezialobjektive mit einer Auflösung von 100-120 Linienpaaren pro mm mehr als 1000 $ kosten.

Beim Kauf eines Objektivs ist es daher notwendig, Vortests durchzuführen. Ich muss sagen, dass die meisten Moskauer Verkäufer Objektive zum Testen geben. Hier ist noch einmal an den Moiré-Effekt zu erinnern, dessen Vorhandensein, wie oben erwähnt, hinsichtlich der Auflösung der Matrix irreführend sein kann. Das Vorhandensein von Moiré auf dem Bild von Abschnitten des Tisches mit Strichen über 600 TV-Linien in Bezug auf das Objektiv weist also auf einen bestimmten Auflösungsspielraum des letzteren hin, was natürlich nicht schaden wird.

Noch ein vielleicht wichtiger Hinweis für diejenigen, die sich für geometrische Messungen interessieren. Alle Objektive weisen in gewissem Maße Verzeichnung (kissenförmige Verzerrung der Bildgeometrie) auf, und je kürzer das Objektiv, desto stärker sind diese Verzeichnungen in der Regel. Unserer Meinung nach haben Objektive mit Brennweiten größer als 8-12 mm eine akzeptable Verzeichnung für 1/3"- und 1/2"-Kameras. Wobei das Maß an „Akzeptanz“ natürlich von den Aufgaben abhängt, die die Kamera lösen muss.

Auflösung von Bildeingangscontrollern

Die Auflösung von Bildeingangscontrollern ist als die Frequenz der Wandlungen des Analog-Digital-Wandlers (ADC) des Controllers zu verstehen, dessen Daten dann im Speicher des Controllers aufgezeichnet werden. Offensichtlich gibt es eine vernünftige Grenze für die Erhöhung der Häufigkeit der Digitalisierung. Für Vorrichtungen mit einer kontinuierlichen Struktur der lichtempfindlichen Schicht, wie z. B. Vidicons, ist die optimale Abtastfrequenz gleich dem Doppelten der oberen Frequenz des Vidicon-Nutzsignals.

Im Gegensatz zu solchen Lichtdetektoren haben CCD-Matrizen eine diskrete Topologie, sodass die optimale Digitalisierungsfrequenz für sie als die Verschiebungsfrequenz des Matrix-Ausgangsregisters bestimmt wird. Gleichzeitig ist es wichtig, dass der ADC des Controllers synchron mit dem Ausgangsregister der CCD-Matrix arbeitet. Nur in diesem Fall kann es erreicht werden beste Qualität Transformationen sowohl im Hinblick auf die Bereitstellung einer "starren" Geometrie der resultierenden Bilder als auch im Hinblick auf die Minimierung des Rauschens von Taktimpulsen und Transienten.

Empfindlichkeit von CCD-Kameras

Seit 1994 verwenden wir in unseren Geräten SONY Kartkameras auf Basis des ICX039 CCD Sensors. Die SONY-Beschreibung für dieses Gerät gibt eine Empfindlichkeit von 0,25 Lux auf einem Objekt mit einer Objektivöffnung von 1,4 an. Wir haben bereits mehrmals Kameras mit ähnlichen Parametern (Größe 1/2 Zoll, Auflösung 752 * 576) und einer deklarierten Empfindlichkeit gesehen, die 10- oder sogar 100-mal höher ist als die von "unserem" SONY.

Wir haben diese Nummern mehrfach überprüft. In den meisten Fällen haben wir den gleichen ICX039 CCD in Kameras verschiedener Hersteller gefunden. Gleichzeitig waren alle "Umreifungs" -Mikroschaltkreise auch SONY. Ja, und Vergleichstests zeigten eine fast vollständige Identität all dieser Kameras. Also, was ist die Frage?

Und die ganze Frage ist, bei welchem ​​Signal-Rausch-Verhältnis (s / w) die Empfindlichkeit bestimmt wird. In unserem Fall hat SONY gewissenhaft eine Empfindlichkeit bei s/w = 46 dB gezeigt, während andere Firmen dies entweder nicht oder so angegeben haben, dass nicht ersichtlich ist, unter welchen Bedingungen diese Messungen durchgeführt wurden.

Dies ist im Allgemeinen eine häufige Geißel der meisten Kamerahersteller - um die Bedingungen zum Messen der Parameter von Kameras nicht anzugeben.

Tatsache ist, dass mit abnehmender Anforderung an das s / w-Verhältnis die Kameraempfindlichkeit umgekehrt mit dem Quadrat des erforderlichen s / w-Verhältnisses zunimmt:

wo:
Ich - Empfindlichkeit;
K - Umrechnungsfaktor;
s/w - s/w-Verhältnis in linearen Einheiten,

Daher sind viele Unternehmen versucht, die Empfindlichkeit der Kameras bei einem niedrigen S / N-Verhältnis anzugeben.

Man kann sagen, dass die Fähigkeit von Matrizen, besser oder schlechter zu „sehen“, durch die Anzahl der Ladungen bestimmt wird, die von Photonen umgewandelt werden, die auf ihre Oberfläche einfallen, und die Qualität der Lieferung dieser Ladungen an den Ausgang. Die Menge der angesammelten Ladungen hängt von der Fläche des lichtempfindlichen Elements und der Quanteneffizienz des CCD-Arrays ab, und die Qualität des Transports wird von vielen Faktoren bestimmt, die häufig auf eine Sache hinauslaufen - Ausleserauschen. Das Ausleserauschen für moderne Matrizen liegt in der Größenordnung von 10-30 Elektronen und sogar noch darunter!

Die Fläche der Elemente der CCD-Matrizen ist unterschiedlich, aber der typische Wert für 1/2-Zoll-Matrizen für Kameras beträgt 8,5 µm * 8,5 µm. Eine Vergrößerung der Elemente führt zu einer Vergrößerung der Matrizen selbst, was ihre Kosten nicht so sehr aufgrund der tatsächlichen Erhöhung des Produktionspreises erhöht, sondern aufgrund der Tatsache, dass die Serienproduktion solcher Geräte erfolgt mehrere Größenordnungen kleiner. Darüber hinaus beeinflusst die Topologie der Matrix den Bereich der lichtempfindlichen Zone insofern, als der sensitive Bereich (Füllfaktor) einen Prozentsatz der Gesamtoberfläche des Kristalls einnimmt. Einige spezielle Matrizen beanspruchen einen Füllfaktor von 100 %.

Die Quanteneffizienz (um wie viel ändert sich die Ladung einer empfindlichen Zelle in Elektronen im Durchschnitt, wenn ein Photon auf ihre Oberfläche fällt) beträgt für moderne Matrizen 0,4-0,6 (für einzelne Matrizen ohne Anti-Blooming erreicht sie 0,85).

Man sieht also, dass die Empfindlichkeit von CCD-Kameras, bezogen auf einen bestimmten Wert von s/w, an die physikalische Grenze gerückt ist. Nach unserer Schlussfolgerung liegen die typischen Empfindlichkeitswerte von Kameras für den allgemeinen Gebrauch bei s/n=46 im Bereich von 0,15-0,25 Lux Beleuchtung auf dem Objekt bei Objektivöffnung von 1,4.

In diesem Zusammenhang empfehlen wir, den in den Beschreibungen von Kameras angegebenen Empfindlichkeitswerten nicht blind zu vertrauen, insbesondere wenn die Bedingungen zur Bestimmung dieses Parameters nicht gegeben sind und wenn Sie im Pass der Kamera eine Empfindlichkeit von 0,01-0,001 Lux im Fernsehmodus sehen ein preis von bis zu 500 $, dann, bevor sie probieren, gelinde gesagt, falsche informationen.

Über Möglichkeiten, die Empfindlichkeit von CCD-Kameras zu erhöhen

Was tun, wenn Sie ein Bild eines sehr schwachen Objekts benötigen, beispielsweise einer fernen Galaxie?

Eine der Lösungen ist die Akkumulation des Bildes im Laufe der Zeit. Die Implementierung dieses Verfahrens ermöglicht es, die Empfindlichkeit des CCD deutlich zu erhöhen. Natürlich kann diese Methode auch auf stationäre Beobachtungsobjekte angewendet werden oder wenn die Bewegung kompensiert werden kann, wie dies in der Astronomie der Fall ist.

Abb. 1 Planetarischer Nebel M57.

Teleskop: 60 cm, Belichtung - 20 Sek., Temperatur während der Belichtung - 20 C.
Im Zentrum des Nebels befindet sich ein stellares Objekt der Größe 15.
Das Bild wurde von V. Amirkhanyan bei der SAO RAS erhalten.

Es kann mit hinreichender Genauigkeit argumentiert werden, dass die Empfindlichkeit von CCD-Kameras direkt proportional zur Belichtungszeit ist.

Beispielsweise erhöht sich die Empfindlichkeit bei einer Verschlusszeit von 1 s gegenüber den ursprünglichen 1/50 s um das 50-fache, d.h. es wird besser sein - 0,005 Lux.

Natürlich gibt es auf diesem Weg Probleme, und das ist vor allem der Dunkelstrom der Matrizen, der gleichzeitig mit dem Nutzsignal angesammelte Ladungen bringt. Der Dunkelstrom wird zum einen durch die Herstellungstechnologie des Kristalls, zum anderen durch den Stand der Technik und natürlich sehr stark durch die Betriebstemperatur der Matrix selbst bestimmt.

Um lange Akkumulationszeiten in der Größenordnung von Minuten oder mehreren zehn Minuten zu erreichen, werden die Matrizen üblicherweise auf minus 20–40 Grad gekühlt. C. Die Aufgabe, Matrizes auf solche Temperaturen zu kühlen, wurde an sich gelöst, aber es ist einfach unmöglich zu sagen, dass dies getan werden kann, da es immer Konstruktions- und Betriebsprobleme gibt, die mit dem Beschlagen verbunden sind Schutzbrille und Wärmeabfuhr von der heißen Verbindungsstelle des thermoelektrischen Kühlschranks.

Gleichzeitig hat der technologische Fortschritt bei der Herstellung von CCD-Matrizen auch einen Parameter wie den Dunkelstrom beeinflusst. Hier sind die Errungenschaften sehr bedeutend und der Dunkelstrom einiger guter moderner Matrizen sehr gering. Kameras ohne Kühlung ermöglichen unserer Erfahrung nach Belichtungen innerhalb von zehn Sekunden bei Raumtemperatur und bis zu mehreren Minuten mit Kompensation eines dunklen Hintergrunds. Hier ist zum Beispiel ein Foto des planetarischen Nebels M57, das mit dem Videosystem VS-a-tandem-56/2 ohne Kühlung mit einer Belichtungszeit von 20 s aufgenommen wurde.

Die zweite Möglichkeit, die Empfindlichkeit zu erhöhen, ist die Verwendung elektronenoptischer Konverter (EC). Bildverstärkerröhren sind Geräte, die den Lichtstrom verstärken. Moderne Bildverstärkerröhren können sehr hohe Verstärkungswerte haben, aber ohne auf Details einzugehen, können wir sagen, dass der Einsatz von Bildverstärkerröhren nur die Schwellenempfindlichkeit der Kamera verbessern kann, und deshalb sollte ihre Verstärkung nicht zu groß gemacht werden.

Spektrale Empfindlichkeit von CCD-Kameras

Abb.2 Spektrale Eigenschaften verschiedener Matrizen

Für einige Anwendungen ist die spektrale Empfindlichkeit des CCD ein wichtiger Faktor. Da alle CCDs auf Siliziumbasis hergestellt werden, entspricht die spektrale Empfindlichkeit des CCDs in der „nackten“ Form diesem Parameter für Silizium (siehe Abb. 2).

Wie Sie sehen können, haben CCD-Sensoren bei all den unterschiedlichen Eigenschaften eine maximale Empfindlichkeit im roten und nahen Infrarotbereich (IR) und sehen im blau-violetten Teil des Spektrums absolut nichts. Die Empfindlichkeit des CCD im nahen Infrarot wird in verdeckten Überwachungssystemen mit Beleuchtung durch Infrarotlichtquellen sowie bei der Messung der Wärmefelder von Hochtemperaturobjekten genutzt.

Reis. 3 Typische spektrale Empfindlichkeit von SONY-Schwarzweißmatrizen.

SONY produziert alle seine Schwarz-Weiß-Matrizen mit der folgenden spektralen Antwort (siehe Abb. 3). Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist die Empfindlichkeit des CCD im nahen IR deutlich reduziert, aber die Matrix begann, den blauen Bereich des Spektrums wahrzunehmen.

Für verschiedene Spezialzwecke werden Matrizen entwickelt, die im ultravioletten und sogar im Röntgenbereich empfindlich sind. Normalerweise sind diese Geräte einzigartig und ihr Preis ist ziemlich hoch.

Über progressives und interlaced Scannen

Das Standard-Fernsehsignal wurde für das Rundfunkfernsehsystem entwickelt und hat vom Standpunkt moderner Eingabe- und Bildverarbeitungssysteme einen großen Nachteil. Obwohl das TV-Signal 625 Zeilen enthält (davon ca. 576 mit Bildinformationen), werden 2 Halbbilder sequentiell dargestellt, bestehend aus geraden Zeilen (gerades Halbbild) und ungeraden Zeilen (ungerades Halbbild). Dies führt dazu, dass bei Eingabe eines Bewegtbildes die Analyse nicht mehr als die Anzahl der Zeilen in einem Halbbild (288) in Y-Auflösung verwenden kann. Außerdem verursacht in modernen Systemen, wenn das Bild auf einem Computermonitor (der eine progressive Abtastung hat) wiedergegeben wird, das von der Zeilensprungkamera eingegebene Bild, während sich das Beobachtungsobjekt bewegt, einen unangenehmen visuellen Teilungseffekt.

Alle Methoden, mit diesem Mangel umzugehen, führen zu einer Verschlechterung der vertikalen Auflösung. Die einzige Möglichkeit, dieses Manko zu überwinden und eine CCD-ähnliche Auflösung zu erreichen, besteht darin, im CCD auf Progressive Scan umzuschalten. CCD-Hersteller produzieren solche Matrizen, aber aufgrund der Kleinserienproduktion ist der Preis solcher Matrizen und Kameras viel höher als der herkömmlicher. Beispielsweise ist der Preis einer SONY-Matrix mit Progressive Scan ICX074 dreimal höher als ICX039 (Interlaced Scan).

Andere Kameraoptionen

Diese anderen beinhalten einen solchen Parameter wie "Blühen", d.h. Ladung, die sich über die Oberfläche der Matrix ausbreitet, wenn ihre einzelnen Elemente überbelichtet werden. In der Praxis kann ein solcher Fall beispielsweise beim Beobachten von Objekten mit Blendlicht auftreten. Dies ist ein eher unangenehmer Effekt von CCDs, da ein paar helle Punkte das gesamte Bild verfälschen können. Glücklicherweise enthalten viele moderne Matrizen Anti-Blooming-Vorrichtungen. So fanden wir in den Beschreibungen einiger der neuesten SONY-Matrizen 2000, was die zulässige leichte Überlastung einzelner Zellen charakterisiert, die noch nicht zu einer Ladungsverteilung führt. Das ist ein ziemlich hoher Wert, zumal dieses Ergebnis erfahrungsgemäß nur mit einer speziellen Einstellung der Treiber zu erreichen ist, die direkt die Matrix und den Videosignal-Vorverstärkungskanal ansteuern. Außerdem trägt die Linse auch zur "Verbreitung" heller Punkte bei, da bei solch großen Lichtüberladungen bereits eine kleine Streuung außerhalb des Hauptflecks einen merklichen Lichtständer für benachbarte Elemente ergibt.

An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass nach einigen Daten, die wir nicht selbst verifiziert haben, Matrizen mit Anti-Blooming eine 2-fach geringere Quanteneffizienz haben als Matrizen ohne Anti-Blooming. In diesem Zusammenhang kann es bei Systemen, die eine sehr hohe Empfindlichkeit erfordern, sinnvoll sein, Matrizen ohne Anti-Blooming zu verwenden (in der Regel sind dies Sonderaufgaben wie z. B. astronomische).

Über Farbkameras

Die Materialien dieses Abschnitts gehen etwas über den Rahmen der Betrachtung von Messsystemen hinaus, die wir etabliert haben, dennoch zwingt uns die weit verbreitete Verwendung von Farbkameras (noch mehr als Schwarz-Weiß-Kameras), diese Frage zu klären, zumal Kunden dies oft versuchen unsere Schwarzweiß-Framegrabber verwenden Farbfernsehkameras verwenden und sehr überrascht sind, wenn sie einige Schlieren auf den empfangenen Bildern finden und sich die Auflösung der Bilder als unzureichend herausstellt. Lassen Sie uns erklären, was hier vor sich geht.

Es gibt 2 Möglichkeiten, ein Farbsignal zu erzeugen:

• 1. Verwendung einer Einzelsensorkamera.
• 2. Verwenden eines Systems von 3 CCD-Matrizen mit einem Farbtrennkopf, um R-, G-, B-Farbsignalkomponenten auf diesen Matrizen zu erhalten.

Der zweite Weg bietet die beste Qualität und nur er ermöglicht es Ihnen, Messsysteme zu bekommen, aber Kameras, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind ziemlich teuer (mehr als 3000 US-Dollar).

In den meisten Fällen werden Single-Matrix-CCD-Kameras verwendet. Betrachten Sie ihr Funktionsprinzip.

Wie aus der ziemlich breiten spektralen Charakteristik der CCD-Matrix hervorgeht, kann sie die "Farbe" eines Photons, das auf die Oberfläche trifft, nicht bestimmen. Um ein Farbbild einzugeben, wird daher vor jedem Element der CCD-Matrix ein Lichtfilter installiert. In diesem Fall bleibt die Gesamtzahl der Matrixelemente gleich. SONY produziert zum Beispiel genau die gleichen CCD-Matrizen für Schwarzweiß- und Farbversionen, die sich nur durch das Vorhandensein eines Gitters aus Lichtfiltern in der Farbmatrix unterscheiden, die direkt auf die empfindlichen Bereiche aufgebracht werden. Es gibt mehrere Schemata zum Färben von Matrizen. Hier ist einer von ihnen.

Hier kommen 4 verschiedene Filter zum Einsatz (siehe Abb. 4 und Abb. 5).

Abb. 4. Verteilung von Lichtfiltern auf den Elementen der CCD-Matrix

Abbildung 5. Spektrale Empfindlichkeit von CCD-Elementen mit unterschiedlichen Lichtfiltern.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

In Zeile A1 wird das "rote" Farbdifferenzsignal erhalten als:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

und in Zeile A2 erhalten sie ein "blaues" Farbdifferenzsignal:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Daraus wird deutlich, dass die räumliche Auflösung einer Farb-CCD-Matrix im Vergleich zur gleichen Schwarz-Weiß-Matrix in der Regel horizontal und vertikal 1,3- bis 1,5-mal schlechter ist. Aufgrund der Verwendung von Lichtfiltern ist auch die Empfindlichkeit eines Farb-CCDs schlechter als die eines Schwarz-Weiß-CCDs. Wir können also sagen, dass bei einem Single-Matrix-Empfänger 1000 * 800 tatsächlich etwa 700 * 550 für das Helligkeitssignal und 500 * 400 (700 * 400 sind möglich) für das Farbsignal erhalten werden.

Ablenkend von technischen Fragen möchte ich darauf hinweisen, dass viele Hersteller elektronischer Kameras zu Werbezwecken völlig unverständliche Daten zu ihrer Technik melden. Beispielsweise gibt Kodak die Auflösung seiner elektronischen Kamera DC120 als 1200*1000 mit einer Matrix von 850x984 Pixeln an. Aber meine Herren - Informationen von einem leeren Platz entstehen nicht, obwohl es optisch gut aussieht!

Über die räumliche Auflösung eines Farbsignals (ein Signal, das Informationen über die Farbe eines Bildes enthält) können wir sagen, dass es mindestens zweimal schlechter ist als die Auflösung eines Schwarzweißsignals. Außerdem ist die "berechnete" Farbe des Ausgabepixels nicht die Farbe des entsprechenden Elements des Quellbildes, sondern nur das Ergebnis der Verarbeitung der Helligkeit verschiedener Elemente des Quellbildes. Grob gesagt kann aufgrund eines starken Helligkeitsunterschieds benachbarter Elemente des Objekts eine Farbe berechnet werden, die überhaupt nicht vorhanden ist, während eine leichte Kameraverschiebung zu einer starken Änderung der Ausgabefarbe führt. Zum Beispiel: Die Umrandung eines dunkel- und hellgrauen Feldes sieht aus wie mehrfarbige Quadrate.

Alle diese Argumente betreffen nur das physikalische Prinzip der Informationsgewinnung über Farb-CCD-Matrizen, wobei zu berücksichtigen ist, dass das Videosignal am Ausgang von Farbkameras normalerweise in einem der Standardformate PAL, NTSC, seltener S- Video.

Die Formate PAL und NTSC sind gut, weil sie sofort auf handelsüblichen Monitoren mit Videoeingang wiedergegeben werden können, aber man muss bedenken, dass diese Standards eine deutlich schmalere Bandbreite für das Farbsignal bieten, also ist es richtiger, von einem farbigen Bild zu sprechen hier, nicht um ein Farbbild. Ein weiteres unangenehmes Merkmal von Kameras mit Videosignalen, die eine Farbkomponente enthalten, ist das Auftreten der oben erwähnten Schlieren im Bild, das von Schwarz-Weiß-Framegrabbern erhalten wird. Und der Punkt hier ist, dass sich das Farbsignal fast in der Mitte des Videosignalbandes befindet und Interferenzen beim Eintritt in den Bildrahmen erzeugt. Auf einem Fernsehmonitor sehen wir diese Störung nicht, weil sich die Phase dieser „Störung“ nach vier Vollbildern ins Gegenteil ändert und vom Auge gemittelt wird. Daher die Verwirrung des Kunden, der ein Bild mit Störungen erhält, die er nicht sieht.

Daraus folgt, dass, wenn Sie einige Messungen durchführen oder Objekte nach Farbe entschlüsseln müssen, dieses Problem unter Berücksichtigung der oben genannten und anderer Merkmale Ihrer Aufgabe angegangen werden sollte.

Über CMOS-Sensoren

In der Welt der Elektronik ändert sich alles sehr schnell, und obwohl das Gebiet der Fotodetektoren eines der konservativsten ist, sind in letzter Zeit neue Technologien auf dem Weg. Dies bezieht sich zunächst auf das Erscheinungsbild von CMOS-Fernsehmatrizen.

Tatsächlich ist Silizium ein lichtempfindliches Element, und jedes Halbleiterprodukt kann als Sensor verwendet werden. Die Verwendung der CMOS-Technologie bietet mehrere offensichtliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Technologie.

Erstens ist die CMOS-Technologie gut beherrscht und ermöglicht die Herstellung von Zellen mit einer hohen Ausbeute an guten Produkten.

Zweitens können Sie mit der CMOS-Technologie zusätzlich zum lichtempfindlichen Bereich und auf der Matrix platzieren verschiedene Geräte Frames (bis hin zum ADC), die bisher „außen“ verbaut waren. Damit können Sie Kameras mit digitalem Ausgang „auf einem einzigen Chip“ produzieren.

Dank dieser Vorteile wird die Herstellung von viel billigeren Fernsehkameras möglich. Darüber hinaus erweitert sich das Angebot an Matrix-produzierenden Firmen erheblich.

Im Moment wird die Veröffentlichung von Fernsehmatrizen und Kameras, die auf CMOS-Technologie basieren, immer besser. Informationen über die Parameter solcher Geräte sind sehr knapp. Es kann nur festgestellt werden, dass die Parameter dieser Matrizen die jetzt erreichten nicht überschreiten, da für den Preis ihre Vorteile unbestreitbar sind.

Ich werde als Beispiel eine Ein-Chip-Farbkamera von Photobit PB-159 geben. Die Kamera wird auf einem einzigen Chip hergestellt und hat die folgenden technischen Parameter:

• Auflösung - 512*384;
• Pixelgröße - 7,9 μm * 7,9 μm;
• Empfindlichkeit - 1 Lux;
• Ausgang - digitales 8-Bit-SRGB;
• Körper - 44 Fuß PLCC.

Damit verliert die Kamera um den Faktor vier an Empfindlichkeit, außerdem wird aus den Angaben einer anderen Kamera deutlich, dass diese Technik Probleme mit einem relativ großen Dunkelstrom hat.

Über Digitalkameras

Vor kurzem ist ein neues Marktsegment entstanden, das schnell wächst, nämlich die Verwendung von CCDs und CMOS-Sensoren- Digitalkameras. Darüber hinaus gibt es derzeit eine starke Qualitätssteigerung dieser Produkte bei gleichzeitig starkem Preisverfall. Tatsächlich kostete vor 2 Jahren nur eine Matrix mit einer Auflösung von 1024 * 1024 etwa 3000 bis 7000 US-Dollar, und jetzt Kameras mit solchen Matrizen und einer Reihe von Schnickschnack (LCD-Bildschirm, Speicher, Zoomobjektiv, praktisches Gehäuse usw. ) kann für weniger als 1000 $ gekauft werden . Dies kann nur durch den Übergang zur großtechnischen Herstellung von Matrizen erklärt werden.

Da diese Kameras auf CCDs und CMOS-Matrizen basieren, gelten alle Argumente in diesem Artikel zur Empfindlichkeit, zu den Prinzipien der Farbsignalbildung auch für sie.

Anstelle eines Fazits

Unsere praktische Erfahrung lässt uns folgende Schlussfolgerungen ziehen:

• Die CCD-Fertigungstechnologie ist in Bezug auf Empfindlichkeit und Rauschen sehr nahe an den physikalischen Grenzen;
• auf dem Fernsehkameramarkt sind Kameras akzeptabler Qualität zu finden, obwohl Anpassungen erforderlich sein können, um höhere Parameter zu erreichen;
• man sollte sich nicht von den in den Prospekten für Kameras angegebenen Angaben zur hohen Empfindlichkeit täuschen lassen;
• und doch können sich die Preise für absolut identische Kameras und sogar nur die gleichen Kameras von verschiedenen Anbietern um mehr als das Doppelte unterscheiden!

Photoelektrische Festkörperwandler (SFECs) von Bildern sind Analoga von übertragenden CRTs.

TFECs stammen aus dem Jahr 1970 mit den sogenannten CCDs und werden auf der Basis einzelner Zellen gebildet, die MIS- oder MOS-Kondensatoren sind. Eine der Platten eines solchen Elementarkondensators ist ein Metallfilm M, die zweite ein Halbleitersubstrat P ( p- oder n-Leitfähigkeit) ist das Dielektrikum D ein Halbleiter, der in Form einer dünnen Schicht auf dem Substrat P abgeschieden wird. Mit einem Akzeptor dotiertes Silizium ( p-Typ) oder Spender ( n-Typ) Verunreinigung und als D - Siliziumoxid SiO 2 (siehe Abb.8.8).

Reis. 8.8. MOS-Kondensator

Reis. 8.9. Bewegung von Ladungen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes

Reis. 8.10. Arbeitsprinzip des dreiphasigen CCD-Systems

Reis. 8.11. Bewegung von Ladungen in einem Zweiphasen-CCD-System

Wenn eine Spannung an eine Metallelektrode angelegt wird, bildet sich darunter eine „Tasche“ oder ein Potentialtopf, in dem sich Nebenladungsträger (in unserem Fall Elektronen) „ansammeln“ können und die Mehrheitsladungsträger, Löcher, abgestoßen werden M. In einiger Entfernung von der Oberfläche kann die Konzentration kleinerer Ladungsträger höher sein als die Konzentration größerer Ladungsträger. In der Nähe des Dielektrikums D im Substrat P entsteht eine Inversionsschicht, in der sich der Leitungstyp in den umgekehrten ändert.

Das Ladungspaket im CCD kann elektrisch oder mit Hilfe von Lichterzeugung eingebracht werden. Während der Lichterzeugung führen im Silizium ablaufende photoelektrische Prozesse zur Akkumulation von Minoritätsladungsträgern in Potentialtöpfen. Die akkumulierte Ladung ist proportional zur Beleuchtungs- und Akkumulationszeit. Eine gerichtete Ladungsübertragung in einem CCD wird bereitgestellt, indem die MOS-Kondensatoren so dicht beieinander platziert werden, dass ihre Verarmungsbereiche überlappen und die Potentialwannen verbunden sind. In diesem Fall sammelt sich die mobile Ladung von Minoritätsträgern an der Stelle an, wo die Potentialmulde tiefer ist.

Lassen Sie unter Lichteinfluss die unter der Elektrode angesammelte Ladung ab U 1 (siehe Abb.8.9). Kommt jetzt auf die benachbarte Elektrode U 2 Spannung anlegen U 2 > u 1 , dann erscheint eine weitere potenzielle Quelle in der Nähe, tiefer ( U 2 > u eines). Zwischen ihnen entsteht ein elektrischer Feldbereich, und Minoritätsladungsträger (Elektronen) driften (fließen) in eine tiefere „Tasche“ (siehe Abb. 8.9). Um die Bidirektionalität bei der Ladungsübertragung zu eliminieren, wird eine Folge von Elektroden verwendet, die in Gruppen von 3 Elektroden zusammengefasst sind (siehe Abb. 8.10).

Wenn sich beispielsweise unter der Elektrode 4 eine Ladung angesammelt hat und diese nach rechts transportiert werden soll, wird an der rechten Elektrode 5 eine höhere Spannung angelegt ( U 2 > u 1) und die Ladung fließt dorthin usw.

Fast der gesamte Elektrodensatz ist mit drei Reifen verbunden:

Ich - 1, 4, 7, ...

II - 2, 5, 8, ...

III - 3, 6, 9, ...

In unserem Fall ist die "Empfangsspannung" ( U 2) liegt auf den Elektroden 2 und 5, aber Elektrode 2 ist von Elektrode 4 getrennt, wo die Ladung gespeichert wird, durch Elektrode 3 (die hat

U 3 = 0), also gibt es keinen Überlauf nach links.

Der Drei-Zyklus-Betrieb eines CCD impliziert das Vorhandensein von drei Elektroden (Zellen) pro TV-Bildelement, was die nutzbare Fläche verringert, die durch den Lichtfluss verwendet wird. Um die Anzahl der Zellen (Elektroden) des CCD zu reduzieren, werden Metallelektroden und eine dielektrische Schicht stufenförmig ausgebildet (siehe Abb. 8.11). Dadurch können beim Anlegen von Spannungsimpulsen an die Elektroden Potentialtöpfe unterschiedlicher Tiefe unter ihren verschiedenen Abschnitten erzeugt werden. Die meisten Ladungen aus der benachbarten Zelle fließen in die tiefere Grube ab.

Bei einem zweiphasigen CCD-System wird die Anzahl der Elektroden (Zellen) in der Matrix um ein Drittel reduziert, was sich günstig auf das Ablesen der Potentialentlastung auswirkt.

CCDs wurden ursprünglich vorgeschlagen, um in der Computertechnologie als Speichervorrichtungen, Schieberegister verwendet zu werden. Am Anfang der Kette wurde eine Injektionsdiode platziert, die eine Ladung in das System einführt, und am Ende der Schaltung eine Ausgangsdiode, normalerweise diese n-p- oder p-n- MOS-Strukturübergänge, die mit den ersten und letzten Elektroden (Zellen) von CCD-Ketten Feldeffekttransistoren bilden.

Aber es wurde schnell klar, dass CCDs sehr lichtempfindlich sind und es daher besser und effizienter ist, sie als Lichtdetektoren und nicht als Speichergeräte zu verwenden.

Wenn ein CCD-Array als Photodetektor verwendet wird, kann eine Ladungsakkumulation unter der einen oder anderen Elektrode durch ein optisches Verfahren (Lichtinjektion) durchgeführt werden. Man kann sagen, dass CCD-Matrizen von Natur aus lichtempfindliche analoge Schieberegister sind. Heutzutage werden CCDs nicht als Speichergeräte (Memory Devices) verwendet, sondern nur noch als Photodetektoren. Sie werden in Faxgeräten, Scannern (CCD-Arrays), Kameras und Camcordern (CCD-Arrays) verwendet. Typischerweise verwenden TV-Kameras sogenannte CCD-Chips.

Wir sind davon ausgegangen, dass alle 100% der Ladungen in die benachbarte Tasche übertragen werden. In der Praxis muss man jedoch mit Einbußen rechnen. Eine der Verlustquellen sind "Fallen", die Ladungen für einige Zeit erfassen und halten können. Diese Ladungen haben keine Zeit, in die benachbarte Tasche zu fließen, wenn die Übertragungsrate hoch ist.

Der zweite Grund ist der Strömungsmechanismus selbst. Im ersten Moment findet der Ladungstransfer in einem starken elektrischen Feld statt – das Eindriften E. Wenn jedoch die Ladungen fließen, nimmt die Feldstärke ab und der Driftprozess stirbt ab, sodass sich der letzte Teil aufgrund der Diffusion 100-mal langsamer bewegt als die Drift. Auf die letzte Portion zu warten bedeutet, die Leistung zu verlangsamen. Drift ergibt mehr als 90 % Übertragung. Aber es sind die letzten Prozentsätze, die bei der Bestimmung von Verlusten die wichtigsten sind.

Der Übertragungskoeffizient eines Übertragungszyklus sei gleich k= 0,99, unter der Annahme, dass die Anzahl der Zyklen sei N= 100 ermitteln wir den Gesamtübertragungskoeffizienten:

0,99 100 = 0,366

Es wird deutlich, dass bei einer großen Anzahl von Elementen sogar unbedeutende Verluste an einem Element auftreten sehr wichtig für die gesamte Kette.

Daher ist das Problem der Reduzierung der Anzahl von Ladungstransfers in einem CCD-Array von besonderer Bedeutung. In dieser Hinsicht wird der Ladungsübertragungskoeffizient eines zweiphasigen CCD-Arrays etwas höher sein als der eines dreiphasigen Systems.

Was ist ein CCD?

Ein bisschen Geschichte

Früher wurden fotografische Materialien als Lichtempfänger verwendet: fotografische Platten, fotografischer Film, fotografisches Papier. Später erschienen Fernsehkameras und PMTs (Photoelectric Multiplier).
In den späten 60er und frühen 70er Jahren begann die Entwicklung sogenannter „Charge-Coupled Devices“, abgekürzt als CCD. Im Englischen sieht es aus wie "charge-coupled devices" oder kurz CCD. Das Prinzip hinter CCDs war die Tatsache, dass Silizium in der Lage ist, auf sichtbares Licht zu reagieren. Und diese Tatsache führte zu der Idee, dass dieses Prinzip verwendet werden kann, um Bilder von leuchtenden Objekten zu erhalten.

Astronomen gehörten zu den ersten, die die außergewöhnlichen Fähigkeiten von CCDs für die Bildgebung erkannten. 1972 gründete eine Gruppe von Forschern des JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) das CCD-Entwicklungsprogramm für Astronomie und Weltraumforschung. Drei Jahre später Zusammen mit Wissenschaftlern der University of Arizona erhielt dieses Team das erste astronomische CCD-Bild. In einem Nahinfrarotbild von Uranus wurden mit einem 1,5-Meter-Teleskop dunkle Flecken in der Nähe des Südpols des Planeten gefunden, was auf das Vorhandensein von Methan dort hinweist ...

Die Verwendung von CCD-Matrizen hat heute eine breite Anwendung gefunden: Digitalkameras, Videokameras; Es ist möglich geworden, eine CCD-Matrix wie Kameras sogar in Mobiltelefone einzubetten.

CCD-Gerät

Eine typische CCD-Vorrichtung (Abb. 1): Auf der Halbleiteroberfläche befindet sich eine dünne (0,1–0,15 μm) dielektrische Schicht (normalerweise Oxid), auf der sich Streifen leitfähiger Elektroden (aus Metall oder polykristallinem Silizium) befinden. Diese Elektroden bilden ein lineares oder matrixförmiges regelmäßiges System, und die Abstände zwischen den Elektroden sind so gering, dass die Auswirkungen der gegenseitigen Beeinflussung benachbarter Elektroden erheblich sind. Das Funktionsprinzip eines CCD beruht auf der Erzeugung, Speicherung und gerichteten Übertragung von Ladungspaketen in Potentialtöpfen, die in der oberflächennahen Schicht eines Halbleiters gebildet werden, wenn äußere elektrische Spannungen an die Elektroden angelegt werden.

Reis. 1. Hauptgerät einer CCD-Matrix.

Auf Abb. In 1 bezeichnen die Symbole C1, C2 und C3 MOS-Kondensatoren (Metall-Oxid-Halbleiter).

Wird an eine beliebige Elektrode eine positive Spannung U angelegt, so entsteht in der MIS-Struktur ein elektrisches Feld, unter dessen Einwirkung die Majoritätsträger (Löcher) sehr schnell (in wenigen Pikosekunden) die Halbleiteroberfläche verlassen. Als Ergebnis wird nahe der Oberfläche eine verarmte Schicht gebildet, deren Dicke Bruchteile oder Einheiten eines Mikrometers beträgt. Minoritätsträger (Elektronen), die in der Verarmungsschicht unter dem Einfluss beliebiger Prozesse (z. B. thermisch) erzeugt oder aus den neutralen Bereichen des Halbleiters unter Einwirkung von Diffusion dorthin gelangt sind, bewegen sich (unter Einwirkung des Felds) zum Halbleiter -dielektrische Grenzfläche und in einer schmalen inversen Schicht lokalisiert sein. Dadurch entsteht nahe der Oberfläche ein Potentialtopf für Elektronen, in den sie unter der Einwirkung des Feldes aus der verarmten Schicht rollen. Die in der Sperrschicht erzeugten Majoritätsträger (Löcher) werden unter Einwirkung des Feldes in den neutralen Teil des Halbleiters ausgeschleudert.
Während eines bestimmten Zeitintervalls wird jedes Pixel allmählich mit Elektronen gefüllt, und zwar proportional zu der Lichtmenge, die in es eingedrungen ist. Am Ende dieser Zeit werden die von jedem Pixel angesammelten elektrischen Ladungen der Reihe nach zum "Ausgang" des Geräts übertragen und gemessen.

Die Größe des lichtempfindlichen Pixels der Matrizen reicht von einem oder zwei bis zu mehreren zehn Mikrometern. Die Größe von Silberhalogenidkristallen in der lichtempfindlichen Schicht von fotografischen Filmen reicht von 0,1 (Positivemulsionen) bis 1 Mikron (hochempfindliche Negativemulsionen).

Einer der Hauptparameter der Matrix ist die sogenannte Quanteneffizienz. Dieser Name spiegelt die Effizienz der Umwandlung absorbierter Photonen (Quanten) in Photoelektronen wider und ähnelt dem fotografischen Konzept der Lichtempfindlichkeit. Da die Energie von Lichtquanten von ihrer Farbe (Wellenlänge) abhängt, ist es unmöglich, eindeutig zu bestimmen, wie viele Elektronen in einem Matrixpixel geboren werden, wenn es beispielsweise einen Strom von hundert heterogenen Photonen absorbiert. Daher wird die Quanteneffizienz im Pass für die Matrix normalerweise als Funktion der Wellenlänge angegeben und kann in einigen Teilen des Spektrums 80% erreichen. Dies ist viel mehr als die fotografische Emulsion oder das Auge (ca. 1%).

Was sind CCD-Matrizen?

Wenn die Pixel in einer Zeile angeordnet sind, wird der Empfänger als CCD-Zeile bezeichnet, wenn die Fläche jedoch mit geraden Zeilen gefüllt ist, dann wird der Empfänger als CCD-Matrix bezeichnet.

Das CCD-Lineal hatte in den 80er und 90er Jahren ein breites Anwendungsspektrum für astronomische Beobachtungen. Es genügte, das Bild entlang des CCD-Lineals zu halten, und es erschien auf dem Computermonitor. Dieser Prozess war jedoch mit vielen Schwierigkeiten verbunden, weshalb CCD-Arrays derzeit zunehmend durch CCD-Matrizen ersetzt werden.

Unerwünschte Effekte

Einer der unerwünschten Nebeneffekte des CCD-Ladungstransfers, der Beobachtungen stören kann, sind helle vertikale Streifen (Säulen) anstelle von hellen Bereichen eines kleinen Bildbereichs. Zu den möglichen unerwünschten Wirkungen von CCD-Matrizen gehören auch: starkes Dunkelrauschen, das Vorhandensein von "blinden" oder "heißen" Pixeln, ungleichmäßige Empfindlichkeit über das Matrixfeld. Zur Reduzierung des Dunkelrauschens wird eine autonome Kühlung von CCD-Matrizen auf Temperaturen von -20 °C und darunter eingesetzt. Oder es wird ein Darkframe (z. B. mit geschlossenem Objektiv) mit derselben Dauer (Belichtung) und Temperatur aufgenommen, mit der das vorherige Frame aufgenommen wurde. Anschließend spezielles Programm der Computer subtrahiert den dunklen Rahmen von dem Bild.

CCD-basierte Fernsehkameras sind insofern gut, als sie die Möglichkeit bieten, Bilder mit bis zu 25 Bildern pro Sekunde mit einer Auflösung von 752 x 582 Pixel aufzunehmen. Die Untauglichkeit einiger Kameras dieses Typs für astronomische Beobachtungen besteht jedoch darin, dass der Hersteller eine interne Bildvorverarbeitung (Lesen - Verzerrungen) in sie implementiert, um die empfangenen Bilder besser per Sicht wahrzunehmen. Dies ist AGC (Automated Control Adjustment) und die sog. die Wirkung von "scharfen Grenzen" und anderen.

Fortschritt…

Im Allgemeinen ist die Verwendung von CCD-Empfängern viel bequemer als die Verwendung von nicht digitalen Lichtempfängern, da sich die erhaltenen Daten sofort als für die Verarbeitung auf einem Computer geeignete Form herausstellen und außerdem die Geschwindigkeit des Erhaltens Einzelbilder sehr hoch (von mehreren Bildern pro Sekunde bis zu Minuten).

Derzeit entwickelt und verbessert sich die Produktion von CCD-Matrizen in rasantem Tempo. Die Anzahl der "Megapixel" von Matrizen - die Anzahl der einzelnen Pixel pro Flächeneinheit der Matrix - nimmt zu. Verbesserung der Bildqualität mit CCDs usw.

Verwendete Quellen:
1. 1. Viktor Below. Auf Zehntel Mikrometer genau.
2. 2. S. E. Guryanov. Lernen Sie den CCD kennen.

(lang: 'ru')

Ich setze das in der vorherigen Veröffentlichung begonnene Gespräch über das Gerät fort.

Eines der Hauptelemente einer Digitalkamera, das sie von Filmkameras unterscheidet, ist ein lichtempfindliches Element, die sogenannte Bildverstärkerröhre oder lichtempfindlich Digitalkamera. Wir haben bereits über Kameramatrizen gesprochen, aber jetzt schauen wir uns das Gerät und das Funktionsprinzip der Matrix genauer an, wenn auch oberflächlich genug, um den Leser nicht zu sehr zu ermüden.

Die meisten Digitalkameras sind heutzutage damit ausgestattet CCD-Matrizen.

CCD-Matrix. Gerät. Arbeitsprinzip.

Werfen wir einen Blick auf das Gerät CCD-Sensoren.

Halbleiter werden bekanntermaßen in n-Typ- und p-Typ-Halbleiter unterteilt. In einem Halbleiter vom n-Typ gibt es einen Überschuss an freien Elektronen, und in einem Halbleiter vom p-Typ gibt es einen Überschuss an positiven Ladungen, „Löchern“ (und daher einen Mangel an Elektronen). Die gesamte Mikroelektronik basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Arten von Halbleitern.

Also das Element CCD-Sensoren einer Digitalkamera wie folgt angeordnet. Siehe Abb.1:

Abb.1

Wenn Sie nicht ins Detail gehen, dann ist ein CCD-Element oder Charge-Coupled Device, in englischer Transkription: Charge-Coupled-Device – CCD, ein MIS-Kondensator (Metal-Dielectric-Semiconductor). Es besteht aus einem Substrat vom p-Typ - einer Siliziumschicht, einem Siliziumdioxid-Isolator und Elektrodenplatten. Wenn an eine der Elektroden ein positives Potential angelegt wird, bildet sich darunter eine Zone, die von den Hauptladungsträgern – Löchern – verarmt ist, da sie durch das elektrische Feld von der Elektrode tief in das Substrat beiseite geschoben werden. Somit wird unter dieser Elektrode ein Potentialtopf gebildet, d. h. eine Energiezone, die für die Bewegung von Minoritätsladungsträgern, Elektronen, in sie hinein günstig ist. Dieser Brunnen sammelt eine negative Ladung. Es kann in diesem Brunnen lange gespeichert werden, da es keine Löcher enthält und daher Gründe für die Rekombination von Elektronen sind.

Bei lichtempfindlich Matrizen Die Elektroden sind Filme aus polykristallinem Silizium, die im sichtbaren Bereich des Spektrums transparent sind.

Auf die Matrix einfallende Lichtphotonen treten in das Siliziumsubstrat ein und bilden darin ein Loch-Elektronen-Paar. Löcher werden, wie oben erwähnt, tief in das Substrat verschoben, und Elektronen sammeln sich im Potentialtopf an.

Die akkumulierte Ladung ist proportional zur Anzahl der auf das Element einfallenden Photonen, d. h. zur Intensität des Lichtflusses. Dadurch entsteht auf der Matrix ein Ladungsrelief, das dem optischen Bild entspricht.

Bewegung von Ladungen in einem CCD-Array.

Jedes CCD-Element hat mehrere Elektroden, an denen unterschiedliche Potentiale anliegen.

Wenn an die benachbarte Elektrode ein Potential angelegt wird, das größer ist als das an der gegebenen Elektrode (siehe Abb. 3), wird darunter ein tieferer Potentialtopf gebildet, in den die Ladung aus dem ersten Potentialtopf wandert. Auf diese Weise kann sich Ladung von einer CCD-Zelle zur anderen bewegen. Das in Fig. 3 gezeigte CCD-Element wird dreiphasig genannt, es gibt auch 4-phasige Elemente.

Abb.4. Funktionsschema eines dreiphasigen ladungsgekoppelten Geräts - eines Schieberegisters.

Um Ladungen in Stromimpulse (Fotostrom) umzuwandeln, werden serielle Schieberegister verwendet (siehe Abb. 4). Ein solches Schieberegister ist eine Kette von CCD-Elementen. Die Amplitude der Stromimpulse ist proportional zur übertragenen Ladungsmenge und damit proportional zum einfallenden Lichtstrom. Die durch Lesen der Ladungsfolge erzeugte Folge von Stromimpulsen wird dann an den Eingang des Verstärkers angelegt.

Linien von eng beabstandeten CCD-Elementen werden kombiniert CCD. Der Betrieb einer solchen Matrix basiert auf der Erzeugung und Übertragung einer lokalen Ladung in Potentialtöpfen, die durch ein elektrisches Feld erzeugt werden.

Abb.5.

Die Ladungen aller CCD-Elemente des Registers werden synchron zu benachbarten CCD-Elementen verschoben. Die Ladung, die sich in der letzten Zelle befand, geht zum Ausgang des Registers und dann zum Eingang des Verstärkers.

Der Eingang eines seriellen Schieberegisters wird durch Ladungen senkrechter Schieberegister gespeist, die gemeinsam als paralleles Schieberegister bezeichnet werden. Parallele und serielle Schieberegister bilden die CCD-Matrix (siehe Fig. 4).

Schieberegister senkrecht zum seriellen Register werden als Spalten bezeichnet.

Die Bewegung der parallelen Registerladungen ist streng synchronisiert. Alle Ladungen einer Reihe werden gleichzeitig in die nächste verschoben. Die Ladungen der letzten Zeile fallen in das serielle Register. Somit tritt in einem Arbeitszyklus eine Kette von Ladungen aus dem parallelen Register in den Eingang des seriellen Registers ein und macht Platz für neu gebildete Ladungen.

Der Betrieb der seriellen und parallelen Register wird durch den Taktgenerator synchronisiert. Teil digitale Kamerasensoren enthält auch eine Mikroschaltung, die Potentiale an die Registerübertragungselektroden liefert und ihren Betrieb steuert.

Eine derartige Bildverstärkerröhre wird als Vollbildmatrix (Vollbild-CCD-Matrix) bezeichnet. Für seinen Betrieb ist eine undurchsichtige Abdeckung erforderlich, die zuerst die Bildverstärkerröhre für die Belichtung öffnet und sie dann schließt, wenn die Anzahl der Photonen, die für die Ansammlung einer ausreichenden Ladung in den Matrixelementen erforderlich ist, darauf trifft aus Licht. Eine solche Abdeckung ist ein mechanischer Verschluss, wie bei Filmkameras. Das Fehlen eines solchen Verschlusses führt dazu, dass, wenn sich Ladungen im Schieberegister bewegen, die Zellen weiterhin mit Licht bestrahlt werden, wodurch der Ladung jedes Pixels zusätzliche Elektronen hinzugefügt werden, die nicht dem Lichtfluss eines bestimmten Punktes entsprechen . Dies führt zum "Verschmieren" der Ladung bzw. zur Verzerrung des resultierenden Bildes.