Устройство и основные принципы работы элементов телевидения (видеокамер)
Основу любой системы телевизионного наблюдения составляют телевизионные камеры. В конструкции видеокамеры можно выделить следующие основные функциональные системы:
1. Преобразователь свет-сигнал.
2. Синхронизация.
3. Автодиафрагма.
4. Фокусное расстояние.
5. Относительное отверстие.
6. Формат матрицы.
7. Чувствительность.
8. Отношение сигнал шум.
9. Преобразователь свет-сигнал.
10. Устройства и основные принципы работы.
Преобразование свет-сигнал осуществляется прибором с зарядовой связью (ПЗС). Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) научились получать в конце 50-х годов. Были найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника.
С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью.
На рисунке показана структура одного элемента, линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа, получают добавлением (легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители — дырки. Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда, свободных электронов там очень мало. Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется область, обедненная основными носителями - дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется потенциальная яма.
В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда - электрон и дырка. Электростатическое поле в области пикселя “растаскивает” эту пару, вытесняя дырку вглубь кремния. Не основные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся - диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается.
Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен. Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.
Строение ПЗС матрицы камеры
Типы и строение ПЗС-матриц для систем охранного телевидения
Большинство типов ПЗС-матриц, изготавливаемых на промышленной основе, ориентированы на применение в телевидении, и это находит отражение на их внутренней структуре. Как правило, такие матрицы состоят из двух идентичных областей - области накопления и области хранения.
По отношению размеров областей хранения и накопления матрицы делятся на 2 типа:
· матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки;
· матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки.
Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления, для работы таких матриц требуется оптический затвор.
Область хранения защищена от воздействия света светонепроницаемым покрытием. Во время обратного хода луча кадровой развертки телевизионного монитора изображение, сформированное в области накопления, быстро переносится в область хранения и, затем, пока экспонируется следующий кадр, считывается построчно с частотой строчной развертки в выходной сдвиговый регистр. Параллельный перенос строки в регистр считывания происходит во время обратного хода строчной развертки. Из сдвигового регистра зарядовые пакеты выводятся друг за другом, последовательно через выходной усилитель, расположенный на этом же кристалле кремния. В этом узле происходит преобразование заряда в напряжение для дальнейшей обработки сигнала внешней электронной аппаратурой. Такие приборы называются ПЗС с кадровым переносом. Они широко используются в бытовой видеотехнике, особенно любительской, благодаря их низким ценам. Приборы с кадровым переносом можно использовать для съемок в хорошо освещенных условиях. Применение подобных ПЗС позволяет использовать видеокамеры без дорогостоящих механических затворов.
ПЗС, сконструированные для применения в условиях слабой освещенности, как правило, изготавливаются без области хранения и часто имеют два сдвиговых регистра на противоположных сторонах прибора, как, например, ПЗС фирмы Tektronix ТК512. Изображение можно сдвинуть в любой из этих регистров, которые могут отличаться конструкцией выходного узла. Обычно, один из них оптимизируется для медленных скоростей считывания, другой для быстрых. На время вывода сигнала такая матрица должна быть экранирована от света. Для этого чаще всего используют механические затворы.
ПЗС с черезстрочной (межстрочной) разверткой хорошего качества современной разработки выпускает, например, фирма Philips. Такими матрицами снабжены телекамеры серии LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 снабжена автоматическим электронным затвором 1/50 — 1/100000 сек, работающим с форматом матрицы 1/3 дюйма и размером 752х582 пиксел.
Самые простые по устройству ПЗС состоят из электродной структуры, осажденной прямо на слой изолятора, сформированного на поверхности пластины однородно легированного р-кремния. Заряд накапливается и переносится непосредственно в приповерхностном слое полупроводника. Такие приборы называются ПЗС с поверхностным каналом. Для поверхностного слоя характерно большое количество дефектов, что негативно влияет на эффективность переноса зарядов. Заряды захватываются на дефектах поверхностного слоя и медленно высвобождаются. Это приводит к размазыванию изображения. Дефекты поверхностного слоя могут также спонтанно эмитировать заряды, приводя к увеличению темного сигнала (тока). Поверхностные состояния являются фактором, ограничивающим работоспособность ПЗС.
Толщина рабочей части приборов с зарядовой связью составляет единицы микрон. Изготавливаются они, как правило, на основе очень тонких полупроводниковых плёнок, выращенных на сравнительно толстом основании – подложке.
Электроды ПЗС-матриц
Электроды ПЗС в течение некоторого времени после изобретения чаще всего изготавливались в одном слое металла. Слой алюминия толщиной около 1 мкм наносили на прибор испарением. Затем путем фотолитографии формировали электроды. Наиболее критичным этапом в технологическом цикле изготовления одноуровневой структуры этого типа является вытравливание межэлектродных зазоров. Для обеспечения хорошего переноса зарядовых пакетов надо, чтобы потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Глубина потенциальной ямы зависит от степени легирования кремния и величины приложенного к электроду потенциала. Типичные значения — единицы микрон. Отсюда следует, что межэлектродные зазоры не должны быть больше единиц микрон. Суммарная длина этих узких зазоров в больших приборах весьма велика.
Для слаболегированного материала подложки (концентрация атомов акцептора около 1015 1/см3, толщина окисла 0.1 мкм и умеренный размах тактовых импульсов порядка 10 В) обедненный слой проникает в кремний на глубину примерно 1 мкм. Вспомним, что в каждом кубическом сантиметре твердого вещества содержится примерно 1022 атомов. Концентрация 1015атомов примеси в 1 см3 соответствует 1 атому примеси на 10 миллионов атомов Si.
Понятно, что любое случайное замыкание соседних электродов, произошедшее на одной из операций технологического цикла, полностью выведет прибор из строя. Последующее развитие ПЗС-технологии было направлено на создание структур, свободных от недостатков первых технологий и работающих с более простыми управляющими напряжениями.
Синхронизации LINE LOCK
Этот вариант синхронизации может быть выполнен только с камерами, питающимися переменным током, так как в этом случае синхронизация всех камер осуществляется от питающего напряжения. Это возможно только в том случае, если питание камер происходит от одного источника переменного тока. Поэтому, пока ток в сети синфазный, синхронизация системы будет обеспечена. Если же разные камеры подключены к различным фазам, возникает необходимость их согласования по питанию и настройке фазы для каждой камеры в отдельности. Существуют специальные устройства фазирования / синхронизации для проведения работ по настройке и синхронизации камер в режиме line lock.
Внешняя синхронизация
Такой вариант синхронизации предполагает использование внешнего опорного источника сигнала. Затем этот сигнал распределяется на каждую камеру посредством специального коаксиального кабеля. Опорный сигнал может быть сформирован генератором синхросигналов. Также в качестве опорного сигнала может быть использован сигнал с видеовыхода одной из камер. Такие варианты предполагают применение дополнительных соединений и кабелей, однако, являются единственными способами осуществления синхронизации для камер с питанием постоянного тока, которые не могут быть синхронизированы по питанию (Line Lock).
Автоматический электронный затвор
Автоматический электронный затвор обеспечивает компенсацию изменения уровня освещенности и постоянную среднюю яркость изображения. Это достигается за счет изменения времени накопления фотозаряда и, как следствие, амплитуды видеосигнала. Скорость переключения затвора (время накопления) может достигать до 1/100000 секунды.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17
