Apa itu CCD?

Sedikit sejarah

Sebelumnya, bahan fotografi digunakan sebagai penerima cahaya: pelat fotografi, film fotografi, kertas foto. Belakangan muncul kamera televisi dan tabung photomultiplier (PMT).
Pada akhir tahun 60an dan awal 70an, apa yang disebut “Charge Coupled Devices”, disingkat CCD, mulai dikembangkan. Dalam bahasa Inggris sepertinya "charge-coupled devices" atau disingkat CCD. Prinsip di balik matriks CCD adalah fakta bahwa silikon mampu merespons cahaya tampak. Dan fakta ini memunculkan gagasan bahwa prinsip ini dapat digunakan untuk memperoleh gambar benda bercahaya.

Para astronom termasuk orang pertama yang menyadari kemampuan luar biasa CCD dalam merekam gambar. Pada tahun 1972, sekelompok peneliti dari JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) mendirikan program pengembangan CCD untuk astronomi dan penelitian luar angkasa. Tiga tahun kemudian, bersama dengan para ilmuwan di Universitas Arizona, tim memperoleh gambar astronomi CCD pertama. Gambar inframerah dekat Uranus menggunakan teleskop satu setengah meter mengungkapkan bintik-bintik gelap di dekat kutub selatan planet tersebut, yang mengindikasikan adanya metana...

Penggunaan matriks CCD saat ini telah banyak diterapkan: kamera digital, kamera video; Menjadi mungkin untuk mengintegrasikan matriks CCD seperti kamera bahkan ke dalam ponsel.

perangkat CCD

Perangkat CCD tipikal (Gbr. 1): pada permukaan semikonduktor terdapat lapisan dielektrik tipis (0,1-0,15 mikron) (biasanya oksida), di mana strip elektroda penghantar (terbuat dari logam atau silikon polikristalin) berada. Elektroda-elektroda ini membentuk sistem teratur linier atau matriks, dan jarak antar elektroda sangat kecil sehingga pengaruh timbal balik dari elektroda-elektroda tetangga menjadi signifikan. Prinsip pengoperasian CCD didasarkan pada kemunculan, penyimpanan, dan transmisi terarah paket muatan di sumur potensial yang terbentuk di lapisan dekat permukaan semikonduktor ketika tegangan listrik eksternal diterapkan ke elektroda.

Beras. 1. Desain dasar matriks CCD.

Pada Gambar. 1, simbol C1, C2 dan C3 menunjukkan kapasitor MOS (semikonduktor oksida logam).

Jika tegangan positif U diterapkan ke elektroda mana pun, maka medan listrik muncul di struktur MIS, di bawah pengaruh pembawa mayoritas (lubang) dengan sangat cepat (dalam beberapa pikodetik) menjauh dari permukaan semikonduktor. Akibatnya, lapisan terkuras terbentuk di permukaan, yang ketebalannya merupakan pecahan atau satuan mikrometer.
Pembawa minoritas (elektron) yang dihasilkan di lapisan penipisan di bawah pengaruh beberapa proses (misalnya, termal) atau sampai ke sana dari daerah netral semikonduktor di bawah pengaruh difusi akan berpindah (di bawah pengaruh medan) ke semikonduktor -antarmuka isolator dan dilokalisasi dalam lapisan terbalik yang sempit. Dengan demikian, sebuah sumur potensial bagi elektron muncul di permukaan, tempat elektron-elektron tersebut menggelinding dari lapisan penipisan di bawah pengaruh medan. Mayoritas pembawa (lubang) yang dihasilkan pada lapisan penipisan dikeluarkan ke bagian netral semikonduktor di bawah pengaruh medan.

Selama periode waktu tertentu, setiap piksel secara bertahap diisi dengan elektron sesuai dengan jumlah cahaya yang masuk. Pada akhir waktu ini, muatan listrik yang terakumulasi oleh setiap piksel ditransfer secara bergantian ke “output” perangkat dan diukur.

Salah satu parameter utama matriks adalah apa yang disebut efisiensi kuantum. Nama ini mencerminkan efisiensi konversi foton yang diserap (kuanta) menjadi fotoelektron dan mirip dengan konsep fotografi fotosensitifitas. Karena energi kuanta cahaya bergantung pada warnanya (panjang gelombang), tidak mungkin untuk menentukan secara pasti berapa banyak elektron yang akan lahir dalam piksel matriks ketika ia menyerap, misalnya, fluks seratus foton heterogen. Oleh karena itu, efisiensi kuantum biasanya diberikan dalam paspor matriks sebagai fungsi panjang gelombang, dan pada bagian spektrum tertentu dapat mencapai 80%. Ini jauh lebih banyak dibandingkan emulsi fotografi atau mata (sekitar 1%).

Jenis CCD apa yang ada?

Jika piksel-piksel tersebut berjajar dalam satu baris, maka penerima disebut array CCD, tetapi jika luas permukaannya diisi dengan baris genap, maka penerima disebut matriks CCD.

Array CCD memiliki berbagai aplikasi di tahun 80an dan 90an untuk observasi astronomi. Cukup dengan memindahkan gambar sepanjang garis CCD dan muncul di monitor komputer. Namun proses ini disertai dengan banyak kesulitan dan oleh karena itu, saat ini, susunan CCD semakin banyak digantikan oleh matriks CCD.

Dampak yang tidak diinginkan

Salah satu efek samping yang tidak diinginkan dari transfer muatan pada CCD yang dapat mengganggu pengamatan adalah garis-garis vertikal terang (pilar) menggantikan area terang pada gambar area kecil. Kemungkinan efek yang tidak diinginkan dari matriks CCD juga mencakup: noise gelap yang tinggi, adanya piksel “buta” atau “panas”, sensitivitas yang tidak merata di seluruh bidang matriks. Untuk mengurangi kebisingan gelap, pendinginan otonom matriks CCD digunakan pada suhu -20°C dan di bawahnya. Atau pengambilan bingkai gelap (misalnya, dengan lensa tertutup) dengan durasi (pencahayaan) dan suhu yang sama dengan pengambilan bingkai sebelumnya. Kemudian program khusus Komputer mengurangi bingkai gelap dari gambar.

Keunggulan kamera televisi berbasis CCD adalah dapat menangkap gambar hingga 25 frame per detik dengan resolusi 752 x 582 piksel. Namun ketidaksesuaian beberapa kamera jenis ini untuk pengamatan astronomi terletak pada kenyataan bahwa di dalamnya pabrikan menerapkan pra-pemrosesan gambar internal (baca: distorsi) untuk persepsi yang lebih baik dari bingkai yang dihasilkan melalui penglihatan. Ini termasuk AGC (penyesuaian kontrol otomatis) dan yang disebut. efek “batas yang tajam” dan lain-lain.

Kemajuan…

Secara umum, penggunaan penerima CCD jauh lebih nyaman daripada penggunaan penerima cahaya non-digital, karena data yang diterima segera dalam bentuk yang sesuai untuk diproses di komputer dan, sebagai tambahan, kecepatan memperoleh frame individual sangat tinggi. tinggi (dari beberapa frame per detik hingga menit).

Saat ini, produksi matriks CCD berkembang dan meningkat pesat. Jumlah "megapiksel" matriks meningkat - jumlah piksel individu per satuan luas matriks. Kualitas gambar yang diperoleh dengan menggunakan matriks CCD, dll., meningkat.

Sumber yang digunakan:
1. 1. Victor Belov. Akurat hingga sepersepuluh mikron.
2. 2. S.E. Temui CCD.

Satu elemen sensitif terhadap seluruh rentang spektral yang terlihat, sehingga filter cahaya digunakan di atas fotodioda matriks CCD warna, yang hanya mentransmisikan satu dari tiga warna: merah (Merah), hijau (Hijau), biru (Biru) atau kuning (Kuning), magenta ( Magenta), pirus (Cyan). Namun pada gilirannya, tidak ada filter seperti itu dalam matriks CCD hitam-putih.

PERANGKAT DAN PRINSIP PENGOPERASIAN PIXEL

Sebuah piksel terdiri dari substrat p yang dilapisi dengan dielektrik transparan, di mana elektroda pemancar cahaya diterapkan, membentuk sumur potensial.

Di atas piksel mungkin terdapat filter cahaya (digunakan dalam matriks warna) dan lensa pengumpul (digunakan dalam matriks di mana elemen sensitif tidak sepenuhnya menempati permukaan).

Potensi positif diterapkan pada elektroda pemancar cahaya yang terletak di permukaan kristal. Cahaya yang jatuh pada piksel menembus jauh ke dalam struktur semikonduktor, membentuk pasangan lubang elektron. Elektron dan lubang yang dihasilkan ditarik terpisah oleh medan listrik: elektron berpindah ke zona penyimpanan pembawa (sumur potensial), dan lubang mengalir ke substrat.

Piksel mempunyai ciri-ciri sebagai berikut:

• Kapasitas sumur potensial adalah jumlah elektron yang dapat ditampung oleh sumur potensial tersebut.
• Sensitivitas spektral suatu piksel - ketergantungan sensitivitas (rasio nilai arus foto terhadap fluks bercahaya) pada panjang gelombang radiasi.
• Efisiensi kuantum (diukur dalam persentase) adalah besaran fisika yang sama dengan rasio jumlah foton, yang penyerapannya menyebabkan pembentukan kuasipartikel, dengan jumlah total foton yang diserap. Dalam matriks CCD modern, angka ini mencapai 95%. Sebagai perbandingan, mata manusia mempunyai efisiensi kuantum sekitar 1%.
• Rentang dinamis- rasio tegangan atau arus saturasi terhadap tegangan kuadrat rata-rata atau arus derau gelap. Diukur dalam dB.

MATRIKS CCD DAN PERANGKAT TRANSFER BIAYA

CCD dibagi menjadi beberapa baris, dan pada gilirannya, setiap baris dibagi menjadi piksel. Baris-baris tersebut dipisahkan satu sama lain oleh lapisan penghenti (p +), yang tidak memungkinkan muatan mengalir di antara baris-baris tersebut. Untuk memindahkan paket data, digunakan register geser paralel, juga dikenal sebagai vertikal (VCCD) dan serial, juga dikenal sebagai horizontal (HCCD).

Siklus operasi paling sederhana dari register geser tiga fase dimulai dengan fakta bahwa potensial positif diterapkan pada gerbang pertama, menghasilkan pembentukan sumur yang diisi dengan elektron yang dihasilkan. Kemudian kita menerapkan potensial pada gerbang kedua yang lebih tinggi dari pada gerbang pertama, sehingga terbentuk sumur potensial yang lebih dalam di bawah gerbang kedua, di mana elektron akan mengalir dari bawah gerbang pertama. Untuk melanjutkan pergerakan muatan, Anda harus mengurangi nilai potensial pada gerbang kedua, dan menerapkan potensi yang lebih tinggi pada gerbang ketiga. Elektron mengalir di bawah gerbang ketiga. Siklus ini berlanjut dari titik akumulasi ke pembacaan langsung resistor horizontal. Semua elektroda register geser horizontal dan vertikal membentuk fase (fase 1, fase 2, dan fase 3).

Klasifikasi matriks CCD berdasarkan warna:

• Hitam dan putih
• Berwarna

Klasifikasi matriks CCD berdasarkan arsitektur:

Hijau menunjukkan sel fotosensitif, abu-abu menunjukkan area buram.

Matriks CCD memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

• Efisiensi perpindahan muatan adalah perbandingan jumlah elektron dalam muatan di ujung jalur melalui register geser dengan jumlah di awal.
• Faktor pengisian adalah rasio area yang diisi elemen fotosensitif terhadap total luas permukaan fotosensitif matriks CCD.
• Arus gelap - arus listrik, yang mengalir melalui elemen fotosensitif tanpa adanya foton yang datang.
• Kebisingan baca adalah kebisingan yang terjadi pada rangkaian konversi dan amplifikasi sinyal keluaran.

Matriks dengan transfer bingkai. (Transfer bingkai bahasa Inggris).

Keuntungan: Kemungkinan untuk menempati 100% permukaan dengan elemen fotosensitif; Waktu pembacaan lebih rendah dibandingkan sensor transfer full-frame; Lebih sedikit blur dibandingkan CCD transfer full-frame; Memiliki keunggulan siklus kerja dibandingkan arsitektur full-frame: CCD transfer frame terus-menerus mengumpulkan foton. Kekurangan: Saat membaca data, Anda harus memblokir sumber cahaya dengan rana untuk menghindari keburaman; Jalur perjalanan muatan telah ditingkatkan, yang berdampak negatif terhadap efisiensi transfer muatan; Sensor ini lebih mahal untuk diproduksi dan diproduksi dibandingkan perangkat transfer full-frame.

Matriks dengan transfer antar baris atau matriks dengan buffering kolom (eng. Interline-transfer).
	Keuntungan: Tidak perlu menggunakan penutup; Tidak ada pelumasan. Kekurangan: Kemampuan mengisi permukaan dengan elemen sensitif tidak lebih dari 50%. Kecepatan baca dibatasi oleh kecepatan register geser; Resolusi lebih rendah dibandingkan CCD transfer frame dan full frame.

Matriks dengan transfer garis-bingkai atau matriks dengan buffering kolom (interline bahasa Inggris).

Keuntungan: Proses akumulasi dan transfer muatan terpisah secara spasial; Muatan dari elemen penyimpanan ditransfer ke register transfer, ditutup dari cahaya matriks CCD; Transfer muatan seluruh gambar dilakukan dalam 1 siklus jam; Tidak ada pelumasan; Interval antar eksposur minimal dan cocok untuk perekaman video. Kekurangan: Kemampuan untuk mengisi permukaan dengan elemen sensitif tidak lebih dari 50%; Resolusi lebih rendah dibandingkan CCD transfer frame dan full frame; Jalur perjalanan muatan meningkat, yang berdampak negatif terhadap efisiensi transfer muatan.

APLIKASI MATRIKS CCD

	APLIKASI ILMIAH untuk spektroskopi; untuk mikroskop; untuk kristalografi; untuk fluoroskopi; untuk ilmu alam; untuk ilmu biologi.
	APLIKASI RUANG ANGKASA di teleskop; di pelacak bintang; dalam melacak satelit; saat menyelidiki planet; peralatan kru onboard dan manual.
	APLIKASI INDUSTRI untuk memeriksa kualitas lasan; untuk mengontrol keseragaman permukaan yang dicat; mempelajari ketahanan aus produk mekanis; untuk membaca kode batang; untuk mengontrol kualitas kemasan produk.
	APLIKASI PERLINDUNGAN BENDA di apartemen tempat tinggal; di bandara; di lokasi konstruksi; di tempat kerja; di kamera "pintar" yang mengenali wajah seseorang.
	APLIKASI DALAM FOTOGRAFI di kamera profesional; di kamera amatir; di ponsel.
	PENGGUNAAN MEDIS dalam fluoroskopi; dalam kardiologi; dalam mamografi; dalam kedokteran gigi; dalam bedah mikro; dalam onkologi.
	APLIKASI JALAN OTOMATIS untuk pengenalan plat nomor otomatis; untuk kontrol kecepatan; untuk mengendalikan arus lalu lintas; untuk izin parkir; dalam sistem pengawasan polisi.

Bagaimana distorsi terjadi apabila memotret objek bergerak pada sensor dengan shutter bergulir:

Vendor sekarang menawarkan banyak pilihan kamera pengawasan video. Model berbeda tidak hanya dalam parameter umum untuk semua kamera - panjang fokus, sudut pandang, sensitivitas cahaya, dll. - tetapi juga dalam berbagai fitur eksklusif yang diupayakan oleh setiap pabrikan untuk melengkapi perangkat mereka.

Oleh karena itu, sering kali deskripsi singkat Ciri-ciri kamera pengawas video adalah daftar istilah-istilah menakutkan yang tidak dapat dipahami, misalnya: CMOS 1/2,8" 2,4MP, 25/30fps, Menu OSD, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, IR Cerdas, IP67, 0,05 Lux dan bukan itu saja.

Pada artikel sebelumnya, kami fokus pada standar video dan klasifikasi kamera berdasarkan standar tersebut. Hari ini kita akan melihat karakteristik utama kamera pengawasan video dan penguraian simbol-simbolnya teknologi khusus, digunakan untuk meningkatkan kualitas sinyal video:

1. Panjang fokus dan sudut pandang
2. Aperture (angka F) atau bukaan lensa
3. Menyesuaikan iris (iris otomatis)
4. Rana elektronik (AES, kecepatan rana, kecepatan rana)
5. Sensitivitas (sensitivitas cahaya, pencahayaan minimum)
6. Kelas perlindungan IK (anti perusak, anti perusak) dan IP (dari kelembaban dan debu)

Jenis matriks (CCD CCD, CMOS CMOS)

Ada 2 jenis matriks kamera CCTV: CCD (dalam bahasa Rusia - CCD) dan CMOS (dalam bahasa Rusia - CMOS). Mereka berbeda dalam struktur dan prinsip operasi.

CCD	CMOS
Pembacaan berurutan dari semua sel matriks	Pembacaan acak dari sel matriks, yang mengurangi risiko noda - munculnya noda vertikal pada sumber cahaya titik (lampu, lentera)
Tingkat kebisingan rendah	Tingkat kebisingan yang tinggi disebabkan oleh apa yang disebut arus tempo
Sensitivitas dinamis tinggi (lebih cocok untuk memotret objek bergerak)	Efek “Rolling shutter” - saat memotret objek yang bergerak cepat, garis horizontal dan distorsi gambar dapat terjadi
Kristal hanya digunakan untuk menampung elemen fotosensitif; sirkuit mikro lainnya harus ditempatkan secara terpisah, sehingga meningkatkan ukuran dan biaya kamera	Semua chip dapat ditempatkan pada satu chip, membuat produksi kamera CMOS menjadi sederhana dan murah
Dengan menggunakan area matriks hanya untuk elemen fotosensitif, efisiensi penggunaannya meningkat - mendekati 100%	Konsumsi daya rendah (hampir 100 kali lebih kecil dari matriks CCD)
Produksi yang mahal dan rumit	Pertunjukan

Untuk waktu yang lama diyakini bahwa matriks CCD menghasilkan gambar dengan kualitas jauh lebih tinggi daripada CMOS. Namun, matriks CMOS modern seringkali tidak kalah dengan CCD, terutama jika persyaratan untuk sistem pengawasan video tidak terlalu tinggi.

Ukuran matriks

Menunjukkan ukuran diagonal matriks dalam inci dan ditulis sebagai pecahan: 1/3", 1/2", 1/4", dst.

Secara umum diyakini bahwa semakin besar ukuran matriks, semakin baik: lebih sedikit noise, gambar lebih jernih, sudut pandang lebih besar. Namun, pada kenyataannya, kualitas gambar terbaik tidak ditentukan oleh ukuran matriksnya, tetapi oleh ukuran sel atau piksel individualnya - semakin besar, semakin baik. Oleh karena itu, saat memilih kamera pengawasan video, Anda perlu mempertimbangkan ukuran matriks beserta jumlah pikselnya.

Jika matriks dengan ukuran 1/3" dan 1/4" memiliki jumlah piksel yang sama, maka dalam hal ini matriks 1/3" secara alami akan memberikan gambar yang lebih baik. Namun jika matriks tersebut memiliki lebih banyak piksel, maka Anda perlu mengambil kalkulator dan hitung perkiraan ukuran piksel.

Misalnya, dari penghitungan ukuran sel matriks di bawah ini, Anda dapat melihat bahwa dalam banyak kasus, ukuran piksel pada matriks 1/4" ternyata lebih besar daripada matriks 1/3", yang berarti gambar video dengan 1/ 4", meskipun ukurannya lebih kecil, akan lebih baik.

Ukuran matriks	Jumlah piksel (jutaan)	Ukuran sel (µm)
1/6	0.8	2,30
1/3	3,1	2,35
1/3,4	2,2	2,30
1/3,6	2,1	2,40
1/3,4	2,23	2,45
1/4	1,55	2,50
1 / 4,7	1,07	2,50
1/4	1,33	2,70
1/4	1,2	2,80
1/6	0,54	2,84
1 / 3,6	1,33	3,00
1/3,8	1,02	3,30
1/4	0,8	3,50
1/4	0,45	4,60

Panjang fokus dan sudut pandang

Parameter ini sangat penting ketika memilih kamera pengawasan video, dan keduanya terkait erat satu sama lain. Faktanya, panjang fokus suatu lensa (sering dilambangkan dengan f) adalah jarak antara lensa dan sensor.

Dalam praktiknya, panjang fokus menentukan sudut dan jangkauan pandang kamera:

• semakin pendek panjang fokus, semakin lebar sudut pandang dan semakin sedikit detail yang terlihat pada objek yang terletak di kejauhan;
• Semakin panjang fokusnya, semakin sempit sudut pandang kamera video dan semakin detail gambar objek yang jauh.

Jika Anda memerlukan gambaran umum tentang area tertentu, dan Anda ingin menggunakan kamera sesedikit mungkin untuk ini, belilah kamera dengan panjang fokus pendek dan, karenanya, sudut pandang lebar.

Namun pada area yang memerlukan pengamatan detail pada area yang relatif kecil, sebaiknya memasang kamera dengan panjang fokus yang lebih panjang, mengarahkannya ke objek pengamatan. Ini sering digunakan di meja kasir supermarket dan bank, di mana Anda perlu melihat pecahan uang kertas dan rincian pembayaran lainnya, serta di pintu masuk tempat parkir dan area lain di mana perlu membedakan nomor plat di atasnya. jarak yang jauh.

Panjang fokus yang paling umum adalah 3,6 mm. Ini kira-kira sesuai dengan sudut pandang mata manusia. Kamera dengan panjang fokus ini digunakan untuk pengawasan video di ruangan kecil.

Tabel di bawah berisi informasi dan hubungan antara panjang fokus, sudut pandang, jarak pengenalan, dll. untuk fokus yang paling umum. Angka-angka tersebut merupakan perkiraan, karena tidak hanya bergantung pada panjang fokus, tetapi juga pada parameter optik kamera lainnya.

Tergantung pada lebar sudut pandang, kamera pengawas video biasanya dibagi menjadi:

• konvensional (sudut pandang 30°-70°);
• sudut lebar (sudut pandang sekitar 70°);
• fokus panjang (sudut pandang kurang dari 30°).

Huruf F, biasanya hanya menggunakan huruf kapital, juga menunjukkan bukaan lensa - oleh karena itu, saat membaca karakteristik, perhatikan konteks di mana parameter tersebut digunakan.

Jenis lensa

Lensa tetap (monofokal).- yang paling sederhana dan murah. Panjang fokusnya tetap dan tidak dapat diubah.

DI DALAM lensa varifokal (variofokal). Anda dapat mengubah panjang fokus. Pengaturannya dilakukan secara manual, biasanya satu kali saat kamera dipasang di lokasi pengambilan gambar, lalu sesuai kebutuhan.

Lensa transfaktor atau zoom Mereka juga memberikan kemampuan untuk mengubah panjang fokus, tetapi dari jarak jauh, kapan saja. Panjang fokus diubah menggunakan penggerak listrik, oleh karena itu disebut juga lensa bermotor.

"Mata ikan" (mata ikan, mata ikan) atau lensa panorama memungkinkan Anda memasang hanya satu kamera dan mendapatkan tampilan 360°.

Tentu saja, gambar yang dihasilkan memiliki efek "gelembung" - garis lurus melengkung, namun dalam banyak kasus, kamera dengan lensa seperti itu memungkinkan Anda membagi satu gambar panorama umum menjadi beberapa gambar terpisah, dengan penyesuaian sesuai dengan persepsi yang familiar bagi mata manusia. .

Lensa lubang jarum memungkinkan pengawasan video rahasia karena ukurannya yang mini. Faktanya, kamera lubang jarum tidak memiliki lensa, melainkan hanya lubang mini saja. Di Ukraina, penggunaan pengawasan video rahasia sangat dibatasi, begitu pula penjualan perangkatnya.

Ini adalah jenis lensa yang paling umum. Namun jika kita masuk lebih dalam, lensa juga dibagi menurut parameter lain:

Aperture (angka F) atau bukaan lensa

Menentukan kemampuan kamera untuk menangkap gambar berkualitas tinggi dalam kondisi cahaya redup. Semakin tinggi angka F, semakin sedikit bukaan aperture dan semakin banyak cahaya yang dibutuhkan kamera. Semakin kecil bukaannya, semakin lebar bukaannya, dan camcorder dapat menghasilkan gambar yang jelas bahkan dalam kondisi cahaya redup.

Huruf f (biasanya huruf kecil) juga menunjukkan panjang fokus, jadi saat membaca karakteristiknya, perhatikan konteks penggunaan parameter tersebut. Misalnya pada gambar di atas, aperture ditandai dengan f kecil.

Pemasangan lensa

Ada 3 jenis dudukan untuk memasang lensa pada kamera video: C, CS, M12.

• Mount C sudah jarang dipakai lagi. Lensa C dapat dipasang pada kamera mount CS menggunakan cincin khusus.
• Mount CS adalah tipe yang paling umum. Lensa CS tidak kompatibel dengan kamera C.
• Dudukan M12 digunakan untuk lensa kecil.

Penyesuaian iris (iris otomatis), ARD, ARD

Diafragma bertanggung jawab atas aliran cahaya ke matriks: dengan peningkatan aliran cahaya, ia menyempit, sehingga mencegah gambar menjadi terlalu terang, dan dalam cahaya redup, sebaliknya, ia terbuka sehingga lebih banyak cahaya jatuh ke matriks. .

Ada dua kelompok besar kamera: bukaan tetap(ini juga termasuk kamera tanpa itu sama sekali) dan dengan dapat disesuaikan.

Bukaan dapat disesuaikan di berbagai model kamera pengawasan video:

• Secara manual.
• Secara otomatis kamera video menggunakan DC, berdasarkan jumlah cahaya yang mengenai sensor. Seperti penyesuaian otomatis diafragma (ARD) ditetapkan sebagai DD (Penggerak Langsung) atau DD/DC.
• Secara otomatis modul khusus yang terpasang pada lensa dan melacak fluks cahaya yang melewati bukaan relatif. Metode ARD dalam spesifikasi kamera video ini ditetapkan sebagai VD (Drive Video). Ini efektif bahkan ketika sinar matahari langsung mengenai lensa, tetapi kamera pengintai yang menggunakannya lebih mahal.

Rana elektronik (AES, kecepatan rana, kecepatan rana, rana)

Pabrikan yang berbeda mungkin menyebut parameter ini sebagai rana elektronik otomatis, kecepatan rana, atau kecepatan rana, tetapi pada dasarnya artinya sama - waktu di mana cahaya disinari ke matriks. Biasanya dinyatakan sebagai 1/50-1/100000s.

Tindakan rana elektronik agak mirip dengan penyesuaian iris otomatis - ini menyesuaikan sensitivitas cahaya matriks untuk menyesuaikannya dengan tingkat cahaya ruangan. Pada gambar di bawah ini Anda dapat melihat kualitas gambar dalam kondisi minim cahaya dengan kecepatan yang berbeda shutter (gambar menunjukkan penyesuaian manual, sedangkan AES melakukannya secara otomatis).

Berbeda dengan ARD, penyesuaian terjadi bukan dengan mengatur fluks cahaya yang masuk ke matriks, tetapi dengan mengatur kecepatan rana, durasi akumulasi muatan listrik pada matriks.

Namun kemampuan rana elektronik jauh lebih lemah daripada penyesuaian iris otomatis, Oleh karena itu, di ruang terbuka yang tingkat pencahayaannya bervariasi dari senja hingga terik matahari, sebaiknya menggunakan kamera dengan ADS. Kamera video dengan rana elektronik optimal untuk ruangan yang tingkat cahayanya sedikit berubah seiring waktu.

Karakteristik rana elektronik sedikit berbeda antara model yang berbeda. Fitur yang berguna adalah kemampuan untuk menyesuaikan kecepatan rana (kecepatan rana) secara manual, karena dalam kondisi cahaya redup, nilai rendah diatur secara otomatis, dan ini menyebabkan gambar objek bergerak menjadi kabur.

Sens-UP (atau DSS)

Ini adalah fungsi mengumpulkan muatan matriks tergantung pada tingkat iluminasi, yaitu meningkatkan sensitivitasnya dengan mengorbankan kecepatan. Diperlukan untuk memotret gambar berkualitas tinggi dalam kondisi cahaya redup, saat pelacakan peristiwa berkecepatan tinggi tidak penting (tidak ada objek yang bergerak cepat pada objek pengamatan).

Hal ini berkaitan erat dengan kecepatan rana (shutter speed) yang dijelaskan di atas. Namun jika kecepatan rana dinyatakan dalam satuan waktu, maka Sens-UP dinyatakan dalam faktor peningkatan kecepatan rana (xN): waktu akumulasi muatan (kecepatan rana) meningkat sebanyak N kali.

Izin

Topik resolusi kamera CCTV sedikit kami singgung pada artikel sebelumnya. Resolusi kamera sebenarnya adalah ukuran gambar yang dihasilkan. Itu diukur dalam TVL (saluran televisi) atau dalam piksel. Semakin tinggi resolusinya, semakin banyak detail yang dapat Anda lihat dalam video.

Resolusi kamera video di TVL- ini adalah jumlah garis vertikal (transisi kecerahan) yang ditempatkan secara horizontal pada gambar. Dianggap lebih akurat karena memberikan gambaran tentang ukuran gambar keluaran. Meskipun resolusi dalam megapiksel yang ditunjukkan dalam dokumentasi pabrikan dapat menyesatkan pembeli - resolusi ini sering kali tidak mengacu pada ukuran gambar akhir, tetapi pada jumlah piksel pada matriks. Dalam hal ini, Anda perlu memperhatikan parameter seperti “Jumlah piksel efektif”

Resolusi dalam piksel- ini adalah ukuran gambar horizontal dan vertikal (jika ditetapkan sebagai 1280x960) atau jumlah total piksel dalam gambar (jika ditetapkan sebagai 1 MP (megapiksel), 2 MP, dll.). Sebenarnya, mendapatkan resolusi dalam megapiksel sangat sederhana: Anda perlu mengalikan jumlah piksel horizontal (1280) dengan jumlah piksel vertikal (960) dan membaginya dengan 1.000.000. Total 1280×960 = 1,23 MP.

Bagaimana cara mengubah TVL ke piksel dan sebaliknya? Tidak ada rumus konversi yang pasti. Untuk menentukan resolusi video di TVL, Anda perlu menggunakan tabel pengujian khusus untuk kamera video. Untuk perkiraan representasi rasio, Anda dapat menggunakan tabel:

Piksel yang efektif

Seperti yang kami katakan di atas, seringkali ukuran dalam megapiksel yang ditunjukkan pada karakteristik kamera video tidak memberikan gambaran akurat tentang resolusi gambar yang dihasilkan. Pabrikan menunjukkan jumlah piksel pada matriks kamera (sensor), tetapi tidak semuanya terlibat dalam pembuatan gambar.

Oleh karena itu, parameter “Jumlah (jumlah) piksel efektif” diperkenalkan, yang menunjukkan dengan tepat berapa banyak piksel yang membentuk gambar akhir. Paling sering ini sesuai dengan resolusi sebenarnya dari gambar yang dihasilkan, meskipun ada pengecualian.

Penerangan IR (inframerah), IR

Memungkinkan pengambilan gambar di malam hari. Kemampuan matriks (sensor) kamera pengawasan video jauh lebih tinggi daripada kemampuan mata manusia - misalnya, kamera dapat “melihat” dalam radiasi infra merah. Properti ini mulai digunakan untuk syuting pada malam hari dan di ruangan yang gelap/remang-remang. Ketika penerangan minimum tertentu tercapai, kamera video beralih ke mode pemotretan dalam jangkauan inframerah dan menyalakan penerangan inframerah (IR).

LED IR dipasang di dalam kamera sedemikian rupa sehingga cahaya darinya tidak masuk ke lensa kamera, namun menerangi sudut pandangnya.

Gambar yang diperoleh dalam kondisi minim cahaya dengan menggunakan penerangan infra merah selalu berwarna hitam putih. Kamera berwarna yang mendukung fotografi malam juga beralih ke mode hitam putih.

Nilai iluminasi IR di kamera video biasanya diberikan dalam meter - yaitu, berapa meter dari kamera iluminasi memungkinkan Anda mendapatkan gambar yang jelas. Penerangan IR jarak jauh disebut iluminator IR.

Apa itu IR Cerdas, IR Cerdas?

Penerangan IR Cerdas (Smart IR) memungkinkan Anda menambah atau mengurangi kekuatan radiasi infra merah tergantung pada jarak ke objek. Hal ini dilakukan untuk memastikan objek yang dekat dengan kamera tidak mengalami pencahayaan berlebih dalam video.

Filter IR (ICR), mode siang/malam

Penggunaan pencahayaan inframerah untuk pembuatan film di malam hari memiliki satu kekhasan: matriks kamera tersebut diproduksi dengan peningkatan sensitivitas terhadap rentang inframerah. Hal ini menimbulkan masalah saat memotret di siang hari, karena matriks mencatat spektrum inframerah di siang hari, sehingga mengganggu warna normal gambar yang dihasilkan.

Oleh karena itu, kamera tersebut beroperasi dalam dua mode - siang dan malam. Pada siang hari, matriks ditutupi dengan filter inframerah mekanis (ICR), yang memutus radiasi inframerah. Pada malam hari, filter bergerak, memungkinkan sinar spektrum inframerah memasuki matriks dengan bebas.

Terkadang peralihan mode siang/malam diterapkan dalam perangkat lunak, namun solusi ini menghasilkan gambar berkualitas lebih rendah.

Filter ICR juga dapat dipasang di kamera tanpa penerangan inframerah - untuk memotong spektrum inframerah di siang hari dan meningkatkan rendisi warna video.

Jika kamera Anda tidak memiliki filter IGR karena awalnya tidak dirancang untuk fotografi malam hari, Anda tidak dapat menambahkan fungsionalitas pemotretan malam hari hanya dengan membeli modul IR terpisah. Dalam hal ini, warna video siang hari akan terdistorsi secara signifikan.

Sensitivitas (sensitivitas cahaya, pencahayaan minimum)

Berbeda dengan kamera yang sensitivitas cahayanya dinyatakan dengan parameter ISO, sensitivitas cahaya kamera CCTV paling sering dinyatakan dinyatakan dalam lux (Lux) dan berarti penerangan minimum di mana kamera mampu menghasilkan gambar video berkualitas baik - jernih dan tanpa noise. Semakin rendah nilai parameter ini, semakin tinggi sensitivitasnya.

Kamera pengawasan video dipilih sesuai dengan kondisi penggunaannya: misalnya, jika sensitivitas minimum kamera adalah 1 lux, maka gambar yang jelas di malam hari tidak dapat diperoleh tanpa penerangan inframerah tambahan. .

Ketentuan	Tingkat cahaya
Cahaya alami di luar pada hari cerah tak berawan	lebih dari 100.000 lux
Cahaya alami di luar pada hari yang cerah dengan awan tipis	70.000 mewah
Cahaya alami di luar saat cuaca mendung	20.000 mewah
Toko, supermarket:	750-1500 mewah
Kantor atau toko:	50-500 mewah
Aula hotel:	100-200mewah
Parkir kendaraan, gudang	75-30 mewah
Senja	4 mewah
Jalan raya yang terang di malam hari	10 mewah
Kursi penonton di teater:	3-5 mewah
Rumah sakit di malam hari, senja yang pekat	1 kamar
Bulan purnama	0,1 - 0,3 mewah
Malam terang bulan (seperempat bulan)	0,05 mewah
Malam yang cerah tanpa bulan	0,001 mewah
Malam berawan tanpa bulan	0,0001 mewah

Rasio sinyal terhadap noise (S/N) menentukan kualitas sinyal video. Kebisingan dalam gambar video disebabkan oleh pencahayaan yang buruk dan tampak seperti salju atau butiran berwarna atau hitam putih.

Parameter diukur dalam desibel. Gambar di bawah menunjukkan kualitas gambar yang cukup baik sudah di angka 30 dB, namun masuk kamera modern untuk mendapatkan video berkualitas tinggi, S/N harus minimal 40 dB.

Pengurangan Kebisingan DNR (3D-DNR, 2D-DNR)

Tentu saja, masalah noise pada video tidak luput dari perhatian produsen. Pada saat ini Ada dua teknologi untuk mengurangi noise pada gambar dan meningkatkan kualitas gambar:

• 2-DNR. Teknologi yang lebih tua dan kurang maju. Pada dasarnya, hanya noise di dekat permukaan tanah yang dihilangkan; selain itu, terkadang gambar menjadi sedikit kabur karena pembersihan.
• 3-DNR. Teknologi terkini, yang bekerja berdasarkan algoritme kompleks dan menghilangkan tidak hanya kebisingan di sekitar, tetapi juga salju dan butiran di latar belakang yang jauh.

Kecepatan bingkai, fps (kecepatan streaming)

Kecepatan bingkai mempengaruhi kehalusan gambar video - semakin tinggi, semakin baik. Untuk mendapatkan gambar yang halus, diperlukan frekuensi minimal 16-17 frame per detik. Standar PAL dan SECAM mendukung kecepatan bingkai pada 25 fps, dan standar NTSC mendukung 30 fps. Untuk kamera profesional, frame rate bisa mencapai hingga 120 fps dan lebih tinggi.

Namun, harus diingat bahwa semakin tinggi frame rate, semakin banyak ruang yang dibutuhkan untuk menyimpan video dan semakin banyak saluran transmisi yang dimuat.

Kompensasi cahaya (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Masalah pengawasan video yang umum adalah:

• objek terang individu yang masuk ke dalam bingkai (lampu depan, lampu, lentera), yang menerangi sebagian gambar, dan karenanya tidak mungkin untuk melihat detail penting;
• pencahayaan latar belakang yang terlalu terang (jalan cerah di belakang pintu ruangan atau di luar jendela, dll.), sehingga objek di sekitar tampak terlalu gelap.

Untuk mengatasinya, ada beberapa fungsi (teknologi) yang digunakan pada kamera pengintai.

HLC - kompensasi cahaya terang. Membandingkan:

BLC - kompensasi lampu latar. Hal ini diterapkan dengan meningkatkan eksposur seluruh gambar, sehingga objek di latar depan menjadi lebih terang, tetapi latar belakang terlalu terang untuk melihat detailnya.

WDR (terkadang juga disebut HDR) - rentang dinamis lebar. Juga digunakan untuk kompensasi lampu latar, namun lebih efektif dibandingkan BLC. Saat menggunakan WDR, semua objek dalam video memiliki kecerahan dan kejernihan yang kurang lebih sama, sehingga Anda dapat melihat secara detail tidak hanya latar depan, tetapi juga latar belakang. Hal ini dicapai karena kamera mengambil gambar dengan eksposur berbeda, lalu menggabungkannya untuk mendapatkan bingkai dengan kecerahan optimal untuk semua objek.

D-WDR - implementasi perangkat lunak rentang dinamis lebar, yang sedikit lebih buruk daripada WDR lengkap.

Kelas perlindungan IK (anti perusak, anti perusak) dan IP (dari kelembaban dan debu)

Parameter ini penting jika Anda memilih kamera untuk pengawasan video luar ruangan atau di ruangan dengan kelembapan tinggi, debu, dll.

kelas IP- ini adalah perlindungan terhadap masuknya benda asing dengan berbagai diameter, termasuk partikel debu, serta perlindungan dari kelembapan. KelasIK- ini adalah perlindungan anti-perusak, mis. dari benturan mekanis.

Kelas perlindungan yang paling umum di antara kamera CCTV luar ruangan adalah IP66, IP67 dan IK10.

• Kelas perlindungan IP66: Kamera benar-benar tahan debu dan terlindung dari pancaran air (atau gelombang laut) yang kuat. Air masuk ke dalam dalam jumlah kecil dan tidak mengganggu pengoperasian kamera video.
• Kelas perlindungan IP67: Kamera benar-benar tahan debu dan tahan terendam sepenuhnya dalam jangka pendek di bawah air atau dalam jangka waktu lama di bawah salju.
• Kelas perlindungan anti-perusak IK10: Bodi kamera akan menahan beban 5 kg dari ketinggian 40 cm (energi benturan 20 J).

Area tersembunyi (Masker Privasi)

Terkadang ada kebutuhan untuk bersembunyi dari pengamatan dan perekaman beberapa area yang termasuk dalam bidang pandang kamera. Paling sering hal ini disebabkan oleh perlindungan privasi. Beberapa model kamera memungkinkan Anda menyesuaikan pengaturan beberapa zona ini, mencakup bagian atau bagian tertentu dari gambar.

Misalnya pada gambar di bawah, jendela rumah tetangga tersembunyi di dalam gambar kamera.

Fungsi lain dari kamera CCTV (DIS, AGC, AWB, dll)

menu OSD- kemampuan untuk menyesuaikan banyak parameter kamera secara manual: eksposur, kecerahan, panjang fokus (jika ada opsi seperti itu), dll.

- memotret dalam kondisi minim cahaya tanpa penerangan inframerah.

DIS- Fungsi stabilisasi gambar kamera saat memotret dalam kondisi getar atau bergerak

Teknologi EXIR- Teknologi penerangan inframerah yang dikembangkan oleh Hikvision. Berkat itu, efisiensi lampu latar yang lebih besar tercapai: jangkauan yang lebih luas dengan konsumsi daya yang lebih sedikit, dispersi, dll.

AWB- penyesuaian otomatis white balance pada gambar, sehingga penampakan warna sedekat mungkin dengan natural, terlihat oleh mata manusia. Sangat relevan untuk ruangan dengan pencahayaan buatan dan berbagai sumber cahaya.

AGC (AGC)- kontrol penguatan otomatis. Hal ini digunakan untuk memastikan bahwa aliran video keluaran dari kamera selalu stabil, terlepas dari kekuatan aliran video masukan. Paling sering, penguatan sinyal video diperlukan dalam kondisi cahaya redup, dan sebaliknya, penurunan diperlukan ketika pencahayaan terlalu kuat.

Detektor gerak- berkat fungsi ini, kamera dapat menyala dan merekam hanya ketika terjadi pergerakan pada objek yang dipantau, dan juga mengirimkan sinyal alarm ketika detektor dipicu. Ini membantu menghemat ruang untuk menyimpan video di DVR, mengurangi beban pada saluran transmisi aliran video, dan mengatur pemberitahuan kepada personel tentang pelanggaran yang telah terjadi.

Masukan alarm kamera- ini adalah kemampuan untuk menyalakan kamera dan mulai merekam video ketika suatu peristiwa terjadi: aktivasi sensor gerak yang terhubung atau sensor lain yang terhubung dengannya.

Keluaran alarm memungkinkan Anda memicu reaksi terhadap peristiwa alarm yang direkam oleh kamera, misalnya menyalakan sirene, mengirim peringatan melalui surat atau SMS, dll.

Tidak menemukan fitur yang Anda cari?

Kami mencoba mengumpulkan semua karakteristik kamera pengawasan video yang sering ditemui. Jika Anda tidak menemukan penjelasan tentang beberapa parameter di sini yang tidak jelas bagi Anda, tulis di komentar, kami akan mencoba menambahkan informasi ini ke artikel.

situs web

Satu elemen sensitif terhadap seluruh rentang spektral yang terlihat, sehingga filter cahaya digunakan di atas fotodioda matriks CCD warna, yang hanya mentransmisikan satu dari tiga warna: merah (Merah), hijau (Hijau), biru (Biru) atau kuning (Kuning), magenta ( Magenta), pirus (Cyan). Namun pada gilirannya, tidak ada filter seperti itu dalam matriks CCD hitam-putih.

PERANGKAT DAN PRINSIP PENGOPERASIAN PIXEL

Sebuah piksel terdiri dari substrat p yang dilapisi dengan dielektrik transparan, di mana elektroda pemancar cahaya diterapkan, membentuk sumur potensial.

Di atas piksel mungkin terdapat filter cahaya (digunakan dalam matriks warna) dan lensa pengumpul (digunakan dalam matriks di mana elemen sensitif tidak sepenuhnya menempati permukaan).

Potensi positif diterapkan pada elektroda pemancar cahaya yang terletak di permukaan kristal. Cahaya yang jatuh pada piksel menembus jauh ke dalam struktur semikonduktor, membentuk pasangan lubang elektron. Elektron dan lubang yang dihasilkan ditarik terpisah oleh medan listrik: elektron berpindah ke zona penyimpanan pembawa (sumur potensial), dan lubang mengalir ke substrat.

Piksel mempunyai ciri-ciri sebagai berikut:

• Kapasitas sumur potensial adalah jumlah elektron yang dapat ditampung oleh sumur potensial tersebut.
• Sensitivitas spektral suatu piksel adalah ketergantungan sensitivitas (rasio nilai arus foto terhadap nilai fluks cahaya) pada panjang gelombang radiasi.
• Efisiensi kuantum (diukur dalam persentase) adalah besaran fisika yang sama dengan rasio jumlah foton, yang penyerapannya menyebabkan pembentukan kuasipartikel, dengan jumlah total foton yang diserap. Dalam matriks CCD modern, angka ini mencapai 95%. Sebagai perbandingan, mata manusia mempunyai efisiensi kuantum sekitar 1%.
• Rentang dinamis adalah rasio tegangan atau arus saturasi terhadap tegangan akar rata-rata kuadrat atau arus derau gelap. Diukur dalam dB.

MATRIKS CCD DAN PERANGKAT TRANSFER BIAYA

CCD dibagi menjadi beberapa baris, dan pada gilirannya, setiap baris dibagi menjadi piksel. Baris-baris tersebut dipisahkan satu sama lain oleh lapisan penghenti (p +), yang tidak memungkinkan muatan mengalir di antara baris-baris tersebut. Untuk memindahkan paket data, digunakan register geser paralel, juga dikenal sebagai vertikal (VCCD) dan serial, juga dikenal sebagai horizontal (HCCD).

Siklus operasi paling sederhana dari register geser tiga fase dimulai dengan fakta bahwa potensial positif diterapkan pada gerbang pertama, menghasilkan pembentukan sumur yang diisi dengan elektron yang dihasilkan. Kemudian kita menerapkan potensial pada gerbang kedua yang lebih tinggi dari pada gerbang pertama, sehingga terbentuk sumur potensial yang lebih dalam di bawah gerbang kedua, di mana elektron akan mengalir dari bawah gerbang pertama. Untuk melanjutkan pergerakan muatan, Anda harus mengurangi nilai potensial pada gerbang kedua, dan menerapkan potensi yang lebih tinggi pada gerbang ketiga. Elektron mengalir di bawah gerbang ketiga. Siklus ini berlanjut dari titik akumulasi ke pembacaan langsung resistor horizontal. Semua elektroda register geser horizontal dan vertikal membentuk fase (fase 1, fase 2, dan fase 3).

Klasifikasi matriks CCD berdasarkan warna:

• Hitam dan putih
• Berwarna

Klasifikasi matriks CCD berdasarkan arsitektur:

Hijau menunjukkan sel fotosensitif, abu-abu menunjukkan area buram.

Matriks CCD memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

• Efisiensi perpindahan muatan adalah perbandingan jumlah elektron dalam muatan di ujung jalur melalui register geser dengan jumlah di awal.
• Faktor pengisian adalah rasio area yang diisi elemen fotosensitif terhadap total luas permukaan fotosensitif matriks CCD.
• Arus gelap adalah arus listrik yang mengalir melalui elemen fotosensitif tanpa adanya foton yang datang.
• Kebisingan baca adalah kebisingan yang terjadi pada rangkaian konversi dan amplifikasi sinyal keluaran.

Matriks dengan transfer bingkai. (Transfer bingkai bahasa Inggris).

Keuntungan: Kemungkinan untuk menempati 100% permukaan dengan elemen fotosensitif; Waktu pembacaan lebih rendah dibandingkan sensor transfer full-frame; Lebih sedikit blur dibandingkan CCD transfer full-frame; Memiliki keunggulan siklus kerja dibandingkan arsitektur full-frame: CCD transfer frame terus-menerus mengumpulkan foton. Kekurangan: Saat membaca data, Anda harus memblokir sumber cahaya dengan rana untuk menghindari keburaman; Jalur perjalanan muatan telah ditingkatkan, yang berdampak negatif terhadap efisiensi transfer muatan; Sensor ini lebih mahal untuk diproduksi dan diproduksi dibandingkan perangkat transfer full-frame.

Matriks dengan transfer antar baris atau matriks dengan buffering kolom (eng. Interline-transfer).
	Keuntungan: Tidak perlu menggunakan penutup; Tidak ada pelumasan. Kekurangan: Kemampuan mengisi permukaan dengan elemen sensitif tidak lebih dari 50%. Kecepatan baca dibatasi oleh kecepatan register geser; Resolusi lebih rendah dibandingkan CCD transfer frame dan full frame.

Matriks dengan transfer garis-bingkai atau matriks dengan buffering kolom (interline bahasa Inggris).

Keuntungan: Proses akumulasi dan transfer muatan terpisah secara spasial; Muatan dari elemen penyimpanan ditransfer ke register transfer, ditutup dari cahaya matriks CCD; Transfer muatan seluruh gambar dilakukan dalam 1 siklus jam; Tidak ada pelumasan; Interval antar eksposur minimal dan cocok untuk perekaman video. Kekurangan: Kemampuan untuk mengisi permukaan dengan elemen sensitif tidak lebih dari 50%; Resolusi lebih rendah dibandingkan CCD transfer frame dan full frame; Jalur perjalanan muatan meningkat, yang berdampak negatif terhadap efisiensi transfer muatan.

APLIKASI MATRIKS CCD

	APLIKASI ILMIAH untuk spektroskopi; untuk mikroskop; untuk kristalografi; untuk fluoroskopi; untuk ilmu alam; untuk ilmu biologi.
	APLIKASI RUANG ANGKASA di teleskop; di pelacak bintang; dalam melacak satelit; saat menyelidiki planet; peralatan kru onboard dan manual.
	APLIKASI INDUSTRI untuk memeriksa kualitas lasan; untuk mengontrol keseragaman permukaan yang dicat; mempelajari ketahanan aus produk mekanis; untuk membaca kode batang; untuk mengontrol kualitas kemasan produk.
	APLIKASI PERLINDUNGAN BENDA di apartemen tempat tinggal; di bandara; di lokasi konstruksi; di tempat kerja; di kamera "pintar" yang mengenali wajah seseorang.
	APLIKASI DALAM FOTOGRAFI di kamera profesional; di kamera amatir; di ponsel.
	PENGGUNAAN MEDIS dalam fluoroskopi; dalam kardiologi; dalam mamografi; dalam kedokteran gigi; dalam bedah mikro; dalam onkologi.
	APLIKASI JALAN OTOMATIS untuk pengenalan plat nomor otomatis; untuk kontrol kecepatan; untuk mengendalikan arus lalu lintas; untuk izin parkir; dalam sistem pengawasan polisi.

Bagaimana distorsi terjadi apabila memotret objek bergerak pada sensor dengan shutter bergulir:

Perkenalan

Dalam pekerjaan kursus ini saya akan mempertimbangkan informasi umum tentang perangkat yang digabungkan dengan muatan, parameter, sejarah penciptaan, karakteristik kamera CCD inframerah-tengah modern.

Sebagai hasil dari menyelesaikan tugas kursus, saya mempelajari literatur tentang penciptaan, prinsip operasi, spesifikasi teknis dan penggunaan kamera CCD mid-IR.

CCD. Prinsip fisik operasi CCD. matriks CCD

Perangkat berpasangan muatan (CCD) adalah serangkaian struktur MIS (metal-dielektrik-semikonduktor) sederhana yang dibentuk pada substrat semikonduktor umum sedemikian rupa sehingga strip elektroda logam membentuk sistem reguler linier atau matriks di mana jarak antara yang berdekatan elektroda cukup kecil (Gbr. 1). Keadaan ini menentukan fakta bahwa faktor penentu dalam pengoperasian perangkat adalah pengaruh timbal balik dari struktur MIS yang berdekatan.

Gambar 1 - Struktur CCD

Tujuan fungsional utama CCD fotosensitif adalah konversi gambar optik menjadi rangkaian pulsa listrik (pembentukan sinyal video), serta penyimpanan dan pemrosesan informasi digital dan analog.

CCD terbuat dari silikon monokristalin. Untuk melakukan ini, film dielektrik silikon dioksida tipis (0,1-0,15 mikron) dibuat pada permukaan wafer silikon menggunakan oksidasi termal. Proses ini dilakukan sedemikian rupa untuk menjamin kesempurnaan antarmuka semikonduktor-dielektrik dan meminimalkan konsentrasi pusat rekombinasi pada antarmuka. Elektroda elemen MIS individu terbuat dari aluminium, panjangnya 3-7 mikron, jarak antar elektroda 0,2-3 mikron. Jumlah elemen MIS yang khas adalah 500-2000 dalam CCD linier dan matriks; area pelat Di bawah elektroda terluar setiap baris, dibuat sambungan p-n, yang dimaksudkan untuk masukan dan keluaran sebagian muatan (paket muatan) listrik. metode (injeksi melalui sambungan p-n). Dengan fotovoltaik Saat memasukkan paket pengisian daya, CCD menyala dari sisi depan atau belakang. Ketika disinari dari depan, untuk menghindari efek bayangan pada elektroda, aluminium biasanya diganti dengan film silikon polikristalin (polisilikon) yang diolah dengan berat, transparan di daerah spektrum tampak dan dekat IR.

Prinsip kerja CCD

Prinsip operasi umum CCD adalah sebagai berikut. Jika tegangan negatif diterapkan ke elektroda logam CCD, maka di bawah pengaruh medan listrik yang dihasilkan, elektron, yang merupakan pembawa utama dalam substrat, menjauh dari permukaan jauh ke dalam semikonduktor. Daerah yang terkuras terbentuk di dekat permukaan, yang dalam diagram energi mewakili sumur potensial bagi pembawa minoritas—lubang. Lubang yang entah bagaimana memasuki wilayah ini tertarik ke antarmuka dielektrik-semikonduktor dan terlokalisasi di lapisan dekat permukaan yang sempit.

Jika tegangan negatif dengan amplitudo lebih besar diterapkan pada elektroda yang berdekatan, sumur potensial yang lebih dalam akan terbentuk dan lubang-lubang bergerak ke dalamnya. Dengan menerapkan tegangan kontrol yang diperlukan ke berbagai elektroda CCD, dimungkinkan untuk memastikan penyimpanan muatan di daerah dekat permukaan tertentu dan pergerakan muatan yang terarah di sepanjang permukaan (dari struktur ke struktur). Pengenalan paket muatan (penulisan) dapat dilakukan baik melalui sambungan p-n, yang terletak, misalnya, di dekat elemen CCD terluar, atau dengan pembangkitan cahaya. Cara termudah untuk menghilangkan muatan dari sistem (membaca) juga dengan menggunakan sambungan p-n. Jadi, CCD adalah perangkat di mana informasi eksternal (sinyal listrik atau cahaya) diubah menjadi paket muatan operator seluler, ditempatkan dengan cara tertentu di wilayah dekat permukaan, dan pemrosesan informasi dilakukan dengan mengendalikan pergerakan paket-paket ini di sepanjang permukaan. Jelas bahwa sistem digital dan analog dapat dibangun berdasarkan CCD. Untuk sistem digital Yang penting adalah ada tidaknya muatan lubang pada elemen CCD tertentu, kapan pemrosesan analog berurusan dengan besarnya muatan bergerak.

Jika fluks cahaya yang membawa gambar diarahkan ke CCD multi-elemen atau matriks, maka fotogenerasi pasangan lubang elektron akan dimulai pada volume semikonduktor. Begitu berada di wilayah CCD yang habis, pembawa dipisahkan dan lubang terakumulasi di sumur potensial (dan jumlah muatan yang terakumulasi sebanding dengan penerangan lokal). Setelah beberapa waktu (dalam urutan beberapa milidetik), cukup untuk persepsi gambar, pola paket muatan yang sesuai dengan distribusi iluminasi akan disimpan dalam matriks CCD. Ketika pulsa jam dihidupkan, paket muatan akan berpindah ke pembaca keluaran, yang mengubahnya menjadi sinyal listrik. Hasilnya, keluarannya akan berupa rangkaian pulsa dengan amplitudo berbeda, yang diselubungi oleh sinyal video.

Prinsip pengoperasian CCD diilustrasikan pada Gambar 2 menggunakan contoh bagian dari garis FPCD yang dikendalikan oleh sirkuit tiga siklus (tiga fase). Selama siklus I (persepsi, akumulasi dan penyimpanan informasi video), begitulah -ditelepon tegangan penyimpanan Uxp, mendorong pembawa mayoritas - lubang dalam kasus silikon tipe p - ke kedalaman semikonduktor dan membentuk lapisan penipisan sedalam 0,5-2 μm - sumur potensial untuk elektron. Penerangan permukaan FPCD menghasilkan pasangan lubang elektron berlebih dalam volume silikon, sementara elektron ditarik ke dalam sumur potensial dan dilokalisasi dalam lapisan permukaan tipis (0,01 m) di bawah elektroda 1, 4, 7, membentuk paket muatan sinyal.

kamera penggandeng muatan inframerah

Gambar 2 - diagram pengoperasian perangkat berpasangan muatan tiga fase - register geser

Jumlah muatan dalam setiap paket sebanding dengan paparan permukaan dekat elektroda tertentu. Dalam struktur MIS yang terbentuk dengan baik, muatan yang dihasilkan di dekat elektroda dapat bertahan untuk waktu yang relatif lama, namun secara bertahap, karena pembentukan pembawa muatan oleh pusat pengotor, cacat pada sebagian besar atau pada antarmuka, muatan ini akan terakumulasi dalam bentuk potensial. sumur sampai melebihi muatan sinyal dan bahkan mengisi sumur sepenuhnya.

Selama siklus II (transfer muatan), tegangan baca yang lebih tinggi dari tegangan penyimpanan diterapkan ke elektroda 2, 5, 8, dan seterusnya. Oleh karena itu, potensi yang lebih dalam muncul di bawah elektroda 2, 5 dan 8. sumur dibandingkan di bawah elektron 1, 4 dan 7, dan karena kedekatan elektroda 1 dan 2, 4 dan 5, 7 dan 8, penghalang di antara keduanya menghilang dan elektron mengalir ke sumur potensial yang berdekatan dan lebih dalam.

Selama siklus III, tegangan pada elektroda 2, 5, 8 dikurangi dan dari elektroda 1, 4, 7 dihilangkan.

Itu. semua paket muatan ditransfer sepanjang garis CCD ke kanan dengan satu langkah yang sama dengan jarak antara elektroda yang berdekatan.

Selama seluruh operasi, tegangan bias kecil (1-3 V) dipertahankan pada elektroda yang tidak terhubung langsung ke potensial, memastikan bahwa seluruh permukaan semikonduktor kehabisan pembawa muatan dan efek rekombinasinya melemah.

Dengan mengulangi proses peralihan tegangan berkali-kali, semua paket muatan yang tereksitasi, misalnya, oleh cahaya dalam satu saluran, dikeluarkan melalui sambungan r-h terluar secara berurutan. Dalam hal ini, pulsa tegangan muncul di rangkaian keluaran, sebanding dengan jumlah muatan paket ini. Pola iluminasi diubah menjadi relief muatan permukaan, yang setelah bergerak sepanjang garis, diubah menjadi rangkaian pulsa listrik. Semakin besar jumlah elemen dalam satu baris atau matriks (nomor 1 - penerima IR; 2 - elemen penyangga; 3 - CCD), terjadi transfer paket muatan yang tidak lengkap dari satu elektroda ke elektroda yang berdekatan dan distorsi informasi yang diakibatkannya semakin meningkat. . Untuk menghindari distorsi sinyal video yang terakumulasi karena pencahayaan yang sedang berlangsung selama transmisi, pada kristal FPCD mereka menciptakan area persepsi - akumulasi dan penyimpanan - pembacaan yang terpisah secara spasial, dan yang pertama memberikan fotosensitifitas maksimum, dan yang terakhir, pada. sebaliknya, perisai dari cahaya dalam FPCD linier (Gbr. 3, a) muatan yang terakumulasi dalam saluran. 1 dalam satu siklus ditransfer ke register 2 (dari elemen genap) dan ke register 3 (dari elemen ganjil). ditransmisikan melalui output 4 ke sirkuit penggabungan sinyal 5, frame video baru B diakumulasikan di baris 1. FPCD dengan transfer frame (Gambar 3) informasi yang dirasakan oleh matriks akumulasi 7 dengan cepat “dibuang” ke dalam matriks penyimpanan 2, dari yang dibaca secara berurutan oleh register CCD 3; pada saat yang sama, matriks 1 mengakumulasi frame baru.

Gambar 3 - akumulasi dan pembacaan informasi dalam perangkat berpasangan muatan fotosensitif linier (a), matriks (b) dan dalam perangkat dengan injeksi muatan.

Selain CCD dengan struktur paling sederhana (Gambar 1), varietas lain telah tersebar luas, khususnya perangkat dengan elektroda polisilikon yang tumpang tindih (Gambar 4), yang memberikan paparan foto aktif ke seluruh permukaan semikonduktor dan celah kecil di antara elektroda. dan perangkat dengan sifat permukaan yang asimetris (misalnya, lapisan dielektrik dengan ketebalan bervariasi - Gambar 4), beroperasi dalam mode dorong-tarik. Struktur CCD dengan saluran volumetrik (Gambar 4) yang dibentuk oleh difusi pengotor pada dasarnya berbeda. Akumulasi, penyimpanan, dan transfer muatan terjadi di sebagian besar semikonduktor, di mana terdapat lebih sedikit rekombinasi pusat dibandingkan di permukaan dan mobilitas pembawa lebih tinggi. Konsekuensi dari hal ini adalah peningkatan nilai dengan urutan besarnya dan penurunan dibandingkan dengan semua jenis CCD dengan saluran permukaan.

Gambar 4 - Varietas perangkat yang digabungkan dengan muatan dengan saluran permukaan dan volume.

Untuk melihat gambar berwarna, salah satu dari dua metode digunakan: membagi aliran optik menggunakan prisma menjadi merah, hijau, biru, mengamati masing-masing gambar dengan kristal FPCD khusus, mencampur pulsa dari ketiga kristal menjadi satu sinyal video; pembuatan pada permukaan FPCD dari garis film atau filter cahaya pengkodean mosaik, membentuk raster triad multi-warna.