Ce este un CCD?

Puțină istorie

Anterior, materialele fotografice erau folosite ca receptori de lumină: plăci fotografice, folie fotografică, hârtie fotografică. Mai târziu, au apărut camerele de televiziune și tuburile fotomultiplicatoare (PMT).
La sfârșitul anilor 60 și începutul anilor 70, așa-numitele „Dispozitive cuplate de încărcare”, prescurtate ca CCD-uri, au început să fie dezvoltate. În engleză arată ca „dispozitive cuplate de încărcare” sau abreviat ca CCD. Principiul din spatele matricelor CCD a fost faptul că siliciul este capabil să răspundă la lumina vizibilă. Și acest fapt a condus la ideea că acest principiu poate fi folosit pentru a obține imagini ale obiectelor luminoase.

Astronomii au fost printre primii care au recunoscut capacitățile extraordinare ale CCD-urilor pentru înregistrarea imaginilor. În 1972, un grup de cercetători de la JPL (Jet Propulsion Laboratory, SUA) a fondat un program de dezvoltare a CCD-urilor pentru cercetarea în astronomie și spațiu. Trei ani mai târziu, împreună cu oamenii de știință de la Universitatea din Arizona, echipa a obținut prima imagine astronomică CCD. O imagine în infraroșu apropiat a lui Uranus folosind un telescop de un metru și jumătate a dezvăluit pete întunecate în apropierea polului sudic al planetei, indicând prezența metanului...

Utilizarea matricelor CCD astăzi și-a găsit o aplicație largă: camere digitale, camere video; A devenit posibil să se integreze o matrice CCD ca o cameră chiar și în telefoanele mobile.

Dispozitiv CCD

Un dispozitiv CCD tipic (Fig. 1): pe suprafața semiconductorului există un strat subțire (0,1-0,15 μm) de dielectric (de obicei oxid), pe care sunt amplasate benzi de electrozi conductori (din metal sau siliciu policristalin). Acești electrozi formează un sistem regulat liniar sau matricial, iar distanțele dintre electrozi sunt atât de mici încât efectele influenței reciproce a electrozilor vecini sunt semnificative. Principiul de funcționare al CCD-urilor se bazează pe apariția, stocarea și transmiterea direcțională a pachetelor de sarcină în puțurile de potențial formate în stratul apropiat de suprafață al unui semiconductor atunci când electrozilor li se aplică tensiuni electrice externe.

Orez. 1. Proiectarea de bază a unei matrice CCD.

În fig. 1, simbolurile C1, C2 și C3 indică condensatori MOS (metal-oxid-semiconductor).

Dacă o tensiune pozitivă U este aplicată oricărui electrod, atunci în structura MIS apare un câmp electric, sub influența căruia purtătorii majoritari (găurile) se îndepărtează foarte repede (în câteva picosecunde) de suprafața semiconductorului. Ca rezultat, la suprafață se formează un strat epuizat, a cărui grosime este fracțiuni sau unități de micrometru.
Purtătorii minoritari (electroni) generați în stratul de epuizare sub influența unor procese (de exemplu, termice) sau ajungând acolo din regiunile neutre ale semiconductorului sub influența difuziei se vor deplasa (sub influența câmpului) către semiconductor. -interfata izolatoare si sa fie localizata intr-un strat invers ingust. Astfel, la suprafață apare un puț de potențial pentru electroni, în care se rostogolesc din stratul de epuizare sub influența câmpului. Purtătorii majoritari (găuri) generați în stratul de epuizare sunt ejectați în partea neutră a semiconductorului sub influența câmpului.

Într-o anumită perioadă de timp, fiecare pixel este umplut treptat cu electroni proporțional cu cantitatea de lumină care intră în el. La sfârșitul acestui timp, sarcinile electrice acumulate de fiecare pixel sunt transferate pe rând către „ieșirea” dispozitivului și măsurate.

Unul dintre principalii parametri ai matricei este așa-numita eficiență cuantică. Acest nume reflectă eficiența conversiei fotonilor absorbiți (quanta) în fotoelectroni și este similar cu conceptul fotografic de fotosensibilitate. Deoarece energia cuantelor de lumină depinde de culoarea lor (lungimea de undă), este imposibil să se determine fără ambiguitate câți electroni se vor naște într-un pixel de matrice atunci când acesta absoarbe, de exemplu, un flux de o sută de fotoni eterogene. Prin urmare, eficiența cuantică este de obicei dată în pașaportul matricei în funcție de lungimea de undă, iar în anumite părți ale spectrului poate ajunge la 80%. Aceasta este mult mai mult decât cea a emulsiei fotografice sau a ochiului (aproximativ 1%).

Ce tipuri de CCD-uri există?

Dacă pixelii sunt aliniați pe un rând, atunci receptorul se numește matrice CCD, dar dacă suprafața este umplută cu rânduri uniforme, atunci receptorul se numește matrice CCD.

Matricea CCD a avut o gamă largă de aplicații în anii 80 și 90 pentru observații astronomice. A fost suficient să muți imaginea de-a lungul liniei CCD și a apărut pe monitorul computerului. Dar acest proces a fost însoțit de multe dificultăți și, prin urmare, în prezent, matricele CCD sunt din ce în ce mai mult înlocuite de matrice CCD.

Efecte nedorite

Un efect secundar nedorit al transferului de sarcină pe un CCD care poate interfera cu observațiile sunt dungile verticale luminoase (stâlpii) în locul zonelor luminoase ale unei imagini cu suprafață mică. Posibilele efecte nedorite ale matricelor CCD includ, de asemenea: zgomot întunecat ridicat, prezența pixelilor „orbi” sau „fierbinți”, sensibilitate neuniformă în câmpul matricei. Pentru a reduce zgomotul întunecat, răcirea autonomă a matricelor CCD este utilizată la temperaturi de -20°C și mai mici. Sau este luată o ramă întunecată (de exemplu, cu lentila închisă) cu aceeași durată (expunere) și temperatură precum a fost luată cadrul precedent. Ulterior program special Computerul scade cadrul întunecat din imagine.

Lucrul bun despre camerele de televiziune bazate pe CCD este că pot captura imagini cu până la 25 de cadre pe secundă cu o rezoluție de 752 x 582 pixeli. Însă nepotrivirea unor camere de acest tip pentru observațiile astronomice constă în faptul că în ele producătorul implementează preprocesarea internă a imaginii (a se citi: distorsiune) pentru o mai bună percepție a cadrelor rezultate prin viziune. Aceasta include AGC (ajustarea automată a controlului) și așa-numita. efectul „granițelor ascuțite” și altele.

Progres…

În general, utilizarea receptoarelor CCD este mult mai convenabilă decât utilizarea receptoarelor de lumină non-digitale, deoarece datele primite sunt imediat într-o formă adecvată pentru procesare pe un computer și, în plus, viteza de obținere a cadrelor individuale este foarte mare. mare (de la câteva cadre pe secundă la minute).

În prezent, producția de matrice CCD se dezvoltă și se îmbunătățește rapid. Numărul de „megapixeli” de matrice crește - numărul de pixeli individuali pe unitatea de suprafață a matricei. Se îmbunătățește calitatea imaginilor obținute folosind matrice CCD etc.

Surse folosite:
1. 1. Victor Belov. Precizie la zecimi de micron.
2. 2. S.E Guryanov. Faceți cunoștință cu CCD.

Un singur element este sensibil pe întreaga gamă spectrală vizibilă, astfel încât se folosește un filtru de lumină deasupra fotodiodelor matricelor CCD color, care transmite doar una dintre cele trei culori: roșu (roșu), verde (verde), albastru (albastru) sau galben. (galben), magenta (magenta), turcoaz (cyan). Dar, la rândul său, nu există astfel de filtre într-o matrice CCD alb-negru.

DISPOZITIV ȘI PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE A UNUI PIXEL

Un pixel constă dintr-un substrat p acoperit cu un dielectric transparent, pe care este aplicat un electrod de transmitere a luminii, formând un puț de potențial.

Deasupra pixelului poate exista un filtru de lumină (utilizat în matricele de culoare) și o lentilă de colectare (folosită în matricele în care elementele sensibile nu ocupă complet suprafața).

Un potențial pozitiv este aplicat unui electrod de transmitere a luminii situat pe suprafața cristalului. Lumina care cade pe un pixel pătrunde adânc în structura semiconductoare, formând o pereche electron-gaură. Electronul rezultat și gaura sunt despărțite de câmpul electric: electronul se deplasează în zona de stocare a purtătorului (puțul potențial), iar găurile curg în substrat.

Pixelul are următoarele caracteristici:

• Capacitatea unui puț de potențial este numărul de electroni pe care îl poate găzdui.
• Sensibilitatea spectrală a unui pixel - dependența de sensibilitate (raportul dintre valoarea fotocurentului și flux luminos) pe lungimea de undă a radiației.
• Eficiența cuantică (măsurată ca procent) este o mărime fizică egală cu raportul dintre numărul de fotoni, a cărui absorbție a determinat formarea de cvasiparticule, și numărul total de fotoni absorbiți. În matricele moderne CCD această cifră ajunge la 95%. Prin comparație, ochiul uman are o eficiență cuantică de aproximativ 1%.
• Interval dinamic- raportul dintre tensiunea sau curentul de saturație și tensiunea medie pătrată sau curentul de zgomot întunecat. Măsurat în dB.

MATRICE CCD ȘI DISPOZITIV DE TRANSFER ÎNCĂRCARE

CCD-ul este împărțit în rânduri și, la rândul său, fiecare rând este împărțit în pixeli. Rândurile sunt separate unul de celălalt prin straturi de oprire (p +), care nu permit scurgerea sarcinilor între ele. Pentru a muta un pachet de date, se folosesc registre de deplasare paralele, cunoscute și sub numele de verticală (VCCD) și seriale, cunoscute și ca orizontale (HCCD).

Cel mai simplu ciclu de funcționare al unui registru cu deplasare trifazată începe cu faptul că la prima poartă este aplicat un potențial pozitiv, ceea ce duce la formarea unui puț plin cu electronii rezultați. Apoi aplicăm un potențial la a doua poartă care este mai mare decât pe prima, în urma căruia se formează un put de potențial mai adânc sub cea de-a doua poartă, în care electronii vor curge de sub prima poartă. Pentru a continua mișcarea sarcinii, ar trebui să reduceți valoarea potențialului pe a doua poartă și să aplicați un potențial mai mare celei de-a treia. Electronii curg sub a treia poartă. Acest ciclu continuă de la punctul de acumulare până la rezistorul orizontal de citire directă. Toți electrozii registrelor de deplasare orizontală și verticală formează faze (faza 1, faza 2 și faza 3).

Clasificarea matricelor CCD după culoare:

• alb-negru
• Colorat

Clasificarea matricelor CCD după arhitectură:

Verdele indică celule fotosensibile, griul indică zone opace.

Matricea CCD are următoarele caracteristici:

• Eficiența transferului de sarcină este raportul dintre numărul de electroni din sarcină la sfârșitul căii prin registrul de deplasare și numărul de la început.
• Factorul de umplere este raportul dintre suprafața umplută cu elemente fotosensibile și suprafața totală a suprafeței fotosensibile a matricei CCD.
• curent întunecat - curent electric, care curge prin elementul fotosensibil în absența fotonilor incidenti.
• Zgomotul citit este zgomotul care apare în circuitele de conversie și amplificare a semnalului de ieșire.

Matrici cu transfer de cadru. (Transfer de cadru în engleză).

Avantaje: Posibilitatea de a ocupa 100% din suprafata cu elemente fotosensibile; Timpii de citire sunt mai mici decât senzorii de transfer full-frame; Mai puțin neclară decât CCD cu transfer full-frame; Are un avantaj al ciclului de lucru față de arhitectura full-frame: CCD-ul de transfer al cadrului colectează în mod constant fotoni. Defecte: Când citiți datele, ar trebui să blocați sursa de lumină cu obturatorul pentru a evita estomparea; Calea de călătorie a sarcinii a fost mărită, ceea ce afectează negativ eficiența transferului de sarcină; Acești senzori sunt mai scumpi de fabricat și produs decât dispozitivele de transfer full-frame.

Matrici cu transfer interline sau matrice cu tamponare coloane (ing. Interline-transfer).
	Avantaje: Nu este nevoie să folosiți un obturator; Fara lubrifiere. Defecte: Capacitatea de a umple suprafața cu elemente sensibile cu cel mult 50%. Viteza de citire este limitată de viteza registrului de deplasare; Rezoluția este mai mică decât CCD-urile de transfer cadru și cadru complet.

Matrice cu transfer linie-cadru sau matrice cu tamponare coloane (interline în engleză).

Avantaje: Procesele de acumulare și transfer de sarcină sunt separate spațial; Sarcina de la elementele de stocare este transferată în registrele de transfer, închise de lumina matricei CCD; Transferul de încărcare al întregii imagini se realizează într-un ciclu de ceas; Fara lubrifiere; Intervalul dintre expuneri este minim și potrivit pentru înregistrarea video. Defecte: Capacitatea de a umple suprafața cu elemente sensibile cu cel mult 50%; Rezoluția este mai mică decât CCD-urile de transfer cadru și cadru complet; Calea de călătorie a sarcinii este crescută, ceea ce afectează negativ eficiența transferului de sarcină.

APLICAREA MATRICELOR CCD

	APLICAȚIE științifică pentru spectroscopie; pentru microscopie; pentru cristalografie; pentru fluoroscopie; pentru stiintele naturii; pentru stiintele biologice.
	APLICAȚIE SPAȚIALĂ în telescoape; în urmatoarele de stele; în urmărirea sateliților; la sondarea planetelor; echipamentul de bord și manual al echipajului.
	APLICAȚIE INDUSTRIALĂ pentru a verifica calitatea sudurilor; pentru a controla uniformitatea suprafețelor vopsite; să studieze rezistența la uzură a produselor mecanice; pentru citirea codurilor de bare; pentru a controla calitatea ambalajului produsului.
	CERERE DE PROTECȚIA OBIECTELOR in apartamente rezidentiale; pe aeroporturi; pe șantiere; la locurile de munca; în camerele „inteligente” care recunosc chipul unei persoane.
	APLICAȚIE ÎN FOTOGRAFIE în camerele profesionale; în camerele de amatori; în telefoanele mobile.
	UTILIZARE MEDICALĂ în fluoroscopie; în cardiologie; în mamografie; în stomatologie; în microchirurgie; în oncologie.
	APLICAȚIE AUTO-ROAD pentru recunoașterea automată a plăcuțelor de înmatriculare; pentru controlul vitezei; pentru a controla fluxul de trafic; pentru permis de parcare; în sistemele de supraveghere a poliţiei.

Cum apar distorsiunile atunci când fotografiați obiecte în mișcare pe un senzor cu un obturator rulant:

Furnizorii oferă acum o gamă largă de camere de supraveghere video. Modelele diferă nu numai prin parametrii comuni tuturor camerelor - distanță focală, unghi de vizualizare, sensibilitate la lumină etc. - ci și prin diverse caracteristici proprietare cu care fiecare producător se străduiește să-și echipeze dispozitivele.

Prin urmare, adesea scurtă descriere caracteristicile unei camere de supraveghere video este o listă înfricoșătoare de termeni de neînțeles, de exemplu: 1/2.8" 2.4MP CMOS, 25/30fps, meniu OSD, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, Smart IR, IP67, 0,05 Lux si asta nu e tot.

În articolul precedent, ne-am concentrat pe standardele video și pe clasificarea camerelor în funcție de acestea. Astăzi ne vom uita la principalele caracteristici ale camerelor de supraveghere video și la descifrarea simbolurilor tehnologii speciale, folosit pentru a îmbunătăți calitatea semnalului video:

1. Distanța focală și unghiul de vizualizare
2. Diafragma (numărul F) sau diafragma obiectivului
3. Reglarea irisului (iris automat)
4. Obturator electronic (AES, viteza obturatorului, viteza obturatorului)
5. Sensibilitate (sensibilitate la lumină, iluminare minimă)
6. Clase de protecție IK (antivandal, anti-vandal) și IP (față de umiditate și praf)

Tip de matrice (CCD CCD, CMOS CMOS)

Există 2 tipuri de matrice de camere CCTV: CCD (în rusă - CCD) și CMOS (în rusă - CMOS). Ele diferă atât prin design, cât și prin principiul de funcționare.

CCD	CMOS
Citire secvențială din toate celulele matricei	Citirea aleatorie din celulele matricei, ceea ce reduce riscul de pete - apariția petei verticale a surselor de lumină punctiforme (lămpi, felinare)
Nivel scăzut de zgomot	Nivel ridicat de zgomot datorită așa-numiților curenți de tempo
Sensibilitate dinamică ridicată (mai potrivită pentru fotografierea obiectelor în mișcare)	Efectul „obturator rulant” - atunci când fotografiați obiecte care se mișcă rapid, pot apărea dungi orizontale și distorsiuni ale imaginii
Cristalul este folosit doar pentru a găzdui elemente fotosensibile; microcircuitele rămase trebuie plasate separat, ceea ce crește dimensiunea și costul camerei	Toate cipurile pot fi plasate pe un singur cip, făcând producția de camere CMOS simplă și ieftină
Folosind zona matricei numai pentru elemente fotosensibile, eficiența utilizării acesteia crește - se apropie de 100%	Consum redus de energie (de aproape 100 de ori mai puțin decât matricele CCD)
Producție costisitoare și complexă	Performanţă

Multă vreme s-a crezut că matricea CCD produce imagini de calitate mult mai mare decât CMOS. Cu toate acestea, matricele CMOS moderne sunt adesea practic cu nimic inferioare CCD-urilor, mai ales dacă cerințele pentru sistemul de supraveghere video nu sunt prea mari.

Dimensiunea matricei

Indică dimensiunea diagonală a matricei în inci și este scrisă ca o fracție: 1/3", 1/2", 1/4", etc.

În general, se crede că cu cât dimensiunea matricei este mai mare, cu atât este mai bine: mai puțin zgomot, imagine mai clară, unghi de vizualizare mai mare. Cu toate acestea, de fapt, cea mai bună calitate a imaginii este oferită nu de dimensiunea matricei, ci de dimensiunea celulei sau a pixelului său individual - cu cât este mai mare, cu atât mai bine. Prin urmare, atunci când alegeți o cameră de supraveghere video, trebuie să luați în considerare dimensiunea matricei împreună cu numărul de pixeli.

Dacă matricele cu dimensiunile 1/3" și 1/4" au același număr de pixeli, atunci în acest caz o matrice de 1/3" va oferi în mod natural o imagine mai bună. Dar dacă are mai mulți pixeli, atunci trebuie să ridicați un calculator și calculați dimensiunea aproximativă a pixelilor.

De exemplu, din calculele de mai jos pentru dimensiunea celulei matricei, puteți vedea că în multe cazuri dimensiunea pixelilor pe o matrice de 1/4" se dovedește a fi mai mare decât pe o matrice de 1/3", ceea ce înseamnă o imagine video cu 1/ 4”, deși are dimensiuni mai mici, va fi mai bine.

Dimensiunea matricei	Număr de pixeli (milioane)	Dimensiunea celulei (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

Distanța focală și unghiul de vizualizare

Acești parametri sunt de mare importanță atunci când alegeți o cameră de supraveghere video și sunt strâns legați unul de celălalt. De fapt, distanța focală a unui obiectiv (deseori notat cu f) este distanța dintre obiectiv și senzor.

În practică, distanța focală determină unghiul de vizualizare și intervalul camerei:

• cu cât distanța focală este mai mică, cu atât unghiul de vizualizare este mai larg și se pot vedea mai puține detalii pe obiectele aflate în depărtare;
• Cu cât distanța focală este mai mare, cu atât unghiul de vizualizare al camerei video este mai îngust și imaginea obiectelor îndepărtate este mai detaliată.

Dacă aveți nevoie de o privire de ansamblu asupra unei anumite zone și doriți să utilizați cât mai puține camere pentru aceasta, cumpărați o cameră cu o distanță focală mică și, în consecință, un unghi larg de vizualizare.

Dar în acele zone în care este necesară observarea detaliată a unei zone relativ mici, este mai bine să instalați o cameră cu o distanță focală crescută, îndreptând-o către obiectul observației. Acesta este adesea folosit la casele de casă ale supermarketurilor și băncilor, unde trebuie să vedeți denumirea bancnotelor și alte detalii de plată, precum și la intrarea în parcări și în alte zone în care este necesar să distingeți numărul plăcuței de înmatriculare. o distanta lunga.

Cea mai comună distanță focală este de 3,6 mm. Corespunde aproximativ cu unghiul de vizualizare al ochiului uman. Camerele cu această distanță focală sunt folosite pentru supravegherea video în spații mici.

Tabelul de mai jos conține informații și relații dintre distanța focală, unghiul de vizualizare, distanța de recunoaștere etc. pentru cele mai comune focalizări. Cifrele sunt aproximative, deoarece depind nu numai de distanța focală, ci și de alți parametri ai opticii camerei.

În funcție de lățimea unghiului de vizualizare, camerele de supraveghere video sunt de obicei împărțite în:

• convențional (unghi de vizualizare 30°-70°);
• unghi larg (unghi de vizualizare de la aproximativ 70°);
• focalizare lungă (unghi de vizualizare mai mic de 30°).

Litera F, de obicei scrisă cu majuscule, indică și deschiderea obiectivului - prin urmare, atunci când citiți caracteristicile, acordați atenție contextului în care este utilizat parametrul.

Tipul de lentile

Lentila fixa (monofocala).- cel mai simplu și mai ieftin. Distanța focală este fixă ​​și nu poate fi modificată.

ÎN lentile varifocale (variofocale). puteți modifica distanța focală. Setarea acestuia se face manual, de obicei o dată când camera este instalată la locul de fotografiere și apoi după cum este necesar.

Lentile transfactor sau zoom De asemenea, oferă posibilitatea de a schimba distanța focală, dar de la distanță, în orice moment. Distanța focală este modificată cu ajutorul unei acționări electrice, motiv pentru care sunt numite și lentile motorizate.

„Fisheye” (ochi de pește, ochi de pește) sau obiectiv panoramic vă permite să instalați o singură cameră și să obțineți o vedere de 360°.

Desigur, imaginea rezultată are un efect de „bule” - liniile drepte sunt curbate, dar în majoritatea cazurilor, camerele cu astfel de lentile vă permit să împărțiți o imagine panoramică generală în mai multe separate, cu ajustări pentru percepția familiară ochiului uman .

Lentile pinhole permite supravegherea video ascunsă datorită dimensiunii sale miniaturale. De fapt, o cameră pinhole nu are un obiectiv, ci doar o gaură în miniatură. În Ucraina, utilizarea supravegherii video ascunse este foarte limitată, la fel ca și vânzarea de dispozitive pentru aceasta.

Acestea sunt cele mai comune tipuri de lentile. Dar dacă mergem mai adânc, lentilele sunt împărțite și în funcție de alți parametri:

Diafragma (numărul F) sau diafragma obiectivului

Determină capacitatea camerei de a capta imagini de înaltă calitate în condiții de lumină scăzută. Cu cât numărul F este mai mare, cu atât diafragma este mai puțin deschisă și camera are nevoie de mai multă lumină. Cu cât deschiderea este mai mică, cu atât deschiderea este mai largă, iar camera video poate produce imagini clare chiar și în condiții de lumină slabă.

Litera f (de obicei minuscule) desemnează și distanța focală, așa că atunci când citiți caracteristicile, acordați atenție contextului în care este utilizat parametrul. De exemplu, în imaginea de mai sus, diafragma este indicată de un f mic.

Montura pentru obiectiv

Există 3 tipuri de monturi pentru atașarea unui obiectiv la o cameră video: C, CS, M12.

• Montura C este rar folosită. Obiectivele C pot fi montate pe o cameră cu montură CS folosind un inel special.
• Suportul CS este cel mai comun tip. Obiectivele CS nu sunt compatibile cu camerele C.
• Montura M12 este folosită pentru obiective mici.

Reglarea irisului (iris automat), ARD, ARD

Diafragma este responsabilă de fluxul luminii către matrice: cu un flux de lumină crescut, se îngustează, prevenind astfel supraexpunerea imaginii, iar la lumină scăzută, dimpotrivă, se deschide astfel încât să cadă mai multă lumină pe matrice. .

Există două grupuri mari de camere: deschidere fixă(acest lucru include și camere fără el) și cu reglabil.

Diafragma poate fi reglată în diferite modele de camere de supraveghere video:

• Manual.
• În mod automat camera video folosind DC, pe baza cantității de lumină care lovește senzorul. Astfel de reglare automată diafragma (ARD) este desemnată ca DD (Direct Drive) sau DD/DC.
• În mod automat un modul special încorporat în obiectiv și care urmărește fluxul de lumină care trece prin deschiderea relativă. Această metodă de ARD în specificațiile camerelor video este desemnată ca VD (unitate video). Este eficient chiar și atunci când lumina directă a soarelui lovește obiectivul, dar camerele de supraveghere cu acesta sunt mai scumpe.

Obturator electronic (AES, viteza obturatorului, viteza obturatorului, obturator)

Diferiți producători se pot referi la acest parametru ca declanșator electronic automat, timp de expunere sau timp de expunere, dar în esență înseamnă același lucru - timpul în care lumina este expusă matricei. Este de obicei exprimat ca 1/50-1/100000s.

Acțiunea obturatorului electronic este oarecum similară cu reglarea automată a irisului - ajustează sensibilitatea la lumină a matricei pentru a o ajusta la nivelul de lumină al camerei. În figura de mai jos puteți vedea calitatea imaginii în condiții de lumină scăzută cu viteze diferite obturator (imaginea arată reglarea manuală, în timp ce AES o face automat).

Spre deosebire de ARD, reglarea are loc nu prin reglarea fluxului de lumină care intră în matrice, ci prin reglarea vitezei obturatorului, a duratei de acumulare a sarcinii electrice pe matrice.

Cu toate acestea capacitățile obturatorului electronic sunt mult mai slabe decât reglarea automată a irisului, Prin urmare, în spațiile deschise în care nivelul de iluminare variază de la amurg la lumina puternică a soarelui, este mai bine să folosiți camere cu ADS. Camerele video cu obturator electronic sunt optime pentru încăperile în care nivelul de lumină se modifică puțin în timp.

Caracteristicile obturatorului electronic diferă puțin între diferitele modele. O caracteristică utilă este capacitatea de a regla manual viteza obturatorului (viteza obturatorului), deoarece în condiții de lumină scăzută sunt setate automat valori scăzute, ceea ce duce la imagini neclare ale obiectelor în mișcare.

Sens-UP (sau DSS)

Aceasta este o funcție de acumulare a sarcinii matricei în funcție de nivelul de iluminare, adică creșterea sensibilității acesteia în detrimentul vitezei. Necesar pentru fotografierea de imagini de înaltă calitate în condiții de lumină scăzută, atunci când urmărirea evenimentelor de mare viteză nu este critică (nu există obiecte care se mișcă rapid la obiectul de observație).

Este strâns legată de viteza obturatorului (viteza obturatorului) descrisă mai sus. Dar dacă viteza obturatorului este exprimată în unități de timp, atunci Sens-UP este exprimată în factorul de creștere a vitezei de expunere (xN): timpul de acumulare a încărcăturii (viteza obturatorului) crește de N ori.

Permisiune

Am atins puțin subiectul rezoluțiilor camerelor CCTV în ultimul articol. Rezoluția camerei este, de fapt, dimensiunea imaginii rezultate. Se măsoară fie în TVL (linii de televiziune), fie în pixeli. Cu cât rezoluția este mai mare, cu atât veți putea vedea mai multe detalii în videoclip.

Rezoluția camerei video în TVL- acesta este numărul de linii verticale (tranziții de luminozitate) plasate orizontal în imagine. Este considerat mai precis, deoarece oferă o idee despre dimensiunea imaginii de ieșire. În timp ce rezoluția în megapixeli indicată în documentația producătorului poate induce în eroare cumpărătorul - adesea se referă nu la dimensiunea imaginii finale, ci la numărul de pixeli de pe matrice. În acest caz, trebuie să acordați atenție unui astfel de parametru precum „Numărul efectiv de pixeli”

Rezoluție în pixeli- aceasta este dimensiunea orizontală și verticală a imaginii (dacă este specificată ca 1280x960) sau numărul total de pixeli din imagine (dacă este specificat ca 1 MP (megapixel), 2 MP etc.). De fapt, obținerea rezoluției în megapixeli este foarte simplă: trebuie să înmulțiți numărul de pixeli orizontali (1280) cu numărul de pixeli verticali (960) și să împărțiți la 1.000.000 Total 1280×960 = 1,23 MP.

Cum se convertesc TVL în pixeli și invers? Nu există o formulă exactă de conversie. Pentru a determina rezoluția video în TVL, trebuie să utilizați tabele speciale de testare pentru camerele video. Pentru o reprezentare aproximativă a raportului, puteți utiliza tabelul:

Pixeli efectivi

După cum am spus mai sus, adesea dimensiunea în megapixeli indicată în caracteristicile camerelor video nu oferă o idee exactă a rezoluției imaginii rezultate. Producătorul indică numărul de pixeli de pe matricea camerei (senzor), dar nu toți sunt implicați în crearea imaginii.

Prin urmare, a fost introdus parametrul „Număr (număr) de pixeli efectivi”, care arată exact câți pixeli formează imaginea finală. Cel mai adesea corespunde rezoluției reale a imaginii rezultate, deși există și excepții.

Iluminare IR (infraroșu), IR

Permite fotografierea pe timp de noapte. Capacitățile matricei (senzorului) unei camere de supraveghere video sunt mult mai mari decât cele ale ochiului uman - de exemplu, camera poate „vedea” în radiații infraroșii. Această proprietate a început să fie folosită pentru filmări pe timp de noapte și în încăperi neluminate/putr luminate. Când este atinsă o anumită iluminare minimă, camera video trece în modul de fotografiere în domeniul infraroșu și pornește iluminarea infraroșu (IR).

LED-urile IR sunt încorporate în cameră astfel încât lumina de la acestea să nu cadă în obiectivul camerei, ci să lumineze unghiul de vizualizare al acesteia.

Imaginea obținută în condiții de lumină scăzută folosind iluminarea în infraroșu este întotdeauna alb-negru. Camerele foto color care acceptă fotografia de noapte trec, de asemenea, la modul alb-negru.

Valorile iluminării IR în camerele video sunt de obicei date în metri - adică câți metri de la cameră iluminarea vă permite să obțineți o imagine clară. Iluminarea IR cu rază lungă se numește iluminator IR.

Ce este Smart IR, Smart IR?

Iluminarea inteligentă IR (Smart IR) vă permite să creșteți sau să micșorați puterea radiației infraroșii în funcție de distanța până la obiect. Acest lucru se face pentru a vă asigura că obiectele care sunt aproape de cameră nu sunt supraexpuse în videoclip.

Filtru IR (ICR), mod zi/noapte

Utilizarea iluminării în infraroșu pentru filmarea pe timp de noapte are o particularitate: matricea unor astfel de camere este produsă cu o sensibilitate crescută la domeniul infraroșu. Acest lucru creează o problemă pentru fotografierea în timpul zilei, deoarece matricea înregistrează spectrul infraroșu în timpul zilei, ceea ce perturbă culoarea normală a imaginii rezultate.

Prin urmare, astfel de camere funcționează în două moduri - zi și noapte. În timpul zilei, matricea este acoperită cu un filtru mecanic infraroșu (ICR), care oprește radiația infraroșu. Noaptea, filtrul se mișcă, permițând razelor spectrului infraroșu să pătrundă liber în matrice.

Uneori comutarea modului zi/noapte este implementată în software, dar această soluție produce imagini de calitate inferioară.

Filtrul ICR poate fi instalat și în camerele fără iluminare în infraroșu - pentru a tăia spectrul infraroșu în timpul zilei și pentru a îmbunătăți redarea culorilor video.

Dacă camera dvs. nu are un filtru IGR, deoarece nu a fost proiectată inițial pentru fotografia de noapte, nu puteți adăuga funcționalitate de fotografiere pe timp de noapte pur și simplu achiziționând un modul IR separat. În acest caz, culoarea video în timpul zilei va fi semnificativ distorsionată.

Sensibilitate (sensibilitate la lumină, iluminare minimă)

Spre deosebire de camere, unde sensibilitatea la lumină este exprimată prin parametrul ISO, sensibilitatea la lumină a camerelor CCTV este cel mai adesea exprimat în lux (Lux)și înseamnă iluminarea minimă în care camera este capabilă să producă o imagine video de bună calitate - clară și fără zgomot. Cu cât valoarea acestui parametru este mai mică, cu atât sensibilitatea este mai mare.

Camerele de supraveghere video sunt selectate în conformitate cu condițiile în care sunt planificate să fie utilizate: de exemplu, dacă sensibilitatea minimă a camerei este de 1 lux, atunci nu va fi posibilă obținerea unei imagini clare pe timp de noapte fără iluminare suplimentară în infraroșu .

Termeni	Nivel de lumină
Lumină naturală afară într-o zi însorită fără nori	peste 100.000 de lux
Lumina naturala afara intr-o zi insorita cu nori usori	70.000 de lux
Lumină naturală afară pe vreme înnorată	20.000 de lux
Magazine, supermarketuri:	750-1500 lux
Birou sau magazin:	50-500 lux
Săli de hotel:	100-200 lux
Parcare auto, depozite	75-30 lux
Amurg	4 lux
Autostradă bine luminată noaptea	10 lux
Scaune pentru spectatori în teatru:	3-5 lux
Noaptea spital, amurg adânc	1 apartament
Lună plină	0,1 - 0,3 lux
Noapte cu lumina lunii (sfert de lună)	0,05 lux
Noapte senină fără lună	0,001 lux
Noapte înnorată fără lună	0,0001 lux

Raportul semnal/zgomot (S/N) determină calitatea semnalului video. Zgomotul din imaginile video este cauzat de iluminarea slabă și apare ca zăpadă sau granulație colorată sau alb-negru.

Parametrul este măsurat în decibeli. Imaginea de mai jos arată o calitate destul de bună a imaginii deja la 30 dB, dar în camere moderne pentru a obține un videoclip de înaltă calitate, S/N trebuie să fie de cel puțin 40 dB.

Reducerea zgomotului DNR (3D-DNR, 2D-DNR)

Desigur, problema zgomotului în video nu a trecut neobservată de producători. Pe în acest moment Există două tehnologii pentru reducerea zgomotului din imagine și îmbunătățirea corespunzătoare a imaginii:

• 2-DNR. Tehnologie mai veche și mai puțin avansată. Practic, este eliminat doar zgomotul din fundal apropiat, uneori imaginea este ușor neclară din cauza curățării.
• 3-DNR. Tehnologia de ultimă oră, care funcționează conform unui algoritm complex și elimină nu numai zgomotul din apropiere, ci și zăpada și cerealele din fundal îndepărtat.

Rata de cadre, fps (rata de flux)

Rata cadrelor afectează netezimea imaginii video - cu cât este mai mare, cu atât mai bine. Pentru a obține o imagine netedă, este necesară o frecvență de cel puțin 16-17 cadre pe secundă. Standardele PAL și SECAM acceptă rate de cadre la 25 fps, iar standardul NTSC acceptă 30 fps. Pentru camerele profesionale, ratele de cadre pot ajunge până la 120 fps și mai mult.

Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că cu cât este mai mare rata de cadre, cu atât va fi nevoie de mai mult spațiu pentru stocarea video și cu atât canalul de transmisie va fi încărcat mai mult.

Compensarea luminii (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Problemele comune de supraveghere video sunt:

• obiecte luminoase individuale care cad în cadru (faruri, lămpi, felinare), care luminează o parte a imaginii și din cauza cărora este imposibil să vezi detalii importante;
• iluminare prea puternică în fundal (stradă însorită în spatele ușilor camerei sau în afara ferestrei etc.), față de care obiectele din apropiere par prea întunecate.

Pentru a le rezolva, există mai multe funcții (tehnologii) folosite în camerele de supraveghere.

HLC - compensarea luminii strălucitoare. Comparaţie:

BLC - compensarea luminii de fundal. Este implementat prin creșterea expunerii întregii imagini, în urma căreia obiectele din prim-plan devin mai ușoare, dar fundalul este prea deschis pentru ca detaliile să poată fi văzute.

WDR (uneori numit și HDR) - gamă dinamică largă. Folosit și pentru compensarea luminii de fundal, dar mai eficient decât BLC. Când utilizați WDR, toate obiectele din videoclip au aproximativ aceeași luminozitate și claritate, ceea ce vă permite să vedeți în detaliu nu numai primul plan, ci și fundalul. Acest lucru se realizează datorită faptului că aparatul foto realizează fotografii cu expuneri diferite, iar apoi le combină pentru a obține un cadru cu luminozitate optimă a tuturor obiectelor.

D-WDR - implementare software cu o gamă dinamică largă, care este puțin mai rău decât WDR cu drepturi depline.

Clase de protecție IK (antivandal, anti-vandal) și IP (față de umiditate și praf)

Acest parametru este important dacă alegeți o cameră pentru supraveghere video în aer liber sau într-o cameră cu umiditate ridicată, praf etc.

Clasele IP- aceasta este protecție împotriva pătrunderii obiectelor străine de diferite diametre, inclusiv particule de praf, precum și protecție împotriva umezelii. ClaseleIK- aceasta este protecție anti-vandal, adică împotriva impactului mecanic.

Cele mai comune clase de protecție printre camerele CCTV de exterior sunt IP66, IP67 și IK10.

• Clasa de protectie IP66: Camera este complet rezistentă la praf și protejată de jeturile puternice de apă (sau valurile mării). Apa intră în cantități mici și nu interferează cu funcționarea camerei video.
• Clasa de protectie IP67: Camera este complet rezistentă la praf și poate rezista la scufundarea completă pe termen scurt sub apă sau perioade lungi de timp sub zăpadă.
• Clasa de protectie antivandal IK10: Corpul camerei va rezista la o sarcină de 5 kg de la o înălțime de 40 cm (energie de impact 20 J).

Zone ascunse (Mască de confidențialitate)

Uneori devine necesar să vă ascundeți de observare și înregistrare a unor zone care se încadrează în câmpul vizual al camerei. Cel mai adesea acest lucru se datorează protecției vieții private. Unele modele de camere vă permit să ajustați setările mai multor dintre aceste zone, acoperind o anumită parte sau părți ale imaginii.

De exemplu, în imaginea de mai jos, ferestrele unei case vecine sunt ascunse în imaginea camerei.

Alte funcții ale camerelor CCTV (DIS, AGC, AWB etc.)

meniul OSD- capacitatea de a regla manual mulți parametri ai camerei: expunere, luminozitate, distanță focală (dacă există o astfel de opțiune), etc.

- fotografiere în condiții de lumină scăzută fără iluminare în infraroșu.

DIS- Funcția de stabilizare a imaginii camerei când fotografiați în condiții de vibrații sau de mișcare

Tehnologia EXIR- tehnologie de iluminare în infraroșu dezvoltată de Hikvision. Datorită acesteia, se obține o eficiență mai mare a luminii de fundal: gamă mai mare cu un consum mai mic de energie, dispersie etc.

AWB- ajustarea automată a balansului de alb din imagine, astfel încât redarea culorii să fie cât mai apropiată de naturală, vizibilă pentru ochiul uman. Deosebit de relevant pentru încăperile cu iluminare artificială și diverse surse de lumină.

AGC (AGC)- control automat al câștigului. Este folosit pentru a se asigura că fluxul video de ieșire de la camere este întotdeauna stabil, indiferent de puterea fluxului video de intrare. Cel mai adesea, amplificarea semnalului video este necesară în condiții de lumină scăzută și o scădere - dimpotrivă, atunci când iluminarea este prea puternică.

Detector de mișcare- datorita acestei functii, camera se poate porni si inregistra doar atunci cand apare miscarea pe obiectul monitorizat, precum si transmite un semnal de alarma la declansarea detectorului. Acest lucru ajută la economisirea spațiului pentru stocarea video pe DVR, ușurează sarcina pe canalul de transmisie a fluxului video și organizează notificarea personalului despre o încălcare care a avut loc.

Intrare alarmă pentru cameră- aceasta este capacitatea de a porni camera și de a începe înregistrarea video atunci când are loc orice eveniment: activarea unui senzor de mișcare conectat sau a altui senzor conectat la acesta.

Ieșire de alarmă vă permite să declanșați o reacție la un eveniment de alarmă înregistrat de cameră, de exemplu, porniți sirena, trimiteți o alertă prin e-mail sau SMS etc.

Nu ați găsit funcția pe care o căutați?

Am încercat să colectăm toate caracteristicile întâlnite frecvent ale camerelor de supraveghere video. Dacă nu ați găsit aici o explicație a unui parametru care nu vă este clar, scrieți în comentarii, vom încerca să adăugăm aceste informații la articol.

site-ul web

Un singur element este sensibil pe întreaga gamă spectrală vizibilă, astfel încât se folosește un filtru de lumină deasupra fotodiodelor matricelor CCD color, care transmite doar una dintre cele trei culori: roșu (roșu), verde (verde), albastru (albastru) sau galben. (galben), magenta (magenta), turcoaz (cyan). Dar, la rândul său, nu există astfel de filtre într-o matrice CCD alb-negru.

DISPOZITIV ȘI PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE A UNUI PIXEL

Un pixel constă dintr-un substrat p acoperit cu un dielectric transparent, pe care este aplicat un electrod de transmitere a luminii, formând un puț de potențial.

Deasupra pixelului poate exista un filtru de lumină (utilizat în matricele de culoare) și o lentilă de colectare (folosită în matricele în care elementele sensibile nu ocupă complet suprafața).

Un potențial pozitiv este aplicat unui electrod de transmitere a luminii situat pe suprafața cristalului. Lumina care cade pe un pixel pătrunde adânc în structura semiconductoare, formând o pereche electron-gaură. Electronul rezultat și gaura sunt despărțite de câmpul electric: electronul se deplasează în zona de stocare a purtătorului (puțul potențial), iar găurile curg în substrat.

Pixelul are următoarele caracteristici:

• Capacitatea unui puț de potențial este numărul de electroni pe care îl poate găzdui.
• Sensibilitatea spectrală a unui pixel este dependența sensibilității (raportul dintre valoarea fotocurentului și valoarea fluxului luminos) de lungimea de undă a radiației.
• Eficiența cuantică (măsurată ca procent) este o mărime fizică egală cu raportul dintre numărul de fotoni, a cărui absorbție a determinat formarea de cvasiparticule, și numărul total de fotoni absorbiți. În matricele moderne CCD această cifră ajunge la 95%. Prin comparație, ochiul uman are o eficiență cuantică de aproximativ 1%.
• Intervalul dinamic este raportul dintre tensiunea sau curentul de saturație și tensiunea pătrată medie sau curentul de zgomot întunecat. Măsurat în dB.

MATRICE CCD ȘI DISPOZITIV DE TRANSFER ÎNCĂRCARE

CCD-ul este împărțit în rânduri și, la rândul său, fiecare rând este împărțit în pixeli. Rândurile sunt separate unul de celălalt prin straturi de oprire (p +), care nu permit scurgerea sarcinilor între ele. Pentru a muta un pachet de date, se folosesc registre de deplasare paralele, cunoscute și sub numele de verticală (VCCD) și seriale, cunoscute și ca orizontale (HCCD).

Cel mai simplu ciclu de funcționare al unui registru cu deplasare trifazată începe cu faptul că la prima poartă este aplicat un potențial pozitiv, ceea ce duce la formarea unui puț plin cu electronii rezultați. Apoi aplicăm un potențial la a doua poartă care este mai mare decât pe prima, în urma căruia se formează un put de potențial mai adânc sub cea de-a doua poartă, în care electronii vor curge de sub prima poartă. Pentru a continua mișcarea sarcinii, ar trebui să reduceți valoarea potențialului pe a doua poartă și să aplicați un potențial mai mare celei de-a treia. Electronii curg sub a treia poartă. Acest ciclu continuă de la punctul de acumulare până la rezistorul orizontal de citire directă. Toți electrozii registrelor de deplasare orizontală și verticală formează faze (faza 1, faza 2 și faza 3).

Clasificarea matricelor CCD după culoare:

• alb-negru
• Colorat

Clasificarea matricelor CCD după arhitectură:

Verdele indică celule fotosensibile, griul indică zone opace.

Matricea CCD are următoarele caracteristici:

• Eficiența transferului de sarcină este raportul dintre numărul de electroni din sarcină la sfârșitul căii prin registrul de deplasare și numărul de la început.
• Factorul de umplere este raportul dintre suprafața umplută cu elemente fotosensibile și suprafața totală a suprafeței fotosensibile a matricei CCD.
• Curentul întunecat este un curent electric care circulă printr-un element fotosensibil în absența fotonilor incidenti.
• Zgomotul citit este zgomotul care apare în circuitele de conversie și amplificare a semnalului de ieșire.

Matrici cu transfer de cadru. (Transfer de cadru în engleză).

Avantaje: Posibilitatea de a ocupa 100% din suprafata cu elemente fotosensibile; Timpii de citire sunt mai mici decât senzorii de transfer full-frame; Mai puțin neclară decât CCD cu transfer full-frame; Are un avantaj al ciclului de lucru față de arhitectura full-frame: CCD-ul de transfer al cadrului colectează în mod constant fotoni. Defecte: Când citiți datele, ar trebui să blocați sursa de lumină cu obturatorul pentru a evita estomparea; Calea de călătorie a sarcinii a fost mărită, ceea ce afectează negativ eficiența transferului de sarcină; Acești senzori sunt mai scumpi de fabricat și produs decât dispozitivele de transfer full-frame.

Matrici cu transfer interline sau matrice cu tamponare coloane (ing. Interline-transfer).
	Avantaje: Nu este nevoie să folosiți un obturator; Fara lubrifiere. Defecte: Capacitatea de a umple suprafața cu elemente sensibile cu cel mult 50%. Viteza de citire este limitată de viteza registrului de deplasare; Rezoluția este mai mică decât CCD-urile de transfer cadru și cadru complet.

Matrice cu transfer linie-cadru sau matrice cu tamponare coloane (interline în engleză).

Avantaje: Procesele de acumulare și transfer de sarcină sunt separate spațial; Sarcina de la elementele de stocare este transferată în registrele de transfer, închise de lumina matricei CCD; Transferul de încărcare al întregii imagini se realizează într-un ciclu de ceas; Fara lubrifiere; Intervalul dintre expuneri este minim și potrivit pentru înregistrarea video. Defecte: Capacitatea de a umple suprafața cu elemente sensibile cu cel mult 50%; Rezoluția este mai mică decât CCD-urile de transfer cadru și cadru complet; Calea de călătorie a sarcinii este crescută, ceea ce afectează negativ eficiența transferului de sarcină.

APLICAREA MATRICELOR CCD

	APLICAȚIE științifică pentru spectroscopie; pentru microscopie; pentru cristalografie; pentru fluoroscopie; pentru stiintele naturii; pentru stiintele biologice.
	APLICAȚIE SPAȚIALĂ în telescoape; în urmatoarele de stele; în urmărirea sateliților; la sondarea planetelor; echipamentul de bord și manual al echipajului.
	APLICAȚIE INDUSTRIALĂ pentru a verifica calitatea sudurilor; pentru a controla uniformitatea suprafețelor vopsite; să studieze rezistența la uzură a produselor mecanice; pentru citirea codurilor de bare; pentru a controla calitatea ambalajului produsului.
	CERERE DE PROTECȚIA OBIECTELOR in apartamente rezidentiale; pe aeroporturi; pe șantiere; la locurile de munca; în camerele „inteligente” care recunosc chipul unei persoane.
	APLICAȚIE ÎN FOTOGRAFIE în camerele profesionale; în camerele de amatori; în telefoanele mobile.
	UTILIZARE MEDICALĂ în fluoroscopie; în cardiologie; în mamografie; în stomatologie; în microchirurgie; în oncologie.
	APLICAȚIE AUTO-ROAD pentru recunoașterea automată a plăcuțelor de înmatriculare; pentru controlul vitezei; pentru a controla fluxul de trafic; pentru permis de parcare; în sistemele de supraveghere a poliţiei.

Cum apar distorsiunile atunci când fotografiați obiecte în mișcare pe un senzor cu un obturator rulant:

Introducere

În acest curs de lucru voi lua în considerare Informații generale despre dispozitivele cuplate la încărcare, parametrii, istoria creației, caracteristicile camerelor moderne cu infraroșu mediu CCD.

Ca urmare a finalizării lucrărilor de curs, am studiat literatura despre creație, principiul de funcționare, specificatii tehniceși utilizarea camerelor CCD mid-IR.

CCD. Principiul fizic al funcționării CCD. matricea CCD

Un dispozitiv de cuplare de sarcină (CCD) este o serie de structuri simple MIS (metal-dielectric-semiconductor) formate pe un substrat semiconductor comun, astfel încât benzile de electrozi metalici să formeze un sistem regulat liniar sau matricial în care distanța dintre adiacente electrozii este suficient de mic (Fig. 1). Această împrejurare determină faptul că factorul determinant în funcționarea dispozitivului este influența reciprocă a structurilor MIS învecinate.

Figura 1 - Structura CCD

Principalele scopuri funcționale ale CCD-urilor fotosensibile sunt conversia imaginilor optice într-o secvență de impulsuri electrice (formarea unui semnal video), precum și stocarea și procesarea informațiilor digitale și analogice.

CCD-urile sunt fabricate din siliciu monocristalin. Pentru a face acest lucru, pe suprafața unei plachete de siliciu este creată o peliculă dielectrică subțire (0,1-0,15 microni) de dioxid de siliciu prin oxidare termică. Acest proces este realizat în așa fel încât să asigure perfecțiunea interfeței semiconductor-dielectric și să minimizeze concentrația de centre de recombinare la interfață. Electrozii elementelor individuale MIS sunt fabricați din aluminiu, lungimea lor este de 3-7 microni, distanța dintre electrozi este de 0,2-3 microni. Numărul tipic de elemente MIS este de 500-2000 într-un CCD liniar și matricial; zona plăcii Sub electrozii cei mai exteriori ai fiecărui rând se realizează joncțiuni p-n, destinate introducerii și ieșirii porțiunilor de sarcini (pachete de încărcare) electrice. metoda (injectie prin jonctiune p-n). Cu fotovoltaic La introducerea pachetelor de încărcare, CCD-ul este iluminat din față sau din spate. Când este iluminat din față, pentru a evita efectul de umbrire al electrozilor, aluminiul este de obicei înlocuit cu filme de siliciu policristalin puternic dopat (polisiliciu), transparente în regiunile vizibile și aproape IR ale spectrului.

Principiul de funcționare al CCD

Principiul general de funcționare al CCD este următorul. Dacă se aplică o tensiune negativă oricărui electrod metalic al CCD, atunci sub acțiunea câmpului electric rezultat, electronii, care sunt principalii purtători ai substratului, se îndepărtează de suprafață adânc în semiconductor. În apropierea suprafeței se formează o regiune epuizată, care în diagrama energetică reprezintă un put potențial pentru purtătorii minoritari - găuri. Găurile care intră cumva în această regiune sunt atrase de interfața dielectric-semiconductor și sunt localizate într-un strat îngust aproape de suprafață.

Dacă o tensiune negativă de amplitudine mai mare este acum aplicată electrodului adiacent, se formează un puț de potențial mai adânc și găurile se deplasează în el. Prin aplicarea tensiunilor de control necesare la diverși electrozi CCD, este posibil să se asigure atât stocarea sarcinilor în anumite regiuni apropiate de suprafață, cât și mișcarea dirijată a sarcinilor de-a lungul suprafeței (de la structură la structură). Introducerea unui pachet de încărcare (scriere) poate fi realizată fie printr-o joncțiune p-n, situată, de exemplu, în apropierea elementului CCD cel mai exterior, fie prin generarea de lumină. Cel mai simplu mod de a elimina sarcina din sistem (citire) este, de asemenea, să utilizați o joncțiune p-n. Astfel, un CCD este un dispozitiv în care informațiile externe (semnale electrice sau luminoase) sunt convertite în pachete de încărcare ale purtătorilor de telefonie mobilă, plasate într-un anumit mod în regiuni apropiate de suprafață, iar procesarea informațiilor se realizează prin deplasarea controlată a acestor pachete de-a lungul suprafata. Este evident că sistemele digitale și analogice pot fi construite pe baza CCD-urilor. Pentru sisteme digitale Tot ce contează este prezența sau absența unei încărcături de găuri într-un anumit element CCD, când procesare analogică se ocupă de mărimea sarcinilor în mișcare.

Dacă un flux de lumină care poartă o imagine este direcționat către un CCD cu mai multe elemente sau matrice, atunci fotogenerarea perechilor electron-gaură va începe în volumul semiconductorului. Odată ajuns în regiunea epuizată a CCD, purtătorii sunt separați și găurile se acumulează în puțurile potențiale (și cantitatea de încărcare acumulată este proporțională cu iluminarea locală). După un timp (de ordinul a câteva milisecunde), suficient pentru perceperea imaginii, în matricea CCD va fi stocat un model de pachete de încărcare corespunzător distribuției iluminării. Când impulsurile de ceas sunt pornite, pachetele de încărcare se vor muta către cititorul de ieșire, care le transformă în semnale electrice. Ca rezultat, ieșirea va fi o secvență de impulsuri cu amplitudini diferite, a căror anvelopă o dă semnalul video.

Principiul de funcționare al unui CCD este ilustrat în Figura 2 folosind exemplul unui fragment de linie FPCD controlat de un circuit cu trei cicluri (trifazate) În timpul ciclului I (percepție, acumulare și stocare a informațiilor video), așa -a sunat tensiunea de stocare Uxp, împingând purtătorii majoritari - găuri în cazul siliciului de tip p - în adâncurile semiconductorului și formând straturi de epuizare adânci de 0,5-2 μm - puțuri de potențial pentru electroni. Iluminarea suprafeței FPCD generează perechi electron-gauri în exces în volumul de siliciu, în timp ce electronii sunt atrași în godeuri de potențial și localizați într-un strat de suprafață subțire (0,01 μm) sub electrozii 1, 4, 7, formând pachete de încărcare de semnal.

cuplare încărcare cameră infraroșu

Figura 2 - diagrama funcționării unui dispozitiv trifazat cuplat cu sarcină - un registru de deplasare

Cantitatea de încărcare din fiecare pachet este proporțională cu expunerea suprafeței din apropierea unui electrod dat. În structurile MIS bine formate, sarcinile rezultate în apropierea electrozilor pot persista o perioadă relativ lungă de timp, dar treptat, datorită generării de purtători de sarcină de către centrii de impurități, defecte în vrac sau la interfață, aceste sarcini se vor acumula în potențial. puțurile până când depășesc încărcăturile de semnal și chiar umplu complet puțurile.

În timpul ciclului II (transfer de sarcină), electrozii 2, 5, 8 și așa mai departe se aplică o tensiune de citire mai mare decât tensiunea de stocare. Prin urmare, sub electrozii 2, 5 și 8 apar potențiale mai profunde. puțuri decât sub electronii 1, 4 și 7 și datorită apropierii electrozilor 1 și 2, 4 și 5, 7 și 8, barierele dintre ei dispar și electronii curg în puțurile de potențial învecinate, mai adânci.

În timpul ciclului III, tensiunea de pe electrozii 2, 5, 8 este redusă la și de la electrozii 1, 4, 7 este îndepărtată.

Că. toate pachetele de încărcare sunt transferate de-a lungul liniei CCD spre dreapta cu un pas egal cu distanța dintre electrozii adiacenți.

Pe parcursul întregii operațiuni, se menține o tensiune de polarizare mică (1-3 V) pe electrozii care nu sunt conectați direct la potențiale, asigurându-se că întreaga suprafață a semiconductorului este epuizată de purtători de sarcină și efectele de recombinare asupra acestuia sunt slăbite.

Prin repetarea procesului de comutare a tensiunilor de mai multe ori, toate pachetele de încărcare excitate, de exemplu, de lumina dintr-o linie, sunt scoase succesiv prin joncțiunea r-h cea mai exterioară. În acest caz, în circuitul de ieșire apar impulsuri de tensiune proporționale cu cantitatea de încărcare a acestui pachet. Modelul de iluminare este transformat într-un relief de sarcină de suprafață, care, după ce se deplasează de-a lungul întregii linii, este convertit într-o secvență de impulsuri electrice. Cu cât este mai mare numărul de elemente într-un rând sau matrice (numărul 1 - receptoare IR; 2 - elemente tampon; 3 - CCD), are loc transferul incomplet al pachetului de încărcare de la un electrod la cel alăturat, iar distorsiunea rezultată a informațiilor este sporită Pentru a evita distorsiunea semnalului video acumulat din cauza transferului de iluminare, pe cristalul FPCD creează zone separate spațial de percepție - acumulare și stocare - citire, iar în prima oferă fotosensibilitate maximă, iar cele din urmă, pe dimpotrivă, protejați de lumină într-un FPCD liniar (Fig. 3, a) sarcinile acumulate în linia 1 într-un ciclu sunt transferate în registrul 2 (din elementele pare) și în registrul 3 (din elementele impare). este transmisă prin ieșirea 4 către circuitul de combinare a semnalului 5, un nou cadru video B este acumulat în linia 1. FPCD cu transfer de cadru (Figura 3) informația percepută de matricea de acumulare 7 este rapid „deversată” în matricea de stocare 2, din care este citit secvenţial de către registrul CCD 3; în același timp, matricea 1 acumulează un nou cadru.

Figura 3 - acumularea și citirea informațiilor într-un dispozitiv liniar (a), matrice (b) fotosensibil cuplat la sarcină și într-un dispozitiv cu injecție de încărcare.

În plus față de CCD-urile cu cea mai simplă structură (Figura 1), s-au răspândit și alte soiuri, în special dispozitive cu electrozi suprapusi din polisiliciu (Figura 4), care asigură fotoexpunere activă pe întreaga suprafață a semiconductorului și un mic spațiu între electrozi, și dispozitive cu asimetrie a proprietăților suprafeței (de exemplu ., un strat dielectric de grosime variabilă - Figura 4), care funcționează în modul push-pull. Structura unui CCD cu un canal volumetric (Figura 4) format prin difuzia impurităților este fundamental diferită. Acumularea, stocarea și transferul de sarcină au loc în cea mai mare parte a semiconductorului, unde există mai puțină recombinare a centrelor decât la suprafață și o mobilitate mai mare a purtătorilor. Consecința acestui lucru este o creștere a valorii cu un ordin de mărime și o scădere în comparație cu toate tipurile de CCD-uri cu un canal de suprafață.

Figura 4 - Varietăți de dispozitive cuplate cu încărcare cu canale de suprafață și de volum.

Pentru a percepe imagini color, se utilizează una din două metode: împărțirea fluxului optic folosind o prismă în roșu, verde, albastru, percepând fiecare dintre ele cu un cristal FPCD special, amestecând impulsurile din toate cele trei cristale într-un singur semnal video; crearea pe suprafața FPCD a unei linii de film sau a unui filtru de lumină de codificare mozaic, formând un raster de triade multicolore.