Доступ: Анонимный

Неизвестный Сергей Иванович
Никулин Олег Юрьевич

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ -
ОСНОВА СОВРЕМЕННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЗС.

Источник: журнал "Специальная Техника"

  В предыдущей статье был сделан краткий анализ существующих полупроводниковых приёмников света и подробно описаны строение и принцип функционирования приборов с зарядовой связью.

В предлагаемой статье речь пойдет о физических характеристиках ПЗС-матриц и об их влиянии на общие свойства телекамер.

Число элементов ПЗС-матрицы.

Пожалуй, самая “базовая” характеристика ПЗС-матриц — число элементов. Как правило, подавляющее число моделей имеют стандартное число элементов, ориентированное на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (такие матрицы позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала).

Наиболее крупным из изготовленных и описанных в литературе ПЗС является монокристальный прибор корпорации Ford Aerospace размером 4096х4096 пикселов со стороной пиксела 7,5 микрон.

При производстве выход качественных приборов больших размеров очень невысок, поэтому при создании ПЗС-видеокамер для съемок крупноформатных изображений применяют другой подход. Многими фирмами изготавливаются ПЗС с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне (buttable CCD). Из таких приборов собирают мозаичные ПЗС. Например, фирмой Loral Fairchild изготавливается очень интересный и перспективный прибор 2048х4096 15 мкм. Выводы этого ПЗС вынесены на одну узкую сторону. Достижения российской промышленности несколько скромнее. НПП “Силар” (Санкт-Петербург) выпускает ПЗС 1024х1024 16 мкм с объемным каналом переноса заряда, виртуальной фазой и выводами на одной стороне прибора. Такая архитектура приборов позволяет стыковать их друг с другом с трех сторон.

Интересно отметить, что в настоящее время создано несколько специализированных крупноформатных светоприемников на основе ПЗС-мозаик. Так, например, из восьми ПЗС 2048х4096 компании Loral Fairchild собирается мозаика 8192х8192 с общими размерами 129х129 мм. Зазоры между отдельными кристаллами ПЗС составляют менее 1 мм. В некоторых приложениях относительно большие зазоры (до 1 см) не считаются серьезной проблемой, так как полное изображение можно получить суммированием в памяти компьютера нескольких экспозиций, слегка смещенных относительно друг друга, заполняя таким образом зазоры. Изображение, полученное мозаикой 8196х8196, содержит 128 Мбайт информации, что эквивалентно, примерно, 100-томной энциклопедии по 500 страниц в каждом томе. Хотя эти цифры и внушительны, они все же малы по сравнению с размерами и разрешением фотографических эмульсий, которые могут изготавливаться огромными листами. Даже самая крупнозернистая 35-мм пленка содержит в кадре до 25 миллионов разрешаемых зерен (пикселов).

Разрешающая способность телекамер

От числа элементов ПЗС-матрицы напрямую зависит один из основных параметров телекамеры — разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики.

Разрешение определяется как максимальное количество чёрных и белых полос (т.е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте.

Это означает, что камера позволяет рассмотреть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, если в паспорте камеры указано, что её разрешение составляет N телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая расстояние и фокусируя изображение таблицы, надо добиться того, чтобы верхний и нижний края изображения таблицы на мониторе совпали с внешними контурами таблицы, отмечаемыми вершинами черных и белых призм. Далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают различаться. Последнее замечание очень важно, так как и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС-матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами.

За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия). Разрешение по вертикали у всех камер практически одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом — 625 строк телевизионной развертки и они по этой координате не могут передать больше 625 объектов. Различие в разрешении по горизонтали — именно оно обычно указывается в технических описаниях.

На практике в большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для задач теленаблюдения общего характера. Однако, для специализированных телесистем и задач, таких, как телемониторинг большого пространства одной камерой, просмотр большого периметра телекамерой с переменным угловым увеличением (зумом), слежения в аэропортах, железнодорожных вокзалах, причалах, супермаркетах, системы отождествления и распознавания автомобильных номеров, системы идентификации по лицу и пр., требуется более высокое разрешение (для этого используются камеры с разрешением 570 и более тв-линий).

Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых. Это является следствием того, что структура пиксела ПЗС-матриц, применяемых в цветном телевидении, отличается от структуры пиксела черно-белых матриц. Образно говоря, пиксел цветной матрицы состоит из комбинации трех пикселов, каждый из которых регистрирует свет либо в красной (Red), либо в зелёной (Green), либо в голубой (Blue) части оптического спектра. Таким образом, с каждого элемента цветной ПЗС-матрицы снимется три сигнала (RGB-сигнал). Эффективное разрешение при этом должно быть в раз хуже, чем у чёрно-белых матриц. Однако, у цветных матриц разрешение ухудшается меньше, так как размер их пиксела по сравнению с размером пиксела аналогичной чёрно-белой матрицы в полтора раза меньше, что в результате приводит к ухудшению разрешения всего лишь на 30-40%. Негативной стороной этого является снижение чувствительности цветных матриц, поскольку эффективная площадь регистрации элемента изображения становится существенно меньше. Типичное разрешение цветных телекамер составляет 300 — 350 тв-линий.

Кроме того, на разрешение камеры влияет полоса частот видеосигнала, выдаваемого камерой. Для передачи сигнала 300 ТВЛ необходима полоса частот 2,75 МГц (150 периодов на 55 мкс строки телевизионной развертки). Связь между полосой частот телеразвертки (n _пчтр) и разрешением (ТВЛ) определяется соотношением:

n _пчтр=(ТВЛ/2) х n _чств,

где частота n _пчтр измеряется в МГц, разрешение ТВЛ в тв-линиях, частота строчной телеразвертки n _чств=18.2 кГц.

В настоящее время разработано много разнообразных полупроводниковых усилителей с хорошими частотными характеристиками, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую, чтобы ни в коей мере не повлиять на итоговое разрешение системы. Так что разрешение ограничивается именно топологией дискретности светоприемной области ПЗС-матрицы. Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют красивыми словами типа “resolution enhancement” или “edge enhancement”, что можно перевести как “контрастное разрешение” и “подчёркнутые границы”. Надо отдавать себе отчет в том, что такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.

Однако есть один случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на несущей (в стандарте PAL — на частоте около 4,4 МГц.), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц (строго говоря, стандарт предполагает гребёнчатые фильтры для разделения сигналов цветности и яркости, однако реальное оборудование имеет просто фильтры НЧ). Это соответствует разрешению около 420 ТВЛ. В настоящее время некоторые производители декларируют разрешение своих цветных камер 480 ТВЛ и более. Но они, как правило, не акцентируют внимание на том, что это разрешение реализуется, лишь если сигнал снимается с Y-C (S-VHS) или компонентного (RGB) выхода. В этом случае сигналы яркости и цветности передаются двумя (Y-C) или тремя (RGB) отдельными кабелями от камеры к монитору. При этом монитор, а также все промежуточное оборудование (переключатели, мультиплексоры, видеомагнитофоны) также должны обладать входами/выходами типа Y-C (или RGB). В противном случае, один-единственный промежуточный элемент, обрабатывающий композитный видеосигнал, ограничит полосу пропускания упомянутыми 3,8 МГц и сделает все затраты на дорогие камеры бесполезными.

Квантовая эффективность и квантовый выход ПЗС-камеры.

Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла ПЗС.

Однако не следует путать понятия квантовая эффективность и квантовый выход. Квантовый выход — это отношение числа фотоэлектронов, образовавшихся в полупроводнике или вблизи его границы в результате фотоэффекта, к числу упавших на этот полупроводник фотонов.

Квантовая эффективность — это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала.

По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) — до 20%, у ПЗС этот параметр может достигать 95% при типичном значении от 4% (низкокачественные ПЗС, используемые, как правило, в дешёвых видеокамерах “желтой” сборки) до 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у ПЗС. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных телекамер и фотоэмульсий. ПЗС реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (ИК-излучение). Этот огромный диапазон намного больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени.

 

Рис. 1.Пример квантовой эффективности ПЗС-матрицы.

Чувствительность и спектральный диапазон

С понятиями квантовой эффективности и квантового выхода тесно связан другой важный параметр телекамеры — чувствительность. Если квантовой эффективностью и квантовым выходом оперируют, в основном, разработчики и проектировщики новых телесистем, то чувствительностью пользуются инженеры-наладчики, служба эксплуатации и проектировщики непосредственных рабочих проектов на предприятиях. По сути, чувствительность и квантовый выход приёмника связаны между собой линейной функцией. Если квантовый выход связывает количество падающих на светоприемник фотонов и число фотоэлектронов, порождённых этими фотонами в результате фотоэффекта, то чувствительность определяет отклик светоприёмника в электрических единицах измерения (например, в мА) на определённую величину падающего потока света (например, в Вт или в лк/сек). При этом разделяется понятие болометрической чувствительности (т.е. суммарная во всем спектральном диапазоне чувствительности приёмника) и монохроматическая, измеряемая, как правило, по потоку излучения спектральной шириной в 1 нм (10 ангстрем). Когда говорят, что чувствительность приёмника на длине волны (например, 450 нм), то это означает, что чувствительность пересчитана на поток в диапазоне от 449,5 нм до 450,5 нм. Такое определение чувствительности, измеряемой в мА/Вт, является однозначным и не вызывает при его использовании никакой путаницы.

Однако для потребителей телевизионной техники, применяемой в охранных системах, чаще используют другое определение чувствительности. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице (image illumination).

С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения (иногда этот коэффициент называют словом “альбедо”). Альбедо обычно определяется на конкретной длине волны, хотя есть такое понятие как болометрическое альбедо. Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности на объекте. Это особенно сказывается при проектировании телесистем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом.*

Примечание

* Задачи такого рода появляются в практике охранного телевидения, особенно в местах с повышенной угрозой терроризма и пр. Телесистемы такого рода разработаны в 1998 году в Японии и готовятся к массовому производству.

Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизованных условиях — коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4. Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приведена ниже:

Iimage=Iscene х R/(p х F2),

где Iimage , Iscene — освещенность ПЗС-матрицы и объекта (табл. 1);
R — коэффициент отражения объекта (табл. 2);
p — число 3,14;
F — светосила объектива.

Значения Iimage и Iscene отличаются обычно больше, чем в 10 раз.

Освещенность измеряется в люксах. Люкс — освещенность, создаваемая точечным источником в одну международную свечу на расстоянии в один метр на поверхности, перпендикулярной к лучам света.

Таблица 1. Ориентировочная освещенность объектов.

На улице (широта Москвы)
Безоблачный солнечный день	100 000 люкс
Солнечный день с легкими облаками	70 000 люкс
Пасмурный день	20 000 люкс
Ранее утро	500 люкс
Сумерки	0.1 - 4 люкса
“Белые ночи”*	0.01 – 0.1 люкса
Ясная ночь, полная луна	0,02 люкса
Ночь, луна в облаках	0,007 люкса
Темная облачная ночь	0,00005 люкса
В помещении
Помещение без окон	100 – 200 люкс
Хорошо освещенное помещение	200 – 1000 люкс

* “Белые ночи” — условия освещенности, удовлетворяющие гражданским сумеркам, т.е. когда солнце погружается под горизонт без учёта атмосферной рефракции не более чем на 6° . Это справедливо для Санкт-Петербурга. Для Москвы выполняются условия так называемых “навигационных белых ночей”, т.е. когда диск солнца погружается под горизонт не более чем на 12° .

Нередко чувствительность камеры указывают для “приемлемого сигнала”, под которым подразумевается такой сигнал, когда отношение сигнал/шум составляет 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.

Другой способ определения “приемлемого” сигнала — шкала IRE (Institute of Radio Engineers). Полный видеосигнал (0,7 вольта) принимается за 100 единиц IRE. “Приемлемым” считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, в частности, BURLE, указывает для 25 IRE, некоторые — для 50 IRE (уровень сигнала -6 дБ). Выбор “приемлемого” уровня определяется отношением сигнал/шум. Нетрудно усилить электронный сигнал. Беда, что шум усилится тоже. Наибольшей чувствительностью среди ПЗС-матриц массового производства ныне обладают Hyper-HAD матрицы фирмы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве камер высокого качества. Разброс параметров, построенных на их основе камер означает, в основном, разнобой в подходах производителей к определению понятия “приемлемый сигнал”.

Дополнительная проблема с определением чувствительности связана с тем, что единица измерения освещенности “люкс” определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. В связи с чем имеет смысл обращать особое внимание на такую характеристику, как спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и по некоторым параметрам приближаются к приборам ночного видения.

Спектральная чувствительность цветных камер примерно совпадает с человеческим глазом.

 

Рис. 2. Пример спектральной чувствительности цветной ПЗС-матрицы с RGB стандартными полосами.

Таблица 2. Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов.

Объект	Коэффициент отражения (%)
Снег	90
Белая краска	75-90
Стекло	70
Кирпич	35
Трава, деревья	20
Человеческое лицо	15 – 25
Каменный уголь, графит*	7

 

* Интересно отметить, что коэффициент отражения лунной поверхности тоже составляет около 7%, т.е. Луна на самом деле чёрная.

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь — ЭОП). Подобные камеры обладают уникальными свойствами (чувствительность в 100 — 10000 раз выше обычных, причем в среднем инфракрасном диапазоне там, где наблюдается максимум излучения человеческого тела, оно само светится), но, с другой стороны, и уникальной капризностью — время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до F/1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, дабы избежать “вжигания” изображения на катоде ЭОП.

Интересно отметить, что в отличие от ПЗС-матриц, катоды ЭОП очень чувствительны к максимальным засветкам. Если светочувствительная область ПЗС-камеры после яркого освещения сравнительно легко возвращается в своё исходное состояние (ей практически не страшны засветки), то катод ЭОП после яркой засветки очень долго (иногда 3-6 часов) “восстанавливается”. Во время этого восстановления, даже при закрытом входном окне, с катода ЭОП считывается остаточное, “воженное” изображение. Как правило, после больших засветок, из-за эффектов реабсорбции (выделение газов под воздействием бомбардировки стен каналов потоками ускоряемых электронов) на большой площади микроканальных пластин резко возрастают шумы ЭОП и, в частности, многоэлектронные и ионные. Последние проявляются в виде частых ярких вспышек большого диаметра на экране монитора, что резко затрудняет выделение полезного сигнала. При ещё больших входных световых потоках могут произойти необратимые процессы как с катодом, так и с выходным люминесцентным экраном ЭОП: под воздействием большого потока происходит выход из строя (“выжигание”) отдельных их участков. При дальнейшей эксплуатации эти участки имеют пониженную чувствительность, падающую в дальнейшем до нуля.

В большинстве телекамер сверхвысокой чувствительности применяются усилители яркости с выходными люминесцентными экранами жёлтого или желто-зеленого свечения. В принципе, свечение этих экранов можно рассматривать как монохроматический источник излучения, что автоматически приводит к определению: системы такого типа могут быть только монохромные (т.е. чёрно-белые). Учитывая это обстоятельство, создатели систем подбирают и соответствующие ПЗС-матрицы: с максимумом чувствительности в жёлто-зелёной части спектра и с отсутствием чувствительности в ИК-диапазоне.

Отрицательным следствием высокой чувствительности матриц в ИК-диапазоне является повышенная зависимость шумов прибора от температуры. Поэтому ИК-матрицы, используемые для работ в вечернее и ночное время без усилителей яркости, в отличие от телесистем с ЭОП, рекомендуется охлаждать. Основной причиной сдвига чувствительности ПЗС-телекамер в ИК-область по сравнению с другими полупроводниковыми приёмниками излучения связан с тем, что более красные фотоны проникают дальше в кремний, так как прозрачность кремния больше в длинноволновой области и при этом вероятность захвата фотона (преобразования его в фотоэлектрон) стремится к единице.

Рис. 3. Зависимость глубины поглощения фотонов в кремнии от длины волны.

Для света с длиной волны больше 1100 нм кремний прозрачен (энергии красных фотонов не достаточно для создания электронно-дырочной пары в кремнии), а фотоны с длиной волны менее 300-400 нм поглощаются в тонком поверхностном слое (уже на поликремневой структуре электродов) и не достигают потенциальной ямы.

Как уже говорилось выше, при поглощении фотона генерируется пара носителей электрон-дырка, и электроны собираются под электродами, если поглощение фотона произошло в обедненной области эпитаксиального слоя. При такой структуре ПЗС может быть достигнута квантовая эффективность около 40% (теоретически на этой границе квантовый выход равен 50%). Однако поликремниевые электроды непрозрачны для света с длиной волны короче 400 нм.

Для получения более высокой чувствительности в коротковолновом диапазоне часто используют покрытие ПЗС тонкими пленками веществ, которые поглощают голубые или ультрафиолетовые (УФ) фотоны и переизлучают в видимом или красном диапазоне длин волн.

Шумы

Шумом называют любой источник неопределенности сигнала. Можно выделить следующие типы шумов ПЗС.

 

Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону (статистике) Пуассона. Поток фотонов (S — количество фотонов, падающих на светочувствительную часть приемника за единицу времени) так же следует этой статистике. Согласно ей, фотонный шум равен . Таким образом, отношение сигнал/шум (обозначается как S/N — signal/noise ratio) для входного сигнала будет:

S/N==.

Шум темнового сигнала. Если на вход матрицы не подавать световой сигнал (например, плотно закрыть светонепроницаемой крышкой объектив видеокамеры), то на выходе системы получим так называемые “темновые” кадры, по-другому его называют шум-снежок. Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал. Термоэлектронная эмиссия также подчиняется статистике Пуассона и её шум равен: , где N_t — число термически сгенерированных электронов в общем сигнале. Как правило, во всех используемых в системах охранного телевидения видеокамерах ПЗС применяются без активного охлаждения, вследствие чего темновой шум оказывается одним из основных источников шума.

Шум переноса. Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется. Она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса случайным образом меняется как функция количества переносимых зарядов (N), числа переносов (n) и неэффективности отдельного акта переноса (e ). Если предположить, что каждый пакет переносится независимо, то шум переноса можно представить следующим выражением:

s =.

Пример: для неэффективности переноса 10^-5 , 300 переносов и числа электронов в пакете 10⁵, шум переноса составит 25 электронов.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания можно представить как некоторый базовый уровень шума, который присутствует даже в изображении с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала равен нулю. Типичный шум считывания для хороших образцов ПЗС составляет 15-20 электронов. В лучших образцах ПЗС, изготавливаемых корпорацией Ford Aerospace по технологии Skipper, достигнут шум считывания менее 1 электрона и неэффективность переноса составляет 10^-6.

Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд. Для этого используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла, что вносит шум:

s _r=,

где k — постоянная Больцмана.

Для типичного значения ёмкости С равной 0.1пф при комнатной температуре шум сброса составит около 130 электронов. kTC-шум может быть полностью подавлен специальным методом обработки сигнала: двойной коррелированной выборкой (ДКВ). Метод ДКВ эффективно устраняет и низкочастотные сигналы, вносимые обычно цепями питания.

Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения приходится на темное время суток (либо плохо освещенные помещения), то особенно важно уделять внимание низкошумящим видеокамерам, имеющим большую эффективность применения в условиях низкого освещения.

Параметр, описывающий относительную величину шума, как было сказано выше, называется отношением сигнал/шум (S/N) и измеряется в децибелах.

S/N =20 х log(<видеосигнал>/<шум>)

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума.

При соотношении сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума, при 40 дБ — иногда заметны мелькающие точки, при 30 дБ — “снег” по всему экрану, при 20 дБ — изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную “снежную” пелену разглядеть еще можно.

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для оптимальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма-коррекции, больше.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — это отношение максимально возможного сигнала, сформированного светоприемником, к его собственному шуму. Для ПЗС этот параметр определяется как отношение наибольшего зарядового пакета, который может быть накоплен в пикселе к шуму считывания. Чем больше размер пиксела ПЗС, тем больше электронов может удерживаться в нем. Для разных типов ПЗС эта величина составляет от 75000 до 500000 и выше. При 10 е^- шумов (шум ПЗС измеряется в электронах е^-) динамический диапазон ПЗС достигает значения 50000. Большой динамический диапазон особенно важен для регистрации изображения в уличных условиях при ярком солнечном свете или в ночных условиях, когда имеется большой перепад освещенности: яркий свет от фонаря и неосвещенная теневая сторона объекта. Для сравнения: лучшие фотоэмульсии имеют динамический диапазон лишь около 100.

Для более наглядного понимания некоторых характеристик ПЗС-приемников и, прежде всего, динамического диапазона, приведем краткое сопоставление их со свойствами глаза человека.

Глаз - самый универсальный светоприёмник.

До сих пор самым эффективным и совершенным, с точки зрения динамического диапазона (и, в особенности, с точки зрения эффективности обработки и восстановления изображения), светоприёмником является человеческий глаз. Дело в том, что глаз человека совмещает два типа светорегистраторов: палочки и колбочки.

Палочки имеют малый размер и сравнительно низкую чувствительность. Они расположены в основном в области центрального жёлтого пятна и практически отсутствуют на периферии сетчатки глазного дна. Палочки хорошо отличают свет с разной длиной волны, точнее имеют механизм формирования разного нейросигнала в зависимости от цвета падающего потока. Поэтому в условиях нормальной освещенности обычный глаз имеет максимальное угловое разрешение вблизи оптической оси хрусталика, максимальное различие цветовых оттенков. Хотя у некоторых людей наблюдаются патологические отклонения, связанные с уменьшением, а иногда отсутствием способности формировать различные нейросигналы в зависимости от длины волны света. Эта патология называется дальтонизм. Люди с острым зрением практически не бывают дальтониками.

Колбочки распределены почти равномерно по всей сетчатке глаза, имеют больший размер и, следовательно, большую чувствительность.

В условиях дневного освещения сигнал от палочек значительно превышает сигнал от колбочек, глаз настроен на работу с ярким освещением (так называемое “дневное” зрение). Палочки по сравнению с колбочками имеют больший уровень “темнового” сигнала (в темноте мы видим ложные светлые “искорки”).

Если неуставшего человека с обычным зрением поместить в тёмную комнату и дать ему адаптироваться (“привыкнуть”) к темноте, то “темновой” сигнал от палочек сильно уменьшится и в восприятии света начнут эффективнее работать колбочки (“сумеречное” зрение). В знаменитых опытах С.И.Вавилова было доказано, что человеческий глаз (вариант “колбочки”) способен регистрировать отдельные 2-3 кванта света.

Таким образом, динамический диапазон человеческого глаза: от яркого солнца до отдельных фотонов, составляет 10¹⁰ (т.е. 200 децибел!). Наилучшим по этому параметру искусственным светоприемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В режиме счета фотонов он имеет динамический диапазон до 10⁵ (т.е. 100 дБ), а с устройством автоматического переключения на регистрацию в аналоговый режим динамический диапазон ФЭУ может достигать 10⁷ (140 дБ), что в тысячу раз хуже по динамическому диапазону, чем глаз человека.

Спектральный диапазон чувствительности у палочек весьма широк (от 4200 до 6500 ангстрем) с максимумом примерно на длине волны 5550 ангстрем. У колбочек спектральный диапазон более узкий (от 4200 до 5200 ангстрем) с максимумом на длине волны около 4700 ангстрем. Поэтому при переходе от дневного зрения к сумеречному обычный человек теряет способность различать цвета (недаром говорят: “ночью все кошки серы”), а эффективная длина волны смещается в синюю часть, в область высокоэнергетичных фотонов. Этот эффект смещения спектральной чувствительности называется эффектом Пуркинье. Им (косвенным образом) обладают многие цветные ПЗС-матрицы, несбалансированные по RGB-сигналу на белый цвет. Это следует учитывать при получении и использовании информации о цвете в телесистемах с камерами, не имеющими автоматической коррекции белого.

Линейность и гамма-коррекция.

ПЗС обладают высокой степенью линейности. Другими словами, число электронов, собираемых в пикселе, строго пропорционально числу фотонов, попавших на ПЗС.

Параметр “линейность” тесно связан с параметром “динамический диапазон”. Динамический диапазон, как правило, может существенно превосходить диапазон линейности, если в системе предусмотрена аппаратная или дальнейшая программная коррекция работы прибора в нелинейной области. Обычно легко поддается корректировке сигнал с отклонением от линейности не более чем на 10%.

Совершенно другая ситуация наблюдается в случае фотографических эмульсий. Эмульсии имеют сложную зависимость реакции на свет и, в лучшем случае, позволяют достичь фотометрической точности в 5% и то только в части своего и без того узкого динамического диапазона. ПЗС же линейны с точностью до 0,1% практически во всем динамическом диапазоне. Это позволяет относительно легко устранять влияние неоднородности чувствительности по полю. Кроме того, ПЗС позиционно стабильны. Положение отдельно взятого пиксела строго фиксировано при изготовлении прибора.

Кинескоп в мониторе имеет степенную зависимость яркости от сигнала (показатель степени 2,2), что приводит к уменьшению контрастности в темных участках и к увеличению — в ярких; в то же время, как было уже отмечено, современные ПЗС-матрицы производят линейный сигнал. Для компенсации общей нелинейности в камеру обычно встраивается устройство (гамма-корректор), предъискажающее сигнал с показателем степени 1/2,2, т.е. 0,45. Некоторые камеры предоставляют выбор коэффициента предъискажения, например, вариант 0,60 приводит к субъективному повышению контрастности, что производит впечатление более “четкой” картинки. Побочный эффект — гамма-коррекция означает дополнительное усиление слабых сигналов (в частности, шума), т.е. одна и та же камера с включенной Г=0.4 будет примерно вчетверо “чувствительнее”, чем при Г=1. Однако еще раз напомним, что никакой усилитель не может увеличить отношение сигнал/шум.

Растекание заряда.

Максимальное количество электронов, накапливаемых в пикселе, ограничено. Для матриц среднего качества изготовления и типичных размеров это значение обычно составляет 200000 электронов. И если суммарное количество фотонов за время экспозиции (кадра) достигнет предельного значения (200000 или более при квантовом выходе 90 % или более), то зарядовый пакет начнет перетекать в соседние пикселы. Детали изображения начинают сливаться. Эффект усиливается, когда “лишний” не поглощенный тонким телом кристалла световой поток отражается от подложки-основы. При световых потоках в пределах динамического диапазона фотоны не доходят до подложки, они практически все (при большом квантовом выходе) трансформируются в фотоэлектроны. Но вблизи верхней границы динамического диапазона происходит насыщение и нетрансформированные фотоны начинают “блуждать” по кристаллу преимущественно с сохранением направления начального входа в кристалл. Большая часть этих фотонов достигает подложки, отражается и этим увеличивает вероятность последующей трансформации в фотоэлектроны, перенасыщая зарядовые пакеты и без того находящиеся у границы растекания. Однако, если на подложку нанести поглощающий слой, так называемое противобликовое покрытие (антиблюмминг), то эффект растекания сильно уменьшится. Многие современные матрицы, выпускаемые по новым технологиям, имеют антиблюмминг, что является одним из составляющих системы компенсации заднего света.

Стабильность и фотометрическая точность.

Даже наиболее чувствительные ПЗС-видеокамеры бесполезны для применения в условиях низкого освещения, если они имеют нестабильную чувствительность. Стабильность — неотъемлемое свойство ПЗС как твердотельного прибора. Здесь, прежде всего, имеется ввиду стабильность чувствительности во времени. Временная стабильность проверяется по измерениям потоков от специальных стабилизированных источников излучения. Она определяется стабильностью квантового выхода самой матрицы и стабильностью работы электронной системы считывания, усиления и регистрации сигнала. Эта результирующая стабильность работы видеокамеры является основным параметром при определении фотометрической точности, т.е. точности измерения регистрируемого светового сигнала.

Для хороших образцов матриц и качественной электронной системы фотометрическая точность может достигать 0,4 — 0,5%, а в некоторых случаях, при оптимальных условиях работы матрицы и применении специальных методов обработки сигнала, — 0.02%. Результирующая фотометрическая точность определяется несколькими основными составляющими:

• временной нестабильностью системы в целом;
• пространственной неоднородностью чувствительности и, прежде всего, неоднородностью высокочастотной (т.е. от пиксела к пикселу);
• величиной квантовой эффективности видеокамеры;
• точностью оцифровки видеосигнала для цифровых видеокамер;
• величиной шумов разных типов.

Даже если ПЗС-матрица имеет большие неоднородности в чувствительности, их влияние на результирующую фотометрическую точность может быть снижено специальными методами обработки сигнала, если конечно эти неоднородности стабильны во времени. С другой стороны, если матрица обладает высокой квантовой эффективностью, но нестабильность которой велика, результирующая точность регистрации полезного сигнала будет низкой. В этом смысле для нестабильно работающих приборов точность регистрации полезного сигнала (или фотометрическая точность) является более важной характеристикой, чем характеристика отношения сигнал/шум.

Статья в PDF-формате

Статья опубликована на сайте: 17.01.2001