Материал: Лекции

• Стандартный формат кадра 720х576 пикселов, 200-250 уровней квантования;

• Согласуется с 8-разрядным АЦП и ЦАП.

По рисунку: DIGITAL ACTIVE LINE – активная часть строки, DIGITAL BLANKING – сигнал гашения, TOTAL LINE – полная строка, SYNC LEVEL – уровень импульсов синхронизации.

Сигналы яркости и цветности для 8-разрядного АЦП

Передача в параллельном виде с использованием 8-разрядной шины данных (базовая разрядность) с частотой передачи 27 МГц (для 16-разрядной шины данных частота – 13,5 МГц).

Схема 4:2:2: на каждые четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета каждого из сигналов цветности.

Передача видеосигнала 625 строк 50 Гц

Start of digital line – начало цифровой строки, Start of Digital active line – начало активной части цифровой строки, Next line – следующая строка.

Цифровой сигнал строчного гасящего импульса всегда начинается с EAV (end of active video) и заканчивается SAV (start of active video):

FF 00 00 + информация о типа сигнала.

ПЗС-матрица с кадровым переносом

• 2 вертикальных регистра сдвига на ПЗС:

• Секция накопления (накапливает следующий кадр изображения);

• Секция хранения (во время обратного хода по строке передает в горизонтальный регистр);

• Горизонтальный регистр сдвига;

• Выходное устройство.

Зарядовый рельеф – заряд каждой ячейки пропорционален ее освещенности и времени накопления.

Недостаток: Смаз – вертикальный след от ярких участков изображения размером во весь кадр (некоторые участки успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет).

Аналогия технологии ПЗС

Архитектура ПЗС-матриц с кадровым переносом

Преимущества ПЗС-матриц

• Жесткий растр – задается с высокой точностью в процессе изготовления => геометрические искажения определяются только качеством оптики.

• Отсутствие микрофонного эффекта – изменения параметров э/вакуумного прибора из-за акустического воздействия.

• Нечувствительность к магнитным полям.

• Отсутствие эффекта выжигания.

• Отсутствие инерционности – накопленный сигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра.

• Однородность сигнала – все зарядовые пакеты детектируются одним усилителем.

• Коэффициент заполнения = 100% - вся площадь секции накопления является фоточувствительной.

ПЗС-матрица с межстрочным переносом

Функции накопления заряда и его переноса разделены: заряд элементов накопления передается в закрытые от света ПЗС-регистры переноса (секция переноса ~ вставлена в секцию накопления).

Преимущество: перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один такт, и смаз, связанный с переносом, не возникает.

ПЗС-матрица со строчно-кадровым переносом

Добавляется секция памяти с соответствующим числом элементов: для снижения искажения, возникающие из-за попадания в каналы переноса носителей, генерируемых в глубине подложки.

Смаз в матрице со строчно-кадровым переносом пренебрежимо мал.

Микролинзовый растр в ПЗС с межстрочным переносом

Микрорастр – массив небольших линзочек – для повышения эффективности сбора фотонов:

На поверхность матрицы наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, вырезаются квадратики, пластмасса подплавляется и поверхность приобретает близкую к сферической форму

Характеристики ПЗС

• Интегральная чувствительность:

• Интегральная чувствительность – отношение величины фототока (в мА) к световому поток (в Лм) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания.

• Монохроматическая чувствительность – отношение величины фототока (в мА) к величине световой энергии излучения (в мЭВ), соответствующей определенной длине волны.

• Спектральная чувствительность – зависимость чувствительности от длины волны света (набор значений монохроматической чувствительности):

• Коэффициент отражения – величина, отображающая долю тех фотонов, которые «отрикошетируют» от поверхности сенсора.

• Коэффициент поглощения – проникающая способность фотонов в полупроводник.

• Динамический диапазон – способность матрицы различать в изображении, проецируемом на ее регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых.

• Блюминг – внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потенциальной ямы => заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселам.

• Размер по диагонали.

• Темновой ток – результат спонтанной генерации электронно-дырочных пар.

• Шумы.

Размеры светочувствительных матриц

(соотношение для разных сенсоров)

КМОП-матрицы

Типовые применения Скорее всего это не нужно вообще

Линейные ПЗС

Линейный ПЗС с внутренним электронным затвором для спектрометров Hamamatsu S11155, S11156

Представляет собой линейную матрицу с соответствующей обвязкой 

Пример схемы включения S11155

• AD9826KRS – процессор аналоговых сигналов (схема двойной коррелированной выборки, АЦП, мультиплексор, 16-битный ЦАП).

• FPGA – программируемая пользователем вентильная матрица (x / +).

Другой пример линейных ПЗС:

Линейный ПЗС SONY ILX554A для сканеров штрих-кода, со встроенным генератором тактовых сигналов, формирователем тактовых импульсов, цепями выборки-хранения; 2048 пикселей, 5 В, макс частота 2МГц.

Схема включения SONY ILX554A

• ROG – управление электронным затвором

• CLK – тактовые импульсы

• SHSW – ступенчатый видеосигнал

Для работы ПЗС нужно сформировать два сигнала: открывающий электронный затвор на время экспозиции и тактовый.

КМОП-матрица OV5610 (OMNI VISION)

2640х1960 пикселей, встроенный видеоусилитель с регулируемым коэффициентом усиления, регулировка баланса белого, 10-разрядный АЦП, компенсатор уровня черного, цифровой видеопорт. Схема тактируется от генератора. Управление с помощью интерфейса I2C.

КМОП-модуль MT9V113 (SEMI)

Оценочный модуль 640х480 пикселей, размер 1/11 дюйма. Модуль имеет в своем составе микроконтроллер.

Спектрометр USB2000+ (OCEANOPTICS, USA)

Излучение -> входная щель -> фильтр (ограничивает оптическое излучение до определенных длин волн) -> коллимирующее зеркало (фокусирует на дифракционную решетку). Дифрагированное излучение отражается от фокусирующего зеркала на ПЗС, перед которым установлена собирающая линза. ПЗС с помощью АЦП передает цифровой сигнал по USB на ПК.

Другие примеры, гдя используется ПЗС-матрица (видимо):

• Сканеры

• Видеоэндоскопы

• Оптическая микроскопия (флуоресцентная, световая)

ПТ с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Элементы-ячейки КМОП-матриц:

• Светочувстительный элемент (фотодиод, фотоконденсатор);

• Затвор;

• Конденсатор, сохраняющий заряд с диода;

• Усилитель;

• Шина выбора строки;

• Вертикальная шина, передающая сигнал процессору;

• Сигнал сброса.

С технологией активного пиксела: усилитель = однотранзисторный истоковый повторитель.

Архитектура КОМП-матриц

Преимущества и недостатки ПЗС-матриц

Преимущества:

• Низкий уровень собственных шумов.

• Высокий коэффициент заполнения пикселов (примерно 100%).

• Высокая динамическая чувствительность.

• Высокая эффективность использования – под светочувствительные элементы используется вся площадь матрицы.

Недостатки:

• Дорогое происзводство и сложная технология.

• Высокое энергопотребление.

• На кристалле размещаются только светочувстивтельные микросхемы, а все остальные микросхемы (преобразователи, процессор, память и т.п.) необходимо размещать отдельно.

Преимущества и недостатки КМОП-матриц

Преимущества:

• Очень высокое быстродействие (возможность до 500 кадров/с).

• Низкое энергопотребление (по сравнению с ПЗС-матрицами почти в 100 раз ниже).

• Дешевое производство и возможность размещать на одном кристалле все необходимые схемы (преобразователи, процессор, память и т.п.).

Недостатки:

• Высокий уровень шума – в отсутствие освещения через фотодиод течет ток.

• Дополнительный нагрев (на матрице дополнительные электронные элементы).

• Низкий коэффициент заполнения пикселов (примерно 75%).

• Невысокая динамическая чувствительность (искажения).

Rolling shutter (построчный перенос) – визуальный эффект, при котором происходит не моментальная фиксация изображения, а построчное считывание.

Слева крутится (направо) – справа построчно считывается.

Эволюция цифрового изображения

Лекция 13

Цифровой сигнал – изменяющаяся электрическая или электромагнитная величина, которая переносит информацию через среду.

Передача в основной полосе – данные передаются без модуляции (через провода или кабели).

Широкополосная передача – данные модулируются и отправляются через беспроводную среду (по сети, через оптико-волоконный кабель).

Средство передачи данных:

• Провод;

• Коаксиальный кабель;

• Витая пара;

• Оптоволоконный кабель;

• Пространственная передача (беспроводная передача).

Проводное соединение

Провод/шина данных/токопроводящая дорожка на печатной плате (РСВ):

• Внутренняя передача данных на короткие расстояния;

• Соединение одного элемента с другим на печатной плате и между печатными платами в непосредственной близости и между частями системы.

Коаксиальный кабель

=Центральный проводник внутри изолирующего диэлектрического материала, медный плетеный или фольгированный экран – для защиты проводника от электромагнитных помех (ЭМП):

• Скорости передачи данных до 1 ГГц;

• Приложения – кабельное телевидение, интернет-соединение.

Витая пара

Кабель с неэкранированной витой парой (unshielded twisted pair, UTP) – два провода пары скручены так, что пересекают друг друга под углом 90°, устраняя ЭМП.

• Среды с низким уровнем шума и на более низких частотах сигналов, чем коаксиальные (аудио- и сигналы до 1 МГц) – телефонная, компьютерная сеть, камеры безопасности, USB;

• 25-парный цветной код;

• Разъем RJ-45.

Оптоволоконный кабель

Световые импульсы вводятся по сердечнику с одного конца, «отражаются» от зеркальной поверхности оболочки к другому концу => не подвержены воздействию ЭМП:

• Высокая скорость передачи данных, высокая пропускная способность и лучшая передача на большие расстояния (затухание мало);

• Среды линий связи и глобальная сеть;

• Частоты передачи данных 10…40 ГГц;

Распространение света в оптоволокне