Телевидение Методические указания по выполнению лабораторной работы

Примеры решения задач
контрольной работы
Электротехника
Общая электротехника
Примеры решения задач
Физика
Методичка
Лекции и конспекты
Лабораторные работы
Телевидение лабораторные
Расширенный конспект лекций
по курсу «Физика»
Примеры решения задач по физике
Измерительные системы
Лекции по термодинамике
Двигатели внутреннего сгорания
Механика, термодинамика
Атомная энергетика
Атомные электрические станции
Описание реакторной установки
Реакторы типа РБМК-1000
Физические принципы атомной энергетики
Черчение
Инженерная графика
Сопромат
Выполнение курсовой работы по сопромату
Машиностроительное черчение
Архитектурные стили
Французский стиль в русской архитектуре
Искусство борокко
Готика Франции
Эпоха Возрождения
Романский стиль
Художественная роспись тканей
Ручная роспись тканей
Роспись тканей в Японии
Декоративное искусство Японии
Японские мотивы в тканях модерна
Холодный батик
Математика
Дифференциальные уравнения
Ряды
Интегралы
Примеры вычисления интегралов
Элементарная математика
Высшая математика -
лекции , примеры решения задач
Информатика
Информационная безопасность
Модели управления доступом
Разграничение доступа
Вычислительные комплексы
Учебник по информатике
Общие принципы построения
вычислительных сетей
Основы передачи дискретных данных
Базовые технологии локальных сетей
Построение локальных сетей по
стандартам физического
и канального уровней
Сетевой уровень
Глобальные сети
Средства анализа и управления сетями
Почтовые программы
Примеры скриптов на JavaScript
Примеры программирования на Java
Иллюстрированный самоучитель по Java

Лабораторная работа 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ МАТРИЧНОГО ПЗС СО СТРОЧНЫМ ПЕРЕНОСОМ

Цель работы: изучение особенностей управления преобразователем изображений на ПЗС в различных режимах работы.

В бытовом и прикладном телевидении наибольшее распространение получили матричные приборы с зарядовой связью (ПЗС) со строчным переносом (СП). Для накопления зарядовых пакетов в них используются столбцы обратносмещенных фотодиодов (PD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится вер­тикальный четырехфазный ПЗС-регистр (V CCD). В конце V CCD расположен двухфазный горизонтальный ПЗС-регистр (H CCD Register) с выходным устройством (OUT). ПЗС-регистры экранируются от падающего света.

При накоплении зарядовых пакетов в PD (рис. 8. 1), управление V CCD осуществляется уровнями, обеспечиваю­щими потенциальный барьер между PD и этими регистрами. По окончании накопления на один из фазных электродов V CCD кратковременно подается высокий положительный потенциал, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в этих регистрах.

Таким образом, накопленный двухмерный массив зарядовых пакетов в течение короткого промежутка времени переносится в защищенные от света ПЗС-регистры. После этого накопление зарядовых пакетов в PD возобновляется. Зарядовые пакеты из V CCD построчно переносятся в H CCD, из которого поэлементно считываются через выходное устройство. При работе матричного ПЗС в телевизионном режиме перенос из светочувствительных фотодиодов в вертикальные регистры осуществляется во время обратного хода по кадру, а перенос зарядовых пакетов в горизонтальный регистр – во время обратного хода по строке. После того, как все строки зарядовых пакетов будут считаны, возможен перенос следующего двухмерного массива зарядовых пакетов из PD (рис. 8. 1). К достоинствам матричных ПЗС со СП следует отнести малую площадь кристалла, обусловленную отсутствием отдельной секции памяти, малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры происходит в течение короткого промежутка времени. Основные недостатки этих матричных ПЗС – невозможность освещения со стороны подложки, неполное использование светового потока, связанное с тем, что PD занимают не всю площадь кристалла и, соответственно, фотоны, попадающие на экранированные от света V CCD не создают зарядов. Последнее обстоятельство приводит к существенному снижению чувствительности.

Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со СП может быть реализовано несколькими способами (рис.8. 2). Число PD в столбце выбирается равным числу строк в кадре. В простейшем случае в первом поле зарядовые пакеты из фотодиодов нечетных строк считываются в V CCD, а в фотодиодах четных строк накопление продолжается (рис.8. 2, а). Во втором поле считываются заряды, накопленные в фотодиодах четных строк. Размер светочувствительного элемента по вертикали  оказывается равным размеру одного PD. Центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании составляет в телевизионном режиме 40 мс – время кадра. Поэтому данный режим получил название режима накопления кадра (Frame Accumulation).

Столь большое время накопления приводит к тому, что подвижные объекты передаются с существенными искажениями. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля (Field Accumulation). В этом режиме зарядовые пакеты соседних PD объединяются попарно, причем по-разному в различных полях (рис. 8. 2, б). Центры строк соседних полей при этом оказываются также расположенными на равном расстоянии. Время накопления в этом режиме равно 20 мс – времени поля, так как в каждом поле считываются зарядовые пакеты из всех PD. Несмотря на уменьшенное в два раза время накопления по сравнению с режимом накопления кадра, чувствительность матричного ПЗС остается той же, так как в данном режиме суммируются зарядовые пакеты с двух PD. Размер светочувствительного элемента  в режиме накопления поля равен размеру двух PD по вертикали, что приводит к снижению вертикальной разрешающей способности. Так в матричном ПЗС с 580 фотодиодами по вертикали (стандарт CCIR) разрешающая способность ограничивается на уровне 380…400 твл.

Этого недостатка лишен режим накопления кадра с уменьшенным временем накопления (рис. 8. 2, в). Он полностью эквивалентен режиму  накоп-

ления кадра, за исключением того, что при считывании зарядов из PD одного поля, зарядовые пакеты из остальных PD сбрасываются. Тем самым время накопления становится равным 20 мс, а размер светочувствительного элемента по вертикали снова равен размеру одного PD. Однако уничтожение половины накопленных зарядовых пакетов приводит к двухкратному снижению чувствительности матричного ПЗС.

Современные матричные ПЗС со СП могут работать в режиме электронного затвора, когда время накопления уменьшается относительно 20 мс. Для уменьшения времени накопления на подложку матричного ПЗС подаются импульсы (SUB, рис. 8. 1), обеспечивающие сброс накопленных в PD зарядовых пакетов; при этом время накопления оказывается равным интервалу от последнего импульса сброса зарядовых пакетов до момента считывания накопленных зарядовых пакетов в V CCD. Чувствительность матричного ПЗС при этом соответственно снижается. Режим электронного затвора используется как для автоматического управления чувствительностью телевизионной камеры при высоких уровнях освещенности плавным изменением времени накопления, так и для получения несмазанных изображений подвижных объектов за счет установки уменьшенного фиксированного времени накопления.

Выходное устройство матричного ПЗС выполнено по схеме с плавающей диффузионной областью (ПДО) [2]. Для сброса считанных зарядовых пакетов на выходное устройство подаются импульсы сброса (RS, рис. 8. 1).

Все импульсы управления матричным ПЗС обычно вырабатываются единым синхрогенератором, входящим в состав телевизионной камеры. На
H CCD и на выходное устройство импульсы размахом 5 В подаются непосредственно с синхрогенератора. Для управления V CCD используются буферные каскады, увеличивающие размах импульсов до уровня 7…10 В. Высокий уровень импульсов управления ПЗС-регистрами соответствует потенциальной яме, низкий – потенциальному барьеру. Буферные каскады используются также для увеличения до 15…20 В размаха импульсов считывания зарядовых пакетов из PD и импульсов управления электронным затвором.

8.1. Лабораторная установка

Лабораторная установка включает телевизионную камеру (ТВК) на матричном ПЗС со СП (МПЗС), коммутатор осциллограмм (КОМ), позволяющий наблюдать на экране осциллографа с блоком выделения строки (ОСЦ) импульсы управления матричным ПЗС. Формируемый телевизионной камерой видеосигнал подается на видеомонитор (ВМ) (рис. 8. 3).

В телевизионной камере предусмотрены переключатели Поле/Кадр, позволяющий переводить матричный ПЗС в режим накопления поля или кадра соответственно, и Авт./Ручн., позволяющий либо включать автоматическое управление временем накопления, либо выбирать время накопления вручную из значений 1/50, 1/100/, 1/200/, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/5000 и 1/10000 с. Коммутатор осциллограмм позволяет при помощи кнопочного переключателя выбирать одну из импульсных последовательностей управления матричным ПЗС.

8.2. Программа экспериментальных исследований

8.2.1. Подготовка к лабораторной работе

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить рекомендованную литературу [3], [8]. Исходя из того, что матричный ПЗС содержит 500 столбцов по 580 фотодиодов в каждом, рассчитать частоту переноса в выходном регистре при работе матричного ПЗС в телевизионном режиме, а также полосу частот видеосигнала. Нарисовать осциллограммы управления четырехфазным вертикальным ПЗС-регистром.

Студентам рекомендуется оформить результаты своей подготовки в виде материалов к отчету, содержащих структурную схему установки и ожидаемые результаты в виде расчетов, оценочных значений, ожидаемых осциллограмм и т.п.

8.2.2. Порядок выполнения работы

Установить переключатели "Поле/Кадр" в режим "Поле" и "Авт./Ручн." в режим "Авт."

Зарисовать в масштабе осциллограммы управления вертикальными и горизонтальными ПСЗ-регистрами, уделяя особое внимание форме управляющих импульсов в момент считывания зарядовых пакетов из фотодиодов в вертикальные ПЗС-регистры в первом и втором полях.

По осциллограмме импульсов управления горизонтальными регист­ром измерить частоту переноса зарядовых пакетов.

Перевести переключателем "Поле/Кадр" матричный ПЗС в режим накопления кадра. Зарисовать осциллограммы управления вертикальными ПЗС-регистрами.

Зарисовать осциллограммы импульсов управления электронным затвором. Измерить время накопления по осциллограмме, считая его равным интервалу между окончанием и повторным началом импульсов сброса.

Перевести переключатель управления временем накопления из положения "Авт." в положение "Ручн." Меняя время накопления в пределах от 1/50 до 1/10000 с, зарисовать осциллограммы управления электронным затвором, измеряя каждый раз время накопления.

Зарисовать осциллограмму импульсов сброса и выходного сигнала матричного ПЗС, измерить уровень полезного сигнала и тактовой наводки.

Физика, электротехника решение задач