Телевидение Методические указания по выполнению лабораторной работы

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