CC BY
78
16 декабря 2011 г, 10:18
Т-Сотт #9-2010
(Технология информационного общества)
Искажения ТВ-сигналов в преобразователях “свет/сигнал” на ПЗС
1/оказаны характерные для твердотельных камер на приборах с зарядовой связью искажения из-за: неэффективности переноса зарядов в регистрах сдвига; муаровые искажения, возникающие при нарушении теоремы Котельникова при дискретизации ФМПЗС оптического изображения и апертурные искажения. Рассмотрены методы коррекции искажений, особенности реализации регулировок характеристик в ТВ-кимерах, таких как. регулировка светочувствительности путем регулировки времени накопления ФМПЗС, и регулировка диафрагмы объектива и автоматическая регулировка усиления.
Игнатов Ф.М., Джучаа Хасан. Алюсиф Мухиб. МТУСИ
Неэффективное п. переноса.
При переносе зарядов в ПЗС-рсгистрс сдвига некоторая, малая часть зарядов остается под электродом. Это явление. называемое неэффективностью переноса, обусловлено в основном двумя физическими процессами: запаздыванием
переноса на высоких частотах и захватом не основных носителей поверхностными ловушками. Причиной поверхностных ловушек являются дефекты кристаллической структуры и примеси в материале подложки регистра сдвига. Наибольшая концентрация ловушек в поверхностном слое подложки, поэтому и называют их поверхностными ловушками. Концентрация ловушек в толще материала подложки, в сотни раз меньше чем на поверхности. Эти ловушки не заполнены зарядами, при попадании зарядового пакета под фазовый электрод ловушки в течении короткого промежутка времени заполняются, после чего начинают отдавать заряды в фазовые электроды со скоростью, экспоненциально зависящей от времени, В результате часть носителей из одного пакета попадет в последующий зарядовый пакет. Для численного выражения данного процесса используется понятие неэффективность переноса £ = д| / 01ь где в» - заряд, первоначально находившийся под фазовым электродом: О, - перенесенный заряд. Следовательно, величина е численно характеризует оставшуюся, перенесенную, часть зарядового пакета. Для ПЗС - регистров с поверхностными каналами неэффективность единичного переноса е на больших частотах, до
десятков МГц. составляет незначительную величину: КГ* ...КГ*. Однако при большом количестве переносов (п) эти потерн могут составить значительную величину, определяемую следующим выражением: 1> = й « (I ш п). где т- количество фаз регистра сдвига, п -
количество групп фаз. Для значений £ - 10 '. гп = 3. п -1000 й = 0,7. При увеличении п неэффективность переноса возрастает.
Неэффективность переноса можно уменьшить путем уменьшения число фаз регистра сдвига, например
путем использования двух фазных и однофазных регистров сдвига. Неэффективность переноса в ПЗС регистрах сдвига с объемным канатом существенно меньше по сравнению с таким же регистром с
поверхностным каналом, в силу того, что количество ионных ловушек в поверхностном слое полупроводника существенно больше чем в глубине полупроводника. Неэффективность переноса приводит к завату КЧХ ФМПЗС. особенно это заметно в левой части изображении, а в правой части не оказывает влияния.
Муаровые искажении.
ФМПЗС производит дискретизацию оптического изображения, как по вертикали, так и по горизонтали. В том случае, когда пространственные (Гш.) частоты оптического изображения оказываются выше половины частоты дискретизации (Г цР> V- |д) то. по теореме Котельникова условие дискретизации не соблюдаются и возникают помехи дискретизации, в виде муаровых искажений (рнс.1 кривая 1- АЧХ ФМПЗС).
Наложение спектра - явление, при котором высокочастотные детали изображения ошибочно передаются как низкочастотные; иногда этот эффект проявляется в виде муаровой картинки в тех местах, где изображение содержит мелкие повторяющиеся с относительно высокой частотой детали, например, уходящую вдаль изгородь. имеющую периодическую структуру. В этом случае при дискретизации имеют место совместные нелинейные преобразования гармоник структуры дискретизации и сигнала изображения. В результате в структуре спектра возникают мешающие низкочастотные и высокочастотные составляющие, являющиеся продуктами нелинейных преобразований с относительно низкой частотой дискретизации. В строках развертки оказываются мельче шага дискретизации (Г]). который для ФМПЗС определяется количеством пикселей в строке.
Апертурный предел разрешения соответствует частоте. позволяющей на ширине апертуры уложиться двум строкам развертки, а предельное разрешение, не дающее наложения спектра, равно половине этой частоты. Очевидно, что наложение спектра надо как-то предотвратить или хотя бы ослабить. Для этого используют оптический фильтр нижних частот (пространственный светофильтр) - несколько слоев стекла со слегка замутненной поверхностью, находящиеся поверх матрицы ПЗС и слегка размывающие мелкие детали (2-АЧХ пространственного светофильтра).
Jii ния зарядов в ФМПЗС; регулировка светового потока в
Кк{(0. (О ,-V, г,.V,,, г„, г) = J [ К{(О.Ш ..V, г,.V,,, ,г) объективе и автоматическая регулировка усиления ви-
/■«
(1)
При разработке ГВ-систсм контроля объектов следует также учитывать, что степень падения результирующей апертурной характеристики в области высоких пространственных частот существенно возрастает на краях растра по отношению к его центру. К тому же приводит и неэффективность переноса в горизонтальном направлении (слева от центра).
Регулировка параметров сигнала изображений
и коррекция искажений в ТВ-камерах на ПЗС
Лнергурнаи коррекции.
Апертурная коррекция - электронный способ компенсации объективного понижения глубины модуляции в области высоких пространственных частот ТВ-изображений. Апертурные корректоры чаще всего позволяют регулировать степень подъема в области высоких пространственных частот спектра текущих ТВ-изображений. Многие ТК и видеомониторы для этого имеют регулировки, называемые настройкой резкости или детальности. Такая регулировка восстанавливает градиент сигнала изображения системы в той области, где он снижается, и. следовательно, увеличивает контрастность в изображении мелкие деталей и границ (рис.1 кривая 3). Однако при чрезмерной коррекции возрастает заметность шумов на изображении. Это в первую очередь связано с реальным понижением соотношения сигнал/шум (С/111) в области высоких пространственных частот телевизионных изображений.
Соответственно относительное увеличение веса высокочастотных составляющих в структуре ТВ-сигнала отражается снижением общего С/111. Результирующая АЧХ видеокамеры приведена на рис 1. кривая 4).
Регулировка светочувствительности
в ТВ-качере на ФМПЗС
В большинстве ТК используются 3 регулировки светочувствительности: регулировка времени накоплс-
06
Рис. 2. Структурная схема видеокамеры с АРВН
79
дсосигнала.
Регулировка времени накоплении іарядовьіх
пакетов в ТВ-качерах на ПЗС.
Во всех современных камерах на ФМПЗС, используемых в охранных системах вндсонаблюдсния используются системы автоматической регулировки времени накопления (АРВН). Систему АРВН принято называть электронным затвором. Упрощенная структурная схема охранной ТК с АРВН приведена на рис. 2.
Схема ТК состоит: из объектива (Об),
проецирующего изображение (И) объекта в идсонабл юления (О) на фоточувствитсльную плоскость ФМПЗС, блока обработки видеосигнала (БОВС), формирующего полный ТВ-сигнал (ПТВС), синхрогенератора (СГ), формирующего строчные и кадровые синхроимпульсы и сигнал синхронизации приемника (ССІІ), блока управления (БУ). формирующего сигналы управления матрицей ФМПЗС. пикового детектора (ПД), формирующего постоянное напряжение пропорциональное максимальному значению сигнала яркости. Это постоянное напряжение управляет работой таймера (Т). регулирующего время образования потенциальных ям пол фотодиодами. Конструктивно, СГ и БУ размещаются в одной интегральной микросхеме.
Схема работает следующим обраюм. Сигнал яркости, сформированный ФМПЗС и усиленный предварительным усилителем, детектируется пиковым детектором (ПД) и подастся на управляющие вход таймера (Т). Таймер формирует начало появления напряжения образующие потенциальные ямы под фотодиодами. Чем больше свстовой поток, поступающий с объектива, тем большим будет напряжение на выходе пикового детектора. тем позже образуются потенциальные ямы под фотодиодами. Все потенциальные ямы ликвидируются одновременно, после того как их заряды перетекут в вертикальные регистры сдвига.
Максимальное время накопления ФМПЗС со строчным переносом зарядов для стандарта работы видеокамеры 625/50/2:1 меньше периода кадровой развертки. что составляет около 39.999 мс. Минимальное время накопления определяется инерционностью фотодиода и ФМПЗС в целом и равно около 1 мкс. В итоге максимальное значение динамического диапазона АРВН составляет 40 мс./ 1 мкс. - 4х!0‘ра!.
Сопоставим варианты использования регулировки светочувствительности ФМПЗС в системах контроля удатенных объектов.
Вариант с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД) обеспечивает преимущества при работе в режиме значительных освещенностей, так как в любом случае уменьшение диафрагмы объектива приводит к возрастанию глубины резкости оптической системы.
Вариант с АРВН обеспечивает высокую линейность амплитудной характеристики в рабочем диапазоне освещенностей. С учетом этого в ГК, используемых для наружного наблюдения, следует использовать и АРД, и АРВН.
Автоматическая регулировка диафрагмы
Видеокамеры, работающие вне помещений, в условиях большого диапазона изменений освещенности. динамического диапазон АРВН недостаточен, поэтому в этих камерах устанавливаются объективы с автоматической регулировкой диафрагмы. Система АРД существенно расширяет динамический диапазон рабочей освещенности объектов видеонаблюдения. Структурная схема АРД приведена на рис. 3.
Схема АРД состоит из объектива (Об) с диафрагмой (Д), управляемой электроприводом, и видеокамеры. У сигнала яркости. с выхода видеокамеры, восстанавливается постоянная составляющая схемой ВПС, детектируется пиковым детектором (ПД) и интегрируется. Постоянное напряжение,
пропорциональное максимальной сигналу яркости поступает на компаратор (К), на другой вход которого поступает сигнал опорного напряжения с источника опорного напряжения (ИОН). Сигнал с выхода компаратора усиливается усилителем мощности, управляет электроприводом диафрагмы объектива. Если напряжение на выходе ПД будет выше опорного напряжения ИОН то диафрагма закрывается до тех пор
пока напряжение на выходе ПД не сравняется с опорным напряжением. Для того чтобы электропривод не работал постоянно, у компаратора имеется гистерезис. Если напряжение на выходе ПК станет меньше опорного напряжения, то диафрагма открывается. Динамический диапазон АРД зависит от конструкции объектива и равен 1х 10' 20х 101.
Конструктивно электрическая схема АРД, за исключением усилителя мощности, как правило, находится в видеокамере.
В связи с тем, что собственный уровень шума ГК практически не зависит от освещенности, то при уменьшении последней на выходе схемы АРУ происходит снижение С/Ш приблизительно па столько же дБ, на сколько повышается коэффициент усиления в видеотракте усилителем автоматической регулировки усиления (АРУ). В связи с этим, глубину усиления АРУ закладывают не высокой, порядка (14 - 17) дБ, все зависит от запасов, предоставляемых ПЗС сенсором. Как правило, этот запас определяется размером светочувствительного элемента, то есть у ФМПЗС размером 1" он самый высокий. Если глубину усиления АРУ выбрать значительно больше, то при закрытом объективе ТК на экране видеомонитора будет наблюдаться неприятная для глаза шумовая картинка.
В целях стабилизации величины видеосигнала на выходе ГК при изменении освещенности в сторону увеличения от рабочей точки, предусматривают средства управления чувствительностью (в сторону ослабления) или же средства ослабления светового потока. Ослабление светового потока возможно различными оптическими средствами, лучшим из них, по-видимому, является обычная ирисовая диафрагма; свидетельством тому служит ее повсеместное использование. Диапазон изменения диафрагмы обычно составляет, например V! 1,4 - Р/64, то есть диаметр зрачка объектива изменяется в 45 раз. а освещенность ФМПЗС в 2000 раз. Большего диапазона добиться не просто по двум причинам. Во-первых, технически сложно реализовать дальнейшее уменьшение диаметра отверстия. Во-вторых, по мере уменьшения диаметра дифракционный кружок рассеяния увеличивается, и разрешающая способность объектива соответственно уменьшается.
Об Д
-► ПТВС
ИОН
1
■ К
Инт
ВПС
ПД
Рис.З. Структурная схема АРД видеокамеры. Об - объектив. Д - диафрагма, О - объект наблюдения, И - изображение объекта, ЭП - электропривод. УМ - усилитель мощности. К - компаратор. ИОН источник опорного напряжения. ПД - пиковый детектор, Инт. - интегратор. ВПС - схема восстановления постоянной составляющей
