Особенности применения ПЗС-матриц с межстрочным переносом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Юрий ПЕТРОПАВЛОВСКИЙ

Введение

База данных инженерной поисковой системы ОЪЬаКрес [1] по состоянию на 2009 год содержит информацию о 57 производителях и дистрибьюторах датчиков изображения на основе приборов с зарядовой связью, перечень производителей датчиков изображения, составленный отечественной компанией РА8ТУГОЕО, содержит 44 изготовителя КМОП- и ПЗС-датчиков [2]. Существует немалое число и других производителей, в том числе китайских, которые выпускают светочувствительные датчики изображения, к ним относятся и некоторые отечественные фирмы, например, группа компаний «Силар», Санкт-Петербург.

Однако при детальном анализе номенклатуры продукции производителей из перечней ОЪЬаКрес и РА8ТУГОЕО выяснилось, что большинство фирм выпускает в основном серийные и заказные приборы и оборудование, в которых используются датчики изображения на ПЗС. А собственно ПЗС-датчики

Рис. 1. Изображение буквы S на ПЗС-матрице с 64 пикселями

Особенности применения ПЗС-матриц

с межстрочным переносом

Отечественные разработчики радиоэлектронной аппаратуры, в которой используются различные типы видеокамер, нередко сталкиваются с трудностями получения технической информации по ПЗС датчикам изображений и их производителям. Проблема усугубляется и чрезвычайно широким спектром применения таких датчиков. К наиболее распространенным областям применения светочувствительных ПЗС-датчиков можно отнести: вещательные, бытовые и СС^-видеокамеры, цифровые профессиональные и бытовые фотоаппараты, видеокамеры для скоростной, подводной, аэрокосмической съемки, сотовые телефоны, широкий спектр промышленного оборудования, сканеры и считыватели штрих-кодов, аппаратуру для научных исследований и астрономических наблюдений, охранных систем, медицины, микрохирургии и многие другие приложения.

в необходимом ассортименте и техническую документацию для них, достаточно подробную для разработки различной аппаратуры, предлагает сравнительно небольшое число производителей. Для прояснения ситуации в данном вопросе автор проанализировал техническую документацию нескольких десятков моделей видеокамер (камкордеров) ведущих мировых производителей: Canon, JVC, Panasonic, Samsung, Sharp, Sony. В результате выяснилось, что в mini-DV, DVD, digital В, HDD, Video В, Video HI8 видеокамерах перечисленных фирм преимущественно применяются ПЗС-матрицы с межстрочным переносом компании Sony Semiconductor.

Разработку ПЗС-датчиков, пригодных для коммерческого применения, научно-исследовательский центр Sony в г. Ацуги (Atsugi) начал еще в 1970-е годы. Руководителем группы разработчиков был Сигеюки Охи (Shigeyuki Ochi), однажды прочитавший доклад У. Бой-

ла и Д. Смита из лабораторий Белла об изобретении ими прибора с зарядовой связью. В 1972 году С. Охи удалось создать ПЗС-ма-трицу из 64 пикселей, изображение буквы S, сформированное этой матрицей, показано на рис. 1. К этому времени Bell Laboratories отказалась от коммерциализации ПЗС-датчиков, так же как и большинство других известных производителей электроники. Особую роль в деле коммерческого применения полупроводников, в том числе и приборов с зарядовой связью, сыграл Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) (рис. 2).

Кадзуо Ивама (1918-1982 гг.) — ученый, исследователь, руководитель различных подразделений Sony. После окончания в 1942 году геофизического отделения Токийского Императорского Университета он занимался исследованиями землетрясений в этом же университете. 7 мая 1945 г. Масару Ибука (Masaru Ibuka) основал Токийскую промышленную компанию по производству средств связи («Тоцуко»), впоследствии переименованную в Sony. Исполнительным директором и вто-

Рис. 2. Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama)

Рис. 3. Руководство компании «Тоцуко»

Таблица 1. Основные параметры цветных ПЗС-матриц ПАЛ

Тип микросхемы Размер, дюймы Число эффективных пикселей Чувствительность, мВ Корпус Число выводов Микросхема тактового генератора

ICX419AKL 1/2 752x582 1300 Cer-DIP 20 CXD1265R

ICX429AKL 1/2 752x582 1600 Cer-DIP 20 CXD1265R

ICX419AKB 1/2 752x582 1300 Small-size round type ceramic 16 CXD1265R

ICX255AK 1/3 500x582 2000 Plastic DIP 16 CXD1257AR

ICX405AK 1/3 500x582 1700 Plastic DIP 16 CXD1257AR

ICX259AK 1/3 752x582 1100 Plastic DIP 16 CXD1265R

ICX409AK 1/3 752x582 950 Plastic DIP 16 CXD1265R

ICX207AK 1/4 500x582 880 Plastic DIP 14 CXD1257AR

ICX227AK 1/4 500x582 880 Plastic DIP 14 CXD1257AR

ICX229AK 1/4 752x582 440 Plastic DIP 14 CXD1265R

ICX279AK 1/4 752x582 800 Plastic DIP 14 CXD1265R

ICX207AKB 1/4 500x582 880 Small-size round type ceramic 13 CXD1257AR

ICX239AKE 1/6 752x582 300 Ceramic SON (LCC) 12 CXD1265R

Таблица 2. Основные параметры черно-белых ПЗС-матриц стандарта CCIR

Тип микросхемы Размер, дюймы Число эффективных пикселей Чувствительность, мВ Корпус Число выводов Микросхема тактового генератора

ICX423AL 2/3 752x582 1000 Ceramic DIP 20 CXD1265R

ICX419ALL 1/2 752x582 1100 Ceramic DIP 20 CXD1265R, CXD2463R

ICX429ALL 1/2 752x582 1400 Ceramic DIP 20 CXD1265R, CXD2463R

ICX429ALB 1/2 752x582 1400 Ceramic DIP 16 CXD1265R, CXD2463R

ICX419ALB 1/2 752x582 1100 Small-size round type ceramic 16 CXD1265R, CXD2463R

ICX255AL 1/3 500x582 1600 Plastic DIP 16 CXD2400R, CXD2463R

ICX405AL 1/3 500x582 1350 Plastic DIP 16 CXD2400R, CXD2463R

ICX259AL 1/3 752x582 1000 Plastic DIP 16 CXD1265R, CXD2463R

ICX409AL 1/3 752x582 850 Plastic DIP 16 CXD1265R, CXD2463R

ICX207AL 1/4 500x582 880 Plastic DIP 14 CXD2400R, CXD2463R

ICX229AL 1/4 752x582 440 Plastic DIP 14 CXD1265R

ICX279AL 1/4 752x582 800 Plastic DIP 14 CXD1265R, CXD2463R

рым основателем компании был Акио Мо-рита (Akio Morita), в июле 1946 г. он пригласил на работу в «Тоцуко» К. Иваму, который без особых колебаний принял это предложение. В книге Акио Мориты «Сделано в Японии» есть фотография 1947 г. тогдашнего руководства «Тоцуко», приведенная на рис. 3. На ней слева направо: Акира Хигути (будущий вице-президент фирмы), Кадзуо Ивама (будущий президент фирмы), Масару Ибука (почетный председатель) и Акио Морита (исполнительный директор) [3].

Задачей К. Ивамы стала деятельность, направленная на вывод фирмы в лидеры электронной промышленности. Его усилия были особенно значительны в деле коммерческого применения транзисторных технологий и ПЗС датчиков изображения [4]. В 1971-1973 гг. К. Ивама находился в США, занимая посты президента и начальника администрации Sony Corporation of America. После возвращения в Токио в 1973 году К. Ивама был назначен заместителем, а январе 1976 г. — президентом Sony. В 1979 г. К. Ивама был награжден почетной медалью и голубой лентой императора Японии. Эта награда стала признанием его заслуг в деле руководства электронной промышленностью, позволившем поднять качество управления и уровень технологий в отрасли [5]. К. Ивама умер в госпитале в Токио 24 августа 1982 г., на надгробии его могилы установлена микросхема ПЗС [6].

В свое время К. Ивама поставил перед С. Охи и его группой конкретную цель: «Мы должны создать и производить видеокамеры на основе ПЗС через 5 лет. Мы не конкурируем с другими производителями электронной техники в этой области, наш конкурент — Eastman Kodak». Цель была ясна, но озадачила инженеров: как можно конкурировать с процветающей фирмой, производящей одни из лучших в мире фотоматериалы [7]? Но оказалось, что К. Ивама был прав в своем предвидении «победы» ПЗС-матриц над фото- и кинопленкой, уже в наше время профессиональные видеокамеры высокой четкости используются вместо кинокамер для съемки высококачественного контента крупнейшими кинокомпаниями Голливуда.

Ускоренная разработка коммерческой ПЗС-матрицы была проведена в рамках проекта по созданию системы видеозаписи со сверхвысокой плотностью записи, пригодной для применения в бытовых видеокамерах. Для ре-

Рис. 4. Первая видеокамера Sony-CCD-V8

ализации задачи была создана группа разработчиков, получившая название «Команда проекта 80» (“Project 80 team”). Курировал проект по части разработки ПЗС К. Ивама. Руководитель группы инженеров С. Охи поставил цель разработать серийную ПЗС-мат-рицу с числом пикселей 190 000, затем 250 000. К. Ивама всегда слушал ежемесячные доклады по «проекту 80» и детально интересовался ходом разработки ПЗС-матрицы. Инженеры «проекта 80» в обстановке секретности в течение 4 месяцев работали над созданием новой видеокамеры. И вот в июле 1980 г., на пресс-конференциях, прошедших одновременно в Токио и Нью-Йорке, журналистам была представлена новая видеокамера на ПЗС-матрице. Система получила название “Video Movie”. Первая серийная видеокамера Sony-CCD-V8 поступила в продажу в январе 1985 года [8] (рис. 4).

В настоящее время фирма Sony Semiconductor — один из крупнейших производителей ПЗС и КМОП датчиков изображения. Фирма выпускает линейные ПЗС датчики изображения (Linear Array sensors), ПЗС-ма-трицы с межстрочным переносом (Interline Transfer Area Array sensors) для цветных и черно-белых видеокамер с чересстрочной и прогрессивной развертками, ПЗС-матрицы для цифровых фотокамер с кадровым считыванием (Frame readout interline transfer) и ряд других типов ПЗС и КМОП датчиков изображения. В предлагаемой статье рассмотрены серийные цветные и черно-белые ПЗС-мат-рицы с межстрочным переносом для видео-и телекамер стандарта 625/50. В таблице 1 приведены основные параметры цветных

ПЗС-матриц ПАЛ, в таблице 2 — черно-белых ПЗС-матриц стандарта CCIR из каталога фирмы 2009 года [9]. Кроме микросхем, включенных в каталог, фирма выпускает десятки других типов ПЗС-матриц для серийных камкордеров, а также перспективные, недавно разработанные микросхемы ПЗС, предназначенные для систем CCTV, систем охраны объектов и других приложений. (Технические характеристики перспективных типов микросхем следует запрашивать в индивидуальном порядке, data sheets на них помечены грифом «Конфиденциально».)

Рассмотрим устройство, параметры и особенности применения некоторых микросхем из каталога Sony Semiconductor, прототипы которых широко применялись в серийных видеокамерах фирмы. Микросхема ICX227AK является модификацией предыдущей цветной матрицы ICX207AK с мозаичным фильтром типа Ye, Cy, Mg, G и электронным затвором, более ранний прототип — ICX087AK. Микросхема выполнена по технологии Super HAD CCD. Микросхема ICX207AK-43, выполненная по той же технологии, применена в нескольких десятках моделей цветных камкордеров Sony, например в линейках CCD-TR311E/411E/511E/512E; CCD-TRV16E/ 26E/27E/36E/46E; CCD-TR315E/415E/425E/ 515E/516E и ряде других. (Данные из обзора технической документации, проведенного автором.)

Особенности микросхемы (Feature):

• малый уровень смаза (типовое значение -10З дБ при F = 5,6);

• малая потребляемая мощность (на 37%

меньше, чем у ICX207AK);

• высокая чувствительность (при F = 1,2 на 2,5 дБ больше, чем у ICX207AK, на 8,5 дБ больше, чем у ICX087AK);

• высокий уровень насыщения выходного сигнала (на 2,2 дБ больше, чем у ICX087AK);

• напряжение питания — 12 В;

• ток потребления — 2,5 мА (ICX207AK — 15 В/3 мА, ICX087AK— 15 В/4 мА);

• размах импульсов управления горизонтальными регистрами — 3,3 В;

• низкий темновой ток;

• хорошие антиблюминговые характеристики. Электронный затвор предназначен для получения переменного времени экспозиции в ПЗС-матрицах с межстрочным переносом. Метод заключается в подаче на подложку матрицы групп импульсов различной длительности, обеспечивающих быстрый и одновременный разряд всех ячеек матрицы. При этом каждая строка разбивается на две группы участков, на одной из них обеспечивается нормальная работа, на другой — быстрый разряд. При изменении соотношений длительностей этих участков пропорционально меняется время экспозиции. Использование электронного затвора позволяет снимать бы-стропротекающие процессы, однако при этом снижается чувствительность матриц.

Смаз — это специфические искажения, возникающие в ПЗС-матрицах с межстрочным переносом. Искажения проявляются на изображении в виде вертикальных следов, тянущихся за ярко освещенными или блестящими объектами. Смаз проявляется только при величине экспозиции, значительно превышающей нормальное значение.

Антиблюминг — метод борьбы с явлением оптической пересветки (блюмингом), возникающей в результате переполнения ячеек ПЗС-матриц и перетекании зарядов в сосед-

Рис. 5. Конфигурация светочувствительного окна микросхемы ICX227AK: V, H — направления переноса зарядов по вертикали и горизонтали

ние ячейки. На изображении это проявляется в виде вертикального расплывания ярких объектов.

Структура матриц микросхем ICX207AK, ICX227AK, ICX087AK

Диагональ — 4,5 мм (1/4 дюйма); число эффективных пикселей— 500 (Н)х582 (V), всего около 290 К; общее число пикселей — 537 (Н)х597 (V), всего около 320 К.

Размеры чипа 4,34x3,69 мм, размеры пикселя— 7,3х4,7 мкм.

Границы затемнения (Optical black position) по горизонтали — слева 7 пикселей, справа

30 пикселей, по вертикали — снизу 14 пикселей, сверху 1 пиксель (рис. 5).

Номера пикселей синхронизации (Dummy bits) по горизонтали № 16, по вертикали № 1 (только в четных полях). Корпус — DIP-14. Рекомендуемые типы комбинированных генераторов синхроимпульсов — CXD1257AR, CXD1267AN.

Структура и расположение выводов микросхем ICX207AK, ICX227AK, ICX087AK приведены на рис. 6. Перечислим назначения их выводов:

• 1-4 ^ф4^ф1) — входы тактовых импульсов переноса вертикальных регистров;

• 6 — корпус;

• 7 (Vout) — аналоговый выход;

• 8 (Vdd) — напряжение питания;

• 9 — корпус;

• 10 (SUB) — вход тактового сигнала смещения подложки;

• 11 (VL) — вход смещения защитного транзистора;

• 12 (RG) — вход стробирующих импульсов;

• 13, 14 (Н01, Н02) — входы тактовых импульсов переноса горизонтального регистра.

Типовые значения основных параметров датчика изображения микросхемы ICX227AK (в скобках ICX207AK, ICX087AK):

• Чувствительность (S) — 880 мВ (ICX087AK— 450 мВ), отношение чувствительности по сигналам пурпурный/зеленый (RMgG) — не более 1,35, по сигналам желтый/сине-зеленый (RYeCy) — не более 1,48.

• Уровень насыщения выходного сигнала (Saturation signal, YSAt) — не менее 810 мВ (ICX087AK — не менее 630 мВ).

• Смаз (Sm)---105 дБ (ICX207AK, ICX087AK—

0,007%), неравномерность выходного сигнала яркости по полю (Video signal shading,

Рис. 8. Структура микросхемы CXD1267AN

12 ВО-

xsub [>-

XV2 [>-XV1 >-XSG1 |>-XV3 [> XSG2 [>-XV4 [>-

Нф2 [> Нф1 |>-

RG [>-

10

CXD1367AN

=p 22/20 В

777 777

16

13 4=2

12

-тГ

'^7

0,1 о

ICX227 (Вид снизу)

Q

> <2 -■ w ? §

I 01 > И >

14 13

12

777

3,3/16 В

Г

£

3,9 кОм

1500 пФ

ifl’

-О -5 В

■<

Аналоговый

выход

П'

3,3/20 В

Рис. 7. Типовая схема включения микросхемы ICX227AK

Shy) — не более 20%, темновой сигнал (Dark signal, Ydt) — не более 2 мВ. Мерцание (Flicker) яркостного сигнала (Fy) — не более 2%, цветоразностных сигналов (Fcr, Fcb) — не более 5%, сползание строк (Line crawl) — не более 3%.

Уровень повторов (Lag) — не более 0,5%. Матрица ICX207AK выполнена по технологии Super HAD CCD, ICX087AK — по технологии HAD. Все три микросхемы вы-

полнены в одинаковых корпусах и с одинаковыми назначениями выводов, структуры микросхем также одинаковы и соответствуют рис. 6.

Схема включения матрицы 1СХ227АК, пригодная для прикладных приложений, приведена на рис. 7. Поскольку сама матрица формирует только сигналы изображения в активных частях строк и кадров, необходимые синхронизирующие и гасящие им-

пульсы формируются микросхемой комбинированного генератора синхроимпульсов. Структура микросхемы CXD1267AN представлена на рис. 8, а на рис. 9 приведены временные диаграммы тактовых сигналов, подаваемых на входы матрицы, и комбинированного генератора синхроимпульсов в масштабе кадров, на рис. 10 — в масштабе строк. На рис. 7-10 обозначены следующие сигналы:

FLD

VD

BLK

HD

CN CN

(О СО

LTJ т- CNJ СО Tf Ю

см см

т- т- см CNI СО СО

со со со со со со

V1

V2

V3

V4

CCD

OUT

582

581

1_3 5 2 4 6"

1 3 5_

J2 4 6

Рис. 9. Временные диаграммы тактовых сигналов ПЗС-матрицы ICX227AK в масштабе кадров

Рис. 10. Временные диаграммы тактовых сигналов ПЗС-матрицы ICX227AK в масштабе строк

• Н1 (Нф1), Н2 (Нф2) — тактовые сигналы горизонтального переноса (Horizontal transfer clock), типовая длительность импульсов на интервалах изображения (During imaging) 46 нс, на рис. 10 под диаграммой Н2 показаны номера ячеек в строке.

• RG — сигналы сброса (Reset gate clock), типовая длительность импульсов — 14 нс.

• V1-V4 ^ф^ф4) — тактовые сигналы вертикального переноса (Vertical transfer clock), сигналы формируются инвертированием сигналов XSUB.

• Из комбинаций сигналов XV1, XSG1, XV3, XSG2 формируются синхронизирующие импульсы по строкам и кадрам HD, VD, гасящие и полевые импульсы BLK, FLD, на-

лагаемые на выходной видеосигнал ПЗС-матрицы в соответствии с требованиями стандарта ТВ 62З/З0. В качестве задающего тактового генератора может быть использована микросхема CXD1156Q, подключаемая к выводам 4-10 микросхемы CXD1267AN. Параметры и характеристики микросхемы приведены в [10].

На рис. 11 представлена электрическая принципиальная схема модуля ПЗС-матри-цы на микросхеме ICX207AK-43, примененного в ряде перечисленных ранее видеокамер Sony. Сигналы на всех тактовых входах ПЗС-матриц характеризуются большим числом параметров, приведенных в их справочных данных (data sheet, [9]), там же приведены ме-

тодики измерения чувствительности и других параметров микросхем. При необходимости более подробного ознакомления с устройством и принципами функционирования ПЗС-матриц с межстрочным переносом можно воспользоваться книгами С. Охи [11] или Л. Лазовского [12].

ПЗС-матрица ICX279AK из каталога 2009 г., выполненная по технологии EXview HAD CCD, является модификацией предыдущей цветной матрицы ICX209AK, выполненной по технологии Super HAD CCD, более ранний прототип — ICX069AK (технология HAD). Микросхема ICX209GK-43 также применена в серийных видеокамерах Sony, например в моделях высокого класса CCD-

Рис. 11. Электрическая принципиальная схема модуля ПЗС-матрицы видеокамер Sony-CCD-TR315E (сигналы SHT, VSHT соответствуют сигналу 0SUB на рис. 2): Н — длительность телевизионной строки 64 мкс

TR3200E, CCD-TRV300E и в ряде других моделей.

Особенности:

• Высокая чувствительность (на 5 дБ выше, чем у ІСХ209АК, на 9 дБ выше, чем у ІСХ069АК).

• Малый уровень смаза (на 20 дБ меньше, чем у ІСХ209АК).

• Большой динамический диапазон (на 2 дБ больше, чем у ІСХ209АК).

Структура матриц микросхем ІСХ279АК, ІСХ209АК, ІСХ069АК

Диагональ — 4,5 мм (1/4 дюйма), число эффективных пикселей — 752 (И)х582 (V), всего 440 К, общее число пикселей 795 (Н)х596 (V), всего 470 К.

Размеры чипа — 4,43x3,69 мм, размеры пикселя — 4,85x4,65 мкм.

Границы затемнения — 3 слева и 40 справа по горизонтали, 12 снизу и 2 сверху по вертикали (рис. 5) с учетом количественных данных. Напряжение питания — 15 В, ток потребления — 4 мА (ІСХ209АК — 4,5 мА, ІСХ069АК — 6 мА). Корпус — DIP-14, рекомендуемые типы комбинированных генераторов синхроимпульсов — CXD1265R, CXD1267AN.

Номера пикселей синхронизации — № 22 по горизонтали, № 1 по вертикали (только в четных полях).

Структура и расположение выводов микросхем ICX279AK, ICX209AK, ICX069AK соответствует показанным на рис. 6. Перечислим основные параметры датчика изображения микросхемы ICX279AK:

• S — 800 мВ (ICX209AK — 440 мВ, ICX069AK — 280 мВ);

• RMgG — не более 1,35;

• RYeCy — не более 1,53 (ICX209AK— 1,48);

• Ysat — не менее 900 мВ (ICX209AK — не менее 720 мВ, ICX069AK — не менее 540 мВ);

• Sm -108 дБ (ICX209AK, ICX069AK -0,009%);

• Shy — не более 20%;

• Ydt — не более 2 мВ;

• Fy — не более 2%;

• Fcr, Fcb — не более 5%;

• сползание строк — не более 3%;

• Lag — не более 0,5%.

Схема включения микросхем ICX279AK, ICX209AK, ICX069AK соответствует той, что приведена на рис. 7 (напряжение питания —

15 В). В связи с большим числом элементов матрицы по горизонтали временные диаграм-

мы тактовых сигналов в масштабе строк отличаются от показанных на рис. 10 и соответствуют диаграммам, приведенным на рис. 12.

Все шесть перечисленных цветных ПЗС-матриц имеют черно-белые исполнения (окончания наименований микросхем — AL), которые отличаются отсутствием мозаичных фильтров. Эти матрицы могут использоваться как в черно-белых, так и в трехматричных цветных видеокамерах. Практически все электрические параметры, структуры и конструктивные исполнения цветных матриц (AK) и соответствующих черно-белых (AL) одинаковы. Отличия касаются светотехнических параметров, таких как чувствительность и спектральные характеристики (Relative Response).

Спектральная характеристика ПЗС-матри-цы ICX227AL (технология Super HAD CCD) приведена на рис. 13. Как видно на графике, максимальная чувствительность матрицы находится в зеленой области спектра. Спектральные характеристики матриц ICX207AL (Super HAD CCD), ICX087AL (HAD) достаточно близки к приведенной на рис. 13. Спектральная характеристика ПЗС-матрицы ICX279AL (EXview HAD CCD) приведена на рис. 14, максимальная чувствительность сме-

Рис. 13. Спектральная характеристика ПЗС-матрицы ICX227AL. Relative Response — спектральная характеристика

Рис. 14. Спектральная характеристика ПЗС-матрицы ICX279AL

Су Ye Су Ye

G Мд G Мд

Су Ye су Ye

Мд G Мд G

A1

A2

Горизонтальный

регистр

Рис. 16. Схема цветового кодирования ПЗС-матриц фирмы Sony

щена в зелено-желтую область спектра. Для микросхемы приведены два значения чувствительности — S1, S2. Коротко рассмотрим методику измерения чувствительности ПЗС-матриц, которую применяет фирма Sony.

В качестве объекта съемки используют экран генератора испытательных сигналов (Pattern box) на основе галогенной лампы с цветовой температурой 3200 °К, яркость свечения — 706 кд/м2. Для измерений нужен стандартный объектив с фильтром SE-CMЗ00S толщиной 1 мм фирмы Shibuya Optical Co, Ltd. Фильтр служит для подавления излучения в ближней инфракрасной области спектра 0,76-1,З мкм (Near IR Abasorption Filter), устанавливается перед ПЗС-матрицами и представляет собой прозрачную голубоватую пластину из специального стекла (есть немало патентов на состав стекла для таких фильтров). Характеристика пропускания фильтра SE-CMЗ00S приведена на рис. 1З. Измерения проводят при относительном отверстии F8, при каждом отсчете чувствительности проверяют силу света, падающего на ПЗС-мат-рицу. Установив скорость электронного затвора 1/2З0 с, измеряют размах выходного сигнала в центре матрицы Vs1, чувствительность S или S1 определяют по формуле S1 = Vs1x250/50 (мВ). Чувствительность S2

измеряют без фильтра SE-CM500S в тех же условиях, но при скорости электронного затвора 1/1000 с. Измерив размах выходного сигнала ПЗС-матрицы в центре экрана Vs2, определяют чувствительность S2 по формуле S2 = Vs2x1000/50 (мВ).

Чувствительность S1 ПЗС-матрицы ICX279AL — 800 мВ, S2 — 3,2 В, чувствительность (S) всех остальных рассматриваемых черно-белых матриц такая же, как у соответствующих цветных исполнений.

В заключение коротко рассмотрим принципы цветового кодирования, используемые в цветных матрицах Sony Semiconductors.

Возможность различения цветов ПЗС-ма-трицами обеспечивается за счет использования мозаичных фильтров (другое название — массив цветных фильтров CFA, Color filter array) и последующей математической обработки сигналов изображения в цифровых сигнальных процессорах. Над каждым светочувствительным элементом ПЗС-матрицы под микролинзой размещены мозаичные фильтры, каждый из которых может пропускать только определенные цвета. Gy — желтый фильтр — пропускает красный и зеленый цвета (синий подавляется), Cy — синезеленый фильтр — пропускает синий и зеленый цвета (красный подавляется), G —

зеленый фильтр — пропускает зеленый цвет (красный и синий подавляются), Mg— пурпурный фильтр — пропускает красный и синий цвета (зеленый подавляется). Ячейки мозаичного фильтра расположены группами по

16 элементов, так, как это показано на рис. 16. Сдвиг зарядов в горизонтальный регистр (Hreg) производится парами А1 и А2 в нечетных полях (A field) и В в четных полях (B field).

В результате на выходе горизонтального регистра последовательно во времени чередуются электрические отклики, вызванные световым излучением различных цветов. В строках А1 цвета следуют в порядке (G+Cy), (Mg+Ye), (G+Cy). Полученные сигналы в дальнейшем используются для формирования яркостного Y и цветоразностного R-Y сигналов путем суммирования и вычитания соседних сигналов следующим образом:

Y = {(G+Cy)+(Mg+Ye)}x1/2 = 1/2{2B+3G+2R}; R-Y = {(Mg+Ye)-(G+Cy)} = 2R-G. В строках А2 цвета следуют в порядке (Mg+Cy), (G+Ye), (Mg+Cy), (G+Ye). Полученные сигналы в дальнейшем используются для формирования яркостного Y и цветоразностного B-Y сигналов также путем сложения и вычитания соседних сигналов следующим образом:

Y = {(G+Ye)+(Mg+Cy)}x1/2 = 1/2{2B+3G+2R}; -(B-Y) = {(G+Ye)+(Mg+Cy)}. Такой же алго-

Рис. 17. Спектральные характеристики ПЗС-матрицы ICX227AK

Рис. 18. Спектральные характеристики ПЗС-матрицы ICX279AK

ритм обработки сигналов используется и для четных полей В. Все операции производятся в цифровом сигнальном процессоре после преобразования выходного сигнала ПЗС-ма-триц в 8-разрядном АЦП. Спектральные характеристики матриц ICX227AK, ICX279AK приведены на рис. 17, 18.

Одним из принципов разработки новых типов ПЗС-матриц Sony Semiconductor является их совместимость с ранее выпускавшимися прототипами. Под совместимостью понимается возможность замены устаревших микросхем новыми без каких-либо переделок. После замены параметры аппаратуры, как правило, улучшаются. Принцип совместимости применим и к микросхемам, рассмотренным в данной статье. Перспективной заменой микросхемы ICX227AK является совместимая с ней ICX643AKA, сведения о которой опубликованы в on-line бюллетене CX-NEWS V0L50 2007 11. Микросхема ориентирована на применение в охранных системах, имеет повышенную чувствительность (1 В) и другой тип спектральной характеристики, оптимизированной для работы матрицы при низких освещенностях. Общий выигрыш в чувствительности относительно ICX227AK — +6 дБ. Основные технические характеристики новой микросхемы приведены в [14].

Ряд фирм использует ПЗС-матрицы для модулей, предназначенных для ОЕМ-произво-дителей. Большой ассортимент ОЕМ-модулей различного назначения выпускает фирма NET (New Electronic Technology) [15]. Перспективные ПЗС-матрицы Sony Semiconductor с размерами 1/2, 1/3, 1/4 дюйма используются, например, в универсальном модуле серии Е KS5600 USB E (рис. 19). Области применения: медицинский мониторинг (стоматология, эндоскопия, дерматология и пр.); охранные системы; контроль качества изделий; микроско-

Рис. 19. Модуль KS5600 USB E

пия и др. Достаточно подробные сведения о технических параметрах и особенностях применения модулей серии Е приведены в [16].

Использованные термины и сокращения

Lag — отклики (повторы) видеосигналов на выходе ПЗС-матриц, возникающие при больших уровнях световых сигналов в смежных полях. Измеряют уровень повторов следующим образом (методика Sony): на ПЗС-матрицу подают световые импульсы с таким световым потоком, который вызывает на выходе матрицы отклик размахом 200 мВ, затем измеряют размах сигнала повтора (паразитного сигнала) в соседнем поле Ylag и вычисляют уровень повторов по формуле Lag = Ylag/200x100 (%).

HAD (Hole Accumulated Diod) — диодный накопитель дырок. Этот технологический прием, позволяющий увеличить число пикселей в горизонтальных строках, разработан фирмой Sony. Метод заключается в использовании двухслойной подложки ПЗС-матрицы, состоящей из слоя n-типа и эпитаксиального слоя р-типа, что позволило отказаться от горизонтальных отводящих стоков и повысить плотность размещения ячеек вдоль строки. В 1990 году фирмой была разработана матрица Hyper HAD, в которой над каждым светочувствительным элементом размещена миниатюрная прецизионная собирательная линза, что позволило сконцентрировать световой поток без лишнего рассеяния. В результате резко (примерно вдвое) возрастает чувствительность матрицы [14].

Super HAD CCD — зарегистрированная торговая марка Sony. ПЗС-матрица Super HAD CCD — это усовершенствованная версия матриц Hyper HAD, отличие заключается в существенном уменьшении зазоров между микролинзами, расположенными над светочувствительными элементами матрицы. В результате увеличивается световой поток, падающий на каждый элемент, и общая чувствительность матрицы.

EXview HAD CCD — зарегистрированная торговая марка Sony. В ПЗС-матрицах EXview

HAD CCD используются дополнительные слои микролинз SIL (Single Inner Lens) или DIL (Double Inner Lens), расположенные между основными (верхними) микролинзами и светочувствительными элементами. Эти и другие усовершенствования позволили существенно увеличить их чувствительность, особенно в красной и ближней к инфракрасной областях спектра. ■

Литература

1. http://video-equipment.globalspec.com/ProductFinder/ Video_Imaging_Equipment/Image_Sensors

2. http://www.fastvideo.ru/info/ref/image-sensors.htm

3. Морита А. Сделано в Японии. М.: ИД «Прогресс Универс», 1993.

4. http://www.findagrave.com/cgi-bin/fg.cgi?page= gr&GRid=7532398

5. AES, Vol. 30. No. 10, 1982, page 772 http://www.aes.org/ aeshc/docs/jaes.obit/JAES_V30_10_PG772.pdf

6. ПЗС. Принцип действия. История http://ru.wikipedia.org/wiki/ПЗС

7. Sony History, chapter 22.1 http://www.sony.net/Fun/SH/1-22/h1.html

8. Sony History, chapters 14.3, 14.4 http://www.sony.net/Fun/SH/1-14/h3.html, http://www.sony.net/Fun/SH/1-14/h4.html

9. Sony Product list http://www.sony.net/Products/ SC-HP/pro/image_senser/index.html

10. CXD1156Q http://www.datasheet4u.com/html/C/ X/D/CXD1156Q_Sony.pdf.html

11. Shigeyuki Ochi. Charge-Coupled Device Technology. CRC Press, 1997. http://books.google.ru/ books?id=fVJ5txTE0mIC

12. Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир.

http:// www.autex.spb.ru/download/sensors/ ccd.pdf

13. Самойлов Ф. Эволюция формирователей изображения на приборах с зарядовой связью (по материалам фирмы Sony) // Техника кино и телевидения. 1994. № 1.

14. ICX642AKA/ICX643AKA http://www.sony.net/ Products/SC-HP/cx_news/vol50/pdf/icx642_3aka.pdf

15. NET, OEM-Products http://www.net-gmbh.com/ e/oem_products.shtm

16. KS5600 USB E http://www.net-gmbh.com/ attachments/KS56UM2xUSBTD_2008_12_17.pdf