Параметры и особенности применения современных ПЗС-матриц с прогрессивным сканированием фирмы Sony Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Юрий ПЕТРОПАВЛОВСКИЙ

Введение

Фирме Sony принадлежит первенство в деле коммерциализации ПЗС-матриц: производство первой бытовой видеокамеры на основе ПЗС с разрешением 190 000 пикселей было полностью подготовлено к 1980 году [1]. Однако по договоренности с другими японскими производителями (JVC, Panasonic, Sharp и др.) продажи видеокамер формата Video 8 (модель Sony-CCD-TR55) в Японии начались в январе 1985 г. В этой модели была применена ПЗС-матрица с разрешением 250 000 пикселей. Коммерческие ПЗС-матрицы Sony широко применяли и применяют другие производители видеокамер, в том числе Canon, Hitachi, JVC, Panasonic, Samsung, Sharp и др.

Sony выпускает несколько типов ПЗС-матриц: линейные, с кадровым, строчнокадровым, межстрочным переносом заряда, с чересстрочным, прогрессивным и кадровым считыванием (сканированием). ПЗС-матрицам с межстрочным переносом (Interline transfer) и чересстрочным сканированием (Interlace scan), которые мы рассмотрели в предыдущей статье [1], присущ характерный недостаток, проявляющийся в размытии (Blur) вертикальных границ быстро движущихся объектов при съемке цифровыми фотоаппаратами. При съемке видеокамерами разрешение по вертикали вдвое ниже, чем число горизонтальных строк матрицы, а на вертикальных и наклонных границах снимаемых объектов может появляться зазубренность («гребенка»). При прогрессивном сканировании ПЗС-матриц с межстрочным переносом заряда разрешение по вертикали соответствует числу их го-

Параметры и особенности применения современных ПЗС-матриц

с прогрессивным сканированием фирмы Sony

В статье рассматриваются особенности применения ПЗС-матриц с межстрочным переносом заряда и прогрессивным сканированием фирмы Sony, приводятся основные параметры матриц и управляющих сигналов. Статья предназначена для разработчиков систем видеонаблюдения, промышленных приложений и видеокамер различного назначения, для сервисных инженеров и других специалистов.

ризонтальных строк. Использование таких матриц в фотоаппаратах устраняет эффект размытия (Blur-free, No Camera Blur), при этом не требуются механические затворы или кадровая память. Однако скорость съемки видеокамерами с матрицами этого типа при одинаковых частотах импульсов управления вдвое ниже, чем при использовании чересстрочного сканирования.

В ряде приложений различие между видеокамерами (camcorder, movie Camera) и цифровыми фотоаппаратами (digital still camera, DSC) нивелируется. Например, в системах наблюдения камерные головки на ПЗС-матрицах могут использоваться в малокадровых режимах (единицы кадров в секунду), такую же скорость съемки могут обеспечить и цифровые фотоаппараты. В телевизионных приложениях использование видеокамер привязано к телевизионным стандартам (525/60, 625/50), в киноприложениях необходима привязка к частоте кадров (24 кадр/с), в компьютерных и специальных приложениях свои требования. Все эти приложения реализуются только при определенных соотношениях параметров матриц и управляющих сигналов. Русскоязычные источники, освещающие эту тематику на уровне, достаточном для разработчиков аппаратуры с ПЗС-матрицами, сервисных инженеров и других специалистов, практически отсутствуют. Источниками информации для статьи послужили листы данных (Data sheet) конкретных микросхем Sony с официального сайта фирмы. Вопросы общего характера, касающиеся устройства и применения ПЗС-матриц, рассмотрены в многочисленных источниках, в том числе русскоязычных, например в [2-5].

В каталоге Sony (отделение Semiconductor & Component) 2010 г. представлено около тридцати ПЗС-матриц с межстрочным переносом заряда и прогрессивным сканированием (Progressive Scan System CCD) [6], их классификационные данные приведены в таблице 1. Следует отметить, что практически все микросхемы, приведенные в таблице 1, могут работать не только в «чистом» режиме прогрессивного сканирования, но и в других, носящих вспомогательный характер. Большая часть цветных матриц выполнена по технологии Wfine CCD (зарегистрированная торговая марка Sony). Исследовательские работы по этой технологии проводились фирмой в середине 1990-х годов, а первые коммерческие матрицы были выпущены в 1996 г. Это были микросхемы ICX084AK (1/3", VGA, 330 000 пикселей) и ICX085AK (2/3", SVGA, 800 000 пикселей). В это время производители цифровых фотоаппаратов и видеокамер интенсивно наращивали количество пикселей матриц, однако инженеры Sony обоснованно полагали, что качество изображения, обеспечиваемое ПЗС-матрицами, зависит не только от числа пикселей, но и от других факторов. Технология Wfine CCD (W — удвоенное разрешение, fine — филигранное качество изображения) объединяет три составляющие: 1 — прогрессивное сканирование; 2 — применение фильтров первичных цветов; 3 — квадратная конфигурация элементов матриц.

Как уже говорилось, прогрессивное сканирование (progressive scan readout) позволяет получать цифровые фотографии без эффекта смазывания (Blur-free photographs), имеющего место при чересстрочном сканировании, без применения механических за-

Таблица 1. Классификационные параметры ПЗС-матриц

Тип микросхемы Размер, дюймы Тип цветофильтра Число эффективных пикселей Корпус Чувствительность, мВ Примечание

ICX285AQ 2/3 RGB 1392x1040 Керамический DIP20 1240 Wfine CCD, EXview HAD CCD

ICX285AL 2/3 Черно-белый 1392x1040 Керамический DIP20 1300 EXview HAD CCD

ICX274AQ 1/1,8 RGB 1628x1236 Пластик DIP20 420 Wfine CCD, Supe HAD CCD

ICX274AL 1/1,8 Черно-белый 1628x1236 Пластик DIP20 420 Super HAD CCD

ICX414AQ 1/2 RGB 659x494 Керамический DIP22 840 Wfine CCD, HAD

ICX414AL 1/2 Черно-белый 659x494 Керамический DIP22 880 HAD

ICX415AQ 1/2 RGB 752x582 Керамический DIP22 720 Wfine CCD, HAD

ICX415AL 1/2 Черно-белый 752x582 Керамический DIP22 820 HAD

ICX205AK 1/2 RGB 1392x1040 Керамический DIP22 400 Wfine CCD, HAD

ICX205AL 1/2 Черно-белый 1392x1040 Керамический DIP22 450 HAD

ICX267AK 1/2 RGB 1392x1040 Пластик DIP20 400 Wfine CCD, HAD

ICX267AL 1/2 Черно-белый 1392x1040 Пластик DIP20 450 HAD

ICX424AQ 1/3 RGB 659x494 Пластик DIP20 750 Wfine CCD, HAD

ICX424AQB 1/3 RGB 659x494 Круглый керамический DIP14 750 Wfine CCD, HAD

ICX424AL 1/3 Черно-белый 659x494 Пластик DIP16 880 HAD

ICX424ALB 1/3 Черно-белый 659x494 Круглый керамический DIP14 880 HAD

ICX204AK 1/3 RGB 1034x779 Пластик DIP16 400 Wfine CCD, HAD

ICX204AL 1/3 Черно-белый 1034x779 Пластик DIP16 450 HAD

ICX445AQA 1/3 RGB 1296x966 Пластик DIP24 380 EXview HAD CCD, Wfine CCD

ICX445ALA 1/3 Черно-белый 1296x966 Пластик DIP24 380 EXview HAD CCD

ICX098BQ 1/4 RGB 659x494 Пластик DIP14 580 Wfine HAD CCD, HAD

ICX098BL 1/4 Черно-белый 659x494 Пластик DIP14 580 HAD

ICX614AKA 1/4 Комплементарный 659x494 Пластик DIP14 950 Super HAD CCD

ICX614AQA 1/4 RGB 659x494 Пластик DIP14 750 Wfine CCD, HAD

ICX614ALA 1/4 Черно-белый 659v494 Пластик DIP14 800 Super HAD CCD

ICX618AKA 1/4 Комплементарный 659x494 Пластик DIP14 1400 EXview HAD CCD

ICX618AQA 1/4 RGB 659x494 Пластик DIP14 1000 EXview HAD CCD, Wfine CCD

ICX618ALA 1/4 Черно-белый 659x494 Пластик DIP14 1200 EXview HAD CCD

ПЗС для видеокамер (комплементарный цветной фильтр с прямоугольными ячейками)

G Б

R G

ПЗС для цифровых фотоаппаратов (фильтр первичных цветов с квадратными ячейками)

творов или кадровой памяти. При этом сигналы от всех элементов матрицы поступают на выход раздельно, а разрешение по вертикали увеличивается.

В сравнении с комплементарными цветовыми фильтрами, рассмотренными в [1], использование фильтров RGB (фильтры или шаблоны Байера, рис. 1) позволяет получать более насыщенные и естественные красные и желтые цвета, например оттенки красных роз и кожи человека. Расположение ячеек первичных цветов в таком фильтре приведено на рис. 2: ячейки Gb, Gr расположены на од-

них и тех же горизонтальных строках ПЗС-матрицы, что и ячейки B, R соответственно.

Применение квадратных элементов матриц вместо прямоугольных обеспечивает их эффективную работу в компьютерных приложениях и качественную распечатку отдельных снимков и кадров. Кроме того, использование квадратных пикселей увеличивает чувствительность единичных элементов матриц, за счет лучшего согласования характеристик единичных собирающих линз с параметрами светочувствительных областей каждого из элементов [7].

ПЗС-матрицы с прогрессивным сканированием могут быть использованы как в цифровых фотоаппаратах, так и в видеокамерах. Наибольший эффект применения технологии Wfine CCD достигается при ее использовании в цифровых фотоаппаратах. В этом случае высокое разрешение по вертикали сочетается с цветным изображением наилучшего качества без эффекта смазывания, а отснятые кадры легко подвергаются компьютерной обработке (рекомендация Sony) [7].

Черно-белые ПЗС-матрицы, приведенные в таблице 1, не относятся к технологии Wfine CCD, однако все они используют прогрессивное сканирование, а их элементы имеют квадратную форму. Такие матрицы отличаются от своих цветных прототипов отсутствием массивов цветных фильтров. Основное назначение таких матриц — высококачественные 3-матричные оптические системы цветных видеокамер и черно-белые видеокамеры специального назначения (для замкнутых систем наблюдения, контроля, сетевых приложений и т. п.). Время считывания полного кадра рассматриваемых ПЗС-матриц в основном находится в интервале 1/10-1/30 с, однако для многих типов микросхем имеется возможность уменьшения времени считывания

Рис. 1. Комплементарный и RGB цветовые фильтры

Gb В Gb В

R Gr R Gr

Gb В Gb В

R Gr R Gr

Расположение цветных ячеек в ПЗС-матрицах

Прогрессивное сканирование

т‘><Н:

^■Е

{Ш

^■Е

{-Е

{■О

{Ш

{-0

^■Е

{Е

{-Е

{Е

{-Е

{-Е

{-Е

{-Е

{-Е

{-Е

^-Е

;-Е

^-Е

^-Е

^■Е

^-Е

{-Е

^-Е

^-Е

^-Е

Считывание с пропусками 2/8

т°-^СН:

^-Е

і*

^Е

^-Е

<■0

<■0

<■0

^-Е

^-Е

t-m

<■0

<■0

^-Е

<■0

Г*

Рис. 2. Расположение первичных цветов в ПЗС-матрицах

Рис. 3. Алгоритмы сканирования ПЗС-матриц

до 1/50-1/240 с за счет уменьшения числа считываемых строк (разрешение по вертикали при этом уменьшается). Соответствующие режимы называются высокоскоростными режимами с пропусками (High-speed draft mode). Функционирование микросхем в режиме считывания с пропусками 2/8-line readout mode показано на рис. З. В этом режиме считываются две ячейки из восьми каждого вертикального регистра (зачерненные элементы не считываются).

Рассмотрим особенности некоторых микросхем более подробно.

ICX274AQ

ICX274AQ — цветная ПЗС-матрица формата 1/1,8, с диагональю 8,9 мм с числом эффективных элементов 2,01 М, выполненная по технологии Super HAD CCD [1]. Эта технология в сравнении с HAD CCD (Hole Accumulation Diode) позволяет повысить чувствительность и снизить темновой ток. Микросхема отличается высоким разрешением и качественной цветопередачей, но скорость прогрессивного сканирования составляет 1/15 с. Микросхема предназначена для применения в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, системах видеонаблюдения высокой четкости, промышленном оборудовании. Ее электронный затвор обеспечивает съемку с высокими скоростями без механического затвора, возможна работа и с механическим затвором. Предусмотрены дополнительные режимы с пропусками 2/8, 2/4, парное считывание (2-line addition mode), сканирование центральной области матрицы (Center scan mode, З режима), два режима AF (используются для работы систем автофокусировки) — всего 9 различных режимов считывания.

Основные параметры микросхемы:

• Размер — 8,92З мм,

размер пикселя — 4,4x4,4 мкм.

Длина волны,нм

Рис. 4. Спектральные характеристики микросхемы ICX274AQ

Рекомендуемое число элементов — 1600x1200 (формат 4:3), общее — 1688x1248 (2,11 М). Максимальная частота управления горизонтальным регистром ^н) — 36 МГц (типовая — 28,6364 МГц).

Напряжение питания — 15 В,

Іпотр. = не более 13 мА.

Чувствительность (по зеленому цвету) — не менее 335 мВ (при времени накопления заряда 1/30 с).

Разброс чувствительности по R/B — 0,5/0,6 мВ (спектральные характеристики приведены на рис. 4).

Уровень насыщения выходного сигнала — не менее 400 мВ.

Смаз-----100 дБ, неравномерность сигнала

яркости по полю — не более 20%. Структура микросхемы приведена на рис. 5. Назначения выводов:

1-8 ^04-У01) — входы тактовых импульсов переноса вертикальных регистров;

• 9, 15 ^Ж) — корпус;

• 10 (^зШ:) — аналоговый выход;

• 11 (Vdd) — напряжение питания;

• 12 (0RG) — вход стробирующих импульсов (затвор ключевого транзистора);

• 13, 14, 19, 20 (Н02В, Н01В, Н01А, Н02А) входы тактовых импульсов переноса горизонтального регистра;

• 16 (^иВ) — вход тактового сигнала смещения подложки;

• 17 (Csub) — напряжение смещения подложки (шунтируется конденсатором емкостью 0,1 мкФ).

Наивысшее разрешение по вертикали (1220 пикселей) обеспечивается матрицей в режиме прогрессивного сканирования, при этом время считывания полного кадра составляет 1/15 с. Возможна видеосъемка со скоростями 10 кадр/с (при ^ я 28,6 МГц) и 15 кадр/с (при ^ = 36 МГц). Дополнительные режимы являются вспомогательными, например, в режиме 2/8 считывается информация с каж-

о. *{r1 •Щ •{r] ♦ g"

L X •{el Чві •{el * В

о. Ч R1 HGI Hr 1 ♦ G

л Ї *{gJ 4jlI *{gJ ♦ В

!а * •{Rl •{el ♦ G

1- Q. HG Ч В I HgI * В

J 1 а 4rJ *{gJ •{rJ + G^ *— Note)

горизонтальным регистр

13H14H15H16H17H18H19H20H21H22>

Рис. б. Структура микросхемы ICX415AQ

шт

шшш

HD

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIIIIIIIIIIII lllllllllllllllllllllllllllllll to CT> Ol CT> m in lllllllllllllllllllllllllllllll II II

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIIIIIIIIIIII lllllllllllllllllllllllllllllll lllllllllllllllllllllllllllllll II II

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII - II

V2

шпп

■

ш

OUT llllllllim

CLK HI H2 SHP SHD j

V1

V2

V3

SUB

RG

Uhnmift

lllllllllllli llilllllllllllllllllllllllllllllllllllll lllllllllllllll llllllllllllllll llllillllllllllilllllllllllllllilllllllilllllll lllllillllllllllllllllllillil

llllllllllli lilllllllllllllllllllllllllllllllllllll Hill :

: 1

1 16 1 1 32 1 48 1 32

1 57 h 1 6

lllllllllllil lllllllllllllll lllllllllllllll lllllllllllllll lllllllllllllll lllllllllllllll 111 111 lllll lllllllllllllllllil

Рис. 8. Временные диаграммы тактовых сигналов ПЗС-матриц ICX415AQ/AL в масштабе кадров и строк

дых двух горизонтальных строк матрицы из восьми (рис. 3). При этом время считывания составляет 1/30 с, разрешение по вертикали 330 пикселей, скорость видеосъемки 30 кадр/с. В режиме 2/4 считываются две из четырех строк, время считывания кадра — 1/20 с (610 пикселей, 20 кадр/с).

ICX415AQ

ICX415AQ — цветная ПЗС-матрица с диагональю 8 мм (1/2") стандартного разрешения с квадратным пиксельным массивом и числом эффективных элементов 460К. Микросхема предназначена для систем видеонаблюдения, различных фотографических и промышленных приложений. В режиме прогрессивного сканирования скорость видеосъемки — 1/50 с. Возможно сканирование центральной области матрицы с пониженным разрешением по вертикали. Микросхема производится по технологиям HAD и Wfine CCD.

Основные параметры микросхемы:

• Размер — 8 мм,

размер пикселя — 8,3х8,3 мкм.

• Общее число элементов — 823x592,

490К (формат 4:3).

• Частота управления горизонтальным регистром — 29,5 МГц.

• Напряжение питания — 15 В, 1потр. = 7 мА.

• Чувствительность (по зеленому цвету) — не менее 570 мВ (при времени накопления заряда 1/25 с).

• Уровень насыщения выходного сигнала — не менее 375 мВ.

• Смаз-----100 дБ, неравномерность сигнала

яркости по полю — не более 25%. Структура микросхемы приведена на рис. 6. Назначения выводов:

• 3-5 (V03-V01) — входы тактовых импульсов переноса вертикальных регистров;

• 7 (GND) — корпус;

• 9 (Vout) — аналоговый выход;

• 10 (Cgg) — вход выходного усилителя (подключается конденсатор 0,1 мкФ);

• 12 (Vdd) — напряжение питания;

• 13 (0RG) — вход стробирующих импульсов;

• 14 (VL) — напряжение смещения защитного транзистора;

• 15 (0SUB) — вход тактового сигнала смещения подложки;

• 16, 17 (Н01, Н02) — входы тактовых импульсов переноса горизонтального регистра;

• 20 (Csub) — напряжение смещения подложки (подключается конденсатор 0,1 мкФ);

• 21 (SUBCIR) — напряжение питания подложки.

Типовое включение ПЗС-матрицы с комбинированным генератором синхроимпульсов на микросхеме CXD3611R и АЦП CXD3301R приведено на рис. 7. Кроме рассматриваемой ПЗС-матрицы, совместно с этими микросхемами могут быть использованы и микросхемы ICX415AL, ICX414AQ/AL, ICX424 AQ/ AQB/ AL/ALB. Микросхема CXD3301 R является

10-разрядным АЦП с частотой дискретизации 20 Мвыб/с и схемой выборки-хранения на входе. Драйвер тактовых сигналов H-Dr используется при необходимости работы схемы на удвоенной скорости считывания.

На рис. 8 приведены временные диаграммы тактовых сигналов на выводах матрицы при работе в режиме прогрессивного сканирования в масштабе кадров и в масштабе строк. Временные параметры сигналов на диаграммах существенно отличаются от соответствующих параметров сигналов управления ПЗС-матрицами с межстрочным переносом и чересстрочным сканированием, показанных на рис. 7, 9 в [1].

На диаграммах обозначены следующие сигналы:

• VD, HD — кадровые и строчные синхроимпульсы. Непосредственно на ПЗС-матрицу не подаются. Диаграммы приведены для оценки их временного положения относительно других сигналов. На диаграмме HD обозначены номера строк ТВ-сигнала стандарта 62З/З0 (ПАЛ), «а» — начало кадра, длительность импульсов VD — З76 мкс (9 периодов частоты ТВ-строк).

• V1, V2, V3 — тактовые сигналы вертикального переноса (Vertical transfer clock). Длительность импульсов составляет 48 периодов тактового сигнала CLK (1,627 мкс). На диаграммах также обозначены начало/окончание интервалов в периодах тактового сигнала fH. На диаграмме CLK: 1-4, 42, 138, 144, 163, 166 периодов ґгакт.; на диаграмме Н1: 1-96, 102, 19 периодов; на диаграммах V1-V3: — 48, 32, 16 периодов; на диаграмме SUB: 1-З7, 23, 16, 6 периодов.

• OUT — аналоговый сигнал на выходе ПЗС-матрицы, цифрами обозначены номера горизонтальных строк матрицы (то есть номера эффективных ячеек вертикальных регистров матрицы).

• CLK — задающий сигнал для формирования сетки синхронизированных тактовых импульсов H1, H2, SHP, SHD (частота следования импульсов — 29,З МГц).

• Н1, Н2 — тактовые импульсы горизонтального переноса (Horizontal transfer clock) — типовая длительность импульсов 12 нс, период следования — 33,9 нс.

• SHP, SHD (на рис. 7 XSHP, XSHD) — импульсы для управления схемами выборки-хранения АЦП CXD3301R.

• SUB — тактовые импульсы смещения подложки (Substrate clock), типовая длительность импульсов — 0,8 мкс.

• RG — тактовые импульсы сброса (Reset gate clock), типовая длительность — 7 нс.

ICX445AQA

ICX445AQA — это первая серийная мегапиксельная ПЗС-матрица формата 1/3 (диагональ — 6 мм) для видеокамер наблюдения, где Sony достигает высокого разрешения (1,25 М Effective pixels) и повышенной чувствитель-

ности за счет применения технологии EXview HAD CCD. Микросхема предназначена для высококачественных систем наблюдения, различных сетевых и промышленных приложений. Скорость видеосъемки — 12,З; 1З; 22,З кадров/с в режиме прогрессированного сканирования (progressive) или 25/30 полей/с в режиме interlace. В режиме сканирования центральной области формат получаемого изображения 16:9 при скоростях съемки 25 кадр/с или 30 кадр/с (часть верхних и нижних строк матрицы в этом режиме не считываются). Для достижения высокого разрешения разработчики уменьшили размеры элементарных ячеек и микролинз матрицы.

Смаз-----104 дБ и темновой сигнал (2-6 мВ)

определены производителем как низкие.

EXview HAD CCD — зарегистрированная торговая марка Sony Corp., относящаяся к ПЗС-матрицам с высокой чувствительностью в красной и ближней к инфракрасной областях спектра. Это означает, что устройство подходит для дневных и ночных съемок.

Основные параметры микросхемы:

• Размер — 6 мм,

размер пикселя 3,75x3,75 мкм.

• Общее число элементов — 1348x976, 1,32 М, активное 1280x960, 1,23 М (4:3).

• Частота управления горизонтальным регистром — 29 или 36 МГц.

• Напряжение питания — 15 В,

Іпотр. = 10 мА.

• Чувствительность (по зеленому цвету) — не менее 300 мВ.

• Уровень насыщения выходного сигнала — не менее 350 мВ.

• Смаз-----104 дБ, неравномерность сигнала

яркости по полю — не более 20%. Структура микросхемы приведена на рис. 9. Назначения выводов:

• 1-8 ^02В-У04А) — входы тактовых импульсов вертикального переноса;

• 9-10 ^05Т, V0HLD) — входы управления сложением горизонтальных строк;

• 11 (^) — напряжение смещения защитного транзистора;

400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны,нм

Рис. 10. Спектральные характеристики микросхемы ICX445AKA

• 13 (УоШ:) — аналоговый выход;

• 14, 15 (GND) — корпус;

• 16 (0RG) — вход стробирующих импульсов;

• 17 ^Н001) — вход выходного каскада горизонтального регистра;

• 18-21 (Н02А-Н02В) — тактовые входы горизонтального регистра;

• 22 (08иВ) — вход тактового сигнала смещения подложки;

• 24 (Vdd) — напряжение питания.

Одна из последних модификаций рассматриваемой ПЗС-матрицы — это микросхема ІСХ445АКА, отличающаяся применением комплементарного цветного фильтра. Соответствующая спектральная характеристика приведена на рис. 10. Повышенная чувствительность матрицы в зелено-желтой, красной и ближней к инфракрасной областях спектра обеспечивает высокое качество изображения при небольших уровнях освещенности [8]. Частота управления горизонтальным регистром — до 40,5 МГц. Микросхема может работать в режимах вертикального и горизонтального суммирования пикселей, что позволяет захватывать изображения с VGA-разрешением на скорости 60 кадр/с. Возможные режимы работы микросхемы приведены в таблице 2.

Таблица 2. Режимы работы микросхемы ICX445AQA

Режимы работы микросхемы 1СХ445АКА Скорость съемки Число эффективных пикселей

Режим прогрессивного сканирования НТСЦ — 15 кадров в секунду ПАЛ — 12,5 кадр/с Максимальная — 22,5 кадр/с 1296x966, 4:3

Режим сканирования центральной области матрицы НТСЦ — 30 кадр/с ПАЛ — 25 кадр/с 1296x728, 16:9

Режим суммирования четырех пикселей 1 НТСЦ — 60 кадр/с ПАЛ — 50 кадр/с 648x483, 4:3

Режим суммирования четырех пикселей 2 НТСЦ — 30 кадр/с ПАЛ — 25 кадр/с 648x483

Режим прогрессивного сканирования НТСЦ — 30 полей/с ПАЛ — 25 полей/с 1296x966

Режим прогрессивного сканирования центральной области матрицы НТСЦ — 60 полей/с ПАЛ — 50 полей/с 1296x728

Спектральная характеристика чернобелой ПЗС-матрицы ICX445ALA приведена на рис. 11. Все рассмотренные исполнения микросхем 1СХ445... оптимальны для построения систем видеонаблюдения высокого разрешения, позволяющих уверенно идентифицировать объекты наблюдения при низком уровне освещенности и высоком разрешении по горизонтали и вертикали.

ICX618AQA

ICX618AQA — цветная ПЗС-матрица стандартного VGA-разрешения, формата 1/4 (диагональ — 4,5 мм), предназначенная для использования в системах видеонаблюдения, сетевых камерах и различных промышленных приложениях. Микросхема совместима по выводам с прототипами ICX098BQ, ICX614AQA, по сравнению с ними имеет повышенную

чувствительность и меньший уровень смаза. Микросхема может быть использована для модернизации существующих систем видеонаблюдения и других приборов без каких-либо изменений в схемах и конструкциях. ICX618AQA обеспечивает скорость видеосъемки в режиме прогрессивного сканирования 60 кадров/с (время считывания полного кадра — 1/60 с). Чувствительность к зеленому цвету и в спектре, близком к инфракрасному, улучшена значительно — за счет применения технологии EXview HAD CCD. Чип включает электронный затвор, позволяющий обходиться без механического. Смаз низкий (-110 дБ). Микросхема ICX618AKA отличается применением комплементарного цветного фильтра (прототип ICX614AKA) и большей чувствительностью. Черно-белая ПЗС-матрица ICX618ALA имеет чувствительность на 3,5 дБ больше, чем у прототипа — ICX614ALA.

Основные параметры микросхемы:

• Размер — 4,5 мм,

размер пикселя 5,6x5,6 мкм.

• Общее число элементов — 692x504, 350К.

• Частота управления горизонтальным регистром — 24,54 МГц.

• Напряжение питания — 15 В,

Іпотр. = 6 мА.

• Чувствительность (по зеленому цвету) — не менее 800 мВ.

• Уровень насыщения выходного сигнала — не менее 800 мВ.

• Смаз----110 дБ, неравномерность сигнала

яркости по полю — не более 20%. Структура микросхемы приведена

на рис. 12. Назначение выводов в основном совпадает с соответствующими назначениями выводов уже рассмотренных микросхем. Типовое включение рассматриваемых микросхем с комплексным генератором тактовых импульсов вертикального переноса (CCD Vertical Clock Driver) на микросхеме CXD1267AN приведено на рис. 13. На рис. 14 приведены временные диаграммы сигналов на выводах микросхем в масштабе кадров и в масштабе строк.

На диаграммах обозначены следующие сигналы:

• VD, HD — кадровые и строчные синхроимпульсы. На диаграммах HD обозначены номера строк ТВ-сигнала, цифрами отмечены точки отсчета диаграмм относительно фронта импульса HD, обозначенного

единицей, и длительности контрольных интервалов. Единица измерения — период следования импульсов тактового сигнала CLK, длительность импульсов HD составляет 78 периодов сигнала CLK (ta я 3,18 мкс).

• V1, V2A/V2B, V3A/V3B, V4 — тактовые импульсы вертикального переноса. На рис. 15 цифрами обозначено положение фронтов и спадов импульсов относительно единицы на диаграмме HD.

• OUT — выходной аналоговый сигнал. Цифрами на диаграмме обозначены номера горизонтальных строк матрицы.

• BLK — строчный гасящий импульс ТВ-сиг-нала.

• CLK — задающий тактовый сигнал для формирования импульсов H1, H2 и других. Частота — 24,54 МГц, Т я 40,75 нс.

• Н1, Н2 — тактовые импульсы горизонтального переноса, типовая длительность импульсов — 14,6 нс.

• SUB — тактовые импульсы смещения подложки. Типовая длительность импульсов — 0,73 мкс.

основные особенности и параметры микросхем ПЗС Sony

При выборе ПЗС-матриц для конкретных приложений неизбежно встает вопрос о совместимости формируемых сигналов с различными стандартами телевизионных или компьютерных видеосигналов. В случаях,

когда выходные сигналы разрабатываемых устройств необходимо подавать на мониторы (или телевизоры) определенных стандартов, следует выбирать ПЗС-матрицы, формирующие сигналы такого же стандарта. Sony выпускает ПЗС-матрицы с прогрессивным сканированием для стандартов 625/50 (используются в системе ПАЛ) и 525/60 (НТСЦ). Для замкнутых систем, таких как промышленное оборудование, системы видеонаблюдения и охраны, сетевые системы мониторинга и т. п., стандарт выходного сигнала матриц не критичен. Обычно в замкнутых системах используют специальные видеомониторы (входы RGB, HDMI и т. д.) или компьютерные мониторы (VGA, SVGA), способные отображать сигналы обоих стандартов. Для таких случаев подходят все микросхемы, приведенные в таблице 1. Коротко перечислим основные их особенности и параметры.

ICX285AQ/AL — цветные (AQ) или монохромные (AL) микросхемы формата 2/3 (диагональ 11 мм), обеспечивают высокое разрешение, которое производитель определяет как четкость неподвижного изображения в 800 твл (телевизионных линий) в формате 4:3 (по сигналу яркости). Время считывания — 1/15 с, возможна видеосъемка со скоростью 60 кадр/с с разрешением 256 строк по вертикали. ґгакт. = 28,64 МГц, размер пикселя — 6,45x6,45 мкм.

ICX414AQ/AL — микросхемы, которые обеспечивают поддержку VGA. Время считывания полного кадра 1/60 с, в дополнитель-

ных режимах сканирования центральной части матрицы скорость съемки 120 кадр/с (222 строки по вертикали) и 240 кадр/с (76 строк). ґгакт. = 24,54 МГц, размер пикселя — 9,9х9,9 мкм.

ICX205AL/AK — время сканирования полного кадра 1/7,5 с. Возможна съемка со скоростью 30 кадр/с (разрешение 256 строк), в режиме с пропусками 2/8, 1/4, 9/12. Эти микросхемы обеспечивают четкость неподвижного изображения 800 твл. ^акт. = 14,318 МГц, размер пикселя — 4,65x4,65 мкм.

ICX267AK/AL — четкость неподвижного изображения 800 твл. Возможна съемка со скоростью 30 кадр/с (512 строк по вертикали). ґгакт. = 28,636 МГц, размер пикселя — 4,65x4,65 мкм, скорость считывания 1/15 с. Возможна работа в режимах пропуска 2/4, 3/4, 7/8 при четкости 400 твл.

ICX424AQ/AQB/AL — поддержка VGA. ^акт. = 24,54 МГц, размер пикселя — 7,4х7,4 мкм. Скорость съемки 60 кадр/с, в режимах сканирования центральной части матрицы — 120 кадр/с (222 строки), 240 кадр/с (76 строк).

ICX204AK/AL — четкость неподвижного изображения 600 твл, время считывания — 1/20 с (при ґгакт. = 20 МГц), скорость съемки в режиме с пропусками 1/3 — 60 кадр/с.

ICX445AKA/ALA/AQA — микросхемы с диагональю 1/3 (6 мм) с межстрочным переносом, полнопиксельным прогрессивным режимом до 22,5 кадр/с и центрированным со скоростями 25 кадр/с или 30 кадр/с. Микро-

V3A/V3B

CCD OUT -

ж

CLK

SUB

13 31 9 9 9 9 9 9 9 9 16 : : о ! ^

2,

53 ЯП

98

71

44

89

62

107

89

107

Рис. 14. Временные диаграммы сигналов ПЗС-матриц ICX618AQA в масштабе строк и кадров

схемы могут работать в обоих ТВ-стандартах (625/50 и 525/60).

Заключение

Компания Sony выпускает значительно больше типов ПЗС-матриц с прогрессивным сканированием (и не только), чем приведено на официальном сайте фирмы. Эта категория микросхем предназначена для собственной аппаратуры, своих авторизованных сервисных центров и для поставок другим производителям электронной техники. Техническая информация на них в свободном доступе отсутствует. Более полная информация по применению рассмотренных в статье микросхем имеется в их листах данных, можно также использовать листы данных комплексных генераторов тактовых импульсов CXD1265R, CXD1257AR, CXD3611R и других [9]. ■

Литература

1. Петропавловский Ю. Особенности применения ПЗС-матриц с межстрочным переносом // Компоненты и технологии. 2009. № 5.

2. Прогрессивные и псевдопрогрессивные системы развертки — http://www.spytek.ru/articles/384/

3. Shigeyuki Ochi, et al. Charge-Coupled Device Technology. Vol 30, CRC Press, 1997 — http:// books.google.ru

4. Лазовский Д. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир — http://www.autex. spb.ru/download/sensors/ccd.pdf

5. Неизвестный С., Никулин О. Приборы с зарядовой связью // Специальная техника. 1999. № 4-5.

6. http://www. sony.net/Products/ SC-HP/pro/image_ senser/progressive_scan.html

7. Wfine CCD — http://www.sony.net/Products/ SC-HP/cx_news/vol11/pdf/wccd.pdf

8. CX-NEWS, VOL 44 — http://www.sony.net/ Products/SC-HP/cx_news/vol44/np_icx445aka. html

9. http://www.alldatasheet.com/