CCD (krūvio sąsajos įtaiso) kamerų skiriamosios gebos tyrimas

Darbo tikslas: ištirti ir palyginti skirtingų kamerų skiriamąją gebą. Gauti maksimalios raiškos oscilogramas. Aptarti gautus rezultatus.

Darbo užduotis:

1. Ištirti CCD matricų schemas.
2. Pajungti CCD kamerą prie oscilografo.
3. Išmatuoti signalo moduliacijos gylį, esant maksimalios skiriamosios gebos taške.
4. Aptarti gautus rezultatus.

CCD matricos principinė elektrinė schema

1 pav. ICX095AK CCD matricos principinė elektrinė schema.

Papildoma informacija apie Sony CCD matricą pateikta ICX059AK mikrolusto aprašymo priede.

Krūvio sąsajos įtaisai

Svarbią funkcinės elektronikos įtaisų grupę sudaro krūvio sąsajos įtaisai (angl. CCD – charge coupled devices). Tokį įtaisą sudaro ant puslaidininkinio pagrindo arti vienas kito suformuoti MOP dariniai (2.1 pav.). Įtaisų veikimas pagrįstas tuo, kad puslaidininkio paviršiniame sluoksnyje po MOP darinio dielektriniu sluoksniu galima sudaryti šalutinių krūvininkų krūvį. Keičiant metalinių elektrodų potencialus, krūvį galima perstumti reikiama kryptimi.

Procesai, vykstantys krūvio sąsajos įtaise

Krūvio sąsajos įtaiso metaliniai elektrodai vadinami užtūromis. Prijungus prie užtūrų pakankamai dideles pagrindo atžvilgiu įtampas, puslaidininkyje po užtūromis gali susidaryti gilios nuskurdintosios sritys. Kadangi tarpai tarp užtūrų maži, nuskurdintosios sritys susilieja į bendrą nuskurdintąjį sluoksnį. Kai įtampos didesnės nei slenkstinė įtampa, po tam tikro laiko gali susidaryti apgrąžiniai sluoksniai, tačiau šie sluoksniai krūvio sąsajos įtaisuose nepageidautini.

Sakykime, kad pagrindui naudotas p puslaidininkis. Prie užtūrų prijungtos teigiamos pagrindo atžvilgiu įtampos. Jeigu užtūrų įtampos vienodos (sakykime U₁), nuskurdintojo sluoksnio storis yra vienodas. Tačiau, jeigu veikia didesnė užtūros įtampa U₂ > U₁ , nuskurdintojo sluoksnio storis yra didesnis. Taigi, jeigu užtūrų įtampos nevienodos, susidaro nuskurdintojo sluoksnio dugno reljefas (2.2 pav., a). Geometrinį nuskurdintojo sluoksnio reljefą atitinka potencialo reljefas – po elektrodais, kurių įtampos didesnės, susidaro elektronų potencinės energijos duobės.

Sakykime, kad pirmosios ir trečiosios užtūrų įtampos yra U₁, o antrosios užtūros įtampa yra U₂ > U₁. Tada tarp antrosios ir jai gretimų užtūrų susikuria elektrinis laukas, kuris neleidžia elektronams išeiti iš potencialo duobės po antrąja užtūra. Todėl, jeigu po antrąja užtūra kažkaip būtų sudarytas elektronų krūvio telkinys, tai jis galėtų būti saugomas santykinai ilgą laiką, nes nuskurdintajame sluoksnyje beveik nėra skylių ir elektronai negali rekombinuoti.

Bendras neigiamasis krūvis po dielektriniu sluoksniu priklauso nuo įtampos. Todėl, atsiradus elektronų krūvio telkiniui, sumažėja akceptorinės priemaišos jonų krūvis, nuskurdintojo sluoksnio storis ir potencinės duobės gylis. Tai parodyta 2.2 pav., b.

Kai elektronų telkinys saugomas po užtūra, visgi dėl šiluminės generacijos atsiranda papildomų krūvininkų. Todėl didėja krūviai po visomis užtūromis ir jų fone saugomas krūvio telkinys tarsi nyksta. Be to, dalis telkinio elektronų rekombinuoja. Todėl krūvio telkinio saugojimo trukmė yra ribota – iki dešimčių milisekundžių. Dėl šios priežasties krūvio sąryšio įtaisuose panaudojamos nestacionariosios MOP darinio savybės, o pats krūvio sąryšio įtaisas yra dinaminio tipo įtaisas. Jame, periodiškai keičiant užtūrų įtampas, krūvių telkiniai perstumiami išilgai MOP darinių grandinės.

Sakykime, kad pradiniu momentu pirmosios ir trečiosios užtūrų įtampos buvo U₁ = 5 V, antrosios užtūros įtampa buvo U₂ = 10 V ir po ja buvo sudarytas elektronų krūvio telkinys. Tada prie trečiosios užtūros prijungus įrašymo įtampą U₃ = 15 V (2.3 pav.), po ja susidaro gilesnis nuskurdintasis sluoksnis (gilesnė potencinės energijos duobė), ir elektronai, veikiami elektrinio lauko, kuris susidaro tarp trečiosios ir antrosios užtūros, pasislenka po trečiąja užtūra. Jeigu tuomet antrosios užtūros įtampa sumažėja iki 5 V, o trečiosios užtūros – iki 10 V, elektronų telkinys lieka po trečiąja užtūra.

Trifazis krūvio sąsajos įtaisas

Išsamiau aptarkime, kaip sudaromas krūvio telkinys, kaip jis perstumiamas ir kaip nuskaitoma informacija apie šį telkinį. Panagrinėkime krūvio sąsajos įtaisą, kurio MOP darinių grandinės periodą sudaro trys MOP ląstelės ir naudojama trijų fazių valdymo schema (2.4 pav.). Įtaiso įėjime yra pn sandūra. Sakykime, kad pradiniu laiko intervalu veikia teigiama užtūros U₁ įtampa ir neigiamasis įėjimo impulsas. Tada elektronai iš n srities injektuojami po pirmąja užtūra ir po ja susidaro elektronų krūvio telkinys (2.4 pav., a).

2.4 pav. Trifazis krūvio sąsajos įtaisas

Jeigu tuomet užtūrų įtampos kinta taip, kaip pavaizduota 2.5 pav., krūvio telkinys juda krūvio sąsajos įtaisu nuo jo įėjimo išėjimo link. Pirmojo takto metu (2.5 pav. tarp laiko momentų 0 ir 1) krūvio telkinys saugomas po užtūra U₁ (2.6 pav., a). Antrojo takto metu (laiko intervalu 1–2) padidėja užtūros U₂ įtampa ir krūvio telkinys pasislenka po šia užtūra (2.6 pav., b). Trečiojo takto metu (intervalu 2–3) krūvio telkinys saugomas po užtūra U₂ (2.6 pav., c).

Pasibaigus valdymo įtampų u_A,u_B,u_C periodui (praėjus šešiems taktams), krūvio telkinys atsiduria po užtūra U₄ - yra perstumtas per krūvio pernašos įtaiso erdvinį periodą (2.6 pav., d).

Kai elektronų krūvio telkinys pasiekia paskutinę užtūrą (2.4 pav. – U₆), jis atsiduria prie pn sandūros. Kadangi prie šios sandūros n srities prijungta atvirkštinė įtampa (2.4 pav., b), išėjimo grandinėje gaunamas srovės impulsas. Taip pasibaigia krūvio pernaša krūvio sąsajos įtaise. Beje, čia aptarėme vieno krūvio telkinio pernašą. Be abejonės, krūvio sankaupos į krūvio sąsajos įtaisą gali būti įvedamos periodiškai, kas periodą T.

Skiriamoji geba

Skiriamąja geba apibūdinamas ekrane matomo vaizdo aiškumas, tikslumas, ryškumas. Ji parodo kiek užfiksuoto vaizdo detalių galime išskirti TV ekrane. Skiriamoji geba skirstoma į vertikaliąją ir horizontaliąją.

Vertikalioji skiriamoji geba – išskiriamų vaizdo detalių kiekis vertikaliąja kryptimi. Ji matuojama išskiriamų horizontalių linijų skaičiumi, matomu visame kadre. Šis skaičius yra ribojamas CCIR/PAL standartu iki 625 linijų. Bet atsižvelgiant į kadrų sinchroimpulsus ir t. t, efektyvių linijų skaičius yra lygus 400.

Horizontalioji skiriamoji geba – išskiriamų vaizdo detalių kiekis horizontalia kryptimi, t. y maksimalus kiekis individualių vaizdo detalių kurios dar gali būti išskirtos. Ji matuojama vertikalių linijų (TV-linijų) skaičiumi, matomu visame kadro plotyje. Tipinė vertė vaizdo stebėjimo sistemose yra 500–600 TV-linijų esant standartiniam 4,2 MHz dažnių juostos pločiui.

TV linija – tai yra standartinis analoginės televizijos skiriamosios gebos matavimo vienetas. TV linijų skaičius parodo maksimalų išskiriamų pokyčių skaičių vienoje horizontalioje signalo eilutėje vienu metu. Skirtingai nuo kino juostos, kurios skiriamoji geba matuojama linijų poromis, analoginėje televizijoje TV linijos matuojamos kaip atskirų matomų juodų ir baltų vertikalių linijų kiekis horizontalioje eilutėje.

HAD ir Super HAD

HAD (angl. Hole-Accumulation-Diode) – tai „Sony“ kompanijos patentuota technologija skirta sumažinti elektroninį triukšmą CCD sensoriuje ir padidinti sensoriaus jautrumą. Triukšmas sumažinamas silpninant „juodąją srovę“ (srovę kuri atsiranda net kai CCD elementas nėra apšviestas). Elektronų skylutės yra surenkamos atskirame puslaidininkio sluoksnyje, kuris veikia kaip diodas neleidžiantis skylutėms ištrūkti. Taip yra efektyviai sumažimas nepageidaujamas triukšmas CCD elemente.

„Hyper HAD“ – tai CCD matricos tipas, sukurtas „Sony“. „Sony“ pirmoji pradėjo naudoti mikrolęšius ant kiekvieno CCD matricos pikselio (kiekvienam pikseliui yra priskirtas vienas fotodiodas, kuris, paveiktas šviesos, sužadina savyje elektronus, kurie iš kiekvieno pikselio paeiliui perstumiami į nuskaitomąjį įrenginį). Per mikrolęšius šviesa, patenkanti į tarpą tarp pikselių, yra nukreipiama į sensorių. Toks sensorius yra daug jautresnis. Mikrolęšiai CCD šviesos surinkimą padidina nuo 40 % (CCD be „Hyper HAD“) iki 70 %. Be to, „Hyper HAD“ CCD atstumas tarp mikrolęšių yra labai mažas, kas dar labiau padidina CCD efektyvumą net su mažesniu pikselių dydžiu.

„Super HAD“ – „Sony“ sukurtas CCD matricos tipas. Šis sensorius yra patobulintas „Hyper HAD“ sensoriaus variantas, turintis papildomą mikrolęšį tarp pirmojo mikrolęšio ir sensoriaus. Naudojant objektyvą su didesniu F-skaičiumi (F skaičius parodo, kokį šviesos kiekį praleidžia objektyvo diafragma. Kuo mažesnis F skaičius – tuo daugiau praleidžiama šviesos. Skaičiuojamas dalijant židinio nuotolį iš lęšio skersmens), mikrolęšiai negali į sensorių sufokusuoti platesniu kampu krintančių spindulių, todėl sensoriaus jautrumas sumažėja. Antras mikrolęšių sluoksnis padeda šią problemą išspręsti, sukoncentruodamas spindulių pluoštą į sensorių.

Eksperimento metodas

Eksperimentas atliekamas pagal schemą pavaizduotą pav. 3.1 naudojant oscilografą, monitorių, testinę lentelę EIA1956 (pav. 3.2) ir dvi kameras: A – AOP-P5320H su CCD matrica Sony 1/3“ , turinčią 420 TV-linijų horizontaliąją skiriamąją gebą.; B – AOPP5320SB su CCD matrica „Sony SuperHAD“ 1/3“, tūrinčią 480 TV-linijų horizontaliąją skiriamąją gebą.

Eksperimento metu reikia ištirti nurodytų kamerų elektrinį signalą (PAL) naudojant oscilografą ir televizorių ir gauta maksimali skiriamoji geba.

Pagal apibrėžimą – maksimalioji skiriamoji geba yra signalo vieta, kur signalo moduliacijos gylis M lygus 5 % (pav. 3.3). Moduliacijos gylį galima apskaičiuoti pagal formulę:

Eksperimento planas

1. Prijungiame CCD kamerą prie televizoriaus.
2. Priešais kameros objektyvą pastatome testavimo lentelę.
3. Sufokusuojame kameros objektyvą į lentelę taip, kad ji butų ryškiai matoma per visą televizoriaus ekraną.
4. Per šakotuvą prijungiame kamerą prie oscilografo.
5. Oscilografu analizuojame televizoriuje matomą signalą.
6. Surandame reikiamą eilutę oscilografo ir televizoriaus pagalbą.
7. Išsaugome oscilografo parodymus esant skirtingam TV linijų skaičiui, kurį nustatome pagal testavimo lentelę ir pagal oscilografe matomą signalą.
8. Surandame ribą, kur TV linijos jau neišskiriamos.
9. Palyginame gautus duomenis su pateiktais kameros gamintojo.
10. Įvertiname gautus neatitikimus ir jų priežastis.

Išvados

Eksperimento metu buvo ištirta CCD kamerų horizontalioji skiriamoji geba. Nustatyta, kad:

1) A tipo kamera turi maksimalią skiriamąją gebą lygią 400 Tv-linijų, nes eksperimento metu gautas moduliacijos gylis lygus:

Tokiu būdu galima padaryti išvadą, kad kamera A tipo neatitinka standarto reikalavimų.

2) B tipo kamera turi maksimalią skiriamąją gebą lygią 500 Tv-linijų:

Tai reiškia, kad panaudojus „Super HAD“ technologiją, galima gauti didesnę skiriamąją gebą negu buvo aprašyta kameros aprašyme.

Atitinkamos linijos suradimui oscilografo ekrane buvo sugalvotas apytikslis nustatymo metodas. Šis metodas pagristas tuo, kad televizijos signalo puskadris trunka apie 20 ms, tai reiškia kad mes galime sugraduoti monitoriaus ekraną ir naudojant oscilografo postūmio nuo puskadrio pradžios funkciją su tam tikra paklaida atrasti mus dominčią eilutę (pvz. 10 ms postūmis reiškia pusę puskadrio).

Bibliografinių nuorodų sąrašas

1. ŠTARAS, Stanislovas. Pulaidininkinės ir funkcinės elektronikos įtaisai. Vilnius: Technika, 2006. ISBN 9986-05-879-1.
2. ДАМЬЯНОВСКИ, Владо. CCTV Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии. Москва: ООО „Ай-Эс-Эс Пресс“, 2006. 480 p. ISBN 5-87049-260-2.
3. Allse – vaizdo stebėjimo sistemos [interaktyvus]. Lietuva, Vilnius [žiūrėta 2009 m. gegužės 9 d.].