Принцип действия цифровых видеокамер

В конце двадцатого века развитие микроэлектронных технологий, с одной стороны, и компьютерных систем обработки информации с другой стороны, привело к появлению нового преобразователя оптического изображения в электрический сигнал приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Основным элементом ПЗС является МОП-конденсатор. Он обладает тремя свойствами, позволившими создать технологию цифровой видеозаписи. Во-первых, световое излучение вызывает накопление внутри МОП - конденсатора отрицательного электрического заряда. Во-вторых, за счет последовательной подачи напряжения на рядом расположенные МОП - конденсаторы можно обеспечить продвижение заряда вдоль этой линейки конденсаторов. В-третьих, заряды перемещаются дискретными порциями, поэтому на выходе ПЗС несложно получить цифровой сигнал, который можно быстро передавать и легко преобразовывать.

Схема МОП-конденсатора, состоящего из слоёв «металл - окисел – полупроводник», представлена на рис. 1.3.1, приведенном в [4]. Одной из обкладок такого конденсатора является металл, другой — полупроводниковая подложка, их разделяет диэлектрик (тонкий слой окисла бес­примесного полупроводника). Если к электроду приложить положи­тельный потенциал + U, то основные носи­тели (дырки) отойдут вглубь объема. Не основные носи­тели (электроны) будут подниматься ближе к слою окисла.

Рисунок 1.3.1. Устройство МОП-конденсатора (разрез).

Если расположить в плоскости боль­шое число конденсаторов МОП-структу­ры и спроецировать на нее оптическое изображение передаваемого объекта, то из-за световой инжекции произойдет направленное введение неосновных носи­телей в ПЗС. Накопленный заряд в МОП-конденсаторах будет пропорционален ко­личеству попавших на них фотонов и времени накопления.

Для обеспечения направленного пере­носа заряда при наличии цепочки из кон­денсаторов применяют сдвиговый ПЗС-регистр (рис.1.3.2).

Рисунок 1.3.2. Схема переноса заряда в соседних МОП-конденсаторах.

Если два МОП-конденсатора расположены рядом и к левому конденсатору приложен большой положительный потенциал, а к правому - небольшой либо нулевой, то слева накопится заряд (рис. 1.3.2, а). Если изменить потенциалы на электродах (рис. 1.3.2, б), то из-за образовавшейся под правым элект родом потенциальной ямы заряд пе­ретечет с левого конденсатора в правый (рис. 1.3.2, в). Таким образом в линейке МОП-конденсаторов можно обеспечить самосканирование [4], т.е. передачу информации передается к выходу строки с помощью продвигаю­щих импульсов напряжения.

Передвигаемый заряд пропорционален количеству энергии излучения, попавшего на первый МОП-конденсатор. Поэтому если расположить в плоскости боль­шое число конденсаторов МОП-структу­ры и спроецировать на нее оптическое изображение передаваемого объекта, то эти МОП-конденсаторы преобразуют оптическое изображение на поверхности МОП-структу­ры в пропорциональное дискретное (прерывистое) распределение электрического заряда в конденсаторах этой структуры.

ПЗС-матрица цифровой видеокамеры содержит 2 секции МОП-структу­ры. В первой накопленные заряды одновременно формируются во всех МОП-конденсаторах под воздействием света и в промежутке между экспозициями одновременно сдвигаются во вторую секцию, предназначенную для хранения информации, экранированную от света. В течение следующего накопления заряда в МОП-конденсаторах первой секции, заряды, уже находящиеся во второй секции, построчно выносятсяк выходному регистру, откуда поэлементно передаются на обработку.

Так как информация об оптическом изображении передаётся электрическими зарядами дискретно (порциями), то с помощью дальнейшей обработки её несложно превратить в цифровые сигналы. Последние обладают рядом преимуществ по отношению к аналоговым: более помехоустойчивы, а, главное, легко обрабатываются и, следовательно, их можно оперативно передать, записать, воспроизвести и преобразовать.

В настоящее время в производстве цифровой видеотехники используются более совершенные КМОП-матрицы [5], где к каждому элементу присоединён транзисторный усилитель для считывания. Это обеспечивает произвольный порядок считывания информации с элементов матрицы и соответственно ускоряет доступ к требуемым участкам записанного изображения. Еще более совершенным вариантом является Live-MOS матрица [5], в которой ряд новых технических решений позволил обеспечить более высокое качество изображения.

Получение цветного изображения обеспечивается использованием оптических цветных фильтров перед разными элементами матрицы. Существую также матрицы, где элементы, чувствительные к разным цветам, расположены один под другим аналогично цветной киноплёнке.

Использование в видеокамерах матрицы вместо приёмной трубки позволило значительно уменьшить их габариты по сравнению с аналоговыми камерами при значительном повышении качества изображения, увеличить скорость передачи информации. Открылись новые возможности обработки изображения. Но возник риск появления дополнительных по отношению к аналоговым камерам искажений. Матрица дискретна не только по горизонтали, но и по вертикали. Поэтому муар-эффект возможен по всем направлениям. Таким образом, изображения, состоящие из периодически расположенных дискретных элементов, могут искажаться.