ПЗС матрицы

Долгое время миниатюризация телевизионной передающей аппаратуры тормозилась использованием в ней в качестве преобразователя света в электрический сигнал электровакуумных приборов, обладающих достаточно большими габаритами и сложной системой управления электронным лучом (например, видиконов). В связи с этим в течение многих лет велись широкие поисковые работы в направлении создания безвакуумных анализирующих устройств - аналогов передающих электронно-лучевых трубок. Изобретенные в 1969 году приборы с зарядовой связью позволили решить эту проблему и создать твердотельные передающие приборы с числом элементов разложения, соответствующим телевизионным стандартам.

Ныне во всех теле-, видео-, фотокамерах в качестве преобразователя света в электрический сигнал применяются видеоматрицы построенные на технологиях CCD (Charge Coupled Device - Прибор с Зарядовой Связью, по русски - ПЗС) и CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor - Комплиментарный Металл-Оксид-Полупроводник, по-русски - КМОП). Принципиальное различие между ними лежит не в способе накопления заряда, а в способе передачи накопленного заряда на оконечные устройства.

Поясним принцип работы видеоматрицы.

Матрица представляет собой миниатюрную площадку, на которой создана система микроминиатюрных МОП-конденсаторов: одной из обкладок каждого конденсатора служит металлический электрод, а второй полупроводник. Диэлектриком является тонкий слой окисла полупроводника. Когда на любой из конденсаторов падает свет, происходит процесс его зарядки, причем величина полученного заряда зависит от интенсивности падающего на него света. Таким образом, по полю матрицы формируется потенциальный рельеф, отражающий поступающее видеоизображение.

В дальнейшем полученный потенциальный рельеф считывается согласно телевизионным стандартам (кадр формируется так: построчно все конденсаторы матрицы сбрасывают накопленный заряд, формируя зависимость тока от времени, которая и переводится в стандартный телевизионный сигнал). Сигнал на выходе ПЗС матрицы - аналоговый.

Принцип работы наиболее распространенных цветных видеоматриц похож на рассмотренный нами выше, однако в этом случае каждый элемент делится минимум на три части, каждая из которых отвечает за свою цветовую составляющую (цветоделение производится специальным мозаичным светофильтром, наносимым на видеоматрицу, который к каждому элементу пропускает только ту цветовую составляющую, за которую он отвечает).

Число элементарных конденсаторов (элементов) по горизонтали определяет горизонтальное разрешение, а число элементов по вертикали жестко привязано к телевизионному стандарту. Стандарт черно-белого (Ч/Б) телевидения - CCIR и стандарт цветного - PAL определяют количество строк в поле изображения - 625 число полей и кадров соответственно 50/25.

Различие технологий CCD и CMOS в следующем.

В ПЗС матрице заряд передается последовательно - из ячейки в ячейку по вертикальным сдвиговым регистрам (столбцам) и затем в горизонтальный сдвиговый регистр (строку) - все зарядовые пакеты (с каждой ячейки) считываются последовательно и затем преобразуются в напряжение в единой электронной схеме.

В КМОП матрице преобразование заряда в напряжение происходит на самой ячейке, а считывание ячейки происходит индивидуально, по ее координатам в матрице. И в этом заключена как ее сила, так и ее слабость... Сила состоит в том, что значительная часть управляющей электроники находится на самой ячейке, что дает недостижимую для ПЗС матриц гибкость в электронной обработке сигнала. КМОП архитектура позволяет производить электронную обработку изображения и аналого-цифровые преобразования непосредственно на чипе.

Благодаря другому, чем в ПЗС матрицах доступу к ячейкам, в КМОП легко организовать считывание сигнала с произвольной области матрицы. Другими словами легче реализовать цифровой зум!
КМОП матрицы являются, в некотором роде, самодостаточными устройствами и поэтому не требуют лишних схем и плат, а потому могут быть весьма малы по размеру. КМОП-сенсоры требуют меньше энергии, чем ПЗС, поэтому они более эффективны и не так дороги в эксплуатации.
И самое главное - КМОП технология ощутимо дешевле в производстве, нежели ПЗС.

Но КМОП матрица имеет и свои недостатки.

Во-первых, преобразование заряда в напряжение и усиление происходят индивидуально на каждой ячейке. То есть мы имеем сотни тысяч маленьких усилителей, каждый из которых шумит и шумит индивидуально. Нетрудно понять, что шумы КМОП матрицы, мягко говоря, значительно превосходят шумы ПЗС матрицы.

Во-вторых, значительную часть площади ячейки занимает ее электронная «обвязка», а значит, при одинаковом размере пикселя площадь непосредственно светочувствительной области на ячейке КМОП матрицы будет заметно меньше, чем на ячейке ПЗС матрицы. Что это означает для чувствительности - объяснять не надо... То есть платой за гибкость в электронной обработке и дешевизну производства является заметно меньшая чувствительность и более высокий уровень шума КМОП матриц. А ведь это - наиболее критичные для видеокамер параметры.

Именно поэтому, несмотря на широкое распространение КМОП матриц, например, при производстве цифровых фотоаппаратов, мобильных телефонов с камерами, в видео и телевизионных камерах больше все-таки применяются матрицы технологии CCD.

Формат

Формат - параметр, характеризующий размеры видеоматрицы камеры. К сожалению, этот параметр мало отражает физические размеры видеоматрицы и исторически связан с электронно-лучевыми трубками.

Формат указывается в дюймах и позволяет определять угол зрения камеры при применении объектива с тем или иным фокусным расстоянием. Чем выше формат матрицы, тем больше ее физические размеры и тем больший угол обзора она может обеспечить. Этот параметр жестко не связан с физическими размерами и видеоматрицы, имеющие один и тот же формат могут иметь немного разные геометрические размеры.

Приведем, для примера, размеры некоторых видеоматриц:
• 1/3" (ширина = 4,8 мм; высота = 3,6 мм);
• 1/2" (ширина = 6,4 мм; высота = 4,8 мм);
• 2/3" (ширина = 8,8 мм; высота = 6,6 мм);
• 1"    (ширина =12.7 мм; высота = 9,5 мм);

По мере развития уровня технологии на рынке наблюдается устойчивая тенденция к постоянному снижению формата, поскольку при этом падает цена телевизионных камер. В настоящее время практически исчезли видеоматрицы форматов 1" и 2/3", а наиболее распространены 1/2", 1/3", 1/4", 1/5", 1/6".

На основе матриц 1/5" и 1/6" некоторые фирмы выпускают сверхминиатюрные камеры. Совершенствование технологий позволяет производить уменьшение формата без ухудшения качества передаваемого изображения. Каждая новая матрица при меньшем формате имеет разрешение не хуже, чем предшественница.

С уменьшением размера матрицы увеличиваются ее собственные шумы, что будет заметно при работе в условиях низкого освещения (особенно это относится к камерам на основе матриц 1/6"), но уменьшается стоимость камеры в целом, поскольку для меньшей матрицы нужен и меньший объектив. Однако меньший объектив обладает меньшей светосилой и теоретически такая камера имеет меньшую чувствительность.

Размер матрицы важен при определении необходимого угла обзора камеры. С одинаковыми объективами камера на основе матрицы 1/2" имеет больший угол зрения, чем камера с матрицей 1/3".

Телевизионные камеры

Основу любой системы телевизионного наблюдения составляют телевизионные камеры. Разнообразие задач возлагаемых на каждую конкретную телекамеру, различие условий их эксплуатации, разница сюжетных и фоновых засветок, необходимый диапазон регулировок углов обзора и глубины резкости, необходимость автоматических или ручных адаптивных настроек, различное исполнение корпуса, необходимость применения поворотных механизмов - все это вопросы, касающиеся технических аспектов выбора телекамеры.

Для каждой точки установки телекамеры на конкретном объекте комплекс ответов на эти вопросы будет уникален. Соответственно, потребуется из всего рыночного многообразия аппаратуры подобрать оптимальную телекамеру с требуемым набором характеристик. Именно она будет наиболее дешевой и оптимальной для данной конкретной точки наблюдения. В результате такого подхода можно получить для не слишком сложной системы совершенно невообразимую спецификацию из разнообразных телекамер разных производителей, инсталлировать и сопровождать которую очень дорого и практически не реально. Более рациональное решение подразумевает унификацию и систематизацию свойств телекамер и подбор двух или трех моделей с типовыми функциональными возможностями. После этого можно выбрать производителя, в линейке которого присутствуют все необходимые телекамеры.
Понятно, что стоимость такого решения не будет оптимальна на этапе закупки, зато остальные выгоды очевидны.

Для ориентации во всем многообразии телевизионных камер, присутствующих на рынке, рассмотрим наиболее важные с точки зрения потребителя их характеристики.

В общем, камера должна отвечать следующим требованиям:
- правильно настроенная цветопередача, поскольку из-за больших размеров скопления объектов наблюдения это позволяет достаточно эффективно выхватывать отдельные фрагменты из общего видеоизображения (если, конечно это цветная камера);
- хорошо работать при больших перепадах освещенности;
- обеспечивать высокое разрешение, поскольку из-за больших размеров обозреваемых площадей отдельные детали получаются очень мелкими;
- в случае необходимости, эффективно работать с инфракрасной подсветкой.

По исполнению камеры можно условно разделить на следующие группы:

Бескорпусные видеокамеры.

Имеют небольшие габариты (примерно 30 x 30 x 25 мм). Применяются для скрытой установки или устанавливаются в различные корпуса. Могут комплектоваться объективами с различными углами обзора. При скрытой установке используется объектив pin-hole (игольное ушко), который отличается очень маленьким отверстием для обзора (менее миллиметра).

Бескорпусные камеры с точечным объективом «pin-hole» используют для скрытой установки, например, в корпусе действующих часов, корпусе ИК - датчика, замуровывают в железобетонные и кирпичные стены, и т. д.

Также широко применяются в быту, например в вызывных панелях видеодомофонов, видеоглазках. Например, модуль SK-1004C плюс насадка серии 0Н-170У, имитирующая снаружи обычный глазок и расширяющая угол обзора вплоть до 170 градусов стоят меньше 40 у. е. в розницу.

Камера скрытого наблюдения LCL-622

Камера скрытого наблюдения работает от источника постоянного тока с напряжение 5 В и потребляет 160 mA. LCL-622 предназначена прежде всего для мобильного скрытого видеонаблюдения. Видимая часть такой видеокамеры выполнена в виде обыкновенной пуговицы верхней одежды, поэтому в комплект поставки LCL-622 входят 10 настоящих пуговиц, в точности повторяющих исполнение объектива видеокамеры. Эта камера скрытого наблюдения крепится к одежде и позволяет вести скрытое видеонаблюдение за интересующим объектом.

Камера скрытого наблюдения LCL-622X

Камера скрытого наблюдения LCL-622X имеет миниатюрный корпус конструкции, видимая часть которой выполнена в виде шляпки шурупа с диаметром 12,5 мм под крестообразную отвертку. Такая камера скрытого наблюдения может размещаться в стенах, как «крепежный элемент» осветительных приборов, в наличниках или косяках дверей, как крепеж крышек охранно-пожарных датчиков и в других местах. Размещение камеры рядом с электрическими приборами упрощает и удешевляет прокладку соединительного кабеля. При этом видеокамера будет практически незаметна и скрыта от самых внимательных глаз.

Корпусные видеокамеры со встроенным объективом.

Применяются во внутренних помещениях. Имеют небольшие габариты и хорошие технические характеристики.

Корпусные видеокамеры со сменным объективом.

Применяются во внутренних помещениях. Как правило, имеют высокую чувствительность (способность камеры «видеть» при малых уровнях освещенности) и повышенную разрешающую способность (возможность различать мелкие детали). Имеют возможность присоединения объективов с АРД (автоматической регулировкой диафрагмы) и с трансфокатором.

Видеокамеры всепогодного исполнения.

Выпускаются как готовые изделия с заданными параметрами, однако возможно построение таких камер на базе корпусных и бескорпусных видеокамер со сменным объективом. Это дает возможность построить камеру с нестандартными параметрами.
Независимо от исполнения в конструкции видеокамеры можно выделить следующие основные функциональные системы:
1. Преобразователь свет-сигнал.
2. Синхронизация.
3. Автодиафрагма.
4. Фокусное расстояние.
5. Относительное отверстие.
6. Формат матрицы.
7. Чувствительность.
8. Отношение сигнал шум.

Большинство телекамер в настоящее время производится на основе матриц фирм «Sony», «Samsung» и «Sharp».