Ccd матрица что это: CCD или CMOS? Что лучше?

• Каталог продукции
  • Видеонаблюдение
    • Камеры видеонаблюдения
    • Видеорегистраторы
    • Видеосерверы
    • Комплекты видеонаблюдения
    • Мониторы для видеонаблюдения
    • ИК-прожекторы
    • Муляжи камер видеонаблюдения
    • CCTV тестеры
    • Автомобильные видеорегистраторы
    • Комплектующие видеонаблюдения
      • Аксессуары для регистраторов
      • Аксессуары для тепловизоров
      • Видеокодеры и декодеры
      • Кожухи для камер видеонаблюдения
      • Кронштейны для камер видеонаблюдения
      • Кронштейны для монитора
      • Монтажные коробки
      • Объективы для камер видеонаблюдения
      • Перчатки
      • Платы видеозахвата
      • Пульты управления камерами
    • Приборы событийного видеоконтроля
    • Программное обеспечение
  • Источники питания
    • Блоки питания
    • Стабилизаторы напряжения
    • Преобразователи напряжения
    • Аккумуляторные батареи
    • Солнечные батареи
    • Дополнительное оборудование
      • SNMP-модули
      • Аккумуляторные отсеки
      • Балансиры АКБ
      • Блоки контроля АКБ
      • Зарядные устройства
      • Модули визуализации
      • Телефонные дозваниватели
      • Термокомпенсаторы
      • Тестеры АКБ
      • Устройства сопряжения
  • Кабельная продукция и разъёмы
    • Кабели
    • Разъемы
    • Штекеры
    • Изоляция для кабеля
    • Инструмент
  • Металлодетекторы
  • Микрофоны и переговорные устройства
    • Аудиомикшеры
    • Микрофоны
    • Переговорные устройства
    • Фильтры питания
  • Охранно-пожарные системы
    • Датчики движения (извещатели)
    • Комплектующие охранных извещателей
      • Башни
      • Вентиляторы башен
      • Кронштейны для башни
      • Кронштейны для извещателей
      • Крышки башен
      • Надстройка для башен
      • Основания башни
      • Хомуты для башни
    • Системы связи и оповещения
      • Аварийные лампы
      • Акустические системы
      • Громкоговорители
      • Оповещатели
      • Приборы управления
      • Рации
      • Светильники
      • Световые табло
      • Световые указатели
      • Усилители звука
    • Сигнализации
    • Комплектующие сигнализаций
      • Брелки сигнализаций
      • Розетки
      • Сигнализаторы
      • Центральные блоки
    • Детекторы специального назначения
      • Датчики дыма
      • Датчики открытых дверей
      • Датчики протечки воды
      • Датчики разбития стекла
      • Датчики температуры и влажности
      • Датчики ударов
      • Датчики утечки газа
    • Оборудование для умного дома
    • Контрольные панели
    • Радиоканальные системы защиты
    • Огнетушители
    • Пульты управления
    • Дополнительное оборудование ОПС
      • Адресные расширители
      • Видеоглазки
      • Программное обеспечение ОПС
      • Прочее оборудование
  • Сетевое оборудование
    • POE оборудование
      • POE-инжекторы
      • POE-коммутаторы
      • POE-сплиттеры
      • POE-удлинители
      • Комплекты PoE
    • Коммутаторы
    • Точки доступа
    • Роутеры
    • Узлы доступа
    • Дополнительное сетевое оборудование
      • Телекоммуникационные шкафы
      • Щиты распределительные
      • Полки
      • Трансиверы (sfp-модули)
      • Защитные сетевые блоки
      • Блоки интеграции для коммутаторов
  • Системы домофонии
    • Домофоны
    • Видеодомофоны
    • Комплекты домофонов
    • Вызывные панели
    • Серверы аудиозаписи
    • Комплектующие домофонов
      • Абонентские трубки
      • Адаптеры для домофонов
      • Блоки коммутации
      • Видеомодули для домофонов
      • Защитные диоды
      • Козырьки для домофонов
      • Кронштейны для вызывных панелей
      • Кронштейны для домофонов
      • Мониторы для домофонов
      • Суб-модули
      • Телефонные модули
  • Системы оборудования для передачи сигналов
    • Беспроводные точки доступа

В чем различия матриц CMOS и CCD?

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), оцифровывают каждый пиксель на месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

К преимуществам CCD матриц относятся:

• Низкий уровень шумов.
• Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).
• Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
• Высокий динамический диапазон (чувствительность).

К недостаткам CCD матриц относятся:

• Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.
• Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
• Дороже в производстве.

Преимущества CMOS матриц:

• Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).
• Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).
• Дешевле и проще в производстве.
• Перспективность технологии( на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).

К недостаткам CMOS матриц относятся

• Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).
• Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток)борьба с которым усложняет и удорожает технологию.
• Невысокий динамический диапазон.

Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS? / Контроль-СБ

К этому времени стало очевидным, что CCD обеспечивает лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому ее предлагалось использовать для построения систем, требующих высокого качества изображения: цифровых фото- и видеокамер, медицинского оборудования и т. д. CMOS же отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость — недорогие фотоаппараты, бытовая, офисная техника и игрушки.

Опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. В современных устройствах их удается избежать, а захват изображения без особых артефактов возможен со скоростью 15—30 кадров/с, и уже 0,3-мегапиксельные CMOS-сенсоры фактически были избавлены от этой проблемы.

Однако победа в конкуренции технологий, скорее всего, лежит в плоскости уменьшения площади пиксела. Для успеха на рынке 1-мегапиксельных при диагонали 1/4 дюйма площадь пиксела должна составлять не более 3 мкм2. При всех усилиях производителей CMOS удовлетворить таким требованиям они пока не могут, поэтому, как считают эксперты, по крайней мере в ближайшее время в данной нише будет господствовать CCD.

Многие крупные производители компонентов выпускают и CMOS-сенсоры, и CCD-матрицы. Например, Sharp, крупнейший в мире поставщик модулей захвата изображения (и CCD, и CMOS), считает 2003 год эпохой настоящего расцвета технологии CCD.

К преимуществам CCD матриц относятся:

1. Низкий уровень шумов.

2. Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).

3. Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).

4. Высокий динамический диапазон (чувствительность).

К недостаткам CCD матриц относятся:

1. Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.

2. Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).

3. Дороже в производстве.

Преимущества CMOS матриц:

1. Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).

2. Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).

3. Дешевле и проще в производстве.

4. Перспективность технологии( на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS матриц относятся

1. Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).

2. Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток)борьба с которым усложняет и удорожает технологию.

3. Невысокий динамический диапазон.

Общие сведения о камерах с матрицей SONY

Корпорация Sony была первой, кто применил в CCTV камере видеонаблюдения (видеокамере) принцип оцифровки сигнала ПЗС (CCD) матрицы с последующей его цифровой обработкой при помощи процессора — DSP (Digital Signal Processor — Процессор цифровой обработки сигнала). Произошло это 1997 г. с выпуском первого DSP серии SS. Благодаря высокому качеству и надежности которого, камеры на его основе завоевали популярность во всем мире, а новый принцип обработки цветного изображения за многие годы превратился в стандарт построения камер видеонаблюдения. Сердцем таких камер видеонаблюдения является ПЗС (англ. CCD) матрица формата 760H с количеством эффективных пикселей 752х582 по горизонтали и вертикали соответственно. Указанный формат матрицы уже давно используются в камерах высокого разрешения, включая камеры разрешений 480 ТВЛ, 500 ТВЛ, 520 ТВЛ и 540 ТВЛ. Каким же образом на классической матрице получено более высокое, 600 ТВЛ горизонтальное разрешение? Ответ простой — как и все предшествующие увеличения разрешения начиная с 480 ТВЛ и заканчивая 540ТВЛ осуществлялись за счет использования более эффективного процессора обработки сигналов видеоизображения — ISP (Image Signal Processor). В камерах с разрешением 600 ТВЛ, используется видеопроцессор IV поколения, отличающийся увеличенной разрядностью оцифровки видеосигнала снимаемого с цветной ПЗС матрицы, расширенной частотной характеристикой трактов видеообработки и возможностью формирования выходных сигналов CSVB или S-Video при помощи встроенных в процессор цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Как и все предыдущие процессора новый ISP выполняет обработку изображения в цифровом коде и реализует ряд уже традиционных для камер видеонаблюдения функций, а именно:

• DN (Day-Night) — «день-ночь» — формирование черно-белого изображения при низкой освещенности с возможностью настройки порогов и задержек перехода между черно-белым и цветным режимами
• AE (Automatic Exposition) — электронный затвор позволяет поддерживать постоянную яркость изображения независимо от освещенности наблюдаемой сцены
• AGC (Automatic Gain Control) — автоматическая регулировка усиление в ночном режима обеспечивает формирования светлой и распознаваемой картинки при низкой освещенности и работе ночью
• BLC (Back Light Compensation) — компенсация задней засветки с возможностью настройки до 4 зон, с заданием уровня яркости в каждой из них относительно общего уровня яркости изображения (для камер с OSD), что позволяет, например, компенсировать избыточную яркость окон на общем фоне помещения настройка контраста и четкости изображения

Широкий набор параметров видеообработки позволяет настроить камеру и получить идеальное изображение при любых условиях ее эксплуатации: в темных и светлых помещениях, на улице и внутри помещений, при работе на встречную засветку и в сценах с широким диапазоном яркостей, а также в полной темное при использовании инфракрасной (ИК) подсветки.

На сегодняшний день корпорация SONY производит следующий номенклатурный ряд ПЗС матриц для цветных аналоговых телекамер охранного назначения, предназначенных для работы в стандарте PAL.

Цветные ПЗС матрицы SONY:

Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS

Отношение производителей конечной продукции к выбору между CCD и CMOS радикально поменялось в 2001 г. , когда основные поставщики впервые высказали общую точку зрения, касающуюся разграничения сфер их применения. К тому времени стало очевидным, что CCD обеспечивает лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому ее предлагалось использовать для построения систем, требующих высокого качества изображения: цифровых фото- и видео камер, медицинского оборудования и т. д. CMOS же отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость — недорогие фотоаппараты, бытовая, офисная техника и игрушки.

Опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора.

В современных устройствах их удается избежать, а захват изображения без особых артефактов возможен со скоростью 15-30 кадров/с, и уже 0,3-мегапиксельные CMOS-сенсоры фактически были избавлены от этой проблемы.

Однако победа в конкуренции технологий, скорее всего, лежит в плоскости уменьшения площади пиксела. Для успеха на рынке 1-мегапиксельных при диагонали 1/4 дюйма площадь пиксела должна составлять не более 3 мкм2. При всех усилиях производителей CMOS удовлетворить таким требованиям они пока не могут, поэтому, как считают эксперты, по крайней мере в ближайшее время в данной нише будет господствовать CCD.

Многие крупные производители компонентов выпускают и CMOS-сенсоры, и CCD-матрицы. Например, Sharp, крупнейший в мире поставщик модулей захвата изображения (и CCD, и CMOS), считает 2003 год эпохой настоящего расцвета технологии CCD.
 

К преимуществам CCD матриц относятся:

• Низкий уровень шумов.
• Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%). 
• Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).  
• Высокий динамический диапазон (чувствительность).
   

К недостаткам CCD матриц относятся:

• Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.
• Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт). 
• Дороже в производстве.
   

Преимущества CMOS матриц:

• Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).
• Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD). 
• Дешевле и проще в производстве. 
• Перспективность технологии( на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
   

К недостаткам CMOS матриц относятся

• Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).
• Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию. 
• Невысокий динамический диапазон.

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

CCD матрицы и их особенности

CCD-матрица (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) – один из видов матриц, применяемых в современном видеонаблюдении. Тесно конкурирует с CMOS-аналогами. В состав элемента входит поликремний, искусственно отделенных от кремниевой подложки. При возрастания напряжения происходит увеличение электрических потенциалов, считываемых диодами.

Работа системы в общем виде происходит следующим образом:

• До начала съемки все элементы находятся в одинаковом состоянии. Отсутствует разброс в параметрах напряженности;

• После начала экспонирования происходит накопление электронов, появившихся после попадания светового луча на конкретный участок. От силы света зависит, насколько высоким будет итоговое напряжение;

• Определяется итоговое напряжение на каждом электроде. Исходя из него и других параметров можно судить о силе света. При расшифровке сигнала будет определен и цвет объекта, попавшего в кадр.

Технология применяется не один год и встречается в видеокамерах различного ценового сегмента.

Преимущества матрицы CCD

Положительные особенности ПЗС-технологии:

·         Малое количество шумов;

·         Высокая светочувствительность. Улавливаются практически все фотоны, поступившие на матрицу;

·         Чувствительны к инфракрасному спектру;

·         Отсутствует эффект «rolling shutter» — движущиеся объекты снимаются без искажений.

Применить камеру на базе элемента данного типа можно для слабо освещенных территорий, высоких требованиях к качеству.

Недостатки

Существуют особенности, ограничивающие сферу применения CCD матриц:

·         Высокая стоимость, связанная с большими затратами при производстве;

·         Считается менее надежной, чем CMOS, поскольку структура самой матрицы является более сложной – значит, подверженной поломкам;

·         Повышенное потребление электроэнергии.

С развитием техники надежность и функциональность элементов возрастает, поэтому они все еще остаются альтернативой, о которой следует помнить.

Классификация

В зависимости от сферы применения, требований к параметрам, CCD бывают:

• Различающимися по светочувствительности;

• Имеющими полнокадровую матрицу. Сенсор считается одним из простейших;

• С буферизацией столбцов – заряды считываются по направлению сверху вниз;

• С буферизацией кадра – увеличивается число кадров в секунду;

• С ортогональным переносом изображения, снижающим потери от вибраций, помех;

• Отличающимися по размеру. В характеристиках к камере он указывается в дюймах.

CMOS (КМОП) матрицы — что это?

В современных видеокамерах активно используют 2 типа матриц: CMOS и CCD.  Матрица CMOS (КМОП) построена на базе CMOS-технологии, которая и дала название этому продукту (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Если в камерах среднего ценового сегмента оба варианта применяются примерно в равной пропорции, то в бюджетных видеосистемах чаще встречается именно КМОП.

Принцип работы технологии следующий:

• Подается сигнал сброса;
• Диоды накапливают заряд во время экспозиции;
• Происходит считывание параметров.

Основные преимущества

• Невысокая стоимость по сравнению с ПЗС-аналогами. При увеличении размеров разница в стоимости продолжает расти;
• Низкое энергопотребление. Важный фактор при работе камеры от аккумулятора, устаревшей электросети объекта, значительном количестве подключенных устройств;
• Возможность кадрированного считывания – анализа произвольных пикселей, увеличивающая скорость записи. Не нужно считывать сразу всю информацию, как с ПЗС-камерой. Улучшается качество ручной фокусировки;
• Используются в миниатюрных видеокамерах. 

Недостатки

• Повышенный нагрев устройства, рост шумов;
• Низкая светочувствительность матрицы на старых моделях камер. Сейчас ситуация частично исправлена за счет новой линейки оборудования с технологией Exmor с увеличением светочувствительности пикселей;
• Искривленное изображение быстро перемещающихся объектов. Эффект «rolling shutter».

Область применения CMOS матриц

• При охране квартир;
• Наблюдении за аэропортом;
• Контроле строительной площадки;
• В офисе;
• В торговом центре;
• На складе;
• Для других объектов с разными условиями эксплуатации.

Матрицы удастся встретить в дорожной (контроль поведения участников дорожного движения), научной сфере, медицине, промышленности.

Определение датчика CCD | PCMag

— аналоговые устройства. Их заряд приравнивается к оттенкам света для монохромных изображений или оттенкам красного, зеленого и синего при использовании с цветными фильтрами.Устройства могут использовать три ПЗС-матрицы, по одной для каждого из красного, зеленого и синего цветов.

Почему спаренный?
ПЗС-матрица содержит массив пикселей изображения и соответствующий массив пикселей памяти, которые связаны вместе. После того, как массив формирования изображений подвергается воздействию света, его заряды быстро переносятся в массив хранения. В то время как ПЗС формирования изображения подвергаются воздействию следующего изображения, ПЗС памяти из последнего изображения считываются по очереди в аналого-цифровые преобразователи (аналого-цифровые преобразователи), которые преобразуют напряжения в двоичные данные для быть обработанным.Контраст с датчиком CMOS. См. Шаблон Байера, X3, Super CCD, цветение и цифровая камера.

Методы зарядовой связи

ПЗС-накопители представляют собой либо отдельный массив (перенос кадров), либо отдельные фотосайты (межстрочный перенос), подключенные к каждому фотосайту изображения. Заряды можно переносить быстрее с помощью метода вставки, поскольку каждый компонент хранилища находится ближе к своему аналогу для визуализации.

ПЗС-матрицы Record Light

В фотоаппарате ПЗС-матрицы заменяют пленку.Они подвергаются воздействию света, регистрируя интенсивность или оттенки света как переменные заряды. В приведенной выше цифровой камере переменные аналоговые заряды в ПЗС-матрице преобразуются в двоичные данные с помощью микросхем аналого-цифрового преобразователя.

ПЗС-матрицы чувствительны

Эта ПЗС-матрица от Jet Propulsion Labs используется в астрономии. Обнаруживая выход телескопов, он обнаруживает ультрафиолетовый свет от далеких планет. (Изображение любезно предоставлено Лабораторией микроустройств JPL; Роберт М.Браун, фотограф)

CCD и CMOS: беспленочные камеры

Вместо пленки в цифровой камере есть датчик, преобразующий свет в электрические заряды.

В большинстве цифровых камер используется датчик изображения с зарядовой связью (ПЗС). В некоторых камерах используется технология комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS).Датчики изображения CCD и CMOS преобразуют свет в электроны. Если вы читали «Как работают солнечные элементы», вы уже знакомы с одной из технологий, используемых для преобразования. Упрощенный способ представить себе эти датчики — представить двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов.

Как только датчик преобразует свет в электроны, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки на изображении. Вот где проявляются различия между двумя основными типами датчиков:

• ПЗС переносит заряд по микросхеме и считывает его в одном углу массива.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) затем превращает значение каждого пикселя в цифровое значение, измеряя количество заряда на каждом фотоэлементе и преобразовывая это измерение в двоичную форму.
• КМОП-устройства используют несколько транзисторов в каждом пикселе для усиления и перемещения заряда с помощью более традиционных проводов.

Различия между двумя типами датчиков приводят к ряду плюсов и минусов:

• ПЗС-сенсоры создают высококачественные изображения с низким уровнем шума.КМОП-сенсоры обычно более чувствительны к шумам.
• Поскольку каждый пиксель на CMOS-датчике имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность CMOS-чипа ниже. Многие фотоны попадают на транзисторы, а не на фотодиод.
• CMOS-датчики традиционно потребляют мало энергии. ПЗС-матрицы, с другой стороны, используют процесс, который потребляет много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
• ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые.У них, как правило, пиксели более высокого качества и их больше.

Хотя между двумя датчиками существует множество различий, они оба играют одинаковую роль в камере — они превращают свет в электричество. Чтобы понять, как работает цифровая камера, вы можете думать о них как о почти идентичных устройствах.

Что такое датчики изображения CCD или CMOS в цифровой камере?

Цифровые фотоаппараты стали чрезвычайно распространенными, поскольку цены упали. Одним из драйверов падения цен стало внедрение КМОП-датчиков изображения. КМОП-датчики намного дешевле в производстве, чем ПЗС-датчики.

Датчики изображения CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник) начинаются с одной точки — они должны преобразовывать свет в электронов. Если вы читали статью Как работают солнечные элементы, вы понимаете одну технологию, которая используется для преобразования. Один упрощенный способ представить себе датчик, используемый в цифровой камере (или видеокамере), — это представить себе, что он имеет двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов, каждый из которых преобразует свет от одной небольшой части изображение в электроны.И устройства CCD, и CMOS выполняют эту задачу с использованием различных технологий.

Следующим шагом является считывание значения (накопленный заряд) каждой ячейки изображения. В устройстве CCD заряд фактически переносится через чип и считывается в одном углу матрицы. Аналого-цифровой преобразователь превращает значение каждого пикселя в цифровое значение. В большинстве устройств CMOS на каждом пикселе есть несколько транзисторов, которые усиливают и перемещают заряд с помощью более традиционных проводов.Подход CMOS является более гибким, поскольку каждый пиксель можно прочитать отдельно.

используется особый производственный процесс, позволяющий передавать заряд по кристаллу без искажений. В результате этого процесса получаются датчики очень высокого качества с точки зрения точности и светочувствительности. КМОП-чипы, с другой стороны, используют традиционные производственные процессы для создания чипа — те же процессы, которые используются для создания большинства микропроцессоров. Из-за производственных различий между ПЗС- и КМОП-датчиками были заметны различия.

• ПЗС-сенсоры, как упоминалось выше, создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-сенсоры традиционно более восприимчивы к шумам.
• Поскольку каждый пиксель на датчике CMOS имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность кристалла CMOS имеет тенденцию быть ниже. Многие фотоны, попадающие в чип, попадают в транзисторы, а не в фотодиод.
• CMOS традиционно потребляет мало энергии. Внедрение датчика в CMOS дает датчик с низким энергопотреблением.
• ПЗС-матрицы используют процесс, потребляющий много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
• КМОП-чипы могут быть изготовлены практически на любой стандартной производственной линии кремния, поэтому они, как правило, чрезвычайно недороги по сравнению с датчиками ПЗС.
• ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые. Они, как правило, имеют более высокое качество и больше пикселей.

Основываясь на этих различиях, вы можете видеть, что ПЗС-матрицы, как правило, используются в камерах, которые фокусируются на высококачественных изображениях с большим количеством пикселей и отличной светочувствительностью. КМОП-сенсоры традиционно имеют более низкое качество, меньшее разрешение и меньшую чувствительность. КМОП-сенсоры сейчас улучшаются до точки, в которой они достигают почти паритета с устройствами ПЗС в некоторых приложениях. КМОП-камеры обычно дешевле и имеют длительное время автономной работы.

Для получения дополнительной информации см. Ссылки на следующей странице.

Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Цифровые камеры, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными технология, применяемая в современной оптической микроскопии.До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).

Рисунок 1 — Системы цифровых ПЗС-камер для оптической микроскопии

Цифровые камеры заменяют сенсибилизированную пленку на фотон ПЗС детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света.Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.

Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на Рисунок 1 . Nikon Digital Eclipse DXM1200 обеспечивает высокое качество фотореалистичных цифровых изображений на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность. Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цветов в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены с выбором одного из трех форматов: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.

Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления.Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономная конструкция предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но имеет универсальность возможности сети при желании. Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также в локальные сети или Интернет через Ethernet порт.Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляет передовую технологию, доступную в настоящее время для цифровая визуализация с помощью оптического микроскопа.

Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта немедленно определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и временного характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность светосбора некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик ПЗС-камер в широком диапазоне интенсивности света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.

ПЗС-сканер состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в виде двумерного массива на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токопроводящих электродов, или затворы , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным блоком ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единый MOS Устройство этого типа показано на фиг. , рис. 2, , с обратным смещением. операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов сохраняются в области истощения до полной лунки емкость резервуара. Когда собраны несколько детекторных структур в полный ПЗС, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих барьеров, или ограничителей канала внутри кремниевой подложки.

Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и движение зарядов, накопленных за время указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от ПЗС конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно именуется фотоэлектронами . В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны можно накапливаются и хранятся в течение длительного времени, прежде чем будут считаны из микросхема электроникой камеры как один из этапов процесса визуализации.

Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда посредством взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение первая стадия, электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния накладываются друг на друга, но отделены от них, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изоляционного диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат. Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих длин волн более примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к затворной конструкции. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальный датчик ПЗС элемент.

Рисунок 2 — Металлооксидный полупроводниковый конденсатор (МОП)

В общем, накопленный заряд линейно пропорционален световому поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, эта полноскважинная мощность ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы. Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера индивидуальный пиксель. С момента появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3 наиболее распространены. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с Историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.

Форматы ПЗС

Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с камерами с трубкой видикон, которая требовала твердотельные датчики для вывода электронного сигнала, который соответствовали преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 и 2/3 дюйма.

Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные матрицы датчиков, которые лучше соответствуют круговой области изображения, проецируемой в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсоров и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображения, уменьшает требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.

Приблизительная вместимость потенциальной ямы ПЗС может быть получается путем умножения площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50 000 до 100 000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 микрометрические размеры будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей вместимость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.

, разработанные для получения изображений в научных целях, традиционно используются фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС научного класса используются в приложениях для получения изображений с медленной разверткой, обычно используются диоды. размером 25 x 25 мкм для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре ставки.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а использование объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.

Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы

До накопленного заряда можно измерить заряд каждого сенсорного элемента в ПЗС чтобы определить поток фотонов на этот пиксель, заряд должен быть передается в узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания имеют решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается с одного конденсатора на другой или с одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, приложенными к структура вышележащего электрода, в основе термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для устройств памяти установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная устройства, пакеты заряда считываются по одному.

Рисунок 3 — Структура сенсорного элемента (пикселя) ПЗС

Накопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде CCD в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования или временем экспозиции , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда достигается комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет последовательно к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора , встроенная в ПЗС в слое, примыкающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для передачи заряда. Основная концепция передачи заряда, которая позволяет последовательное считывание с двумерной диодной матрицы изначально требует весь массив отдельных пакетов заряда с поверхности тепловизора, составляющий параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым сдвигом на одну строку. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы обозначается как регистр последовательного порта .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется другим сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины вертикальный и горизонтальный в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.

Широко используемая аналогия для визуализации концепции серийного считывание ПЗС-матрицы ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места разместить по аналогии с падающими фотонами на датчике изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. поэтапно к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру ориентированы перпендикулярно первому.На рис. 5 (б) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рис. . 5 (c) , на котором изображена дождевая вода, скопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя CCD. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).

Существует множество конструкций, в которых можно настроить МОП-конденсаторы, и управляют напряжением на затворе, чтобы сформировать матрицу ПЗС-матрицы. Как описано ранее электроды затвора располагались полосами, покрывающими всю поверхность изображения поверхности ПЗС. Самая простая и распространенная зарядка Конфигурация передачи — это трехфазная конструкция CCD , в которой каждый фотодиод (пиксель) разделен на трети с тремя параллельными потенциальные ямы, определяемые электродами затвора. В таком дизайне каждый третий Затвор подключен к той же схеме драйвера часов.Основной смысл элемент в ПЗС, соответствующий одному пикселю, состоит из трех вентилей подключен к трем отдельным тактовым драйверам, называемым фазой-1, фазой-2 и часы фазы 3. Каждая последовательность из трех параллельных ворот составляет одну регистр пикселей, и тысячи пикселей, покрывающих матрицу ПЗС Поверхность изображения составляет параллельный регистр устройства. Однажды в ловушке в потенциальной яме электроны перемещаются через каждый пиксель в трехэтапный процесс, который сдвигает пакет заряда из одной строки пикселей в следующий. Последовательность изменений напряжения, подаваемых на чередующиеся электроды параллельной (вертикальной) затворной структуры перемещают потенциальные ямы и захваченные электроны под управлением часов параллельного регистра сдвига.

Общая схема синхронизации, используемая в трехфазном переключателе начинается с этапа интегрирования зарядов, на котором два из трех параллельные фазы на пиксель устанавливаются на высокое значение смещения, что дает область высокого поля относительно третьего затвора, который удерживается на низком или нулевой потенциал.Например, фазы 1 и 2 могут быть обозначены , собирающие фазы и удерживаемые при более высоком электростатическом потенциале по сравнению с фазой 3, которая служит барьером , фаза для разделения заряда, собираемого в высокополевых фазах соседний пиксель. После интеграции начислений перевод начинается с удерживая только вентили фазы 1 под высоким потенциалом, так что заряд генерируемые в этой фазе будут накапливаться там, а заряд, генерируемый в Фазы фазы 2 и фазы 3, теперь обе при нулевом потенциале, быстро диффундируют в потенциальную яму под фазой 1. Рисунок 3 иллюстрирует структура электрода, определяющая каждый пиксель трехфазной ПЗС-матрицы, и изображает скопление электронов в потенциальной яме, лежащей под электрод фазы 1, который удерживается под положительным напряжением (обозначено + V ). Перенос заряда происходит в правильно рассчитанной последовательности напряжения, приложенные к воротам, чтобы вызвать потенциальные ямы и препятствия для миграции через каждый пиксель.

Рисунок 4 — Стандартные форматы датчика изображения ПЗС

На каждом этапе передачи напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, а электроносодержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается в землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный однопиксельный сдвиг завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между сенсором и дисплеем пиксели должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

На рисунке 6 показана последовательность операций, только что описанных для перенос заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для управляющих импульсов, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на выполнить перевод. На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано), чтобы более эффективно передавать заряд и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в последовательный регистр, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же механизм трехфазной связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом временное управление обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийного номера.Каждый пакет заряда в регистре последовательного порта доставляется на выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполняет свою функцию увеличения пакет заряда и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер зависит от разрешения или разрядности АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12 степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений CCD замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимых для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

• Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, электроды затвора смещены соответствующим образом для сбора заряда.
• В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой параллельно регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры. Ряды пакетов заряда передаются последовательно с одного края параллельный регистр в последовательный регистр сдвига.
• Передано содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел, который будет считан встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
• АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
• Каждое значение пикселя хранится в памяти компьютера или в буфере кадра камеры.
• Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей параллельный регистр очищается, что обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
• Полный файл образа в памяти, который может составлять несколько мегабайт по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
• ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.

Рисунок 5 — Аналогия ПЗС бригады ковша

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда, даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях массива, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , передача кадров и построчный перенос (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считывать после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в для ускорения считывания максимально возможная частота кадров порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно симметричная матрица пиксели объединяются для формирования каждого отдельного суперпикселя (см. Рисунок 9) . Так как пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камерой, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от регулировки усиления, применяемой к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки. Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется как зернистость в финальном образ. Если желательно сокращение времени экспозиции, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что применяемое усиление не вызывает чрезмерного ухудшения изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Рисунок 7 — Архитектура обычных устройств с зарядовой связью (CCD)

Качество цифрового изображения можно оценить с помощью четырех поддающихся количественной оценке критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор. Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

• Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
• Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые различимы на отображаемом изображении.
• Разрешение по времени: Частота дискретизации (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
• Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

В микроскопической визуализации не все важные изображения критерии качества могут быть одновременно оптимизированы в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс среди перечисленных критериев, которые часто приводят к противоречивым требования. Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут использоваться для достижения этой цели, хотя каждая из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец выставлен меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимально увеличить динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени экспозиции, применения бининга или усиления увеличение может достичь цели без значительного негативного воздействия на Изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист, чтобы быть полностью знакомым с решающим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума камеры CCD

Чувствительность камеры по минимально обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку его нельзя исключить, он определяет максимальную достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно поэтому определяется уровнем сигнала, S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. однажды накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть системного шума результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, обозначаемая темновым током , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и поэтому нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, и при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от встроенного предусилителя во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Немного типы шума усилителя считывания зависят от частоты, и как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это результат большей ширины полосы усилителя при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС уменьшает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Рисунок 8 — Технология межстрочного ПЗС-матрицы микролинз

Охлаждение ПЗС-матрицы с целью уменьшения темнового шума обеспечивает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более это важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов. С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. При индивидуальных трансфертных потерях при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполной передачи заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.К тому же, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем те, что примыкают к последовательному регистру. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля однородной интенсивности, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности за счет штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Необходимая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных опорных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения получены из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя в видео-скорости камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей образ.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует визуализации видео с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение ПЗС-систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили сделать пиксели CCD все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых камер CCD в биологической микроскопии меньше и обеспечивают более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если пространственное разрешение оптической системы должно быть сохранено.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора относительно разрешения возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должен быть выбран как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.Например, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную объектив с числовой апертурой 100x, 1,3, что дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. С этим детектором-объективом возможно отличное разрешение. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке в условиях низкой освещенности.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он полностью проходит без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относящийся к спектральной чувствительности детектора . Несмотря на то что обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни у одного из них нет 100-процентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Наиболее ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, новый межстрочный датчики намного эффективнее, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Рисунок 9 — Последовательность переноса электрона с биннингом 2 x 2 пикселей

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые длины волн, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Для этого большая часть кремния подложку удаляют травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов можно достичь в обычном порядке.

Допускается использование других материалов для обработки поверхности и строительных материалов. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет на 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах в пределах диапазон максимальной чувствительности ПЗС-матрицы.

Динамический диапазон

Термин, называемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством CCD-камер. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения с обоснованием, что это значение представляет предельное состояние, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделены. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по возможности.Например, камера с FWC на ​​16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает от 10 до 11-битного аналого-цифрового преобразования. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.

Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественного целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера 16000-электронного FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное ОСШ, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, поскольку эти источники уменьшают эффективную FWC за счет добавления заряда это не сигнал для колодцев.

Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон примерно 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном датчика и способностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших CCD-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет приблизительно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд текущих дизайнов включить возможность установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют в два раза больше электронного емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит можно получить изображения высокого качества.

Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном настройка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал для использования полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.

Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена ​​под сомнение ввиду того факта, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечивать только 5-7 бит дискриминация. Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с высоким динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.

Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. Чтобы оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно расширяется, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше крайнее расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе на 256 уровнях или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.

Датчики цветного изображения CCD

Хотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным. Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за образцами с метками с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.

Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с серыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей CCD чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB ) микролинзовые фильтры, расположенные по определенному шаблону, обычно мозаичному шаблону Bayer . В качестве альтернативы с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , который использует одну ПЗС-матрицу. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.

Рисунок 10 — Спектральная чувствительность ПЗС для научных исследований

Одночиповый ПЗС-матрица с прилегающей матрицей цветных фильтров используется в большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствовать зрительной чувствительности человека и разделять информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали прежде всего из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.

Уникальный дизайн цветных камер с одним ПЗС улучшает пространственное разрешение, слегка перемещая ПЗС-матрицу между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как пиксельный сдвиг ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина для различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображения, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованных ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий захват скорости возможны. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, и изображения демонстрируют большую очевидность шум. Пространственное разрешение трехчиповых камер может быть выше чем у отдельных датчиков CCD, если каждая CCD смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Много микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение благодаря использованию камеры с тремя ПЗС системы.

Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночный ПЗС.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.

Типы сенсоров цифровых камер: CCD и CMOS

Типы сенсоров: CCD и CMOS

CMOS и CCD — две наиболее важные и распространенные технологии на рынке датчиков изображения.

ПЗС (устройство с зарядовой связью) — это датчики, основанные на массиве пассивных фотодиодов, которые накапливают заряд во время экспозиции камеры. Затем заряд передается на общую электронику, которая считывает накопленные заряды различных пикселей и преобразует их в напряжения.

Поскольку ПЗС-матрица представляет собой устройство с пассивными пикселями (т.е. без электроники на уровне пикселей), квантовая эффективность очень высока: это преимущество в приложениях, где освещение довольно слабое. Кроме того, поскольку электроника одинакова для всех пикселей (или, по крайней мере, для пикселей одного и того же столбца), может быть достигнута высокая однородность пикселей.С другой стороны, передача заряда происходит довольно медленно, что приводит к низкой частоте кадров (обычно <20 кадров в секунду), а технология для датчиков CCD нестандартна, что делает их довольно дорогими.

CMOS (комплементарный металлооксидный полупроводник) — это датчики, основанные на массиве активных пикселей: электроника пиксельного уровня (обычно 3 или 4 транзистора) переводит заряд, накопленный в фотодиоде, в четко определенное напряжение; таким образом, выходной сигнал каждого пикселя должен быть только получен и дискретизирован.

Поскольку вывод пикселей зависит от напряжения (а не от заряда), с помощью CMOS-датчиков можно достичь более высокой частоты кадров благодаря более простой схеме считывания и можно определить интересующую область (ROI), которую необходимо получить. Недостатком этой схемы считывания является использование более высокого шума из-за транзисторов считывания в каждом пикселе и из-за так называемого фиксированного структурного шума: неоднородности изображения из-за несоответствия между различными схемами пикселей.

Глобальный и рольставни (CMOS).

В литературе говорится о способах захвата и считывания изображения с глобальными затворами и рольставнями.

При схеме считывания рольставни время экспозиции одинаково для всех пикселей сенсоров (см. Рисунок: длина голубых полосок одинакова для всех строк матрицы), , но есть задержка между экспонированием одной строки и следующей.

Другими словами, эта архитектура является «последовательной»: считывание происходит сразу после времени экспонирования строки.

Схема рольставни

Эта схема дает изображение, которое не все снимается одновременно, а скорее немного сдвинуто во времени: это может быть проблемой в быстром приложении, требующем высокой частоты кадров.

Эффект рольставни.

Напротив, время экспозиции датчиков global shutter начинается и заканчивается в одно и то же время (см. Рисунок: в этом случае все красные полосы выровнены). Таким образом, информация, предоставляемая каждым пикселем, относится к тому же временному интервалу, в котором было получено изображение.Здесь только считывание является последовательным, но дискретизированное напряжение относится к одному точному моменту времени для всего массива. Этот тип датчика является обязательным для высокоскоростных приложений.

Схема глобального затвора

Что такое датчик CCD?

ПЗС-камеры с охлаждением уже давно находятся на переднем крае астрофотографии. Но что на самом деле представляет собой технология CCD-сенсора и как с ее помощью создавать потрясающие изображения ночного неба?

Мы подумали, что было бы полезно взглянуть на некоторые из различных аспектов ПЗС-сенсоров, чтобы лучше понять, что происходит на поверхности вашей камеры, пока вы заняты съемкой Вселенной.

Мы собрали несколько видеороликов из этой серии, которые мы выпустим в ближайшие недели, включая обзор различных типов шума, связанных с датчиками CCD, и способов его минимизации. Но давайте начнем с самого начала и посмотрим, что же такое ПЗС-матрица или устройство с зарядовой связью.

Что такое ПЗС-матрица? — Выписка

Здравствуйте.

Сегодня я хотел бы немного поговорить о самих ПЗС-матрицах.Очевидно, что за последние десять или двадцать лет ПЗС-матрицы были действительно важны для астрофотографии — большинство действительно великолепных изображений ночного неба были получены с помощью технологии ПЗС-сенсоров. Итак, мы собираемся воспользоваться возможностью, чтобы поговорить немного о самих датчиках. Надеюсь, это будет информативным, может быть, развлекательным. Вероятно, это не будет особенно полезно с точки зрения помощи в фотографировании ночного неба, но когда вы хотите иметь представление о том, что на самом деле происходит на самой камере, это может быть полезно.

Ладно, это датчик. На самом деле это один из одиннадцатимегапиксельных датчиков Kodak, и он похож на некоторые датчики Sony, поскольку у нас есть прозрачный кусок покровного стекла, закрывающий сам кусок кремниевого чипа, и у нас есть несколько контактов вдоль сторона — или это может быть массив штырей — для фактического взаимодействия с электроникой снаружи.

Датчик Kodak 11MP

Массив сетки контактов

Первое, что стоит отметить, — это кусок кремния.Так почему же, черт возьми, у нас там есть кусок кремниевого чипа? Почему мы решили использовать это, почему мы не выбрали кусок стали, кусок угля или пластик — почему кремний? И ответ на самом деле сводится к очень интересному свойству кремния, и чтобы как бы поговорить с вами об этом, полезно поговорить о ряде различных типов соединений и их электронных свойствах.

Типы соединений и их электронные свойства

Изолятор — это материал, в котором все электроны находятся в валентной зоне, поэтому они тесно связаны с родительскими атомами и вообще не могут перемещаться по материалу.Делокализованные электроны, которые могут перемещаться, называются полосой проводимости. У изоляторов действительно есть зона проводимости, но их энергия настолько выше, чем энергия валентной зоны, что очень и очень редко электрон продвигается в зону проводимости, а затем он имеет тенденцию падать обратно к своему родительскому атому и связывать. Так что изоляторы — очень плохо проводят электричество.

В металлах мы имеем обратную ситуацию, когда энергии валентной зоны и зоны проводимости фактически перекрываются.Итак, у нас есть это море делокализованных электронов внутри металла, которые помогают ему проводить электричество, и это может происходить без добавления энергии в сам металл.

Наш третий тип материала, полупроводник , обладает этим интересным свойством, когда зона проводимости лишь немного выше валентной зоны, поэтому нам нужно добавить относительно небольшое количество энергии, чтобы продвинуть электроны в зону проводимости. Для кремния эта энергия составляет 1,14 электрон-вольт, и есть интересное свойство, которое соответствует количеству энергии, которое фотон имеет в диапазоне от 300 до 1000 нанометров.Эту энергию можно использовать, если фотон падает на кремний, затем ее можно использовать для продвижения электрона в зону проводимости, и там, когда он окажется в зоне проводимости, мы сможем перемещать его вокруг кремния и измерять его.

Создание кремниевого сенсора

Хорошо, теперь я хотел бы рассмотреть, как мы на самом деле создаем датчик изображения на основе куска кремниевого чипа. Я только что получил это изображение на экране, представляющее квадратный кусок кремния.Я собираюсь разделить это на девять областей, которые станут девятью пикселями. Первое, что нужно сделать, это разделить столбцы, поэтому мы помещаем эти упоры между столбцами, и это в основном маленькие электроды, которые проходят по поверхности чипа и несут отрицательный заряд, или мы даем им отрицательный потенциал, и он останавливает любые электроны, попавшие в эти три разные области, теперь мигрирующие влево и вправо через датчик.

Кусок кремния

Добавить пиксели

Добавить электроды

Итак, это ограничивало их влево и вправо.Нам также нужно ограничивать их вверх и вниз, и для этого мы используем эти вертикальные часы. Итак, здесь они работают группами по три, так что три такта на пиксель, и на данный момент у меня есть средний с положительным потенциалом и два внешних с отрицательным потенциалом.

Итак, что происходит сейчас: если фотон упадет на один из этих пикселей, он сгенерирует и освободит электрон, и этот электрон захочет двигаться, так что он окажется под положительным потенциалом положительных часов.Таким образом происходит накопление изображения, поэтому во время экспозиции фотоны падают на датчик изображения, и они удерживаются в пределах пикселя вертикальными электродами и этими горизонтальными вертикальными часами.

Вертикальные часы

Считывание изображения

Затем мы хотим прочитать это изображение. Мы делаем это, фактически синхронизируя эти вертикальные часы.

Если мы сдвинем потенциал часов на единицу вниз, так что положительный потенциал сдвинулся на один такт вниз, то он имеет тенденцию перемещать или просить электрон перемещаться по одной ступени за раз.И снова мы делаем это, перемещая положительную фазу вниз, и электроны медленно мигрируют вниз по самой ПЗС-матрице.

Мы продолжаем делать это до тех пор, пока электроны или пиксель не перейдут в нижний каскад, который является этим регистром горизонтального считывания. Это точно такие же вещи, но на этот раз сами часы идут вертикально и позволяют перемещать электроны слева направо. Итак, в этом случае мы перемещаем их влево и в последнюю стадию. И как только они достигли этой стадии, мы используем усилитель, и усилитель в основном измеряет количество фотонов, которые были потеряны в пикселе, и преобразует его в напряжение, и это напряжение затем появляется на одном из контактов на этом чипе. сам.На этом я думаю, что это один с конца, то есть вертикальные часы с одной стороны и горизонтальные часы с одной стороны.

Затем, когда мы закончили измерение или оцифровку этого конкретного напряжения с этого пикселя, мы используем переключатель в выходном каскаде, чтобы удалить весь заряд с этого пикселя и синхронизировать еще один из горизонтальных регистров в выходном вентиле.

Считывание ПЗС-матрицы

Таким образом, очень типичная система для считывания ПЗС — это, прежде всего, одна строка за раз в регистр горизонтального считывания, а затем перемещение этого пикселя за раз в выходной каскад.И это действительно описывает классический датчик площади для ПЗС-матриц. Это довольно старая технология, довольно старый способ обращения или использования кремния для создания тепловизора. Ему действительно нужен механический затвор, поэтому на этапе считывания все это все еще чувствительно к свету, поэтому для того, чтобы, когда вы начинаете перемещать изображение вниз по датчику, вы не получаете следа, вам нужно использовать механический ставня.

Все датчики на этом конкретном лотке не являются датчиками площади, на самом деле это все межстрочные датчики.Во многих наших продуктах линейки Atik используются межстрочные датчики, для которых не требуются механические заслонки. Так что, вероятно, стоит просто коснуться того, как мы их используем.

Межстрочные ПЗС-сенсоры

Итак, если мы снова начнем с того же самого куска кремния и на этот раз превратим его в межстрочный датчик, первое, что нужно сделать, это начать с создания такого же зонального датчика. Я не показывал их здесь, но мы введем эти вертикальные колонки, чтобы остановить перемещение электронов влево и вправо, а также у нас будут вертикальные часы, которые позволят нам перемещать заряд вверх и вниз по самому пикселю.

Если все обстоит иначе, то мы кладем эти алюминиевые полосы поверх самого датчика. Это в основном делает область под алюминиевым световым экраном нечувствительной к свету, поэтому во время фазы считывания, если в этой части считывающего регистра есть какие-либо электроны, тогда, когда они перемещаются вниз по столбцу, нам не нужно беспокойтесь о том, что часть сенсора улавливает фотоны и преобразует их в электроны — на них есть световой экран.

Датчик с алюминиевыми светозащитными экранами

Теперь нам нужно что-то действительно чувствительное к свету.В данном случае это называется фотодиодом, в точности такая же идея, это кусок кремния, за исключением того, что у нас есть пара других часов, которые мы теперь можем использовать для управления этим фотодиодом. Один из них мы можем использовать для снятия заряда со всех фотодиодов за один раз, и он обычно используется в начале экспозиции, а второй — это часы, которые перемещают заряд со всех фотодиодов влево. . Это затем переместит их под алюминиевые светозащитные экраны и эффективно завершит экспозицию.

Итак, это в основном схема того, как выглядит межстрочный датчик, потому что у нас есть фотодиод и ПЗС-матрица вертикального считывания под алюминиевым световым экраном.

Где это не очень хорошо, так это то, что мы сделали: мы сделали чувствительную к свету область самого датчика, которая составляет только около 25% поверхности чипа. Мы бы описали это как коэффициент заполнения около 25%, что довольно плохо, если мы смотрим на источник слабого света, потому что 75% фотонов, попадающих на этот датчик, не будут преобразованы в электроны.

Добавление микролинз

Вот где все снова становится по-умному. Производители микросхем вводят эту технологию микролинз, поэтому мы помещаем эту линзу поверх каждого фотодиода, или они кладут линзу сверху, что означает, что любые фотоны, падающие на верхнюю часть линзы, концентрируются на самом фотодиоде, и это затем улучшает коэффициент заполнения более 80%.

Межстрочный датчик с микролинзами

Технология, которую они используют для производства этих очень, очень крошечных линз, претерпела значительные изменения и сама по себе относительно интересна.Обычно это струйный процесс, когда эти маленькие линзы наносятся по одной на поверхность сенсора. Но затем они принимают более круглую сферическую форму, когда вы это делаете, так что затем, чтобы фактически вернуть им форму линзы, чип контролируется с помощью некоторых очень осторожных градиентов температуры, чтобы эти шары провисали в форме линза. Как только они это сделают, коэффициенты заполнения фактически увеличиваются из-за микролинзирования.

Хорошо, я думаю, что это дано столько, сколько я, вероятно, хочу поговорить в этом небольшом разделе, посвященном ПЗС.Надеюсь, это было интересно, и, может быть, когда в следующий раз вы будете снимать небо и размышлять о тонкостях галактик и туманностей, мы также сможем задуматься о том, что на самом деле происходит на поверхности сенсора.

Спасибо.

Вернуться к новостям

— Краткие технические сведения

Что лучше всего подходит для вашего приложения?

Как выбрать лучшую HD-видеокамеру и датчик изображения для профессионального видео в таких приложениях, как медико-биологические науки, хирургическая визуализация, микроскопия, промышленная визуализация и специализированное телевещание с точкой обзора, где важен физический размер камеры, и исключительное цветное видео характеристики критичны?

В основном эти приложения основаны на динамическом просмотре видеоизображения в реальном времени в реальном времени людьми, которые смотрят на дисплей и принимают решения на основе того, что они видят с камеры. Нужна ли 3-чиповая камера или будет достаточно одночиповой камеры? А как насчет размера сенсора, формата, размера и плотности пикселей — как эти факторы влияют на ваше изображение? В этой статье будут рассмотрены и разъяснены ключевые моменты, которые следует учитывать при выборе камеры для достижения наилучшего возможного результата для вашего видеоприложения.

CCD против CMOS

Что лучше — CCD (устройство с зарядовой связью) или CMOS (комплементарный металлооксидный полупроводник)? Это зависит от того, есть ли преимущества у обеих сенсорных технологий. Для большинства приложений CMOS является лучшим выбором, но в других случаях CCD продолжает оставаться на своих позициях. Оба используют полупроводники для преобразования света в электрические сигналы.

В датчике CMOS каждый пиксель имеет фоторецептор, выполняющий собственное преобразование заряда в напряжение и обычно включающий усилители, схемы коррекции шума и оцифровки, что позволяет датчику напрямую выводить цифровые данные.Пиксели обычно не накапливают заряд; они просто считывают, сколько света попадает в этот пиксель в конкретный момент, и считывают, постепенно, от верхнего левого угла к нижнему правому, строка за строкой, пока затвор открыт. В датчике CCD свет попадает в фоторецептор и сохраняется в датчике в виде электрического заряда, затем преобразуется в напряжение, буферизуется и отправляется в виде аналогового сигнала при закрытии затвора.

Сильным преимуществом технологии CMOS является то, что она обеспечивает цифровой вывод и может управляться на уровне пикселей способами, которые невозможны с CCD.Это дает потенциально огромные преимущества при специализированной визуализации, когда можно применить частичное сканирование или определенный процесс управления только к сегменту датчика. Эта возможность полезна для управления камерами в различных режимах визуализации для многоспектральной визуализации или биннинга.

ПЗС перед КМОП заключаются в более высокой квантовой эффективности (QE) датчиков и в целом более низком уровне шума. Доля каждого пикселя, предназначенного для сбора света по сравнению с маскированием для других функций, также сравнительно высока.Однако камеры CCD обычно потребляют больше энергии, чем CMOS, что может быть рассмотрением для определенных приложений в биологии или для камер с батарейным питанием. Цветение — это нежелательный артефакт, связанный с ПЗС-матрицей, который проявляется в виде вертикальной размытой линии при ярком свете или насыщении изображения.

Глобальный или рольставни

Вероятно, наиболее серьезной проблемой при выборе между CCD или CMOS является глобальный или рольставни. В большинстве современных КМОП-сенсоров используется рольставни, которая всегда активна и перемещается по пикселям построчно сверху вниз.ПЗС-матрицы, с другой стороны, сохраняют свои электрические заряды и считывают их, когда затвор закрывается, а пиксель сбрасывается для следующей экспозиции, позволяя выводить всю область датчика одновременно. Когда шторка открыта, ПЗС-матрица получает свет и снова накапливает заряд.

Эти вариации затвора влияют на видеоизображение по-разному, особенно когда есть вращательное движение, горизонтальное движение, лазерный импульс или стробоскопический свет. ПЗС-матрицы довольно хорошо справляются с этими движениями и условиями импульсного освещения, когда сцена просматривается или экспонируется в один момент времени, как моментальный снимок.Кроме того, CCD-датчик (глобальный затвор) может срабатывать более легко, что позволяет синхронизировать время света или движения до фазы открытого затвора.

С помощью CMOS (рольставни) можно до некоторой степени управлять за счет сочетания коротких выдержек и времени срабатывания источника света, однако не все артефакты, связанные со скользящим затвором, можно преодолеть. Доступны КМОП-датчики, реализующие возможности глобального затвора, но их формат и характеристики видеоизображения еще не оптимальны для многих требований биологических наук.

Плотность пикселей и размер пикселя

Плотность и размер пикселя часто путают и неправильно понимают атрибуты видеокамеры. На нас влияет индустрия потребительских товаров, которая проделала феноменальную работу, заставив нас поверить в то, что чем больше пикселей, тем лучше. Камера на 40 МП на мобильном устройстве должна быть существенно лучше, чем камера на 8 МП, верно?

Хотя плотность пикселей является ценным атрибутом, который может способствовать увеличению разрешения, размер пикселей на самом деле будет иметь большее влияние на динамический диапазон, чувствительность и шум, особенно в условиях низкой освещенности.При прочих равных, больший размер пикселя означает больший сигнал и улучшенное качество видео. Большинство производителей камер не раскрывают размер пикселей, но разумную оценку можно рассчитать, зная размер сенсора и матрицу пикселей.

Рассмотрим два примера. Эта новая GoPro ^® HERO3, которую вы только что купили, оснащена сенсором размером 1 / 2,3 дюйма размером 6,17 x 4,55 мм, но имеет 12 МП в матрице размером 4000 x 3000 пикселей. Чтобы рассчитать размер пикселя, просто разделите ширину и длину сенсора на матрицу пикселей по горизонтали и вертикали.Это определяет, что пиксели имеют квадрат приблизительно 1,5 мкм. В отличие от этого, крупный производитель микроскопов продвигает одну из своих последних моделей цифровых фотоаппаратов с разрешением 12,5 Мпикс и матрицей 4080 x 3072 пикселей. Его матрица имеет формат 2/3 дюйма, который имеет размеры 8,8 мм x 6,6 мм, что соответствует квадратным пикселям 2,1 мкм. Если вы уверены, что указанная матрица пикселей является фактической или эффективной матрицей пикселей, то это сравнение завершено.

По возможности всегда старайтесь узнать фактические или эффективные пиксели на датчике, чтобы более точно определить размер пикселя.В этом примере камеры для микроскопии в технических характеристиках указано, что разрешение 12,5 МП получается за счет сдвига пикселей. Сдвиг пикселей — это метод, используемый многими производителями камер для улучшения пространственного разрешения путем смещения датчиков механически, в случае трехчиповых камер, или электронным способом для одночиповых камер. При использовании методов сдвига пикселей фактическое количество пикселей на датчике может быть меньше заявленного выходного формата. При более подробном рассмотрении спецификаций выясняется, что эффективная матрица пикселей датчика составляет всего 1360 x 1024 пикселей, то есть едва ли 1.4 МП, что дает квадратные пиксели 6,4 мкм.

Что является одновременно сложным и важным в этом сравнении, так это получение фактов для определения размеров пикселей, а не использование сдвига пикселей, поскольку это приемлемая практика в конструкции камеры. Пиксельные размеры камеры микроскопии довольно большие и более чем в 17 раз больше, чем у GoPro. Я надеюсь, что мой патологоанатом не пытается использовать GoPro на микроскопе.

Сравнение трех микросхем и одной микросхемы

Так что насчет трехчиповой технологии — дает ли она преимущества и актуальна ли она в современных вариантах камер с высоким разрешением?

Принципом, лежащим в основе трехчиповых камер, является использование призмы для разделения света на составляющие его красной, зеленой и синей длин волн и использование специального датчика для каждого канала (Рисунок 1 (слева): призматический блок).Он эффективно увеличивает площадь сенсора втрое и обеспечивает точное управление каждым цветовым каналом. Таким образом, трехчиповая камера обеспечивает улучшенную чувствительность и управление цветом.

Каждый производитель оценивает свои трехчиповые камеры по размеру и матрице пикселей отдельных датчиков, а не по совокупному результату. Таким образом, трехчиповая камера HD с разрешением 2,1 МП оснащена тремя сенсорами на 2,1 МП. Если эффективная матрица пикселей — Full HD с разрешением 1920 x 1080, то результирующий размер пикселя будет примерно 2.5 мкм. Хотя в этом примере размер пикселя все еще меньше, чем у микроскопической камеры, описанной выше, ее размер все еще достаточно велик, чтобы обеспечить хороший результат, сохраняя при этом небольшой физический размер камеры. В принципе, датчик любого размера может быть сконструирован в трехчиповую конфигурацию, хотя для большинства приложений медико-биологической науки лучший размер датчика составляет 1/3 дюйма или 1/2 дюйма, поскольку они достаточно велики, чтобы обеспечить хорошее соотношение между плотность пикселей и размер пикселей при сохранении небольшого общего размера камеры.

В случае однокристального датчика его матрица пикселей покрыта маской цветового фильтра, обычно типа Байера, который чередует зеленый, красный или синий фильтры, размещенные непосредственно над каждым пикселем (Рисунок 1 (справа): фильтр Байера). Человеческий глаз наиболее чувствителен к видимому свету с длиной волны зеленого цвета, и шаблон Байера пытается приблизить чувствительность человеческого глаза, размещая чередующиеся ряды зеленых, синих, зеленых и красных пикселей. В результате получается массив этих фильтров: 50% пикселей — зеленые, а 25% — синие или красные.Если датчик был разрешением Full HD 2.1MP, то примерно 1 миллион пикселей будет зеленым, 500 000 — синими и 500 000 — красными.

Если мы сравним две камеры, которые используют один и тот же формат сенсора — например, 1/3 дюйма, обе — Full HD, одна — одночиповая Bayer, другая — трехчиповая, какая из них будет лучше? Пиксельная матрица для обеих камер одинаковая, 1920 x 1080, размер сенсора такой же — 1/3 дюйма, поэтому размеры пикселей также совпадают (2,5 мкм). Что даст лучший результат?

Однокристальная камера предоставит только 1 миллион пикселей зеленых данных, тогда как трехчиповая камера предоставит 2.1 МП данных зеленого пикселя. Кроме того, трехчиповая камера предоставляет в четыре раза больше информации о пикселях для красного и синего каналов. Конечным результатом является повышенное разрешение и улучшенная чувствительность, особенно в условиях низкой освещенности.

Хотя можно использовать большой однокристальный датчик для аппроксимации распределения пикселей и размера пикселя трехчиповой конструкции, механические и пространственные ограничения многих приложений могут не позволить использовать датчик такого большого формата и увеличенный размер камеры.Три микросхемы позволяют достичь идеального баланса между очень компактными механическими размерами и исключительными характеристиками видео производительности. Усовершенствованная трехчиповая CMOS HD-камера показана на рисунке 2.

Появляющиеся видеоформаты зависят от возможностей и постоянных улучшений технологии CMOS-сенсоров, включая Ultra HD или Quad-Full HD 3840 x 2160 и Digital Cinema Initiatives (DCI) Стандарт 4K 4096 x 2160 и даже Super Hi-Vision 8K 7680 x 4320. Камеры, дисплеи, технологии сжатия видео и обработки изображений быстро становятся доступными, обеспечивая улучшение разрешения и все более захватывающий видеоконтент.Работа с этими новыми форматами вызовет проблемы с оптикой, хранением, распределением, отображением и обработкой изображений, которые часто достигают своих пределов при работе с Full HD. Нам придется подождать и посмотреть, стоят ли дополнительные данные и разрешение необходимых обновлений по всей цепочке визуализации.

Резюме

Как мы видели, КМОП-датчики превосходят ПЗС-матрицы во многих отношениях, особенно в том, что касается большинства приложений хирургической визуализации, микроскопии, машинного зрения и радиовещания. Тем не менее, есть несколько специализированных приложений в астрономии, обнаружении частиц и некоторых изображениях с движением, где следует рассматривать технологию CCD.В задачах визуализации, когда CMOS используется в 3-чиповых камерах, можно полностью реализовать улучшенное разрешение, чувствительность и воспроизводимость цвета, которые не имеют себе равных у однокристальных камер. Для типичного полного движения видеоизображения технология CMOS продолжает развиваться и будет соответствовать требованиям новых форматов, таких как 4K, и расширенным функциям обработки изображений, которые используют преимущества цифровой природы CMOS.

Эта статья написана Полом Демпстером, менеджером по национальным продажам подразделения систем визуализации Toshiba (Ирвин, Калифорния).Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Демпстером в paul. Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. Или посетите http://info.hotors.com/49747-200 .

Photonics Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в июльском выпуске журнала Photonics Tech Briefs за июль 2014 года.

Прочитать больше статей из этого номера Вот.

Больше статей из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ