ФПЗС видимого диапазона

Наряду с наиболее широкой областью применения ПЗС — телевизионные и бытовые видеокамеры, существуют различного рода системы технического зрения, в которых использование особенностей функционирования ПЗС позволяет существенно улучшить характеристики этих систем.

Одна из задач ряда систем технического зрения — выделение некоторых важных параметров наблюдаемого изображения, например определение координат простых объектов — точки, пятна или определение направления расположения вытянутого объекта. Причем данная задача должна быть решена как можно быстрее, за время порядка 10 с, что существенно меньше времени телевизионного кадра. Процесс получения параметров объекта можно ускорить в десятки раз, если преобразовывать видеоинфляцию непосредственно в фотоприемнике.

Наиболее легко осуществимой операцией в ПЗС является аналоговое суммирование, которое в матричных приемниках, снабженных выходным регистром, может производиться в последнем или в выходном усилительном устройстве. Разработанный в НИИФП ФПЗС, допускающий работу в режимах суммирования зарядовых пакетов по диагоналям и столбцам матрицы.

Он состоит из матрицы форматом 256 х 192 элемента, расположенных с шагом 24 мкм, выходного регистра, емкость тактовых электродов которого в десять раз превосходит емкость электродов матрицы, двух выходных усилителей по обеим сторонам регистра и схем обрамления, вырабатывающих все вспомогательные импульсные и постоянные напряжения, обеспечивающие работоспособность выходных усилителей и электродов переноса заряда матрица-регистр и регистр-усилитель. Для контроля температуры кристалла в его верхней части расположен резистивный датчик температуры.

С целью упрощения контроля готового кристалла в него встроен режим электронной миры, позволяющий без подачи на него оптического сигнала исследовать процесс переноса заряда по всей матрице и определять эффективность переноса заряда отдельно по регистру и по матрице. Перечисленные конструктивные особенности позволяют с высокой эффективностью использовать фотоприемник, например, для определения параметров положения объектов по методу характерных точек.

Другой пример удачного совмещения свойств фотоприемника и устройства предварительной обработки информации — матричный ПЗС, работающий в режиме временной задержки и накопления (ПЗС ВЗН), обеспечивающий высокое качество изображения при значительном рассогласовании направления вектора скорости движения изображения с направлением столбцов матрицы.

В обычных ПЗС ВЗН направление движения изображения должно точно совпадать с направлением столбцов матрицы. В противном случае мелкие детали изображения будут расплываться, а его контрастность снижаться. Следовательно, для обеспечения наилучшего качества приема изображения необходимо либо механически ориентировать фотоприемник, либо изменять направление переноса заряда в матрице в соответствии с вектором скорости движения изображения.

Первый способ является довольно медленным. Для реализации второго способа конструкция фотоприемника должна допускать возможность сдвига всех зарядовых пакетов строки матрицы в поперечном столбцам направлении. Причем достаточно ограничиться возможностью сдвига заряда в один из соседних столбцов, что существенно упрощает конструкцию переключателя, обеспечивающего такой сдвиг.

При этом может быть два варианта его реализации. Первый пропускает заряд по данному столбцу без сдвига либо сдвигает заряд в один из соседних. Второй позволяет сдвигать заряд только в один из двух столбцов, следующих за данным и сдвинутых относительно него на половину шага в поперечном столбцам направлении. Конструктивно переключатели выполнены таким образом, что их введение не приводит к увеличению периода следования столбцов матрицы.

Такая конструкция переключателей была реализована в матрице ПЗС ВЗН, состоящей из восьми секций, разделенных переключателями, имеющей основные размеры lx=ly=12 мкм и эффективность переноса заряда 99,99%.

Теоретические расчеты основной компоненты частотноконтрастной характеристики матрицы (ЧКХ) в зависимости от угла рассогласования (А) между направлением движения изображения и направлением столбцов матрицы показали, что без использования переключателей ЧКХ падает на порядок при А>1,5°, а при оптимальной траектории движения заряда для каждого конкретного значения А, получаемой за счет включения нужных переключателей, ЧКХ падает не более, чем в два раза, вплоть до А=10°.

Сравнение теоретических и экспериментальных результатов, полученных на разработанной матрице, показывает их достаточно хорошее совпадение (максимальное различие не превышает 20%). Такие матрицы могут широко использоваться в автоматизированных измерительных системах с электронной адаптацией к параметрам движущегося изображения.

Одна из основных трудностей, возникающих при применении ПЗС,— большое количество подстроек уровней сигналов, подаваемых на прибор (обычно не менее пяти), а также значительное число самих импульсных сигналов. Все это затрудняет настройку устройств с применением ПЗС, особенно при массовом производстве.

Обычно данную Проблему стараются решить за счет использования специализированных ИС тактового генератора и формирователя импульсных сигналов ПЗС. Однако такие ИС рассчитаны на телевизионный режим работы ПЗС, а их применение в других режимах под силу только высококвалифицированному специалисту в области ПЗС. Для того, чтобы частично устранить это противоречие, разрабатываемые в НИИФП кристаллы ПЗС имеют встроенные схемы электронного обрамления, формирующие либо часть импульсных и постоянных сигналов, необходимых для обеспечения работы ПЗС, либо все эти сигналы.

Все кристаллы, как линейные, так и матричные, имеют двухкаскадный выходной усилитель со схемой выборки и хранения, формирующий огибающую выходного сигнала ПЗС, схемы формирования из регистровых импульсов сигналов установки и выборки для выходного усилителя и схемы-формирования постоянных уровней сигналов на вспомогательных электродах ПЗС — электродах переноса заряда из матрицы в регистр, из регистра в усилитель, из входного диода в регистр.

Наличие этих схем дает возможность подавать на ПЗС только матричные и регистровые импульсы и два постоянных напряжения — на усилитель и подложку. Кардинальным решением данной проблемы является включение в состав кристалла ПЗС всех схем электронного обрамления, обеспечивающих его работоспособность. Однако разработка таких схем должна вестись с учетом рассеиваемой кристаллом мощности, поскольку перегрев ПЗС приводит к существенному ухудшению его характеристик. С учетом этого условия наиболее привлекательны для интеграции со схемами обрамления линейные ПЗС.

Разработанные ИС линейного фотоприемника на 2048 и 2716 элементов на основе ПЗС подробно описаны в одной из работ, включенных в настоящий сборник. Для обеспечения работоспособности этих схем требуется подача на них двух ( + 12 В, —3 В) или трех (+5 В, +12 В, —3 В) постоянных напряжений и одного синхросигнала с ТТЛ уровнем, определяющим частоту импульсов переноса заряда и время экспозиции.

Дополнительно время экспозиции может меняться подачей импульса напряжения на затвор антиблуминга, что позволяет отказаться от использования затвора и диафрагмы в объективе. ИС обладают стандартными допусками по положительным напряжениям (±10%), а по отрицательному работают в диапазоне от 0 до —5 В. Подстройка этих напряжений может понадобиться только для выбора оптимальных режимов работы во всем диапазоне условий эксплуатации. Таким образом, данные схемы по простоте обращения практически не отличаются от цифровых схем.

Матричные ПЗС, разработанные в институте, имеют как кадровую организацию, так и строчно-кадровую. Причем все варианты первой схемы были разработаны для применения в малокадровых цифровых системах, вторая схема может быть также использована и в телевизионных видеокамерах. Ее фоточувствительные элементы выполнены в виде диодных структур либо полностью обедненных n-областей, что увеличивает фоточувствительность приемника, особенно в коротковолновой области.

Закрытые алюминием вертикальные и горизонтальный регистры обеспечивают отсутствие смаза изображения при его выносе из матрицы. Высокочувствительный выходной усилитель с большим коэффициентом передачи по напряжению (0,8— 0,85) обеспечивает сигнал насыщения 1 В и динамический диапазон более 60 дБ, что позволяет использовать данный фотоприемник в измерительных цифровых системах.

Поскольку введение в кристалл матричного ПЗС всех схем электронного обрамления может ухудшить его характеристики, были разработаны два кристалла, один из которых формирует импульсные сигналы управления ПЗС, а второй — телевизионные синхросигналы. Первый кристалл обеспечивает работу строчнокадровых матриц в режимах непрерывной генерации и малокадровом. Применение обоих кристаллов дает возможность создавать видеокамеры с использованием кадровых и строчно-кадровых матриц с выдачей ТВ-синхросигналов.

Разработанные ИС ФПЗС нашли применение в ряде измерительных устройств, созданных в институте. На основе матричного ПЗС формата 256 х 192 был изготовлен измеритель линейных размеров на фотошаблонах и полупроводниковых пластинах с субмикронным разрешением. Обычно в таких измерителях используются линейные ПЗС.

Применение специализированного матричного ПЗС, предназначенного для работы в режиме суммирования зарядов, позволяет на два порядка снизить освещенность объекта измерения и за счет увеличения динамического диапазона повысить точность измерения. Снижение освещенности, достигаемое за счет применения режима суммирования, позволяет отказаться от мощных источников света и использовать для освещения светодиоды с необходимой длиной волны в импульсном режиме.

Импульсное освещение с длиной волны не более 0,7 мкм упрощает систему освещения микроскопа и исключает смаз изображения в матрице при его считывании. Такие видеокамеры легко стыкуются с имеющимися микроскопами как отечественного, так и импортного производства, и при небольшой их доработке обеспечивают полностью автоматизированный режим измерения.

Эта же матрица послужила основой для устройства считывания рисунка капиллярных линии непосредственно с пальца человека. В этом устройстве, как и в измерителе размеров, подсветка пальца осуществляется импульсными светодиодами, что позволяет получать высококонтрастное изображение без смазов и перекрестных наводок. Получаемые с его помощью изображения хорошо стыкуются с имеющимся программным обеспечением распознавания отпечатков пальцев.

Линейный ПЗС на 2716 фоточувствительных элементов использован для создания считывателя штриховых кодов (СШК), широко применяемого за рубежом при идентификации товаров и грузов. Эта сфера применения ПЗС очень перспективна, поскольку другие типы СШК — карандашные и лазерные, обладают существенными недостатками и поэтому имеют ограниченную область использования.

Разработанный линейный ПЗС со схемами обрамления дает возможность сократить количество интегральных схем, применяемых в считывателе, снизив тем самым габариты и энергопотребление считывателя, и существенно упростить его настройку. Представляется реальным ввести на кристалл фотоприемника и ряд других схем обработки видеосигнала, что еще больше упростит и удешевит считыватель.