ПЗС-чип может иметь либо линейную форму (линейный ПЗС), либо форму двумерной матрицы (ПЗС-матрица). Важно понимать, что они состоят из дискретных элементов (пикселов), но ПЗС-устройства не являются цифровыми устройствами. Каждый пиксел может содержать любое число электронов, пропорциональное падающему на него свету, таким образом представляя аналоговую информацию.
Дискретные пакеты электронов переносятся (если время экспонирования закончилось) одновременным сдвигом рядов и столбцов пакетов на внешний каскад чипа. Поэтому мы и говорим, что ПЗС-матрицы по сути своей являются светочувствительными аналоговыми сдвиговыми регистрами.
Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств, а только в качестве фотоприемников. Их можно найти во многих устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день: в факсимильных аппаратах, сканерах используются линейные ПЗС; во многих фотокамерах с автофокусом используются ПЗС-чипы автофокусировки; в географическом аэромониторинге, космическом зондировании планеты, промышленном обследовании материалов тоже применяются камеры с линейными ПЗС, и наконец, хотя это и не последнее, многие современные телевизионные камеры, как в широком телевещании, так и в системах видеонаблюдения, используют ПЗС-чипы.
ПЗС-телекамеры обладают многими преимуществами (конструктивными) перед телекамерами с передающими трубками, хотя, как ранее упоминалось, поначалу возникали трудности с разрешающей способностью. В наши дни технология достигла такого уровня, что высокое разрешение больше не проблема.
Рис. 5.8. Уже давно эти разные технологии выполняют одинаковую работу (телекамера с ПЗС-матрицей и телекамера с передающей трубкой)
Вот основные преимущества ПЗС-телекамер в сравнении с телекамерами на передающих трубках:
— очень низкая минимальная освещенность (для черно-белых до 1 лк на объекте);
— отсутствие геометрических искажений благодаря точной двумерной конструкции;
— низкое энергопотребление;
— не требуется высокое напряжение для ускорения луча;
— маленькие размеры;
— не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей;
— и самое важное неограниченное время жизни электронов, генерируемых фотоэффектом.
Рис. 5.9. Фотоны создают электроны в ПЗС-матрице
Рис. 5.10. Линейные ПЗС используются для получения фотографий со спутников
Как мы уже говорили раньше, ПЗС бывают всех форм и размеров, но основная классификация — это деление на линейные и двумерные матрицы. Линейные чипы используются в тех случаях, когда объекты движутся только в одном направлении (как в факсимильных аппаратах и сканерах).
В видеонаблюдении нас интересуют только двумерные матрицы, так называемые матрицы размеров 2/3", 1/2", 1/3".
Мы уже рассказывали, что эти размеры не представляют диагональные размеры матриц, как можно подумать, а соответствуют диаметрам передающих трубок, дающих такое же изображение.
Чувствительность и разрешение ПЗС-матриц
Сравнение по чувствительности покажет нам преимущества ПЗС-матриц в отношении видикона и ньювикона, а также в отношении эмульсии пленки.
В фотографии чаще всего используется пленка в 100 ISO, хотя можно приобрести пленку в 200 ISO (в два раза более чувствительную) или 400 ISO (в четыре раза чувствительнее, чем пленка 100 ISO).
Иногда можно даже встретить пленку в 1600 ISO, которая обычно применяется в ситуациях чрезвычайно низкой освещенности (в терминах фотографии).
Можно показать, что средняя черно-белая ПЗС-матрица имеет очень высокую чувствительность в сравнении с эмульсией пленки. В ясный солнечный день для типичной пленки в 100 ISO потребуются установки фотокамеры на 1 /125 с и F/16. Если на ту же сцену направить ПЗС-телекамеру, у которой нормальная выдержка CCIR затвора составляет 1/50 с, то следует использовать объектив примерно с F/1000 (плюс-минус одно F-число, так как АРУ телекамеры тоже играет роль). Если мы изменим 1/50 на 1/125 (в 2.5 раза короче), то чтобы получить ту же экспозицию, объектив должен быть раскрыт на 2.5 значения F-числа шире, чтобы скомпенсировать сокращение времени выдержки. Это даст нам вместо F/1000 примерно F/400 (вы помните F-числа: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8,11,16, 22, 32, 44, 64, 88, 128, 180, 250, 360, 500, 720, 1000, 1400 и т. д.). Теперь, чтобы перевести чувствительность эмульсии пленки от 100 ISO 1/125 и F/16 к эквивалентным установкам пленки более высокой чувствительности, зная, что чувствительность увеличивается вдвое с удвоением единиц ISO, мы получим изменение диафрагменного числа в 9.5 раз, от F/16 до F/400. Это примерно 29.5 = 720 раз. Итак, средняя чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы, выраженная в фотографических единицах ISO, равна примерно 100 ISOx720 = 72 000 ISO!
Рис. 5.13. Принцип работы ПЗС-телекамеры
Рис. 5.14. Элемент изображения ПЗС
Аналогично мы можем найти, что эквивалентная чувствительность цветной ПЗС-телекамеры равна примерно 5000 ISO, что тоже немало по фотостандартам.
Химическая (пленочная) фотография постепенно соединяется с электронными камерами. Говоря о компьютеризации фотографических процессов и цифровых технологиях, а также о появлении различных фотостандартов CD, следует отметить, что фотокамеры тоже претерпевают революционные изменения, и мы скоро увидим новые фотокамеры на ПЗС с увеличенной светочувствительностью.
Такие камеры не зависят от ТВ-стандартов, поэтому нет практически никаких ограничений на число пикселов и соотношение сторон. Даже когда еще только создавалась эта книга, производители начали изготавливать матрицы размером всего 62 мм х 62 мм, с не менее 5120 х 5120 элементов изображения. Как уже упоминалось, все это касается фотокамер, и не стоит их путать с телекамерами для видеонаблюдения.
Спектральная чувствительность ПЗС-матриц зависит от типа кремниевой подложки, но общая характеристика является результатом фотоэффекта: более длинные волны глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС. Имеется в виду красный и инфракрасный свет. Типичная спектральная кривая ПЗС-матрицы показана на рис. 5.15.
Рис. 5.15. Спектральная чувствительность глаза и ПЗС-матрицы
Даже если такое «проникновение» может показаться выигрышным (кажется, что ПЗС-матрица становится более чувствительна), имеются причины предотвращения проникновения более длинных волн глубоко внутрь матрицы. В частности, такие волны могут быть настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. В результате в изображении могут пропасть мелкие детали, потому что заряд ячеек растечется по соседним, теряя при этом компоненты высокого разрешения и вызывая «эффект заплывания» (blooming). Может быть затронута также и масковая зона, предназначенная лишь для временного хранения зарядов и не предназначенная для засвечивания, в результате чего могут в значительной степени возрасти шум и вертикальный ореол (smear).
Поэтому в усовершенствованных ПЗС-телекамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Эти фильтры представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые сверху ПЗС-матрицы. Они ведут себя как оптические низкочастотные фильтры с частотой среза порядка 700 нм, вблизи красного цвета.
Однако, ряд производителей черно-белых телекамер предпочитает не использовать такие фильтры, чтобы не ослаблять их чувствительность. Это приемлемо в тех случаях, когда предполагается использовать телекамеру в условиях низкой освещенности или в систему входят источники инфракрасного света, однако с теоретической точки зрения телекамера с инфракрасным отсекающим фильтром имеет более высокую разрешающую способность (по сравнению с такой же ПЗС-матрицей без ИК-отсекающего фильтра), лучшее отношение сигнал/шум и более естественное преобразование цветного изображения в черно-белое при не такой уж низкой чувствительности.
Рис. 5.16. Инфракрасный отсекающий фильтр изменяет характеристику спектральной чувствительности ПЗС-матрицы
В цветных ПЗС-камерах, напротив, нужно использовать ИК-отсекающий фильтр, так как спектральная характеристика ПЗС-матрицы, которая отлична от характеристик человеческого глаза, должна соответствовать спектральной чувствительности человеческого глаза. Это к тому же одна из причин того, почему цветные ПЗС-камеры менее чувствительны, чем ч/б.
