CCD
1.
Snímací část
Na začátku snímacího řetězce je vždy kamera. Před kamerou je vložen objektiv, který bývá možno měnit. Objektiv opticky zobrazí obraz snímaného obrazu (děje) na snímací součástku. Dříve se jako snímací prvky používaly vakuové elektronky různých typů. Dnes se jako snímací prvek běžně používá čip na bázi CCD, nazývaný CCD čip - obrázek 2. CCD čip je polovodičová součástka přeměňující světelné záření na elektrický signál.
Náčrtek CCD čipu.
V dnešní době existuje několik druhů snímacích kamer. Uvedu zde základní typy běžně používaných kamer: Televizní kamery Průmyslové kamery Digitální kamery U všech druhů kamer se většinou používají CCD čipy jako převodníky optického signálu na elektrický. Televizní kamery mají na výstupu obsaženy informace o optickém obrazu před kamerou a navíc je signál doplněn synchronizačními a zatemňovacími impulsy. Signál na výstupu televizní kamery nazýváme úplný obrazový televizní videosignál (dále jen videosignál).
Televizní kamery převádí optický obraz, dodaný objektivem na snímací součástku (čip CCD), na časově proměnné elektrické napětí. V dalším textu budu předpokládat, že snímací součástka televizní kamery je vždy čip CCD. V tělese televizní kamery jsou obvody, které převádí signál dodávaný čipem CCD na videosignál. Z televizní kamery tedy dostaneme videosignál, který je ovlivněn pouze optickými informacemi dopadajícími na čip CCD. Výstup z televizní kamery ovlivníme jen změnou obrazu před kamerou, nebo nastavením objektivu (clonou, ohniskovou vzdáleností objektivu, zaostřením). Chceme-li použít signál z televizní kamery, je nutné pracovat s videosignálem, který je definován televizní normou. Průmyslové kamery jsou v principu totožné s televizními kamerami. Liší se pouze mechanickou konstrukcí a někdy parametry. Průmyslové kamery jsou stavěny robustněji, často mívají menší rozlišení, což znamená, že převádí méně obrazových bodů na televizní signál než kamery televizní a také často snímají obraz pouze černobíle. Digitální kamery mají řadu výhod, jsou však značně náročnější na technologii výroby (a tím také dražší). Digitální kamery obsahují jako převodník optické informace na elektrickou vždy CCD čip. Chceme-li obdržet obrazovou informaci v mřížce CCD (viz obrázek 2 ) digitální kamery, pošleme do kamery adresu řádku a sloupce požadovaného bodu mřížky.
Kamera nám pošle zpět informaci o osvětlení námi požadovaného bodu za určitý (většinou nastavitelný) čas. Dle konstrukce nám kamera může zpět poslat informaci analogově, případně, má-li A/D převodník, pošle informaci o osvětlení daného bodu digitálně. Z toho plyne, že digitální kamera je výhodná pro použití v metrologii. Od realizace systému s digitální kamerou jsem však musel z důvodů nedostupnosti (především ekonomické) upustit. V současné době se v metrologii nejčastěji používají televizní kamery. Televizní kamery jsou především snadno dostupné, relativně levné a mají standartní rozhraní na výstupu – na výstupu je úplný televizní videosignál. Televizní kamery mají rozlišení dostačující pro mnoho druhů měření. Jako vstupní část navrhovaného řetězce pro snímání, digitalizaci a zpracování videosignálu použijeme televizní kameru. Při zkušebních měřeních jsem používal kamery typů OS 35 a především OS 458. Blíže popíší kameru OS 458, protože tímto typem kamery jsou snímány všechny obrazy v práci prezentované. Kamera OS 458 je černobílá kamera s vysokou jasovou citlivostí a velkým bodovým rozlišením. Kamera má jako snímací prvek CCD čip se samořádkovým uspořádáním. Bližší popis uspořádání čipu CCD výrobce nedodává. Velikost čipu je 7.95 x 6.45 mm a rozlišovací schopnost čipu je 795 x 596 pixelů (bodů). Na výstupu z kamery je úplný televizní videosignál v normě s 625 řádky na snímek a 25 snímky za sekundu. Citlivost snímacího čipu CCD je 0.02 lux. Kamera se napájí 12V stejnosměrnými a má interně nastavitelnou elektrickou závěrku v rozsahu 1/50 až 1/10000. Pro pochopení funkce kamery se snímacím čipem CCD vysvětlím princip činnosti í íh k CCD
1.
Snímací prvky CCD
Základem televizního snímacího zařízení je součástka pro tvorbu obrazového signálu. Tato součástka převádí optické zobrazení na odpovídající posloupnost elektrických impulsů. Většina televizních kamer dříve používala k přeměně obrazu na elektrický signál specielní elektronky – vidikony, plumbikony, ikonoskopy, superikonoskopy, ortikony, superortikony. Základním nedostatkem těchto elektronek je nutnost použití vysokonapěťových vakuových systémů, což je příčinnou značných rozměrů a hmotnosti snímacího zřízení. Tyto elektronky jsou náchylné na mechanické poškození a většinou mají poměrně malou životnost. Jako nutností se ukázalo vyrobit obrazový snímač v pevné fázi. V současné době se jako snímací prvky v televizní technice používají obrazové snímače v pevné fázi a to obrazové snímače na principu CCD. Snímače CCD, které byly objeveny v roce 1969, se proti vakuovým snímacím elektronkám vyznačují především malými rozměry, malou hmotností, vysokou životností a spolehlivostí, malým příkonem a v neposlední řadě také jednoduchostí technologie výroby. Struktury CCD jsou zařízení, ve kterých se vnější informace (např. světelné signály) převedou na shluky menšinových nosičů, které jsou daným způsobem rozmístěny v povrchových oblastech polovodiče. Zpracování této informace se pak provádí přemisťováním těchto shluků na výstup. Funkce CCD je rozdělena do tří fází
přeměna dopadajícího světla na shluky menšinových nosičů (shluky vázaných elektrických nábojů) - akumulace takto vzniklých nábojů - přenos těchto nábojů k okrajům struktury CCD tak, aby bylo možné je dále detekovat a zpracovávat. -
Pro pochopení funkce snímání obrazu vysvětlím princip a různé možnosti konstrukce CCD snímače podrobněji v následujících kapitolách. 1.1.
Princip činnosti CCD
Nábojově vázaná struktura CCD – obrázek 3 – je tvořena řadou jednoduchých struktur MIS (metal – insulator – semicondustor , kov – dielektrikum – polovodič) vytvořených na společné polovodičové destičce tak, že pásky kovových elektrod jsou uspořádány do pravidelné matice.
Nábojově vázaná struktura CCD Jestliže na některou z elektrod přiložíme záporné napětí, pak vlivem vzniklého elektrického pole elektrony, které jsou většinovými nosiči v základním polovodiči (uvažujme polovodič typu N), jsou odpuzeny od povrchu do objemu. U povrchu se vytváří ochuzená oblast, která v energetickém, pásovém schématu tvoří potenciální jámu pro menšinové nosiče (díry). Díry, které se dostanou do vlivu této oblasti, jsou přitaženy k rozhraní izolant-polovodič a hromadí se v úzké vrstvě u povrchu. Jestliže nyní na sousední elektrodu přiložíme záporné napětí s ještě větší absolutní hodnotou, pak se vytvoří ještě hlubší potenciálová jáma a díry přejdou do ní. Budeme-li přikládat tato řídící napětí k různým elektrodám CCD, můžeme jednak zajistit zachování děr v oblastech, kde to potřebujeme, a jednak řídit i přechod nábojů podél povrchu od struktury ke struktuře. Náboje, které plní funkci záznamu, můžeme do struktury zavést vstřikem přes přechod PN nebo světelnou generací. Vedení náboje ze systému (tj. čtení) je nejjednodušší také pomocí přechodu PN. V dalším popisu struktury CCD se budu zabývat pouze CCD prvky určenými pro snímání jasu, to je případem zavedení náboje do struktury CCD světelnou generací.
1.1.
Přenos náboje ve struktuře CCD
Přenos náboje v CCD struktuře si vysvětlíme na příkladu jednorozměrného posunu náboje. V obvodu předpokládejme 8 elektrod, z nichž každá třetí je připojena ke zdroji hodinových impulsů, jak je znázorněno na obrázku 4a.
Zachování informace v článcích 1,4,7. Ve výchozím stavu jsou elektrody 1,4,7 na napětí Uz = -U2, které zachovává náboj. Na všech ostatních elektrodách je napětí –U1 (U1
U2) a shluky nábojů začnou přecházet od struktury 1 ke struktuře 2 a od struktury 7 do struktury 8 a ze struktury 4 nemá co přecházet – obrázek 4b.
Předávání informace články CCD V dalším taktu se na elektrodách 2,5,8 objeví napětí Uz a na ostatních napětí –U1 a nastává fáze zachování informace – obrázek 4c.
Zachování informace v článcích 2,5,8.
Informace (nábojové shluky) jsou zachovány, ovšem jsou posunuty o jednu pozici. Náboj je tedy přenesen a umístíme-li detektor náboje na CCD článek pod elektrodou 8, můžeme po prvním posunu náboje na tomto detektoru číst shluk nábojů z CCD článku 7, při dalším posunu lze číst shluk nábojů z článku 6 a tak dál až přečteme shluky nábojů z celé struktury.
Konstrukce CCD snímačů Obvody CCD pracují ve snímačích ve třech režimech: přijetí obrazu, to je převod světelného toku na shluky nábojů, zachování shluků nábojů a předávání těchto shluků na výstup zařízení (v podstatě řádkování). V režimu přijímání se světelný paprsek šíří od zobrazovaného předmětu k povrchu rozkladové elektrody a generuje v polovodičové podložce páry elektron-díra. V oblastech krystalu, které odpovídají potenciálovým jámám CCD se nosiče rozdělují, následkem čehož se v rozkladové elektrodě vytváří „obraz“ nábojových shluků odpovídající zobrazovanému předmětu. (45a) Zpracování obrazu čipy CCD Při zpracování obrazu musí být zabezpečeny především dva režimy činnosti zařízení a to přijímání světelného toku od zobrazovaného předmětu a následný odvod shluků nábojů na výstup. Používají se dva principy a to časové nebo prostorové oddělení režimu přijímání a řádkování. Při časovém oddělení obě funkce plní ty samé články CCD na úkor komplikovanosti řídících obvodů. V době přijímání světelného toku se na článcích CCD nastaví režim zachování, který zabezpečuje hromadění světelně generovaných nosičů. Všechny ostatní elektrody jsou na nulovém potenciálu. Po přijetí optické informace se na elektrody přivádí posloupnost hodinových impulsů, jejímž působením se shluky nábojů přemísťují k výstupu
Při lokálním oddělení obou funkcí musí rozkladová elektroda zahrnovat dvě části: část fotocitlivou, která přijímá světelný signál a převádí ho na obraz tvořený rozloženými náboji a na část zachovávání náboje chráněnou před světlem, do níž se po integrování předá celý obraz rozložených nábojů. V následujícím režimu řádkování se informace z této oblasti předá na výstup. U první metody jsou všechny články CCD použity jako fotocitlivé buňky. Využití celé plochy čipu umožňuje získání maximálního rozlišení. Nedostatkem této metody je komplikovanost elektronických řídících obvodů, určité zmenšení časového intervalu věnovaného vlastnímu zobrazení a především vliv záblesků, neboť za dobu trvání jednoho snímku musí být informace nejen přijata, ale i předána na výstup. Při druhé metodě potřebujeme pro dosažení téže rozlišovací schopnosti dvojnásobné množství článků. V souvislosti s tím se musí zvětšit také plocha působení světelného signálu. Řádkování však probíhá v oblastech chráněných před světlem s minimálním zkreslením informace. Uspořádání maticových obrazových snímačů CCD Televizní kamery se dnes konstruují na základě maticových obrazových snímačů na bázi CCD. Používají se čtyři základní typy uspořádání maticových obrazových snímačů s CCD: snímkový, řádkový, současně řádkový i snímkový a adresový. Tato uspořádání se liší způsobem čtení obrazu shluků nábojů. Pro objasnění funkce kamery a vlivu defektů ve struktuře CCD na snímaný obraz, uvedu principy uspořádání některých maticových snímačů.
Snímkové uspořádání Obrazový snímač se snímkovým uspořádáním se skládá ze tří sekcí (označených na obrázku 5.) a to sekce optické pro příjem signálu, která obsahuje vlastní matici CCD potřebného formátu, dále ze sekce zachování nábojů a nakonec sekce čtecí s výstupním čtecím členem, který přeměňuje shluky nábojů na obrazový signál.
Tímto způsobem se po přijetí celý snímek přemístí do sekce zachovávání a přijímací optická sekce je schopna příjmu dalšího snímku. Během doby snímání následujícího snímku se informace ze sekce zachování přesune po řádcích k výstupu a tam po jednotlivých článcích Obraz nábojů nahromaděných ve fotocitlivé části – v optické sekci se po skončení příslušného snímku přemisťuje vlivem posloupnosti hodinových impulsů do sekce zachování - odchází na čtecí člen. Mezi přednosti snímkového uspořádání patří vysoká jakost přenášeného zobrazení a možnost prokládaného řádkování. Prokládané řádkování je metoda čtení informace, dovolující zmenšit kmitočet sledování obrazového signálu na polovinu při zachování jakosti zobrazování (videosignál). Nedostatkem popisované struktury je silný vliv defektů na kvalitu zobrazení. Jestliže je ve optické sekci nebo v sekci zachování defektní jeden článek CCD, bude na výstupu ztracena informace celé části sloupce. Řádkové uspořádání Řádkové uspořádání matice obsahuje optickou sekci a výstupní posuvný registr. V režimu přijímání světelné informace se ve fotocitlivých článcích optické sekce hromadí shluky nábojů. Potom se postupně na každý z řádků přes obvody, řízené vertikálním posuvným registrem, přivádí hodinové impulsy a shluky nábojů přecházejí do výstupního registru a odtud již na samotný výstup - obrázek 6
Řádkové uspořádání maticového snímače CCD.
V řádkovém uspořádání není nutná sekce zachovávání, lze proto získat snímací prvek s věším rozlišením. Vliv defektů na řádkové uspořádání zůstává stejné jako při snímkovém uspořádání.
Modifikované snímkové uspořádání Modifikací snímkového režimu je takové uspořádání snímací součástky, při kterém jsou sekce optická a sekce zachování jakoby do sebe vloženy. Krystal obsahuje matici fotocitlivých článků, ve které jsou mezi sloupci umístěny články CCD ze sekce zachování, ovšem tak, aby byly chráněny před světlem. Shluky nábojů nahromaděné ve fotocitlivých článcích se přemisťují do přilehlých zakrytých sloupců a jsou v nich zachovávány. Výstup signálů do výstupního posuvného registru se uskutečňuje po řádcích počínaje nejnižším. Předností modifikovaného snímkového uspořádání je zmenšení počtu přechodů, neboť k přesunu celého obrazu shluků nábojů do sekce zachování postačí jeden krok. Samořádkování článků CCD používané ve výše popisovaných způsobech uspořádání vyžaduje dokonalost všech článků. Defekt na jednom článku má za následek ztrátu informace celé části přenášeného sloupce popř. řádku.
Adresové uspořádání Adresové uspořádání obrazového snímače tento nedostatek odstraňuje. Při tomto způsobu se informace odebírá z jednotlivých článků CCD. Každý článek CCD se skládá ze dvou potenciálových jam oddělených od sebe oblastí P+. Nad články CCD vedou linie (osy x,y). Na těchto liniích je v režimu přijímání obrazu záporné předpětí a nosiče generované světelným tokem se hromadí v potenciálových jamách CCD článků – obrázek 7.
Adresové uspořádání – režim hromadění náboje Při snímání napětí jednou linií potenciálové jámy.
jsou pod touto linií vytlačeny nahromaděné díry do druhé
Adresové uspořádání – režim přenosu náboje pod vedení y. Při snímání napětí z obou elektrod a to je právě v průsečíku os x,y v CCD článku, který si adresujeme, jsou díry injektovány z adresovaného článku do podložky a vyvolávají zde proudový impuls – obrázek 9.
Adresové uspořádání –režim injekce nábojů do podložky při čtení
Adresové uspořádání odstraňuje defekty popsané v předchozích uspořádáních, je však podstatně náročnější na výrobní technologii. Adresové uspořádání se používá především u digitálních kamer. V našem případě se tedy adresovým uspořádáním nebudeme dále zabývat 2.5. Kamery s čipy CCD 2.5.1. Černobílé kamery Černobílé televizní kamery s čipy CCD se běžně vyrábí již několik let. K masovému využití CCD prvků vedly jeho vlastnosti a to především malé rozměry, malá hmotnost, vysoká životností a spolehlivost. Televizní kamera má za objektivem umístěn CCD prvek. Z čipu CCD vedou signály na elektrické obvody, které data z čipu převedou na úplný televizní videosignál. Na výstupu z kamery je tedy obvykle výstup videosignálu. Videosignál je popsán dále v kapitole III3. Videosignál. 2.5.2. Barevné kamery Na bázi CCD lze postavit i barevné televizní kamery. K tomu se používají tři čipy CCD a standartní blok na oddělování barev, ve kterém se světelný tok rozdělí na tři barvy, z nichž se tyto světelné toky přeměňují v obrazový signál. Z těchto tří čipů se obrazová informace zpracuje na úplný videosignál. V současné době se však pro běžné aplikace (televizní kamery spotřební elektroniky atd.) používají jednočipové barevné CCD snímače. V CCD čipech snímajících barevně je filtr pro oddělení jednotlivých barevných složek technologicky vytvořen přímo na krystalu CCD. Struktura CCD buněk je shodná se strukturou pro černobílé snímání, je však na čipu vytvořena třikrát (vždy s barevným filtrem).
3. Videosignál Jak jsme si řekli je obrazová informace z čipu CCD zpracována obvody kamery tak, že na výstupu je videosignál určený standartem televizní normy. V této kapitole předkládám popis přenosu obrazu z televizní kamery do dalších zařízení, zde do A/D karty. Protože pro metrologické účely nás bude zajímat černobílý obraz, objasním nejdříve přenos černobílého obrazu. Televizní přenos využívá nedokonalost lidského oka, které nerozezná dílčí vjemy, probíhají-li dostatečně rychle. Je tedy možno rozložit stálý nebo pohyblivý obraz, převést ho na určitých počet bodů různého jasu a tento jas převést na elektrické veličiny. Rozklad celé plochy obrazu se stále opakuje a získávají se tak časově proměnné napěťové signály. Rychlost rozkladu je dána požadavkem, aby výsledný obraz nebyl rušen blikáním. V kinematografii proběhne za 1 sekundu 24 snímků. Takovýto obraz by blikal. Obvykle se tedy každý snímek prosvěcuje dvakrát, takže počet prosvitnutí za 1 sekundu je 48. V televizi byl počet snímků stanoven na 50 (nebo 60 dle použité televizní normy). Je tomu tak od počátku televizního vysílání, při němž byl snímkový rozklad sfázován s napájecí sítí 50Hz (respektive 60Hz v USA, Japonsku i jinde) Rozklad obrazu by mohl být libovolný-například spirálový jako u radaru. V televizní normě je zavedeno řádkování. Snímací prvky prochází jasový signál nepřerušovaně zleva doprava. Jakmile dospěje snímací prvek na pravý okraj obrazu, vrací se zpět na levý okraj. Pro jeden snímek je určen takový počet řádků, aby struktura obrazu nebyla příliš hrubá. U televizních norem v Evropě se používá převážně 625 řádků, v mimoevropských zemích se často používá 480 řádků. V dalším výkladu se budu zabývat převážně normou obvyklou v evropském regionu a to normami které mají 625 řádek a 50 snímků za sekundu (normy BG,DK).
Přenos 50 snímků za sekundu je náročný na šířku přenášeného pásma (přenášených informací je mnoho). V televizní normě je obraz rozdělen na dva půlsnímky po 312,5 řádcích. Řádky od 1 do 312,5 počítáme do lichého půlsnímku, řádky od 312,5 do 625 do sudého půlsnímku. Obraz nebude blikat, neboť počet půlsnímků rozložených přes celou obrazovku zůstane 50, i když počet přenesených snímků bude jen 25. Paprsek zobrazovacího (u vakuových snímačů i u snímacího) prvku se musí z pravého okraje obrazu vrátit do levého. Tento návrat se nazývá řádkový zpětný běh. Návrat paprsku po ukončení půlsnímku ze spodu obrazu nahoru nazýváme půlsnímkový (snímkový) zpětný běh. Řádkové zpětné běhy (z pravé do levé půlky obrazu) a půlsnímkové zpětné běhy (ze zdola obrazu nahoru) nejsou okamžité. Aby při řádkových a půlsnímkových (snímkových) zpětných bězích paprsek po obrazovce nevykresloval stopu, je třeba ztlumit jas na minimum – zatemnit zatemňovacím obdobím. Televizní signál není tedy spojitý, ale je přerušovaný zatemňovacím obdobím určeným zatemňovacími impulsy. V tu dobu má signálové napětí takovou úroveň, že se obrazovka nerozsvítí. V kratším zatemňovacím období se uskuteční řádkový zpětný běh a v delším zatemňovacím období půlsnímkový zpětný běh. Protože je půlsnímkový zatemňovací impuls vždy delší, než bývá zpětný běh příslušného rozkladového generátoru, jsou na obrazovce zatemněny i některé řádky v činném půlsnímkovém běhu - viz obrázek 10.
Obrázek 10 Řádky zatemněné v půlsnímkovém zpětném běhu.
Pro zatemnění jednoho půlsnímku je normou určeno 25 celých řádků, takže viditelný obraz je složen pouze ze 625-2*25=575 řádků. Chceme-li vidět nezkreslený obraz, nemohou být začátky jednotlivých řádků a půlsnímků na obrazovce časově libovolné. Je třeba, aby řádky na obrazovce začínaly vždy v určitý okamžik a synchronně se začátkem řádkování na snímacím zařízení. Totéž platí o jednotlivých půlsnímcích. Proto se do časového průběhu televizního signálu ve snímacím zařízení.vkládá povelová informace pro oba rozkladové generátory. Tuto informaci označujeme jako synchronizační impulsy. Jsou umístěny v zatemňovacích impulsech a jejich napěťová úroveň má velikost nepřesahující úroveň černé (tj. proto aby se obrazovka během zatemňovacího impulsu nerozsvítila). Napěťové úrovně televizního signálu jsou vidět na obrázku 11
Informaci, že má nastat půlsnímkový zpětný běh, získáme změnou šířky (střídy) synchronizačního impulsu. Půlsnímkový synchronizační impuls je rozdělen do pěti širokých impulsů, jejichž čela udržují řádkovou synchronizaci během půlsnímkového zpětného běhu, avšak svou větší šířkou vytvoří v televizoru i ve snímacím rozkladovém zařízení jediný půlsnímkový synchronizační impuls. Půlsnímkový synchronizační impuls má tedy tvar, který je
Rozložení synchronizačních impulsů v lichém a sudém půl snímkovém zatemňovacím impulsu.
Barevný obraz není příliš vhodný pro metrologické účely, jelikož na výstup ze snímací televizní kamery je obrazová informace dodávána zkreslená (viz. dále). Nebudu tedy popisovat přenos barevného televizního signálu podrobně, ale pouze naznačím princip. Barevný obraz je snímán na stejném principu jako černobílý, avšak místo jednoho jasového signálu získáváme tři a to pro tři barevné složky obrazu RGB – červenou-R, zelenou-G a modrou-B. Pro zachování slučitelnosti s černobílým televizním signálem je interně v barevné kameře převeden signál RGB na signál YUV, kde Y je jasový signál a U,V jsou signály barvonosné. Barevné kamery vytváří z jasových a barvonosných signálů barevný televizní signál, který lze odebírat na výstupu. Systém barev YUV je nutno používat pro zúžení frekvenčního pásma potřebného pro přenos televizního signálu a pro zachování kompatibility s černobílým televizním signálem. Systém YUV v televizních kamerách využívá nedokonalosti lidského oka. Oko je schopno velmi citlivě vnímat jasovou složku obrazu, barevné informace vnímá však jako doplňkové. Proto systém YUV v televizním signálu přenáší plně pouze jasovou složku avšak z barvonosných složek U,V přenáší pouze nižší frekvence, což je možné proto, že oko nevnímá malé objekty jako barevné ale vnímá pouze jasovou složku. Oko je citlivější na zelenou barvu než na červenou a modrou barvu, čehož se též využívá v televizním přenosu. Na výstupu barevných kamer se nachází výstup CBVS – kompozitní videosignál, ve kterém jsou obsaženy informace jasové i barvonosné, nebo je zde výstup S-Video. S-Video výstup vede odděleně jasovou složku obrazu a složky barvonosné. S-Video výstup je kvalitnější, protože není degradován slučováním barvonosných a jasových složek.
