Фотоаппарат

Ядром камеры является фотоэлектрический датчик, все они представляют собой твердотельные электронные устройства, каждое из которых содержит миллионы дискретных областей обнаружения света. Эти области обнаружения света называются пикселями. Почти все датчики машинного зрения в настоящее время можно разделить на следующие две категории: устройства с зарядовой связью (ПЗС) и комплементарные металлооксидно-полупроводниковые (КМОП) тепловизоры. Большинство ПЗС-матриц являются глобальными матрицами, которые обладают такими характеристиками, как низкий уровень шума, высокий динамический диапазон и высокая однородность. По сравнению с КМОП, частота кадров средняя. CMOS, с другой стороны, обладает значительными преимуществами в скорости считывания и энергопотреблении, а цена ниже, чем у CCD. Холодильная научно-исследовательская камера, поставляемая компанией LBTEK, изготовлена по технологии sCMOS, которая обеспечивает более низкий уровень шума при считывании и более высокую скорость работы. Это научно-исследовательская камера со сбалансированной производительностью и высокой стоимостью.

1. CCD, CMOS и sCMOS

1. CCD-матрица

Английское полное название CCD - “устройство с зарядовой связью”, а китайское полное название - элемент с зарядовой связью. Он был изобретен учеными из Bell Labs в Нью-Джерси в 1969 году. Его часто называют датчиком изображения CCD. Он обладает такими функциями, как фотоэлектрическое преобразование, хранение информации, высокой степенью интеграции и низким энергопотреблением. Как распространенная технология захвата изображений, ПЗС-матрица широко используется в цифровой астрофотографии и контроле машинным зрением. Устройство с зарядовой связью относится к способу, с помощью которого “пакет заряда” перемещается с одного светочувствительного блока на другой на чипе для считывания. ПЗС-матрица - это полупроводниковое устройство, как показано на рисунке 1, датчик представляет собой кремниевую пластину, которая содержит множество светочувствительных областей. Крошечные светочувствительные вещества, имплантированные в ПЗС-матрицу, называются пикселями. Чем больше пикселей содержит кремниевая пластина ПЗС-матрицы, тем более высокое разрешение изображения она обеспечивает. Эффект подобен пленке, но она преобразует пиксели изображения в цифровые сигналы. На ПЗС-матрице имеется множество аккуратно расположенных конденсаторов, которые могут воспринимать свет и преобразовывать изображение в цифровой сигнал. Управляемый внешней схемой, каждый маленький конденсатор может передавать заряд, который он несет, на соседние конденсаторы.

Рисунок 1. Принципиальная схема структуры CCD-матрицы.

Принцип работы CCD-матрицы：

(1) Генерация заряда сигнала: в соответствии с фотоэлектрическим эффектом светочувствительного вещества на одном пикселе CCD-матрица может преобразовывать падающий оптический сигнал в выходной электрический сигнал.；

(2) Накопление сигнального заряда: совокупность сигналов заряда, возбуждаемых падающим фотоном, называется "зарядным пакетом”, то есть накоплением сигнального заряда.；

(3) Передача заряда сигнала (сопряжение): собранный “пакет заряда” передается из одной ячейки в следующую ячейку, то есть осуществляется передача пакета заряда сигнала.；

(4) Обнаружение заряда сигнала: процесс преобразования заряда, передаваемого на выходной полюс, в ток или напряжение.

Тип выходного сигнала: (1) Выход по току; (2) Выход усилителя с плавающим затвором; (3) Выход усилителя с плавающей диффузией.

Скорость передачи заряда является основным фактором, ограничивающим скорость отклика CCD-матрицы, но она также обеспечивает высокую чувствительность CCD-матрицы и поддерживает согласованность между пикселями. Поскольку все пакеты заряда будут подвергаться одинаковому преобразованию напряжения, светочувствительная область CCD-матрицы будет однородной.

Рисунок 2. Показана глубина CCD-ловушки.

Если к CCD-электроду приложить соответствующее положительное напряжение, то образуется зона истощения заряда, то есть потенциальная яма, которая может притягивать электроны. Максимальное количество зарядов, которое может быть сохранено в каждой фоточувствительной ячейке или выходной ячейке на CCD-датчике изображения, называется глубиной ячейки. Как показано на рисунке 2, обычно отмечаются две глубины ячейки, одна - это отдельная ячейка (то есть светочувствительная ячейка), а другая - выходная ячейка; Глубина скважины определяет максимальный сигнал заряда или выходной сигнал, который может быть использован для приема одной ячейки.

Линзы обычно используются для увеличения коэффициента заполнения или эффективной светочувствительной области, чтобы компенсировать меньшую глубину захвата в CCD-матрице. Это повышает эффективность пикселя, но также увеличивает угловую чувствительность падающего света, поэтому падающий свет должен попадать на датчик под углом, близким к вертикальному падению, для достижения эффективного сбора.

2. CMOS

CMOS - это комплементарный металл-оксид-полупроводник (комплементарный металл-оксид-полупроводник, сокращенно CMOS), изобретенный Фрэнком Ванлассом в 1963 году. Однако он получил свой патент только в 1967 г. В конце 1980-х годов Эдинбургский университет в Соединенном Королевстве успешно провел испытания первого в мире монолитного CMOS -датчика изображения. CMOS - это процесс проектирования интегральных схем, который позволяет создавать основные компоненты NMOS (n-type MOSFET) и PMOS (p-type MOSFET) на шаблоне кремниевой пластины. Поскольку NMOS и PMOS дополняют друг друга по физическим характеристикам, это называется CMOS (происхождение комплементарного). Этот процесс, как правило, может быть использован для создания статической оперативной памяти, микроконтроллеров, микропроцессоров и других систем цифровых логических схем для компьютерных устройств; в дополнение к другим техническим характеристикам, он может быть использован в оптических приборах.

Рисунок 3. Принципиальная схема структуры CMOS.

В CMOS - датчике заряд на светочувствительном пикселе преобразуется в напряжение в области пикселя, а сигнал напряжения мультиплексируется по строкам и столбцам и добавляется к цифроаналоговому преобразователю (ADC) микросхемы. Как показано на рисунке 3, каждая область состоит из фотодиода и трех транзисторов, которые используются для выполнения сброса или активации пикселя, усиления заряда и преобразования, а также выбора функций мультиплексирования. Это позволяет CMOS -сенсору работать на высокой скорости, но снижает его чувствительность. Поскольку CMOS оснащен ADC -усилителем рядом с каждым фотодиодом, если измерять его в мегапикселях, то потребуется более миллиона ADC -усилителей. Хотя это продукт унифицированного производства, в каждом усилителе есть более или менее незначительные различия.

По сравнению с тем же CCD -датчиком, CMOS - сенсор имеет преимущество, заключающееся в том, что его энергопотребление ниже, это связано с тем, что режим управления зарядом CMOS активен, и заряд, генерируемый фотодиодом, будет непосредственно усиливаться транзистором рядом с ним; однако CCD -матрица пассивна, и для перемещения заряда в каждом пикселе в канал передачи необходимо подать напряжение. И для этого приложенного напряжения обычно требуется уровень более 12 вольт (В), поэтому CCD -матрица также должна иметь более точную схему питания и выдерживать повышенное напряжение. Высокое управляющее напряжение увеличивает мощность CCD -матрицы примерно в 3-10 раз по сравнению с CMOS, поэтому ее энергопотребление будет намного выше. больше, чем у CMOS. В то же время CMOS-сенсоры могут обрабатывать сигналы высокой освещенности без переполнения при высокой освещенности, поэтому их можно использовать в специальных камерах с высоким динамическим диапазоном. Поскольку цифровые CCD -камеры требуют дополнительных схем ADC, размер CMOS - камер, как правило, меньше, чем у цифровых CCD -камер с эквивалентными функциями. В таблице 1 обобщено сравнение характеристик CCD-матрицы и CMOS-матрицы：

Таблица 1 Сравнение CCD- и CMOS-сенсоров

Датчик	CCD-матрица	CMOS - матрица
Сигнал передачи	Зарядный пакет	напряжение
Глубина скважины	B	Глубже
Уровень шума	Ниже	Более высокий
Динамический диапазон	Высокий	Умеренный
Скорость чтения	Более высокая	Высокая
Потребляемая мощность	Более высокая	Ниже

3. SCMO

CCD - камеры часто используют глобальный затвор для экспонирования и захвата каждого пикселя изображения в определенный точный момент. Перед следующей экспозицией каждый пиксель в кадре изображения должен быть обработан. Поскольку частота кадров CCD -матрицы ограничена скоростью передачи и оцифровки отдельных пикселей, чем больше пикселей необходимо передать, тем медленнее будет общая частота кадров камеры. CCD - камеры могут получать надежные статические и замедленные изображения в исследованиях со средним и длительным временем экспозиции. В биологических приложениях частота кадров связана со способностью изучать клеточные явления быстрого перемещения, включая образование везикул, транспорт белка и передачу кальциевых сигналов. Чтобы зафиксировать эти внутриклеточные события, клеточным биологам нужна частота кадров 100 кадров в секунду или больше. С помощью CCD - микроскопии можно увидеть тонкие клеточные структуры и измерить электрохимические сигналы, но данные о направлении и скорости будут потеряны. Если частота кадров слишком низкая, будут возникать такие дефекты, как размытие при движении и путаница во времени. Появление микросхемы sCMOS хорошо решает такого рода проблемы, она размещает ADC в конце каждого столбца пикселей. Такой дизайн увеличивает очередь преобразования, которая может достигать тысяч раз при наличии большого количества пикселей. Использование sCMOS позволяет быстро генерировать цифровую информацию для каждого кадра. Следует отметить, что ряд ADC может оцифровывать только один ряд пикселей за раз. В камере sCMOS применена конструкция с роликовым затвором, позволяющая избежать изменения частоты кадров путем ожидания оцифровки всех строк пикселей после завершения экспозиции. Некоторые камеры sCMOS предоставляют настраиваемые режимы запуска, которые позволяют получить глобальную экспозицию с помощью рольставни, чтобы максимизировать производительность sCMOS. Этот режим запуска позволяет быстро переключать высокоскоростные импульсные источники света, и все строки во всех полнокадровых изображениях sCMOS могут быть экспонированы одновременно, так что достигается эффект глобальной экспозиции. В то же время камера остается в режиме рольставни для оцифровки заряда, что уменьшает шум темного тока и улучшает отношение сигнал/шум при сохранении высокой частоты кадров. По сравнению с CCD, sCMOS работает быстрее, обладает более высокой чувствительностью и меньшим уровнем шума считывания, чем CCD и CMOS.

Холодильная камера, поставляемая компанией LBTEK, изготовлена по высококачественной технологии sCMOS, которая позволяет достичь низкой температуры -15°C и обеспечить длительную надежную работу. Она значительно уменьшает шум цветных точек, вызванный накоплением темного тока, и обеспечивает более чистое флуоресцентное фоновое изображение. Чувствительность более чем в два раза больше, чем у CCD. На рисунке 4 показан пример цветной холодильной камеры LBTEK RNRT-20C для биологической визуализации.

Рисунок 4. Цветная холодильная камера LBTEK RNRT-20C используется для получения биологических изображений.

2. Тип затвора

1. Глобальный затвор

В CCS-камерах используется глобальный затвор. В режиме глобального затвора все пиксели начинают и заканчивают экспозицию одновременно. После завершения экспозиции сигнал от каждого пикселя последовательно передается на один аналого-цифровой преобразователь (A/D). Когда изображение изменяется с той же скоростью, что и частота кадров, или меньше, чем при заданной частоте кадров изображение не будет искажено. Конечная частота кадров CCD - матрицы ограничена скоростью, с которой передается один пиксель и затем оцифровывается. Чем больше пикселей передается датчиком, тем медленнее общая частота кадров камеры.

2. Рольставни

Скользящий затвор (rolling shutter) повышает скорость считывания за счет использования A/D для каждого столбца пикселей. Экспозиция выполняется в режиме построчной экспозиции, и временная задержка между каждой строкой показаний преобразуется в задержку между началом каждой строки экспозиции. Каждая строка в кадре будет экспонироваться в течение одинакового периода времени, но экспозиция будет начинаться в разные моменты времени, что позволит перекрывать экспозицию двух кадров. Конечная частота кадров зависит от скорости завершения процесса скользящего считывания. По сравнению с глобальным затвором, рольставни создают искажения при съемке быстро движущихся объектов.

3. Черно-белые камеры и цветные фотоаппараты

Квантовая эффективность - важный параметр, описывающий способность ПЗС-матрицы к фотоэлектрическому преобразованию. Это отношение среднего числа фотоэлектронных электронов, генерируемых на определенной длине волны, к числу падающих фотонов за один раз. При различном состоянии поверхности фотоэлектрической поверхности (шероховатая или гладкая поверхность) также изменяется количество выходящих фотоэлектронов.

Рисунок 5. Кривая квантовой эффективности холодильной камеры LBTEK RNRT-20BW.

CMOS - сенсоры более чувствительны к инфракрасным длинам волн, чем CCD - сенсоры. Это связано с его большой глубиной скважины. Глубина проникновения фотонов связана с частотой. Следовательно, если толщина определенной эффективной области будет больше, будет производиться меньше оптоэлектроники, тем самым снижая квантовую эффективность.

Рисунок 6. Принципиальная схема расположения пикселей матрицы Байера.

CCD - матрица может преобразовывать оптический сигнал в электрический. В этом процессе количество фотонов пропорционально количеству электронов. Но у фотонов есть другое собственное значение - длина волны. Информация о длине волны не может быть отражена соотношением между количеством фотонов и количеством электронов. Поэтому CCD - чипы можно назвать дальтоническими. Когда нам нужна камера для отображения цветных изображений, мы должны настроить CCD - матрицу для каждого из трех основных цветов. Каждая CCD - матрица после фильтрации получает фотоны только с одним цветовым компонентом, то есть одна CCD - матрица используется для красного света, одна для зеленого света и одна для синего света. Для получения изображений используется призменная спектроскопия. Это то, что мы часто называем 3CCD. Такая структура определяет, что его цена намного выше, чем у обычной CCD - матрицы. Другой вид одиночной CCD - матрицы использует цветной фильтр, который распределяется по всем пикселям CCD подобно мозаике, как показано на рисунке 6. Это также то, что мы часто называем массивом пикселей RGBG, который называется мозаичным фильтром или фильтром Байера. По сравнению с одной CCD - матрицей, цвет 3CCD обладает лучшей функцией цветокоррекции и не подвержен влиянию фильтра Байера, поэтому он обладает более высокой квантовой эффективностью.

В области отображения частота кадров - это количество изображений, воспроизводимых за одну секунду. Чем выше частота кадров, тем более плавное изображение. Единица измерения - это количество кадров в секунду (кадров в секунду, обозначаемое как FPS). Для камеры частота кадров - это количество снимков, которые можно сделать за одну секунду. Чем выше частота кадров, тем больше деталей будет записано. На частоту кадров камеры в основном влияют такие факторы, как время экспозиции, считывание данных, передача данных и глубина пикселя. Глубина пикселя представляет собой количество бит в пикселе. Чем больше количество бит, тем насыщеннее считываемые детали и ниже частота кадров. Например, у научно-исследовательской камеры LBTEK cooling RNRT-20BW при 16 бит частота кадров замедляется в два раза (16 кадров в секунду при 8 битах, 8 кадров в секунду при 16 битах). При съемке движущихся объектов пользователям необходимо выбирать камеру с подходящей частотой кадров. В обычных сценариях применения пользователям необходимо найти компромисс между разрешением и частотой кадров, и они могут выбрать камеру с более низким разрешением, чтобы получить более высокую частоту кадров.