камера

Ядром камеры является фотоэлектрический датчик, который представляет собой полупроводниковое электронное устройство. Каждый из них содержит миллионы дискретных областей обнаружения света. Мы называем эти области обнаружения света пикселями. Почти все датчики машинного зрения сегодня можно разделить на две категории: устройства с зарядовой связью (ПЗС) и комплементарные металлооксидно-полупроводниковые (КМОП) формирователи изображения. Большинство затворов CCD являются глобальными затворами, которые обладают характеристиками более низкого шума, широкого динамического диапазона и высокой однородности, а также имеют умеренную частоту кадров по сравнению с CMOS. CMOS имеет значительные преимущества по скорости чтения и энергопотреблению, а ее цена ниже, чем у CCD.

1. ПЗС и КМОП

1. ПЗС-матрица

Полное английское название ПЗС — «Устройство с зарядовой связью», а полное китайское — «Устройство с зарядовой связью». Оно было изобретено учеными Bell Labs в Нью-Джерси, США, в 1969 году. Обычно его называют ПЗС-датчиком изображения. Он имеет фотоэлектрическое преобразование, хранение информации. Он имеет такие функции, как задержка и последовательная передача электрических сигналов, а также имеет высокую степень интеграции и низкое энергопотребление, поэтому он быстро развивался. Как универсальная технология захвата изображений, ПЗС-матрица широко используется в цифровой астрофотографии и контроле машинным зрением.

Устройство с зарядовой связью — это способ перемещения «пакета заряда» от одного светочувствительного блока к другому на кристалле для считывания. Это простой регистр сдвига. ПЗС — это полупроводниковое устройство, как показано на рисунке 1. Его датчик представляет собой кремниевый чип, содержащий множество светочувствительных областей. Крошечные светочувствительные вещества, имплантированные в ПЗС, называются пикселями. Чем больше пикселей на кремниевом чипе ПЗС, тем выше разрешение изображения, которое он обеспечивает. Он действует как пленка, но преобразует пиксели изображения в цифровой сигнал. На ПЗС-матрице имеется множество аккуратно расположенных конденсаторов, которые могут воспринимать свет и преобразовывать изображения в цифровые сигналы.Под управлением внешней цепи каждый небольшой конденсатор может передавать заряд, который он несет, соседнему конденсатору.

Рисунок 1. Структурная схема ПЗС.

Принцип работы ПЗС:

(1) Генерация сигнального заряда: на основе фотоэлектрического эффекта светочувствительного материала на один пиксель ПЗС-матрица может преобразовывать сигнал падающего света в выходной электрический сигнал;

(2) Хранение сигнальных зарядов. Сбор сигналов зарядов, возбуждаемых падающими фотонами, называется «пакетами зарядов», то есть сбором сигнальных зарядов;

(3) Передача (объединение) сигнальных зарядов: передача собранного «пакета зарядов» от одного пикселя к следующему пикселю, то есть передача пакетов сигнальных зарядов;

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

Тип выхода: (1) токовый выход; (2) выход усилителя с плавающим затвором; (3) выход усилителя с плавающей диффузией.

Скорость переноса заряда является основным фактором, ограничивающим скорость отклика ПЗС, но она также обеспечивает ПЗС высокую чувствительность и сохраняет согласованность от пикселя к пикселю. Поскольку все пакеты зарядов подвергаются одинаковому преобразованию напряжения, светочувствительная область ПЗС-матрицы очень однородна.

Рис. 2. Диаграмма глубины ловушки ПЗС.

Если к ПЗС-электроду приложить соответствующее положительное напряжение, образуется область обеднения заряда — потенциальная яма, которая может притягивать электроны. Максимальное количество зарядов, которое может храниться каждым светочувствительным пикселем или выходным пикселем ПЗС-датчика изображения, называется глубиной ямы. Как показано на рисунке 2, обычно отмечаются две глубины ям, одна из которых представляет собой один пиксель (т. светочувствительный пиксель), а другой — глубина ямы. Один — выходной пиксель; глубина ямы определяет максимальный сигнал заряда или выходной сигнал, который может быть получен пикселем за раз.

Линзы часто используются для увеличения коэффициента заполнения или эффективной светочувствительной площади, чтобы компенсировать меньшую глубину ямы в ПЗС-матрицах. Это увеличивает эффективность пикселей, но также увеличивает угловую чувствительность падающего света, поэтому для эффективного сбора падающий свет должен попадать на датчик под углом, близким к нормальному падению.

2. КМОП

КМОП — это комплементарный металл-оксид-полупроводник (сокращенно КМОП), изобретенный Фрэнком Ванлассом в 1963 году. Однако патент он получил только в 1967 году. В конце 1980-х годов Эдинбургский университет в Соединенном Королевстве успешно изготовил первый в мире однокристальный КМОП-датчик изображения. КМОП - это процесс проектирования интегральных схем, который позволяет производить основные компоненты NMOS (MOSFET n-типа) и PMOS (MOSFET p-типа) на шаблоне кремниевой пластины. Поскольку NMOS и PMOS дополняют друг друга по физическим свойствам, его называют CMOS. (происхождение Дополнительного). Этот процесс обычно можно использовать для изготовления статических запоминающих устройств с произвольным доступом, микроконтроллеров, микропроцессоров и других систем цифровых логических схем для компьютерных приборов; помимо других технических характеристик, он может использоваться в оптических приборах.

Рисунок 3. Схема структуры КМОП.

В CMOS-сенсоре заряд светочувствительного пикселя преобразуется в напряжение внутри области пикселя.Сигнал напряжения мультиплексируется в строки и столбцы и добавляется в цифро-аналоговый преобразователь (АЦП) чипа. Структура конструкции КМОП определяет, что это может быть только цифровое устройство. Как показано на рисунке 3, каждая область состоит из фотодиода и трех транзисторов, которые используются для выполнения сброса или активации пикселей, усиления и преобразования заряда, а также выбора функций мультиплексирования. Это позволяет КМОП-датчикам работать на высоких скоростях, но снижает их чувствительность. Поскольку каждый КМОП-фотодиод оснащен усилителем АЦП, если измерять в мегапикселях, необходимо более миллиона усилителей АЦП. Хотя это унифицированное изделие, каждый усилитель более или менее крошечный. Различия есть, и их трудно достичь. эффект синхронизации усиления.По сравнению с ПЗС одного усилителя, окончательный расчетный шум КМОП больше.

По сравнению с эквивалентными датчиками CCD, датчики CMOS имеют преимущество в том, что их энергопотребление ниже.Это связано с тем, что метод управления зарядом CMOS активен, и заряд, генерируемый фотодиодом, будет напрямую усиливаться и выводиться соседним транзистором; однако ПЗС-матрица является пассивной и требует внешнего напряжения для перемещения заряда каждого пикселя в канал передачи. Это внешнее напряжение обычно требует уровня более 12 вольт (В), поэтому ПЗС-матрица также должна иметь более точную конструкцию силовой цепи и выдерживать напряжение.Высокое напряжение возбуждения делает энергопотребление ПЗС-матрицы примерно в 3-10 раз выше, чем у КМОП. , поэтому его энергопотребление примерно в 3-10 раз выше, чем у CMOS. Потребляемая мощность будет намного больше, чем у CMOS. В то же время CMOS-датчики могут обрабатывать сигналы светлых участков без расцветания светлых участков, поэтому их можно использовать в специальных высоких камеры с динамическим диапазоном. Поскольку цифровым камерам CCD требуются дополнительные схемы АЦП, размер камер CMOS часто меньше, чем у цифровых камер CCD с эквивалентными функциями. В таблице 1 приведены результаты сравнения характеристик CCD и CMOS:

Таблица 1. Сравнение датчиков CCD и CMOS

2. Тип затвора

1. Глобальный затвор

ПЗС-камеры используют 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 (АЦП). При изменении скорости изображения одинаковая как частота кадров или меньше частоты кадров, что приводит к отсутствию искажений или искажений изображений. Конечная частота кадров ПЗС-матрицы ограничена скоростью, с которой отдельные пиксели могут быть переданы и затем оцифрованы. Чем больше пикселей передается в датчик, тем медленнее будет общая частота кадров камеры.

2. Рольставни

Роликовый затвор повышает скорость чтения за счет использования аналого-цифрового преобразования для каждого столбца пикселей. Экспонирование осуществляется в режиме построчного воздействия, при котором временная задержка между каждой строкой показаний преобразуется в задержку между началом каждой строки воздействия. Каждая строка в кадре будет экспонироваться в течение одинакового времени, но экспозиция начнется в разный момент времени, что позволяет перекрывать экспозиции двух кадров. Конечная частота кадров зависит от того, насколько быстро завершится процесс считывания прокрутки. По сравнению с глобальным затвором, скользящий затвор будет вызывать искажения и искажения при съемке быстродвижущихся объектов.

3. Черно-белая камера и цветная камера.

Квантовая эффективность является важным параметром, описывающим способность фотоэлектрического преобразования ПЗС-матрицы и представляет собой отношение среднего числа фотоэлектронов, генерируемых в единицу времени на определенной длине волны, к числу падающих фотонов. В зависимости от состояния поверхности фотоэлектрической поверхности (шероховатая поверхность или гладкая поверхность) также меняется количество вылетающих фотоэлектронов.  Вообще говоря, датчики CMOS более чувствительны к длинам волн инфракрасного излучения, чем датчики CCD. Это связано с большей глубиной скважины. Глубина проникновения фотонов зависит от частоты, поэтому более глубокая глубина при заданной эффективной толщине площади будет производить меньше фотоэлектронов, тем самым снижая квантовую эффективность.

Рисунок 4. Схема расположения пикселей массива Байера.

ПЗС-чипы могут преобразовывать оптические сигналы в электрические, при этом количество фотонов и количество электронов пропорциональны друг другу. Но у фотонов есть еще одна характерная величина — длина волны.Информация о длине волны не может быть отражена через соотношение между числом фотонов и числом электронов. Поэтому ПЗС-чипы можно назвать дальтониками. Когда нам нужна камера для отображения цветных изображений, мы должны настроить ПЗС-матрицу для каждого из трех основных цветов. Каждая ПЗС-матрица получает отфильтрованные фотоны только одного цветового компонента, то есть одна ПЗС-матрица используется для красного света, одна — для зеленого света, а другая — для синего света. Для разделения света для формирования изображений используется призма. то, что мы часто называем 3CCD. Такая структура определяет, что его цена намного выше, чем у обычных ПЗС-матриц. Другой тип одиночной ПЗС-матрицы использует цветные фильтры, которые распределяются по всем пикселям ПЗС-матрицы, как мозаика, как показано на рисунке 4. Это также то, что мы часто называем массивом пикселей RGBG, который называется мозаичным фильтром или фильтром Байера. . По сравнению с одиночной CCD, цвет 3CCD имеет лучшую функцию цветокоррекции и не подвержен влиянию фильтра Байера, поэтому имеет более высокую квантовую эффективность.

4. Частота кадров

В поле дисплея частота кадров – это количество изображений, воспроизводимых за одну секунду. Чем выше частота кадров, тем более плавное изображение. Единицей измерения является количество кадров в секунду (кадров в секунду, называемое 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 время экспозиции, чтение данных, данные передача и глубина пикселей и т. д. влияют факторы. Глубина пикселя представляет собой количество бит в пикселе. Чем выше количество бит, тем больше деталей будет считываться. Большее количество бит замедляет частоту кадров. 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. Они могут выбрать камеру с более низким разрешением, чтобы добиться более высокого разрешения. Требования к частоте кадров. В специальных приложениях, таких как горение пламени, процессы химической кристаллизации, запуски ракет, пиротехнический анализ, эксперименты по столкновению, анализ биологического движения и другие эксперименты, пользователям необходимо выбирать высотные камеры или сверхскоростные камеры для удовлетворения своих потребностей в наблюдении.