Los dispositivos de carga acoplada son la base de la tecnología televisiva moderna. Principales características del CCD.

Dispositivos de carga acoplada — la base de la tecnología televisiva moderna. Principales características del CCD.

Desconocido Sergey Ivanovich
Nikulin Oleg Yurievich

DISPOSITIVOS CON COMUNICACIÓN DE CARGA —
BASE DE LOS EQUIPOS DE TELEVISIÓN MODERNOS.
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL CCD.

Fuente: revista «Equipos Especiales& #187;

En el artículo anterior, se realizó un breve análisis de los receptores de luz semiconductores existentes y se describió en detalle la estructura y el principio de funcionamiento de los dispositivos de carga acoplada.

Este artículo discutirá las características físicas de las matrices CCD y sus impacto en las propiedades generales de las cámaras de televisión

El número de elementos de la matriz CCD.

Quizás la característica más “básica” de las matrices CCD es el número de elementos. Como regla general, la abrumadora cantidad de modelos tiene un número estándar de elementos orientados al estándar de televisión: 512×576 píxeles (estas matrices se usan generalmente en sistemas de videovigilancia simples y económicos) y 768×576 píxeles (tales matrices le permiten obtener la resolución máxima para una señal de televisión estándar).

El CCD más grande fabricado y descrito en la literatura es un dispositivo monocristalino de Ford Aerospace Corporation que mide 4096×4096 píxeles con un lado de píxel de 7,5 micrones.

En producción, el rendimiento de dispositivos de gran tamaño y alta calidad es muy bajo, por lo que al crear cámaras de video CCD para tomar imágenes de gran formato, se utiliza un enfoque diferente. Muchas empresas fabrican CCD con cables ubicados en tres, dos o un lado (CCD con tope). Los CCD mosaic se ensamblan a partir de dichos dispositivos.

Por ejemplo, Loral Fairchild produce un dispositivo muy interesante y prometedor de 2048×4096 15 micrones. Las conclusiones de este CCD se ubican en un lado estrecho. Los logros de la industria rusa son algo más modestos. La central nuclear Silar (San Petersburgo) produce un CCD de 1024×1024 y 16 µm con un canal volumétrico de transferencia de carga, una fase virtual y cables en un lado del dispositivo. Esta arquitectura de dispositivos les permite unirse entre sí por tres lados.

Es interesante observar que ahora se han creado varios detectores de luz especializados de gran formato basados ​​en mosaicos CCD. Por ejemplo, se utilizan ocho CCD de 2048×4096 de Loral Fairchild para ensamblar un mosaico de 8192×8192 con unas dimensiones totales de 129×129 mm. Los espacios entre los chips CCD individuales son inferiores a 1 mm.

En algunas aplicaciones, los espacios relativamente grandes (hasta 1 cm) no se consideran un problema grave, ya que se puede obtener la imagen completa sumando varias exposiciones en la memoria del ordenador, ligeramente desplazadas entre sí, llenando así los espacios.

Imagen obtenida en mosaico 8196×8196, contiene 128 MB de información, lo que equivale aproximadamente a una enciclopedia de 100 volúmenes con 500 páginas en cada volumen.

Si bien estas cifras son impresionantes, todavía son pequeñas en comparación con el tamaño y la resolución de las emulsiones fotográficas, que pueden producirse en hojas enormes. Incluso la película de 35 mm de grano más grueso contiene hasta 25 millones de granos solubles (píxeles) en el fotograma.

La resolución de las cámaras de televisión

Uno depende directamente de el número de elementos de la matriz CCD Uno de los principales parámetros de una cámara de televisión es la resolución (o resolución). La resolución de la cámara en su conjunto también se ve influenciada por los parámetros del circuito electrónico de procesamiento de señales y los parámetros de la óptica.

La resolución se define como el número máximo de franjas blancas y negras (es decir, el número de transiciones de negro a blanco o viceversa) que la cámara puede transmitir y distinguir el sistema de grabación con el máximo contraste detectable.

Esto significa que la cámara permite ver N/2 trazos verticales oscuros sobre un fondo claro, colocados en un cuadrado inscrito en el campo de la imagen, si el pasaporte de la cámara indica que su resolución es N líneas de televisión.

En relación con una mesa de televisión estándar, esto implica lo siguiente: al seleccionar la distancia y enfocar la imagen de la mesa, es necesario asegurarse de que los bordes superior e inferior de la imagen de la mesa en el monitor coincidan con los contornos exteriores de la mesa, marcado por los vértices de los prismas blancos y negros.

A continuación, después del subenfoque final, el número se lee en el lugar de la cuña vertical donde los trazos verticales por primera vez dejan de distinguirse.

La última observación es muy importante, ya que en la imagen de los campos de prueba de la tabla, que tienen 600 o más líneas, a menudo se ven franjas alternas, que, de hecho, son muaré formado por el batido de las frecuencias espaciales de las líneas. de la tabla y la grilla de elementos sensibles de la matriz CCD. Este efecto es especialmente pronunciado en cámaras con filtros espaciales de alta frecuencia.

La unidad de medida de resolución en los sistemas de televisión es TVL (línea de TV). La resolución vertical de todas las cámaras es casi la misma, porque está limitada por el estándar de televisión: 625 líneas de escaneo de televisión y no pueden transmitir más de 625 objetos en esta coordenada. La diferencia en la resolución horizontal es la que suele indicarse en las descripciones técnicas.

En la práctica, en la mayoría de los casos, una resolución de 380-400 líneas de TV es más que suficiente para tareas generales de vigilancia televisiva.

Sin embargo, para sistemas y tareas de televisión especializados, como la televigilancia de un gran espacio con una cámara, la visualización de un gran perímetro con una cámara de televisión con aumento angular variable (zoom), el seguimiento en aeropuertos, estaciones de ferrocarril, muelles, supermercados, identificación y reconocimiento. sistemas de matrículas, sistemas de identificación por rostro, etc., se requiere una resolución mayor (para ello se utilizan cámaras con una resolución de 570 o más líneas de TV).

La resolución de las cámaras en color es ligeramente peor que la del blanco y negro. Esto es consecuencia del hecho de que la estructura de píxeles de las matrices CCD utilizadas en la televisión en color difiere de la estructura de píxeles de las matrices en blanco y negro. En sentido figurado, un píxel en una matriz de color consta de una combinación de tres píxeles, cada uno de los cuales registra luz en la parte roja (Roja), verde (Verde) o azul (Azul) del espectro óptico. Así, de cada elemento de la matriz CCD en color se tomarán tres señales (señal RGB).

La resolución efectiva debería ser varias veces peor que la de las matrices en blanco y negro. Sin embargo, en el caso de las matrices de color, la resolución se deteriora menos, ya que su tamaño de píxel es una vez y media menor en comparación con el tamaño de píxel de una matriz similar en blanco y negro, lo que como resultado conduce a un deterioro de la resolución de solo un 30-40%. .

El lado negativo de esto es una disminución en la sensibilidad de las matrices de color, ya que el área de registro efectiva del elemento de imagen se vuelve significativamente menor. La resolución típica de las cámaras de televisión en color es de 300 a 350 líneas de TV.

Además, la resolución de la cámara se ve afectada por la banda de frecuencia de la señal de vídeo emitida por la cámara. Para transmitir una señal de 300 TVL, se requiere una banda de frecuencia de 2,75 MHz (150 períodos por línea de exploración de televisión de 55 μs). La relación entre la banda de frecuencia de teleescaneo (n pchtr) y la resolución (TVL) está determinada por la relación:

n pchtr = (TVL/2) x n partes,

donde la frecuencia n pchtr se mide en MHz, resolución TVL en líneas de TV, frecuencia de teleescaneo horizontal n partes = 18,2 kHz.

Actualmente, se han desarrollado muchos amplificadores semiconductores diferentes con buenas características de frecuencia, por lo que el ancho de banda de los amplificadores de cámara suele ser significativamente (1,5-2 veces) mayor de lo necesario, para no afectar de ninguna manera la resolución final del sistema. Por lo tanto, la resolución está limitada precisamente por la topología discreta de la región receptora de luz de la matriz CCD.

A veces, el hecho de utilizar un buen amplificador electrónico se denomina palabras hermosas como “mejora de resolución” o “mejora de bordes”. ”, que puede traducirse como “resolución de contraste” y “bordes resaltados”.

Debemos ser conscientes de que este enfoque no mejora la resolución en sí, sólo se mejora la claridad de la transmisión de los límites del blanco y negro, y aun así no siempre.

Sin embargo, hay un caso en el que ningún truco de la electrónica moderna permite elevar el ancho de banda de la señal de vídeo por encima de 3,8 MHz. Esta es una señal de vídeo en color compuesto. Dado que la señal de crominancia se transmite a través de una portadora (en el estándar PAL, a una frecuencia de aproximadamente 4,4 MHz), la señal de luminancia se ve obligada a limitarse a una banda de 3,8 MHz (estrictamente hablando, el estándar asume filtros de peine para separar la crominancia y señales de luminancia, pero el equipo real sólo tiene filtros de paso bajo).

Esto corresponde a una resolución de aproximadamente 420 TVL. Actualmente, algunos fabricantes declaran que la resolución de sus cámaras en color es de 480 TVL o más. Pero, por regla general, no se centran en el hecho de que esta resolución se logra solo si la señal se toma de la salida Y-C (S-VHS) o componente (RGB).

En este caso, las señales de brillo y color se transmiten mediante dos (Y-C) o tres (RGB) cables separados desde la cámara al monitor.

En este caso, el monitor, así como todos los equipos intermedios (switches, multiplexores, videograbadores) también deben tener entradas/salidas de tipo Y-C (o RGB). De lo contrario, un único elemento intermedio que procese la señal de vídeo compuesto limitará el ancho de banda a los 3,8 MHz antes mencionados y hará inútiles todos los costes de las costosas cámaras.

Eficiencia cuántica y rendimiento cuántico de una cámara CCD.

Por eficiencia cuántica nos referimos a la relación entre el número de cargas registradas y el número de fotones incidentes en la región fotosensible del cristal CCD.

Sin embargo, los conceptos de eficiencia cuántica y rendimiento cuántico. La eficiencia cuántica es la relación entre el número de fotoelectrones producidos en un semiconductor o cerca de su límite como resultado del efecto fotoeléctrico y el número de fotones que inciden en este semiconductor.

Eficiencia cuánticaes la salida cuántica de la parte del receptor que registra la luz, multiplicada por el coeficiente de conversión de la carga del fotoelectrón en la señal útil registrada.

Dado que este coeficiente es siempre menor que la unidad, la eficiencia cuántica también es menor que el rendimiento cuántico. Esta diferencia es especialmente grande para dispositivos con un sistema de detección de señales de baja eficiencia.

Los CCD no tienen igual en eficiencia cuántica.

A modo de comparación, de cada 100 fotones que ingresan a la pupila del ojo, la retina solo percibe uno (la eficiencia cuántica es del 1%), las mejores fotoemulsiones tienen una eficiencia cuántica del 2-3%, los dispositivos de electrovacío (por ejemplo, fotomultiplicadores) — hasta el 20%, para los CCD este parámetro puede alcanzar el 95% con un valor típico del 4% (los CCD de baja calidad se utilizan, por regla general, en videocámaras baratas de construcción “amarilla”) al 50% (un típica videocámara occidental no seleccionada).

Además, el ancho El rango de longitudes de onda al que responde el ojo es mucho más estrecho que el de los CCD.

El rango espectral de los fotocátodos de las cámaras de vacío tradicionales y de las emulsiones fotográficas también es limitado. Los CCD responden a la luz con longitudes de onda que van desde angstroms (rayos gamma y X) hasta 1100 nm (infrarrojos). Este enorme rango es mucho mayor que el rango espectral de cualquier otro detector conocido hasta la fecha.

Arroz. 1. Un ejemplo de la eficiencia cuántica de una matriz CCD.

Sensibilidad y rango espectral

Otro parámetro importante de una cámara de televisión, la sensibilidad, está estrechamente relacionado con los conceptos de eficiencia cuántica. y rendimiento cuántico. Si la eficiencia cuántica y el rendimiento cuántico son manejados principalmente por los desarrolladores y diseñadores de nuevos telesistemas, la sensibilidad la utilizan los ingenieros de instalación, los servicios de operación y los diseñadores de proyectos de trabajo directo en las empresas.

En esencia, la sensibilidad y la salida cuántica del receptor están relacionadas entre sí mediante una función lineal. Si el rendimiento cuántico relaciona el número de fotones que inciden en el detector de luz y el número de fotoelectrones generados por estos fotones como resultado del efecto fotoeléctrico, entonces la sensibilidad determina la respuesta del detector de luz en unidades eléctricas (por ejemplo, en mA ) a una cierta cantidad de flujo de luz incidente (por ejemplo, en W o lux/seg).

En este caso, se utilizan los conceptos de sensibilidad bolométrica (es decir, la sensibilidad total del receptor en todo el rango espectral) y sensibilidad monocromática, medida, por regla general, por un flujo de radiación con un ancho espectral de 1 nm (10 angstroms). separados.

Cuando dicen que la sensibilidad del receptor está en una longitud de onda (por ejemplo, 450 nm), esto significa que la sensibilidad se convierte en un flujo en el rango de 449,5 nm a 450,5 nm. . Esta definición de sensibilidad, medida en mA/W, es inequívoca y no causa ninguna confusión al utilizarla.

Sin embargo, para los consumidores de equipos de televisión utilizados en sistemas de seguridad, se utiliza con mayor frecuencia una definición diferente de sensibilidad. En la mayoría de los casos, se entiende por sensibilidad la iluminación mínima de un objeto (iluminación de la escena), en la que se puede distinguir la transición del negro al blanco, o la iluminación mínima de la matriz (iluminación de la imagen).

Desde un punto de vista teórico, sería más correcto indicar la iluminación mínima en la matriz, ya que en este caso no es necesario especificar las características de la lente utilizada, la distancia al objeto y su coeficiente de reflexión (a veces esto El coeficiente se llama “albedo”).

El albedo suele determinarse en una longitud de onda específica, aunque existe el llamado albedo bolométrico. Es muy difícil operar objetivamente con una determinación de sensibilidad basada en la iluminación del objeto. Esto es especialmente cierto cuando se diseñan sistemas de telereconocimiento a largas distancias. Muchas matrices no pueden registrar la imagen del rostro de una persona situada a una distancia de 500 metros, incluso si está iluminada por una luz muy brillante.*

Nota

* Problemas de este tipo aparecen en la práctica de CCTV, especialmente en lugares con una mayor amenaza de terrorismo, etc. Los sistemas de televisión de este tipo se desarrollaron en 1998 en Japón y se están preparando para la producción en masa.

Pero al seleccionar una cámara, es más conveniente para el usuario trabajar con la iluminación del objeto, que conoce de antemano. Por lo tanto, generalmente indican la iluminación mínima de un objeto, medida en condiciones estandarizadas: el coeficiente de reflectancia del objeto es 0,75 y la apertura de la lente es 1,4. La fórmula que relaciona la iluminación sobre el objeto y sobre la matriz se da a continuación:

Iimage=Iscene x R/(p x F2),

donde Iimage, Iscene — iluminación de la matriz CCD y el objeto (Tabla 1);
R — reflectancia del objeto (Tabla 2);
p — número 3,14;
F — apertura de la lente.

Iimage Los valores e Iscene suelen diferir en más de 10 veces.

La iluminancia se mide en suites. Lux —iluminancia creada por una fuente puntual de una vela internacional a una distancia de un metro sobre una superficie perpendicular a los rayos de luz.

Tabla 1. Aproximada iluminación de objetos.

* “Noches blancas”: condiciones de iluminación que satisfacen el crepúsculo civil, es decir cuando el sol se hunde bajo el horizonte sin tener en cuenta la refracción atmosférica en no más de 6°. Esto es cierto para San Petersburgo. Para Moscú se cumplen las condiciones de las llamadas “noches blancas de navegación”, es decir cuando el disco del sol desciende por debajo del horizonte en no más de 12°.

La sensibilidad de la cámara a menudo se indica para una «señal aceptable», lo que significa una señal cuando la relación señal-ruido es de 24 dB. . Este es un valor límite de ruido determinado empíricamente en el cual la imagen aún se puede grabar en una cinta de video y esperar ver algo durante la reproducción.

Otra forma de determinar una señal «aceptable» es la escala IRE (Instituto de Ingenieros de Radio). La señal de vídeo total (0,7 voltios) se toma como 100 unidades IRE. Una señal de aproximadamente 30 IRE se considera “aceptable”.

Algunos fabricantes, en particular BURLE, indican 25 IRE, otros 50 IRE (nivel de señal -6 dB). La elección de un nivel «aceptable» está determinada por la relación señal-ruido. No es difícil amplificar la señal electrónica.

El problema es que el ruido también aumentará.

Las matrices Hyper-HAD de Sony, que tienen una microlente en cada celda fotosensible, ahora tienen la sensibilidad más alta entre las matrices CCD producidas en masa. Son los que se utilizan en la mayoría de las cámaras de alta calidad.

La dispersión de los parámetros de las cámaras construidas sobre su base significa principalmente una diferencia en el enfoque de los fabricantes a la hora de definir el concepto de «aceptable». señal.”

Un problema adicional con la definición de sensibilidad está relacionado con el hecho de que la unidad de medida de iluminación “lux” se define para la radiación monocromática con una longitud de onda de 550 nm. En este sentido, tiene sentido prestar especial atención a una característica como la dependencia espectral de la sensibilidad de una cámara de vídeo.

En la mayoría de los casos, la sensibilidad de las cámaras en blanco y negro es significativamente, en comparación con el ojo humano, ampliado en el rango infrarrojo hasta 1100 nm.

Algunas modificaciones tienen una sensibilidad en la región del infrarrojo cercano incluso mayor que en la región visible. Estas cámaras están diseñadas para funcionar con focos infrarrojos y en algunos parámetros se acercan a los dispositivos de visión nocturna.

La sensibilidad espectral de las cámaras en color coincide aproximadamente con la del ojo humano.

Fig. 2. Un ejemplo de la sensibilidad espectral de una matriz CCD en color con franjas estándar RGB.

Tabla 2. Valores aproximados de los coeficientes de reflectancia de varios objetos.

* Es interesante observar que la reflectividad de la superficie lunar también es de alrededor del 7%, es decir. La luna en realidad es negra.

Una mención especial merecen las cámaras de ultra alta sensibilidad; de hecho, son una combinación de una cámara convencional y un dispositivo de visión nocturna (por ejemplo, un convertidor óptico-electrón de microcanales — intensificador de imagen).

Estas cámaras tienen propiedades únicas (la sensibilidad es entre 100 y 10.000 veces mayor de lo habitual, y en el rango del infrarrojo medio, donde se observa la máxima radiación del cuerpo humano, ella misma brilla), pero, por otro lado, también tienen capricho único: el tiempo entre fallas es de aproximadamente un año, y las cámaras no deben encenderse durante el día, incluso se recomienda cubrir sus lentes para evitar que el cátodo intensificador de imagen se queme.

En un Como mínimo, se deben instalar lentes con un rango de apertura automática de hasta F/1000 o más. Durante el funcionamiento, la cámara debe girarse ligeramente con regularidad para evitar que la imagen se «queme» en el cátodo del tubo intensificador de imagen.

Es interesante observar que, a diferencia de las matrices CCD, los cátodos del tubo intensificador de imagen son muy sensibles a la iluminación máxima. Si el área sensible a la luz de una cámara CCD después de una iluminación brillante vuelve con relativa facilidad a su estado original (prácticamente no teme los destellos), entonces el cátodo del intensificador de imagen después de una iluminación brillante tarda mucho tiempo (a veces 3 -6 horas) para “recuperarse”.

Durante esta restauración, incluso con la ventana de entrada cerrada, se lee una imagen residual «mejorada» del cátodo del intensificador de imágenes. Como regla general, después de grandes exposiciones, debido a los efectos de la reabsorción (la liberación de gases bajo la influencia del bombardeo de las paredes del canal por corrientes de electrones acelerados) en un área grande de placas de microcanales, el ruido del intensificador de imágenes El tubo y, en particular, el ruido multielectrónico e iónico, aumentan considerablemente.

Estos últimos aparecen en forma de frecuentes destellos brillantes de gran diámetro en la pantalla del monitor, lo que hace que sea muy difícil aislar la señal útil.

Con flujos de luz de entrada aún mayores, pueden ocurrir procesos irreversibles tanto en el cátodo como en la pantalla luminiscente de salida del tubo intensificador de imagen: bajo la influencia de un gran flujo, las secciones individuales fallan (“se ​​queman”). Con una mayor operación, estas áreas tienen una sensibilidad reducida, que posteriormente cae a cero.

La mayoría de las cámaras de ultra alta sensibilidad utilizan amplificadores de brillo con pantallas fluorescentes de salida de color amarillo o amarillo verdoso. En principio, el brillo de estas pantallas puede considerarse como una fuente de radiación monocromática, lo que automáticamente lleva a la definición: los sistemas de este tipo sólo pueden ser monocromáticos (es decir, en blanco y negro). Teniendo en cuenta esta circunstancia, los creadores del sistema también seleccionan matrices CCD adecuadas: con máxima sensibilidad en la parte amarillo-verde del espectro y sin sensibilidad en el rango IR.

Una consecuencia negativa de la alta sensibilidad de Las matrices en el rango de infrarrojos son una mayor dependencia del ruido del dispositivo que depende de la temperatura.

Por lo tanto, se recomiendan las matrices de infrarrojos utilizadas para trabajar por la tarde y por la noche sin amplificadores de brillo, a diferencia de los sistemas de televisión con tubos intensificadores de imagen. enfriarse.

La razón principal del cambio en la sensibilidad de las cámaras CCD a la región IR en comparación con otros detectores de radiación semiconductores se debe al hecho de que los fotones más rojos penetran más en el silicio, ya que la transparencia del silicio es mayor en la región de onda larga y en al mismo tiempo la probabilidad de capturar un fotón (convertirlo en un fotoelectrón) tiende a la unidad.

Arroz. 3. Dependencia de la profundidad de absorción de los fotones en el silicio de la longitud de onda.

Para la luz con una longitud de onda superior a 1100 nm, el silicio es transparente (la energía de los fotones rojos no es suficiente para crear un agujero de electrones par en silicio), y los fotones con una longitud de onda inferior a 300-400 nm son absorbidos en una fina capa superficial (ya en la estructura de polisilicio de los electrodos) y no alcanzan bien el potencial.

Como se mencionó anteriormente, cuando se absorbe un fotón, se genera un par de portadores de huecos de electrones y los electrones se recogen debajo de los electrodos si el fotón se absorbe en la región de agotamiento de la capa epitaxial.

Con tal En una estructura CCD, se puede lograr una eficiencia cuántica de aproximadamente el 40% (teóricamente, en este límite el rendimiento cuántico es del 50%). Sin embargo, los electrodos de polisilicio son opacos a la luz con longitudes de onda inferiores a 400 nm.

Para lograr una mayor sensibilidad en el rango de longitud de onda corta, los CCD suelen estar recubiertos con películas delgadas de sustancias que absorben fotones azules o ultravioleta (UV) y los reemiten en el rango de longitud de onda visible o rojo.

Ruido

El ruido es cualquier fuente de incertidumbre en la señal. Se pueden distinguir los siguientes tipos de ruido CCD.

Ruido de fotones.

Es una consecuencia de la naturaleza discreta de la luz. Cualquier proceso discreto obedece la ley de Poisson (estadística).

El flujo de fotones (S es el número de fotones que inciden en la parte fotosensible del receptor por unidad de tiempo) también sigue estas estadísticas. Según él, el ruido de los fotones es igual a .

Por lo tanto, la relación señal-ruido La relación (indicada como S /N — relación señal/ruido) para la señal de entrada será:

S/N== .

Ruido de señal oscura. >h3>

Si no aplica una señal luminosa a la entrada de la matriz (por ejemplo, cierra herméticamente la lente de la cámara de video con una cubierta a prueba de luz), en la salida del sistema obtendremos los llamados marcos «oscuros». también conocido como ruido de bola de nieve.

El componente principal de la señal oscura es la emisión termoiónica. Cuanto menor sea la temperatura, menor será la señal oscura. La emisión termoiónica también obedece a la estadística de Poisson y su ruido es igual a: , donde Nt es el número de electrones generados térmicamente en el señal general. Como regla general, todas las cámaras CCTV utilizadas en los sistemas CCTV utilizan CCD sin refrigeración activa, por lo que el ruido oscuro es una de las principales fuentes de ruido.

Ruido de transferencia.

Durante la transferencia de un paquete de carga a través de los elementos CCD, se pierden algunos electrones. Queda atrapado en los defectos e impurezas existentes en el cristal.

Esta ineficiencia de transferencia varía aleatoriamente en función del número de cargas transferidas (N), el número de transferencias (n) y la ineficiencia de un evento de transferencia único (e). Si asumimos que cada paquete se transfiere de forma independiente, entonces el ruido de transferencia se puede representar mediante la siguiente expresión:

s =.

Ejemplo: Para una ineficiencia de transferencia de 10-5, 300 transferencias y un número de electrones en una pila de 105, el ruido de transferencia será de 25 electrones.

Leer ruido.

Cuando la señal acumulada en el elemento CCD sale del sensor, se convierte en voltaje y se amplifica; cada elemento introduce un ruido adicional llamado ruido de lectura.

El ruido de lectura se puede considerar como un nivel básico de ruido que es presente incluso en una imagen con exposición cero cuando el sensor está en completa oscuridad y el ruido de la señal oscura es cero.

El ruido de lectura típico para buenas muestras de CCD es de 15 a 20 electrones. Los mejores CCD fabricados por Ford Aerospace utilizando tecnología Skipper consiguen un ruido de lectura inferior a 1 electrón y una ineficiencia de transferencia de 10-6.

Ruido de reset o ruido kTC.

Antes de introducir una carga de señal en la unidad detectora, es necesario retirar la carga anterior. Para ello se utiliza un transistor de reinicio.

El nivel de reinicio eléctrico depende únicamente de la temperatura y la capacitancia de la unidad de detección, que introduce ruido:

s r= ,

donde k es la constante de Boltzmann.

Para un valor típico de capacitancia C igual a 0,1 pf a temperatura ambiente, el ruido de reinicio será de aproximadamente 130 electrones. El ruido kTC se puede suprimir completamente mediante un método especial de procesamiento de señales: muestreo de doble correlación (DCS). El método DKV también elimina eficazmente las señales de baja frecuencia que suelen introducir los circuitos de alimentación.

Dado que la carga principal de los sistemas CCTV se produce durante la noche (o en habitaciones mal iluminadas), es especialmente importante prestar atención a las señales de baja frecuencia. cámaras de vídeo con ruido que tienen aplicaciones de mayor eficiencia en condiciones de poca luz.

El parámetro que describe la cantidad relativa de ruido, como se mencionó anteriormente, se llama relación señal-ruido (S/N) y se mide en decibeles.

S/N =20 x log(<señal de vídeo>/<ruido>)

Por ejemplo, una relación señal-ruido de 60 dB significa que la señal es 1000 veces mayor que el ruido.

Con una relación señal-ruido de 50 dB o más, el monitor mostrará una imagen clara sin signos visibles de ruido, a 40 dB — a veces se notan puntos parpadeantes, a 30 dB — «nieve» en toda la pantalla, a 20 dB — la imagen es casi inaceptable, aunque aún se pueden ver grandes objetos contrastantes a través un velo continuo “nevado”.

Los datos proporcionados en las descripciones de la cámara indican valores de señal a ruido para condiciones óptimas, por ejemplo, con 10 lux de iluminación en la matriz y con el control automático de ganancia y la corrección gamma desactivados. A medida que la iluminación disminuye, la señal se vuelve más pequeña y el ruido, debido a la acción del AGC y la corrección gamma, es mayor.

Rango dinámico

El rango dinámico es la relación del máximo posible señal generada por el detector de luz a su propio ruido.

Para un CCD, este parámetro se define como la relación entre el paquete de carga más grande que se puede acumular en un píxel y el ruido de lectura. Cuanto mayor sea el tamaño de píxel de un CCD, más electrones puede contener.

Para diferentes tipos de CCD, este valor oscila entre 75.000 y 500.000 o más. Con 10 e-ruido (el ruido del CCD se mide en e-electrones), el rango dinámico del CCD alcanza 50.000.

El amplio rango dinámico es especialmente importante para grabar imágenes en exteriores con mucha luz solar o de noche, cuando hay una gran diferencia en la iluminación: la luz brillante de una linterna y el lado oscuro y no iluminado del objeto. A modo de comparación: las mejores emulsiones fotográficas tienen un rango dinámico de sólo aproximadamente 100.

Para comprender más claramente algunas de las características de los receptores CCD y, sobre todo, el rango dinámico, comparémoslos brevemente. con las propiedades del ojo humano.

Ojo — el receptor de luz más universal.

Hasta ahora, el detector de luz más eficaz y perfecto en términos de rango dinámico (y, especialmente, en términos de eficiencia de procesamiento y restauración de imágenes) es el ojo humano. El hecho es que el ojo humano combina dos tipos de detectores de luz: bastones y conos.

Los bastones son de tamaño pequeño y tienen una sensibilidad relativamente baja. Se localizan principalmente en la zona de la mácula central y están prácticamente ausentes en la periferia del fondo de retina.

Los bastones son buenos para distinguir la luz con diferentes longitudes de onda; más precisamente, tienen un mecanismo para generar diferentes neuroseñales dependiendo del color del flujo incidente.

Por lo tanto, en condiciones normales de iluminación, el ojo normal tiene el máximo. resolución angular cerca del eje óptico de la lente, la diferencia máxima en tonos de color

Aunque algunas personas experimentan anomalías patológicas asociadas con una disminución, y en ocasiones ausencia, de la capacidad de formar diversas neuroseñales dependiendo de la longitud de onda de la luz. Esta patología se llama daltonismo. Las personas con visión aguda prácticamente nunca son daltónicas.

Los conos están distribuidos casi uniformemente por toda la retina del ojo, son de mayor tamaño y, por tanto, más sensibles.

En condiciones de luz diurna, la señal de los bastones supera significativamente la señal de los conos, el ojo está configurado para trabajar con iluminación brillante (la llamada visión «diurna»). Los bastones, en comparación con los conos, tienen un mayor nivel de señal «oscura» (en la oscuridad vemos «destellos» de luz falsa).

Si se coloca a una persona no cansada y con visión normal en una habitación oscura y se le permite adaptarse (“acostumbrarse”) a la oscuridad, entonces la señal “oscura” de los bastones disminuirá considerablemente y los conos (visión “crepuscular”) ) comenzará a trabajar de manera más eficiente en la percepción de la luz. En los famosos experimentos de S.I. Vavilov, se demostró que el ojo humano (la versión «cono») es capaz de registrar 2-3 cuantos de luz individuales.

Así, el rango dinámico del ojo humano: desde el sol brillante hasta los fotones individuales, es 1010 (es decir, ¡200 decibelios!).

El mejor detector de luz artificial para este parámetro es un tubo fotomultiplicador (PMT). En el modo de conteo de fotones, tiene un rango dinámico de hasta 105 (es decir, 100 dB), y con un dispositivo para cambiar automáticamente al registro en modo analógico, el rango dinámico del PMT puede alcanzar 107 (140 dB), que es un mil veces peor en rango dinámico que el ojo humano.

El rango de sensibilidad espectral de los bastones es muy amplio (de 4200 a 6500 angstroms) con un máximo de aproximadamente 5550 angstroms. Los conos tienen un rango espectral más estrecho (de 4200 a 5200 angstroms) con un máximo a una longitud de onda de aproximadamente 4700 angstroms.

Por lo tanto, al pasar de la visión diurna a la visión crepuscular, una persona común pierde la capacidad de distinguir los colores. (no en vano dicen: “todo es de noche, los gatos son azufre”), y la longitud de onda efectiva se desplaza hacia el azul, a la región de los fotones de alta energía. Este efecto de cambio de sensibilidad espectral se llama efecto Purkinje.

Muchas matrices CCD de color que están desequilibradas en la señal RGB hacia el blanco lo tienen (indirectamente). Esto se debe tener en cuenta a la hora de obtener y utilizar información de color en sistemas de televisión con cámaras que no disponen de corrección automática de blancos.

Corrección de linealidad y gamma.

Los CCD tienen un alto grado de linealidad. En otras palabras, la cantidad de electrones recolectados por píxel es estrictamente proporcional a la cantidad de fotones que llegan al CCD.

El parámetro «linealidad» está estrechamente relacionado con el parámetro «rango dinámico».

El rango dinámico, por regla general, puede exceder significativamente el rango de linealidad si el sistema proporciona hardware o software para corregir el funcionamiento del dispositivo. en la región no lineal. Normalmente, una señal con una desviación de la linealidad de no más del 10% se puede corregir fácilmente.

Una situación completamente diferente se observa en el caso de las emulsiones fotográficas. Las emulsiones tienen una respuesta compleja a la luz y, en el mejor de los casos, pueden alcanzar una precisión fotométrica del 5%, y en ese caso sólo en una parte de su ya estrecho rango dinámico. Los CCD son lineales con una precisión de hasta el 0,1% en casi todo el rango dinámico.

Esto hace que sea relativamente fácil eliminar la influencia de la falta de homogeneidad de la sensibilidad en todo el campo. Además, los CCD son posicionalmente estables. La posición de un píxel individual se fija estrictamente durante la fabricación del dispositivo.

El cinescopio en el monitor tiene una dependencia del brillo de la señal según la ley de potencia (exponente de 2,2), lo que conduce a una disminución del contraste en las áreas oscuras y un aumento en las áreas brillantes; Al mismo tiempo, como ya se señaló, los CCD modernos producen una señal lineal. Para compensar la no linealidad general, la cámara suele incorporar un dispositivo (corrector gamma) que predice la señal con un exponente de 1/2,2, es decir 0,45.

Algunas cámaras ofrecen la posibilidad de elegir un factor de predistorsión; por ejemplo, la opción 0,60 da como resultado un aumento subjetivo del contraste, lo que da la impresión de una imagen «más nítida».

Un efecto secundario es que la corrección gamma significa más amplificación de señales débiles (en particular, ruido), es decir la misma cámara con G=0,4 encendida será aproximadamente cuatro veces más “sensible” que con G=1. Sin embargo, recordamos una vez más que ningún amplificador puede aumentar la relación señal-ruido.

Difusión de carga.

El número máximo de electrones acumulados en un píxel es limitado. Para matrices de mano de obra media y tamaños típicos, este valor suele ser de 200.000 electrones. Y si el número total de fotones durante la exposición (cuadro) alcanza el valor límite (200.000 o más con un rendimiento cuántico del 90% o más), entonces el paquete de carga comenzará a fluir hacia los píxeles vecinos. Los detalles de la imagen comienzan a fusionarse.

El efecto aumenta cuando el flujo de luz «extra» no absorbido por el delgado cuerpo del cristal se refleja desde el sustrato base. Con flujos de luz dentro del rango dinámico, los fotones no llegan al sustrato; casi todos (con un alto rendimiento cuántico) se transforman en fotoelectrones.

Pero cerca del límite superior del rango dinámico, se produce la saturación. y los fotones no transformados comienzan a “vagar” a través del cristal predominantemente mientras mantienen la dirección de la entrada inicial al cristal.

La mayoría de estos fotones llegan al sustrato, se reflejan y, por lo tanto, aumentan la probabilidad de una transformación posterior en fotoelectrones, sobresaturando los paquetes de carga que ya se encuentran en el límite de expansión.

Sin embargo, si se aplica una capa absorbente al sustrato, sustrato, el llamado revestimiento antirreflectante (anti-blooming), el efecto de extensión se reducirá considerablemente. Muchas matrices modernas producidas con nuevas tecnologías tienen anti-blooming, que es uno de los componentes del sistema de compensación de luz de fondo.

Estabilidad y precisión fotométrica.

Incluso las cámaras de vídeo CCD más sensibles son inútiles para aplicaciones con poca luz si su sensibilidad es inconsistente. La estabilidad es una propiedad integral del CCD como dispositivo de estado sólido.

Aquí, en primer lugar, nos referimos a la estabilidad de la sensibilidad en el tiempo. La estabilidad temporal se verifica mediante mediciones de flujo de fuentes de radiación estabilizadas especiales.

Está determinada por la estabilidad de la salida cuántica de la propia matriz y la estabilidad del sistema electrónico para leer, amplificar y registrar la señal. Esta estabilidad resultante de la cámara de vídeo es el parámetro principal para determinar la precisión fotométrica, es decir, precisión de medición de la señal luminosa registrada.

Para buenas muestras de matrices y sistemas electrónicos de alta calidad, la precisión fotométrica puede alcanzar el 0,4 — 0,5% y, en algunos casos, en condiciones óptimas de funcionamiento de la matriz y el uso de métodos especiales de procesamiento de señales, — 0,02%.

La precisión fotométrica resultante está determinada por varios componentes principales:

• inestabilidad temporal del sistema en su conjunto;
• falta de homogeneidad espacial de la sensibilidad y, sobre todo, falta de homogeneidad de alta frecuencia (es decir, de píxel a píxel);
• eficiencia cuántica de la cámara de vídeo ;
• la precisión de la digitalización de la señal de vídeo para cámaras de vídeo digitales;
• la cantidad de ruido de diferentes tipos.

Incluso si la matriz CCD tiene grandes faltas de homogeneidad en la sensibilidad, su influencia en la precisión fotométrica resultante se puede reducir mediante métodos especiales de procesamiento de señales, siempre que, por supuesto, estas faltas de homogeneidad sean estables en el tiempo.

Por otro lado, si la matriz tiene una alta eficiencia cuántica, pero cuya inestabilidad es alta, la precisión resultante de registrar la señal útil será baja.

En este sentido, para dispositivos inestables, la precisión de registro de la señal útil (o precisión fotométrica) es una característica más importante que la característica de relación señal-ruido.