Квантовая эффективность ПЗС-камеры

Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла ПЗС. По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) — до 20%, у ПЗС этот параметр может достигать 95% при типичном значении от 4% (низкокачественные ПЗС) до 50%. Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у ПЗС.

С понятием квантовой эффективности тесно связан другой важный параметр телекамеры — чувствительность. Потребители телевизионной техники чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте, при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице.

С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения. Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности объекта. Это особенно сказывается при проектировании телесистем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом.

Дополнительная проблема с определением чувствительности связана с тем, что единица измерения освещенности “люкс” определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. В связи с чем имеет смысл обращать особое внимание на такую характеристику, как спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и по некоторым параметрам приближаются к приборам ночного видения.

Спектральная чувствительность цветных камер примерно совпадает с человеческим глазом. Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь — ЭОП).

Для получения более высокой чувствительности в коротковолновом диапазоне часто используют покрытие ПЗС тонкими пленками веществ, которые поглощают голубые или ультрафиолетовые (УФ) фотоны и переизлучают в видимом или красном диапазоне длин волн.

Шумы

Шумом называют любой источник неопределенности сигнала. Можно выделить следующие типы шумов ПЗС.

Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону (статистике) Пуассона.

Шум темнового сигнала. Если на вход матрицы не подавать световой сигнал (например, плотно закрыть светонепроницаемой крышкой объектив видеокамеры), то на выходе системы получим так называемые “темновые” кадры, по-другому его называют шум-снежок. Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал. Как правило, во всех используемых в системах охранного телевидения видеокамерах ПЗС применяются без активного охлаждения, вследствие чего темновой шум оказывается одним из основных источников шума.

Шум переноса. Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется. Она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса меняется случайным образом.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания можно представить как некоторый базовый уровень шума, который присутствует даже в изображении с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала равен нулю. Типичный шум считывания для хороших образцов ПЗС составляет 15-20 электронов.

Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд. Для этого используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла. kTC-шум может быть полностью подавлен специальным методом обработки сигнала: двойной коррелированной выборкой (ДКВ). Метод ДКВ эффективно устраняет и низкочастотные сигналы, вносимые обычно цепями питания.

Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения приходится на темное время суток (либо плохо освещенные помещения), то особенно важно уделять внимание низкошумящим видеокамерам, имеющим большую эффективность применения в условиях низкого освещения.

Конструкция жидкокристаллического индикатора (ЖКИ)

Для отображения информации в большинстве современных устройств используются дисплеи, содержащие в своей основе ту или иную вариацию жидкокристаллического вещества. Появление дисплеев на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря работам австрийского ботаника Фридриха Рейнитзера (Friedrich Reinitzer). В ходе своих исследований в 1888 г. вещества, известного как cholesteryl benzoate, он обнаружил, что оно имеет две явные точки плавления. В своем эксперименте он увеличивал температуру твердого образца и наблюдал превращение кристалла в мутную жидкость. Дальнейшее увеличение температуры приводило к появлению чистой прозрачной жидкости, пропускающей свет. Благодаря этой ранней работе считается, что именно Рейнитзер открыл новую жидкокристаллическую фазу материи. В 1968 г. фирмой RCA был создан первый экспериментальный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).

Для ясного понимания технологических особенностей создания современных ЖК-дисплеев следует коротко остановиться на основных свойствах жидких кристаллов. Жидкие кристаллы (ЖК) уникальны по своим свойствам и возможностям использования. Они представляют собой почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Есть две главные особенности ЖК, благодаря которым возможно создание на их основе устройств отображения информации: способность молекул ЖК переориентироваться во внешнем электрическом поле и изменять поляризацию светового потока, проходящего через их слои. В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип, проиллюстрированный на рис. 1.

Рис. 1. Прохождение света через ЖКИ.

Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка (оксиды индия и олова - ITO), которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя. Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного "скручивания" слоев молекул ЖК на 90° между стеклами, как показано в левой части рис. 1.

Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК (правая часть на рис. 1). Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект "скручивания" поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов. Описанная конструкция ЖКИ представляет собой пассивный вариант дисплея.

TFT-дисплеи

Для производства больших цветных дисплеев в настоящее время широко используются ЖКИ на основе TFT (тонкопленочные транзисторы). Сечение TFT-панели показано на рис. 2. В основе структуры TFT-панели содержатся жидкие кристаллы, два поляризатора и две стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими стеклянными пластинами. Регулирование светового потока осуществляется путем изменения величины входного напряжения, подаваемого на ЖК. Тем самым изменяется расположение и ориентация ЖК-молекул, что приводит к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через них.

Рис. 2. Сечение TFT панели.

При изготовлении такой панели с помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ. Количество транзисторов на стекле TFT равно числу подпикселей дисплея, при этом генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра с нанесенным на него фильтром цвета. Движение жидких кристаллов вызывается появлением разности потенциалов между электродами, находящимися на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение приводит к генерации цвета и изменению яркости ЖКИ. Формирование цвета в TFT-панели происходит при прохождении светового потока через цветовой фильтр, интегрированный в верхнее цветное стекло. Каждый отдельный пиксель изображения формируется при смешивании базовых цветовых элементов RGB. Если красный, зеленый и голубой элементы пикселя выбраны в равной пропорции, будет сформирован белый свет. Путем регулировки соотношения светопропускания этих трех элементов получают необходимое количество разнообразных цветов.

Дисплеи на основе органических пленок (OLED)

Сравнительно недавно на рынке появились дисплеи нового, отличного от ЖКИ типа, т.н. OLED (Organic Light Emitting Device). Дисплей OLED представляет собой электронное устройство, выполненное путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника питания к выбранным элементам дисплея они излучают яркий свет.

Технология OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи. Для получения OLED дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы, в сравнении с ЖКИ. Ведущий лидер в производстве таких дисплеев, корпорация Universal Display (UDC) полагает, что технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед ЖКИ:

1. Более высокая яркость;

2. Более высокое быстродействие, улучшающее качество отображения и динамику видеоизображений;

3. Расширенный угол обзора (до 180°);

4. Малый вес;

5. Меньшее энергопотребление;

6. Более широкий диапазон рабочих температур;

7. Меньшая совокупная стоимость.

Столь впечатляющие характеристики своих OLED дисплеев компания UDC достигла благодаря разработке особого семейства высокоэффективных OLED-материалов. Их ключевой особенностью является использование для излучения света процесса электрофосфоресценции. В традиционных OLED-дисплеях излучение света основано на флуоресценции - переходе от одного возбужденного состояния материала. В соответствии с теоретическими и экспериментальными оценками максимальная эффективность OLED с добавлением флуоресцентных материалов может составить около 25%. Это ограничение практически снимается при использовании в качестве добавок электрофосфоресцентных материалов компании UDC, которым присуще как одиночное, так и тройное возбужденное состояние. Учитывая, что эффективность таких материалов приближается к 100%, компания UDC работает над созданием и продвижением на рынок электрофосфоресцентных устройств, оптимизируя такие их характеристики как чистоту цвета, надежность функционирования и механическую прочность.