После того, как сигнал сформирован, электронная система телекамеры добавляет синхроимпульсы, и на выходе телекамеры мы получаем полный видеосигнал, называемый композитным видеосигналом.
Функционирование передающих трубок опирается на несколько важных концепций, сейчас мы их кратко рассмотрим; это необходимо для того, чтобы оценить разницу между этой и новой ПЗС-технологией.
Рис. 5.5. Внутреннее устройство телекамеры с передающей трубкой
Первое: большие габаритные размеры телекамеры как таковой — стеклянная трубка, окружающая ее электромагнитная отклоняющая система и размеры электронных компонент системы — все это делало телекамеры довольно громоздкими.
Второе: необходимость в использовании точного отклоняющего электромагнитного поля, которое заставляет электронный луч сканировать область мишени согласно телевизионным стандартам. Использование электромагнитной системы для сканирования означает, что внешние электромагнитные поля других источников могут влиять на процесс сканирования, вызывая искажения картинки.
Третье: необходимость высокого напряжения (до 1000 В) для придания ускорения электронному лучу и задания его траектории. Поэтому в телекамерах приходится использовать высоковольтные компоненты, что всегда представляет собой потенциальную проблему для устойчивости электронных схем. Старые и высоковольтные конденсаторы могут начать подтекать, влага может создать токопроводящий воздушный слой вокруг компонент и привести к возникновению искровых разрядов.
Четвертое: необходимость наличия люминофорного слоя на мишени, который преобразует световую энергию в электрическую информацию. Люминофор постоянно подвергается электронной бомбардировке, и слой со временем изнашивается. Срок службы люминофорного покрытия трубки ограничен. При постоянной эксплуатации телекамеры (как это и происходит в системах видеонаблюдения) реальный ресурс телекамеры составляет пару лет, после этого срока изображение начинает ослабевать, вследствие выжигания люминофора могут появиться «впечатанные» изображения — если телекамера постоянно направлена на один и тот же объект. В результате мы можем увидеть такую картину: движущиеся люди похожи на призраков, они полупрозрачны и сквозь них просвечивают «впечатанные» изображения.
Пятое: геометрические искажения, обусловленные тем, что луч падает на мишень под различными углами; эта черта принципиально отлична от используемых сегодня ПЗС-телекамер (и ее следует рассматривать как недостаток) и является врожденным свойством, наследуемым от конструкции трубки как таковой. В частности, траектория электронного луча короче, когда он попадает в центр мишени, по сравнению с его траекторией при сканировании краев. Поэтому возникают геометрические искажения проецируемого изображения. Во многих конструкциях введены магнитные и электронные системы коррекции таких искажений, но при каждом перемещении трубки приходится заново регулировать настройки.
Новая ПЗС-технология позволила исключить все эти проблемы. Однако вначале одна характеристика трубок на заре ПЗС-технологий была недосягаемой. Невозможно было достичь разрешающей способности, соответствующей хорошей передающей трубке.
Разрешающая способность по вертикали зависит от стандарта сканирования, и оно более-менее одинаково и для ПЗС-телекамер, и для передающих трубок, но разрешающая способность по горизонтали (т. е. число воспроизводимых вертикальных линий) зависит от толщины электронного луча.
Этот фактор вполне успешно контролируется электронной системой, что позволяет воспроизводить очень тонкие детали при сканировании.
Рис. 5.6. Сравнение физических размеров передающей трубки и ПЗС-матрицы
Вначале микроэлектронная технология была не в состоянии создать элемент изображения (пиксел) на ПЗС-матрице меньший, чем поперечное сечение электронного луча. Это означает, что на заре технологии ПЗС-матриц их разрешение значительно отставало от разрешения трубок.
Однако очень скоро удалось повысить разрешение ПЗС-матриц, так что оно стало сравнимо с качеством телекамер с передающими трубками.
ПЗС — это прибор с зарядовой связью.
В 1970-х, когда появились первые персональные компьютеры, начались эксперименты с полупроводниковыми электронными компонентами — приборами с зарядовой связью — которые вначале предполагалось использовать в качестве запоминающих устройств.
Очень скоро выяснилось, что ПЗС очень чувствительны к свету, и поэтому их лучше и эффективнее использовать в качестве светоприемников, а не в качестве запоминающих устройств.
Основной принцип работы ПЗС заключается в сохранении информации электрических зарядов в фотоэлементах, а затем, когда потребуется, передаче этих зарядов на выходной каскад.
Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то концепция сдвига остается прежней, но вот вместо использования зарядовых пакетов для хранения цифровой информации (в случае, когда ПЗС-матрица служит запоминающим устройством), мы имеем фотоэлектронную генерацию электронов пропорционально количеству света, падающего на область формирования изображения, затем эти заряды сдвигаются вертикально и/или горизонтально так же, как сдвиговые регистры в цифровых схемах сдвигают двоичные значения.
Итак, зарядовые пакеты — как только они сформировались в фотоэлементах матрицы — «стекают» на выходной каскад при использовании методов зарядовой связи. Таким образом электрическая связь обеспечивается управлением напряжением и временем для каждой ячейки, называемой элементом изображения (пиксел).
Рис. 5.7. ПЗС-телекамера
Один из пионеров ПЗС-технологии, Гильберт Амелио, в своей статье, написанной в 1974 г., описывает зарядовую связь как «коллективный перенос всего мобильного электрического заряда, хранящегося на элементе полупроводниковой памяти на аналогичный сопряженный запоминающий элемент путем внешнего воздействия напряжением. Количество хранимого в мобильном пакете заряда может меняться в широких пределах в зависимости от приложенного напряжения и емкости запоминающих элементов. Величина электрического заряда в каждом пакете может представлять информацию».
ПЗС-чип может иметь либо линейную форму (линейный ПЗС), либо форму двумерной матрицы (ПЗС-матрица). Важно понимать, что они состоят из дискретных элементов (пикселов), но ПЗС-устройства не являются цифровыми устройствами. Каждый пиксел может содержать любое число электронов, пропорциональное падающему на него свету, таким образом представляя аналоговую информацию.