Кроме этой проблемы — интеграции всех электронных схем телекамеры в отдельную микросхему — есть еще одна: ахиллесовой пятой ПЗС-устройств является потребность в тактовом генераторе.
Для успешного функционирования важна амплитуда, и форма сигнала тактового генератора критична. Генерация импульсов необходимого размаха и формы обычно входит в задачу специализированной микросхемы, формирователя тактовых импульсов, а это приводит к двум серьезным затруднениям: несколько нестандартных напряжений питания и высокое энергопотребление. Если у пользователя имеется один вход подключения питания, то придется использовать несколько внутренних регуляторов для выполнения требований к электропитанию.
За последние несколько лет на рынке появилось фоточувствительное устройство нового типа — КМОП-чип (комплементарная МОП-ИС, КМОП-ИС).
КМОП-матрицы изготавливаются на базе стандартной КМОП-технологии, опираясь на так называемую VLSI-технологию (Very Large Scale Integration — сверхвысокий уровень интеграции). Это гораздо более дешевый и стандартизованный метод производства микросхем, чем ПЗС-технология.
Рис. 5.54. Цветная однокристальная КМОП-телекамера
Основное преимущество КМОП-телекамер в сравнении с ПЗС — это высокий уровень интеграции, который достигается за счет фактической реализации всех функций электроники телекамеры на одной ИС. КМОП-технология для этого идеальна: логическая схема синхронизации, контроль экспозиции и аналого-цифровой преобразователь могут быть совмещены с матрицей, образуя завершенную однокристальную телекамеру.
КМОП-фотоприемник «чувствует» свет так же, как и ПЗС, но дальше все происходит иначе. Зарядовые пакеты не переносятся, а на ранней стадии обнаруживаются высокочувствительными усилителями зарядов на КМОП-транзисторах. В некоторых КМОП-матрицах усилители находятся поверх каждой колонки пикселов — сами пикселы содержат только один транзистор, который используется как шлюз, подключая содержимое пиксела к усилителю. Эти пассивные пиксельные КМОП-матрицы работают наподобие аналоговой DRAM-памяти (динамического ОЗУ).
Слабое место КМОП-матриц — это проблема согласования множества различных усилителей внутри каждой матрицы. Некоторые производители решили эту проблему, снизив остаточный уровень шума с постоянным спектром до незначительных пропорций. Первые КМОП-устройства и прототипы телекамер давали низкокачественное, зашумленное изображение, что делало сомнительным применение технологии в коммерческих целях. Вариации процесса приводят к тому, что каждый пиксел дает несколько отличный от других отклик, что проявляется в виде снега на изображении.
Кроме того, светособирающая площадь матрицы меньше, чем у ПЗС-матриц, поэтому эти устройства менее чувствительны к свету.
Рис. 5.55. Современные КМОП-матрицы позволяют проводить аналого-цифровое преобразование в самой матрице
Впрочем, за последние пять лет удалось решить многие проблемы КМОП-матриц. За время, прошедшее между двумя изданиями этой книги, в развитии КМОП-технологии наметился существенный прогресс. Стремительный рост спроса на цифровые фотоаппараты заставил производителей значительно улучшить качество изображения, получаемое с помощью КМОП-матриц и сократить стоимость их производства. Некоторые крупные производители, как Canon и Kodak, уже выпустили КМОП-матрицы с 10 млн. пикселов с очень высоким качеством изображения. Кроме повышения разрешающей способности КМОП-матриц, имеются и другие технологические достижения. Одно из таких усовершенствований КМОП-технологий позволяет избавиться от т. н. "фиксированного рисунка шумов". Такой метод позволяет считать для каждого пиксела свой уровень шума и сохранить такую структуру для каждой матрицы, как ее уникальную характеристику. Затем производится коррекция видеосигнала, при которой соответствующие значения этой структуры вычитаются из каждого значения, полученного в пикселе, что позволяет значительно снизить шумы КМОП-матрицы.
Еще одна новая разработка в сфере КМОП-технологии, которая еще недавно рассматривалась только гипотетически, теперь стала реальностью и представляет особый интерес с точки зрения видеонаблюдения. Компания Pixim разработала новый тип КМОП-матрицы, которая преобразует аналоговые зарядовые пакеты в цифровой поток данных сразу же на матрице. Эта революционная и очень перспективная концепция позволяет избавиться от многих недостатков КМОП-технологии.
Например, здесь удалось добиться очень точного управления экспонированием индивидуально для каждого пиксела, что позволяет значительно расширить динамический диапазон. Новая разработка от Pixim также позволяет учитывать собственный темновой шум матрицы, что улучшает отношение сигнал/шум.
ПЗС-матрицы оказались гораздо более эффективными в условиях минимальной освещенности, чем телекамеры с передающими трубками, но и они имеют пределы по минимальной освещенности. Черно/белая телекамера в условиях низкой освещенности «видит» примерно так же, как и человеческий глаз. В технических терминах это звучит так: стандартная черно/белая ПЗС-телекамера охватывает диапазон освещенности от 105 лк до 102 лк.
Этот диапазон интенсивностей света называется областью фотопического зрения.
В особых случаях возникает необходимость в еще более чувствительных к низким уровням света телекамерах. Уровни освещенности ниже 102 лк относятся к области скотопического зрения. Глаз человека не способен разглядеть что-либо при таких низких уровнях освещенности, но некоторые телекамеры посредством интеграционных функций способны формировать изображения при уровнях много ниже 102 лк. Эти функции характеризуются более продолжительным временем экспозиции — более 1/50 с (1/60 с для EIA). Понятно, что в этом случае мы теряем эффект реального времени, и телекамера реально становится устройством с накоплением заряда. Это может быть неприемлемо для наблюдения за движущимися объектами при низких уровнях освещенности, но для наблюдения за медленно движущимися в темноте объектами вполне подходит. Если же мы хотим наблюдать реальное движение в скотопической области зрения, то можно использовать специальный тип телекамеры — усиленную LLL-телекамеру (low light level, низкий уровень освещенности) с фотоумножителем.
Такая телекамера имеет дополнительный элемент — фотоумножитель, обычно устанавливаемый между объективом и телекамерой. Фотоумножитель — это трубка, которая преобразует очень слабый свет, неразличимый ПЗС-матрицей, в уровень света, который матрица может «увидеть». Вначале объектив проецирует изображение слабо освещенного объекта на специальную пластину, которая работает подобно электронному умножителю: буквально каждый фотон световой информации усиливается до сигнала значительного уровня. Усиление основано на лавинном эффекте (лавинном умножении электронов), вызванном фотонами в статическом поле высокого напряжения. Результирующие электроны ударяются о люминофорное покрытие на конце трубки, люминофор светится, и получается видимый свет (так же, как электронный луч заставляет светиться экран черно-белого кинескопа). Это (теперь видимое) изображение проецируется на ПЗС-матрицу. Вот так телекамера видит слабо освещенные объекты. Из-за специфики инфракрасного диапазона длин волн, а также из-за монохромного люминофорного покрытия экрана фотоумножителя, LLL-телекамера способна давать только черно-белое изображение.