(А. Н. Мартынов, Серпуховской ВИ РВ); WHAT IS THE SENSITIVITY OF A CCD-MATRIX? (A. N. Martunov, Serpukhov Military Institute) По докладу на 17-й Международной научно-технической конференции «СОВРЕМЕННОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ»

В полупроводниковых приборах, к которым относится ПЗС-матрица, для описания светочувствительности устройства используются несколько другие параметры, отображающие особенности его конструкции. В частности, матрица представляет собой не кусок целлулоида с однородно реагирующим на свет участком эмульсии, а совокупность ПЗС-элементов, каждый из которых регистрирует фотоны по-своему.

Чувствительность собственно ПЗС-элемента можно разделить на две составляющие. Первая – интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах), обеспечиваемому источником излучения. При этом спектральный состав излучения, используемого при измерении интегральной чувствительности, такой же, как и у вольфрамовой лампы накаливания, а сам параметр служит для оценки суммарной (по всему спектру видимого света) чувствительности пикселя. Второй характеристикой способности ПЗС-элемента реагировать на свет является монохроматическая чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), имеющего строго определённую длину волны. Функция, описывающая зависимость чувствительности от длины волны, то есть способность пикселя фиксировать различные цветовые оттенки, именуется спектральной чувствительностью и представляет собой совокупность всех значений монохроматической чувствительности для данной области спектра.

Таким образом, как интегральная, так и спектральная чувствительность определяется фототоком ПЗС-элемента, то есть зарядом, накопленным потенциальной ямой. Характеристика, описывающая ёмкость ямы, называется глубиной потенциальной ямы, и именно ею определяется динамический диапазон ПЗС-матрицы. Величина же накопленного заряда зависит от целого ряда параметров.

Например, чем больше площадь светочувствительной области ПЗС-элемента, тем выше доля фотонов, которые могут быть поглощены с созданием носителей заряда. Именно поэтому при росте разрешения матрицы одной из основных задач для разработчиков является обеспечение максимально возможной площади светочувствительной области. Для этого размеры обвязки (электродов переноса, дренажа и буферных столбцов) должны уменьшаться пропорционально росту числа пикселей.

Однако далеко не все фотоны, попавшие на светочувствительную область, преобразуются в носители заряда. Параметр, определяющий эффективность регистрации светового излучения ПЗС-элементом, называется квантовой эффективностью и характеризует отношение количества зарегистрированных носителей заряда к количеству попавших на поверхность светочувствительной области фотонов. Поскольку далеко не все носители заряда попадают в потенциальную яму, квантовая эффективность более точно характеризует чувствительность пикселя.

Квантовая эффективность зависит от других параметров. В частности, некоторые фотоны отражаются от поверхности светочувствительной области и не могут быть поглощены ПЗС-элементом, для отображения доли таких фотонов используется коэффициент отражения. Среди тех фотонов, что не были отражены поверхностью сенсора, некоторые будут поглощены слишком глубоко, а другие – у самой поверхности. Заряды, полученные в результате внутреннего фотоэффекта этих фотонов, не попадут в потенциальную яму. Очевидно, что коэффициент поглощения должен обеспечивать выбивание носителей заряда вблизи от потенциальной ямы, причем выбивание это должно осуществляться фотонами с длиной волны, попадающей в интервал, соответствующий требуемому спектру излучения. Таким образом, материал ПЗС-матрицы должен отвечать целому ряду требований – иметь минимальный коэффициент отражения и максимальный коэффициент поглощения по отношению к фотонам с требуемой длиной волны и в то же время отражать и не поглощать фотоны из других областей спектра. Поскольку данная задача требует взаимоисключающих решений, отсекание «неугодных» фотонов осуществляется при помощи инфракрасного фильтра, устанавливаемого перед ПЗС-матрицей (стекло, используемое в линзах объектива, непроницаемо для ультрафиолетового излучения).

Наряду с площадью светочувствительной области и квантовой эффективностью на способность пикселя регистрировать фотоны влияет порог чувствительности – величина минимального светового сигнала, который может быть зарегистрирован ПЗС-элементом. Негативное влияние на порог чувствительности оказывает темновой ток, возникающий в ПЗС-элементе в момент подачи потенциала на электрод, под которым создаётся потенциальная яма. Название «темновой» обусловлено тем, что данный паразитный заряд образуется «просочившимися» в яму электронами, созданными не внутренним фотоэффектом, а термоэлектронной эмиссией, и при его накоплении световые лучи не падали на поверхность сенсора. При этом уровень темнового тока сильно зависит от температуры и возрастает вдвое при нагревании на 9 градусов по Цельсию. Для ослабления термоэлектронной эмиссии в студийной цифровой фототехнике применяют различные схемы теплоотвода, использующие в качестве теплообменника металлический корпус камеры, игольчатые радиаторы и даже элементы Пельтье. Разумеется, такой подход неприменим к компактным фотоаппаратам, ограниченным по размерам и весу.

Чтобы определить уровень темнового тока и исключить его величину при считывании фототоков пикселей, расположенные по краям столбцы и строки матрицы покрываются непрозрачным материалом. Составляющие их пиксели называются пикселями темнового тока, и, поскольку генерируемый ими заряд создан термоэлектронной эмиссией, он используется в качестве «отметки чёрного цвета» для остальных пикселей матрицы. При этом, поскольку при разных условиях (нагрев матрицы, ток питания и так далее) уровень темнового тока будет варьироваться, необходимо для каждого снимка заново считывать заряд пикселей темнового тока.

Не менее губительно, чем темновой ток, на порог чувствительности влияет тепловой шум. Данное явление обусловлено хаотичным движением носителей заряда в толще полупроводника, которое не прекращается и при отключении потенциала, подаваемого на электрод. Блуждая в материале матрицы, электроны либо дырки в конце концов притягиваются потенциальной ямой и оседают в ней. Поскольку перед началом экспонирования потенциальная яма «опустошается», количество захваченных ею в процессе съёмки «паразитов» тем больше, чем продолжительнее выдержка.

Из всего вышесказанного получается, что чувствительность ПЗС-матрицы – это интегральная характеристика, которая определяется чувствительностью каждого пикселя. Так как технологический процесс производства матрицы не может быть идеальным, ряд её элементов будет регистрировать свет хуже, чем остальные, и именно поэтому чувствительность матрицы в целом всегда меньше, чем чувствительность отдельно взятого пикселя.

В характеристиках цифрового фотоаппарата не указывается ни спектральная чувствительность, ни квантовая эффективность, ни порог чувствительности. Вместо этого производитель публикует так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона («ISO 100-800») либо набора значений («ISO 50, 100, 200, 400»). Вычисляется она каждым производителем по-своему (из-за чего нередко возникают недоразумения), но в основу расчётов положена пара стандартных формул для расчета экспозиционного числа: зная освещенность объекта съёмки, диафрагму и выдержку, можно с высокой долей достоверности определить эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы. Наиболее точно характеризует истинную чувствительность матрицы минимальное из ISO-чисел, так как остальные значения получаются в результате обычного усиления сигнала на выходе матрицы, что-то вроде увеличения громкости радиоприёмника. Чем выше громкость радиоприёмника, тем сильнее слышны помехи, точно так же при повышении чувствительности усиливается уровень шумов матрицы, значительно искажающих «электронный негатив».

 

The robot - film expert the idea of the decision of challenges facing to it involves / Робота-киноведа привлекает идея решения стоящих перед ним сложных проблем

 

Линейный стабилизатор Shock Absorber со стабилизированной панорамной головкой Flight Head представила фирма filmotechnic (рис. 1). Это антивибрационный механизм для компенсации линейных колебаний в широком диапазоне частот, позволяющий осуществлять съёмку с транспортных средств в движении в условиях неровной дороги, волн, вибрации, толчков и т. п. Съёмка может производиться на скоростях до 100 км/ч, при этом обеспечивается стабильность изображения в пределах фокусного расстояния до 250 мм. Максимальный вес камеры – 30 кг. Высота устройства (в стандартной комплектации) – 1,4 м. Длина верхнего рабочего механизма – 1,2 м. Вес трёхосной гиростабилизированной головки Flight Head (рис. 2) – 24 кг. Угловая скорость – 160 град/с. Угловое ускорение – 240 град/с. кв. Тангаж – от +80 до –155 град. Крен – от +110 до –230 град. Электропитание – 22-30 В. А. Барсуков, журнал "ТКТ", № 5, 2004 г. 

 

Киев: в копилку опыта. В начале января 1990 г. в Киеве состоялась 1-я Всесоюзная ярмарка-выставка кинооператорской техники.

Кинематографическая общественность оценила ее как большое и важное событие в истории развития отечественной кинотехники. Именно сейчас, когда рейтинг изделий нашей кинотехнической промышленности упал особенно низко, когда многие руководители кинопредприятий ориентируются (причем не всегда справедливо) исключительно на импортные поставки, необходимо всячески активизировать деятельность по пропаганде наших собственных возможностей. Дело в том, что прозападная, проамериканская и прояпонская ориентация на теле-, кино- и видеотехнику таит в себе гораздо больше опасностей, чем может показаться на первый взгляд. Конечно, это весьма демократично, когда руководители кинопредприятий более самостоятельно распоряжаются заработанной трудом их коллективов валютой. Однако если бы в нашей отрасли техническая политика осуществлялась более умело, то можно было бы договориться о том, что прежде чем израсходовать валюту на то или иное оборудование, следует сначала проводить оценку того, какую часть этого оборудования можно изготовить собственными силами отрасли. Если говорить по большому счету, то практика огульной траты валютных средств, фактически есть не что иное, как деятельность по улучшению благосостояния зарубежных специалистов в ущерб благосостоянию советских специалистов. А на деле такой псевдоинтернационализм ведет к выхолащиванию в стране квалифицированных кадров, к ухудшению генофонда. Чтобы это утверждение не выглядело лозунгом, приведем конкретный пример, так сказать — «картинку с выставки».

Из бесед с организаторами и участниками выставки-ярмарки обнаружилось, что процесс разложения в результате «валютной эйфории» зашел уже довольно далеко, поскольку некоторые из ведущих киностудий СССР, где, казалось бы, должен быть наиболее высок потенциал знаний и опыта в области совершенствования кинооператорской техники, практически игнорировали это уникальное мероприятие. Но это, в общем-то, еще полбеды, поскольку здесь, в целом, все зависело от недальновидных руководителей, которых, в принципе, всегда можно заменить. Хуже всего другое — то, что Ленинградский институт киноинженеров, где есть соответствующие кафедры не проявил к выставке-ярмарке интереса. Здесь уже инициатива, по идее, должна была исходить от студентов, поскольку даже из чисто практических соображений ничто не мешало молодым людям приехать и выбрать интересную тему для диплома, который в данном случае обошелся бы очень малой кровью. Во всяком случае, информация для них в журнале была. Если смотреть в корень, то факт этот — ужасающий, поскольку раз сложилась такая ситуация, что у молодежи отсутствует интерес к этому делу, значит дело находится в стадии отмирания, а уж почему так получилось журнал неоднократно рассказывал. Необходимо в корне менять положение инженера в отрасли. Конечно, вряд ли в ближайшем будущем удастся создать такие условия, соблазнившись которыми специалисты «Аррифлекса» перебегут в рамках Общеевропейского дома на «Москинап» и в МКБК, однако делать заметные практические шаги в этом направлении уже пора бы.

Несколько замечаний по непосредственно организации мероприятия. Общее мнение таково, что в целом эффект положительный: был обмен опытом, были деловые переговоры, заключение договоров, было самое ценное — общение между коллегами. Однако в будущем, видимо, больше внимания надо уделять такой форме работы, как общее заседание участников ярмарки, выступления, доклады с наглядными пособиями. Традиционно ощущалась нехватка средств («ТКТ» уже исследовал эту тему в № 3 за 1990 г.) — их должно было быть минимум вдвое больше, чем удалось собрать. Есть соображения, что к организации подобных акций необходимо подключать всю прессу кинематографии — не только «ТКТ», но и «Искусство кино», «Советский экран» и т. п.

Торговый оборот киевской выставки-ярмарки, конечно исчисляется небольшой суммой, но эта сумма может и должна быть увеличена. СССР стоит сейчас на пороге реализации программы конвертируемости рубля и в эту работу гигантский вклад могут внести советские рационализаторы и изобретатели, о чем «ТКТ» уже не раз писал. Около 170 лет тому назад великий поэт предупредил о том, к чему мы придем, пренебрегая своими умельцами: «...все, чем для прихоти обильной торгует Лондон щепетильный и по Балтическим волнам за лес и сало возит нам...». Времена Е. Онегиных так или иначе не сегодня-завтра кончатся. Наступают времена компетентности и профессионализма. А. Барсуков (АЛТАЙСКИЙ), журнал  «ТКТ», 1990, № 6 

 

Обзор докладов на 5-й научно-технической конференции "Современное телевидение"

ГНИИ «Пульсар». «Серия линейных и матричных ФПЗС с объемным переносом заряда». В докладе приведены параметры и функциональные схемы 8 ФПЗС.

Рязанская Государственная Радиотехническая Академия (Рязань), НТЦ ОАО «Красногорский завод» (Красногорск). «Специализированный видеоадаптер». Для повышения чувствительности видеосистем применяют видеодатчики, в которых в соответствии с меняющимися внешними обстоятельствами изменяются технические характеристики, в частности, параметры разложения изображения. При этом необходим блок, обеспечивающий преобразование стандартов изображения. Рассматривается адаптер для твердотельной телекамеры, в состав которого входят блок адаптации, АЦП, ЦАП, память кадра. А. Барсуков, журнал "ТКТ", № 5, 1997 г.

 

TRBE'97: новый импульс российскому киновидеопроизводству (отрывок) • Компания Philips (Нидерланды) продемонстрировала формулу совместимости на примере своей цифровой видеокамеры серии LDK 100, для которой найдены решения по совместимости с оборудованием Triax, DVCPRO и Betacam SP при сохранении 12-битного A/D перехода и 24-битной динамически управляемой цифровой обработки. Камера включает два процессора, обеспечивающих функции антипереосвещения, гамму, контур, матрицу и новые функции, такие как двойной контур кожи с автоматическим выбором тона кожи; режим AutoBlack дает совершенные уровни черного цвета и тушевки, не требуя установки баланса. ПО видеокамеры может быть загружено через стандартную серийную связь даже посредством E-mail. Благодаря датчикам Philips DPM (Dynamic Pixel Management) серия LDK 100 позволяет работать как в 4:3 широкоэкранном формате, так и в 16:9 без потери разрешения и не меняя горизонтальный угол зрения. Как уже говорилось, в многофункциональную серию LDK 100 входит конфигурация Triax. Также разработан DVCPRO-адаптер DCR-20, имеющий опциональный DSC-выход для одного видео- и двух встроенных аудиоканалов на единый кабель с видеокамеры или встроенного VTR; аудиокачество обеспечивается специально разработанным камкордером с широко применяемым 22-битным A/D цифровым аудиооформлением. В серии LDK 100-Betacam SP используется бета-адаптер.

• Если понятие "совместимость" принять за ключевое, то для фирмы Sony (Япония) его воплощением становится формат Betacam SX. По этому формату на TRBE'97 фирмой была представлена подробная информация, включающая описания аппаратуры и комплексов на ее основе. Формат Betacam SX создавался с учетом совместимости с существующими аналоговыми системами, чтобы обеспечить логический переход на полностью цифровую технологию с приемлемым соотношением качество/цена. Он объединяет в себе проверенное качество аналогового формата Betacam SP и цифровую технологию ведущих форматов D-1, D-2 и Digital Betacam. Использование гибридных рекордеров, объединяющих в себе лентопротяжный механизм и жесткий диск, открывает системе Betacam SX доступ к архивным материалам форматов Betacam и Betacam SP с преобразованием в цифровую форму для нелинейного монтажа. Распространенные кассеты серий BCT-MA и UVWT с металлопорошковой лентой для формата Betacam SP могут использоваться и для записи в Betacam SX, но для Betacam SX также разработана новая металлопорошковая лента. Устройства Betacam SX имеют аналоговые и цифровые интерфейсы, что позволяет им сосуществовать с имеющимися аналоговыми системами в студийных и полевых условиях.

Технические характеристики формата Betacam SX

Ширина ленты ................................................ 12,65 мм (1/2 дюйма)

Тип ленты........................................................ Металлопорошковая

Время записи/воспроизведения, макс. ............. 184 мин с кассетой размера L, 60 мин с кассетой размера S

Скорость ленты.................................................................. 59,6 мм/с

Шаг дорожек ........................................................................... 32 мкм

Число дорожек на кадр................................. 10(525/60), 12(625/50)

Продольные дорожки .......... Временной код / сигнал управления / вспомогательный сигнал

Служебные видеоданные ........................................... 1 строка/поле

Данные расширения ..................................................... 20 Байт/кадр

Сжатие видеосигнала ................................... MPEG-2, 4:2:2Р @ ML (сжатие аудио — нет)

Поток данных видео ......................................................... 18 Мбит/с

Число активных строк/кадр ............................... 507 строк (525/60), 608 строк (625/50)

Частота дискретизации видео...Y — 13,5 МГц, R-Y/B-Y — 6,75 МГц

Квантование видео ........................................................ 8 бит/отсчет

Частота дискретизации аудио .................................................48 кГц

Квантование аудио ........................:............................. 16 бит/отсчет

Число каналов звука ........................................................................ 4

Уменьшение цифрового потока видеосигнала до 18 Мбит/с:

а) повышает эффективность передачи сигнала с места съемки, а также эффективность его записи на диск при сохранении высокого качества изображения;

б) позволяет системам нелинейного монтажа работать с видео- и звуковыми сигналами в реальном времени и с меньшими затратами;

в) позволяет реализовать высокоскоростную передачу видеосигнала или одновременную передачу двух каналов от различных источников видеосигнала в пределах ограниченной полосы частот;

г) обеспечивает общую экономию затрат на хранение видеоинформации, сокращение расхода ленты. А. Барсуков, журнал "ТКТ" № 12, 1997 г.