2.3. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ВВОДА НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) как формирователи видеосигнала (ФВС) по сравнению с телевизионными трубками обладают рядом несомненных преимуществ. Они позволяют отказаться от высоковольтных источников питания и существенно снизить потребление энергии. Становятся ненужными сложные

отклоняющие и фокусирующие системы, заметно уменьшаются габариты и масса, повышается надежность и увеличивается срок службы, появляются новые достоинства, особенно существенные при использовании датчиков видеосигнала в системах промышленного зрения. К ним относится жесткость конструкции, высокая геометрическая точность передачи изображения, однозначная привязка каждого отсчета к определенной системе координат. Эти преимущества определили большой интерес к ПЗС, с которыми связывают телевидение будущего.

В приборах с зарядовой связью физическим элементом, на котором формируется электрический сигнал, пропорциональный световому потоку, является МОП-конденсатор. При определенных условиях электрический заряд МОГТ-конденсатора определяется его освещенностью. Для считывания визуальной информации с помощью внешних управляющих сигналов этот заряд передается по линейке расположенных в непосредственной близости МОП-конденсаторов и на выходе преобразуется в потенциал или ток. Изложение физических процессов, приводящих к образованию заряда и его передаче по цепочке, выходит за рамки этой книги. Эти процессы достаточно хорошо освещены в [37].

По структурной организации формирователи видеосигналов на ПЗС делятся на линейные и матричные. В линейных формирователях ВС фоточувствительные элементы располагаются на одной линии. Принцип их действия поясняется рис. 2.9. Каждый фоточувствительный элемент образуется тремя МОП-конденсаторами. Одноименные электроды этих конденсаторов соединены общей цепью тактового питания. При подаче по трехфазной тактной шине импульсов, сдвинутых по фазе, как это показано на рис. 2.9,б, заряд, накопленный на средней емкости каждого элемента, будет передаваться по цепочке слева направо. На выходе, он преобразуется

Рис. 2 9. Линейные формирователи видеосигнала на ПЗС: а — схема передачи заряда; б — тактовые импульсы ; в — схема с с одним сдвигающим регистром; г — схема с двумя сдвигающими регистрами

в напряжение, представляющее ВС строки. При таком способе организации время накопления, в течение которого образуется заряд, пропорциональный освещенности, должно быть значительно больше времени передачи заряда.

Качество передачи заряда можно повысить, если разделить секции накопления и передачи. Такое разделение достигается путем использования дополнительных ПЗС-регистров сдвига. Структура ФВС с одним регистром сдвига изображена на рис. 2.9, в. После того как процесс накопления закончился, информация из секции накопления переписывается на сдвигающий регистр. За время следующего цикла накопления информация со сдвигающего регистра считывается к выходу ФВС. Стремление увеличить скорость считывания и уменьшить деградацию сигнала привело к созданию формирователей ВС с двумя сдвигающими регистрами (рис. 2.9, г). В них информация из четных светочувствительных элементов переписывается на один регистр, а из нечетных — на другой. На выходе этих регистров сигналы мультиплексируются.

При использовании линейных формирователей ВС двумерное изображение создается в результате механического перемещения либо объекта перед линией считывания, либо линейки формирователей перед объектом. Такие системы находят применение при аэрокосмической съемке (см. гл. 6), при считывании информации о расположении деталей на ленте транспортера в робототехнике, при вводе факсимильных изображений в ЦВМ. Например, фирма Toshiba разработала ФВС на ПЗС, содержащий 5000 светочувствительных элементов. Он используется для считывания документов. Одна страница размером 420X297 считывается за 1,7 с при разрешающей способности 16 линий/мм.

Пример устройства ввода изображений, построенного с использованием линейного ФВС, приведен в следующем параграфе.

Матричные ФВС можно условно разделить на два класса: с последовательным переносом заряда и адресные. В свою очередь матричные формирователи с последовательным переносом заряда образуют три разновидности: строчную, кадровую и строчно-кадровую. При строчной организации (рис. 2.10, а) ФВС состоит из секции накопления и выходного сдвигающего регистра. Сигналы из секции накопления построчно передаются в выходной регистр, а из него — на выход формирователя. Недостаток такой организации заключается в том, что в процессе считывания информации она существенно искажается из-за воздействия светового потока. При кадровой организации (рис. 2.10, б) имеется защищенная от света секция хранения, равная по емкости секции накопления. После цикла накопления пакеты зарядов переносятся в секцию хранения, а затем уже на выходной сдвигающий регистр. Такая структура позволяет совместить во времени процессы накопления заряда и считывания видеосигнала. В матрицах со строчно-кадровой организацией (рис. 2.10, в) рядом с каждым фоточув-ствительным элементом расположен затемненный элемент сдвигающего регистра переноса. После накопления зарядов в светочувствительных

элементах они одновременно переносятся в соседние запоминающие элементы. Затем в течение следующего цикла накопления в выходной сдвигающий регистр, а из него — к выходу ФВС.

Рис. 2 10. Матричные формирователи видеосигнала на ПЗС: а — со строчной организацией; б — с кадровой организацией; в — со строчно кадровой организацией — тактовые импульсы накопления; — тактовые импульсы секции хранения; — тактовые импульсы выходного регистра; — тактовые импульсы переписи информации в сдвигающие регимтры}

Замена телекамеры на электронно-лучевой трубке телекамерой на матричных ПЗС не вносит существенных изменений в структурную и функциональную организацию устройства ввода изображений в ЭВМ. Изменения могут коснуться блока коррекции видеосигнала и блока квантования, так как при построении этих блоков необходимо учесть характер искажений, которые вносит ФВС на ПЗС.

Приборы с зарядовой связью могут использоваться не только для формирования видеосигнала, но и для построения запоминающих устройств, предназначенных для запоминания строки или всего растра. Такие схемные решения достаточно подробно отражены в научно-технической литературе. В последнее время появились публикации, свидетельствующие о том, что ПЗС могут найти широкое применение и для цифровой обработки сигналов. Это позволяет надеяться, что в скором времени появятся устройства ввода изображений нового типа, полностью построенные на ПЗС.

Широкому распространению ФСИ на ПЗС препятствуют некоторые существенные недостатки, присущие ПЗС. Важнейшими из них являются относительно большая стоимость и неоднородность фоточувствительных элементов, приводящая к искажению некоторых

отсчетов. Преодоление этих недостатков, очевидно, приведет к полной замене датчиков видеосигналов на электронно-лучевых трубках датчиками на ПЗС.