44464

Високочутлива телевізійна камера

Дипломная

Архивоведение и делопроизводство

Зміст пояснювальної записки: Анотація; вступ; огляд науковотехнічної літератури по схемотехнічним принципам побудови та функціонування матриць – ПЗЗ та телевізійних камер; моделювання телевізійної камери та інженерні розрахунки розробка схем структурної та електричної принципової телевізійної камери з накопиченням зображення; конструкторськотехнологічна частина розробка друкованої плати; висновки; список використаної науковотехнічної літератури. Перелік графічного матеріалу: Структурна та електрична принципова схеми високочутливої...

Украинкский

2013-11-12

7.29 MB

11 чел.

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут

                                                    Факультет електроніки                                          1

(назва факультету, інституту)

                                  Кафедра електронних приладів та пристроїв                        1

(назва кафедри)

До захисту допущено

Завідувач кафедри, проф., д.т.н.

_______________Л.Д.Писаренкол        

«____»_________ 2011 р.

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до дипломної роботи освітньо-кваліфікаційного  рівня     ”Бакалавр”__________

(назва рівня)

з напрямку підготовки (спеціальності) 6.090800-«Електронні прилади та пристрої»\

                                                                  (код та назва напряму підготовки або спеціальності)

на тему:  «Високочутлива телевізійна камера»

Студент  групи  ДЕ-81      Соверченко Д.В.                                                   _________

            (шифр групи)               (прізвище, ім'я, по батькові)                                                                (підпис)

Керівник проекту:   Доцент, к.т.н.  Михайлов С.Р.                                      _________

                                              (вчені ступінь та звання, прізвище, ініціали)                                                       (підпис)

Консультант:   Професор, к.т.н.  Сабарно Р.Ф.                                            _________

                                              (вчені ступінь та звання, прізвище, ініціали)                                                       (підпис)

Київ  2012

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Факультет (інститут)                          Е л е к т р о н і к и                                 1 

Кафедра                              Електронні прилади та пристрої                           1

 Напрям підготовки   6.050802 –Електронні пристрої  та системи                         

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри, проф., д.т.н.

_______________Л.Д.Писаренкол        

   «____»________ 2012 р.

ЗАВДАННЯ

на дипломну роботу освітньо-кваліфікаційного рівня  ”Бакалавр”_________

студенту  групи  ДЕ-81    Соверченка Дмитра Вікторовича                     

1. Тема роботи   «Телевізійна камера з накопиченням зображення» 

затверджена наказом по університету від  «___» __________2012 р., № ______

2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) «____» травня 2012 р.

3. Вихідні дані до роботи:  Розробити телевізійну камеру з накопиченням зображення з наступними параметрами: формат – ½, розмір пікселя (мкм) – 6.5х6.25, максимальна частота зйомки – 25Гц, час накопичення – 6мкс – 20 хв., динамічний діапазон – 60дБ, об’єм ОЗП – 0.5Мбайт, напруга живлення – 12В.

4. Зміст пояснювальної записки:  Анотація; вступ;  огляд науково-технічної літератури  по схемо-технічним принципам побудови та функціонування матриць – ПЗЗ та телевізійних камер; моделювання телевізійної камери та інженерні розрахунки, розробка схем структурної та електричної принципової телевізійної камери з накопиченням зображення; конструкторсько-технологічна частина (розробка друкованої плати); висновки; список використаної науково-технічної літератури.

5. Перелік графічного матеріалу: Структурна та електрична принципова схеми високочутливої телевізійної камери; друкована плата; плакат з конструкціями різних типів ПЗЗ та перенесення заряду в ПЗЗ.

Керівник дипломного проекту             ____________________ С.Р. Михайлов

Завдання прийняв до виконання                  ____________________ Д.В. Соверченко

ЗАТВЕРДЖУЮ

 Керівник дипломної роботи

                               ______________ С.Р. Михайлов

                               «_____»_______2012 р.

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН-ГРАФІК

виконання дипломної  роботи на тему:

«Телевізійна камера з накопиченням зображення»

студентом Соверченком Дмитро Вікторовичем

№ з/п

Назва етапів роботи та питань, які мають бути розроблені відповідно до завдання

Термін виконання

Позначки керівника про виконання завдань

1

Огляд науково-технічної  літератури по ПЗЗ – камерах .

20.03.2012

2

Моделювання пристрою та інженерні розрахунки, розробка схем структурної та електричної принципової високочутливої телевізійної камери.

15.04.2011

3

Конструкторсько-технологічна частина:

-розробка друкованої плати високочутливої телевізійної камери;

-розробка технологічного процесу  виготовлення друкованої плати високочутливої телевізійної камери;

25.04.2011

4

Охорона праці при виробництві (монтажу) ТВ камери

03.05.2011

5.

Оформлення пояснювальної записки, креслення, плакату з конструкціями різних типів ПЗЗ та перенесення заряду в ПЗЗ, підготовка доповіді

10.05.2011

Студент гр.ДЕ-81      Соверченко Д.В. __________________                            

                                                                   « _____»______2012  р.


Р Е Ф Е Р А Т

Телевізійна камера з накопиченням зображення

Дипломна робота освітньо-кваліфікаційного рівня «Бакалавр». Соверченко Дмитро Вікторович. НТУУ «КПІ», факультет електроніки, кафедра «Електронні прилади та пристрої» Група ДЕ-81. - К.: НТУУ «КПІ», 2012. - 87с.,  іл. 28, табл. 7.

Ключові  слова: МОН - метал окисел напівпровідник; ПЗЗ - пристрій з зарядовим зв’язком; ЕОП – електронно-оптичний підсилювач; телевізійна камера; роздільна здатність; чутливість.

Короткий  зміст  роботи: В дипломній роботі  представлено огляд науково-технічної літератури по ПЗЗ – матрицях та телевізійних камерах. Розглянуто методи підвищення чутливості. Показано перспективи використання  таких пристроїв для охоронних систем, систем рентгеноскопії та в астрономічних системах.

Приведено результати  моделювання та розрахунку характеристик телевізійної камери з накопиченням зображення; розробки структурних та електричних принципових схем телевізійної камери; друкованої плати; технологічного процесу її виготовлення.

Розроблений пристрій - телевізійна камера з накопиченням зображення має наступні параметри:

Формат – ½

  •  Розмір пікселя (мкм) – 6.5х6.25
  •  Максимальна частота зйомки – 25Гц
  •  Час накопичення – 6мкс – 20 хв.
  •  Динамічний діапазон – 60дБ
  •  Об’єм ОЗП – 0.5Мбайт
  •  Напруга живлення – 12В

А Н О Т А Ц І Я

В бакалаврській роботі представлено огляд науково-технічної літератури по телевізійних камерах та ПЗЗ - матрицях. Розглянуто методи підвищення чутливості. Показано перспективи використання  таких пристроїв для охоронних систем, систем рентгеноскопії та в астрономічних системах.

Приведено результати  моделювання та розрахунку характеристик телевізійної камери з накопиченням зображення; розробки структурних та електричних принципових схем телевізійної камери; друкованої плати; технологічного процесу її виготовлення.

Розроблений пристрій - телевізійна камера з накопиченням зображення має наступні параметри:

  •  Розмір пікселя (мкм) – 6.5х6.25
  •  Максимальна частота зйомки – 25Гц
  •  Час накопичення – 6мкс – 20 хв
  •  Динамічний діапазон – 60дБ
  •  Об’єм ОЗП – 0.5Мбайт
  •  Напруга живлення – 12В


S U M M A R Y

In this undergraduate paper the review of scientific and technical literature about the highly sensitive CCD cameras and television - matrices was presented. Methods of increasing sensitivity were considered. The prospects of using such devices for safety systems, roentgenoscopy and astronomical systems and for television and security systems were shown.

The modeling results of the highly sensitive TV camera, development of structural and electrical circuit diagrams of the highly sensitive TV camera, PCB, manufacturing process of device.

The television camera which was developed has the following parameters:

  •  Pixel sizem) – 6.5х6.25
  •  Maximum frequency of shooting – 25Hz
  •  Accumulation time – 6μs – 20min
  •  Dynamic range – 60дБ
  •  RAM size – 0.5MB
  •  Voltage – 12V


З М І С Т

[1]
ПЕРЕЛІК  ПОЗНАЧЕНЬ  ТА  СКОРОЧЕНЬ

[2] В С Т У П

[3] СУЧАСНІ ПЗЗ - МАТРИЦІ ТА СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЇХ ЧУТЛИВОСТІ

[3.1] 1.1 Принцип дії ПЗЗ - матриці

[3.2] 1.2 Типи твердотільних фотоприймачів

[3.2.1] 1.2.1 Матричні ПЗЗ з кадровим перенесенням

[3.2.2] 1.2.2. Матричний ПЗЗ із рядковим перенесенням

[3.2.3] 1.2.3. Матричні ПЗЗ з рядково-кадровим перенесенням

[3.3] 1.3 Класифікація телевізійних камер

[3.4] 1.4 Підвищення чутливості камер на ПЗЗ

[3.5] 1.5  Динамічний діапазон камер на ПЗЗ

[3.6] 1.6. Електронно-оптичні підсилювачі яскравості зображення

[3.7] 1.7. Визначення еквівалентної схеми фотоматриці ПЗЗ

[3.7.1] 1.7.1 Накопичення (зберігання) заряду

[3.7.2] 1.7.2 Перенесення заряду

[3.7.3] 1.7.3 Екстракція заряду

[3.7.3.1] Тоді спрощена еквівалентна схема матриці ПЗЗ з перенесенням кадру має вигляд, показаний на рисунку 1.12а. Відповідна схемі світло-сигнальна ха-рактерістіка приведена на рисунку 1.12б.

[3.7.3.2] З неї видно, що динамічний діапазон матриці ПЗЗ можна розділити на три ділянки. На першій ділянці чутливість лімітується постійним шумом зчитування ПЗЗ, при цьому фотонним шумом можна знехтувати, а відношення сигнал / шум зростає пропорційно величині сигналу. На другій ділянці чутливість обмежує в основному фотонний шум, при цьому відношення сигнал / шум пропорційно квадратному кореню з величини сигналу. Третя ділянка - насичення ПЗЗ, при якому відбувається розтікання заряду в сусідні потенційні ями. Отримана еквівалентна схема матриці ПЗЗ з переносом заряду (див. рисунок 1.12а) досить проста і може бути використана в теоретичних дослідженнях.

[3.8] Висновки

[4] РОЗРОБКА ТЕЛЕВІЗІЙНОЇ КАМЕРИ З НАКОПИЧЕННЯМ ЗОБРАЖЕННЯ

[4.1] 2.1 Вибір елементної бази ПЗЗ – камери та розробка структурної схеми

[4.2] 2.2. Електрична принципова схема ПЗЗ – камери

[4.3] 2.4 Моделювання вихідного електричного сигналу у ПЗЗ - матриці при зміні освітленості

[4.4] 2.5. Інформаційні характеристики матриць приладів з зарядовим зв’язком

[4.5] 2.6. Розрахунок ПЧХ

[4.6]
Висновки

[5]
3.КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗДІЛ

[6] В процесі розробки камери за допомогою програмного пакету P-CAD 2006 було створено дві друковані плати: плати із ПЗЗ-сенсором (Рис. 3.1.) та плати з основною частиною камери (Рис. 3.2.):

[7] Рисунок 3.1 Друкована плата схеми із ПЗЗ-сенсором

[8] Рис. 3.2а Друкована плата основної частини камери (вид зверху)

[9] Рис. 3.2б Друкована плата основної частини камери (вид знизу)

[9.1] Висновки

[10] 4.ОХОРОНА ПРАЦІ ПІД ЧАС МОНТАЖУ ПРИЛАДУ

[10.1] 4.1 Аналіз небезпечних і шкідливих факторів

[10.2] 4.2 Профілактичні заходи щодо нормалізації умов праці

[10.3] 4.3 Пожежна безпека

[10.4] Висновки

[11] Було проаналізовано небезпечні та шкідливі фактори, що діють на організм людини під час монтажу камери, що розроблялась.

[12] ВИСНОВКИ

[13]
ПЕРЕЛІК  ВИКОРИСТАНОЇ  НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ  ЛІТЕРАТУРИ


ПЕРЕЛІК  ПОЗНАЧЕНЬ  ТА  СКОРОЧЕНЬ

МОН - метал окисел напівпровідник;

ПЗЗ - пристрій з зарядовим зв’язком;

ЕОП – електронно-оптичний підсилювач;

АЦП - аналого-цифровий перетворювач;

ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач;

АРД - автоматичне регулювання діафрагми;

ТВ – телевізійний;

ІЧ – інфрачервоний;

ОЗП – оперативний запам’ятовувальний пристрій;

АРП – автоматичне регулювання підсилення;

ПЧХ – просторово частотна характеристика;

В С Т У П

Сучасні потреби науки та техніки обумовлюють розвиток різноманітних систем контролю та діагностики в яких важливу роль відіграють високочутливі телевізійні камери. Серед високочутливих телевізійних камер в даний час найбільшого поширення набули камери на ПЗЗ - матрицях типу EXWAWEHAD CCD. Використання таких ПЗЗ - матриць дозволило додатково в 3 – 4 рази підвищити чутливість телекамер.

Останнім часом очевидний прогрес мікроелектроніки в розвитку пристроїв реєстрації зображень. Розширилась сфера їх застосування: телевізійні камери уже ставлять і на шоломах парашутистів і в замкові щілини.

У сучасних відеокамер, як правило, застосовуються ПЗЗ – матриці. Вони забезпечують більшу надійність роботи при досить високих параметрах. Число рядків матриці приймає значення від 380 до 900. Впровадженню камер на ПЗЗ сприяли їх безсумнівні переваги. Відсутність громіздких відхиляючих котушок і інших, властивих електронно – променевим трубкам елементів конструкції, дозволило в значною мірою знизити розміри і масу камер на ПЗЗ у порівнянні зі своїми попередниками. Крім того, помітно спростилася вся схемотехніка ТВ камер і, як наслідок, приблизно наполовину знизилася споживана від джерела живлення потужність. Одночасно приблизно вдвічі підвищилася чутливість ТВ камер. Їх робота стала більш стабільною, на неї перестали впливати типові для камер на електронно – променевих трубках збої в роботі, пов'язані з такими зовнішніми чинниками, як струси, вібрації, догляд параметрів у процесі експлуатації і при змінах температури. Для камер на ПЗЗ, на відміну від трубкових аналогів, характерно також відсутність післясвітіння (інерційності мішені), що присутні за рухомими об'єктами в зображенні, не кажучи вже про пропалювання фотопровідного шару мішені. Причому вказані параметри не залежать від терміну експлуатації матриць ПЗЗ. У звичайній ТВ камері електронно - променева трубка в робочому режимі утримує на мішені значну кількість світла. Це відбувається, коли вона спрямована на сильно освітлені об'єкти (Сонце, вікно або освітлювальний прилад). У разі використання твердотільної передавальної камери, всі перераховані фактори стають зовсім несуттєвими, що особливо важливо, якщо у оператора немає достатнього досвіду або умов для проведення зйомки. У відеокамерах застосовуються 2 / 3 ", 1 / 2", 1 / 3 ", 1 / 4" і 1 / 6 " прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ). Кількість пікселів (піксель - один елемент ПЗЗ) у ПЗЗ може бути від 300 до 1000. Кількість елементів матриці забезпечує горизонтальний дозвіл зображення залежно від моделі 300 ... 600 телевізійних ліній (твл).

Сьогодні найбільше телевізійних камер використовується в охоронних телевізійних системах. Охоронні камери працюють в різних умовах спостереження. Часто вони прості, коли об'єкти добре освітлені і немає помітних перешкод. Але бувають і складні ситуації, коли телевізійна камера веде спостереження при світлі сонця і зірок, під час димки, туману і дощу, під водою, при наявності інтенсивних електромагнітних завад, радіації і т.п. У таких умовах звичайні CCD камери вжене забезпечують надійного спостереження. Тут потрібні спеціальні високочутливі матриці CCD, широкодіапазонні асферичні об'єктиви, спеціальні методи адаптації та обробки сигналу і багато чого іншого. 

Завданням бакалаврської роботи є : розробка схеми електричної принципової та функціональної для телевізійної камери з накопиченням зображення, її друкованої плати та розрахунку характеристик даного пристрою.

  1.  СУЧАСНІ ПЗЗ - МАТРИЦІ ТА СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЇХ ЧУТЛИВОСТІ

Серцем більшості сучасних телевізійних камер є твердотільні матричні фотоприймачі, причому більше 95% камер в даний час реалізується на матричних приладах з зарядовим зв'язком (ПЗЗ). Фотоприймач телекамери перетворює багатомірний оптичний сигнал (функцію просторових координат, часу та довжини хвилі) в одновимірний електричний сигнал (функцію часу). Таке перетворення засновано на реалізації головних принципів телебачення: накопичення потоку фотонів, дискретизації й розгорнення зображення.

Винахід багатоелементних твердотільних фотоприймачів викликало революцію в телебаченні. Використання десятиліттями налагодженої технології виробництва напівпровідникових приладів забезпечило високу надійність, стабільність параметрів і низьку ціну світлочутливих матриць. Це спричинило за собою масове впровадження телекамер на їх основі в індустрію безпеки.

1.1 Принцип дії ПЗЗ - матриці

Пристрій з зарядовим зв’язком являє собою однорядкову або двовимірну матрицю, кожен елемент якої є мініатюрним електричним конденсатором типу метал-оксид-напівпровідник (МОН) (рис.1.1).

Рис. 1.1. Елемент ПЗЗ – електричний конденсатор типу МОН:

1 – металевий електрод; 2 – діелектрик; 3 – напівпровідник p-типу; 4 – потенціальна яма, що сформувалась біля площини розділу між діелектриком та напівпровідником під впливом прикладеного до електрода імпульсу позитивної напруги.

В основі роботи ПЗЗ лежить явище внутрішнього фотоефекту. При освітленості структури світловим потоком Ф в напівпровіднику генеруються пари носіїв заряду – електрон і дірка. Під дією позитивної напруги (+U) дірки витісняються вглиб напівпровідника, а неосновні носії заряду, електрони, накопичуються в потенціальній ямі. Тут вони можуть зберігатись достатньо тривалий час, оскільки дірок в збідненій області немає і електрони не рекомбінують. Електроди виготовлені з полікристалічного кремнію, який є прозорим майже у всьому видимому діапазоні. Якщо два мініатюрних конденсатори розмістити один біля одного так, щоб їх електричні поля впливали один на одного, потенціальними ямами двох конденсаторів стануть зв’язаними, а накопичений заряд потече в більш глибоку потенціальну яму. Таке перетікання зарядів складає основу принципу дії пристроїв з зарядовим зв’язком.

На рис. 1.2. показана структура одного елемента, лінійного трифазного ПЗЗ. Заряд, накопичений під одним електродом, у будь-який момент може бути перенесений під суспільний електрод, якщо його потенціал (U2) буде збільшений, тоді як потенціал (U1) першого електроду буде зменшений. Перенесення в трифазному ПЗЗ можна виконати в одному з двох напрямків (ліворуч чи праворуч). Всі зарядові пакети лінійки переносяться в той же бік одночасно.

Рис.1.2. Елемент трифазного ПЗЗ

Двовимірний масив (матрицю) пікселів отримують за допомогою стоп-каналів, що розділяють електродну структуру ПЗЗ на стовпці. Стоп-канали – це вузькі області, що формуються спеціальними технологічними прийомами в поверхневій області, які перешкоджають розтіканню заряду під сусідні стовпці. Як правило, такі матриці складаються з двох ідентичних областей – області накопичення і області зберігання. Пристрій схематично показаний на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура ПЗЗ – матриці

Область зберігання захищена від світла світлонепроникним покриттям. Зарядовий рельєф, сформований в області накопичення, швидко переноситься в область зберігання і, потім, поки експонується наступний кадр, зчитується порядково у вихідний зсуваючий (послідовний) регістр. З послідовного регістра зарядові пакети виводяться один за одним послідовно через вихідний підсилювач, розташований на цьому ж кристалі. У цьому вузлі відбувається перетворення заряду в напругу для подальшої обробки сигналу зовнішньою електронною апаратурою.

Існують також матриці, в яких відсутня секція зберігання, і тоді рядкове перенесення здійснюється по секції накопичення. Для роботи таких матриць потрібний оптичний заслін.

1.2 Типи твердотільних фотоприймачів

1.2.1 Матричні ПЗЗ з кадровим перенесенням

Історично першими були розроблені матричні ПЗЗ з кадровим перенесенням (рис. 1.4.). Цей прилад містить світлочутливу секцію накопичення, що складається з вертикальних ПЗЗ - регістрів, відокремлених один від одного областями стоп-каналів. Безпосередньо до секції накопичення примикає секція пам'яті, що має ту ж структуру і те ж число елементів, що і секція накопичення. В кінці секції пам'яті розташований горизонтальний ПЗЗ- регістр. Число елементарних комірок цього регістра дорівнює числу стовпців у секціях накопичення і пам'яті. В кінці горизонтального регістру розташований вихідний пристрій. Секція пам'яті, вихідний горизонтальний регістр і вихідний пристрій екрануються від падаючого світла напиленням алюмінієвого покриття на поверхню кристала. 

Протягом часу накопичення на один або на кілька електродів секції накопичення подається позитивний потенціал, який утворює двомірний масив збіднених областей. Генеруються падаючим світлом носії заряду збираються в довколишніх збіднених областях, причому до переповнення потенційної ями їх кількість лінійно залежить від експозиції.

Рис. 1.4 Матричний ПЗЗ з кадровим перенесенням

Після закінчення часу накопичення під час зворотного ходу по кадру на фазні електроди секції накопичення та секції пам'яті подаються імпульси перенесення. Накопичений двомірний масив зарядових пакетів за час перенесення паралельно зсувається з секції накопичення в секцію пам'яті. Так як число осередків у секції пам'яті дорівнює числу осередків у секції накопичення, то кожен накопичений в секції накопичення зарядовий пакет займе відповідне місце в секції пам'яті. Після того, як всі зарядові пакети перенесені в секцію пам'яті, процес накопичення зарядових пакетів поновлюється.

Одночасно з цим в секції пам'яті під час зворотного ходу по рядку зарядові пакети порядково переносяться в горизонтальний вихідний регістр. Для цього на один з електродів горизонтального регістру подається позитивний потенціал, відповідний утворення під ним потенційної ями, а на електроди секції пам'яті подаються імпульси, відповідні паралельного зсуву масиву зарядових пакетів на один трифазний елемент у напрямку до горизонтального регістру. Таким чином чергова рядок зарядових пакетів виявляється в горизонтальному регістрі, а наступна за нею - розташовується в тому рядку секції пам'яті, яка безпосередньо прилягає до регістру.

Далі, під час прямого ходу по рядку, зарядові пакети зчитуються з горизонтального регістра через вихідний пристрій, для чого на електроди цього регістра подаються імпульси перенесення. Після закінчення зчитування рядка зарядових пакетів з секції пам'яті зсувається наступний рядок і процес повторюється. Після того, як будуть прочитані всі рядки з секції пам'яті, в неї може бути перенесення масиву зарядових пакетів, накопиченого в секції накопичення. Для реалізації черезрядковості накопичення в різних напівкадрах реалізується під різними фазними електродами секції накопичення.

До переваг матричних ПЗЗ з кадровим перенесенням слід віднести можливість реалізації освітлення з боку підкладки і повне використання світлочутливої секції, що в сукупності забезпечує рекордний квантовий вихід  до 98%. Завдяки особистій опроміненню світлом поверхні кремнію ці матриці мають високу чутливість у ближній ІЧ-області спектра. Це обумовлює широке застосування ТВ - камер на базі матриць з кадровим перенесенням для задач

нічного спостереження, в тому числі з ІЧ-підсвічуванням.

Істотними недоліком матриць ПЗЗ з кадровим перенесенням є вертикальне змазування від яскравих деталей зображення. Під час перенесення масиву зарядових пакетів з секції накопичення в секцію пам'яті світловий потік продовжує генерувати Фотоелектрони. Так як кожна потенційна яма проходить весь стовпець світлочутливої секції (частково до початку накопичення, частково після), вона неминуче накопичить певну кількість зарядів від всіх точок зображення, що лежать на даному стовпці. У реальних зображеннях зустрічаються області, освітленість яких у багато разів пре-ті не перевищує середній рівень освітленості сцени, що спостерігається. Наявність цих областей призводить до утворення світлового вертикального стовпця, що є продовженням яскравої деталі (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зображення на екрані монітора при наявності змазування

Рівень вертикального змазування прямо пропорційний освітленості і площі яскравою деталі зображення, а також тривалості переносу зарядів з секції накопичення в секцію пам'яті і може перевищувати поріг зорового сприйняття. Ефект вертикального змазування в цих матрицях може бути усунений тільки перекриттям світлового потоку на час перенесення за допомогою механічного затвора.

Додатковим фактором, що обмежує сферу застосування ПЗЗ з кадровим перенесенням, є значна площа матриці, обумовлена наявністю секції пам'яті. Оскільки вартість мікросхем пропорційна четвертого ступеня діагоналі кристала, то ціна цих ПЗЗ досить висока.

1.2.2. Матричний ПЗЗ із рядковим перенесенням

У охоронному телебаченні найбільше поширення отримали матричні ПЗЗ із рядковим перенесенням. Для накопичення зарядових пакетів в них використовуються стовпці зворотно зміщених фотодіодів р - типу (Hole-accumulation diode, HAD). У безпосередній близькості від кожного стовпця фотодіодів знаходиться нечутливий до світла вертикальний ПЗЗ - регістр, відокремлений від фотодіодів фотозатвором. У перших матрицях ПЗЗ зі стічних перенесенням роль фотозатвора виконував окремий полікремнієвий електрод. В даний час його роль виконує частину затвора вертикального ПЗЗ - реєстру, що виступає за край прихованого каналу перенесення зарядів. В кінці вертикальних ПЗЗ - регістрів розташований горизонтальний ПЗЗ - регістр з вихідним пристроєм (Рис. 1.6). 

Рис.1.6. Матричний ПЗЗ з рядковим перенесенням

Всі регістри ПЗЗ - вертикальні і горизонтальний - виконуються екра-нованими від падаючого світла.

Під час накопичення зарядових пакетів у фотодіодах на фотозатвор подається низький потенціал, який забезпечує потенційний бар'єр між фотодіодами і вертикальним ПЗЗ - регістром. Після закінчення накопичення на фотозатвор короткочасно подається позитивний потенціал, який дозволяє перенесення зарядових пакетів з фотодіодів в потенційні ями, утворені у вертикальних ПЗЗ - регістрах. Потім з фотозатвора знімається позитивний зсув і накопичення зарядових пакетів у фотодіодах поновлюється.

Зарядові пакети з вертикальних ПЗЗ – регістрів порядково переносяться в горизонтальний ПЗЗ - регістр, з якого поелементно зчитуються через вихідний пристрій. Перенесення з світлочутливих фотодіодів у вертикальні регістри здійснюється під час зворотного ходу по кадру, а перенесення зарядових пакетів з вертикальних регістрів в горизонтальний регістр - під час зворотного ходу по рядку. Після того як всі рядки зарядових пакетів будуть лічені, можливе перенесення наступного двомірного масиву зарядових пакетів з фотодіодів.

Перевагою матричних ПЗЗ із рядковим перенесенням є малий рівень змазування, пов'язаний з тим, що перенесення всіх зарядових пакетів в захищені від світла вертикальні ПЗЗ - регістри відбувається протягом короткого проміжку часу. Основний недолік матричних ПЗЗ із рядковим перенесенням - неповне використання світлового потоку внаслідок наявності нечутливих вертикальних регістрів.

1.2.3. Матричні ПЗЗ з рядково-кадровим перенесенням

Матричні ПЗЗ з рядково-кадровим перенесенням були розроблені спеціально для телевізійного мовлення і в телекамерах використовуються вкрай рідко. Такі матриці складаються із звичайного матричного ПЗЗ із рядковим перенесенням, до якого додана секція пам'яті від матричного ПЗЗ з кадровим переносом. Кількість осередків у секції пам'яті дорівнює половині кількості фотодіодів. Зарядові пакети, накопичені у фотодіодах, переносяться у вертикальні ПЗЗ - регістри, після чого на підвищеній частоті пересуваються у вертикальні ПЗЗ - регістри секції пам'яті. У подальшому вони зчитуються через горизонтальний ПЗЗ - регістр так само, як і в матричному ПЗЗ із рядковим переносом. Особливістю даного типу фотоприймачів є те, що під час зчитування зарядові з пакетами, котрі не в безпосередній близькості від фотодіодів, а в секції пам'яті, і, таким чином, повторне відбиття світла і дифузія з глибини напівпровідника спотворюють сигнал тільки під час перенесення зарядових пакетів в секцію пам'яті. Тим самим рівень змазування в порівнянні з матричним ПЗЗ із рядковим перенесенням зменшується в 20-50 разів.

1.3 Класифікація телевізійних камер

Вибір конкретного типу телевізійної камери є складним завданням. Існує багато чинників, які необхідно прийняти до уваги: необхідні імовірнісні характеристики, технічна документація виробника, умови експлуатації, цінові обмеження. Постійне розширення номенклатури пропозицій на ринку, удосконалювання технічних параметрів і функціональних можливостей телекамер створює додаткову невизначеність на етапі параметричного синтезу. Для кожного конкретного випадку проектувальник повинен вибрати одну конкретну з безлічі моделей телекамер, які класифікуються за наступними ознаками.

1. Незалежно від технічних характеристик всі телевізійні камери можна розділити на дві групи, принципово відрізняються за способом обробки сигналу, - аналогові та цифрові. Основу сучасних аналогових ТВ - камер становлять три мікросхеми: ПЗЗ - матриця, синхрогенератор і аналоговий відеотракт. Більш досконалі цифрові (DSP) ТВ - камери включають в себе також АЦП, цифровий процесор обробки відеосигналу і управління режимами матриці і ЦАП. Сучасні технології дозволяють поєднати на одному кристалі всі ці пристрої, забезпечуючи на виході телекамери стандартний аналоговий відеосигнал.

2. За роздільною здатністю всі телевізійні камери діляться на камери стандартного і камери високого дозволів. У камерах стандартного дозволу використовуються матриці з числом елементів 500 582, що забезпечують роздільну здатність 380 ліній для чорно-білих і 330 ліній для кольорових моделей. Камери з високою роздільною здатністю будуються на матрицях з числом елементів 752 582, що забезпечують роздільну здатність 580 ліній для чорно-білого і 450 ліній для кольорового варіантів виконання.

3. Визначення параметрів телекамери часто починають з розміру фотоприймача, що визначає чутливість телекамери і тип використовуваної оптики. При однаковій кількості елементів розкладання чутливість ТВ - камери пропорційна площі фотоприймача, однак збільшення площі тягне за собою подорожчання матриці і об'єктиву. Для класифікації матриць ПЗЗ з різними розмірами (табл. 1.3) використовують поняття «формат ПЗЗ», тісно пов'язане з поняттям «оптичний формат». Оптичний формат - діаметр зображення у фокальній площині об'єктива з гарантованою якістю, виражений в дюймах. Цьому діаметру відповідає дещо менша довжина діагоналі матриці ПЗЗ.

Таблиця .1.3

Формат матриці

Параметр

Розмір, мм

Розмір, мм

Діагональ, мм

Площа, мм2

по горизонталі

по вертикалі

1/4″

4.2

3.1

5.2

13.0

1/3″

4.8

3.6

6.0

17.3

1/2″

6.4

4.8

8

30.7

2/3″

8.8

6.6

11.0

58.0

  1.  За типом відеосигналу на виході ТВ - камери можна розділити на чорно-білі та кольорові. Використання інформації про кольорову структуру, сюжету, що спостерігається, при достатньому освітленні дозволяє підвищити достовірність розрізнення об'єктів. При дефіциті освітленості на об'єкті сучасні кольорові телекамери автоматично можуть переходити в режим формування чорно-білого зображення, збільшуючи тим самим свою чутливість в кілька разів.
  2.  За стандартом розкладання телекамери також можна розділити на дві великі групи. У Європі згідно з рекомендаціями МККР (CCIR) в охоронному телебаченні використовується мовний стандарт розкладання (625 рядків, 50 полів в секунду). У США телевізійне обладнання відповідає стандарту EIA RS170 (525 рядків, 60 полів в секунду). Європейське кольорове ТВ - обладнання відповідає стандарту PAL, американське - NTSC.
  3.  У залежності від розв'язуваної функціональної задачі розрізняють телевізійні камери загального застосування, камери середнього і вищого класів. Камери загального застосування формують прийнятне зображення в «тепличних» умовах, характеризуються мінімальним набором регулювань, дешевизною і використовуються на об'єктах категорій Б, В. Камери середнього класу мають покращені технічні параметри і використовуються на об'єктах категорії Б. Камери

вищого класу мають найкращі показники чутливості, роздільної здатності, робочого діапазону освітленості, велика кількість додаткових функцій і регулювань і незважаючи на високу ціну широко застосовуються на об'єктах категорії А.

1.4 Підвищення чутливості камер на ПЗЗ

Можливість спостереження на більшій відстані, на більшій площі, з кращою якістю при меншій освітленості забезпечується при збільшенні чутливості телекамер. Всі зусилля розробників телекамер направлені на збереження потоку світла (фотонів) від об’єкту і подальше накопичення сигналу (заряду) в матриці і пристрої обробки відеосигналу. Застосування електронно-оптичних перетворювачів (ЕОП) перед матрицями ПЗЗ збільшує вартість таких камер більш ніж на порядок і з’являються недоліки, властиві ЕОП (випалювання, плями, малий ресурс і так далі).

Виділимо чинники, що обмежують чутливість в сучасних камерах і можливості їх поліпшення шляхом застосування нових ПЗЗ матриць і об’єктивів.

Втрати світла в об’єктиві. Не всі фотони світла, що потрапляють на вхідну лінзу, проходять до матриці ПЗЗ. Частина з них розсівається, а частина поглинається матеріалом лінз. Потрібно сказати, що сучасні асферичні об’єктиви з відносним отвором 0,8 – 0,75 – мають дуже високі характеристики і в найближчому майбутньому важко чекати помітного поліпшення їх параметрів.

Втрати через малу відносну площу фоточутливих елементів до повної площі фоточутливої секції. Фоточутливі осередки, особливо в матрицях малих форматів 1/3 дюйми і менш займають менше 10% площі чутливої поверхні. Решта площі використовується під канали перенесення заряду і систему антиблюмінга. 10 років тому це було одним з головних обмежень чутливість. Фірма SONY винайшла і застосувала прозорі мікролінзи на поверхні ПЗЗ - матриці, які концентрують світло зі всієї поверхні на маленькі фоточутливі осередки. Рік тому SONY удосконалила ці лінзи і випустила нову серію матриць ПЗЗ під маркою EXWAWEHAD CCD, що дозволило додатково в 3 – 4 рази підняти чутливість телекамер. В даний час параметри мікролінзового масиву близькі до теоретичної межі, і тут також важко чекати істотних поліпшень.

Втрати при перетворенні фотон/електрон. Квантовий вихід кращих ПЗЗ- матриці наближається до 0,5 в діапазоні видимих довжин хвиль і ближньому ІЧ діапазоні. Освоєння нових матеріалів і подальша оптимізації структури приладів в майбутньому могла б дозволити збільшити це значення, особливо в області синього і ближньою ультрафіолетовою, що могло б поліпшити чутливість камер. Проте серйозних зрушень тут також важко чекати.

Обмеження чутливості через шум зчитування вихідного пристрою ПЗЗ - матриці. Зараз шум зчитування – головний чинник що обмежує чутливість телекамер. Його значення 20 – 30 електронів/піксель теоретично можна було б понизити в 10 разів. Обмеженням тут є площа затвора першого вихідного транзистора. Чим менше площа, тим менше шум, але затвор з малою площею не в змозі вміщати заряд пікселя у разі, коли світла багато, що приведе до обмеження сигналу в денних умовах. Є патенти, в яких пропонується розмістити в ПЗЗ матриці 2 вихідних пристрою, одне для малих, а інше для великих зарядів, і перемикати їх вночі і вдень відповідно. Тому можна чекати надалі появу нових ПЗЗ - матриць із зменшеним шумом вихідного пристрою, що могло б привести до подальшого зростання чутливості ПЗЗ камер у декілька разів.

Обмеження чутливості через свічення транзисторів вихідного пристрою матриці ПЗЗ. Всі транзистори слабо світяться (аналогічно світлодіодам і лазерним діодам), а в матрицях ПЗЗ це перешкоджає спостереженню слабких освітленостей. Була опублікована стаття, де в охолоджуваній астрономічній камері ПЗЗ було відмічено свічення в тому кутку зображення, де розташований вихідний пристрій. Тоді це було розцінено як унікальне явище, що виявляється тільки при охолодженні ПЗЗ - матриці, що працюють з великим часом експозиції. З тих пір чутливість матриць ПЗЗ зросла в 100 разів і цей ефект вже заважає спостереженню в найчутливіших камерах фірм PANASONIC, BAXALL, ЕВС.

Можна виділити такі головні моменти, що визначають високу чутливість сучасних ПЗЗ телевізійних камер:

  •  застосування високочутливих матриць ПЗЗ з мікролінзами
  •  використання асферичних світлосильних об’єктивів
  •  введення адаптивних режимів накопичення і зчитування заряду в ПЗЗ
  •  застосування спеціальних електричних режимів, що підвищують чутливість матриці ПЗЗ
  •  використання режиму регульованої тривалості накопичення (по кадру)

Перші два моменти як відомо, легко реалізуються і використовуються в камерах різних фірм. Типовими представниками таких камер є камери фірм WATEC. Наприклад, в камерах WAT-902H, LCL-902HS, LCL-903HS і деяких інших застосовані матриці ПЗЗ з мікролінзами фірми SONY з торговою маркою ExView. У поєднанні зі світлосильними об’єктивами F1,2 ці камери забезпечують чутливість на об’єкті до 0,003 люкс при відношенні сигнал/шум 20 дБ.

Одну з перших камеру з адаптивним накопиченням сигналу випустила фірма PANASONIC. Режим був названий «Electronic sensitivity enhancer» і забезпечував збільшення часу накопичення від 1 до 32-х телевізійних полів, тобто від 1/50 до 0,64 секунди, що приводило до поліпшення чутливості до 32 разів. В даний час камери з режимом «Electronic sensitivity enhancer» випускають багато фірм, такі як IKEGAMI, BAXALL, PCAM, KAMPO і багато інших. У таких камерах при використанні матриць ПЗЗ фірми SONY серії EXWAVEHAD і асферичних об’єктивів досягається чутливість до 0,0002 люкс при відношенні сигнал/шум 20 дБ. Не дивлячись на відмінні характеристики камери з режимом «Electronic sensitivity enhancer» мають два серйозні недоліки. По-перше, при збільшенні експозиції відбувається «змазування» зображення рухомих об’єктів. Другий недолік – достатньо висока вартість, оскільки для візуалізації на екрані монітора зображення при використанні режиму накопичення потрібний перетворювач телевізійних стандартів з кадровим ОЗП, АЦП, ЦАП і системою синхронізації.

Існує метод підвищення чутливості телевізійних камер, який не має розглянутого вище недоліку. Цей метод отримав назву «Technology EVS». У надвисокочутливих телевізійних камерах (VNC-542, VNC-742) використовується режим сумування зарядового зображення за площею безпосередньо в матриці ПЗЗ. При зменшенні освітленості нижче певного рівня в цих телевізійних камерах автоматично змінюється режим зчитування сигналу з матриць ПЗЗ, внаслідок чого на виході камери з’являється результуючий сигнал: спочатку це сума 2-х елементів, потім 3-х, 4-х і так далі до 10 – 12 кратного складання. В результаті – в стільки ж раз підвищується чутливість камер без збільшення інерційності. У камерах VNC-542 і VNC-742 не відбувається змазування зображення рухомих об’єктів. Платою за підвищення чутливості в цих камерах є плавна втрата роздільної здатності при низьких рівнях освітленості. Змінюючи режим синхронізації ПЗЗ - матриці можна забезпечити складання зарядів сусідніх елементів на затворі вихідного транзистора і сусідніх рядків на електродах вихідного регістра ПЗЗ - матриці. Також, як і в першому способі відбувається складання сигналу з шумом і десятиразове складання приводить до десятиразового поліпшення чутливості. Режим був названий «нічним режимом 1» і в ПЗЗ камерах він автоматично включається при зменшенні освітленості на об’єкті менше 0,02 люкс. ПЗЗ камери, виконані на EXWAVEHAD матрицях ПЗЗ фірми SONY, в нічному режимі 1 розвивають чутливість до 0,0002 люкс (камера VNC-703), що еквівалентно телекамерам з режимом «Electronic sensitivity enhancer». Камери з «нічним режимом 1» працюють без збільшення інерційності, що дозволяє їм надійно спостерігати рухомі об’єкти аж до освітленості, відповідної освітленості від зоряного неба. Вартість камер з «нічним режимом 1» всього на 10 % вище стандартних, оскільки в них не вимагається застосування дорогого кадрового ОЗП. Недоліком «нічного режиму 1» є погіршення роздільної здатності вночі приблизно в 3 рази із-за додавання зарядів з сусідніх елементів і рядків. Здається очевидним для подальшого збільшення чутливості об’єднати два режими «Electronic sensitivity enhancer» і «Нічний режим 1» в одній ПЗЗ камері. В кінці 1999 р. з’явилася перша така камера VNC-702 виробництва фірми «ЕВС». У рекламних матеріалах указується, що в телевізійній камері, що розвиває чутливість на об’єкті 0,00004 люкс при відношенні сигнал/шум 20 дБ, застосовано обидва режими. Унікальна камера VNC-702 в даний час є рекордсменом чутливості серед ПЗЗ камер і всього лише у декілька разів поступається камерам з ЕОП поколінь 3 і 3+. У режимі максимальної чутливості камери VNC-702 свічення вихідного транзистора ПЗЗ матриці перешкоджає подальшому зростанню чутливості адаптивних камер ПЗЗ. Порівняльні характеристики телекамер з ПЗЗ матрицями вказані в таблиці 1.4.

Таблиця 1.4. Порівняльні характеристики телекамер з ПЗЗ матрицями серії EXWAVEHAD і з електронними режимами збільшення чутливості.

Примітка. Для зручності порівняння чутливості всіх камер вказані на об’єкті при використанні світлосильного асферичного об’єктиву з відносним отвором F0,8.

1.5  Динамічний діапазон камер на ПЗЗ

Жоден електронний датчик сигналу не має широкого динамічного діапазону. Це обумовлено фізичними обмеженнями - рівнем власного шуму з одного боку і рівнем насичення сигналу з іншою. Для досягнення діапазону більшого, ніж динамічний діапазон датчика сигналу необхідна побудова системи автоматичного регулювання або адаптації.

У телевізійних камерах найбільш поширено два способи адаптації (рис. 1.7.).

У першому способі перед датчиком світла встановлюють послідовно включені: регульований ослаблювач і підсилювач сигналу (керована діафрагма об'єк-тиву і ЕОП відповідно в телекамері).

У другому способі сам фоточутливий датчик роблять керованим і за рахунок адаптації параметрів змінюють його чутливість.

На рис.1.8. зображено розширення діапазону робочої освітленості фоточутливого датчика, що працює у складі адаптивної системи.

Рисунок 1.7. Способи розширення діапазону робочої освітленості в ПЗЗ - матриці камерах

Рисунок 1.8. Ілюстрація розширення діапазону робочої освітленості фоточутливого датчика, що працює у складі адаптивної системи.


1.6. Електронно-оптичні підсилювачі яскравості зображення

Електронно-оптичні підсилювачі яскравості (ЕОП) зображення в телебаченні застосовують давно. Ще до ери ПЗЗ камер в телевізійні трубки, що передають, вбудовували каскади електронного посилення, досягаючи чутливості на об'єкті 0,001 люкс і вище. Згодом ЕОП почали зістиковувати з ПЗЗ камерами для збільшення їх чутливості. Утворився новий клас надчутливих телекамер. Проте такі телекамери типу мало поширені, оскільки мають серйозні недоліки. Основних недоліків два: надвисока вартість, що доходить до 10000$ і вище і низька надійність, через можливість руйнування ЕОП сонячним світлом і від пробоїв високої напруги. В даний час ПЗЗ камери з ЕОП покоління 3+ мають неперевершену чутливість (таблиця 1.6.) і застосовуються в тих областях, де важливість надійного нічного спостереження переважає над грошовими витратами. Потрібно відзначити, що такі телекамери все більш витісняються високочутливими камерами ПЗЗ з адаптивними нічними режимами, так, наприклад, чутливість ЕОП поколінь 1, 1+ і 2 успішно перевершена нічними телекамерами фірм PANASONIC, IKEGAMI, KAMPO, BAXALL, ЕВС і по чутливості і за вартістю.

Таблиця 1.6. Порівняльні характеристики телекамер з ЕОП

Примітка. Оскільки для камер з ЕОП цифри чутливості приводяться при відношенні сигнал/шум 34 - 36 дБ, то для порівняння з ПЗЗ камерами, де чутливість приводиться при відносинах сигнал/шум 20 - 24 дБ, цифри чутливості в таблиці 2.2 слід зменшити в 5 разів.

1.7. Визначення еквівалентної схеми фотоматриці ПЗЗ

При визначенні еквівалентної схеми за основу візьмемо топологічну організацію двосекційного матричного ПЗЗ з вихідним регістром. Він містить фоточутливу секцію (секцію накопичення), секцію зберігання, вихідний регістр і вихідний пристрій (рис. 1.9). Отримані результати можуть бути поширені і на інші структурні схеми матричних ПЗЗ.

У матриці ПЗЗ можуть здійснюватися три операції над зарядом: накопичення (зберігання) заряду, перенесення заряду і екстракція заряду. При виконанні цих операцій корисний заряд кілька спотворюється і зашумлять. Розглянемо детальніше спотворення і перешкоди, що виникають при роботі матриці ПЗЗ з каналом провідності p-типу. Пропонований аналіз фізичних процесів аналогічно може бути поширений і на фотоматриці ПЗЗ з каналом n-типу.

Рисунок 1.9 Топологічна організація матричного ПЗЗ з одним вхідним регістром

1.7.1 Накопичення (зберігання) заряду

Для реалізації цього режиму на один або два електроди секції подають негативний потенціал збіднення (ці електроди будемо називати електродами накопичення або зберігання заряду), а на інші електроди подають потенціал, близький до потенціалу підкладки, для створення бар'єрів між потенційними ямами, що виникають під електродами накопичення (зберігання). Ці електроди будемо називати бар'єрними.

При реалізації режиму в секції накопичення або зберігання створюються локалізовані потенційні ями, вертикальними бар'єрами яких є вбудовані в секції області високого легування - "стоп-канали" (див. рисунок 1.9), потенціал яких дорівнює потенціалу підкладки, горизонтальними бар'єрами є бар'єрні електроди, потенціал яких можна змінювати. Локалізовані потенційні ями можуть утримувати заряд не більше деякої величини, яка називається керуючої здатністю елемента в режимі накопичення (зберігання):

,   (1.1)

де Uн – напруга на електроді накопичення;

Uб – напруга на бар’єрному електроді;

Sэл.н – площа електродів накопичення в елементі;

εокдіелектрична проникність окислу;

εодіелектрична проникність вакуума;

dоктовщина шару окислу;

З моменту включення режиму накопичення в потенційних ямах починає накопичуватися заряд, що викликається процесами фотогенерації і термогенерації. Число фотогенерірованних носіїв прямо пропорційно рівню освітленості і часу накопичення. Процес термогенерации складніше, в нього вносять вклад кілька складових темнового струму, найбільш інтенсивними з яких є об'ємна Jо і поверхнева Jп. 

  (1.2)

,  (1.3)

де е – заряд електрона;

niконцентрація носіїв у власному напівпровіднику;

σо, σпперетин захвату на об’ємні і поверхневі  пастки відповідно;

- теплова швидкість електронів;

хобширина збідненої області;

Nt, Nssщільність об'ємних і поверхневих станів відповідно в середині забороненої зони;

КТ – теплова енергія електронів;

Тоді число термогенерованих носіїв буде дорівнювати:

,

де Тнчас накопичення

Шумові складові процесів термогенерации і фотогенерації підпорядковуються закону розподілу Пуассона, тоді повне число зібраних в потенційній ямі носіїв Ni та їх середньоквадратичне значення σi будуть рівні:

;

де  - кількість фотогенерованих носіїв заряду в i-ом елементі зображення,

,  - середньоквадратичне значення шуму фотогенерації і термогенерациї відповідно.

Якщо сумарна кількість носіїв, які надходять в потенційну яму, перевищує керуючу здатність елемента , то надлишковий заряд починає розтікатися в сусідні потенційні ями, долаючи сусідні потенційні бар'єри. Якщо потенціал бар'єрних електродів встановлений на потенціал підкладки, потенційні бар'єри стоп-каналів і бар'єрних електродів виявляться рівними, при цьому надлишковий заряд розтікається по колу (малюнок 1.8а), а площа Sп займана надлишковим зарядом, може бути визначена за формулою

,  (1.4)
Еп, Еносвітленість плями і освітленість насичення відповідно.

У разі рівності потенційних бар'єрів по горизонталі і вертикалі еквівалентна схема матриці ПЗЗ в режимі розтікання заряду при накопиченні або зберіганні може бути побудована з використанням ключових і логічних схем (рис 1.10б).

При переповненні nпотенційної ями, роль якої виконує конденсатор Сп напруга на ньому перевищить порогове (Uп). При цьому граничий пристрій Пуп відключить ланцюг заряду від конденсатора і підключить його до двох сусідніх. При заповненні цих конденсаторів вони відключаються від ланцюга заряду і підключаються сусідні з ними і так далі. Зазначена модель легко узагальнюється на двовимірний випадок, відповідний розтіканню по колу.

1.7.2 Перенесення заряду

Характеристики масиву пов'язаних електродів в режимі переносу заряду відрізняються від режиму накопичення (зберігання). У першу чергу зменшується керуюча здатність елемента, оскільки для забезпечення достатньої ефективності переносу заряду потрібно знижувати бар'єрні напруги так, щоб під усіма електродами існувала збіднена область, крім того через відмінності площ фазних електродів, розташованих в різних шарах керуюча здатність при перенесенні визначається площею найбільш вузької, як привило, третьої фази. Тому керуюча здатність при перенесенні, як правило, в 1.5-3 рази менше, ніж при накопиченні під одним або двома фазами відповідно.

При перенесенні заряду виникають специфічні лінійні спотворення, зумовлені неефективністю переносу заряду в ПЗЗ через захоплення переміщається заряду на пастки. При цьому зменшення амплітуди синусоїдального просторового сигналу, спроектованого в області осередків, віддалених від вихідного пристрою на М осередків по горизонталі, виражається формулою:

 (1.5)

де  - неефективність перенесення зарядового пакету;

гранична просторова частота, сприйнята набором дискретних елементів без спотворень, і рівна половині частоти вибірки;

Nчисло переносів, рівне добутку числа фаз регістра Р на число клітинок М.

Рисунок 1.10. Ілюстрація розтікання надлишкового заряду в матриці ПЗЗ - а) і одновимірна еквівалентна схема ПЗЗ в режимі розтікання заряду - б);

ПУ – порогові пристрої;

И – логічний елемент ”И”;

Iф, Iт – струми фотогенерації і термогенерації;

К, К’ – ключі;

n – номер елемента;

Спотворення за рахунок неефективності перенесення по вертикалі виявляються аналогічно спотворенням горизонтального переносу, а разом вони призводять до завалу верхніх частот відеосигналів по рядку і кадру. Крім спотворень сигналу в процесі переносу заряду виникають шуми через випадкового характеру захоплення і звільнення пастками носіїв заряду. Шум перенесення залежить від величини зарядового пакету і для поверхневого каналу:

, (1.6)

де  – площа, займана під електродом перенесеним зарядом;

N – число переносів.

Для типових матриць з щільністю поверхневих станів  неефективність перенесення становить 10-5.

1.7.3 Екстракція заряду

Ця операція означає перетворення "заряд-напруга". При екстракції заряду в процесі зчитування в сигнал вносяться шуми установки потенціалу плаваючою дифузійної області:

 (1.7)

де  - ємність вимірювальної ями вихідного пристрою.

У вихідному пристрої матриці в сигнал вносяться також шуми вихідного транзистора:

  (1.8)  

де  - еквівалентна шумова напруга транзистора;

- шумовая смуга відсилювача.

Керуюча здатність вихідного вузла, як правило, у кілька разів більше керуючих здібностей електродів секцій і регістрів, а лінійні і нелінійні спотворення значно менше спотворень, обумовлених неефективністю перенесення, тому при побудові еквівалентної схеми ними можна знехтувати.

Слід зазначити, що в перших фотоматрицях ПЗЗ використовувалася інжекція заряду в якості додаткової операції, що означає перетворення "напруга-заряд". Вираз для шуму при інжекції заряду таке ж як при екстракції (1.7), тільки в якості параметра ємності слід підставити величину ємності затвора вхідного пристрою матриці ПЗЗ.

Враховуючи наведені вище характеристики та особливості матриці ПЗЗ, можна побудувати повну еквівалентну схему (рисунок 1.11) для лінійного режиму. Однак ця схема, що враховує при роботі матриці ПЗЗ всі перераховані вище перешкоди і спотворення, занадто складна для теоретичних досліджень.

Для спрощення схеми шуми ПЗЗ можна звести до двох еквівалентних складових: залежною і незалежною від величини зарядового пакета. При цьому перша складова практично повністю визначається фотонним шумом фону, а друга являє еквівалентний шум фонового заряду. Для зменшення площі розтіканняя заряду необхідно, щоб обмеження заряду відбувалося при накопиченні. У цьому випадку надмірний заряд буде розтікатися по колу (див. рисунок 1.10а).

Зазначимо, що світлове перевантаження не призводить до появи у фотоприймачі необоротних дефектів (пропалів), а чутливість ПЗЗ відновлюється після її закінчення протягом стандартного полукадра (20мс) і незалежно від тривалості експонування.

Рисунок 1.11. Еквівалентна схема фотоматриці ПЗЗ з перенесенням кадру

Рисунок 1.12 Спрощена еквівалентна схема фотоматриці ПЗЗ з перенесенням кадру – а), залежність вихідного заряду від вхідного – б)

 

Тоді спрощена еквівалентна схема матриці ПЗЗ з перенесенням кадру має вигляд, показаний на рисунку 1.12а. Відповідна схемі світло-сигнальна ха-рактерістіка приведена на рисунку 1.12б.

З неї видно, що динамічний діапазон матриці ПЗЗ можна розділити на три ділянки. На першій ділянці чутливість лімітується постійним шумом зчитування ПЗЗ, при цьому фотонним шумом можна знехтувати, а відношення сигнал / шум зростає пропорційно величині сигналу. На другій ділянці чутливість обмежує в основному фотонний шум, при цьому відношення сигнал / шум пропорційно квадратному кореню з величини сигналу. Третя ділянка - насичення ПЗЗ, при якому відбувається розтікання заряду в сусідні потенційні ями. Отримана еквівалентна схема матриці ПЗЗ з переносом заряду (див. рисунок 1.12а) досить проста і може бути використана в теоретичних дослідженнях.

Висновки

  1.  Параметри камер на ПЗЗ можна покращити застосовуючи режим  адаптивним накопиченням сигналу, режим сумування зарядового зображення за площею безпосередньо в матриці ПЗЗ. Причому такі камери здатні конкурувати з камерами на ЕОП забезпечуючи високу чутливість в нічних умовах і надійність при розумній ціні, однак найбільш перспективним методом підвищення чутливості є робота з режимом регульованої тривалості накопичення (по кадрам).
  2.  Слабке свічення транзисторів вихідного пристрою матриці ПЗЗ обмежує чутливість кращих телевізійних камер з нічними режимами. Найближчими роками можна чекати подальшого зростання чутливості ПЗЗ камер за рахунок зниження шуму зчитування вихідних пристроїв і збільшення коефіцієнта сумування зображення в камерах з електронним збільшенням чутливості.
  3.  Динамічний діапазон ПЗЗ матриць досить низький. Для досягнення діапазону більшого, ніж динамічний діапазон датчика сигналу необхідна побудова системи автоматичного регулювання або адаптації. Це можливо за рахунок використання поряд з матрицею додаткових пристроїв обробки зображення, а також використовуючи можливості самої матриці.
  4.  Динамічний діапазон вдається також розширити використовуючи об'єктиви з автоматичним регулюванням діафрагми. Проте це негативно впливає на роздільну здатність системи. Тому для її підвищення використовуються різноманітні коректори чіткості.
  5.  Існує спрощена еквівалентна схема матриці ПЗЗ з переносом заряду, (див. рисунок 1.10а) яка є досить простою і може бути використана в теоретичних дослідженнях.

  1.  РОЗРОБКА ТЕЛЕВІЗІЙНОЇ КАМЕРИ З НАКОПИЧЕННЯМ ЗОБРАЖЕННЯ

Телевізійна камера – це пристрій, що перетворює світловий потік, відбитий від об’єкту, у електричні сигнали, використовуючи при цьому фізичні та хімічні властивості фоточутливих матеріалів.

Будь-яка камера даного типу складається з таких основних компонентів:

  •   Датчик зображення (ПЗЗ - матриця);
  •   Пристрій синхронізації (команди надходять з комп’ютера через драйвер)
  •   Пристрій керування (команди надходять з комп’ютера через драйвер)
  •   Спеціалізована інтегральна схема для оцифровування сигналу з ПЗЗ (CCD image digitizer)
  •   Програмована логічна інтегральна схема (ПЛІС)
  •   Оперативна пам'ять
  •   Контролер
  •   ЦАП

Повний відеосигнал складається з сигналу зображення (відео), сигналу гасіння та сигналу синхронізації. Сигнал зображення – це частина повного відеосигналу, що несе в собі інформацію про зображення. Сигнал синхронізації – сигнал, що подається на камери та заставляє їх генерувати зображення синхронно. Всі компоненти телевізійної системи повинні перемикатися від кадру до кадру одночасно для виключення зривів зображення. Це найбільш важливо при великій кількості камер в системі. Синхронізація може бути як внутрішня (від вбудованого в камеру кварцового генератора), так і зовнішня. В свою чергу, камеру з зовнішньою синхронізацією можна синхронізувати:

  •   Від мережі живлення;
  •   Від синхрогенератора;
  •   Від іншої телевізійної камери;

2.1 Вибір елементної бази ПЗЗ – камери та розробка структурної схеми

Компоненти відеокамери будемо вибирати, виходячи з наступних міркувань:

  •   Висока якість та надійність компонентів;
  •   Відносна дешевизна компонентів;
  •   Простота реалізації;
  •   Мінімізація загальної площі відеокамери.

У якості сенсора зображення оберемо ПЗЗ – матрицю ICX429ALL фірми Sony, тим самим вирішуючи питання якості та надійності, так як фірма Sony є одним із світових лідерів у виробництві компонентів відеотехніки, зокрема ПЗЗ– сенсорів.

ПЗЗ – матриця ICX429ALL використовується в монохромних камерах та має наступні особливості:

  •   діагональ світлочутливої площі матриці – 8мм ( дюйма);
  •   малий рівень змазування зображення;
  •   висока роздільна здатність та малий темновий струм;
  •   кількість ефективних пікселів - 752×582;
  •   телевізійний стандарт – CCIR (625 рядків. 25 кадрів);
  •   розмір пікселя ПЗЗ – 8,6мкм×8,3мкм;

Як видно з рис.2.1. перетворювач сигналу зображення на ПЗЗ складається з фотодіодів, вертикальних регістрів зсуву та горизонтального зсувного регістру.

Рис. 2.1. Внутрішня структурна схема ПЗЗ

Компоненти перетворювача функціонують наступним чином:

  •   Фотодіод – перетворює світло, що надходить, в заряд постійно освітленості фотодіоду (перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну);
  •   Вертикальний зсув регістр (VR) – накопичує заряди, що надходять з фотодіоду та просуває їх у вертикальному напрямку до горизонтального зсувного регістру ПЗЗ;
  •   Горизонтальний зсувний регістр (HR) – просуває заряди в горизонтальному напрямку до вхідного підсилювача.

Обрана матриця має характеристика відносної спектральної чутливості  матриці ICX-429ALL зображена на рис. 2.2

Рис. 2.2. Відносна спектральна чутливість матриці ICX-429ALL

Таблиця 2.1. Призначення виводів ICX429ALL

№ виводу

Символ

Опис

№ виводу

Символ

Опис

1

V4

Синхроімпульс передачі VR

9

Vdd

Живлення

2

V3

Синхроімпульс передачі VR

10

GND

3

V2

Синхроімпульс передачі VR

11

Sub

Синхроімпульс

4

V1

Синхроімпульс передачі VR

12

V1

5

GND

13

RG

Імпульс збросу затвору

6

NC

14

NC

7

NC

15

H1

Синхроімпульс передачі HR

8

Vout

Вихідний сигнал

16

H2

Синхроімпульс передачі HR

Для коректної роботи ПЗЗ – сенсора необхідно, щоб зчитування з регістрів ПЗЗ відбувалось синхронно з сигналом зчитування. Ці функції на себе бере пристрій комутації ПЗЗ. У якості цього пристрою оберемо CXD1267AN – формувач гасильних імпульсів полів. Дана мікросхема виконує функції буферизації та змішування. ЇЇ внутрішня структура приводиться на рис. 2.3.

Задавальні синхроімпульси на схему комутації ПЗЗ повинні надходити з синхрогенератору, функції якого бере на себе ПЛІС XC2S100-TQ144. Ця мікросхема формує синхроімпульси горизонтального регістру ПЗЗ – матриці, синхроімпульси вертикального регістру, що через схему CXD1267AN синхронізують роботу горизонтального регістру ПЗЗ – матриці. Також формує тактові імпульси для узгоджуваної роботи окремих компонентів відеокамери.

Рис.2.3. Внутрішня структура формувача гасильних імпульсів полів

Таблиця 2.2. Опис виводів

№ виводів

Символ

І/О

Опис

1

CPP3

O

Навантажувальний вивід

2

VH

--

Живлення (15V)

3

DCIN

I

Вхід підсилювача

4

XSHT

I

Контроль виводу XSHT

5

XV2

I

Контроль виводу V2

6

XV1

I

Контроль виводу V1

7

XSG1

I

Контроль виводу V1

8

XV3

I

Контроль виводу V3

9

XSG2

I

Контроль виводу V3

10

XV4

I

Контроль виводу V4

11

V4

O

Вивід високої напруги (2 рівні: VL, VM )

12

V3

O

Вивід високої напруги (3 рівні: VH,VL, VM )

13

VM

--

GND

14

V1

O

Вивід високої напруги (3 рівні: VH,VL, VM )

15

V2

O

Вивід високої напруги (2 рівні: VM та VL)

16

VL

--

Живлення (-8,5V)

17

VSHT

O

Вивід високої напруги (2 рівні: VH та VL)

18

DCOUT

O

Вихів підсилювача

19

CPP2

--

Навантажувальний вивід

20

CPP1

--

Навантажувальний вивід

Особливості мікросхеми:

  •  підтримка стандартів EIA/CCIR;
  •  підтримка функцій електронного затвору;
  •  виконує функції синхрогенератору;
  •  підтримка зовнішньої синхронізації;
  •  частота осцилятор: для стандарту ЕІА – 19,0699 МГц, для стандарту CCIR – 18,9375 МГц;

Сигнал на виході ПЗЗ має складну форму, його постійна складова піддається до змін в залежності від температури, тому він не може одразу піддатись до аналого-цифрового перетворення. Для цього використовується спеціалізована інтегральна схема CCD image digitizer, яка має наступні вузли:

  •  CDS (correlated double sampler) – схема подвійної корельованої вибірки, потрібна для отримання сигналу, пропорційно яскравості засвічення кожного пікселя ПЗЗ-матриці
  •  PGA (programmable gain amplifier – програмований підсилювач, потрібний для підсилення сигналу з виходу CDS для повного використання вхідного динамічного діапазону АЦП. Коефіцієнт підсилення задається програмно
  •  ADC (analog to digital convertor) – аналогово-цифровий перетворювач
  •  Calibration logic – схема калібрування, необхідна для прив’язки “нуля” АЦП до “рівня чорного” вихідного сигналу ПЗЗ

Було обрано схему AD9806RST.

Основним вузлом, що формує часові діаграми роботи камери є програмована логічна інтегральна схема (ПЛІС) із архітектурою FPGA. Прошивка такої ПЛІС завантажується в неї із спеціалізованої мікросхеми флеш-пам’яті кожен раз при включенні камери. В свою чергу у флеш-пам'ять прошивка завантажується з компьютера. Було обрано схему XC2S100-TQ144, яка підходить під виконання даної задачі.

AS7C4096-12 - 512Кx8, CMOS SRAM – оперативний запам’ятовуючий пристрій  із часом доступу 12 нс. Використовується для зберігання кадру зображення перед виводом в комп’ютер або на ЦАП. Об’єм ОЗП обирається врахуванням кількості пікселів у відео сенсорі і розрядності АЦП.

Функциію фізичного інтерфейса між  ОЗП та комп’ютером виконує мікросхема RS232. При необхідності збільшення швидкості передачі даних в комп’ютер в якості інтерфейсу може бути обраний  спеціалізований контролер USB.

Живлення камери забезпечує DC/DC перетворювач, що  генерує напруги — 1.2 В, 2.4 В, 3.3 В и 5В.

Проаналізувавши теоретичні дані, було проектовано структурну схему телевізійної камер з накопиченням зображення. (Див. рис. 2.4)



2.2. Електрична принципова схема ПЗЗ – камери

Накопичені у фотодіодах фотони передаються у вигляді електричного заряду в вертикальні регістри ПЗЗ – матриці.

На роз’єми V01, V02, V03,V04  ПЗЗ – сенсору ICX259AL з відповідних клем мікросхеми управління вертикальним регістром матриці ПЗЗ CDX1267 надходять імпульси синхронізації зчитування, завдяки яким відбувається синхронне зчитування з вертикальних регістрів для подальшого зсуву заряду у горизонтальний регістр. На рис. 2.5. представлені часові характеристики імпульсів синхронізації зчитування, що надходять у вертикальний регістр ПЗЗ – матриці.

Рис. 2.5. Часові характеристики імпульсів зчитування ПЗЗ

Між імпульсами синхронізації вертикального регістру (тобто коли імпульси V01, V02, V03,V04 відсутні) на виводи H01 та H02 мікросхеми ICX259AL поступають з відповідних виводів мікросхеми XC2S100-TQ144 синхронізуючі імпульси горизонтального регістру ICX259AL, завдяки яким відбувається зсув та зчитування з цього регістру (рис 2.6).

Рис 2.6. Діаграма синхроімпульсів горизонтального та вертикального регістрів

Мікросхема ICX259AL живиться від двох номіналів напруги: 15V (Vdd) та -7V (VL), що поступають з виводів мікросхеми CXD1267AN VH та VL відповідно.

Тактові імпульси та синхроімпульси формуються в мікросхемі XC2S100-TQ144. Імпульси управління вертикальним та горизонтальним регістрами мікросхеми ICX259AL, імпульси гасіння і тактові імпульси для мікросхеми управління та обробки сигналу AD9896RST представлені на рис. 2.7 та рис. 2.8. Діаграми на рисунках приведені для стандарту синхронізації CCIR, що діє в нашій країні:

  •  Частота полів (напівкадрів) – 50 Гц;
  •  Частота кадрів – 25 Гц;
  •  Період слідування синхроімпульсів рядка – 64мкс;
  •  Черезрядкова розгортка – 625 рядків.

Рис. 2.7. Часові діаграми синхроімпульсів вертикального регістру

Рис.2.8. Часові діаграми синхроімпульсів горизонтального регістру

На рис. 2.9 представлені форми сигналів, що надходять до мікросхеми управління та обробки сигналу AD9896RST, де відбувається перетворення сигналу в цифрову форму, його обробка, перетворення у аналогову форму та формування відеосигналу з частотою синхронізації по стандарту CCIR, параметри якого були наведені вище.

Рис.2.9. Вхідні сигнали DD1

Розроблена електрична принципова схема має наступний вигляд:

 


2.4 Моделювання вихідного електричного сигналу у ПЗЗ - матриці при зміні освітленості

На відміну від електронно-променевих передаючих трубок, де як процес запису потенціального рельєфу, так і його зчитування вздовж рядка відбуваються неперервно, в ПЗЗ - матрицях ці процеси дискретизовані, причому по відношенню до обох просторових координат. Просторовою мірою цієї дискретизації площа світлочутливої поверхні елементарної ПЗЗ - комірки  ( – лінійні розміри комірки в напрямку осі  та  відповідно). Інтегральний потік світлової енергії з щільністю  та розподілом  за довжиною хвиль , який падає на світлочутливу поверхню комірки, визначає заряд накопичених під дією світла в окремій комірці електронів. В загального випадку кінцевий вираз для заряду пакета ПЗЗ - комірки з урахуванням спектральної залежності відповідних характеристик набере вигляду:

, (2.1)

а для випадку однорідного розподілу густини потоку дещо простішого:

, (2.2)

де  – тривалість експозиції,  – робочий діапазон довжин хвиль ПЗЗ,  – відносний спектральний розподіл енергії від джерела випромінювання (тут  – максимальне значення спектральної щільності випромінювання, яке вона має на довжині хвилі ),  – значення спектральної чутливості ПЗЗ на довжині хвилі . Замість характеристики  в багатьох випадках для визначення спектральних властивостей ПЗЗ - матриць у технічній документації наводять характеристику  (величину квантової ефективності). Обидві величини пов’язані між собою співвідношенням:

, (2.3)

де  – заряд електрона,  – постійна Планка,  – швидкість світла.

Зарядовий пакет, тобто заряд накопичених в елементарній комірці за час експозиції електронів, в процесі зчитування зсувається за допомогою імпульсів керуючої напруги у визначеному порядку до вихідного пристрою. В результаті перетворення зарядового пакета, накопиченого в комірці, в напругу  на ємності вихідного пристрою ПЗЗ - матриці  та передачі цієї напруги до виходу ПЗЗ - матриці за посередництвом істокового повторювача з коефіцієнтом передачі  (звичайно, ) утворюється вихідний сигнал:

. (2.4)

Таким чином, до кінцевого виразу входять фізичні константи, величини, які характеризують випромінювання, та параметри і характеристики власне ПЗЗ - матриці.

З формули (4.4) випливає, що характеристика світло - сигнал для даної моделі ПЗЗ строго лінійна до насичення потенціальної ями.

Як основа для виконання розрахунків за створеною вище моделлю обрана ПЗЗ-матриця ICX429ALL фірми Sony, що входить до серії найдосконаліших сучасних телевізійних приладів для наукових досліджень. Найважливіші параметри цього приладу, необхідні для відповідних розрахунків: площа світлочутливої поверхні цієї ПЗЗ-матриці складає  мм2, кількість пікселів – , розміри пікселю –  мкм2.

За формулою (3.4) було розраховано залежність сигналу на виході від зміни освітленості на матриці. Освітленість змінювали від 0до 5 люкс. Дана характеристика зображена на рис. 3.1:

Рис. 2.1.Світло – сигнальна характеристика ПЗЗ – матриці ICX429ALL

2.5. Інформаційні характеристики матриць приладів з зарядовим зв’язком

Якщо розглядати ПЗЗ-матрицю як тривимірне джерело інформації, фізичною величиною, яка виступає поряд з просторовими координатами  та  як один з вимірів, є електричний заряд  (або кількість електронів – ), який накопичується під дією випромінювання в елементарних комірках.. Динамічний діапазон фізичної величини відповідає значенню максимального сигнального заряду  (максимальній кількості електронів ), який може накопичувати комірка даної матриці. Найнижчий рівень величини , який визначається темновим фоном, для сучасних ПЗЗ настільки низький, що не може бути використаний для встановлення кількості градацій. Природно визначити, що для найнижчої градації найменший інтервал , який розрізняється, визначається рівнем шумів  та необхідним ступенем перевищення корисного сигналу над цим рівнем , тобто: . Якщо прийняти до уваги, що для сучасних ПЗЗ-матриць рівень шумів визначається, головним чином, квантовими шумами, то . Враховуючи ці обставини, доцільно визначити найнижчий рівень  із співвідношення:

, тобто , (2.5)

де  – значення порогового контрасту для деталі зображення відповідного розміру. Значення найменшого інтервалу  для всіх подальших градацій визначається формулою . За умови незалежності  від  можна, в свою чергу, визначити кількість градацій :

. (2.6)

Кількість дискретних відліків на одиницю довжини вздовж осей  та  визначаються відповідними значеннями роздільної здатності  та . Як підкреслювалося раніше, основним чинником, який визначає ПЧХ ПЗЗ-матриці (а відповідно і роздільну здатність) вздовж обох просторових координат відносно як процесу запису, так і зчитування, є дискретність чутливої субстанції, тобто, наявність та густина розміщення елементарних комірок - пікселів. Враховуючи, що, як правило, роздільна здатність ПЗЗ - матриць відповідає кількості пар пікселів на одиниці довжини, можна встановити: , а . Тобто, кількість дискретних відліків накопичених зарядів на одиницю площі складає , а їх загальна кількість  на площині ПЗЗ - матриці становить: , де  – загальна площа матриці. Неважко зрозуміти, що  дорівнює загальній кількості  елементарних комірок - пікселів, які містить ПЗЗ-матриця: . Таким чином, за орієнтовними оцінками максимальна інформаційна ємність зображення , яке може бути зафіксоване ПЗЗ - матрицею складе:

. (2.7)

Як випливає з формули (2.7), інформаційна ємність  пропорційно зростає із збільшенням кількості елементарних комірок - пікселів, що є цілком природнім.

Нижче у таблиці 2.1 приводяться для ПЗЗ - матриці ICX-429ALL значення максимальної інформаційної ємності зображення обчислені за (3.7) при ,  ().

Таблиця 2.1. Інформаційна ємність ПЗЗ - матриці ICX-429ALL

Тип ПЗЗ - матриці

Кількість пікселів

, Мбіт

ICX-429ALL

2.6. Розрахунок ПЧХ

Просторова частота світлового сигналу, що надходить до світлочутливих елементів ПЗЗ - матриці складає . Якщо для послідовності мір обирати значення  таким чином, щоб на напівперіоді вкладалася ціла кількість комірок, тобто, , а просторова частота  (), то відповідні значення ПЧХ розглядуваної матриці можуть бути знайдені за допомогою співвідношень (2.9), (2.10). Для спрощеного випадку, коли на напівперіоді  вкладається ціле число () ПЗЗ - елементів (), та з врахуванням найпростішої моделі втрат зарядів з пакетів в процесі передачі при зсуві накопичених зарядових пакетів, просторово-частотна  та фазо-частотна  характеристики світлочутливої ПЗЗ - матриці можуть бути представлені наступними виразами:

 

, (2.9)

 

, (2.10)

де ,  та  відповідають першому, другому та третьому співмножникам формули (4.7) та представляють спад ПЧХ, обумовлений, відповідно, дифузійним розпливанням (), дискретністю розміщення фоточутливих елементів () та втратами носіїв при послідовному зсуві зарядових пакетів до виходу ПЗЗ - матриці ();  – загальна кількість послідовних передач при зсуві;  – величина втрат при кожній передачі;  (перші два доданки формули (3.10)) та  (третій доданок) – частки фазового зсуву вихідного сигналу відносно вхідного, обумовлені відповідно дискретністю розміщення фоточутливих елементів та втратами носіїв при послідовному зсуві зарядових пакетів до виходу ПЗЗ - матриці;

, (2.11)

. (2.12)

Формули (3.9), (3.10) відповідають найбільш загальній моделі конструкції ПЗЗ - матриці та її функціонування.

Брак необхідних даних в наявних відомостях про ПЗЗ - матрицю ICX429ALL ускладнює розрахунок множників  та  в формулі (3.9). Проте, внесок дифузійної складової () та складової, пов’язаної з неефективністю переносу (), у спадання ПЧХ для сучасних ПЗЗ - матриць нехтовно малий у порівнянні з впливом дискретних характеристик матриці. Тобто, у нашому випадку, ПЧХ може бути визначена виразом:

, (2.13)

де  і  визначаються за (3.11) та (3.12).

На рис. 3.3 представлена розрахована за формулою (3.13) для найгіршого випадку, коли просторовий фазовий зсув , ПЧХ ПЗЗ - матриці ICX429ALL без врахування складових, пов’язаних з дифузією та неефективністю переносу. Звичайно, роздільна здатність приладу визначається за допомогою ПЧХ, виходячи з мінімально припустимого рівня модуляції сигналу, який, в свою чергу, залежить від відношення сигнал/шум. При заданих  мкм величина роздільної здатності як вздовж рядків, так і вздовж вертикального напрямку, для рівня модуляції 0.2 складе 23 пари лін./мм. Оскільки значення роздільної здатності отримане для досить високого рівня модуляції, можна вважати що саме така роздільна здатність реально реалізовуватиметься навіть якщо врахувати складові ПЧХ, пов’язані з дифузією та неефективністю переносу.

 

Рис. 2.3. ПЧХ ПЗЗ - матриці ICX-429ALL.


Висновки

  1.  Сформована математична модель телевізійної камери з накопиченням зображення на основі ПЗЗ-матриці дозволяє обчислювати чисельними методами вихідні сигнали системи, зокрема таких, що включають ПЗЗ-матриці оптичного діапазону, за визначеного енергетичного.
  2.  Запропонована математична модель телевізійної камери з накопиченням зображення на основі ПЗЗ-матриці є просторово-двовимірною та забезпечує можливість обчислення двовимірного просторового зарядового відбитку створюваного чутливими елементами ПЗЗ-матриці.
  3.  Слід зазначити, що макет камери дійсно реалізує той виграш в чутливості, який закладений в ПЗЗ  - матриці ICX-249AL фірми SONY. Вдалося створити камеру, чутливість якої обмежує лише флуктуаційний шум матриці, а не інструментальні перешкоди схеми.
  4.  Розроблена камера має 2 печатні плати: плата з ПЗЗ-матрицею та плата з основною частиною приладу


3.КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗДІЛ

Технологічний процес виготовлення друкованої плати комбінованим позитивним методом складається з наступних операцій:

1. Різання заготовок

2. Пробивання базових отворів

3. Підготовка поверхні заготовок

4. Нанесення сухого плівкового фоторезиста

5. Нанесення захисного лаку

6. Свердління отворів

7. Хімічне міднення

8. Зняття захисного лаку

9. Гальванічна затягування

10. Електролітичне міднення та нанесення захисного покриття ПОС-61

11. Зняття фоторезиста

12. Травлення друкованої плати

13. Освітлення друкованої плати

14. Розплавлення друкованої плати

15. Механічна обробка

Далі розглянута кожна операція більш докладно.

  1.  Різання заготовок

Фольговані діелектрики випускаються розмірами 1000-1200 мм, томупершою операцією практично будь-якого технологічного процесу є різання заготовок. Для різання фольгованих діелектриків використовують роликові одноножеві, многоножеві і прецизійні гільйотинні ножиці. На одноножеві роликових ножицях можна отримати заготовки розміром від 50 х 50до 500 х 900 мм при товщині матеріалу 0,025-3 мм. Швидкість різання плавно регулюється в межах 2-13,5 м/хв. Точність різання (1,0 мм). У даному технологічному процесі будемо застосовувати одноножовіроликові ножиці.

З листів фольгованого діелектрика одноножеві роликовими ножицяминарезаєтся заготовки необхідних розмірів з припуском на технологічне поле по 10 мм з кожного боку. Далі з торців заготовки необхідно зняти напилком задирки щоб уникнути пошкодження рук під час технологічного процесу. Якість зняття задирок визначається візуально.

Різання заготовок не повинна викликати розшаровування діелектричного підстави, утворення тріщин, відколів, а також подряпин на поверхні заготовок.

2. Пробивання базових отворів

Базові отвори необхідні для фіксації плати під частехнологічного процесу. Свердління отворів є різновид до механічної обробки. При виборі свердлувального обладнання необхідно враховувати наступні особливості: виготовлення кількох тисяч отворів у зміну, необхідність забезпечення перпендикулярних отворів поверхні плати, обробка плат без задирок. При свердлінні найважливішими характеристиками операції є:конструкція свердлувального верстата, геометрія свердла, швидкість різання і швидкість осьової подачі. Для правильної фіксації свердла використовуються спеціальні високоточні кондуктори. Крім того, необхідно забезпечити моментальне видалення стружки із зони свердління. Застосування свердел з твердого сплаву дозволяє значно підвищити продуктивність праці при свердленні і поліпшити чистоту обробки отворів. У більшості випадків заготівлі свердлять в пакеті, висота пакету до 6 мм.

У даному технологічному процесі заготівлі свердлять в пакеті на свердлильні верстати З-106. Швидкість обертання свердла при цьому повинна бути в межах 15 000-20 000 об/хв, а осьова швидкість подачі свердла - 5-10мм/хв Заготівлі збираються в кондуктора, закріплюються і на свердлильному верстаті просверлюються базові отвори.

3. Підготовка поверхні заготовок

Від стану поверхні фольги і діелектрика багато в чому визначається адгезія наносяться згодом покриттів. Якість підготовки поверхні має важливе значення як при нанесенні фоторезиста, так і при осадженні металу.

Широко використовують хімічні та механічні способи підготовки поверхні або їх поєднання. Консерваційні покриття легко знімаються органічним розчинником, з наступним промиванням у воді і сушінням. Окисні плівки, пилові й органічні забруднення видаляються послідовної промиванням в органічних розчинниках (ксилолі, бензолі,хладон) і водних розчинах фосфатів, соди, їдкого натру.

Висока якість очищення отримують при поєднанні гідро абразивної обробки з використанням водної суспензії. На цьому принципі працюють установки для зачистки бічних поверхонь заготовок і отворів друкованих плат нейлоновими щітками і пемзовою суспензією.

Обробка поверхні проводиться обертаються латунними щітками струмені технологічного розчину. Установка може обробляти заготовки максимальним розміром 500х500 мм при їх товщині 0,1-3,0 мм, частота обертання щіток 1200 об/хв, зусилля стиснуті плат до щіток 147 Н.

У даному технологічному процесі підготовка поверхні заготовок проводиться декапіруванням заготовок у 5% соляної кислоти і знежиренням розчином ацитону. Для цього необхідно помістити заготовки на 15 сек на 5% --ий розчин соляної кислоти при температурі 180-250 С, потім про митизаготовки протягом 2-3 хв у холодній проточній воді при температурі 180 - 250 С, далі зачистити заготовки віденської вапном протягом 2-3 хв, знову заготовки промити у холодній проточній воді при температурі 180-250 С протягом 2-3 хв, потім сушити заготовки стисненим повітрям при температурі 180-250 С до повного їх висихання. Після всіх цих операцій необхідно проконтролювати якість зачистки поверхні фольги. Контроль робітник.

4. Нанесення сухого плівкового фоторезист

Від фоторезиста дуже часто потрібна висока роздільна здатність, а це досягається тільки на однорідних, без проколів плівках фоторезистом,які мають гарне зчеплення з фольгою. Ось чому пред'являються такі високі вимоги до попередніх операцій. Необхідно звести до мінімуму зміст вологи на платі або фоторезист, так як вона може стати причиною поганої адгезії. Всі операції з фоторезистом потрібно проводити в приміщенні при відносній вологості не більше 50%. Для видалення вологи з поверхні плати застосовують термошкаф.

У даному технологічному процесі застосовується сухий плівковий фоторезист СПФ-2, що наноситься на ламінаторі КП 63.46.4.

У даному випадку малюнок схеми отримують методом фотодруку. Для цього

перед нанесенням фоторезиста заготовку необхідно витримати в сушильному шкафі при температурі 75 (50 С протягом 1 години, потім послідовно на необхідний бік заготовки нанести фоторезист, обрізати ножицями надлишки по краях плати, звільнити базові отвори від фоторезиста, витримати заготовки при неактінічном освітленні протягом 30 хв при температурі зібрати пакет з фотошаблони та плати, експонувати заготовки в установці експонування КП 6341, проявити заготовку в установці прояви АРС-2.950.000, потім промити плати в мильному розчині, промити заготовки в холодній проточній воді протягом 1-2хв при температурі 20 С. Після цього слід проконтролювати виявлений малюнок. Після експонування заготовки,перед проявом, необхідно видалити плівку, що захищає фоторезист.

5. Нанесення захисного лаку

Лак наноситься для того, щоб захистити поверхню плати від процесу хімічного міднення. Лак зазвичай наноситься зануренням у ванну з лаком,поливом плати з нахилом в 10-150 або розпиленням з пульверизатора. Потім плата сушиться в сушильній шафі при температурі 60-1500 С протягом 2-3 год. Температура сушіння задається гранично допустимої температурою для навісних електрорадіоелементів, встановлених на друковану плату.

Лак для захисного покриття повинен мати такі властивості:  високою вологостійкістю, гарними діелектричними параметрами (малими діелектричної проникністю і тангенсом кута діелектричних втрат),температуростійкістю, хімічної інертністю і механічною міцністю.

При виборі лаку для захисного покриття слід також враховувати властивості матеріалів, використаних для виготовлення підстави друкованої плати і для приклеювання провідників, щоб при полімеризації покриття не відбулося зміни властивостей цих матеріалів.

Існують різні лаки для захисного покриття, такі як лак СБ-1с на основі фенол формальдегідних смоли, лак Е-4100 на основі епоксидної смоли,лак УР-231 та інші.

У даному технологічному процесі в якості захисного покриття застосовується лак СБ-1с. Для нанесення лаку на поверхню заготовки необхідно

занурити заготовки в кювету з лаком на 2-3 сек, температура лаку повинна бути в межах 18-25 С, а потім треба сушити заготовки в термошкафу КП 4506 протягом 1,5 годин при температурі 1200 С.

6. Свердління отворів

Найбільш трудомісткий і складний процес у механічній обробці друкованих плат - отримання отворів під металізацію. Їх виконують головним чином свердлінням, так як зробити отвори штампуванням в застосовуваних для виробництва плат склопластику важко. Для свердління склопластиків використовують твердосплавний інструмент спеціальної конструкції. Застосування інструменту із твердого сплаву дозволяє значно підвищити продуктивність праці при свердленні і зенкування і поліпшити чистоту обробки отворів. В основному використовують дві форми свердла: складнопрофільні і циліндричні. Так як склотекстоліт є високо абразивним матеріалом, то стійкість свердла невелика.

Структурна схема технологій виготовлення печатних плат негативним методом:

В процесі розробки камери за допомогою програмного пакету P-CAD 2006 було створено дві друковані плати: плати із ПЗЗ-сенсором (Рис. 3.1.) та плати з основною частиною камери (Рис. 3.2.):

Рисунок 3.1 Друкована плата схеми із ПЗЗ-сенсором

 У зв’язку з великою складністю розробки плати основної частини камери, плату довелось робити двохсторонню. На рисунку 3.2.а показано вид зверху, а на 3.2б – знизу.

Рис. 3.2а Друкована плата основної частини камери (вид зверху)

Рис. 3.2б Друкована плата основної частини камери (вид знизу)


Висновки

  1.  Існує цілий ряд технологій виготовлення одношарових друкованих плат: субтрактивний, адитивний, напівадитивний, комбінований методи.
  2.  Багатошарові друковані плати (multilayer printed circuit board) використовують у тих випадках, коли розведення з’єднань  на двосторонній платі стає занадто складним. З мірою зростання  важкості проектованих пристроїв і щільності монтажу зростає кількість шарів на платі .У багатошарових платах зовнішні шари  також наскрізні отвори) використовуються для установки компонентів, а внутрішні шари містять міжз’єднання  або суцільні плани живлення. Для з'єднання провідників між шарами використовуються перехідні металізовані отвори. При виготовленні багатошарових друкованих плат спочатку виготовляються внутрішні шари, які потім склеюються через спеціальні склеювальні прокладки. Далі виконується пресування, свердління і металізація перехідних отворів.
  3.  Існує величезний вибір програмного забезпечення для проектування друкованих плат. В нашому випадку був використаний програмний пакет P-CAD 2006.
  4.  У зв’язку із складністю розробленої схеми, було виготовлено дві друковані плати: одностороння (з ПЗЗ-матрицею) та двостороння (з основною частиною пристрою).

4.ОХОРОНА ПРАЦІ ПІД ЧАС МОНТАЖУ ПРИЛАДУ

4.1 Аналіз небезпечних і шкідливих факторів

Мікроклімат виробничих приміщень. Це умови внутрішнього середовища цих приміщень, що впливають на тепловий обмін працюючих з оточенням. Як фактор виробничого середовища, мікроклімат впливає на теплообмін організму людини з цим середовищем і, таким чином, визначає тепловий стан організму людини в процесі праці. Мікрокліматичні умови виробничих приміщень характеризуються такими показниками:

  •  температура повітря (0С),
  •  відносна вологість повітря (%),
  •  швидкість руху повітря (м/с),
  •  інтенсивність теплового (інфрачервоного) опромінювання (Вт/м2) від поверхонь обладнання та активних зон технологічних процесів.

Освітлення виробничих приміщень. Світло – один із суттєвих чинників виробничого середовища, завдяки якому забезпечується зоровий зв’язок працівника з його оточенням. Відомо, що біля 80% всієї інформації про навколишнє середовище надходить до людини через очі – наш зоровий апарат.

Залежно від джерел світла освітлення може бути природним, що створюється прямими сонячними променями та розсіяним світлом небосхилу; штучним, що створюється електричними джерелами світла, та суміщеним, при якому недостатнє за нормами природне освітлення доповнюється штучним.

Спроможність зорового сприйняття визначається енергетичними, просторовими, часовими та інформаційними характеристиками сигналів, що надходять до людини. Під час здійснення будь-якої трудової діяльності втомлюваність очей, в основному, залежить від напруженості процесів, що супроводжують зорове сприйняття. До таких процесів відносяться адаптація, акомодація, конвергенція.

Шум у виробничому середовищі. Шум – це будь-який небажаний звук, якій наносить шкоду здоров’ю людини, знижує його працездатність, а також може сприяти отриманню травми в наслідок зниження сприйняття попереджувальних сигналів. З фізичної точки зору – це хвильові коливання пружного середовища, що поширюються з певної швидкістю в газоподібній,

рідкій або твердій фазі. Основними характеристиками таких коливань служить амплітуда звукового тиску (р, Па), частота (f, Гц). 

За часовими характеристиками шуми поділяють на постійні і непостійні. Постійними вважають шуми, у яких рівень звуку протягом робочого дня змінюється не більше ніж на 5 дБА. Непостійні шуми поділяються на переривчасті, з коливанням у часі, та імпульсні. До імпульсних відносять шуми у вигляді окремих звукових сигналів тривалістю менше 1 с кожний, що сприймаються людським вухом як окремі удари.

Вібрація. Це механічні коливання пружних тіл або коливальні рухи механічних систем. Для людини вібрація є видом механічного впливу, який має негативні наслідки для організму.

Причиною появи вібрації є неврівноважені сили та ударні процеси в діючих механізмах. Дія вібрації може приводити до трансформування внутрішньої структури і поверхневих шарів матеріалів, зміни умов тертя і зносу на контактних поверхнях деталей машин, нагрівання конструкцій. Через вібрацію збільшуються динамічні навантаження в елементах конструкцій, стиках і сполученнях, знижується несуча здатність деталей, ініціюються тріщини, виникає руйнування обладнання. Усе це приводить до зниження строку служби устаткування, зростання імовірності аварійних ситуацій і зростання економічних витрат.

Електробезпека. При експлуатації електричного обладнання та мереж оператор може опинитися в сфері дії електричного поля чи безпосередньому зіткненні з знаходяться під напругою приводка електричного струму.

  •  Електротравма — травма, спричинена дією на організм людини електричного струму і (або) електричної дуги.
  •  Електротравматизм — явище, що характеризується сукупністю електротравм.
  •  Електроустановки — машини, апарати, лінії електропередач і допоміжне обладнання (разом із спорудами і приміщеннями, в яких вони розташовані), призначені для виробництва, перетворення, трансформації, передачі, розподілу електричної енергії та перетворення її в інші види енергії (ПУЭ186).

4.2 Профілактичні заходи щодо нормалізації умов праці

Нормалізація несприятливих мікрокліматичних умов здійснюється за допомогою комплексу заходів та способів, які включають: будівельно-планувальні, організаційно-технологічні та інші заходи колективного захисту. Для профілактики перегрівань та переохолоджень робітників використовуються засоби індивідуального захисту, медико-біологічні тощо.

Для зменшення термічних навантажень на працюючих передбачається максимальна механізація, автоматизація та дистанційне управління технологічними процессами і устаткуванням. У приміщеннях із значними площами засклених поверхонь передбачаються заходи захисту від перегрівання при попаданні прямих сонячних променів в теплий період року (орієнтація віконних прорізів схід-захід, улаштування жалюзі та ін.), від радіаційного охолодження — в зимовий (екранування робочих місць). При неможливості технічними засобами забезпечити допустимі гігієнічні нормативи опромінення на робочих місцях використовуються засоби індивідуального захисту (ЗІЗ) — спецодяг, спецвзуття,ЗІЗ для захисту голови, очей, обличчя, рук.

Для створення сприятливих умов зорової роботи освітлення робочих приміщень повинне задовольняти таким умовам:

  •  мають бути забезпечені рівномірність та часова стабільність рівня освітленості у приміщенні, відсутність різких контрастів між освітленістю робочої поверхні та навколишнього простору, відсутність на робочій поверхні різких тіней (особливо рухомих);
  •  у полі зору предмета не повинно створювати сліпучого блиску;
  •  штучне світло, що використовується на підприємствах, за своїм спектральним складом має наближатися до природного;
  •  не створювати небезпечних та шкідливих факторів;
  •  бути надійним, простим в експлуатації та економічним.

Захист від шуму повинне здійснюватися розробкою шуму безпечної техніки, використанням методів та засобів колективного захисту та засобами індивідуального захисту.  Для цього використовуються організаційні, технічні та медично-профілактичні заходи. До організаційних заходів відносяться раціональне розташування виробничих ділянок, устаткування та робочих місць, постійний контроль режиму праці і відпочинку працівників, обмеження застосування обладнання та використання робочих місць, що не відповідають санітарно-гігієнічним вимогам.

Технічні заходи дають змогу значно зменшити вплив шуму на працівників і поділяються на заході, що використовуються: в джерелі виникнення (конструктивні та технологічні), на шляху розповсюдження (звукоізоляція, звукопоглинання, глушники шуму, звукоізоляційні укриття), в зоні сприйняття (засоби колективного та індивідуального захисту). Для зниження шуму необхідно насамперед використовувати конструктивні та технологічні методі, які в свою чергу залежать від походження звуку, конструктивних особливостей обладнання.

Заходи, щодо захисту від дії вібрації поділяють на технічні, організаційні та лікувально-профілактичні. Також вони можуть бути розподілені як колективні та індивідуальні.

До технічних заходів відносять: зниження вібрації в джерелі її виникнення; зниження діючої вібрації на шляху розповсюдження від джерела виникнення;

До організаційних заходів відносять: організаційно-технічні; організаційно – режимні; До лікувально-профілактичних заходів відносяться: медичний огляд; лікувальні процедури (фізіологічні процедури, вітаміно- та фітотерапія).

Існують заходи захисту від дії електричного струму. (Якщо оператор не має тілесного контакту з приладом, він не піддається ураження струму)

За принципом їх дії можна розділити на три групи:

  •  забезпечення недоступності струмоведучих частин обладнання.
  •  зниження напруги дотику (а, отже, і струму через людину) до безпечного значення;
  •  обмеження тривалості впливу електричного струму на організм людини.

Прилад повинен бути заземлений. Електрозахисні засоби поділяються на основні та додаткові. Основні електрозахисні засоби для роботи в електроустановках напругою до 1 кВ: ізолюючі штанги, ізолюючі та електровимірювальні кліщі, покажчики напруги, діелектричні печатки і т.д.

Додаткові: діелектричні калоші і килими, переносні заземлення, ізолюючі підставки і накладки, огороджувальні пристрої, плакати і знаки безпеки.

4.3 Пожежна безпека

Виділяють три групи горючості матеріалів і речовин: негорючі, важкогорючі та горючі.

Негорючі (неспалимі) – речовини та матеріали, що нездатні до горіння чи обвуглювання у повітрі під впливом вогню або високої

температури. Це матеріали мінерального походження та виготовлені на їх основі матеріали, – червона цегла, силікатна цегла, бетон, камінь, азбест, мінеральна вата, азбестовий цемент та інші матеріали, а також більшість металів. При цьому негорючі речовини можуть бути пожежонебезпечними, наприклад, речовини, що виділяють горючі продукти при взаємодії з водою.

Важкогорючі (важко спалимі) – речовини та матеріали, що здатні спалахувати, тліти чи обвуглюватись у повітрі від джерела запалювання, але не здатні самостійно горіти чи обвуглюватись після його видалення (матеріали, що містять спалимі та неспалимі компоненти,

наприклад, деревина при глибокому просочуванні антипіренами, фіброліт і т. ін.); 

Горючі (спалимі) – речовини та матеріали, що здатні самозайматися, а також спалахувати, тліти чи обвуглюватися від джерела запалювання та самостійно горіти після його видалення.

Причинами виникнення пожеж можуть бути порушення технологічних процесів і несправність устаткування, зокрема невчасний ремонт обладнання, порушення технологічних інструкцій, введення в технологію виробництва матеріалів без врахування їх пожежонебезпечних властивостей, освіта значних електричних зарядів. 

Для підтримання пожежної безпеки в приміщенні і в самій будівлі повинен здійснюватися комплекс обов'язкових організаційних заходів, перелічених у "Правилах пожежної безпеки в Україні", а саме: Визначити обов'язки посадових осіб щодо забезпечення пожежної безпеки; Призначити відповідальних за пожежну безпеку окремих будівель, споруд, приміщень, ділянок, технологічного та інженерного обладнання, а також за утримання і експлуатацію технічних засобів протипожежного захисту; Запровадити відповідний протипожежний режим; Підготувати, затвердити і ознайомити всіх співробітників з громад-об'єктної інструкцією про заходи пожежної безпеки та відповідними інструкціями для всіх вибухопожежонебезпечних та пожежонебезпечних приміщень; Скласти плани (схеми) евакуації людей у разі пожежі; Затвердити порядок (систему) оповіщення людей про пожежу, ознайомити з ним усіх працівників; Визначити категорії будівель і приміщень з вибухопожежної та пожежної небезпеки відповідно до вимог діючих нормативних документів, а також визначити класи зон "Правилами улаштування електроустановок"; Встановити на території, у будівлях та приміщеннях відповідні знаки пожежної безпеки, таблички із зазначенням номера телефону та порядку виклику пожежної охорони.

Висновки

  1.  Було проаналізовано небезпечні та шкідливі фактори, що діють на організм людини під час монтажу камери, що розроблялась.
  2.  Існує ряд профілактичних засобів щодо нормалізації норм охорони праці на підприємстві, які повинні виконуватись в обов’язковому порядку
  3.  Важлива частина охорони праці під час роботи – пожежна безпека, регулювання якої знаходиться під особливим контролем у відповідних органах
  4.  Виділяють три групи горючості матеріалів і речовин: негорючі, важкогорючі та горючі

ВИСНОВКИ

  1.  В оглядовому розділі дипломного проекту було розглянуто типи ПЗЗ – матриць, їх принцип дії, а також розглянуто класифікацію телевізійних камер. Велике значення приділяється параметрам цих камер, а саме роздільній здатності та чутливості та методам їх покращення. Також було розглянуто ЕОП, та їх вплив на параметри телевізійних камер.

В другому розділі дипломного проекту були розроблені структурна та принципова електричні схеми телевізійної камери з накопиченням зображення на основі ПЗЗ – матриці IXC429ALL. Зроблений вибір елементної бази.

Компоненти відеокамери будемо вибирати, виходячи з наступних міркувань:

  •   висока якість та надійність компонентів;
  •   відносна дешевизна компонентів;
  •   простота реалізації;
  •   мінімізація загальної площі відеокамери.

У якості сенсора зображення оберемо ПЗЗ – матрицю ICX429ALL фірми Sony, тим самим вирішуючи питання якості та надійності, так як фірма Sony є одним із світових лідерів у виробництві компонентів відеотехніки, зокрема ПЗЗ– сенсорів.

  1.  В розрахунковому розділі було промодельовано та розраховано деякі з параметрів високочутливої телевізійної камери на основі ПЗЗ – матриці IXC429ALL, а саме: світло – сигнальна характеристика ПЗЗ – матриці ICX429ALL; інформаційна ємність ПЗЗ - матриці ICX-429ALL та її ПЧХ. Результати розрахунків представлені в числовій та графічній формі.

Сформована математична модель телевізійної камери з накопиченням зображення на основі ПЗЗ-матриці дозволяє обчислювати чисельними методами вихідні сигнали системи, зокрема таких, що включають ПЗЗ-матриці оптичного діапазон. Також запропонована математична модель телевізійної камери з накопиченням зображення на основі ПЗЗ-матриці є просторово-двовимірною та забезпечує можливість обчислення двовимірного просторового зарядового відбитку створюваного чутливими елементами ПЗЗ-матриці.

Вдалося створити камеру, чутливість якої обмежує лише флуктуаційний шум матриці, а не інструментальні перешкоди схеми.

  1.  В третьому розділі за допомогою програми P-Cad 2006 розроблено дві друковані плати телевізійної камери з накопиченням зображення на основі ПЗЗ – матриці IXC429ALL. Також був поетапно розписаний процес виробництва друкованих плат.
  2.  В розділі по охороні праці були приведені основні норми по безпеці праці. Особлива увага була приділена правильній організації мікроклімату, освітленню, пожежній та електричній безпеці в цеху по монтажу телевізійних камерз накопиченням зображення. У вибраному приміщенні освітленість та шум задовільняють нормам та не перевищують їх. Норми пожежної та електричної безпеки виконано.


ПЕРЕЛІК  ВИКОРИСТАНОЇ  НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ  ЛІТЕРАТУРИ

  1.  Никулин О.Ю. Приборы с зарядобой связью. Устройство и основне пинципы работы // Специальная техника. - №4. – 1999.
  2.  Никитин В. В, Цицулин А. К.  Телевидение в системах физической защиты: учеб.-метод. пособие -2005.
  3.  Быков Р.Е. Преобразователи изображения на приборах с зарядовой связью. –М. : Радио и связь,2000.-184с.
  4.  Приборы с зарядовой связью /Под ред. Д. Ф. Барба. – М.: Мир, 1982
  5.  Куликов А.Н. Телевизионные наблюдения в сложных условиях// Специальная техника, – 2000. – № 35. – С.30 – 33.
  6.  J.R. Janesick, T. Elliott, S Collins. "Scientific charge-coupled devices.", Optical Engineering, August 1987, Vol. 28, No. 8, p. 692 - 714.
  7.  Телевизионные наблюдения в сложных условиях. // http://www.evs.ru
  8.  Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. – М.: Наука, 1986. – 320 с.
  9.  Р.Е. Быков, Р. Фрайер, К.В. Иванов, А.А. Манцветов. Цифровое преобразование изображений //Под ред. Р.Е. Быкова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 228 с.
  10.  Diagonal 8 mm (type 1/2) CCD image sensor for CCIR B/W video cameras ICX429ALL //www.sony.net.
  11.  Цифровая ПЗС-камера на основе охлаждаемого ПЗС ICX249AL (SONY) //www.silar.spb.ru.
  12.  Борисенко А.С., Бавыкин Н.И. Технология и оборудование для производства микроелектронных устройств. – М.: Машиностроение, 1983. – 270с.
  13.  Основи охорони праці: Підручник. 2-ге видання, доповнене та перероблене./ К.Н. Ткачук, М.О. Халімовський, В.В. Зацарний, Д.В. Зеркалов, Р.В. Сабарно, О.І. Полукаров, В.С. Коз’яков, Л.О. Мітюк. За ред. К.Н. Ткачука і М.О. Халімовського.- К.: Основа, 2006р.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

604. Обработка текстовых электронных документов. Подготовка документов на ПЭВМ 72.5 KB
  Классификация документов. Виды и структура текстовых документов, принятых в делопроизводстве органов внутренних дел. Текстовые и графические редакторы ПЭВМ.
605. Особенности ценовой политики фирмы 70.5 KB
  Понятие ценовой политики в системе маркетинга. Ценовая политика является неотъемлемой частью стратегии маркетинга и представляет собой систему принципов и методов управления деятельностью по установлению цен в процессе достижения целей предприятия на рынке.
606. Процесса адиабатного истечения газа через суживающееся сопло 75.5 KB
  Снять опытные характеристики процесса истечения при различных давлениях газа за сопловым каналом. Провести обработку экспериментальных данных и определить области докритического и критического истечения. Построить опытную и теоретическую характеристики суживающегося сопла в координатах.
607. Основные принципы антидотной терапии 68 KB
  Противоядия, действие которых основано на физических процессах (активированный уголь и другие сорбенты). Противоядия, образующие в организме соединения, обладающие особенно высоким средством к яду (амилнитрит, метиленовый спирт и др.)
608. Исследование показателей надежности и рисков нерезервированной технической системы 93 KB
  Определить показатели надежности и риск нерезервированной технической системы. Исследовать функцию риска: представить функцию риска в виде таблицы и графика. Дать качественный и количественный анализ соотношения риска, вычисленного по точной и приближенной зависимостям в MathCAD или табличном процессоре Microsoft Excel.
609. Изучение и освоение практики работы с управленческими корпоративными информационными системами на примере системы Галактика 70 KB
  В работах требуется смоделировать наиболее распространенную в экономической практике ситуацию – а именно: сформировать ряд взаимосвязанных операционных и сводных отчетных документов, отражающих бизнес-процессы и результаты сделок предприятия с контрагентами по покупке и продаже товаров.
610. Однофакторные регрессионные модели 339 KB
  Рассчитать линейный коэффициент парной корреляции и среднюю ошибку аппроксимации. Оценить статистическую значимость параметров регрессии и корреляции с помощью критерия Фишера и Стьюдента.
611. Маркеры доступа 71.5 KB
  В результате данной работы были изучены основные возможности мониторинга и управления маркерами доступа Windows. Так же были получены навыки реализации взаимодействия созданной программы с процессами и их настройками безопасности.
612. Изучение геометрии скольжения на примере ГЦК монокристалла и расчет фактора Шмида для различных систем скольжения 71 KB
  Действующие системы скольжения и их количество для никеля при ориентировке кристалла. Системы скольжения и их количество при ориентации кристалла своей осью внутри стереографического треугольника 001\0-11\-1-11.