Параметры и особенности применения современных ПЗС-матриц с прогрессивным сканированием фирмы Sony
Введение
Фирме Sony принадлежит первенство
в деле коммерциализации ПЗС-матриц: производство первой бытовой видеокамеры
на основе ПЗС с разрешением 190 000 пиксе лей было полнос тью под гот овле но
к 1980 году [1]. Однако по договоренности
с другими японскими производителями (JVC,
Panasonic, Sharp и др.) продажи видеокамер
формата Video 8 (модель Sony-CCD-TR55)
в Японии начались в январе 1985 г. В этой
модели была применена ПЗС-матрица с разрешением 250 000 пикселей. Коммерческие
ПЗС-матрицы Sony широко применяли
и применяют другие производители видеокамер, в том числе Canon, Hitachi, JVC,
Panasonic, Samsung, Sharp и др.
Sony выпускает несколько типов ПЗС-матриц: линейные, с кадровым, строчнокадровым, межстрочным переносом заряда, с чересстрочным, прогрессивным и кадровым считыванием (сканированием).
ПЗС-матрицам с межстрочным переносом
(Interline transfer) и чересстрочным сканированием (Interlace scan), которые мы рассмотрели в предыдущей статье [1], присущ
характерный недостаток, проявляющийся в размытии (Blur) вертикальных границ
быстро движущихся объектов при съемке
цифровыми фотоаппаратами. При съемке
видеокамерами разрешение по вертикали
вдвое ниже, чем число горизонтальных строк
матрицы, а на вертикальных и наклонных
границах снимаемых объектов может появляться зазубренность («гребенка»). При
прогрессивном сканировании ПЗС-матриц
с межстрочным переносом заряда разрешение по вертикали соответствует числу их горизонтальных строк. Использование таких
матриц в фотоаппаратах устраняет эффект
размытия (Blur-free, No Camera Blur), при
этом не требуются механические затворы
или кадровая память. Однако скорость съе
ки видеокамерами с матрицами этого типа
при одинаковых частотах импульсов управления вдвое ниже, чем при использовании
чересстрочного сканирования.
В ряде приложений различие между видеокамерами (camcorder, movie Camera) и цифровыми фотоаппаратами (digital still camera,
DSC) нивелируется. Например, в системах
наблюдения камерные головки на ПЗС-матрицах могут использоваться в малокадровых режимах (единицы кадров в секунду),
такую же скорость съемки могут обеспечить
и цифровые фотоаппараты. В телевизионных приложениях использование видеокамер привязано к телевизионным стандартам
(525/60, 625/50), в киноприложениях необходима привязка к частоте кадров (24 кадр/с),
в компьютерных и специальных приложениях свои требования. Все эти приложения
реализуются только при определенных соотношениях параметров матриц и управляющих сигналов. Русскоязычные источники,
освещающие эту тематику на уровне, достаточном для разработчиков аппаратуры
с ПЗС-матрицами, сервисных инженеров
и других специалистов, практически отсутствуют. Источниками информации для статьи послужили листы данных (Data sheet)
конкретных микросхем Sony с официального сайта фирмы. Вопросы общего характера,
касающиеся устройства и применения ПЗС-матриц, рассмотрены в многочисленных источниках, в том числе русскоязычных, например в [2–5].
В каталоге Sony (отделение Semiconductor
& Component) 2010 г. представлено около
тридцати ПЗС-матриц с межстрочным переносом заряда и прогрессивным сканированием (Progressive Scan System CCD) [6], их классификационные данные приведены в таблице 1. Следует отметить, что практически все
микросхемы, приведенные в таблице 1, могут
работать не только в «чистом» режиме прогрессивного сканирования, но и в других, носящих вспомогательный характер. Бóльшая
часть цветных матриц выполнена по технологии Wfine CCD (зарегистрированная торговая марка Sony). Исследовательские работы по этой технологии проводились фирмой
в середине 1990-х годов, а первые коммерческие матрицы были выпущены в 1996 г.
Это были микросхемы ICX084AK (1/3″, VGA,
330 000 пикселей) и ICX085AK (2/3″, SVGA,
800 000 пикселей). В это время производители цифровых фотоаппаратов и видеокамер
интенсивно наращивали количество пикселей матриц, однако инженеры Sony обоснованно полагали, что качество изображения,
обеспечиваемое ПЗС-матрицами, зависит
не только от числа пикселей, но и от других
факторов. Технология Wfine CCD (W —
удвоенное разрешение, fine — филигранное
качество изображения) объединяет три составляющие: 1 — прогрессивное сканирование; 2 — применение фильтров первичных
цветов; 3 — квадратная конфигурация элементов матриц.
Таблица 1. Классификационные параметры ПЗС-матриц
Тип микросхемы |
Размер, дюймы |
Тип цветофильтра |
Число эффектив- ных пикселей |
Корпус | Чувствитель- ность, мВ |
Примечание |
ICX285AQ | 2/3 | RGB | 1392×1040 | Керамический DIP20 | 1240 | Wfine CCD, EXview HAD CCD |
ICX285AL | 2/3 | Черно-белый | 1392×1040 | Керамический DIP20 | 1300 | EXview HAD CCD |
ICX274AQ | 1/1,8 | RGB | 1628×1236 | Пластик DIP20 | 420 | Wfine CCD, Supe HAD CCD |
ICX274AL | 1/1,8 | Черно-белый | 1628×1236 | Пластик DIP20 | 420 | Super HAD CCD |
ICX414AQ | 1/2 | RGB | 659×494 | Керамический DIP22 | 840 | Wfine CCD, HAD |
ICX414AL | 1/2 | Черно-белый | 659×494 | Керамический DIP22 | 880 | HAD |
ICX415AQ | 1/2 | RGB | 752×582 | Керамический DIP22 | 720 | Wfine CCD, HAD |
ICX415AL | 1/2 | Черно-белый | 752×582 | Керамический DIP22 | 820 | HAD |
ICX205AK | 1/2 | RGB | 1392×1040 | Керамический DIP22 | 400 | Wfine CCD, HAD |
ICX205AL | 1/2 | Черно-белый | 1392×1040 | Керамический DIP22 | 450 | HAD |
ICX267AK | 1/2 | RGB | 1392×1040 | Пластик DIP20 | 400 | Wfine CCD, HAD |
ICX267AL | 1/2 | Черно-белый | 1392×1040 | Пластик DIP20 | 450 | HAD |
ICX424AQ | 1/3 | RGB | 659×494 | Пластик DIP20 | 750 | Wfine CCD, HAD |
ICX424AQB | 1/3 | RGB | 659×494 | Круглый керамический DIP14 | 750 | Wfine CCD, HAD |
ICX424AL | 1/3 | Черно-белый | 659×494 | Пластик DIP16 | 880 | HAD |
ICX424ALB | 1/3 | Черно-белый | 659×494 | Круглый керамический DIP14 | 880 | HAD |
ICX204AK | 1/3 | RGB | 1034×779 | Пластик DIP16 | 400 | Wfine CCD, HAD |
ICX204AL | 1/3 | Черно-белый | 1034×779 | Пластик DIP16 | 450 | HAD |
ICX445AQA | 1/3 | RGB | 1296×966 | Пластик DIP24 | 380 | EXview HAD CCD, Wfine CCD |
ICX445ALA | 1/3 | Черно-белый | 1296×966 | Пластик DIP24 | 380 | EXview HAD CCD |
ICX098BQ | 1/4 | RGB | 659×494 | Пластик DIP24 | 580 | Wfine HAD CCD, HAD |
ICX098BL | 1/4 | Черно-белый | 659×494 | Пластик DIP24 | 580 | HAD |
ICX614AKA | 1/4 | Комплементарный | 659×494 | Пластик DIP24 | 950 | Super HAD CCD |
ICX614AQA | 1/4 | RGB | 659×494 | Пластик DIP24 | 750 | Wfine CCD, HAD |
ICX614ALA | 1/4 | Черно-белый | 659×494 | Пластик DIP24 | 800 | Super HAD CCD |
ICX618AKA | 1/4 | Комплементарный | 659×494 | Пластик DIP24 | 1400 | EXview HAD CCD |
ICX618AQA | 1/4 | RGB | 659×494 | Пластик DIP24 | 1000 | EXview HAD CCD, Wfine CCD |
ICX618ALA | 1/4 | Черно-белый | 659×494 | Пластик DIP24 | 1200 | EXview HAD CCD |
Как уже говорилось, прогрессивное сканирование (progressive scan readout) позволяет получать цифровые фотографии без
эффекта смазывания (Blur-free photographs),
имеющего место при чересстрочном сканировании, без применения механических затворов или кадровой памяти. При этом сигналы от всех элементов матрицы поступают
на выход раздельно, а разрешение по вертикали увеличивается.
В сравнении с комплементарными цветовыми фильтрами, рассмотренными в [1], использование фильтров RGB (фильтры или
шаблоны Байера, рис. 1) позволяет получать
более насыщенные и естественные красные
и желтые цвета, например оттенки красных
роз и кожи человека. Расположение ячеек первичных цветов в таком фильтре приведено
на рис. 2: ячейки Gb, Gr расположены на одних и тех же горизонтальных строках ПЗС-матрицы, что и ячейки B, R соответственно.

Рис. 1. Комплементарный и RGB цветовые фильтры

Рис. 2. Расположение первичных цветов в ПЗС-матрицах
Применение квадратных элементов матриц вместо прямоугольных обеспечивает
их эффективную работу в компьютерных
приложениях и качественную распечатку отдельных снимков и кадров. Кроме того, использование квадратных пикселей увеличивает чувствительность единичных элементов
матриц, за счет лучшего согласования характеристик единичных собирающих линз с параметрами светочувствительных областей
каждого из элементов [7].
ПЗС-матрицы с прогрессивным сканированием могут быть использованы как в цифровых фотоаппаратах, так и в видеокамерах.
Наибольший эффект применения технологии Wfine CCD достигается при ее испол
зовании в цифровых фотоаппаратах. В этом
случае высокое разрешение по вертикали сочетается с цветным изображением наилучшего качества без эффекта смазывания, а отснятые кадры легко подвергаются компьютерной обработке (рекомендация Sony) [7].
Черно-белые ПЗС-матрицы, приведенные
в таблице 1, не относятся к технологии Wfine
CCD, однако все они используют прогрессивное сканирование, а их элементы имеют квадратную форму. Такие матрицы отличаются
от своих цветных прототипов отсутствием
массивов цветных фильтров. Основное назначение таких матриц — высококачественные
3-матричные оптические системы цветных
видеокамер и черно-белые видеокамеры специального назначения (для замкнутых систем
наблюдения, контроля, сетевых приложений
и т. п.). Время считывания полного кадра рассматриваемых ПЗС-матриц в основном находится в интервале 1/10 –1/30 с, однако для
многих типов микросхем имеется возможность уменьшения времени считывания
до 1/50–1/240 с за счет уменьшения числа считываемых строк (разрешение по вертикали
при этом уменьшается). Соответствующие режимы называются высокоскоростными режимами с пропусками (High-speed draft mode).
Функционирование микросхем в режиме считывания с пропусками 2/8-line readout mode
показано на рис. 3. В этом режиме считываются две ячейки из восьми каждого вертикального регистра (зачерненные элементы не считываются).

Рис. 3. Алгоритмы сканирования ПЗС-матриц
Рассмотрим особенности некоторых микросхем более подробно.
ICX274AQ
ICX274AQ — цветная ПЗС-матрица формата 1/1,8, с диагональю 8,9 мм с числом эффективных элементов 2,01 М, выполненная по технологии Super HAD CCD [1]. Эта технология
в сравнении с HAD CCD (Hole Accumulation
Diode) позволяет повысить чувствительность
и снизить темновой ток. Микросхема отличается высоким разрешением и качественной
цветопередачей, но скорость прогрессивного
сканирования составляет 1/15 с. Микросхема
предназначена для применения в цифровых
фотоаппаратах, видеокамерах, системах видеонаблюдения высокой четкости, промышленном оборудовании. Ее электронный затвор
обеспечивает съемку с высокими скоростями
без механического затвора, возможна работа
и с механическим затвором. Предусмотрены
дополнительные режимы с пропусками 2/8,
2/4, парное считывание (2-line addition mode),
сканирование центральной области матрицы
(Center scan mode, 3 режима), два режима AF
(используются для работы систем автофокусировки) — всего 9 различных режимов считывания.
Основные параметры микросхемы:
- Размер — 8,923 мм,
размер пикселя — 4,4×4,4 мкм. - Рекомендуемое число элементов —
1600×1200 (формат 4:3),
общее — 1688×1248 (2,11 М). - Максимальная частота управления горизонтальным регистром (fH) — 36 МГц (типовая — 28,6364 МГц).
- Напряжение питания — 15 В,
Iпотр. = не более 13 мА. - Чувствительность (по зеленому цвету) —
не менее 335 мВ (при времени накопления
заряда 1/30 с). - Разброс чувствительности по R/B —
0,5/0,6 мВ (спектральные характеристики
приведены на рис. 4). - Уровень насыщения выходного сигнала —
не менее 400 мВ. - Смаз — –100 дБ, неравномерность сигнала
яркости по полю — не более 20%.
Структура микросхемы приведена на рис. 5.
Назначения выводов: - 1–8 (V04–V01) — входы тактовых импульсов переноса вертикальных регистров;
- 9, 15 (GND) — корпус;
- 10 (Vout) — аналоговый выход;
- 11 (Vdd) — напряжение питания;
- 12 (øRG) — вход стробирующих импульсов (затвор ключевого транзистора);
- 13, 14, 19, 20 (Нø2В, Нø1В, Нø1А, Нø2А) —
входы тактовых импульсов переноса горизонтального регистра; - 16 (øSUB) — вход тактового сигнала смещения подложки;
- 17 (Csub) — напряжение смещения подложки (шунтируется конденсатором емкостью 0,1 мкФ).

Рис. 4. Спектральные характеристики микросхемы ICX274AQ

Рис. 5. Структура микросхемы ICX274AQ
Наивысшее разрешение по вертикали
(1220 пикселей) обеспечивается матрицей
в режиме прогрессивного сканирования, при
этом время считывания полного кадра составляет 1/15 с. Возможна видеосъемка со скоростями 10 кадр/с (при fH ≈ 28,6 МГц) и 15 кадр/с
(при fH = 36 МГц). Дополнительные режимы
являются вспомогательными, например, в режиме 2/8 считывается информация с каждых двух горизонтальных строк матрицы
из восьми (рис. 3). При этом время считывания составляет 1/30 с, разрешение по ве
тикали 330 пикселей, скорость видеосъемки 30 кадр/с. В режиме 2/4 считываются две
из четырех строк, время считывания кадра —
1/20 с (610 пикселей, 20 кадр/с).
ICX415AQ
ICX415AQ — цветная ПЗС-матрица с диагональю 8 мм (1/2″) стандартного разрешения
с квадратным пиксельным массивом и числом
эффективных элементов 460К. Микросхема
предназначена для систем видеонаблюдения,
различных фотографических и промышленных приложений. В режиме прогрессивного
сканирования скорость видеосъемки — 1/50 с.
Возможно сканирование центральной области
матрицы с пониженным разрешением по вертикали. Микросхема производится по технологиям HAD и Wfine CCD.
Основные параметры микросхемы:
- Размер — 8 мм,
размер пикселя — 8,3×8,3 мкм. - Общее число элементов — 823×592,
490К (формат 4:3). - Частота управления горизонтальным регистром — 29,5 МГц.
- Напряжение питания — 15 В, Iпотр. = 7 мА.
- Чувствительность (по зеленому цвету) —
не менее 570 мВ (при времени накопления
заряда 1/25 с). - Уровень насыщения выходного сигнала —
не менее 375 мВ. - Смаз — –100 дБ, неравномерность сигнала
яркости по полю — не более 25%.
Структура микросхемы приведена на рис. 6.
Назначения выводов: - 3–5 (V03–V01) — входы тактовых импульсов переноса вертикальных регистров;
- 7 (GND) — корпус;
- 9 (Vout) — аналоговый выход;
- 10 (Cgg) — вход выходного усилителя
(подключается конденсатор 0,1 мкФ); - 12 (Vdd) — напряжение питания;
- 13 (øRG) — вход стробирующих импульсов;
- 14 (VL) — напряжение смещения защитного транзистора;
- 15 (øSUB) — вход тактового сигнала смещения подложки;
- 16, 17 (Н01, Н02) — входы тактовых импульсов переноса горизонтального регистра;
- 20 (Csub) — напряжение смещения подложки (подключается конденсатор 0,1 мкФ);
- 21 (SUBCIR) — напряжение питания подложки.

Рис. 6. Структура микросхемы ICX415AQ
Типовое включение ПЗС-матрицы с комбинированным генератором синхроимпульсов
на микросхеме CXD3611R и АЦП CXD3301R
приведено на рис. 7. Кроме рассматриваемой
ПЗС-матрицы, совместно с этими микросхемами могут быть использованы и микросхемы
ICX415AL, ICX414AQ/AL, ICX424 AQ/ AQB/
AL/ALB. Микросхема CXD3301 R является
10-разрядным АЦП с частотой дискретизации 20 Мвыб/с и схемой выборки-хранения
на входе. Драйвер тактовых сигналов H-Dr используется при необходимости работы схемы
на удвоенной скорости считывания.

Рис. 7. Типовое включение микросхем ICX414/415/424

Рис. 8. Временные диаграммы тактовых сигналов ПЗС-матриц ICX415AQ/AL в масштабе кадров и строк
На рис. 8 приведены временные диаграммы
тактовых сигналов на выводах матрицы при
работе в режиме прогрессивного сканирования в масштабе кадров и в масштабе строк.
Временные параметры сигналов на диаграммах существенно отличаются от соответствующих параметров сигналов управления
ПЗС-матрицами с межстрочным переносом
и чересстрочным сканированием, показанных
на рис. 7, 9 в [1].

Рис. 9. Структура микросхемы ICX445AQA
На диаграммах обозначены следующие
сигналы:
- VD, HD — кадровые и строчные синхроимпульсы. Непосредственно на ПЗС-матрицу
не подаются. Диаграммы приведены для
оценки их временного положения относительно других сигналов. На диаграмме HD
обозначены номера строк ТВ-сигнала стандарта 625/50 (ПАЛ), «а» — начало кадра,
длительность импульсов VD — 576 мкс
(9 периодов частоты ТВ-строк). - V1, V2, V3 — тактовые сигналы вертикального переноса (Vertical transfer clock).
Длительность импульсов составляет 48 периодов тактового сигнала CLK (1,627 мкс).
На диаграммах также обозначены начало/окончание интервалов в периодах тактового сигнала fH. На диаграмме CLK: 1–4,
42, 138, 144, 163, 166 периодов fтакт.; на диаграмме Н1: 1–96, 102, 19 периодов; на диаграммах V1–V3: — 48, 32, 16 периодов;
на диаграмме SUB: 1–57, 23, 16, 6 периодов. - OUT — аналоговый сигнал на выходе ПЗС-матрицы, цифрами обозначены номера
горизонтальных строк матрицы (то есть
номера эффективных ячеек вертикальных
регистров матрицы). - CLK — задающий сигнал для формирования сетки синхронизированных тактовых
импульсов H1, H2, SHP, SHD (частота следования импульсов — 29,5 МГц). - Н1, Н2 — тактовые импульсы горизонтального переноса (Horizontal transfer
clock) — типовая длительность импульсов
12 нс, период следования — 33,9 нс. - SHP, SHD (на рис. 7 XSHP, XSHD) — импульсы для управления схемами выборкихранения АЦП CXD3301R.
- SUB — тактовые импульсы смещения подложки (Substrate clock), типовая длительность импульсов — 0,8 мкс.
- RG — тактовые импульсы сброса (Reset
gate clock), типовая длительность — 7 нс.
ICX445AQA
ICX445AQA — это первая серийная мегапиксельная ПЗС-матрица формата 1/3 (диагональ — 6 мм) для видеокамер наблюдения, где
Sony достигает высокого разрешения (1,25 М
Effective pixels) и повышенной чувствительности за счет применения технологии EXview
HAD CCD. Микросхема предназначена для
высококачественных систем наблюдения,
различных сетевых и промышленных приложений. Скорость видеосъемки — 12,5; 15;
22,5 кадров/с в режиме прогрессированного
сканирования (progressive) или 25/30 полей/с
в режиме interlace. В режиме сканирования
центральной области формат получаемого изображения 16:9 при скоростях съемки
25 кадр/с или 30 кадр/с (часть верхних и нижних строк матрицы в этом режиме не считываются). Для достижения высокого разрешения разработчики уменьшили размеры
элементарных ячеек и микролинз матрицы.
Смаз — –104 дБ и темновой сигнал (2–6 мВ)
определены производителем как низкие.
EXview HAD CCD — зарегистрированная торговая марка Sony Corp., относящаяся
к ПЗС-матрицам с высокой чувствительностью в красной и ближней к инфракрасной
областях спектра. Это означает, что устройство подходит для дневных и ночных съемок.
Основные параметры микросхемы:
- Размер — 6 мм,
размер пикселя 3,75×3,75 мкм. - Общее число элементов — 1348×976,
1,32 М, активное 1280×960, 1,23 М (4:3). - Частота управления горизонтальным регистром — 29 или 36 МГц.
- Напряжение питания — 15 В,
Iпотр. = 10 мА. - Чувствительность (по зеленому цвету) —
не менее 300 мВ. - Уровень насыщения выходного сигнала —
не менее 350 мВ. - Смаз — –104 дБ, неравномерность сигнала
яркости по полю — не более 20%.
Структура микросхемы приведена на рис. 9.
Назначения выводов: - 1–8 (Vø2B–Vø4A) — входы тактовых импульсов вертикального переноса;
- 9–10 (VøST, VøHLD) — входы управления
сложением горизонтальных строк; - 11 (VL) — напряжение смещения защитного транзистора;
- 13 (Vout) — аналоговый выход;
- 14, 15 (GND) — корпус;
- 16 (øRG) — вход стробирующих импульсов;
- 17 (LHø01) — вход выходного каскада горизонтального регистра;
- 18–21 (Hø2A–Hø2B) — тактовые входы горизонтального регистра;
- 22 (øSUB) — вход тактового сигнала смещения подложки;
- 24 (Vdd) — напряжение питания.

Рис. 10. Спектральные характеристики микросхемы ICX445AKA
Одна из последних модификаций рассматриваемой ПЗС-матрицы — это микросхема ICX445AKA, отличающаяся применением комплементарного цветного фильтра.
Соответствующая спектральная характеристика приведена на рис. 10. Повышенная
чувствительность матрицы в зелено-желтой,
красной и ближней к инфракрасной областях
спектра обеспечивает высокое качество изображения при небольших уровнях освещенности [8]. Частота управления горизонтальным регистром — до 40,5 МГц. Микросхема
может работать в режимах вертикального
и горизонтального суммирования пикселей,
что позволяет захватывать изображения
с VGA-разрешением на скорости 60 кадр/с.
Возможные режимы работы микросхемы
приведены в таблице 2.
Таблица 2. Режимы работы микросхемы ICX445AQA
Режимы работы микросхемы ICX445AKA |
Скорость съемки | Число эффективных пикселей |
Режим прогрессивного сканирования |
НТСЦ — 15 кадров в секунду ПАЛ — 12,5 кадр/с Максимальная — 22,5 кадр/с |
1296×966, 4:3 |
Режим сканирования центральной области матрицы |
НТСЦ — 30 кадр/с ПАЛ — 25 кадр/с |
1296×728, 16:9 |
Режим суммирования четырех пикселей 1 |
НТСЦ — 60 кадр/с ПАЛ — 50 кадр/с |
648×483, 4:3 |
Режим суммирования четырех пикселей 2 |
НТСЦ — 30 кадр/с ПАЛ — 25 кадр/с |
648×483 |
Режим прогрессивного сканирования |
НТСЦ — 30 полей/с ПАЛ — 25 полей/с |
1296×966 |
Режим прогрессивного сканирования центральной области матрицы |
НТСЦ — 60 полей/с ПАЛ — 50 полей/с |
1296×728 |
Спектральная характеристика чернобелой ПЗС-матрицы ICX445ALA приведена
на рис. 11. Все рассмотренные исполнения
микросхем ICX445… оптимальны для построения систем видеонаблюдения высокого
разрешения, позволяющих уверенно идентифицировать объекты наблюдения при низком уровне освещенности и высоком разрешении по горизонтали и вертикали.

Рис. 11. Спектральная характеристика микросхемы ICX445ALA
ICX618AQA
ICX618AQA — цветная ПЗС-матрица стандартного VGA-разрешения, формата 1/4 (диагональ — 4,5 мм), предназначенная для использования в системах видеонаблюдения, сетевых камерах и различных промышленных
приложениях. Микросхема совместима по выводам с прототипами ICX098BQ, ICX614AQA,
по сравнению с ними имеет повышенную
чувствительность и меньший уровень смаза.
Микросхема может быть использована для
модернизации существующих систем видеонаблюдения и других приборов без какихлибо изменений в схемах и конструкциях.
ICX618AQA обеспечивает скорость видеосъемки в режиме прогрессивного сканирования
60 кадров/с (время считывания полного кадра — 1/60 с). Чувствительность к зеленому
цвету и в спектре, близком к инфракрасному, улучшена значительно — за счет применения технологии EXview HAD CCD. Чип
включает электронный затвор, позволяющий
обходиться без механического. Смаз низкий (–110 дБ). Микросхема ICX618AKA отличается применением комплементарного
цветного фильтра (прототип ICX614AKA)
и большей чувствительностью. Черно-белая
ПЗС-матрица ICX618ALA имеет чувствительность на 3,5 дБ больше, чем у прототипа —
ICX614ALA.
Основные параметры микросхемы:
- Размер — 4,5 мм,
размер пикселя 5,6×5,6 мкм. - Общее число элементов — 692×504, 350К.
- Частота управления горизонтальным регистром — 24,54 МГц.
- Напряжение питания — 15 В,
Iпотр. = 6 мА. - Чувствительность (по зеленому цвету) —
не менее 800 мВ. - Уровень насыщения выходного сигнала —
не менее 800 мВ. - Смаз — –110 дБ, неравномерность сигнала
яркости по полю — не более 20%.

Рис. 12. Структура микросхемы ICX618AQA
Структура микросхемы приведена
на рис. 12. Назначение выводов в основном
совпадает с соответствующими назначениями выводов уже рассмотренных микросхем. Типовое включение рассматриваемых
микросхем с комплексным генератором
тактовых импульсов вертикального переноса (CCD Vertical Clock Driver) на микросхеме CXD1267AN приведено на рис. 13.
На рис. 14 приведены временные диаграммы
сигналов на выводах микросхем в масштабе
кадров и в масштабе строк.

Рис. 13. Типовое включение микросхем ICX618AQA/AKA/ALA

Рис. 14. Временные диаграммы сигналов ПЗС-матриц ICX618AQA в масштабе строк и кадров
На диаграммах обозначены следующие
сигналы:
- VD, HD — кадровые и строчные синхроимпульсы. На диаграммах HD обозначены
номера строк ТВ-сигнала, цифрами отмечены точки отсчета диаграмм относительно фронта импульса HD, обозначенного
единицей, и длительности контрольных
интервалов. Единица измерения — период следования импульсов тактового
сигнала CLK, длительность импульсов
HD составляет 78 периодов сигнала CLK
(tи ≈ 3,18 мкс). - V1, V2A/V2B, V3A/V3B, V4 — тактовые импульсы вертикального переноса.
На рис. 15 цифрами обозначено положение
фронтов и спадов импульсов относительно
единицы на диаграмме HD. - OUT — выходной аналоговый сигнал.
Цифрами на диаграмме обозначены номера горизонтальных строк матрицы. - BLK — строчный гасящий импульс ТВ-сигнала.
- CLK — задающий тактовый сигнал для
формирования импульсов H1, H2 и дру-
гих. Частота — 24,54 МГц, Т ≈ 40,75 нс. - Н1, Н2 — тактовые импульсы горизонтального переноса, типовая длительность
импульсов — 14,6 нс. - SUB — тактовые импульсы смещения
подложки. Типовая длительность импульсов — 0,73 мкс.
Основные особенности
и параметры микросхем ПЗС Sony
При выборе ПЗС-матриц для конкретных
приложений неизбежно встает вопрос о совместимости формируемых сигналов с различными стандартами телевизионных или
компьютерных видеосигналов. В случаях,
когда выходные сигналы разрабатываемых
устройств необходимо подавать на мониторы
(или телевизоры) определенных стандартов,
следует выбирать ПЗС-матрицы, формирующие сигналы такого же стандарта. Sony
выпускает ПЗС-матрицы с прогрессивным
сканированием для стандартов 625/50 (используются в системе ПАЛ) и 525/60 (НТСЦ).
Для замкнутых систем, таких как промышленное оборудование, системы видеонаблюдения и охраны, сетевые системы мониторинга и т. п., стандарт выходного сигнала матриц
не критичен. Обычно в замкнутых системах
используют специальные видеомониторы
(входы RGB, HDMI и т. д.) или компьютерные мониторы (VGA, SVGA), способные отображать сигналы обоих стандартов. Для таких
случаев подходят все микросхемы, приведенные в таблице 1. Коротко перечислим основные их особенности и параметры.
ICX285AQ/AL — цветные (AQ) или монохромные (AL) микросхемы формата 2/3 (диагональ 11 мм), обеспечивают высокое разрешение, которое производитель определяет
как четкость неподвижного изображения
в 800 твл (телевизионных линий) в формате 4:3 (по сигналу яркости). Время считывания — 1/15 с, возможна видеосъемка со скоростью 60 кадр/с с разрешением 256 строк
по вертикали. fтакт. = 28,64 МГц, размер пикселя — 6,45×6,45 мкм.
ICX414AQ/AL — микросхемы, которые
обеспечивают поддержку VGA. Время считывания полного кадра 1/60 с, в дополнительных режимах сканирования центральной
части матрицы скорость съемки 120 кадр/с
(222 строки по вертикали) и 240 кадр/с
(76 строк). fтакт. = 24,54 МГц, размер пикселя — 9,9×9,9 мкм.
ICX205AL/AK — время сканирования полного кадра 1/7,5 с. Возможна съемка со скоростью 30 кадр/с (разрешение 256 строк), в режиме с пропусками 2/8, 1/4, 9/12. Эти микросхемы обеспечивают четкость неподвижного
изображения 800 твл. fтакт. = 14,318 МГц,
размер пикселя — 4,65×4,65 мкм.
ICX267AK/AL — четкость неподвижного изображения 800 твл. Возможна съемка
со скоростью 30 кадр/с (512 строк по вертикали). fтакт. = 28,636 МГц, размер пикселя — 4,65×4,65 мкм, скорость считывания
1/15 с. Возможна работа в режимах пропуска
2/4, 3/4, 7/8 при четкости 400 твл.
ICX424AQ/AQB/AL — поддержка VGA.
fтакт. = 24,54 МГц, размер пикселя —
7,4×7,4 мкм. Скорость съемки 60 кадр/с, в режимах сканирования центральной части матрицы — 120 кадр/с (222 строки), 240 кадр/с
(76 строк).
ICX204AK/AL — четкость неподвижного
изображения 600 твл, время считывания —
1/20 с (при fтакт. = 20 МГц), скорость съемки
в режиме с пропусками 1/3 — 60 кадр/с.
ICX445AKA/ALA/AQA — микросхемы
с диагональю 1/3 (6 мм) с межстрочным переносом, полнопиксельным прогрессивным
режимом до 22,5 кадр/с и центрированным
со скоростями 25 кадр/с или 30 кадр/с. Микросхемы могут работать в обоих ТВ-стандартах
(625/50 и 525/60).
Заключение
Компания Sony выпускает значительно
больше типов ПЗС-матриц с прогрессивным
сканированием (и не только), чем приведено
на официальном сайте фирмы. Эта категория
микросхем предназначена для собственной
аппаратуры, своих авторизованных сервисных центров и для поставок другим производителям электронной техники. Техническая
информация на них в свободном доступе отсутствует. Более полная информация по применению рассмотренных в статье микросхем
имеется в их листах данных, можно также
использовать листы данных комплексных
генераторов тактовых импульсов CXD1265R,
CXD1257AR, CXD3611R и других [9].
Литература
- Петропавловский Ю. Особенности применения ПЗС-матриц с межстрочным переносом //
Компоненты и технологии. 2009. № 5. - Прогрессивные и псевдопрогрессивные системы
развертки — http://www.spytek.ru/articles/384/ - Shigeyuki Ochi, et al. Charge-Coupled Device
Technology. Vol 30, CRC Press, 1997 — http://books.google.ru - Лазовский Д. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир — http://www.autex.spb.ru/download/sensors/ccd.pdf
- Неизвестный С., Никулин О. Приборы с зарядовой связью // Специальная техника. 1999. № 4–5.
- http://www.sony.net/Products/SC-HP/pro/image_senser/progressive_scan.html
- Wfine CCD — http://www.sony.net/Products/SC-HP/cx_news/vol11/pdf/wccd.pdf
- CX-NEWS, VOL 44 — http://www.sony.net/Products/SC-HP/cx_news/vol44/np_icx445aka.html
- http://www.alldatasheet.com/