Использование EM-CCD-матриц для телекамер охранного видеонаблюдения

Несмотря на технологическое совершенствование CCD (приборов с зарядовой связью, ПЗС), направленное на улучшение светосигнальной характеристики матриц и создание камер с высокой чувствительностью, шум считывания по-прежнему остается доминирующим фактором, ограничивающим возможности использования ПЗС для ночного видения.

Развитие технологий ПЗС

Шумом считывания называется шум, который имеет место даже при отсутствии светового сигнала на матрице. Величина типичного шума считывания для хороших образцов ПЗС составляет 15-20 электронов. Это значение является критичным, так как при низкой освещенности оно сопоставимо с квантовой эффективностью матрицы. "Обнаружить" сигнал ниже уровня шума считывания матрицы возможно с помощью различных специальных методов или технологий. Наиболее распространенным из них является метод интеграции заряда. За счет увеличения времени накопления заряда сигнал становится больше, чем шум считывания. Однако данный метод (часто называемый "медленным затвором") не лучшее решение для телекамер, используемых в CCTV, - он дает характерный "смаз" изображения движущихся объектов. Сегодня некоторые производители камер для систем охранного видеонаблюдения обратили внимание на технологию электронного умножения в ПЗС, реализованную в матрицах EM-CCD. Принцип работы таких матриц заключается в увеличении количества единичных электронов, возникающих в них при низкой освещенности, для достижения высокого значения квантовой эффективности.

Появилась возможность создания видеокамер, способных формировать изображения объектов при ультранизких уровнях освещенности без сокращения времени экспозиции матрицы.

CCD и EM-CCD

Структура EM-CCD схожа со структурой обычного ПЗС с кадровым переносом (Frame Transfer CCD) (рис. 1). Накопление зарядов происходит в секции I попеременно в течение формирования нечетного и четного полей. Во время обратного хода после каждого полукадра заряды выводятся в секцию хранения II. Затем секция накопления воспринимает новый объем информации, а из секции хранения заряды выводятся построчно в выходной регистр для считывания. Однако, в отличие от CCD, именно в этой точке EM-CCD имеет регистр умножения, где на каждый электрод подается более высокое напряжение (до 50 В), чем на электроды передачи заряда. Такое напряжение вызывает ионизационный эффект - возникает случайная электронно-дырочная пара. И хотя вероятность ее возникновения крайне низка - не более 1,6% для каждого перехода в регистре умножения, за счет большого числа переходов происходит увеличение числа электронов. Умножение заряда рассчитывается по формуле: M=(1+g)N, где g - вероятность возникновения электронно-дырочной пары при переходе в регистре умножения, N - число переходов. Типичное число переходов равняется 400-600. Таким образом, умножение сигнала делает шум считывания некритичной величиной, и квантовая эффективность EM-CCD оказывается значительно выше эффективности CCD в спектре 450-750 нм, а следовательно, чувствительность телекамер на EM-CCD на порядок выше чувствительности моделей на обычных ПЗС. Так, характерные значения минимальной освещенности для телекамеры с EM-CCD формата 1/2" при скорости затвора 1/50 с в режиме цветного изображения составляют 0,008 лк (F1.2, 50IRE), в режиме монохромного изображения -0,0005 лк (F1.2, 50IRE).

Ложка дегтя в бочке с медом

При всей своей привлекательности технология EM-CCD имеет ряд недостатков, сдерживающих ее распространение.

В первую очередь - это цена сенсора. Телекамера на EM-CCD стоит на порядок дороже, чем камера на обычном ПЗС. CCD-камера по чувствительности не может соперничать с камерами с матрицей с электронным умножением, и при всей уникальности тепловизионной техники она существенно дороже EM-CCD-камер, но не обеспечивает необходимого уровня детализации, принятого в CCTV.

Однако технология совершенствуется и стоимость камер снижается. Существуют и технические нюансы. Дело в том, что вероятность g зависит не только от напряжения на электродах регистра умножения, но и от температуры сенсора. Стабильность этих двух факторов влияет на эффективность электронного умножения. Из графика (рис. 2) видно, что снижение температуры сенсора на 70 °С дает 10-кратное умножение заряда. Сенсор необходимо охлаждать для получения высокого значения умножения. Для этого используется элемент Пельтье, обеспечивающий понижение температуры на 30 °С.

Поддержание постоянного высокого напряжения на электродах регистра умножения сокращает жизненный цикл EM-CCD-матрицы, делая его меньше, чем у обычного ПЗС. Высокое напряжение отражается и на энергопотреблении устройства. Среднее значение мощности потребления EM-CCD-камеры - 18-20 Вт.

Также на срок эксплуатации этих устройств влияют сильные засветки и высокая яркость освещения. Производители EM-CCD-камер для CCTV рекомендуют использовать качественную оптику с автодиафрагмой, обладающую высоким значением F-stop, и не направлять камеру напрямую на солнце и другие яркие источники света.

Возможности и область применения EM-CCD-камер

Уникальная чувствительность этих камер нашла применение в первую очередь в различных областях науки - в астрономии, медицине. На рынке безопасности камеры с электронным умножением появились несколько лет назад и получают все большее распространение благодаря интересу со стороны силовых ведомств. EM-CCD-камеры активно используются для охраны государственной границы, аэропортов, мостов и туннелей.

По своим функциональным возможностям EM-CCD-камера ничем не отличается от современных телекамер на CCD с цифровой обработкой сигнала. Применяются технологии дополнительного повышения чувствительности и качества изображения, присущие CCTV-камерам, - режим "день/ночь" с использованием сдвигаемого ИК-фильтра, "медленный затвор", подавление шума. Таким образом, значение минимальной освещенности в режиме интеграции заряда 128х составляет 0,00006 лк (F1.2).

Благодаря цифровым процессорам обработки сигнала в EM-CCD-ка-мерах реализованы следующие функции: OSD-меню, титры, детектор движения, зоны маскирования, цифровое масштабирование изображения. Настройка и управление EM-CCD-камерой осуществляется с помощью клавиш на тыльной стороне или по витой паре (интерфейс RS-485). Необходимо отметить, что не существует каких-либо специфических климатических требований по эксплуатации камер с электронным умножением. Подобно CCD-камере стандартного дизайна без объектива, для EM-CCD-камеры необходимо обеспечить окружающую температуру в диапазоне -10...+50 °С и влажность 20-80%. Телекамеры с электронным умножением для систем охранного видеонаблюдения имеют умеренные габариты, и для установки на улице можно использовать различные термокожухи, представленные на рынке CCTV.

Источник: Журнал "Системы безопасности" #4, 2009