Перспективы использования современных матриц высокого разрешения в оптико-электронных станциях

В настоящее время наиболее важно раз-виватьотечественныевысокие технологии по причине напряженной международной политической обстановки, приведшей к антироссийским санкциям практически во всех областях. В свое время СССР обладал передовыми технологиями, применяемы-мив производстве матриц с высокой разрешающей способностью.

Матрицы с высокой разрешающей способностью применяются воптико-электронных измерительных средствах.

Матрица представляет собой установленную за объективом камеры пластину, на которой находятся мегапиксели и сосредотачивается световой луч.

Разрешение матрицы – это число пикселей, составляющих изображение, то есть, размер кадра. Более высокое разрешение обеспечивает его более высокую четкость. Измеряют его общим числом пикселей.

В настоящее время современные матрицы, используемые при создании датчика изображения в камере, разделяются на 2 типа – это CCD-матрицы и CMOS-матрицы [1].

Оба типа матриц выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. CCD является аналоговым устройством. Когда свет падает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение сигнала. Далее электрический потенциал усиливается за пределами светочувствительных сенсоров.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами. С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Происходит оцифрование каждого пикселя в отдельности, что дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

К основным преимуществам CCD матриц относятся низкий уровень шумов и высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая чувствительность, позволяющая передать яркость объектов реальной сцены [1].

Недостатками CCD матриц являются [1]:

• -    сложный принцип считывания сигнала (технология);

• -    высокий уровень энергопотребления;

• -    стоимость изготовления в 5 раз большая, чем у CMOS-матриц;

• -    меньший показатель максимальной частоты смены кадров в секунду.

Лежащий в основе CCD принцип последовательного считывания зарядов по ячейкам не способен обеспечить достаточ- ную производительность, необходимую для современных устройств регистрации видеопотока, в частности видеокамер, используемых в настоящее время для решения повседневных задач, таких как наблюдение за быстродвижущимися объектами на городских автомобильных дорогах и автострадах. Все это делает данную технологию неконкурентоспособной и малопригодной для задач, решаемых в системах видеонаблюдения.

Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы [1].

Преимущества CMOS матриц [1]:

• -    высокое быстродействие (до 500 кадров/с);

• -    низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению c CCD);

• -    стоимость изготовления в 5 раз меньше, чем у CCD-матриц;

• -    перспективность технологии, заключающегося в ускоренном формировании цифрового изображения.

К недостаткам CMOS матриц относятся [1]:

• -    низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%, остальное занимают транзисторы);

• -    высокий уровень шума, борьба c которым усложняет и удорожает технологию;

• -    меньшая, чем у CCD-матриц чувствительность, что препятствует передаче яркости объектов реальной сцены.

Современные технологии позволили практически сравняться по параметру светочувствительности CCD и CMOS-матрицам.

Высокочувствительные CMOS-матрицы могут успешно конкурировать с CCD-матрицами практически по всем параметрам, в частности цене, чувствительности и уровню шума. CMOS-матрицы основаны на размещении транзисторов и конденсаторов непосредственно на каждом пикселе матрицы. Такое расположение элементов положительно влияет на ускоренное формирование цифрового изображения по причине создания электрического сигнала непосредственно в матрице, что обеспечивает большую частоту смены кадров, и позволяет получать большее количество информации.

В настоящее время съемка с целью определения угловых координат производится при помощи CCD-матриц KAI 4022, применяемых в измерительных средствах [2]. Такие матрицы производят в России, в частности компанией «Видеоскан» [3]. Максимальная разрешающая способность составляет 2048*2048 пикселей, т.е. 4 Мп. Размер пикселя составляет 7,2x7,2 мкм [2].

Чем пиксель больше, тем большее количество света он может собрать, тем выше светочувствительность матрицы. От этого параметра зависит и количество шумов на готовых кадрах. При этом матрица должна иметь достаточный физический размер. При недостаточном размере матрицы проявляется эффект – дифракция – резкость кадра теряется по причине малого количества света, попадающего на матрицу. Таким образом, необходимо добиваться идеального сочетания размера пикселя и физического размера матрицы для создания наиболее качественного изображения.

В России технологии позволяют производить матричные светочувствительные приборы по технологии CMOS с обратной засветкой с переносом заряда с четырьмя независимыми секциями, объемным каналом, и числом пикселей 4096x4096, т.е. 16Мп. Фоточувствительное поле прибора имеет 4 независимых секции накопления, которые могут работать в режиме импульсного и непрерывного освещения. Такая матрица обладает высокой светочувствительностью, разработана «ЦНИИ» «Электрон». Размер пикселя составляет 11x11 мкм [4].

Сферы применения CMOS и CCD-матриц отличаются. CMOS-матрицы показывают высокую эффективность при наблюдении за объектами, передвигающимися с большой скоростью, например, на автомобильных дорогах и автострадах. Устройства с CMOS-матрицами отличаются тихой работой и компактными размерами.

CСD-матрицы лучше проявляют себя при недостатке освещенности и устойчивы к температурным колебаниям, что критически важно при использовании в измерительных средствах, располагаемых в большинстве своем в местах с неблагоприятным климатом. Также их шумность, большие размеры не оказывают влияния на использование в измерительных средствах, в связи с расположением таких в удаленных районах и на крышах технических зданий.

Формат матриц зависит от фокусного расстояния и принимается равным 1/f, где f-фокусное расстояние [5]. Изготовление матриц большого формата является сложным технологическим процессом, направленным на изготовление небольшого количества экземпляров для использования исключительно в измерительных средствах. В современных измерительных средствах используется CCD-матрицы формата 1/80" и 1/121,6" [2], с минимальным количеством шума, полным заполнением пикселов, что позволяет создавать четкие кадры даже при съемке в сумраке, в дождливую погоду и т.д.

Также стоит отметить характерный недостаток современных оптикоэлектронных измерительных средств, который заключается в проведении измерений при помощи нескольких каналов, что приводит к необходимости внесения некоторых существенных поправок (наклон матриц широкоугольных каналов, смещение главной точки снимка и т.д.). При использовании объектива и матрицы большого формата количество и объем проведения калибровочных работ снижается за счет исключения различных погрешностей многоканальных средств оптических измерений, таких как:

• -    тепловое расширение (сжатие) неоднородных материалов, из которых изготовлен теодолит (поскольку материалы разные, определение поправок при помощи математического аппарата затруднительно и возможно только при практической работе изделия);

• -    колебания различного характера, приводящие к микроскопическому смещению визирных осей камер одного теодолита.

При использовании объектива большого размера с большим радиусом кривизны происходит уменьшение аберраций по краям и повышение информативности кадра, что приводит к увеличению точности получаемой в результате обработки информации.

Российские компании имеют не такую длинную историю существования, как зарубежные, но благодаря усердной работе приближаются к передовым компаниям-разработчикам высокочувствительных матриц, в частности компания АО «ЦНИИ» «Электрон» [4], которая способна производить матричные светочувствительные приборы по технологии CMOS.

Матрицы, изготовленные по технологии CMOS, имеют преимущество в скорости работы, поскольку позволяют считывать данные сразу со всех светочувствительных элементов, низкую стоимость изготовления и меньшее энергопотребление, в настоящее время задействованы в аппаратуре регистрации видеопотока. Учитывая развитие оптико-электронных систем, в перспективе возможно создание измерительной аппаратуры, способной снимать объекты измерений при помощи CMOS-матриц, имеющих большую частоту смены кадра, чем у CCD-матриц, что увеличит точность проводимых измерений. Низкое энергопотребление CMOS-матриц позволит использовать автономные источники питания в аппаратуре оптико-электронных станций, что определит создание перебазируемых средств измерений.

Использование перебазируемых средств измерений повысит их защищенность и позволит создавать наиболее эффективную конфигурацию средств под каждый объект измерений.

Вывод:

Необходимо дальнейшее развитие матриц, изготовленных по системе CMOS, увеличение их разрешающей способности до мировых аналогов, дальнейшее повышение светочувствительности, снижение уровня шума и чувствительности к температурным колебаниям. Повысится частота смены кадров, что окажет положительное влияние на качество принимаемой измери- тельной информации, использование данного типа матриц приведет к удешевлению измерительных средств в целом, что позволит перераспределить средства на другие необходимые цели.

Меньшее энергопотребление CMOS-матриц приведет к возможности развития измерительной аппаратуры с автономными источниками питания, что в свою очередь позволит развивать перебазируемые оптико-электронные средства измерений – более защищенные от средств воздей- ствия. Наличие перебазируемых оптикоэлектронных средств измерений позволит создавать наиболее эффективную конфигурацию под каждый объект измерений.

Также необходимо рассмотреть возможность о создании одного большого объектива вместо многоканальных средств оптических измерений для уменьшения аберрации по краям и повышения информативности кадра, а также для уменьшения факторов, влияющих на точность получаемой измерительной информации.