Что такое пзс в строительстве
ПЗС линейка: с чем ее едят
В этой статье я хочу представить свой опыт по использованию линейного ПЗС-фотоприемника. Такая ПЗС-линейка может быть использована в проекте самодельного спектрометра, считывателя штрих-кодов, датчика положения или отклонения лазерного луча, сканера для фото- или кинопленки и много где еще. В моем случае это был лазерный сканер, описывать который в сети мне не позволяет сфера его применения.
Что такое прибор с зарядовой свзью
Чаще всего, когда говорят о ПЗС, имеют в виду различные фотоприемники. Реже — это устройства памяти: регистры сдвига, линии задержки. По своей сути это устройство, чем-то напоминающее память на цилиндрических магнитных доменах, только на кремнии — с помощью создаваемой системой электродов бегущей волны электрического поля по полупроводнику перемещаются сгустки носителей заряда, каким-либо образом образовавшиеся в нем ранее. Таким образом, мы получаем регистр сдвига, имеющий предельно простую структуру и способный запоминать не только последовательность цифровых единиц и нулей, но и аналоговый сигнал.
В ПЗС-приемниках изображения используется как раз вот эта способность данной структуры — последовательно выводить один за другим заряды, накопленные под каждым из пикселов структуры. Кроме того, та же система затворов, что используется для перемещения зарядов, во время экспонирования создает потенциальные ямы, в которых эти заряды накапливаются (либо эти ямы создаются в процессе формирования структуры — подобно встроенному и индуцированному каналам МОП-транзистора). Более сложные структуры включают в себя резистивный затвор, вдоль которого формируется плавный потенциальный склон (так устроены ПЗС-линейки Hamamatsu S11155)., а также разделение зон накопления и переноса зарядов — накопленные заряды всей строки сначала переносятся в буферную строку, а затем уже последовательно выдвигаются на выход вдоль последней.
Простота внутренней структуры выливается в сложность управления ею. Даже простейший вариант ПЗС-линейки требует генерировать двух-или трехфазный сигнал сложной формы с различными уровнями напряжения с крутыми фронтами (при высокой входной емкости, составляющей 1000 и более пФ), сдвинутыми друг относительно друга. Линейки типа Hamamatsu S11155 требуют аж восьми разных сигналов с различными уровнями напряжений высокого и низкого уровня по обе стороны нуля.
К счастью, некоторые фирмы (например, Sony) выпускали линейки, в которых вся эта сложность формируется прямо на кристалле. И для их работы нужно сформировать всего два сигнала: открывающий электронный затвор на время экспозиции, и тактовый. В нашей конструкции именно такая линейка ILX554: ее (как правило, б/у, но вполне работоспособную) несложно приобрести у китайцев на Aliexpress.
Заглянем в даташит
И видим, что из 22 выводов корпуса задействованы лишь 6. Это питание +5В, входные сигналы ROG и CLK, выходной сигнал Vout, вход выбора режима SHSW и земля. И это все.
ROG — это управление электронным затвором (и запуском переноса заряда с фоточувствительной строки на непосредственно сдвиговый регистр). У него активный уровень — нулевой. Чтобы проэкспонировать матрицу, его надо прижать к нулю и подержать, сколько надо — от 5 мкс до нескольких секунд. А потом, отпустив, подождать не меньше 3 мкс (за это время отрабатывает схема переноса заряда). Все это время на входе CLK мы держим высокий уровень. А затем можно считывать линейку, подавая на вход CLK меандр частотой от нескольких десятков килогерц до 2 МГц. При этом при каждом перепаде с единицы в ноль очередной пиксел будет выталкиваться на выход. Таких пикселов в линейке 2088 штук, из них рабочих, светочувствительных — 2048 (реально — на несколько штук больше, но крайние пикселы частично затенены). Даташит рекомендует подавать на матрицу не менее 2090 импульсов CLK для корректной работы.
А как он будет выталкиваться, зависит от того, что на входе SHSW. Если на нем — логическая единица, то на выходе будет получаться довольно замысловатый сигнал:
Причем при переходе CLK из нуля в единицу происходит сброс, а из единицы в ноль — выдача полезного сигнала.
А при нуле на входе SHSW включается встроенная схема выборки-хранения, которая упрощает этот сигнал до простого ступенчатого видеосигнала, где с каждым новым переходом CLK в ноль просто появляется уровень сигнала очередного пиксела и удерживается в течение всего периода сигнала CLK.
Полезный диапазон выходного сигнала идет от некоего темнового уровня, который по данным даташита составляет 2,85 В, а в реальности он может быть различным (в моей линейке — около 3 В), а при насыщении уровень выходного сигнала падает до 1,5-2 В.
В общем-то и все, что нам нужно про эту линейку знать.
Она проста и очевидна. Сигналы CLK и ROG мы генерируем программно с помощью МК, а триггеры Шмитта на входе — простейший способ перейти от 3,3 В к 5 В. Дело в том, что по этим входам в линейке нет никаких буферов, и для корректной работы внутренних схем матрицы нужно подать на них меандр с полным размахом от нуля до пяти вольт и хорошей крутизной фронтов. Указанные на схеме NC7SZ14M5X — очень удобные одиночные инвертирующие триггеры Шмитта с крутыми фронтами и повышенной нагрузочной способностью, и я их часто использую в своих проектах.
С помощью DA1 уровень видеосигнала с линейки «разгоняется» до диапазона, в котором работает АЦП, одновременно убирается «подставка» величиной примерно 1,5 В, соответствующая уровню насыщения. Так как у разных экземпляров ПЗС-линеек достаточно сильно разнятся размах сигнала и величина «подставки», сопротивления R1 и R3 следует подобрать, «уложив» выходной сигнал в необходимый диапазон. При этом нужно учесть, что от сопротивления R1 зависит не только смещение, но и усиление, поэтому сначала нужно подбирать его.
L1 и L2 — ферритовые бусины или маленькие дроссели на 1-2 мкГ типоразмера 0805 или 0603. Резисторы и конденсаторы применены того же типоразмера. Схема собрана на двусторонней плате поверхностным монтажом. Разводку платы не привожу, так как у меня на ней еще много чего.
Программная реализация на МК
Задачей МК является формирование сигнала ROG высокого уровня (не забываем про инверторы!) нужной длительности, затем — небольшой (3-10 мкс) паузы, а после нее — последовательности из 2090 импульсов высокого уровня, разделенных равными им по длительности паузами. Во время этих импульсов (или пауз) через некоторое время после фронта значение освещенности пиксела снимается с помощью набортного или внешнего АЦП. После считывания кадра нужно также сделать паузу до нового импульса ROG — те же 3-10 мкс. После включения питания и, как выяснилось, после долгого (больше 100 мс) неиспользования линейки ее нужно «прочистить», подав вхолостую стандартную серию импульсов на CLK пару-тройку раз.
На STM32 это все разумно сделать на прерывании от таймера. Настроив таймер на генерацию прерываний частотой, соответствующей удвоенной частоте пикселов, мы каждое срабатывание таймера попадаем в прерывание, где попеременно выводим в порт ноль или единицу, и когда выводим ноль, после этого считываем показания с АЦП. И отсчитав 2090 циклов, мы останавливаем таймер. Чтобы считать очередной кадр, нужно сбросить счетчик циклов в ноль, запустить таймер и ждать, пока не считается все.
Примерно вот так, как приведено в данных фрагментах кода.
И вот результат
Результат неплохой. Несмотря на то, что встроенный АЦП не блещет характеристиками, его шумовые характеристики вполне соответствуют шуму ПЗС-линейки. Размах шумовой дорожки темнового сигнала при времени накопления около 1 мс оказывается равен
3-4 уровням квантования и при использовании внешнего 14-разрядного АЦП с прекрасными характеристиками результаты получаются лишь немногим лучше. С ростом же освещенности шумы растут по простой причине: количество фотоэлектронов в каждом из пикселов не так велико (по моим расчетам — около 30 тысяч при насыщении). У лучших приборов эта величина достигает 200 тысяч.
На графике ниже — пример зарегистрированного линейкой «изображения», на котором на фоне освещенной стены стоит темный стенд, на котором закреплен стеклянный полый шарик диаметром 1 см, залитый внутри черным раствором. Пик — это отражение от внешней поверхности этого шарика. Шум на светлых участках — это структура самой стены, усиленная спеклами от лазера, от кадра к кадру он остается неподвижным. Реальный шум линейки значительно меньше.
Другие похожие линейки
Совершенно аналогично работают и некоторые другие 2048-пиксельные черно-белые ПЗС-линейки фирмы SONY — ILX511, ILX551 (у последней отличается цоколевка и ей требуется два напряжения питания — 5 и 9 В), отличающиеся поперечным размером пиксела (от 14 до 200 мкм) и спектральной чувствительностью (ILX554A красно- и ИК-чувствительная, аналогичная с индексом B имеет пониженную чувствительность в ИК области и приближена по чувствительности к глазу, а ILX511B более синечувствительная). Разные у них и динамические характеристики: у ILX551B динамический диапазон за счет малых размеров пиксела достигает 6000 (наша линейка достигает такого ДД при коротких выдержках около 10 мкс).
* * *
В данной статье рассмотрено подключение едва ли не самой простой в использовании ПЗС-линейки. Простота эта обусловлена тем, что вся сложность спрятана у нее под капотом. Если бы не встроенные драйвера, пришлось бы формировать множество разноуровневых сигналов.
К сожалению, по современным меркам, такие ПЗС-линейки со встроенными драйверами имеют не самые лучшие характеристики. Так, у данной линейки динамический диапазон, определенный, как соотношение сигнала насыщения к темновому сигналу, составляет 333:1, а определяемый, как отношение сигнала насыщения к минимальному обнаружимому на фоне шума сигналу — около 1000:1. Но такие приборы не только сложны в использовании, но часто и труднодоступны (та же Hamamatsu требует при покупке ее ПЗС-линеек и других фотоприемников сложных бюрократических формальностей в связи с двойным назначением этих изделий). Вместе с тем, далеко не всегда требуются столь высокие характеристики, и для многих целей параметры данных приборов вполне приемлемы.
Что такое пзс в строительстве
Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.
Начнем с расшифровки термина.
Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.
Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?
Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.
Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.
Кратко о физике процесса.
Рис. 1
Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору
Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если она «глубже». 
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.
Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.
Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.
Рис. 5.
Вид на регистр «сверху».
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.
Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.
Проблемы
Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.
Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.
В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)
Как работает система AGC
Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).
Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.
Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.
Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).
Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.
Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.
Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль «Error Diffusion», в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.
Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»
Пример распечатки профиля:
За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.
Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red), зелёного (Green), синего (Blue) или жёлтого (Yellow), пурпурного (Magenta), бирюзового (Cyan). А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ
Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.
Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).
На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.
Для пикселя присущи следующие характеристики:
УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА
ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p + ), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.
Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).
Классификация ПЗС-матриц по цветности:
Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:
Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:
Матрицы с полнокадровым переносом (англ. full-frame).
Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer).
Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer).
Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline).
НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ
ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ
Геодезическая разбивочная основа (ГРО)
Содержание
Геодезическая разбивочная основа (ГРО) – это совокупность закрепленных на местности точек тех сетей, которые находятся на участке застройки и используются в строительстве. Это могут быть и пункты ГГС, и опорные или съемочные сети.
Зачем нужна ГРО
ГРО в строительстве делают обязательно. Ее построение регламентирует СНИП 3.01.03-84. На основе разбивочной сети выносят проект в натуру. Кроме того, она решает и другие задачи:
В зависимости от назначения участка, разбивочная основа может решать и другие, более узкие задачи.
Что входит в ГРО
Основа документации – это чертеж ГРО, к которому прилагают пакет документов:
В пояснительной записке указывают информацию о том, с какой точностью необходимо проводить измерения на объекте.
ГРО – это один из основных документов, которые подготавливают в ходе инженерно-геодезических работ, но не единственный. Теодолитные и нивелирные сети, которые входят в основу дальше применяют для построения разбивочных сетей тех объектов, которые находятся внутри стройплощадки. Пакет чертежей из разбивочных сетей необходим для выноса проекта в натуру. На их же основе проводят и детальные разбивочные работы. В ходе строительства геодезисты вновь обращаются к ГРО, так как этот документ будет основой для проведения исполнительных съемок.
К сетям привязывают оси строительных объектов. Поэтому при их построении очень важно соблюдать, чтобы оси сетки были строго параллельны осям ОКСов.
Особенности построения
Виды ГРО
При построении геодезических сетей используют разные методы:
Места, где заложены геодезические знаки, указывают на генеральном плане и на рабочих чертежах.
Подготовительный этап
На этом этапе геодезисты изучают картографические материалы и проектную документацию. Данные, включенные в эти документы, необходимы для того, чтобы подготовить рабочий чертеж. Обязательно изучается расположение пункты опорной геодезической сети. Именно к ним будут привязаны пункты геодезической основы. Такая привязка обеспечивает необходимую точность.
На рабочем чертеже отображают элементы, которые нужно перенести в натуру. Основой для разработки такой схемы будет генплан участка застройки. В районах с плотной застройкой учитывают расположение и запроектированных, и уже существующих ОКСов, расположенных рядом с застраиваемым участком.
Во время подготовки рабочего чертежа геодезисты учитывают разные факторы:
Нивелирные разбивочные сети
Нивелирные или высотные разбивочные сети необходимы для того, чтобы вынести в натуру отметки и закрепить их реперами. Обычно для их построения используют два метода:
С помощью реперов закрепляют пункты основы. При этом они должны быть размещены таким образом, чтобы любую отметку высоты можно было передать на объект с двух или более знаков.
Второе важное требование, которое должно соблюдаться при построении нивелирных сетей – видимость между смежными знаками. Когда измеряют направления или углы с помощью визирного луча, он должен проходить не ниже полуметра от поверхности грунта или объектов на площадке.
Закладка нивелирных знаков также подчиняется ряду требований:
При любых замерах в строительстве важно соблюдать определенную точность. Она может отличаться в зависимости от особенностей стройплощадки и ОКСа, но всегда должна быть в пределах допустимых погрешностей.
Вынос в натуру
В большинстве случаев проект выносят в натуру ПОС методом полярных координат. С помощью этого метода определяют исходное направление. Потом от него создают разбивочную сетку. Геодезическая сеть выглядит как пересекающиеся между собой оси, которые образуют прямоугольники. В зависимости от проекта они могут иметь разную длину сторон.
В точках пересечения осей геодезисты устанавливают знаки. Помимо осей и знаков, обозначающих точки их пересечения, в ГРО входят:
Все они необходимы для регулирования точности строительства. При создании ГРО геодезисты должны позаботиться о сохранности знаков и линий. Для этого еще на стадии планирования они оценивают влияние погодных, климатических и других условий.
Так как к точности и правильности построения геодезической разбивочной сети предъявляют жесткие требования, ее параметры надо контролировать на каждом этапе работ. Для этого делают исполнительную съемку. Все результаты проверки затем будут внесены в исполнительную документацию по проекту.
Перед началом строительства ОКСа
Построение ГРО регламентируют строительные нормы. По ним основа должна быть готова за 10 дней до того, как на объекте начнутся строительные работы. До того момента, пока строители не получат все документы на ГРО и опорные пункты, стройку начинать нельзя. В документации для строителей указывают:
Главные оси закрепляют не для всех объектов. Обычно это делают для ОКСов со сложной конфигурацией.
После того, как геодезическая основа подготовлена, ее принимают и оформляют приемку актом. Во время строительства нужно обеспечить сохранность знаков осей. Весной и осенью их нужно проверять с помощью геодезических инструментов.