Небольшое, и на первый взгляд простое, привычное устройство, которое есть практически у каждого владельца компьютера (ноутбука, планшета, мобильного телефона), с помощью которого мы можем видеть и общаться друг с другом в режиме реального времени, находясь в разных уголках планеты. При покупке данного устройства многие просто теряются - огромный выбор производителей веб-камер, различных как по дизайну, так и по характеристикам. Но объединяет их одно, и в первую очередь то, что это камера.

Веб-камера Sven CU 1.1

Как все камеры, веб-камера состоит из объектива и ПЗС-матрицы (сокращенно «прибор с зарядовой связью») – аналоговая интегральная микросхема, на основе кремния, имеющая светочувствительные фотоэлементы. Третьим, немаловажным элементом веб-камеры, является вычислительный процессор, на который возложены многие функции, в том числе операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения. Разобрав веб-камеру можно увидеть все перечисленные выше составляющие. Для примера я разобрал веб-камеру «Sven CU 1.1», не дорогую и в принципе неплохо подходящую для общения по скайпу. Вот основные характеристики «Sven CU 1.1» - тип матрицы CMOS (1/4”), фокусное расстояние 3.85 mm, 10 кратный цифровой зум, частота кадров до 30, видео разрешение 640х480 пикселей (при 20 кадрах/секунду), объектив 6 mm, угол обзора 62 градуса, разрешение изображения до 1,3 Мп, интерфейс USB 1.1, имеет встроенный микрофон, разъемы USB + 3,5 Jack (для подключения микрофона), длина кабеля 1,5 метра. Подсветка, состоящая из 6 светодиодов, моментально срабатывает при слабом освещении, и выключается при достаточном.

Плата веб-камеры без объектива

В первую очередь, после разбора веб-камеры, привлекает внимание и вызывает интерес ПЗС-матрица. Что значит – тип матрицы CMOS (КМОП)? Аббревиатура CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) в переводе с английского – Комплементарный Металло Оксидный Полупроводник. Это технология изготовления CMOS сенсоров основанная на сверхвысоком уровне интеграции, который объединяет все функции электроники видеокамеры, на одной интегральной схеме. Аналого-цифровой преобразователь, логическая схема синхронизации, контроль экспозиции и др., совмещены с сенсором образуя завершенную однокристальную микросхему. Сенсор состоит из светочувствительных фотоэлементов – пикселей, которые генерируют электроны, пропорционально количеству света падающего на область формирования изображения. Зарядовые пакеты – как только они сформировались в фотоэлементах матрицы – «стекают» на выходной каскад, для преобразования аналогового видеосигнала в цифровой.

Разрешение - это свойство системы показывать мелкие детали изображения. Чем выше разрешение, тем четче изображение, тем больше деталей мы видим. ПЗС-матрица является двумерной, состоящей из элементов изображения - пикселей, разрешающая способность матрицы зависит от количества пикселей. Уменьшение размеров пикселя в матрицах, снижает минимальную освещенность матрицы, поэтому поверх каждого пикселя помещается микролинза. Микролинза концентрирует весь падающий свет на маленькую область, на пиксель, и увеличивает минимальную освещенность.

ПЗС-матрица и сенсор

Для того, чтобы уменьшить шумы на изображении, чтобы не возникал вертикальный ореол и не пропадали мелкие детали картинки, в ПЗС-видеокамерах применяются специальные оптические инфракрасные отсекающие фильтры. Эти фильтры представляют оптически точные плоскопараллельные пластинки, устанавливаемые сверху ПЗС-матрицы (с обратной стороны объектива веб-камеры). Немного теории: Красный и инфракрасный свет имеет более длинные волны, они глубже проникают в кремниевую структуру ПЗС-матрицы. Такие волны могут быть настолько сильны, что могут генерировать электронные носители в зонах, которые не должны подвергаться воздействию света. Также может быть затронута масковая зона, предназначенная для временного хранения зарядов, и не предназначенная для засвечивания. Для устранения побочных эффектов связанных с этим и применяют оптические отсекающие фильтры, они ведут себя как оптические низкочастотные фильтры, с частотой среза 700нм вблизи красного цвета.

Оптический инфракрасный отсекающий фильтр

Процессор веб-камеры обеспечивает необходимую компрессию данных для передачи их по USB-интерфейсу, а также выполняет целый ряд других функций, без которых веб-камера просто не смогла бы выполнять свое предназначение. По сути это вычислительное ядро устройства. Помимо сжатия, процессор выполняет функции по обеспечению масштабирования, поддержки режима ожидания, усиления сигнала, автоматический баланс белого, встроенный веб-сервер, видеобуфер, контроль питания и многое другое (в зависимости от предназначения и характеристик веб-камеры).

"Мозг" веб-камеры, процессор SN9C120BFG

Казалось бы, "обычное устройство", есть и посложней, а сколько разных и сложных технологий при его изготовлении. P.S. Увеличенные фотографии были сделаны самодельным микроскопом из все той же веб-камеры, прочитать можно здесь.

Выводы ножек и контактные площадки при увеличении

Автор статьи  Nikky Reflektor