Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
Подобные многофункциональные модули могут служить основой оптико-электронных систем обработки изображений различного назначения. При этом проблема создания каждого нового прибора или системы практически сводится к разработке специальной оптической схемы и соответствующего программного обеспечения.
Параметры и характеристики ФПЗС. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности ФПЗС (А/Вт) в основном определяется квантовой эффективностью полупроводникового материала
Sa6c (X) = л (*) eX!(hc), (6.21)
где т} (X) — квантовая эффективность; е — заряд электрона; h — постоянная Планка; с — скорость распространения оптического излучения.
Выражение (6.21) представляет собой зависимость от X отношения приращения тока накопления при фотогенерации зарядов к приращению потока оптического излучения.
Для большинства серийных ФПЗС на основе кремния спектральный диапазон чувствительности находится в пределах 0,4—
1,1 мкм.
Обеспечить чувствительность ФПЗС в более длинноволновой ИК-области спектра можно на основе создания гибридных структур, в которых секцию накопления выполняют на основе полупроводникового материала, чувствительного к заданному участку спектра, а регистр переноса — на основе кремния. Однако технология изготовления гибридных ФПЗС значительно сложнее, что ограничивает возможности создания фотоприемников с большим: числом элементов.
193
Поскольку ФПЗС является многофункциональным прибором с накоплением зарядов, его интегральную чувствительность в общем случае следует определять как отношение приращения напряжения (тока) выходного сигнала к приращению экспозиции оптического излучения заданного спектрального состава [В/(лк-с), А/(лк-с)]. При заданном времени накопления Тв интегральную чувствительность можно определить как отношение приращения напряжения (тока) выходного сигнала к приращению освещенности заданного спектрального состава на фоточувствительном элементе (В/лк, А/лк).
Второй способ определения интегральной чувствительности часто используют, когда матрица ФПЗС выполняет роль аналога телевизионной передающей трубки и работает при стандартном времени накопления 20 мс. Благодаря хорошей линейности световой характеристики ФПЗС в рабочем диапазоне экспозиций интегральную чувствительность, выраженную через освещенность для времени накопления 20 мс, можно легко пересчитать для другого времени накопления
Stsa т (Гн) = Shht (20 ма)Тн/20,
где Тн — рабочее время накопления, мс.
Рабочий диапазон экспозиций ограничен сверху максимальной экспозицией насыщения Яна0, лк-с, а снизу пороговой—экспозицией #пор, лк-с. При этом следует иметь в виду, что #нас и #ПОр являются фиксированными параметрами только при вполне определенных условиях работы ФПЗС (например, при его использовании в качестве формирователя стандартного видеосигнала при времени накопления 20 мс). В общем случае они зависят от температуры кристалла, времени накопления, частоты опроса элементов и других условий, влияющих на уровень темнового фонового заряда и внутренних шумов. С Ннас и НПоР непосредственно связаны такие параметры, как максимальное напряжение выходного сигнала Uc max и пороговое значение выходного сигнала Uс, пор*
?/с max == нао> U с. nop = пор>
где S(ujh) —• интегральная чувствительность, выраженная через экспозицию оптического излучения. ^
Важнейший параметр ФПЗС — динамический диапазон входных и выходных сигналов
u0 max/Uс. пор ^нас/^пор •
По сравнению с другими телевизионными преобразователями ФПЗС обладают значительно большим динамическим диапазоном. Так, даже без специального охлаждения при температуре 20 °С динамический диапазон ФПЗС может достигать 60 дб, а при охлаждении до —40 °С — 70 дб.
194
Обнаружительную способность ФПЗС определяют как
D = l/#mln.
Здесь Яшт — минимальное значение экспозиции, при которой обеспечивается регистрация сигнала от точечного объекта при допустимой вероятности ошибок обнаружения; в свою очередь,
Нтin = 'фОГш. ./(KSlVm),
где 1)3 — отношение сигнал/шум, необходимое для достижения заданных характеристик обнаружения; стш. н — среднеквадратическое значение шумового напряжения на выходе ФПЗС; К — относительный контраст изображения объекта, К — (Ес—Еф)/Еф.
Среднеквадратическое значение шумового напряжения на выходе ФПЗС можно выразить через среднеквадратическое значение флуктуации суммарного числа шумовых зарядов, включая все виды флуктуаций числа носителей заряда в ПЗС-структуре, а также шумы выходного устройства ФПЗС (выраженные через эквивалентные флуктуации числа зарядов)
в = k(Ulq)Gmq&t
где k(u/q) — коэффициент преобразования заряда в выходное напряжение.
Флуктуация числа зарядов подчиняется закону Пуассона. Однако поскольку число накапливаемых зарядов достаточно велико (nq > 100), распределение Пуассона можно аппроксимировать нормальным законом распределения с дисперсией, равной среднему значению. Тогда
Ощ — УОш. v -j- <*ш. Ф “Ь с Н- *-^ш. г “Ь Ош. п -f- Ощ. в. у > (6.22)
где стш. т — среднеквадратическое число зарядов в /-й ячейке ФПУ, характеризующее флуктуацию числа темновых зарядов; стш. ф — среднеквадратическое значение флуктуации числа зарядов, обусловленных фоновым излучением; стш. с — среднеквадратическое значение флуктуации числа сигнальных зарядов, накапливаемых в ячейках ФПЗС, характеризующее фотонный шум; °ш. г — среднеквадратическое отклонение среднего числа темновых зарядов в различных ячейках ФПУ, характеризующее геометрический шум; аш. п — среднеквадратическое значение флуктуаций заряда при переносе; стш. в. у — среднеквадратическое значение шума выходного устройства, пересчитанное к числу зарядов.
