Прибор с зарядовой связью (стр. 4 из 9)
1 - объект; 2-линза; 3-формирователь сигналов изображений; 4 - усилитель; 5 - блок хранения сигнала: 6 - блок считывания сигнала; 7 -формирователь видеосигнала; 8- видеоусилитель
Основной недостаток видиконов (а также их разновидностей: плюмбиконов, кремниконов и т. д.) связан с необходимостью использовать высоковольтные вакуумные системы. Это обусловливает низкие долговечность и надежность устройств, значительные габаритные размеры и массу, невысокую механическую прочность и другие недостатки, присущие всем вакуумным приборам.
При создании твердотельных формирователей сигналов изображений для обеспечения сканирования пытаются использовать (но пока безуспешно) различные физические эффекты: эффект Суля, дрейф неосновных носителей заряда, движение доменов сильного поля и др.
Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению с ЭЛТ различного устройства характеризуются конструктивной и технологической простотой, малыми габаритными размерами и массой, значительной долговечностью и надежностью и малой потребляемой мощностью. Эти преимущества обусловлены самосканированием (передача зарядовых пакетов на выход ФСИ осуществляется с помощью самих ПЗС-элементов). Имение это конструктивно-технологическое интегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одном приборе позволяет считать ПЗС наиболее перспективными для создания полностью твердотельных ФСИ.
4 Фотоприемные характеристики ПЗС
ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений работают в трех режимах: восприятие (интегрирование) изображения, т. е. преобразование светового потока в зарядовые пакеты; хранение зарядовых пакетов; передача (сканирование) зарядовых пакетов на выход устройства. В режиме восприятия изображений световой поток от объекта падает на поверхность ФСИ и вызывает генерацию электронно-дырочных пар в полупроводниковой подложке. В областях кристалла, соответствующих потенциальным ямам ПЗС, носители разделяются, в результате чего в ФСИ накапливается «картина» зарядовых пакетов, соответствующая воспринимаемому образу.
Основными фотоприемными характеристиками ФСИ являются светочувствительность, пороговая светочувствительность, область спектральной чувствительности, разрешающая способность, время интегрирования, частотно-контрастная характеристика, шумы, динамический диапазон. Часть этих .характеристик (светочувствительность, область спектральной чувствительности, время интегрирования) относится к одному ПЗС-элементу и рассмотрена в гл. 1. Другие характеристики зависят or количества передач зарядовых пакетов, от шумов, от вида выходных устройств и т. д., т. е. от способа организации ФСИ.
Разрешающая способность Rопределяется максимальным количеством линий (отнесенных к одному миллиметру), которое еще может быть воспринято данным ФСИ без их слияния в одно целое. Очевидно, что в ПЗС максимальная разрешающая способность определяется длиной одного светочувствительного элемента L3 и равна
Rмакс=1/LЭ. (7)
Для трехтактных ПЗС LЭ=3(L + l), где L— длина электрода; l — длина зазора между электродами. Минимальным значением L = 3 мкм и l=3 мкм соответствует разрешающая способность Rмакс≈50 линий/мм. Под разрешающей способностью иногда также понимают общее количество элементов изображения, воспринимаемых всем ФСИ (например, 500x500 элементов).
Реальная разрешающая способность ПЗС ниже рассчитанной по формуле (4). При малых уровнях освещенности в светочувствительных ПЗС-элементах накапливаются малые зарядовые пакеты и большую роль начинают играть шумы. В этом случае минимальный размер светочувствительного элемента определяется не технологией, а условием получения требуемого отношения сигнал/шум ks/N = 3-5.
Шумы в ПЗС можно разделить на две группы: шумы, обусловленные процессом восприятия изображения, и шумы, связанные с режимом передачи зарядовых пакетов. К первой группе относятся белый шум в потоке падающих фотонов (флюктуации плотности потока) и флюктуации фонового заряда.
Шумы фонового заряда зависят от способа его введения. Если фоновый заряд накоплен за счет термогенерации, то его флюктуации характеризуются белым шумом. К шумам, возникающим при сканировании, относятся шумы, обусловленные неполной передачей зарядов, и шумы, обусловленные захватом носителей и перезарядом быстрых поверхностных состояний при прохождении зарядовых пакетов. Еще одним возможным источником шумов является выходной усилитель фотосигналов(Сус).Шумы этого вида являются основным фактором, ограничивающим разрешающую способность в кремниконах, так как при их использовании усилитель выполнен на отдельном кристалле и за счет этого его входная емкость достигает 10—20 пФ. В ФСИ на ПЗС выходной усилитель может быть сформирован а том же кристалле (что исключает монтажные емкости и емкость корпуса), и его входная емкость складывается из емкости «плавающей» диффузионной области и емкости затвора МДП-транзистора. В этом случае Сус = 0,2—0,5 пФ и поэтому шумы, связанные с выходным усилителем, незначительны.
Разрешающая способность ПЗС при низких уровнях освещенности ограничена главным образом шумами в фоновом заряде и шумами процесса захвата носителей. Зависимости рис.12 показывают, что разрешающая способность ограничена шумами при Hизtи<108—109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк·с).
Рис.12. Расчетная зависимость разрешающей способности ФСИ на ПЗС емкостью 500X500 элементов от уровня освещенности при разных источниках шумов:1- неполная передача зарядов;2 -быстрые поверхностные состояния; 3 - тепловой шум в фоновом заряде; 4 - экспериментальная кривая для кремнекона Аъ=25X25 мкм2,Сиз=0,2. tи=0.1 с, kS/N=5
Минимальная площадь одного элемента значительно превышает минимальную «технологическую» и составляет около Аэ≈400 мкм2. Выше уровня 109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическими размерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисунке экспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗС при низких уровнях освещенности.
Реальное изображение характеризуется непостоянным потоком Низ(у, z) в плоскости ФСИ. За счет искажений, вносимых ФСИ в процесс преобразования светового потока в «картину» зарядовых пакетов и последующего сканирования зарядов на выход, минимальный размер элемента передаваемого изображения будет больше размера ПЗС-элемента, определяемого шумами или технологией.
Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ)( MTF(madulationtransferfunction).), описывающая изменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе на выходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменении пространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальное изображение Hиз может быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так как амплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходе системы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определить искажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения. Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точки зрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различные устройства (оптические, фотоэлектронные, электронные, механические и т. д.), вводящие в телевизионную систему, вносят искажения в передаваемую информацию. Частотно-контрастная характеристика и учитывает эти искажения. Аналогией ЧКХ в электронных системах являются амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Изменение ЧКХ происходит вследствие действия трех факторов: дискретности расположения светочувствительных элементов (изменяющийся в пределах одного элемента световой сигнал представляется усредненным зарядовым пакетом); диффузионного расплывания фотогенерируемых носителей под соседние элементы; потерь зарядов при их переносе.
ЧКХ формирователя сигналов изображений на ПЗС определяется совместным действием всех трех факторов. Поскольку эти факторы являются независимыми, то для получения ЧКХ необходимо перемножить амплитуды и сложить фазы, обусловленные разными эффектами.
Ранее уже отмечалось, что реальное изображение можно разложить в ряд Фурье по пространственным частотам. При передаче через ФСИ гармоники с большей пространственной частотой будут иметь большее затухание по амплитуде и больший фазовый сдвиг, т. е. будут сильнее искажаться по сравнению с низкочастотными. Задаваясь определенным уровнем искажений (по амплитуде и по фазе) и используя ЧКХ, можно определить реальную разрешающую способность ФСИ на ПЗС. При А = 0,2 разрешающая способность оказывается в 2—3 раза меньше предельной Rmax, вычисляемой исходя из размеров ПЗС (4.1), а при А =0,5 — в 3—4 раза меньше. Таким образом, реальная разрешающая способность ФСИ на ПЗС оказывается равной 20—30 линий/мм.
Динамический диапазон, определяемый как диапазон значений освещенности изображений, который может быть передан без искажений с помощью ФСИ, для ПЗС составляет 1000:1. Нижняя граница этого диапазона определяется шумами, а верхняя — насыщением потенциальных ям ПЗС и растеканием зарядов при их переполнении. Если на ФСИ падает сильный световой поток, то за время интегрирования потенциальные ямы ПЗС переполняются. Это приводит к двум нежелательным эффектам: во-первых, после заполнения зарядовый пакет, локализованный в потенциальной яме, остается постоянным независимо от уровня освещенности, во-вторых, избыточные заряды под действием диффузии растекаются в соседние ячейки, искажая хранящуюся в них информацию, В конечном итоге это приводит к расплыванию передаваемого изображения, для устранения которого формируют дополнительные обратносмещенные р-n-переходы, собирающие избыточные носители.