Источники и приёмники Излучения, страница 43

Выражение (6.21) представляет собой зависимость от Л 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. Поскольку ФПЗС является миогофуикциоиальиым прибором с накоплением зарядов, его интегральную чувствительность в общем случае следует определять как отношение приращения иапряжеиия (тока) выходного сигнала к приращению экспозиции оптического излучения заданного спектрального состава [В!(лк с), А1(лк с) ). При заданном времени накопления Т интегральную чувствительность можно определить как отношение приращения напряжения (тока) выходного сигиала к приращению освещенности заданного спектрального состава иа фоточувствительном элементе (В!лк, А/лк).

Второй способ определения интегральной чувствительности часто используют, когда матрица ФПЗС выполняет роль аиалога телевизиоииой передающей трубки и работает при стандартном времени накопления 20 мс. Благодаря хорошей линейности световой характеристики ФПЗС в рабочем диапазоне экспозиций иитегральиую чувствительность, выраженную через освещенность для времени накопления 20 мс, можно легко пересчитать для другого времени накопления Бинт(ги) = Зине (20 иа)7 н120 где ҄— рабочее время накопления, мс.

Рабочий диапазон экспозиций ограничен сверху максимальиой экспозицией насыщения Нн„, лк с, а снизу пороговой — экспозицией Нп,р, лк с. При этом следует иметь в виду, что Н„„ и Нп,р являются фиксироваипыми параметрами только при вполне определеивых условиях работы ФПЗС (иапример, при его использоваиии в качестве формирователя стандартного видеосигнала при времени накопления 20 мс). В общем случае оии зависят от температуры кристалла, времени накопления, частоты опроса элементов и других условий, влияющих иа уровень темпового фонового заряда и внутренних шумов.

С Нн„и Н„п иепосредствеиио связаны такие параметры, как максимальное напряжение выходного сигнала (7с шах и пороговое значение выходиого сигнала (7,,р. (7с шах = З1пун)Ннае (7с. пси = З1ту1н1Нпер где 51оуц1 — интегральная чувствительность, выраженная через экспозицию оптического излучения. Важвейший параметр ФПЗС вЂ” динамический диапазон входных и выходных сигналов (7с ша </(ус. пер Е~ас(Епср По сравнению с другими телевизионными преобразователями ФПЗС обладают значительно бдльшим динамическим диапазоиом. Так, даже без специального охлаждения при температуре 20'С динамический диапазон ФПЗС может достигать 60 дб, а при охлаждении до — 40 'С вЂ” 70 дб.

194 Обиаружительиую способность ФПЗС определяют как 1т = 17Н ш. Здесь Н „— минимальное зиачеиие экспозиции, при которой обеспечивается регистрация сигнала от точечного объекта при допустимой вероятности ошибок обнаружения; в свою очередь, Н ы = т[сош, и((КЗ1иуп1), где тр — отношение сигиал/шум, необходимое для достижения заданных характеристик обнаружения; о — средиеквадратическое значение шумового напряжения иа выходе ФПЗС; К— относительный контраст изображения объекта, К = (Е,— Еф)7Еф. Средиеквадратическое значение шумового напряжения иа выходе ФПЗС можно выразить через средиеквадратическое зиачеиие флуктуации суммарного числа шумовых зарядов, включая все виды флуктуаций числа иосителей заряда в ПЗС-структуре, а также шумы выходного устройства ФПЗС (выражеииые через эквивалеитиые флуктуации числа зарядов) а, „=- й1иур1п ра, где Й1оур1 — коэффициент преобразования заряда в выходное напряжение.

Флуктуация числа зарядов подчиняется закону Пуассона. Однако поскольку число накапливаемых зарядов достаточно велико (пр ) 100), распределение Пуассона можно аппроксимировать нормальным законом распределения с дисперсией, равной среднему значению. Тогда ош = ош,т+ош,ф+ощ, с+ош. с+ ой. п [ ош.и.у (6'22) где а ,, — средиеквадратическое число зарядов в 1-й ячейке ФПУ, характеризующее флуктуацию числа темповых зарядов; а„ ф — средиеквадратическое значение флуктуации числа зарядов, обусловлеииых фоновым излучением; о , — средиеквадратическое значение флуктуации числа сигнальных зарядов, накапливаемых в ячейках ФПЗС, характеризующее фотонный шум; о „вЂ” средиеквадратическое отклонение среднего числа темновых зарядов в различных ячейках ФПУ, характеризующее геометрический шум; о, — средиеквадратическое значение флуктуаций заряда при переносе; а, у — средиеквадратическое значение шума выходного устройства, пересчитанное к числу зарядов.

Для вычисления величин выражения (6.22) используют следующие формулы. пш, т =- )' с)т. Здесь д, — среднее число темповых электронов, д, = 1,А,п7'„1Е, 195 где 1, — средняя плотность темпового тока накопления зарядов, характерная для используемого полупроводникового материала при рабочей температуре кристалла; А,л — площадь элемента; Т вЂ” время накопления заряда. цш.

ф = )Х лт ф ' Здесь дф — среднее число фоновых зарядов, рф = (фАалТп/гп оф = Р (Аалто//о); г == /.афф5абс Рвах) = ~ /.фх (1») 5абс (х") б/х ы где оф — средняя плотность тока накопления фоновых зарядов в ячейках ФПУ; А„ — эффективная площадь входного зрачка объектива ФПУ; то — коэффициент пропускания объектива; /ив фокусное расстояние объектива; /.,фф — эффективная яркость фона; 5,б, (л ш) — максимальное значение спектральной чув- ствительности ФПЗС; / фх (Х) — спектральная плотность яркости фона; 5аб, ().) — абсолютная спектральная чувствительность ФПУ; лх и )х — границы пропускания оптического фильтра, оп- ределенные с учетом спектральной плотности силы излучения наблюдаемых объектов, спектрального коэффициента пропуска- ния атмосферы и спектральной чувствительности ФПУ.

ош.с = )х чс. Здесь д, — среднее значение сигнального заряда от объекта; в частности, для точечного объекта Чс асАалТи/ж 2. = 6 (Аалто/(ЬА.~)); х х ' = /а афф5 (йшах) = ~ /гх ()') 5 або (х') тати ()~) ох" х1 где 1, — средняя плотность тока накопления сигнального заряда; /. — дистанция наблюдения; /„фф — эффективная сила излуче- ния объекга, определяемая с учетом спектральной чувствитель- ности ФПУ и спектрального коэффициента пропускания атмо- сферы; /,а (л) — спектральная плотность силы излучения; т„„(л) — спектральный коэффициент пропускания атмосферы. бтш.

г = Чт/»т где /о, — коэффициент относительного разброса темповых токов по кристаллу ФПУ, 2 т = З Ит ша» тят аги)/(тлт шах + фт псп) Для поверхностного канала переноса пш. п = (2»УйТАалй/и. с 1п 2) где Ф вЂ” число актов передачи заряда, определяемое положением анализируемой точки изображения на фоточувствительной поверхности ФПЗС; й — постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура; /х', с — плотность поверхностных состояний; для ФПЗС с объемным каналом а 1 1гх а .п = 2/У)7, Х Лх,,<а~ехр( — 1,/та)(1 — ехр( — 1,/т» )~ с=1 где )7с — объем, заполненный зарядом переноса; /У, ма~ — плотность объемных состояний /о-го уровня; тд — постоянная времени генерации й-го уровня; 1, — время считывания одного зарядового пакета, обратно пропорциональное тактовой частоте опроса элементов /,.

При условии, что установочный шум транзистора сброса и шумы вида 1// подавлены с помощью схемы двойной коррелированной выборки (см. ниже), выражение для оценки числа шумовых электронов выходного устройства имеет вид а т = 8,8е, С, 73'/т, где е — эквивалентное шумовое напряжение встроенного усилителя на полевом транзисторе, нВ Гц — мо; С, х — суммарная емкость выходного диода и входа усилителя, пф; /, — тактовая частота опроса элементов, мГц.

Одной из важнейших характеристик ФПЗС является частотноконтрастная характеристика (ЧКХ). ЧКХ ФПЗС в горизонтальном и вертикальном направлениях может быть аппроксимирована следующими выражениями: й (/х)=~""'""'/; 27(/х)=~ ''"'"'~, (6.23) где /„и /а — пространственные частоты входного оптического гармонического сигнала на фоточувствительной площадке; ххх и Лу — пространственные периоды ПЗС-структуры секции накопления в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. Выражения (6.23) справедливы при условии, что распределение чувствительности в пределах элемента считается постоянным, а элементы близко расположены друг к другу. Однако на практике наибольшая пространственная частота, которая может быть передана приемником с дискретной структурой, в соответствии с теоремой Найквиста равна половине периода следования элементов.'Это обстоятельство следует иметь в виду при выборе масштаба изображения на фоточувствительной площадке.