Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью (2001), страница 4

Разрешающая способность ФПЗС впервую очередь определяется числом элементов матрицы и их размерами.Считая, что фактор заполнения ячеек современных ФПЗС d равен 100 %,легко установить связь между числом элементов по горизонтали М ивертикали N с размерами одного элемента ах, ау:ax =Длястандартныхlylx,ay = .MNтелевизионныхФПЗС-камерразрешающуюспособность принято выражать числом горизонтальных телевизионныхлиний (твл) по вертикали.

При этом, число телевизионных линий всегдаÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.22Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюменьше числа элементов N ФПЗС-матрицы. Это связано с тем, что не всеэлементы матрицы участвуют в процессе формировании изображения – онизакрыты от света маской и являются неактивными (служебными). Крометого,сформированныйпервичныйвидеосигналпроходитчерезвидеоусилитель, что приводит к некоторому уменьшению его временногоспектра, что, в свою очередь, ведет к уменьшению числа телевизионныхлиний разрешения. Следующая формула устанавливает связь междумаксимальной временной частотой fmax в спектре видеосигнала и числомэлементов в строке:f max =M,t стргде tстр – длительность развертки одной строки.Из вышесказанного следует, что максимальное число элементов ФПЗСматрицы по горизонтали М ограничивается шириной полосы пропусканиястандартных видеосистем (например, видеомонитором), в то время какмаксимальное число элементов ФПЗС-матрицы по вертикали N – числомлиний разложения растра.Спектральная характеристикаСпектральная характеристика отражает способность ФПЗС-матрицыпреобразовывать оптическое излучение с различными длинами волн вэлектрический заряд.

Применительно к ФПЗС-матрицам спектральнаяхарактеристика представляет собой зависимость квантовой эффективностиот длины волны η(λ ) . На рис. 12 изображен график η(λ ) типовой ФПЗСматрицы,освещаемойчувствительнымиоптимизироватьсобратнойячейками.спектральнуюстороны,ПрименениесфотодиоднымифотодиодовхарактеристикупозволяетФПЗС-матрицыдляконкретной технической задачи. Поскольку большинство бытовых ФПЗСкамер имеют максимальную спектральную чувствительность в видимомдиапазоне (λmax = 0,6 … 0,7 мкм) и применяются при дневном освещении,Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.23Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюη(λ ),отн.

ед.0,80,70,60,50,40,30,20,10,20,30,40,50,70,60,80,91,01,1λ, мкмРис. 12. Спектральная плотность квантовой эффективности типовой ФПЗС-матрицыпри их калибровке используется эталонный источник типа «А» сцветовой температурой Тцв = 2856 К.Отношение сигнал/шумВажнейшим параметром, численно характеризующим видеосигнал,являетсяаппаратноеотношениеотношениесреднегосреднеквадратичномусигнал/шум,значениязначениюпредставляющеесобойвидеосигналаUc кнапряжениясуммарныхшумовU Σ−ш ,обычновыражаемое в [дБ]:µ = 20 lgUc.U Σ −шУчитывая то, что ФПЗС-камера формирует изображение на экраневидеомонитора,практическоепредъявляемоезначениеимеетдлянеанализаабсолютнаяÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.comчеловеку-оператору,величинанапряжение2002 г.24Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьювидеосигнала, а перепад уровней между двумя соседними элементамиизображения.

Тогда выражение для аппаратного отношения сигнал/шумможно переписать для двух соседних ячеек ФПЗС-матрицы, на одну изкоторых излучение от объекта не попадает (присутствует только шум), а надругую попадает только «полезный» сигнал:µ = 20 lg∆nc,nΣ −ш(2.2)где ∆nc - среднее число фотоэлектронов, накопленных одной ячейкойФПЗС-матрицы за время Тн и обусловленных «сигнальным» излучением;nΣ−ш -среднеквадратическоечислоэлектронов,обусловленныхсуммарными шумами в одной ячейке ФПЗС за тот же период накопления. Всвою очередь, величину nΣ−ш можно представить следующим образом:nΣ −ш =nт2+ nфт2,(2.3)где nфт - среднеквадратичное значение фотонных шумов, величина –которыхзависитотуровнясуммарнойосвещенности;nт-среднеквадратическое значение темнового шума (т.е.

шума, имеющего местов отсутствие внешнего излучения). При этом, если nфтфакторов, тоnтзависит от внешнихявляется исключительно внутренней характеристикойФПЗС-матрицы. На рис. 13 представлен график фотоэлектрической функции,представляющей собой зависимостьnΣ−шот среднего числа фотонов,попадающих в одну ячейку ФПЗС-матрицы. Анализ графика позволяетзаключить, что при малых уровнях освещенности в ячейке преобладаеттемновой шум nт , а при больших – фотонный nфт .Дисперсия числа электронов фотонного шумаnф2равна среднемузначению всех фотоэлектронов (т.е.

обусловленных сигнальным и фоновымизлучениями) nф . В отличие от фотонного, темновой шум являетсяÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.25Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюмногокомпонентным. Дисперсия числа электронов темнового шума равнасумме дисперсий статистически независимых шумовых компонент:nт2= ∑ ni2.iОсновными шумовыми компонентами темнового (внутреннего) шумаявляются: фиксированный шум подложки, шум усилителя, тепловой шум,генерационно-рекомбинационный шум, токовый шум 1/f и т.д.Тем не менее, при проведении инженерных расчетов нецелесообразнорассчитывать каждую шумовую компоненту – достаточно вычислитьсреднеквадратические значения темнового или суммарного шумов поизвестной минимальной освещенности.Минимальная освещенностьПод минимальной (пороговой) освещенностью Епор понимается такаяосвещенность предметной плоскости (наблюдаемого объекта), при которойуровень видеосигнала, формируемого ФПЗС-камерой, удовлетворяет заранееуказанным требованиям.

Из данного определения следует, что приэкспериментальном определении Епор учитываются не только параметрыФПЗС-матрицы,ноиобъектива(относительноеотверстиеОилидиафрагменное число F), а также тест объекта (коэффициент отражения поинтенсивности ρо) и эталонного источника (цветовая температура Тцв).Перечисленныепараметрыобычноуказываютсявпаспорте,сопровождаемом видеокамеру. Тогда формула, связывающая освещенностьпредметной плоскости и освещенность плоскости чувствительных элементовФПЗС (с соотношением сторон 4:3) будет иметь вид:'E пор=Знаниепороговой3 ρ0 E пор.25 F 2освещенности(2.4)позволяетоценитьсреднеквадратичное значение «шумовых» электронов, что необходимо припроведении инженерных расчетов систем, содержащих ФПЗС-матрицу.Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.26Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюДругими словами, зная E пор [лк], можно найти соответствующее среднеечисло фотоэлектронов в одной ячейке nф (см.

пример 1) и пересчитать его кnт .В связи сэтим,помимо указаннойпороговойосвещенностинеобходимо знать условия, для которых приведено значение E пор . Такимиусловиями могут быть:1) отношение сигнал/шум [дБ];2) уровень видеосигнала (в % от нулевого уровня) – см. рис.14;3) порог, определяющий уровень шумов матрицы.Обычно различные изготовители ФПЗС-камер приводят значениепороговой освещенности только для одного из трех перечисленных условий.В том случае, если известнаE пор , при которой на выходеобеспечивается указанное отношение сигнал/шум µ [дБ],nтможноопределить по формуле:nт ≅ nф ⋅10−µ20.(2.5)Приведенная формула справедлива для относительно небольшихотношений сигнал/шум (42 … 48 дБ), которые обычно приводятся впаспорте. Это означает, что при таких µ фотонным шумом можнопренебречь.

Данная формула также справедлива и для второго случая, когдаE пор приводится при заданном уровне видеосигнала (см. рис. 14). Обычноиспользуется уровень 50 % от 1 В и обозначается в паспортах западных фирмкак (50 IRE).В том случае, если условие измерения E пор явно не указано, можносчитать, что nт ≈ nф .В таблице 1 представлены примерные среднеквадратические значениятемновых шумов nт ФПЗС-матрицы, приведенных к одной ячейке за времяТн = 20 мс.Ó Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.27Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюnΣ − шПреобладаетфотонныйшумПреобладаеттемновойшумУровень темновых шумовnтNф0Рис.

13. Фотоэлектрическая характеристика ФПЗСОсциллографИсточник света типа А100 % уровень (0,7 В)ρ = 0,6ТестобъектВидеокамера Видеосигнал50 % уровень (0,35 В)0В- 0,4 ВЛюксметрРис. 14. К определению минимальной освещенности ФПЗС-камерыÓ Бокшанский В.Б., Карасик В.Е.PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com2002 г.28Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связьюТаблица 1.ПаспортнаяминимальнаяосвещенностьE пор , лкПороговаяосвещенностьФПЗС-матрицы,Вт/м2Пороговыйпоток на одномэлементе ФПЗС8х8 мкм, ВтСреднеквадратич.значение электронов,обусловленных темновымзарядом nт , ед310.10.050.010.010.0033.489⋅10-41.744⋅10-43.489⋅10-56.698⋅10-132.233⋅10-132.233⋅10-141.116⋅10-142.233⋅10-155990199620010020В том случае, если ФПЗС-матрица не содержит платы электроннойобвязки, изготовитель может указыватьnтявным способом в единицувремени накопления.Пример 2Лазерный полупроводниковый излучатель, работающий на длине волныλл = 0,75 мкм, осуществляет непрерывную подсветку диска диаметром Dд=1 мм и коэффициентом диффузного отражения по интенсивности ρд =0,9на длине волны излучения лазера.