Диссертация (Измерение границ объектов по оптическим изображениям в условиях дифракционного размытия), страница 4

В настоящее время применяютсятвердотельные электронные датчики. Одна из первых работ по твердотельнойтехнологии для считывания изображений опубликована в 1970 г. [17], однако ещев 1922 г. отечественными учеными исследовалась возможность примененияполупроводниковой технологии для решения задач усиления слабых сигналов [18].С появлением твердотельныхдатчиков, сопровождаемым стремительнымразвитием вычислительной техники, появился и интерес к алгоритмическимподходам измерения геометрии объектов с помощью оптико-электронных систем.Помимозначительнопрогрессавэксплуатационныххарактеристиках,преимуществом твердотельной технологии для измерительных примененийявляется стабильный, жесткий растр.Твердотельные фотоприемники (ФП) выпускаются с матричной илилинейной структурой светочувствительного поля.

Двумерные изображения20считываются при помощи матричных ФП, однако и линейные структурыпозволяют считывать изображения путем механического сканирования.Формирование сигнала изображения в твердотельных ФП осуществляется вдваэтапа:сначалаподдействиемизлучения,проецируемогонасветочувствительные области ФП, происходит накопление зарядовых пакетов вобласти накопления элементов растра, затем осуществляется считываниенакопленных зарядовых пакетов. Существует два подхода к считываниюсветочувствительного поля твердотельных ФП: принцип зарядовой связи (ПЗС) ипринцип координатной адресации (ПКА), реализуемого на комплементарнойструктуре металл-оксид-полупроводник [19, 20]. Считывание сигнала в ПЗСосуществляется последовательным сдвигом зарядовых пакетов, в то время как вПКА доступ к зарядовым пакетам осуществляется произвольно, что определяетсущественные различия в характеристиках этих типов фотоприемников.На выходе современных измерительных систем считывания изображенийформируется цифровой сигнал.

Формирование цифрового сигнала включает в себяэтапы преобразования величины заряда в напряжение или ток, квантованиеполученного значения и преобразование его в цифровой код при помощи аналогоцифрового преобразователя (АЦП). Одним из преимуществ КМОП являетсявозможность реализации устройств предварительной цифро-аналоговой обработкисигнала на том же кристалле, что и светочувствительное поле. Помимо устройствпредварительной обработки сигнала, в КМОП ФП интегрируются также АЦП,схемы тактирования и управления процессом считывания сигнала. В ПЗСструктурах тактирование, управление и преобразование в цифровой кодосуществляется внешними устройствами, что предоставляет большую гибкостьразработчикам системы в реализации алгоритмов управления процессомформирования изображения.При проектировании измерительных систем существенное значение имеютследующие основные характеристики ФП:• Количество элементов растра;21• Собственные шумы;• Спектральная квантовая эффективность;• Количество спектральных каналов и их характеристики;• Равномерность характеристик по полю;• Количество уровней квантования сигнала;• Глубина потенциальной ямы элементов накопления;• Динамический диапазон;• Частота временной дискретизации (кадровая частота).Количествоэлементоврастраопределяетдинамическийдиапазонгеометрических параметров, измеряемых системой.

Чем больше число элементовФП, тем больше информации о пространственной конфигурации объекта можетбыть получено (при условии согласованности с параметрами оптической системы).Матричные ФП для телевизионных применений, в зависимости от форматаизображения, содержат 0.3·106..8·106 элементов растра. В настоящее времякоммерчески доступны матричные ФП и с большим числом элементов –приблизительно до 20·106, а наиболее крупноформатные ФП для научныхприменений содержат до 108 элементов. Для формирования изображений с ещебольшим числом элементов растра, применяют технологии сканирования илипроецируют изображение на множество ФП, например, путем формирования«бесшовных» массивов ФП или деления пучка света с помощью призмы [21].Собственные шумы ФП вносят случайные погрешности в результатыизмерений. Собственные шумы включают в себя шумы считывания сигнала и шумтемнового тока.

Помимо этих составляющих, в сигнале неизбежно присутствуетфотонный шум, происхождение которого обусловлено квантовыми свойствамипроцесса генерации сигнальных носителей.Величина собственного шума считывания определяется технологическими иконструктивными особенностями датчика. Для количественного описаниявеличины собственного шума используют среднеквадратическое отклонениесигнала, переведенное в количество сигнальных носителей (электронов).

Для22лучших приборов с применением технологии электронного умножения (EMCCD),величина собственного шума может составлять менее 1 электрона [16], при этомтиповое значение собственного шума современных серийных коммерческидоступных ФП составляет порядка 10 электрон [22]. Значительный прогресс вснижении величины собственного шума осуществлен за последние годы споявлением технологии sCMOS, позволившей снизить величину шума до уровня2-3 электрон в серийных ФП [23, 24].Шум темнового тока является следствием процесса термогеренацииэлектронно-дырочных пар в элементах накопления фотоприемника. Процесстермогенерации приводит к тому, что за время накопления сигнала в элементенакопленияфотоприемникапомимосигнальных,аккумулируютсядополнительные носители. Их число является случайной величиной.

Ожидаемоезначение темнового сигнала может быть оценено с помощью предварительнойкалибровки ФП и вычтено из сигнала, однако случайная составляющая неподдается коррекции. Интенсивность термогенерации (т.н. темновой ток)экспоненциально зависит от температуры и при комнатной температуре составляетпорядка 10 носителей сигнала в секунду при комнатной температуре. Дляснижения случайной составляющей применяют активное охлаждение ФП.Помимо собственных шумов ФП, сигнал подвержен влиянию генерационногошума света (также называемого фотонным шумом), являющегося свойствомквантовой природы процесса генерации сигнальных носителей [16].

Числосигнальных носителей, аккумулируемых в течение интервала времени накоплениясигнала, является случайной величиной, подчиняющейся закону распределенияПуассона. Следовательно, среднеквадратическое отклонение числа сигнальныхносителей даже в отсутствие собственного шума ФП определяется как N , где N –ожидаемое значение числа носителей. С учетом собственного шума, выраженногосреднеквадратическим значением σ, результирующее значение шума, выраженноев количестве сигнальных носителей, может быть оценено какN + σ2 .23СпектральнаяквантоваяэффективностьФП–зависимостьотносительного количества фотонов, преобразуемых в сигнальные носители, отдлины волны фотонов. Спектральная квантовая эффективность, совместно соспектральными характеристиками оптической системы, объекта и системыосвещения определяет диапазон длин волн, для которого формируетсяизображение.

Спектральная квантовая эффективность зависит от свойствматериала, используемого в качестве элемента генерации носителей, а такжеконструктивныхособенностейФП.Абсолютноезначениеквантовойэффективности, совместно с коэффициентом преобразования электронного трактаопределяет свет-сигнальную характеристику ФП.Подавляющее число выпускаемых современной промышленностью ФПоснованы на кремнии. Спектральный диапазон чувствительности таких ФПсоставляет 0.4-1.2 мкм, что определяет использование кремния для формированияизображений в видимом диапазоне спектра (0.35-0.75 мкм).

Максимальноеабсолютное значение квантовой эффективности типового кремниевого ФПсоставляет 40-60%. Для других спектральных диапазонов выпускаются ФП наоснове арсенида галлия InGaAs (ближняя инфракрасная область, диапазон 0.7-1.7мкм), антимонида индия InSb (ближняя инфракрасная область, 1-5 мкм), оксидаванадия VOx (дальняя инфракрасная область, 7-13 мкм).Помимо свойств материала, на квантовую эффективность ФП влияет иконструкция элемента.

Значительная часть потерь фотонов возникает вследствиеабсорбции и рассеяния света элементами фотоприемника, расположенными надсветочувствительными областями. Для повышения квантовой эффективностиприменяют технологию освещения с обратной стороны ФП – т.н. технологияобратной подсветки. При обратной подсветке генерация носителей осуществляетсяв слое, расположенном на противоположной от конструктивных элементовстороне.

Квантовая эффективность ФП с обратной подсветкой может достигать90%.Другой конструктивный фактор, влияющий на абсолютное значениеквантовой эффективности ФП – отношение площади светочувствительной части24элемента к его полной площади (fill factor). Для увеличения этого отношения надкаждым элементов растра размещают микролинзу, фокусирующую падающее нарастровый элемент излучение в область генерации носителей, что увеличиваетчисло улавливаемых фотонов до 90% и более, в то время как без микролинз данныйпоказатель составляет лишь 10-50%.По числу спектральных каналов различают ФП с одним спектральнымканалом (панхроматические) и с несколькими (мультиспектральные).

Как правило,мультиспектральныеФПизготавливаютсяпутемразмещениямассивасветофильтров, расположенных над элементами фотоприемника. При этом каждыйэлемент растра накапливает сигнал в диапазоне длин волн, определяемым егосветофильтром.Наиболееширокораспространенасхемарасположениясветофильтров Байера, представляющая собой периодическое размещениесветофильтров красного, зеленого и синего поддиапазонов видимого спектра впорядке как на рисунке 1.4 (а).

Применяются также и другие схемы расположениясветофильтров, например, схема TrueSense с дополнительным панхроматическимканалом для повышенной чувствительности в условиях пониженной освещенности(рисунок 1.4, б). Очевидно, в мультиспектральных ФП со светофильтрамипространственная частота дискретизации в каждом из спектральных каналов ниже,чем частота дискретизации аналогичного ФП без светофильтров.а)б)в)Рисунок 1.4 Примеры схем расположения светофильтров: Байера (а),TrueSense(б), спектральная квантовая эффективность каналов (в) (источник: [25])Таким образом, конструкция светочувствительного элемента ФП (наличиемикролинзы, светофильтров, форма и размер светочувствительной области)определяет характеристики пространственной дискретизации изображения – т.н.апертурную характеристику ФП.