Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Значение емкости ямысдвигового регистра не изменяется за счет использования МВФ.Емкость электрода предусилителя наиболее важна в режиме биннинга,поскольку он считывает заряд, интегрированный по всемy диапaзонyбиннинга. Обычно эта емкость от 600 до 700 тыс.

электронов. Некоторыетехнологии позволяют увеличить ее до 1500 тыс. электронов. Когда биннингвыполняется вдоль строки, то увеличенная емкость ямы обеспечиваетдинамический диапазон 18 бит.5.1.4. Влияние биннинга на динамический диапазонОбработка изображения с высоким разрешением или с медленнымсканированием требует максимальной разрешающей способности (безбиннинга). Для матриц с относительно большими электродами (≥ 20...24мкм) емкость ямы в секции изображения обычно достаточна для обеспечениядинамического диапазона 17 бит.

При использовании биннинга в сдвиговомрегистре динамический диапазон достигает 17,5 бит. Если применитьбиннинг в предусилителе, то динамический диапазон достигает 18 бит.5.1.5. Шум считыванияШум считывания появляется в предусилителе, который реагирует наизменения потенциала на электроде конденсатора каждый раз, когда пакетызарядов поступают из сдвигового регистра в предусилитель. Идеальныйпредусилитель должен обеспечивать характеристику "белого шума" во всемдиапазоне частот считывания.Общий шум считывания зависит от следующих параметров:существенно уменьшается, если температура ниже -60 °C;увеличиваетсясростомчастотысчитывания.Скоростьувеличения зависит только от конструкции ПЗС и внешней электроники;некоторые контроллеры позволяют пользователю выбиратьскорость считывания от 12,5 до 5 МГц.

Это дает возможность выбратьоптимум между частотой сканирования и шумом параметров. Диапазонуровней считывания составляет для разных ФПМ ПЗС от 4...6 до 9...10 е-.Ожидается, что в недалеком будущем для некоторых матриц шумуменьшится до 2...3 е-.Важно отметить, что все изготовители измеряют шум считывания вэлектронахсреднеквадратичногоотклонения(скз,илистандартноеотклонение).

Пиковые вариации этого шума примерно в 5 раз выше и болеесущественны при определении наименьшего детектируемого сигнaла.5.1.6. Скорость считыванияСкорость считывания ФПМ ПЗС зависит от конструкции ФПМ ПЗС ивнешней электроники. Для обработки изображений, когда каждая строкасчитывается отдельно, общая скорость сканирования (изображений/c)зависит в основном от эффективности переносов зарядов в горизонтальномрегистре и от конструкции встроенного предусилителя и внешнейэлектроники, включая схему АЦП.В быстродействующих камерах скорость считывания достигаетнескольких мегагерц, но в них может содержаться также медленный АЦПдля измерений с большим динамическим диапазоном.

В обычных камерахскорость считывания составляет до 1 МГц, а у многих - всего 500 кГц. Длябольшинствакамер,работающихстакойскоростью,возможендинамический диапазон 14 бит. Для высокоскоростных камер рекомендуетсятолько неглубокое термоэлектрическое охлаждение, поскольку темновыезаряды при таких скоростях менее существенны, а эффективность передачибольше при более высоких температурах.5.1.7.

Специальные ФПМ ПЗСФПМ ПЗС с передачей кадра,где половина матрицы закрыта от света и используется как областьвременного хранения кадра. Такая матрица позволяет быстро вводить двапоследовательных изображения (co скоростью примерно 1 кадр/мс), чтосущественно для отображения динамичных явлений. Она также позволяетобойтись без затвора, резко увеличивая время накопления в процессе съемкикадра.ФПМ ПЗС с передачей части кадра.В приборе используется та же концепция съемки динамичныхизображений. Большая часть ФПМ ПЗС используется как областьвременного хранения.

Небольшая открытая часть матрицы, воспринимающаявходной сигнал, сдвигается в сторону горизонтального регистра, покаматрица не заполнится. После этих сдвигов закрывается затвор, а данныеоцифровываются с наибольшим динамическим диапазоном. Временноеразрешение в таких матрицах составляет порядка 250 мкс/изображение.5.1.8. Анализ отношения сигнал/шумОтношение сигнал/шум (ОСШ) определяет точность измерений.Сигнал S характеризуется квантовой эффективностью ФПМ ПЗС, т.е.эффективностью преобразования фотонов в электроны.

Также важноколичество биннингуемых пикселов, размеры пиксела, время накоплениясигнала как в ПЗС, так и в памяти.Общий шум NT, связанный с выборкой изображения матрицы ПЗС:где NR - шум считывания ПЗС; ND - шум темнового заряда ПЗС; Nph фотонный дробовый шум входного сигнала; NR, шум считывания, зависит отмногих параметров:конструкции встроенного в ФПМ ПЗС предусилителя, котораясущественно отличается от модели к модели;скорости сканирования: чем быстрее данные сдвигаются вматрице и считываются предусилителем, тем больше шум считывания;конструкции внешней электроники, например схемы двойнойкоррелированной выборки;температуры встроенного в ФПМ ПЗС предусилителя. Шумрезко уменьшается, если температура снижается до -60 °С.ND, шум темнового заряда, зависит от статистических флуктуацийтемновых зарядов, накапливаемых в ФПМ ПЗС.

Если темновой сигнал SDможно вычесть, то темновой шум ND исчезнет. Лучший способ уменьшитьND или SD состоит в охлаждении матрицы. Даже если темновой заряд мал,тем не менее важна высокая стабильность температуры. Например, ввысококачественных камерах температура поддерживается в пределах ± 0,04°С. Иначе точность измерений снижается. Темновой заряд ND = (SD)1/ 2.Nph, фотонный дробовый шум, зависит от статистических флуктуацийизмеряемого светового потока Sph. Для простоты будем считать этифлуктуации "белым шумом", когда Nph = (Sph)1/2."Космический шум" вызывается частицами высоких энергий изоткрытого космоса, которые бомбардируют кремний и возбуждают ложныесигналы в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысячэлектронов.

Это обнаруживается в виде резких вспышек на изобрaжении.Для борьбы с ними используются пространственные или временныецифровые фильтры. Часто полезно делать несколько съемок изображения скороткой экспозицией, удалять космические помехи и накапливать в памяти.Это гораздо лучше, чем делать один снимок с очень большой экспозицией,поскольку при длительной экспозиции влияние космических помехнастолько велико, что их трудно фильтровать. Однако для обработкинескольких изображений c короткой экспозицией требуется высококласснаяэлектроника, обеспечивающая минимальное влияние шума 1/f.5.1.9. Расчет параметров при формировании изображения объекта снизким уровнем яркостиПри формировании изображения астрономических объектов с низкимуровнем яркости в телескопах рекомендуется использовать долговременноенакопление сигнала.Расчеты ОСШ и D на длине волны 0,5 мкм.Входной сигнал составляет 5 фот/(c ∙ пиксел) на длине волны 0,5 мкм.КЭ (при 0,5 мкм) = 0,25.

Темновой заряд (ФПМ ПЗС с МВФ при -50 °С) =0,05е-/(с ∙ пиксел). Коэффициент усиления предусилителя составляет 1 отсчет= 10 е- = NR. Время накопления 1200 с.Здесь фотонный шум превалирует в измеряемом сигнале, что являетсяидеальной ситуацией для любой системы обнаружения изображений.Отношение сигнал/шум: ОСШ = 150/4,1 = 36,6 с погрешностью 2,7 %.Важно знать, каков наименьший обнаруживаемый сигнал, т.е.обнаружительная способность фотокамеры. Если игнорировать дробовыйшум фотонов (который очень мал, если мал Sph), тоNT = [12 + 0,772]1/ 2 = 1,26 отсчетов скз.Ориентировочно шум в 1,26 отсчетов скз соответствует полнойамплитуде шума, которая в 5 раз больше: 1,26 х 5 = 6,3 отсчетов.

Подобнаружительной способностью D здесь понимается сигнал с амплитудой,равной флуктуации шума: D = 6,3 отсчетов = 63 е- = 63/0,25 = 252 отсчетапри КЭ = 0,25. Наименьший поток фотонов, который может быть измерен,составляет 252/1200 = 0,21 фотон/(c ∙ пиксел).Расчеты ОСШ и D на длине волны 0,4 мим ФПМ ПЗС с прямымосвещением.Расчеты ОСШ и D на длине волны 0.4 мкм ФПМ ПЗС с обратнымосвещением.5.2. Использование ПЗС-кaмер в астрономии5.2.1. Совместная настройка телескопа и ПЗС-камерыЮстировка часовой оси.Хорошая юстировка часовой оси телескопа важна для формированияизображения с помощью ФПМ ПЗС при длительной экспозиции. При захватецелей, используя узкое поле зрения, типичное для многих системформирования изображений c ФПМ ПЗС, точное позиционирование требуетхорошей юстировки часовой оси.

Неточная юстировка приводит к дрейфу,который ограничивает время экспозиции, обеспечивающее съемку 6ез смазазвезды. Даже если используется автосопровождение, большой дрейфвызывает потребность в большем количестве коррекций и потенциальноснижает точность сопровождения. Наконец, при больших размерах кадраФПМ ПЗС и высоком склонении разворот поля становится существеннымфактором.Юстировка дрейфа.Способ, известный как "юстировка дрейфа", используется много лет иможет дать точные результаты юстировки часовой оси. К сожалению, онзанимает много времени, так как требует периодического наблюдения задрейфом звезды. Процесс можно ускорить с помощью ПЗС-камеры,благодаря которой легко вычисляется центр тяжести изображения звезды.Предлагается такая процедура:1.

Установить ПЗС-камеру в направлении на север.2. Включить режим автосопровождения в камере.3. Если имеется связь автосопровождения с монтировкой, удалить ееили отключить.4. Навести телескоп на звезду, расположенную на меридиане околоэкватора.5. Запустить устройство сопровождения в режиме слежения инаблюдать только ошибку считывания по склонению.Подобная процедура особенно эффективна при сопровождении попрямому восхождению, например, если звезда дрейфует быстро за пределыполя зрения. Благодаря способности обсчитывать окрестные пикселы врежиме автосопровождения, можно быстро обнаружить любую ошибку.Обратите внимание на направление и скорость перемещения. Для оченьвысокойточностиюстировкипринеподвижноймонтировкеможетпотребоваться ждать несколько минут, чтобы заметить дрейф.6. Прекратить сопровождение и включить режим фокусирования.Установить очень короткую экспозицию, биннинговать для скорости ипродолжить экспонирование.

Установить монтировку на азимут и наблюдатьза ходом звезды. Таким образом можно точно определить перемещениемонтировки.7. Если звезда дрейфует на север, то скорректировать азимут на восток.Если звезда дрейфует на юг, то скорректировать азимут на запад.8. Выбрать новую звезду, используя средство медленного управлениядвижением телескопа, и повторять шаги 4...6, пока дрейф не уменьшится.9. Навести телескоп на звезду около горизонта на востоке близко кэкватору.

Характеристики

Список файлов лекций