Основные характеристики ФПЗС

Значения искажений, вносимых твердотельными преобразователями, определяются характеристиками ФПЗС. Характеристики ФПЗС можно разбить на три группы: фотоэлектриче­ские, определяющие эффективность преобразования оптического изображе­ния в электрические сигналы; конструктивные, представляющие качественные (тип канала переноса, способ считывания и др.) и количественные (раз­меры фотоячейки, фоточувствительной области и т. д.) сведения о ТПОИ; эксплуатационные, содержащие сведения о тактовых диаграммах, рабочих частотах, воздействии внешних факторов (температуры, механических, ра­диационных и др.) и дополнительные, например способы пайки.

Основной является группа фотоэлектрических характеристик, которая для ТПОИ видимого диапазона достаточно полно описывается свет-сигналь­ной, спектральной и частотно-контрастной характеристиками.

Свет-сигнальная характеристика, связывает выходной сигнал с ос­вещенностью в плоскости ФПЗС. На ней (рис. 2) выделяют три точки, в ко­торых измеряют параметры ФПЗС. В средней части определяют чувстви­тельность ФПЗС [В/Лк] в заданном диапазоне и геометрическую неодно­родность (для оценки воспроизводимости измерения проводят в нескольких точках ФПЗС).

Рис. 2. Свет-сигнальная характеристика ФПЗС

Нижняя часть свет-сигнальной характеристики представляет работу ФПЗС в пороговой области, т. е. при предельно низких значениях освещен­ности. В этой области наблюдается темновой сигнал, образованный детерминированными и флуктуационными шумами ФПЗС.

Детерминированные шу­мы состоят из помех от тактового питания и геометрических темновых шу­мов. Флуктуационные шумы ФПЗС представлены двумя основными со­ставляющими - шумом переноса и шумом выходного устройства и позволяют ввести параметр отношение сигнал-шум для ФПЗС.

Верхняя часть свет-сигнальной характеристики отражает два параметра: максимальный выходной сигнал, соответствующий заполнению потенциаль­ных ям, и реакцию ФПЗС на локальные пересветки, т. е. переполнение по­тенциальных ям в участках повышенной освещенности. Наиболее серьезной проблемой являются локальные пересветки - блуминг, при котором на изо­бражении наблюдаются расплывающиеся пятна и полосы, вытянутые по на­правлению переноса зарядовых пакетов.

Спектральная характеристика или область спектральной чувстви­тельности ФПЗС – зависимость выходного сигнала от длины волны, или, что эквивалентно, квантовом выходе – количестве фотоэлектронов на один фотон падающего излучения.

В черно-белом варианте спектральные характеристики определяют верность передачи градации яркости объектов, в цветном варианте - верность цветопе­редачи (рис. 3).

Рис. 3. Спектральная характеристика ФПЗС

Спектральная характеристика (СХ) ПЗС определяется, причём мультипликативно, двумя факторами – прохождением света через электродную структуру и фотогенерацией, вызванной поглощением света непосредственно в полупроводнике (внутренний квантовый выход). Начнём с последнего.

Поглощение света в полупроводнике описывается коэффициентом поглощения – величиной, обратной длине, на которой интенсивность излучения падает в е раз. Далее, фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны – около 1,2 эВ (что соответствует длине волны чуть больше 1,05 мкм – это ближний ИК диапазон). Фотоны с большей длиной волны просто не поглощаются и соответственно не дают вклада в выходной сигнал, а длина ~1,05 мкм оказывается красной границей фотоэффекта в кремнии. При уменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растёт; так, при λ = 1 мкм свет затухает в е раз на 100 мкм, при λ = 0,7 мкм (красный цвет) – на 5 мкм, а при λ = 0,5 мкм (зелено-голубой) – на 1 мкм. Что же из этого следует? Вспомним, что глубина обеднённого слоя (глубина, на которую распространяется электрическое поле затвора вглубь полупроводника) – около 5 мкм. Ясно, что для света, который целиком поглощается внутри этого слоя (при длине волны менее примерно 0,6 мкм), внутренний квантовый выход будет почти 100%, так как происходит мгновенное разделение электронно-дырочных пар электрическим полем. Для более длинных волн значительная доля фотонов поглощается в нейтральной подложке, откуда носители могут попасть в потенциальные ямы только за счёт тепловой диффузии – на что шансов тем меньше, чем глубже родился каждый конкретный электрон. Надо ещё учесть, что сама подложка по своим свойствам неоднородна. Так, практически все западные приборы изготавливаются на эпитаксиальных подложках с толщиной эпитаксиального слоя 10-20 мкм, а российские ПЗС – на подложках с внутренним геттерированием (это специальный процесс, при котором дефекты кристаллической решётки загоняются вглубь подложки, так что поверхностный слой толщиной около 20 мкм становится свободным от дефектов). В обоих этих случаях время жизни свободных носителей вне поверхностного слоя чрезвычайно мало, и они просто не успевают попасть в потенциальные ямы. Это ещё больше снижает внутренний квантовый выход ПЗС для длинноволнового участка спектра.

Для очень коротких длин волн (менее 270 нм) энергия фотонов достаточна для генерации двух электронно-дырочных пар, так что для них внутренний квантовый выход, на первый взгляд, может превышать 100%. Увы, нет в мире совершенства, и граница раздела окисел-кремний – яркий тому пример. При коротких длинах волн коэффициент поглощения становится настолько большим, а длина поглощения настолько маленькой, что становятся существенным вклад поверхностной рекомбинации, то есть только что рождённые пары успевают рекомбинировать, не успев разделиться. Так что в области коротких длин волн внутренний квантовый выход тоже падает, хотя и не до нуля.

Теперь поговорим о пропускании света электродной структурой.

СХ обычного трёхфазного ПЗС с поликремниевыми затворами выглядит так, как показано на рис. 6 красной линией.

Рис. 6. Спектральные характеристики абсолютной квантовой эффективности: обычного ПЗС, ПЗС с люминофорным покрытием, с освещением с обратной стороны подложки, с виртуальной фазой

Самый простой – нанесение люминофора, специального вещества, прозрачного для длинных волн, но преобразующего коротковолновый свет в кванты с большей длиной волны. Этот приём позволяет расширить СХ ПЗС в синюю и УФ область спектра (на рис. 6 показано жёлтым цветом), не затрагивая, впрочем, средне – и длинноволновую часть СХ.

Существенным недостатком этого способа является ограниченный температурный диапазон работы такого прибора – люминофорные покрытия не выдерживают глубокого охлаждения.

Второй способ, пожалуй, самый трудоёмкий и дорогой, но именно он позволяет добиться фантастических результатов. Состоит он в том, что кристалл ПЗС, уже после изготовления, утоньшается до толщины порядка 10 мкм, а свет падает на обратную сторону подложки, специальным образом обработанную. При столь тонкой подложке носители успевают добраться до потенциальных ям, а полное отсутствие каких бы то ни было электродов гарантирует, что практически весь свет, за исключением потерь на отражение, проникает в кремний. Квантовая эффективность таких матриц (зелёная кривая на рис. 6) достигает иногда 90%, а спектральный диапазон простирается от 180 до 950 нм. Именно такие матрицы, несмотря на дороговизну, применяются в большинстве серьёзных астрономических проектов, включая космический телескоп "Хаббл" или недавно построенную Южную Европейскую Обсерваторию в Чили.

И, наконец, третий способ улучшения спектральных характеристик ПЗС – виртуальная фаза, способ, предложенный в 1980 году Ярославом Хинечеком, в то время работавшим в фирме Texas Instruments, для американского проекта Galileo по запуску космического аппарата к Юпитеру. Суть этого способа в том, что один из электродов обычного ПЗС заменяется на мелкий слой p -типа (виртуальный затвор) непосредственно на поверхности кремния, замкнутый на стоп (рис. 5б). Доза канала под виртуальным затвором делается больше, чем под тактовыми затворами.

Достоинства такой структуры несомненны. По сравнению с обычными ПЗС, в ней около половины площади ячейки свободны от поликремния, отсюда высокая чувствительность в синей и УФ области спектра (теоретически даже и до мягкого рентгена).

Рис. 5. Сечение трёхфазного ПЗС с электродами из поликристаллического кремния (вверху) и с витруальной фазой (внизу). Около половины площади ячейки свободно от поли- кремния

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) или функция контра­ста ФПЗС определяет разрешающую способность системы и описывает от­клик ФПЗС на оптический сигнал в форме меандра с определенной про­странственной частотой (рис. 4). Отношение размаха выходного сигнала при передаче штриховой миры заданной пространственной частоты или электри­чески введенного сигнала заданной частоты к размаху сигнала от крупной детали изображения или электрически введенного сигнала (заполняющего не менее пяти потенциальных ям) определяет коэффициент передачи модуля­ции. Чтобы характеризовать ФПЗС, достаточно измерить коэффициент пере­дачи модуляции на какой-либо фиксированной частоте, чаще всего на поло­вине максимальной пространственной частоты. Последнее связано с тем, что, согласно теореме Котельникова-Найквиста, приемник передает без искаже­ний пространственные частоты, не превышающие половины максимальной. При проецировании более высоких пространственных частот проявляется эффект муара в виде ложных изображений.

ЧКХ позволяет оценить АПК в целом и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими критериями качества изображения. Она дает более полную информацию для оценки качества оптического изображения в сравнении с разрешающей способностью. С помощью ЧКХ можно по результа­там расчета оптической системы и выбора ФПЗС быстро и точно предска­зать, как будет данная система изображать любой объект периодической структуры и определить падение контраста в изображении этих структур. На рис. 5 приведены ЧКХ оптической системы, ФПЗС и общая ЧКХ современ­ных оптико-электронных систем с использованием двух различных оптиче­ских систем. Для оценки разрешающей способности оптико-электронной системы используется так же функция, определяющая фазовое изменение изображения, вызванное аберрацией (например, комой). Она называется час­тотно-фазовой характеристикой (ЧФХ).

Рис. 4. Способ определения частотно-контрастной характеристики ФПЗС

К важным конструктивным характеристикам ТПОИ относятся: число элементов для линеек; число строк и столбцов для матриц; размер пиксела и фоточувствительной области матрицы.

Все рассмотренные характеристики ФПЗС в значительной степени опре­деляют точность измерений по изображениям объектов. Низкий коэффици­ент передачи модуляции, блуминг и плохая цветопередача искажают форму и размеры отдельных объектов, а также затрудняют точное определение границ между смежными объектами и, снижая контрастность, затрудняют отде­ление интересующих объектов от фона.

Частичная компенсация погрешностей, вносимых аберрациями опти­ческих систем и шумами ФПЗС, может быть осуществлена компьютерной обработкой изображения с использованием процедур шумоподавления, кор­рекции яркости отдельных областей или всего изображения, подчеркивания границ объектов и т.п. Такая компенсация необходима для повышения точности сегментации изображения – отделения интересующих объектов от фона. Сегментация – одна из основных задач анализа сложных изображений для получения коли-чественной оценки объектов по их изображениям (концентрация, размеры, форма и другие параметры). В общем случае объекты составляют неоднородную структуру. При автоматизации количественного анализа, качество выполнения сегментации во многом определяет точность оценки количественных характеристик объектов по изображению.

Рис. 5. Общая ЧКХ системы современных оптико-электронных систем с использованием двух различных оптических систем

Дата добавления: 2014-01-04