3 Прилади з зарядовим зв'язком в оптоелектроніці.
Одним з найважливіших напрямків розвитку оптоелектроніки є створення телевізійної системи на базі інтегральних схем , починаючи від передавальної системи і кінчаючи екраном.
Основою телевізійної передавальної системи (рис.11 ) є формувач сигналів зображень ( ФСІ ) , званий також формувачем відеосигналів ( ФВС ) . ФСИ перетворює зображення в адекватну йому послідовність електричних імпульсів. Більшість телевізійних передавальних камер засноване на використанні відикона , що представляє собою електронно- променеву трубку ( ЕПТ) , на торцевій поверхні якої нанесена мішень у вигляді шару високоомного фотопровідника . Сканування здійснюється електронним променем.
Передане зображення за допомогою об'єктива проектується на мішень , окремі ділянки якої заряджені електронним променем до певного потенціалу . Опір кожної ділянки фотопровідного шару залежить від його освітленості . Тому в інтервалі між двома послідовними підзарядками ділянки з різною освітленістю розряджаються по- різному і при наступному скануванні ток електронного променя , що створює відеосигнал , змінюється відповідно із зображенням .
Рис.11. Структурна схема телевізійної передавальної системи:
1 - об'єкт; 2-лінза; 3-формувач сигналів зображень; 4 - підсилювач; 5 - блок зберігання сигналу: 6 - блок зчитування сигналу; 7-формувач відеосигналу; 8 – відеопідсилювач.
Основний недолік відиконів (а також їх різновидів: плюмбіконів , кремніконів і т. д. ) пов'язаний з необхідністю використовувати високовольтні вакуумні системи . Це обумовлює низьку довговічність і надійність пристроїв , значні габаритні розміри і масу , невисоку механічну міцність та інші недоліки, властиві всім вакуумним приладам.
При створенні твердотільних формувачів сигналів зображень для забезпечення сканування намагаються використовувати (але поки безуспішно) різні фізичні ефекти: ефект Обіцяючий , дрейф неосновних носіїв заряду , рух доменів сильного поля та ін
Формувачі сигналів зображень на ПЗС порівняно з ЕПТ різного пристрою характеризуються конструктивної та технологічної простотою , малими габаритними розмірами і масою , значною довговічністю і надійністю і малою споживаною потужністю . Ці переваги обумовлені самоскануванням (передача зарядових пакетів на вихід ФСИ здійснюється за допомогою самих ПЗС- елементів) . Маєток це конструктивно - технологічне інтегрування функцій фоточутливих і скануючих елементів в одному приладі дозволяє вважати ПЗС найбільш перспективними для створення повністю твердотільних ФСИ .
4 Фотоприймальні характеристики пзс
ПЗС- елементи в формуванні сигналів зображень працюють у трьох режимах : сприйняття ( інтегрування ) зображення, тобто перетворення світлового потоку в зарядові пакети; зберігання зарядових пакетів ; передача ( сканування) зарядових пакетів на вихід пристрою . У режимі сприйняття зображень світловий потік від об'єкта падає на поверхню ФСИ і викликає генерацію електронно -доручених пар в напівпровідниковій підкладці. В областях кристала , відповідних потенційним ямам ПЗС , носії розділяються, в результаті чого в ФСИ накопичується « картина » зарядових пакетів , відповідна сприйманому образу.
Основними Фотоприймальними характеристиками ФСИ є світлочутливість , порогова світлочутливість , область спектральної чутливості , роздільна здатність , час інтегрування , частотно -контрастна характеристика , шуми , динамічний діапазон. Частина цих . Характеристик ( світлочутливість , область спектральної чутливості , час інтегрування ) відноситься до одного ПЗС- елементу і розглянута в темі 1 . Інші характеристики залежать від кількості передач зарядових пакетів , від шумів , від виду вихідних пристроїв і т. д., тобто від способу організації ФСИ .
Роздільна здатність R визначається максимальною кількістю ліній ( віднесених до одного міліметру ) , яке ще може бути сприйнято даними ФСИ без їх злиття в одне ціле. Очевидно , що в ПЗС максимальна роздільна здатність визначається довжиною одного світлочутливого елемента L3 і дорівнює R макс=1/LЭ. (7)
Для тритактових ПЗС LЕ = 3 ( L + l ), де L - довжина електрода; l - довжина зазору між електродами. Мінімальним значенням L = 3 мкм і l = 3 мкм відповідає роздільна здатність Rмакс ≈ 50 ліній / мм . Під роздільною здатністю іноді також розуміють загальну кількість елементів зображення , які сприймаються всім ФСИ (наприклад , 500x500 елементів) .
Реальна роздільна здатність ПЗС нижче розрахованої за формулою (4). При малих рівнях освітленості в світлочутливих ПЗС- елементах накопичуються малі зарядові пакети і велику роль починають грати шуми. У цьому випадку мінімальний розмір світлочутливого елемента визначається не технологією , а умовою отримання необхідного сигналу / шум ks / N = 3-5.
Шуми в ПЗС можна розділити на дві групи: шуми , обумовлені процесом сприйняття зображення , і шуми , пов'язані з режимом передачі зарядових пакетів. До першої групи відносяться білий шум в потоці падаючих фотонів (флуктуації щільності потоку ) і флуктуації фонового заряду.
Шуми фонового заряду залежать від способу його введення. Якщо фоновий заряд накопичений за рахунок термогенерациї , то його флуктуації характеризуються білим шумом. До шумів , що виникають при скануванні , відносяться шуми , обумовлені неповною передачею зарядів , і шуми , обумовлені захопленням носіїв і перезарядом швидких поверхневих станів при проходженні зарядових пакетів. Ще одним можливим джерелом шумів є вихідний підсилювач фотосигналів ( Сус ) . Шуми цього виду є основним чинником, що обмежує роздільну здатність в кремніконі , оскільки при їх використанні підсилювач виконаний на окремому кристалі і за рахунок цього його вхідна ємність досягає 10-20 пФ . У ФСИ на ПЗС вихідний підсилювач може бути сформований в тому ж кристалі ( що виключає монтажні ємності і ємність корпусу) , і його вхідна ємність складається з ємності « плаваючою » дифузійної області та ємності затвора МДП - транзистора. У цьому випадку Сус = 0,2-0,5 пФ і тому шуми , пов'язані з вихідним підсилювачем , незначні.
Роздільна здатність ПЗС при низьких рівнях освітленості обмежена головним чином шумами у фоновому заряді і шумами процесу захоплення носіїв. Залежності рис.12 показує , що роздільна здатність обмежена шумами при 108-109 см - 2 (що відповідає величині 10-4 - 10-3 лк · с).
Рис.12. Розрахункова залежність роздільної здатності ФСИ на ПЗС ємністю 500X500 елементів від рівня освітленості при різних джерелах шумів: 1 - неповна передача зарядів; 2 - швидкі поверхневі стани; 3 - тепловий шум у фоновому заряді; 4 - експериментальна крива для кремнікона Аъ=25X25 мкм2, Сиз=0,2. tи=0.1 с, kS/N=5
Мінімальна площа одного елемента значно перевищує мінімальну « технологічну » і становить близько Ае ≈ 400 мкм2 . Вище рівня 109 см2 роздільна здатність визначається мінімальними геометричними розмірами світлочутливих елементів . Наведена на цьому ж малюнку експериментальна крива для кремнікона наочно демонструє перевагу ПЗС при низьких рівнях освітленості.
Реальне зображення характеризується непостійним потоком Низ ( у, z ) в площині ФСИ . За рахунок спотворень, що вносяться ФСИ в процес перетворення світлового потоку в «картину» зарядових пакетів і подальшого сканування зарядів на вихід , мінімальний розмір елемента переданого зображення буде більше розміру ПЗС -елемента , що визначається шумами чи технологією .
Для об'єктивної оцінки роздільної здатності ФСИ використовується частотно -контрастна характеристика ( ЧКХ ) ( MTF ( madulation transfer function ) . ) , Що описує зміна амплітуди світлового сигналу і зсув по просторової фазі на виході системи (наприклад , на екрані телевізійного приймача ) при зміні просторової частоти вхідного гармонійного сигналу . Будь-яке реальне зображення може бути розкладено в ряд Фур'є по просторових частотах. Так як амплітуди і фази окремих гармонік спотворюватимуться по- різному , то на виході системи вийде спотворене зображення . Тому за допомогою ЧКХ можна визначити спотворення, що вносяться ФСИ при передачі реального зображення. Частотно -контрастна характеристика визначає передавальну систему з точки зору якісності передачі інформації від об'єкта до спостерігача. Різні пристрої (оптичні , фотоелектронні , електронні , механічні і т. д.) , що вводять в телевізійну систему , вносять спотворення в передану інформацію . Частотно -контрастна характеристика і враховує ці спотворення . Аналогією ЧКХ в електронних системах є амплітудно- частотна і фазочастотная характеристики . Зміна ЧКХ відбувається в наслідок дії трьох факторів: дискретності розташування світлочутливих елементів (змінюється у межах одного елемента, світловий сигнал представляється усередненим зарядовим пакетом ) ; дифузійного розпливання фотогенеруючих носіїв під сусідні елементи ; втрат зарядів при їх перенесенні .
ЧКХ формувача сигналів зображень на ПЗС визначається спільною дією всіх трьох чинників. Оскільки ці фактори є незалежними , то для отримання ЧКХ необхідно перемножити амплітуди і скласти фази , зумовлені різними ефектами.
Раніше зазначалось , що реальне зображення можна розкласти в ряд Фур'є по просторових частотах. При передачі через ФСИ гармоніки з більшою просторової частотою матимуть більший загасання по амплітуді і більший фазовий зсув , тобто будуть сильніше спотворюватися в порівнянні з низькочастотними . Переймаючись певним рівнем спотворень ( по амплітуді і по фазі ) і використовуючи ЧКХ , можна визначити реальну роздільну здатність ФСИ на ПЗС . При А = 0,2 роздільна здатність виявляється в 2-3 рази менше граничної Rmax , що обчислюється виходячи з розмірів ПЗС ( 4.1) , а при А = 0,5 - в 3-4 рази менше. Таким чином , реальна роздільна здатність ФСИ на ПЗС виявляється рівною 20-30 ліній / мм .
Динамічний діапазон , який визначається як діапазон значень освітленості зображень , який може бути переданий без спотворень за допомогою ФСИ , для ПЗС складає 1000:1. Нижня межа цього діапазону визначається шумами , а верхня - насиченням потенційних ям ПЗЗ і розтіканням зарядів при їх переповненні . Якщо на ФСИ падає сильний світловий потік , то за час інтегрування потенційні ями ПЗС переповнюються . Це призводить до двох небажаних ефектів : по-перше , після заповнення зарядовий пакет , локалізований у потенційній ямі , залишається постійним незалежно від рівня освітленості , по-друге , надлишкові заряди під дією дифузії розтікаються в сусідні осередки , спотворюючи зберігає в них інформацію , В кінцевому підсумку це призводить до розпливання переданого зображення , для усунення якого формують додаткові навпаки зміщені р- n - переходи , що збирають надлишкові носії .