7.3. Параметры и характеристики пзс.

К основным характеристикам приборов для регистрации изображений, построенных с использованием ПЗС-матриц, относится чувствительность, динамический диапазон, блюминг и размер по диагонали. Кроме этого ПЗС характеризуется спектральными характеристиками, током и шумами.

Чувствительность ПЗС-матриц складывается из чувствительности всех ее пикселов и определяется двумя параметрами.

Первый параметр – интегральная чувствительность, представляющий собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.

Второй параметр – монохроматическая чувствительность, то есть отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определенной длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность – зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определенного цвета.

Чувствительность матрицы является интегральной величиной, зависящей от чувствительности каждого ПЗС-элемента. Чувствительность пиксела матрицы зависит, во-первых, от площади светочувствительной области, а во-вторых, от квантовой эффективности, то есть отношения числа зарегистрированных электронов к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.

В свою очередь, на квантовую эффективность влияет ряд других параметров. К одному из таких параметров относят коэффициент отражения – величину, отображающую долю тех фотонов, которые «отрикошетируют» от поверхности сенсора. Не отраженные от поверхности сенсора фотоны поглощаются, причем часть из них «застрянет» у поверхности, а часть проникнет слишком глубоко в материал ПЗС-элемента. Очевидно, что в обоих случаях они не примут никакого участия в процессе формирования фототока. «Проникающая способность» фотонов в полупроводник, именуемая коэффициентом поглощения, зависит как от материала полупроводника, так и от длины волны падающего света – «длинноволновые» частицы проникают гораздо глубже «коротковолновых».

Важной характеристикой ПЗС-матрицы является порог чувствительности, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности. Главным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток. Он является следствием термоэлектронной эмиссии и возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. Существует достаточно сильная зависимость темнового тока от температуры сенсора – при нагревании матрицы на 9 градусов по Цельсию ее темновой ток возрастает в два раза. Для охлаждения матрицы используются различные системы теплоотвода (охлаждения). В простейшем случае отвод тепла может осуществляться корпусом прибора и радиаторами. В более сложной аппаратуре, требующей высокого качества регистрации изображений, особенно в различных неблагоприятных условиях, используют активные системы охлаждения в виде , системы Пельтье и др.

Возможность сенсора формировать изображения хорошего качества при разной освещенности и высокой контрастности определяется его динамическим диапазоном, характеризующим способность матрицы различать в изображении, проецируемом на ее регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых. При расширении динамического диапазона количество оттенков снимка будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому объективом.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы определяется прежде всего глубиной потенциальной ямы. Кроме того в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.

Очевидно, что потери электронов, составляющих фототок, происходят не только в процессе накопления заряда потенциальной ямы, но и при его транспортировке к выходу матрицы. Потери эти вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда при его перетекании под следующий электрод переноса. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда. Данный параметр измеряется в процентах и показывает долю заряда, сохранившуюся при «переправе» между ПЗС-элементами.

В тех случаях, когда внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потенциальной ямы, заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселам. На снимках это явление, именуемое «блюмингом» (от английского blooming – размывание), отображается в виде пятен белого цвета и правильной форсы, и чем больше избыточных электронов, тем крупнее пятна.

Подавление блюминга осуществляется посредством системы электронного дренажа, основная задача которого – отвод избыточных электронов из потенциальной ямы. Наиболее известны варианты вертикального дренажа и бокового дренажа.

В системе с вертикальным дренажом на подложку матрицы подается потенциал, значение которого подбирается так, чтобы при переполнении глубины потенциальной ямы избыточные электроны вытекали из нее на подложку и там рассеивались. Минусом такого варианта является уменьшение глубины потенциальной ямы и, соответственно, сужение динамического диапазона ПЗС-элемента.

Система с боковым дренажом использует электроды, препятствующие проникновению электронов потенциальной ямы в «дренажные канавки», из которых происходит рассеивание избыточного заряда. Потенциал на этих электродах подбирается в соответствии с барьером переполнения потенциальной ямы, при этом ее глубина не меняется. Однако за счет электродов дренажа сокращается светочувствительная площадь ПЗС-элемента, поэтому приходится использовать микролинзы.

В качестве примера в таблице 7.1 представлены основные технические характеристики ПЗС-матрицы ICX409AL.

Таблица 7.1.

Основные характеристики микросхемы ICX409AL.

Характеристика	Значение
Размер изображения	Диагональ 6 мм
Количество эффективных пикселей: всего по горизонтали по вертикали	440000 752 596 (приблизительно)
Общее количество пикселей: всего по горизонтали по вертикали	470000 795 596
Размер одного пикселя: по горизонтали по вертикали	6,5 мкм 6,25 мкм
Разрешение	420 ТВ линий
Объектив	f=2,84/3,6 мм (28, 44, 53, 120, 130, 150 град.)
Чувствительность	0,1 люкс
Светопропускание	F2.0
Видеосигнал	1В, 75 Ом
Отношение S/N	50 дБ
Электронный затвор	1/50-1/100000 с
Электропитание	12В/0,1А
Температурный режим	от -10 до +50°С
Габариты	30x30x26 мм
Вес	0,03 кг

При использовании ПЗС-матриц разработчики медицинской аппаратуры испытывают ряд проблем, среди которых одной из самых серьезных являются чрезвычайно жесткие требования к однородности исходного кремния и степени совершенства технологического процесса. Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идет с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС применение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла. Специфическим ограничением является и присущий им по принципу действия последовательный вывод информации, тогда как в ряде применений удобнее иметь датчики с произвольным опросом.