11. Проблемы пзс

В процессе приема и обработки сигнала в матрице возникают различного рода помехи, так называемые шумы. Одним из наиболее неприятных является шум темнового тока — результат генерации пикселями термоэлектронов. Количество этих “паразитных” электронов зависит от двух основных параметров: продолжительности экспозиции и температуры матрицы.

Одним из эффективных способов уменьшения темнового тока является охлаждение матрицы: при уменьшении температуры кристалла всего на 8 градусов количество термоэлектронов уменьшается вдвое! Поэтому все современные астрономические ПЗС снабжены встроенной системой охлаждения. А небольшой термодатчик, укрепленный с обратной стороны кристалла, позволяет управлять электронной схемой, поддерживающей температуру матрицы с точностью до 0,1 градуса, и фиксировать эту температуру в памяти компьютера и в сохраняемом изображении.

Общий контроль за работой ПЗС осуществляет блок управления, представляющий собой довольно сложную электронную схему. Он может быть выполнен как типовая плата расширения для компьютера, которая ставится в свободный разъем внутри него, либо в виде отдельного блока размерами с книгу, который подключается к компьютеру.

12. Особенности пзс

Плюсы ПЗС.

За счет удивительной чувствительности ПЗС матриц астрономия начала развиваться с огромной скоростью. Если для получения изображения слабой галактики на фотопленку требуются порой часовые выдержки, то ПЗС позволяет сократить время экспозиции до нескольких минут или даже секунд!

Квантовая эффективность ПЗС гораздо выше аналогичного показателя для фотоэмульсии или глаза, у которых квантовая эффективность составляет 1 % и 3 % соответственно.

Известно, что фотографическая эмульсия способна сохранять свою чувствительность к свету лишь короткое время в самом начале экспозиции и резко теряет ее при длительных выдержках. ПЗС матрица, напротив, обладает чувствительностью, которая остается стабильной в течение всего времени экспозиции.

Современный уровень технологии позволяет выпускать матрицы с размерами пикселя от 7 до 52 мкм, и сейчас можно встретить в продаже матрицы с пикселями менее 10 мкм. Для фотопленки это фактически эквивалентно разрешению 100 линий на миллиметр, что с трудом осуществимо для эмульсий с высокой чувствительностью.

Чем больше размеры пикселя, тем больше электронов он может накопить до полного насыщения. Так, например, у десятимикрометровых пикселей насыщение наступает при накоплении 50 тыс. электронов, а пиксель размерами 23 на 27 мкм позволяет накапливать уже до 400 тыс. электронов! По сути это означает, что хотя крупные пиксели и ухудшают разрешающую способность, с ними можно получить гораздо больший диапазон яркостей, что эквивалентно большей фотографической широте в фотографии. Это свойство особенно важно при съемке астрономических объектов, обладающих большими перепадами яркости.

Помимо большого диапазона воспроизводимых яркостей ПЗС обладает еще и широким спектральным диапазоном, значительно превосходящим возможности фотопленки и, тем более, глаза. ПЗС реагируют на свет в диапазоне от рентгеновского до ближнего инфракрасного излучения (от единиц ангстрем до, примерно, 11 тысяч ангстрем). Таким образом, на сегодняшний день ПЗС обладают самым широким спектральным диапазоном среди всех известных приемников излучения.

Еще один плюс - однажды купленная ПЗС камера в дальнейшем не требует расходов на такие процессы, как проявка и печать, без которых не обойтись в фотографии.

Минусы ПЗС.

При всех своих положительных качествах ПЗС обладают одним серьезным недостатком — они очень малы. К примеру, большинство матриц имеет немного более 80 тыс. пикселей, расположенных в 336 рядах и 242 колонках. Учитывая, что размеры одного пикселя в этой матрице составляют 10 микрон, получаем, что общая площадь светособирающей поверхности составляет менее одного процента площади кадра обычной 35-мм пленки! Вследствие этого, поле зрения при использовании такой ПЗС оказывается много меньше поля зрения, которое мы можем получить при съемке на фотопленку, не говоря уже о фотопластинках.

Выпускаются и более крупные матрицы, имеющие около 768х512 элементов (линейные размеры — 6.9х4.6 мм). Но и это еще не предел — Космический телескоп им. Хаббла оснащен ПЗС 800х800 элементов (12х12 мм), а самая крупная из созданных на сегодняшний день матриц имеет размер 7000х9000 пикселей (84х108 мм). Для увеличения поля зрения иногда используют так называемые составные матрицы, состоящие из нескольких небольших матриц, вплотную прижатых друг к другу. Наибольшая из составных матриц используется на 3.6-м Канадо-Франко-Гавайском телескопе и состоит из восьми матриц размером 2048х4096 пикселей.

Следует помнить, однако, что применение матриц столь крупных размеров сопряжено с трудностями обработки и хранения информации. К примеру, Космическому телескопу им. Хаббла требуется несколько минут для того, чтобы считать полученное на ПЗС изображение, а считывание сигнала от матрицы 7000х9000 пикселей займет уже не менее 20 минут. Кроме того, пропорционально количеству светоприемных элементов матрицы растет объем информации, занимаемый изображением. Если файл, в котором записано изображение, полученное на 16-ти разрядной (65 тыс. градаций серого) матрице 768х512 пикселей, будет хранить в себе менее одного мегабайта информации, то изображение, полученное на аналогичной матрице размером 4096х4096 пикселей, будет равно уже 32 мегабайтам.

Работа с ПЗС предъявляет высокие требования к компьютеру — ведь для обработки изображений он должен обладать достаточным объемом оперативной памяти и хорошим быстродействием.

Так же ПЗС имеют еще один минус: в красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается, что несколько ограничивает их применение