Ishanin_G_G__Malceva_N_K__Musyakov_V_L__Istoch_BookZZ_org

где xi, yj - координата центра изображения i-го столбца и j-й строки матрицы; d и d' - соответственно размеры элемента вдоль направления строк и столбцов матрицы; k - коэффициент пропорциональности, который при фиксированном времени накопления Tн и заданном спектральном составе оптического излучения можно рассматривать как интегральную чувствительность элементов ФПЗС.

Выражение (1) справедливо, если в первом приближении распределение чувствительности по площадке накопительного элемента считать постоянным. Следует помнить, что ФПЗС - приёмник с накоплением энергии, поэтому сигнальный заряд, накапливаемый в ячейке, пропорционален экспозиции оптического излучения

Tн

Qc ~ Hc = ∫E(t)dt,

0

где Hс - экспозиция оптического излучения, лк с; Tн - время экспонирования, с.

Очевидно, что при постоянной во времени освещённости E(t)=E значение накапливаемого заряда, соответствующего полезному сигналу, пропорционально времени накопления и уровню освещённости: Qc = ETн . Однако указанная линейная зависимость остаётся справедливой, пока ФПЗС не достигает уровня накопления, близкого к режиму насыщения Qc ≤ (0,7 ÷ 0,8)Qнас (рис. 38).

Чтобы сохранить структуру зарядового рельефа в процессе последующего переноса, необходимо на этапе накопления потенциальные ямы формировать не под каждым электродом, а только под одним или под двумя электродами каждой накопительной ячейки, как показано на рис. 39.

Рис. 38. Зависимость величины накопленного заряда от времени накопления при различной освещенности и от освещенности при различном времени накопления

71

Таким образом, потенциальные ямы должны быть разделены потенциальными барьерами, препятствующими “перемешиванию” зарядов как в процессе накопления, так и в процессе переноса. При этом одну накопительную ячейку образуют три электрода, подключённые к различным управляющим шинам Ф1, Ф2 и Ф3.

Ф1

Ф2 Ме

Ф3

SiO2

ϕп

Si

ϕПотенциальная яма

ϕп - потенциал на подложке

Рис. 39. Формирование потенциальных ям для переноса зарядов

За счёт явления тепловой генерации носителей в течение времени Tн в каждой ячейке накапливается также определённый темновой заряд Qт , который складывается с сигнальным зарядом Qc . Среднее значение темнового заряда, накапливаемого в ячейке, определяется выражением

Q Т = iT A эл Tн ,

где iТ - средняя плотность темнового тока накопления заряда, характерная для данного полупроводникового материала при рабочей

является случайной функцией пространственных координат x и y. Поэтому накапливаемые за время Tн темновые заряды будут различны в различных точках ФПЗС, и, следовательно, зарядовый рельеф Q (xi,yj) , формируемый на этапе накопления, определяется не только рельефом освещённости E (x,y) , но и случайным рельефом плотности темновых токов. В конечном итоге это приводит к искажениям полезного сигнала, формируемого ФПЗС. Величина искажений зависит от соотношения сигнального и темнового зарядов.

Среднее квадратическое отклонение средних значений темно-

72

вых зарядов, накапливаемых в различных ячейках ФПЗС за фиксированное время Tн, представляет собой количественную характеристику так называемого «геометрического» шума

σ Г = Q Т H Г ,

где QТ - среднее по кристаллу значение темнового заряда; HГ - коэффициент относительного разброса темновых токов по кристаллу ФПЗС (значение HГ может достигать 10 - 15 %).

Радикальным способом ослабления эффекта тепловой генерации, а следовательно, и уменьшения связанных с этим шумов является охлаждение кристалла. Зависимость темнового тока от температуры может быть аппроксимирована следующим выражением:

тепловой генерации проявляется в фотоприёмниках, работающих в инфракрасной области спектра, поскольку в этом случае приходится использовать полупроводниковые материалы с малой величиной Eз.

Обозначим через Nr* (i) случайное число темновых зарядов, накопленных в i-том элементе при однократном цикле накопления; NТ (i) - среднее значение числа темновых зарядов в i-том элементе, полученное в результате усреднения по множеству реализаций. Тогда значение NТ (i) = N *Т (i) − NТ (i) будет представлять собой случайную флуктуацию числа зарядов в i-том элементе относительно среднего значения NТ (i) . В свою очередь, среднее квадратическое значение флуктуаций NТ (i) характеризует остаточный тепловой шум в i-том элементе ФПЗС σТ (i).

Флуктуации числа зарядов подчиняются закону Пуассона. Однако, поскольку число накапливаемых зарядов обычно достаточно велико [ NТ (i) >> 100 ], распределение Пуассона можно аппроксимиро-

вать нормальным законом распределения с дисперсией, равной среднему значению. Тогда

σТ (i) = NТ (i) = QТ (i) / e,

где e - заряд электрона.

Вычисление и запоминание массива значений NТ (i) , а также последующее вычитание этих значений из сигнала в i-том элементе является весьма эффективным методом алгоритмической коррекции «геометрического» шума.

Другим источником шумов могут являться флуктуации зарядов, обусловленные фоновой засветкой

73

σФ(i) = NФ(i) ,

где NФ (i) - среднее число фоновых зарядов, накапливаемых в элементах. Таким образом, при неравномерном фоне флуктуации фоновых составляющих в различных элементах будут различны и пропорциональны корню квадратному от величины фоновой составляющей в соответствующих точках в плоскости анализа изображения.

Влияние перечисленных факторов часто значительно превышает влияние других источников шума в ФПЗС.

В более общем случае приходится учитывать также флуктуации сигнальных составляющих

σС (i) = NC (i),

где NC (i) - среднее число сигнальных зарядов от объекта наблюдения в i-том элементе.

Таким образом, и сам объект наблюдения может быть дополнительным источником шумов.

Совокупность всех шумов, действующих в ФПЗС, может быть измерена средним квадратическим числом шумовых электронов

σШ = σГ2 +σТ2 +σФ2 +σС2 +σП2 +σВУ2 .

Впоследнем выражении под квадратным корнем присутствуют ещё два слагаемых:

σП2 - дисперсия шума переноса зарядов в ПЗС-структуре;

σВУ2 - дисперсия шума, возникающего в выходном устройстве при детектировании зарядов и усилении видеосигнала.

Сведения об этих составляющих можно найти, например, в литературе, приведённой в конце настоящего описания. Там же содержится более подробная информация о рассмотренных выше физических процессах.

Описание лабораторной установки

Схема установки приведена на рис. 40.

Изображение щелевой диафрагмы 1, создаваемое источником сигнала 5, с помощью оптической системы 2, 3, 4 проецируется на светочувствительную площадку линейного ФПЗС фотоприёмного блока 7. На фоточувствительной площадке наблюдается вертикальный штрих, который может перемещаться по всей длине площадки с помощью микрометрической подвижки 9. Для создания фона используется источник фона 6, создающий рассеянное облучение фотоприёмника.

74

Рис. 40. Схема лабораторной установки

В фотоприёмном блоке оптический сигнал преобразуется в последовательность видеоимпульсов, которые в дальнейшем усиливаются и квантуются 10-ти-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). С помощью блока сопряжения 10 цифровые коды видеоимпульсов от элементов ФПЗС записываются в оперативную память персонального компьютера 11, где обрабатываются специальной программой. Все узлы лабораторной установки (кроме персонального компьютера) смонтированы на жёстком основании 8.

Порядок выполнения работы

Все последующие действия следует начинать не раньше, чем через 25...30 минут после включения компьютера, поскольку электропитание установки осуществляется от компьютера, а для стабилизации температурного режима установки требуется время.

1.Включите источник сигнала 5, выключите источник фона 6 (с помощью ручек на блоках питания источников 5 и 6).

2.Войдите в режим «Настройка», выбрав первый пункт главного меню клавишами курсора. В режиме «Настройка» программой осуществляется непрерывный опрос линейки ФПЗС и воспроизведение на экране видеосигнала после его квантования на 1024 уровня АЦП в фотоприёмном блоке 7.

3.Увеличивая уровень оптического сигнала путём регулировки тока через источник 5, добейтесь режима насыщения ФПЗС. Режим насыщения характеризуется тем, что дальнейшее увеличение оптического сигнала не приводит к увеличению размаха видеосигнала.

4.С помощью клавиш [+] и [-], управляющих усилением видеосигнала, а также с помощью клавиш [Ç] и [È], управляющих уровнем «привязки» (смещением) видеосигнала, добейтесь, чтобы для передачи видеосигнала от изображения щелевой диафрагмы использовалась возможно большая часть динамического диапазона АЦП.

75

При этом максимальное значение сигнала должно, не достигая уровня 1023, максимально приближаться к нему. Нижний уровень видеосигнала должен приближаться к нулевому значению, но не достигать его. Размах видеосигнала должен составлять U = Umax - Umin ≥ 600. При выполнении указанных условий квантование видеосигнала в АЦП вносит минимальную погрешность.

5. Зафиксируйте полученное значение U, так как оно будет использоваться при обработке результатов эксперимента.

6.Уменьшите величину оптического сигнала до величины, исключающей режим насыщения, но сохраняя максимально возможный размах видеосигнала, с помощью ручки на блоке питания источника 5.

7.Выключите источник 5, формирующий изображение щелевой диафрагмы.

8.При необходимости с помощью клавиши [Ç] увеличьте уровень «привязки» (смещение) видеосигнала таким образом, чтобы не возникало ограничения сигнала снизу. Не изменяйте после этого коэффициент усиления с помощью клавиш [+] и [-] !

9.Войдите в главное меню и выберите основной режим работы.

10.На экране Вы наблюдаете первую реализацию видеосигнала, полученного при однократном опросе линейки ФПЗС. В верхней части экрана воспроизводится полная строка, в левой нижней части - её фрагмент в более крупном масштабе по оси абсцисс. Зелёные цифры указывают номера выбранных элементов, белые - значения

сигнала, выраженные в уровнях квантования (0 ÷ 1023). Рекомендуем просмотреть полученную реализацию, используя клавиши [Å] и [Æ]. При этом на верхней «осциллограмме» выбранный фрагмент подсвечивается светло-зелёным цветом.

11.Несколько раз нажав клавишу [F9] (или удерживая её некоторое время в нажатом состоянии), получите 20...25 реализаций сигнала. Количество реализаций высвечивается в правом верхнем углу экрана. Завершив ввод последней реализации, нажмите [F8].

12.Выполните инструкцию, воспроизведенную на экране и зафиксируйте минимальное и максимальное значения сигнала. Среднее квадратическое значение составляющей геометрического шума, выраженное в относительных единицах, можно рассчитать по формуле:

Среднее квадратическое значение составляющей геометрического шума в абсолютных единицах, например, в числе носителей заряда, может быть легко рассчитано, если известно значение Nmax для данно-

го типа ФПЗС: σГ = σГ′ Nmax .

13. Выйдите в главное меню. Следуя инструкции, частично повторите ранее проделанные действия (см. пп. 9 - 11).

76

14.Зафиксируйте максимальное и минимальное значения флуктуаций в ячейках. Напомним, что средние квадратические значения флуктуаций представляют собой случайную составляющую шума

вячейках за вычетом аддитивной составляющей геометрического шума. Таким образом, полученные значения флуктуаций характеризуют остаточный (после алгоритмической коррекции) тепловой шум в каждом i-том элементе ФПЗС σТ (i).

15.Просмотрев массив, оцените среднее значение этого шума по кристаллу σТ (усреднение можно произвести в пределах произ-

вольно выбранного фрагмента). Выразите σТ в относительных единицах с учетом реального динамического диапазона сигнала U .

16. Выйдите в главное меню и снова войдите в режим настрой-

ки.

17. С помощью рукоятки на блоке питания включите источник 6, создающий фоновую засветку. Отрегулируйте уровень фона (с помощью реостата или используя светофильтры), а также уровень «привязки» (управляя смещением с помощью клавиш [Ç] и [È]) таким образом, чтобы на экране наблюдался видеосигнал от неравномерной фоновой засветки. Рекомендуем добиться, чтобы сигнал от фона составлял не менее 25...30 % U , но не ограничивался.

18.Выйдите в главное меню и вновь повторите действия по пп. 9 - 15. При этом обратите внимание (и зафиксируйте для отчёта), в каких участках строки имеют место максимальные значения случайных флуктуаций сигнала. Следует зарисовать примерный вид видеосигнала при наличии фоновой засветки с указанием номеров элементов, в которых зарегистрированы максимальные значения флуктуаций.

19.Вновь выйдите в главное меню и выберите режим «Настройка». Выключите источник фона 6 и включите источник сигнала 5. Выполните п. 4 настоящей инструкции.

20.С помощью главного меню выберите режим «Приложение». Этот режим служит для иллюстрации возможности использования ФПЗС в качестве позиционно-чувствительного фотоприёмника. В верхней части экрана Вы наблюдаете стилизованное изображение линейки ФПЗС и изображение щели на её фоточувствительной площадке.

21.Используя клавиши [Å] и [Æ], рекомендуем просмотреть участок видеосигнала, снимаемого с элементов в окрестностях изображения щели.

22.Несколько раз нажав клавишу [F9] (или удерживая её некоторое время в нажатом состоянии), получите 20…25 реализаций оценок координат изображения. В этом режиме количество реализаций на экране не индицируется. Завершив ввод последней реализации, нажмите [F8]. Зафиксируйте усредненное значение измеренной

77

координаты и среднюю квадратическую погрешность измерения. (Очевидно, что полученные значения выражены в числе пространственных периодов элементов ФПЗС, начиная от левого края линейки).

23. Выйдите в главное меню. С помощью микрометрической подвижки 9 немного (на несколько сотен микрометров) переместите фотоприёмный блок 7 относительно изображения щели. Затем вновь войдите в режим «Приложение» и повторите действия по пп. 21 - 22.

На этом заканчивается обязательная часть работы. Рекомендуем ознакомиться с перечнем вопросов, приведенном в конце описания, и при необходимости провести дополнительные исследования по своему усмотрению с целью облегчения Вашей подготовки к защите.

Содержание отчета

Отчёт должен содержать следующие разделы.

1.Краткий теоретический раздел. Здесь могут быть помещены сведения о физических процессах, протекающих в ПЗС-структуре при формировании зарядового рельефа, о причинах, приводящих к появлению шумов и искажений видеосигнала, о возможных методах их снижения, алгоритмической коррекции и т.д. Конкретное содержание

иобъем этого раздела определяется самим студентом, однако следует иметь в виду, что при защите лабораторной работы разрешается пользоваться только собственным отчётом, а не текстом настоящего описания или какими-либо другими источниками.

2.Обработанные результаты экспериментальных исследований по основному разделу работы, включая все промежуточные данные и вычисления с их расшифровкой. При этом должны быть указаны условия, при которых получены конкретные результаты (отсутствие или наличие фоновой засветки; используемый динамический диапазон сигнала, выраженный в числе уровней квантования; число реализаций, по которым проводилась статистическая обработка и др.). Здесь

Вопросы для подготовки

1.Поясните физические процессы, протекающие в структуре ФПЗС в режимах накопления и переноса зарядов.

2.Каковы преимущества и недостатки фотоприёмников с накоплением энергии сигнала по сравнению с фотоприёмниками «мгновенного» действия? В каких единицах может измеряться интеграль-

78

ная чувствительность ФПЗС?

3.Перечислите основные виды шумов ФПЗС. Какие составляющие шумов поддаются алгоритмической коррекции? Что такое «геометрический» шум?

4.Какие составляющие шумов и почему имеют преобладающее значение в приборах с переносом заряда, работающих в инфракрасной области спектра? Какие методы ослабления этого вида шумов Вам известны?

5.Поясните методику измерения шумов ФПЗС, которая использована в данной работе.

Литература

Источники и приёмники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. - СПб.: Политехника, 1991 (стр. 166 - 193).

79

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ"

Цели работы

−закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения" (раздел "Приемники оптического излучения", тема "Фотоумножители");

−дать практические навыки по экспериментальному определению спектральной характеристики чувствительности и зависимости анодной чувствительности фотоумножителя от напряжения питания;

−ознакомиться с устройством и работой монохроматора и измерительного усилителя.

Краткие теоретические сведения

Фотоумножитель - электровакуумный фотоэлектронный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод, вторично-электронного умножителя (ВЭУ) и анода.

ВЭУ - электровакуумный прибор, в котором поток электронов умножается посредством вторичной электронной эмиссии. Это происходит на динодах - вторично-эмиссионных электродах, действие и расположение которых относительно других электродов таковы, что число вторичных электронов, эмиттированных с их поверхности, превышает число падающих на их поверхность первичных электро-

нов.

Схематичное устройство фотоумножителя представлено на рис. 41.

В стеклянном корпусе К, из которого откачан воздух, располагаются электронно-оптическая система ЭОС, диафрагма Д, диноды Э1, Э2, Э3 и анод А. На переднюю стенку корпуса нанесен фотокатод в виде тонкой пленки, работающий "на просвет" (рис. 41) или "на отражение". Между анодом и фотокатодом приложено напряжение питания 1…3,5 кВ. Падающий на фотокатод поток излучения Ф вызывает фотоэлектронную эмиссию. Выбитый из фотокатода фотоэлектрон е- с помощью ЭОС направляется через отверстие в диафрагме Д на первый динод Э1. На диноде происходит вторичная электрон-

80