Лекции3_4_5. Лекция 3 Многоэлементные фотоприемники на основе приборов
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Лекция 4 "Одно – и двух- координатные ПЗС. Основные характеристики ФПЗС За годы бурного развития фоточувствительных ПЗС появилось огромное количество их разновидностей.  Во многих случаях такие приборы создавались для решения каких-либо конкретных задач и поэтому существовали в небольшом количестве экземпляров. Тем не менее, можно выделить два основных признака классификации: электронное сканирование по одной или двум координатам; считывание информации – с выборкой элемента либо набора элементов – последовательное или произвольное. С учетом сложившихся массовых применений ПЗС можно привести следующую их классификацию.Основные типы приборов с переносом заряда Одно- и двух координатные ФПЗС.  В простейших ФПЗС, представляющих собою сдвиговый регистр, функции накопления и переноса зарядов разделены во времени, но объединены пространственно, т.е. и накопление и перенос осуществляется одной электронной системой. В течение некоторого времени на определенную фазу подают смещение высокого уровня, под электродами этой фазы накапливаются генерируемые падающим оптическим излучением, зарядовые пакеты. По истечении времени накопления, включается тактирование фаз и зарядовые пакеты направлено переносятся к выходному устройству. На рисунке показан процесс формирования одной строки телевизионного изображения с помощью такого линейного ФПЗС. Тестобъект (штриховая мира), представляющая собой чередование прозрачных (П), серых (полупрозрачных) (С) и непрозрачных (Н) полос, проецируется с помощью объектива на поверхность ФПЗС. На вторую фазу ФПЗС подан высокий уровень смещения и за время накопления именно под электродами этой фазы формируются зарядовые пакеты, величина которых пропорциональна распределению освещенности на поверхности.В элементе 2, на который спроецирована прозрачная полоса, зарядовый пакет будет большим, в элементе 3 (серая полоса) меньше, а в элементах 1 и 4, которые соответствуют положению непрозрачных полос, находится только темновой (термогенерированный) сигнал. (Отношение заряда термогенерированных носителей по времени накопления и есть темновой ток). После окончания периода накопления зарядов под электродами второй фазы, потенциалы фаз начинают последовательно переключатся и зарядовые пакеты передаются к выходному устройству. Здесь зарядовые пакеты преобразуются в импульсы напряжения (тока), которые уже вне кристалла ФПЗС усиливаются до необходимого уровня и передаются на видеоконтрольное устройство для визуализации. Строго говоря, только такой ФПЗС является однокоординатным прибором, в котором перенос происходит вдоль одной оси. Во всех прочих типах ФПЗС имеет место перенос по двум осям координат, хотя по одной из них переносов может быть очень много, а по другой не более одного, двух. Однако, т.к. под электронным сканированием понимают процесс многократного последовательного переноса, то приборы ПЗС, где длительному многократному переносу по горизонтали предшествует один два переноса, по вертикале (а таких большинство) так же считываются однокоординатными и относятся к линейному типу или попросту к линейным ПЗС. Линейные ПЗС находят чаще всего применение там, где уже есть механическое сканирование, например, в сканерах или в телевизионных системах наблюдения Земли из Космоса, работающих в режиме "Push-broom" за счет движения космического аппарата по орбите. Применяются линейки ПЗС и при преобразовании одномерных оптических изображений, например спектров излучения, формируемых спектральными приборами.  Двумерное изображение с помощью ФПЗС можно сформировать и без механического сканирования, в результате электронного сканирования по обеим осям. Для этого необходимо создать набор из линейных ФПЗС, образовав тем самым двух-координатый ПЗС – двумерную матрицу фоточувствительных элементов или матричный ФПЗС. Простейший матричный ФПЗС, создающий десять линейных фоточувствительных регистров по десять электродов объединенных тремя фазами, показан на рисунке. Каждый фоточувствительный регистр соединен с элементом сдвигового регистра, служащего для вывода зарядовых пакетов из матрицы. Этот выходной сдвиговый регистр не является фоточувствительным и выполняет только функции переноса. Изображение с помощью объектива проецируется на поверхность матрицы (выходной регистр закрыт непрозрачным экраном). После того как в элементах фоточувствительных регистров накопились зарядовые пакеты их, переносят во всех регистрах, например, вправо как показано на рисунке. После одного такта крайние правые зарядовые пакеты перетекут в подготовленные потенциальные ямы сдвигового регистра, например, под электроды 2-й фазы. Причем, зарядовые пакеты выходной регистр начинает переносить их к выходу, где они преобразуются в импульсы напряжения (тока), а сдвиговый регистр, при этом очищается. После того, как он очистится, полностью в него перетекут следующие зарядовые пакеты из фоточувствительных регистров. И цикл повторяется до тех пор, пока не очистятся все потенциальные ямы в фоточувствительных регистрах. После этого матрица начинает очередной такт накопления сигнальных фотогенерированных зарядовых пакетов.Рассмотренный выше способ считывания при последовательном перемещении зарядовых пакетов из одной потенциальной ямы в другую и так до выходного устройства, где заряд преобразуется в импульс напряжения или тока, используется во всех ПЗС. Тем не менее, возможен и другой способ без многочисленных переносов. Этот способ называется методом зарядовой инжекции, а приборы, в которых используется этот метод, называются приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ). Суть метода заключается в том, что при снятии с электрода МОП-емкости обедняющего смещения, носители накопленного заряда больше не удерживаются полем и диффундируют в подложку. Измеряя протекающий в результате этого ток подложки можно судить о величине зарядового пакета. Если набрать массив из МОП-емкости, и поочередно считывать в моменты времени t1, t2, t3, …tn с них зарядовые пакеты, то изменение тока подложки во времени представляет информацию не только о величине зарядовых пакетов в данной емкости, но и о координате емкости, так как в момент t1 ток будет соответствовать зарядовому пакету емкости 1, в момент t2 – емкости 2 и т.д. Следует отметить, что в ПЗИ МОП-емкости могут располагаться на любом расстоянии друг от друга, т.к. зарядовая связь не требуется. По этой же причине качество поверхности не имеет такого большого значения как в ПЗС. В  двухкоординатных ПЗИ все же требуется хотя бы два близко расположенных электрода и один перенос заряда. В изображенном на рисунке ПЗИ используется метод параллельного считывания. Ключи К1 – К4 присоединяют все столбцы к источнику опорного напряжения и затем отключают, оставляя под плавающим потенциалом. На все строчные электроды подано при этом обедняющее смещение, большее, чем на столбцовые, так что носители заряда скатываются в потенциальные ямы под строчными электродами. Затем на выбранной строчной шине (x3) смещение снижают до нуля и зарядовые пакеты из-под всех строчных электродов перетекают под столбцовые электроды. Плавающий потенциал столбцовой шины в результате изменится на значение, пропорциональное зарядовому пакету, хранившемуся под тем строчным электродом выбранной строки, который связан со столбцовым электродом данной шины. Столбцы поочередно подключаются (с помощью регистра сканирования и МОП-ключей К'1 – К'4 к выходному усилителю. Основной недостаток ПЗИ – большая емкость узла считывания, равная, примерно, емкости столбцовой шины. (следует вспомнить, что изменения плавающего потенциала пропорционально накопленному заряду и обратно пропорционально плавающей емкости). Полезный сигнал будет маленьким и трудно выделяемым среди тактовых помех. Достоинство ПЗИ является меньшее чем в ПЗС влияние поверхности и возможность считывания произвольных элементов в любом порядке (X-Y считывания).Долгое время ПЗИ не получали широкого развития. В последние годы, в связи с огромным прорывом в КМОП технологии приборы такого и аналогичного типа получили новую жизнь. Появились КМОП-матрицы (CMOS) или APS – матрицы (active pixel sensor) в качестве фоточувствительных элементов, в которых используются фотодиоды, а схема считывания сигнала подобна описанной выше. Такие приборы имеют меньшую, чем ПЗС чувствительность и меньший динамический диапазон, но простота и дешевизна их изготовления открыла им дорогу во многие области применения, ранее занятые ПЗС. Так, во многих дешевых сканерах и цифровых электронных фотоаппаратах используются CMOS-матрицы. Еще одним достоинством этих фотоприемников является большая, чем у ПЗС функциональность. Современные КМОП-матрицы как минимум включают в себя функции аналого-цифрового преобразования сигнала непосредственно на том же кристалле, а в ряде случаев и дальнейшую более сложную обработку, например регулировку уровня яркости, контраста и цветового баланса видеосигнала. Основные характеристики ФПЗС. Прежде чем перейти к описанию типов ФПЗС, используемых в телевизионных сканирующих системах, остановимся на описании основных параметров и характеристик ФПЗС. Основные характеристики ФПЗС. Характеристики ФПЗС можно условно разделить на три группы: фотоэлектрические, определяющие эффективность преобразования оптического сигнала в электрический; конструктивные и эксплуатационные. Эксплуатационные характеристики обычно включают в себя сведения о режимах работы, электропитания, тактовые диаграммы, рабочие частоты, устойчивость к воздействию внешних факторов (температуры, механические и радиационные воздействия), а также дополнительные указания, например, способы пайки и монтажа в аппаратуре. Конструктивные характеристики включают: формат ФПЗС (сколько фоточувствительных (всего) элементов содержит матрица или линейка ПЗС); размер фоточувствительного элемента, шаг (период) расположения фотоячеек, количество регистров и выходных устройств для считывания, количество матричных и регистровых фаз, а также тип канала переноса, тип фотодетектора (фотодиод или МОП-емкость) и т.п. На фотоэлектрических характеристиках остановимся более подробно. С  вет-сигнальная характеристика связывает величину выходного сигнала в Вольтах с освещенностью ФПЗС. Типичная свет-сигнальная характеристика показана на рисунке.Необходимо обратить внимание на линейность свето-сигнальной характеристики в широком диапазоне освещенности (Emin – E'max). Лучшие ФПЗС имеют характеристику линейную при изменении облученности в 10 тыс. раз и даже лучше. Отклонение этой характеристики от прямой линии называют нелинейностью светосигнальной характеристики. При этом речь идет о рабочем участке (Emin – E'max). У хороших ПЗС нелинейность составляет около 0,001. Наклон свет-сигнальной характеристики характеризует чувствительность (S) ФПЗС. Чем больше наклон, тем выше чувствительность.  или в зависимости от длины волны излучения   где: ΔU - изменение сигнала в Вольтах; Е - освещенность в люксах (лк) или Вт/м2; Е(λ) – спектральная плотность освещенности. Интегральная вольтовая чувствительность измеряется либо в [В/лкּс] (световая экспозиция), либо в [В/Дж] (энергетическая экспозиция). Конкретное значение интегральной чувствительности определяется конструктивно-технологическими факторами; эффективностью ввода оптического сигнала емкостью узла считывания и т.п. В разных участках ФПЗС при одной и той же освещенности выходной сигнал может несколько отличаться, т.к. немного отличаются толщина электродов, концентрация примеси и т.п. Поэтому, для характеристики ФПЗС используют еще один параметр неоднородность чувствительности или выходного сигнала. Эту величину обычно измеряют в относительных (нормированных к максимуму сигнала) величинах и она может составлять в зависимости от типа ФПЗС от 2 до 10%. За максимальный сигнал обычно принимают величину сигнала при такой большой освещенности, что светосигнальная характеристика перестает вести себя линейно и плавно загибается и выходит на "полочку". Этому моменту соответствует полное заполнение потенциальной ямы зарядом. Поэтому, этот максимальный сигнал называют сигналом насыщения и измеряют его либо в Вольтах, либо непосредственно в максимальном количестве электронов, помещающихся в потенциальную яму. При дальнейшем увеличении освещенности наступает растекание зарядов в стороны из потенциальной ямы. Это явление называется блюминг. Для его предотвращения или уменьшения его влияния в конструкцию ФПЗС (ячеек ФПЗС) вводят устройства, которые называются антиблюминг, позволяющие тем или иным способом сбросить избыточные заряды из потенциальной ямы в подложку без растекания в соседние ячейки. Антиблюминг характеризуется коэффициентом пересветки (относительно Emax), при которой еще не происходит блюминга. Этот коэффициент может составлять 10 – 1000 в зависимости от конкретной конструкции. Нижняя часть свет-сигнальной характеристики дает представление о работе ФПЗС в пороговой области, т.е. при предельно низких значениях освещенности. Если ФПЗС полностью изолировать от света, то на выходе прибора все равно будет наблюдаться сигнал – темновой сигнал, характеризуемый напряжением темнового сигнала (UТ) и неравномерностью напряжения темнового сигнала (Δ UТ). Темновой сигнал образуется шумами ФПЗС – детерминированными и флуктационными. Шум термогенерацииобусловлен флуктуацией темнового зарядового пакета, вызванного термогенерацией и определяется плоскостью темнового тока jТ, площадью элемента АЭ и временем накопления ТН. Среднее число "темновых электронов" NТ в каждом элементе и шум темнового сигнала σТ соответственно равны   ,где ТН и ТС – время накопления и время считывания соответственно. Температурная зависимость темнового тока описывается выражением  ,где jТ (Т0) – темновой ток при температуре Т0 , а ΔТ2 ≈ 7˚С температура удвоения темнового тока. Шум объемных ловушек объемноканального ФПЗС при m передачах зарядового пакета составит  где NV – плотность объемных ловушек; V – объем занимаемый, сигнальным зарядом. Шум, связанный с неэффективностью переноса заряда (ε)  Шум выходного устройства с одним каскадом описывается выражением  ,где Св – емкость выходного устройства; Δfn – полоса частот предусилителя; Ε2n1 – шум входа транзистора. Первый член под радикалом самый весомый и определяет так называемый "КТС" – шум, который является коррелированным и может быть устранен при помощи метода "двойной коррелированной выборки" (ДКВ). Этот метод используется практически во всех устройствах на ПЗС. Таким образом, при использовании ДКВ первым членом можно пренебречь. Суммарный темновой шум σ0 ФПЗС составляет  У современных ФПЗС с оптимизированной конструкцией и технологией изготовления шумы, приведенные к зарядам ячейки очень малы и составляют величины 15 – 45 электронов. Для ПЗС с охлаждением и на низких частотах эти значения еще меньше и достигают величин в 3 – 10 электронов. Отношение максимального сигнала (зарядового пакета) к шуму (шумовых электронов) обычно называют динамическим диапазоном ПЗС и измеряют либо в разах, либо в децибелах, имея в виду, что  , где К = Nmax/σ0.О  чень важной характеристикой дополняющей интегральную чувствительность является спектральная чувствительность, характеризующая изменение чувствительности при облучении ФПЗС излучением различной длины волны. Вид спектральной характеристики зависит от конструкции фотоприемной ячейкиЮ а также технологии изготовления прибора. В основном ФПЗС имеют максимум чувствительности в районе 0,6-0,8 микрон.На рисунке показана спектральная характеристика ФПЗС фирмы Sony и Kodak. Н  Слева спектральная характеристика ФПЗС KLI5001 фирмы KODAK Внизу относительная спектральная характеристика линейки ПЗС ILX514 фирмы SONY а практике широко применяется понятие квантовой эффективности ФПЗС, которое представляет собой отношение количества накопленных электронов к количеству упавших за время накопления на поверхность ячейки ПЗС фотонов. Квантовая эффективность также зависит от длины волны. Н  а рисунке справа приведены спектральные зависимости квантовой эффективности для нескольких типов ФПЗС.Функция передачи модуляции (ФПМ) ФПЗС. Ф  ПМ ФПЗС определяет разрешающую способность прибора и описывает ответ ФПЗС на оптический входной сигнал в виде синусоиды или меандра (тогда эта функция называется частотно контрастной характеристикой (ЧКХ)). Для того, чтобы определить ЧКХ (или ФПМ) на ФПЗС проецируют штриховую миру, состоящую из светлых и темных полос, шаг, который задает пространственную частоту работы ФПЗС. В идеальном случае на выходе ФПЗС должен бы появиться сигнал той же формы, в реальности же, из-за разных причин, форма сигнала сглаживается и на высоких частотах сигнал от ФПЗС напоминает синусоиду даже при меандровом сигнале на выходе. Вид ЧКХ (ФПМ) любого ФПЗС определяется тремя факторами: геометрией активной части прибора, т.е. размерами и шагом фоточувствительных элементов (с этим фактором связана ЧКХ - интегрированная (ЧКХint)); эффективностью переноса носителей заряда (ЧКХ – переноса (ЧКХ)); диффузией носителей, генерируемых длинноволновыми фотонами (ЧКХ – диффузии (ЧКХдиф)). Это только основные факторы, влияющие на ЧКХ, есть и другие, которые необходимо учитывать в некоторых специальных случаях. Суммарная ЧКХ (или ФПМ) ПЗС определяется произведением всех перечисленных выше ЧКХ: Для квадратных фоточувствительных элементов размером X, расположенных с шагом Р зависимость частотно контрастной характеристики ЧКХintот пространственной частоты f определяется выражением  ,где fmax = 1/2Р – частота Найквиста, характеризующая ФПЗС и связаная с шагом фоточувствительных ячеек. При проецировании на ФПЗС штриховых объектов с частотами выше fmaxбудет наблюдаться эффект Муара в виде ложных изображений. Для ЧКХε можно использовать выражение  ,где n – количество переносов зарядового пакета. Д  ля ЧКХдиф используют выражение ,где   ,где d – глубина обеднения; L0 – длина свободного пробега носителей; α – коэффициент поглощения материала подложки (Si), являющийся функцией длины волны. В современных ФПЗС с высокой эффективностью переноса, при работе в области спектра 0,45 – 0,72 мкм основной составляющей ЧКХ является ЧКХ-интегрирования, которая при ΔX = Р имеет значение 0,63 на частоте Найквиста (максимальная рабочая частота). ЛЕКЦИЯ 5 Т  ипы фоточувствительных приборов с зарядовой связью и и область применения" Линейные ФПЗС В  простейших ФПЗС без разделения областей накопления и переноса имеется существенный недостаток- смазывание изображения при считывании сигнала, из-за того, что во время считывания продолжается накопление и к полезному накопленному сигналу добавляется носители генерированные в МОП- структуре регистра переноса заряда. Избавиться от этого можно двумя способами: либо перекрывая тем или иным способом поток излучения на время считывания, либо многократно уменьшить время считывания относительно времени накопления. Радикальным решением этой проблемы является пространственное разделение процессов накопления и переноса зарядов как показано на рисунке. В конструкции таких линейных ФПЗС содержится линейка фоточувствительных ячеек (МОП-структур или фотодиодов), затвор параллельного переноса накопленных зарядов из фотоячеек в элементы регистра переноса и защищенный от света регистр переноса. В течении времени накопления разрешающий затвор закрыт, на фоточувствительные ячейки подано смещающее напряжение и там осуществляется накопление. Во время накопления считывающий регистр может либо работать (вынося к выходу ранее н акопленные зарядовые пакеты), либо не работать. После окончания накопления заряд переноситься в регистр и считывается. Новый цикл накопления может начаться либо сразу после переноса заряда в регистр, либо после полного считывания регистра. В такой конструкции время считывания может ровняться времени накопления. В линейках ФПЗС используют считывание из ячеек накопления в один, либо в два регистра как показано на рисунке. Оба способа имеет преимущества и недостатки. При считывании в два регистра информационная строка как бы разделяется на четные и нечетные элементы при этом появляется дополнительная неоднородность сигнала, связанная с неодинаковостью выходных устройств (хотя оно может быть и одно как показано на рисунке). Основным преимуществом считывания в два регистра, является уменьшение фотоприемного элемента относительно размеров ячейки ПЗС и уменьшение рабочих тактовых частот ФПЗС примерно в двое, а также уменьшение общего числа переносов зарядовых пакетов. Большинство современных линеек ПЗС выполнены по схеме с двумя регистрами считывания. Кроме того, практически обязательным является наличие устройства антиблюминга для защиты от "пересветок" и расплывания сигнала от очень ярких объектов, а также электронного затвора. Электронный затвор обычно конструктивно связан с антиблюмингом и обеспечивает эффективное управление временем накопления. В электронном затворе времени накопления путем подачи на устройство антиблюминга таких смещений, что генерируемые при освещении ПЗС заряды сразу же сливаются в подложку, а не накапливаются в потенциальной яме (или фотодиоде). Собственно же процесс накопления осуществляется после снятия этого смещения с устройства антиблюминга.Линейки ПЗС производят различные российские и зарубежные фирмы, среди которых можно отметить: KODAK (США), SONY (Япония), DALSA (Канада), Perckin Elmer (Reticon) (США), Samsung (Корея), THOMSON (Франция), ЦНИИ "Электрон" (г. С-Петербург), ГУП НПП "Пульсар" (г. Москва)(на технологической базе з-да "Микрон" (г. Зеленоград).). Практически у всех зарубежных производителей имеются различные серии линеек ПЗС, которые включают приборы форматом от 512 пикселов до 8000 и более. При этом типичные размеры фотоприемных элементов составляют либо 13х13 (14х14) мкм для коротких линеек, либо 7х7 мкм (8х8 мкм) для длинных линеек. Для применения в цветных сканерах разработаны приборы, содержащие три раздельных линейки ПЗС на одном кристалле. Фоточувствительные элементы расположены параллельно друг другу с шагом 8 – 12 пикселов и совмещены со спектральными RGB фильтрами. В результате при сканировании каждая из трех линеек выдает информации в своём спектральном диапазоне R,G или B. В таблице приведены некоторые линейки ПЗС (в основном большого формата, которые могут быть использованы для телевизионных сканирующих системах и системах космического наблюдения). Для научных и специальных применений выпускаются ФПЗС не с квадратными а прямоугольными фотоприемными пикселами, например: 13х26 мкмБ 13х250мкм и даже 13х2500 мкм. Линейные микросхемы ФПЗС .
 МАТРИЧНЫЕ ФПЗС А  налогично линейным ФПЗС в матричных области накопления и считывания могут быть совмещены или разделены в пространстве. Двух-координатность матриц накладывает ряд специфических ограничений на конструкцию фотоприемных ячеек и матриц в целом. В результате сформировалось несколько вариантов компоновки матричных ФПЗС: матрицы со строчным переносом, матрицы с переносом кадра и строчно-кадровые матрицы. Матрицы работающие в режиме временной задержки и накопления (ВЗН) являются вариантом матриц со строчным переносом. Варианты организации матриц ФПЗС показаны на рисунке. ФПЗС со строчным переносом В   таких матрицах области накопления и считывания совмещены. Матрицы предназначены для работы в малокадровом режиме, когда можно применить фотозатвор, или сделать время накопления много больше времени считывания. Считывание двух-координатного массива происходит построчно в выходной сдвиговый регистр и далее в выходное устройство. Конструкция и управление таких матриц наиболее просты в сравнении с другими типами матриц. Матрицы со строчным считыванием имеют максимальную фоточувствительную площадь, чувствительность и динамический диапазон и поэтому чаще других применяются в научно-исследовательской аппаратуре. В связи с тем, что вся поверхность таких матриц является фоточувствительной их часто называют полнокадровыми ФПЗС (Full frame CCD). Для увеличении частоты считывания в таких матрицах может быть несколько регистров считывания и выходных устройств, как это показано на рисунке для ФПЗС ISD017A производимого ГУП "Электрон-Оптроник" (г. С-Петербург). Прибор имеет формат 1040х1160 элементов размером 16х16 мкм.Этот прибор может считываться в как через один регистр и одно выходное устройств, так и через два регистра и два выходных устройства. При этом имеются выходные устройства двух видов для считывания с очень низкими шумами на невысокой частоте и для считывания на повышенных частотах. Кроме того для повышения чувствительности прибор имеет оригинальную конструкцию электродной структуры (2,5 фазы или с виртуальной фазой). Это позволяет иметь высокую чувствительность в диапазоне от 0,25 мкм до 1,1 мкм (квантовая эффективность этого прибора показана на рисунке справа.), в то время как приборы с традиционной трех-фазной организацией, например ФПЗС KAF16800 фирмы KODAK, позволяют работать только в диапазоне 0,45-1,1 мкм. Внешний вид матрицы KAF16800, содержащей свыше 16 милионов фоточувствительных элементов размером 9х9 мкм, показан на фотографии слева.В  некоторых случаях для достижения максимальной чувствительности ФПЗС используют сложную технологию утоньшения кремния под фоточувствительной поверхностью матриц ПЗС и засветку прибора с обратной стороны. В этом случае удается добиться квантовой эффективности в максимуме до 80%. Один из таких приборов К-1042, производимый ГУП "Электрон-Оптроник" представлен в таблице наряду с другими традиционными ФПЗС со строчным считыванием.Полнокадровые (со строчным считыванием) матрицы ПЗС.
Матрицы ПЗС ВЗН, работающие в режиме временной задержки и накопления К ФПЗС со строчным считыванием относятся ФПЗС с временной задержкой и накоплением (ВЗН). Эти приборы занимают промежуточное положение между линейными и матричными ФПЗС, объединяя достоинства и тех и других. Основное преимущество матриц ПЗС это увеличенная по сравнению с линейными ФПЗС чувствительность. Увеличение чувствительности достигается за счет увеличения времени накопления при синхронизации движения зарядовых пакетов по столбцам матрицы и спроецированного на матрицу изображения. От обычных матриц ПЗС со строчным считыванием ПЗС ВЗН отличаются меньшим форматом (количеством строк), так как в силу различных ограничений при съемке очень большое число шагов накопления в режиме ВЗН не может быть реализовано из-за смазов и ухудшения качества изображения, а соответственно, большое количество строк в матрицах ВЗН не требуется. Обычно ФПЗС ВЗН содержат не более 128 строк. Если фрагмент изображения совмещен, например, с первой строкой матрицы ВЗН и на нее подан потенциал накопления, то в течении времени, определяемого длительностью тактового импульса, будет происходить накопление сигнального заряда от данного фрагмента. Затем потенциал накопления переключают на второю строку, потенциальные ямы переместятся под эту строку, и если скорость движения изображения синхронна со скоростью движения зарядовых пакетов, то в следующий момент времени проекция фрагмента изображения опять совпадает с потенциальными ямами, но уже находящимися под электродами второй строки. Заряд, накопленный под электродами второй строки в течении действия тактового импульса, будет соответствовать тому же фрагменту изображения, но увеличиться по величине, так как суммарное время накопления увеличилось в двое. Далее зарядовые пакеты перемещаются под электроды третьей строки синхронно с изображением, и снова накопленные заряды соответствуют тому же фрагменту. Этот процесс может повторяться столько раз сколько строк содержит матрица. В конце концов строка с накопленным сигналом попадет в регистр считывания м будет преобразована в выходном устройстве в импульсы напряжения. Основным является тот факт, что за время движения изображения вдоль столбца матрицы, сигнальный заряд от одного и того же фрагмента изображения все время накапливался (суммировался). Данный принцип регистрации изображения требует жесткой стабилизации движения изображения. Необходимо точное совпадение вектора скорости движения изображения с вектором перемещения зарядовых пакетов, как по абсолютной величине так и по направлению. В противном случае качество изображения будет ухудшаться. Прекрасные возможности для применения режима ВЗН дает съемка в режиме заметания ("push broom") с борта движущегося по орбите космического аппарата. В этом случае все необходимые условия легко могут быть соблюдены без применения каких-либо дополнительных устройств, так изображение стабильно движется относительно фотоприемника за счет движения КА и остается только точно с ориентировать направление столбцов матрицы ПЗС ВЗН вдоль направления полета. И  спользование ВЗН позволяет резко увеличить отношение сигнал/шум матриц ФПЗС ВЗН и, следовательно, реализовать высокую чувствительность. В зависимости от превалирующего механизма шумов увеличение отношения сигнал/шум может составлять от М1/2 до М раз, где М число строк матрицы ФПЗС ВЗН.Современные матрицы ВЗН строятся по принципу секционирования. Каждая секция такой матрицы позволяет осуществлять перенос заряда по столбцам в сторону регистра. Так как секции управляются независимо (или частично независимо), то последовательно отключая их (или перенося в них заряд в противоположном направлении) можно регулировать число строк накопления, а следовательно и чувствительность ФПЗС ВЗН. Таким образов осуществляется регулировка чувствительности ФПЗС и расширяется динамический диапазон ФПЗС и системы наблюдения в целом. В отечественных ФПЗС ВЗН число секций достигает 5, а изменение числа шагов накопления происходит каждый раз в двое. Общепринятым (в России) являются следующие значения числа шагов накопления: 128; 64; 32; 16; 8. В зарубежных матрицах ВЗН обычно используются другое секционирование, а большинство известных ФПЗС вообще секций не содержат. Матрицы ПЗС ВЗН.
|