Шуми та методи їх усунення

Нижня межа виявлення об'єкта на ПЗЗ залежить від рівня шумів, як випадкових, так і виготовлених самою матрицею. Якщо ваша матриця виробляє більше електронів за рахунок своїх внутрішніх властивостей, ніж виробляють фотони від джерела, то, образно кажучи, корисний сигнал "потоне в шумі" і жодна, навіть найсучасніша програма, не дозволить вам отримати якісне зображення досліджуваного об'єкта. Існує безліч внутрішніх джерел шумів: в основному це термоелектрони, вироблені самою матрицею, і шуми зчитування, що виникають при переміщенні зарядів. До цих, звичайних джерел, можна додати безліч екзотичних - таких як можливі радіочастотні наведення від оточуючих проводів, включення і виключення різних приладів, і навіть реєстрацію космічних променів! Можна погодитися, що для реєстрації гранично слабких світлових потоків, зменшення небажаних шумів - головний показник якості матриці.

Тепловий шум - це результат генерації термоелектронів самими пікселями ПЗЗ за час експозиції. Кількість виникнених електронів залежить від двох основних параметрів: тривалості експозиції й температури матриці. Охолодження матриці - один з ефективних способів зменшити теплові шуми. Як стверджують виробники, кількість теплоелектронів зменшується вдвічі при зменшенні температури кристала лише на 8 градусів! Тому практично всі сучасні астрономічні ПЗЗ забезпечені мініатюрним електричним холодильником на ефекті Пельтьє (укріплений на матриці терморезистор дозволяє управляти електронною схемою, що підтримує температуру з точністю до 0.1 градуса, з можливістю її фіксації в збереженому на комп'ютері зображенні).

Практика зйомки полягає в отриманні теплового фрагмента з такою ж тривалістю і температурою, з якими буде проводиться зйомка об'єкта. Тоді, при обробці результату, комп'ютер зможе відняти цей тепловий шум з отриманого зображення. Висока точність відтворення параметрів зйомки, часто дозволяє використовувати одного разу отриманий тепловий фрагмент багаторазово, тому що швидкість генерації термоелектронів в кожному пікселі визначається технологією його виготовлення, і повинна з високим ступенем точності відтворюватися при однаковій температурі і однаковій тривалості експозиції. Охолодження матриці може настільки зменшити виробництво термоелектронів, що стають доступними дуже тривалі експозиції (до 1 години і більше!). У той час, як при кімнатній температурі, у більшості ПЗЗ, пікселі заповнюються термоелектронами вже за кілька секунд, навіть за відсутності засвітки! Великою конструктивною гідністю багатьох матриць є наявність вбудованого, керованого з комп'ютера (за допомогою мініатюрного електромагніта) механічного пелюстка-затвора, який без проблем дозволяє отримувати тепловий фрагмент будь-якої тривалості як окремо, так і в процесі зйомки об'єкта. Як було відзначено вище, при операціях переміщення зарядів по пікселям неминуче виникає шум зчитування (при переливанні нашої води з відра в відро важко вилити кожного разу все до останньої краплі!). Більшість сучасних матриць можуть працювати в такому режимі, коли перед початком кожного наступного зчитування окремо вимірюється кількість залишених в осередках електронів і це значення віднімається з фінального результату (що практично подвоює повний час обробки інформації). Якщо ви просто шукаєте об'єкт зйомки або наводите різкість, то для економії часу передбачений режим швидкого зчитування, при якому малі залишкові заряди не враховуються. Великий шум зчитування не є наріжним каменем в оцінці якості матриці. Для ST6 цей шум складає близько 30 електронів на піксель (у ST5 - 20 ел.). Звичайно, такий рівень суттєвий при зйомці з короткими витягами. Якщо фотони від об'єкта генерують 100 електронів на піксель, то відношення сигнал / шум буде близько 3:1. Але просте збільшення часу експозиції швидко виправить цю проблему. Так, накопичивши від того самого об'єкта 1000 електронів, ми тим самим легко збільшимо це важливе співвідношення практично в 10 разів.

Елемент ПЗЗ-матриці

У загальному вигляді конструкція ПЗЗ - елемента виглядає так: кремнієва підкладка p - типу оснащується каналами з напівпровідника n-типу. Над каналами створюються електроди з полікристалічного кремнію з ізолюючим прошарком з оксиду кремнію. Після подачі на такий електрод електричного потенціалу, в збідненій зоні під каналом n-типу створюється потенційна яма, призначення якої - зберігати електрони. Фотон, що проникає в кремній, призводить до генерації електрона, який притягається потенційною ямою і залишається в ній. Більша кількість фотонів (яскраве світло) забезпечує більший заряд ями. Потім треба вважати значення цього заряду, що іменується також як фотострум, і посилити його.

Зчитування фотоструму ПЗЗ - елементів здійснюється так званими послідовними регістрами зрушення, які перетворюють рядок зарядів на вході до серії імпульсів на виході (рис. 2). Дана серія є аналоговим сигналом, який надалі надходить на підсилювач. Таким чином, за допомогою регістра можна перетворити в аналоговий сигнал заряди рядків з ПЗЗ - елементів. Фактично, послідовний регістр зсуву в ПЗЗ - матрицях реалізується за допомогою тих же самих ПЗЗ - елементів, об'єднаних в рядок. Робота такого пристрою базується на здатності приладів із зарядним зв'язком обмінюватися зарядами своїх потенційних ям. Обмін здійснюється завдяки наявності спеціальних електродів переносу (transfer gate), розташованих між сусідніми ПЗЗ - елементами. При подачі на найближчий електрод підвищеного потенціалу заряд «перетікає» під нього з потенційної ями. Тим ПЗЗ - елементам можуть належати від двох до чотирьох електродів переносу, від їх кількості залежить «фазність» регістра зсуву, який може називатися двофазним, трьохфазним або чотирьохфазним.

Подача потенціалів на електроди перенесення синхронізована таким чином, що переміщення зарядів потенційних ям всіх ПЗЗ - елементів регістра відбувається одночасно. І за один цикл перенесення ПЗЗ - елементи немов «передають по ланцюжку» заряди зліва направо (або ж справа наліво). Ну, а що виявилось «зайвим» ПЗЗ-елемент віддає свій заряд пристрою, розташованому на виході регістра підсилювача.

В цілому, послідовний регістр зсуву є пристроєм з паралельним входом і послідовним виходом. Тому після зчитування всіх зарядів з регістра є можливість подати на його вхід новий рядок, потім наступний і таким чином сформувати безперервний аналоговий сигнал на основі двовимірного масиву фотоструму. У свою чергу, вхідний паралельний потік для послідовного регістра зсуву (тобто рядка двовимірного масиву фотоструму) забезпечується сукупністю вертикально орієнтованих послідовних регістрів зсуву, що іменується паралельним регістром зсуву, а вся конструкція в цілому як раз і є пристроєм, що має назву ПЗЗ - матрицею.

«Вертикальні» послідовні регістри зсуву, що становлять паралельність, називаються стовпцями ПЗЗ - матриці, а їхня робота повністю синхронізована. Двовимірний масив фотоструму ПЗЗ - матриці одночасно зміщується вниз на один рядок, причому відбувається це тільки після того, як заряди попереднього рядка, розташованого «найнижче» послідовного регістра зсуву пішли на підсилювач. До звільнення послідовного регістру паралельний змушений простоювати. Ну, а сама ПЗЗ - матриця для нормальної роботи обов'язково повинна бути підключена до мікросхеми (або її набору), що подає потенціали на електроди, як послідовного, так і паралельного регістрів зсуву, а також синхронізує роботу обох регістрів. Крім того, потрібен тактовий генератор.

Рис. 2. Елемент ПЗЗ-матриці.

Динамічний діапазон

Від матриці вимагається здатність реєструвати світло, як при яскравому сонці, так і при слабкому кімнатному освітленні. Тому потенційні ями матриці повинні бути досить ємними, а також вміти, як утримувати мінімальну кількість електронів при слабкій освітленості, так і мати великий заряд, що отримується при попаданні на сенсор потужного світлового потоку. Та й зображення, що формується об'єктивом, часто складається, як з яскраво освітлених ділянок, так і з глибоких тіней, а сенсор повинен уміти реєструвати всі їх відтінки.

Можливість сенсора гарно формувати знімок при різній освітленості і високій контрастності визначається параметром «динамічний діапазон», що характеризує здатність матриці розрізняти в зображенні, що проектуються на її поверхню, найтемніші тони від найсвітліших. При розширенні динамічного діапазону кількість відтінків знімка буде збільшуватися, а переходи між ними будуть максимально відповідати зображенню, що формується об'єктивом.

Рис. 3. Вплив динамічного діапазону на якість кадру (Зліва - широкий динамічний діапазон, справа - вузький динамічний діапазон)

Характеристика, що описує здатність ПЗЗ - елемента накопичувати певну величину, називається «глибиною потенційної ями» (well depth), і саме від неї залежить динамічний діапазон матриці. Зрозуміло, при зйомці в умовах слабкого освітлення на динамічний діапазон впливає також поріг чутливості, який, у свою чергу, визначається величиною темноватого струму. Очевидно, що втрати електронів, що становлять фотострум, відбуваються не тільки в процесі накопичення заряду потенційної ями, але і при його транспортуванні до виходу матриці. Втрати ці викликані дрейфом електронів, «відірвалися» від основного заряду при його перетікання під наступний електрод переносу. Чим менша кількість «відірваних» електронів, тим вища ефективність переносу заряду (charge transfer efficiency). Цей параметр вимірюється у відсотках і показує частку заряду, що збереглася при «переносі» між ПЗЗ - елементами.

Для того, щоб досягти прийнятних швидкостей зчитування кадру при високій ефективності переносу заряду - при конструюванні ПЗЗ-матриці планують «заглиблене» розміщення потенційних ям. Завдяки цьому електрони не так активно «прилипають» до електродів перенесення, і саме для «глибокого залягання» потенційної ями в конструкцію ПЗЗ-елемента вводять n-канал.