Основы телевидения и видеотехники (стр. 18 )

а – точное совмещение элементов матрицы и изображения миры;

б – попадание изображения на два соседних элемента матрицы

Рис. 10.15. Модуляция сигнала в диапазоне возможных фазовых сдвигов

Таким образом, в матричных фотоприемниках имеется динамическая неустойчивость частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) на предельных пространственных частотах. В результате этого порог стабильного разрешения для регулярных структур находится в области более низких пространственных частот по сравнению с системами со сканирующим лучом.

Нетрудно заметить, что для регулярной структуры устойчивое разрешение со 100-процентной модуляцией достигается при размере элемента разложения, который в два раза меньше ширины элементарных полосок. Иными словами, устойчиво разрешаемая пространственная частота fуст = fпред/2, где fпред – предельная пространственная частота, определяемая размером элемента разложения (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Соотношение между размером элемента разложения

и минимальной шириной миры при устойчивом динамическом разрешении

10.3. О регулировке времени экспозиции в твердотельных фотоприемниках

Современные матричные фотоприемники имеют возможность регулировки времени экспозиции в пределах кадра – электронный затвор. Действие электронного затвора поясняется на рис. 10.17.

Рис. 10.17. Принцип регулировки времени экспозиции τ при помощи электронного затвора

Уменьшение времени экспозиции (накопления) в пределах кадра позволяет визуализировать быстропеременные процессы, сопоставимые со временем действия электронного затвора, однако при этом уменьшается чувствительность системы, поскольку света на фотомишень попадает значительно меньше.

10.4. О микролинзовом массиве в твердотельных фотоприемниках

Современная технология твердотельных фотоприемников предполагает использование микролинз, располагаемых непосредственно над фоточувствительными элементами. Микролинзовый массив позволяет дополнительно увеличить освещенность фоточувствительных участков матрицы и соответственно поднять ее чувствительность. Оптимизация микролинзового массива в настоящее время достигла максимума возможностей по сбору светового потока и реализована в технологии Hyper-Had, в которой размер микролинз предельно увеличен.

а б

Рис. 10.18. Структура микролинзового массива:

а – стандартная; б – Hyper-Had

Контрольные вопросы

17.  В чем заключается специфика и перспективы применения КМОП-фотоприемников?

18.  В чем заключается специфика оценки разрешающей способности в матричных фотоприемниках?

19.  В чем заключается принцип работы электронного затвора?

20.  В чем заключается принцип работы микролинзового массива

При составлении лекции использована литература [2, 3].

ЛЕКЦИЯ 11

Шум процесса преобразования свет-сигнал

Рассмотрим подход, согласно которому система представляется в виде последовательности звеньев (каскадов), вносящих свой шум в формируемый сигнал. Каскады системы могут иметь коэффициенты передачи a, как большие, так и меньшие единицы, и оцениваться своим отношением сигнал-шум Ψ. Шумовые свойства каскадов весьма удобно оценивать коэффициентом мощности шума F =Ψ2вх/Ψ2вых, характеризующим изменение отношения сигнал-шум в рассматриваемом каскаде. При этом общий коэффициент мощности шума определяется произведением коэффициентов мощности шума отдельных звеньев FΣ=F1×F 2…×F i… ×F n .

Соответственно, отношение сигнал-шум на выходе звена определяется как , а пороговый контраст на выходе звена определяется как .

Ранее были рассмотрены ограничения порогового контраста (чувствительности системы), возникающие уже в фотонном канале из-за наличия в нем фотонного шума. Рассмотрим коэффициенты мощности шума и возникающие при этом ограничения в некоторых последующих звеньях процесса преобразования свет-сигнал.

Ограничение порогового контраста при фотоэлектронном преобразовании

Рассмотренная ранее детерминированная модель фотоэлектронного преобразования явно является упрощением, поскольку далеко не в полной мере отражает реальные процессы, представляя рассматриваемое звено в виде резистивного делителя. Возникает вопрос, существуют ли какие-либо ограничения для этой модели и можно ли считать коэффициент мощности шума в звене фотоэлектронного преобразования всегда равным 1?

Так, например, процессы, происходящие в твердотельном преобразователе свет-сигнал, достаточно сложны. Примем во внимание, например, тот факт, что несмотря на 100% квантовый выход, в полупроводнике имеются случайные процессы генерации и рекомбинации электронов [5]. В указанной литературе [5] приводится эквивалентная электрическая схема накопительной ячейки ПЗС. Согласно этой схеме (рис.11.1) шум на выходе ячейки ПЗС может рассматриваться, как два независимых дробовых процесса: генерационный, когда фотоны при своем поглощении генерируют электронно-дырочные пары в объеме полупроводника, и обратный ему рекомбинационный процесс, при котором электронно-дырочные пары через некоторое время рекомбинируют, испуская фотон (или фонон) [5, c.92].

Рис.11.1. Эквивалентная схема накопительной ячейки ПЗС-фотоприемника, где

Iс - ток сигнала, Iш - ток шума, пропорциональный току эквивалентного шумового диода, дробовой шум которого равен замещаемому, Сн и Rн – сопротивление и емкость накопительной ПЗС-ячейки

Для приблизительной оценки коэффициента мощности шума рассматриваемого звена фотоэлектронного преобразования сделаем допущение о независимости случайного процесса падения фотонов на фотомишень и случайного процесса образования фотоэлектронов при наличия рекомбинации и некоторой термогенерации. Понятно, что такое допущение должно привести к завышению оценки коэффициента мощности шума рассматриваемого звена. Однако, подобная оценка может служить ориентиром, как максимальная, для последующего уточнения. Назовем такую модель звена фотоэлектронного преобразования вероятностной.

Вероятностная модель (рис.11.2) исходит из того, что из среднего числа N1 фотонов участвует в процессе фотоэлектронного преобразования в среднем только . Эти фотоны образуют множество X*=[X*1,X*2…X*i…X*n], причем, X*1=aX1, X*2=aX2… X*i=aXi…X*n=aXn. При квантовом выходе η=100% имеем равенство математических ожиданий числа фотоэлектронов на выходе и числа фотонов, участвующих в процессе преобразования: . Все это соответствует детерминированной модели. Однако, реализации X* и выходные реализации Y могут различаться между собой.

Вероятностная модель, допуская возможность Yi>X*i , т. е. возможность генерации числа фотоэлектронов большего, чем число фотонов, учитывает некоторую часть «лишних» и независимых от фотонов термогенерационных электронов. При этом случайные величины в множествах X* и Y подчиняются статистике Пуассона. Поскольку параметр распределения для входного и выходного пуассоновского процесса остается в данной модели неизменным, то среднее число учитываемых термогенерационных электронов должно соответствовать среднему числу рекомбинированных фотоэлектронов.

При допуске о независимости случайных величин, входящих в X* и Y следует предположить наличие суммирования их дисперсий D(Х*)=aN1 и D(Y)=N2=аN1, что определяет величину суммарного СКО σΣ на выходе процесса фотоэлектронного преобразования, как , а отношение сигнал-шум, соответственно, . Таким образом, согласно вероятностной модели коэффициент мощности шума в рассматриваемом звене фотоэлектронного преобразования соответствует величине . В идеальном случае при а= 1 имеем .

Рис.11.2. Вероятностная модель фотоэлектронного преобразования

Делая попытку вычленения процесса термогенерации, рассмотрим еще один подход к построению модели звена фотоэлектронного преобразования (модель с минимизацией, рис.11.3), который отличается от предыдущих тем, что считая распределение входных реализаций X (случайное число фотонов) и выходных реализаций Y (случайное число фотоэлектронов) соответствующим закону Пуассона, а также считая квантовую эффективность а=const в пределах 0≤a≤1, учитывается непременное условие фотоэлектронного преобразования, заключающееся в том, что каждый фотон, участвующий в процессе преобразования, может создать не более одного фотоэлектрона. Иными словами на множествах X*=[X*1,X*2…X*i…X*n] и Y=[Y1, Y2…Yi…Yn] всегда выполняются неравенства X*1≥Y1, X*2≥Y2…X*i≥Yi …X*n≥Yn.