Основы телевидения и видеотехники (стр. 19 )

Отметим, что это принципиально отличается от двух предыдущих моделей, в первой из которых (детерминированная модель) предполагается соблюдение равенств Y1=aX1,Y2=aX2…Yi=aXi…Yn=aXn, а во второй (вероятностная модель) – вообще не предполагается строгого соблюдения численных соотношений между X*i и Yi.

Выполнение неравенств в модели с минимизацией предполагает для множества Y смещение математического ожидания в сторону его уменьшения, т. е. аN2<аN1. Величина смещения математического ожидания соответствует коэффициенту мощности шума в рассматриваемом звене фотоэлектронного преобразования .

Рис.11.3. Модель с минимизацией

Возникает вопрос о более точной оценке величины F. Рассмотрим следующий подход к такой оценке, вытекающий из рассмотренной выше модели с минимизацией. Формально обеспечение неравенств X*1≥Y1, X*2≥Y2…X*i≥Yi …X*n≥Yn может быть сведено к выбору минимума из двух случайных реализаций пуассоновского случайного процесса. При а=1 таким реализациям и будут соответствовать элементы множеств X и Y. Минимизация приводит к смещению «вниз» математического ожидания N2 выходного случайного процесса по отношению к исходному.

Еще раз подчеркнем формальность использования минимизации двух пуассоновских реализаций для моделирования выходного случайного процесса. Исходным пунктом такого моделирования является рассмотренная выше вероятностная модель, предполагающая, что фотонный и фотоэлектронный шум – это два пуассоновских процесса с одинаковыми параметрами распределения. Если рассматривать их как две случайные реализации одного и того же пуассоновского процесса, то выполнение условия не превышения числа фотоэлектронов по отношению к числу фотонов можно формально свести к выбору минимума из этих двух случайных реализаций. При этом предполагается, что характер выходного распределения в результате минимизации не меняется.

Приближенная оценка величины F путем численного моделирования алгоритма выбора минимума при а=1 из двух случайных реализаций X и Y из соответствующих множеств случайных величин, распределенных по закону Пуассона, проведенная в среде МATLAB, дает значение F≈1÷1,6 в зависимости от среднего числа фотонов N1 на элемент фотоприемника (рис.11.4) [6].

Рис.11.4. Зависимости коэффициента мощности шума фотоэлектронного преобразования F от среднего числа фотонов N1 в элементе фотоприемника

Таким образом, модель с минимизацией показывает, что при увеличении числа фотонов на входе рассматриваемого звена фотоэлектронного преобразования до 1000 коэффициент мощности шума F стремится к 1, и различие с детерминированной моделью становится исчезающе малым. Однако, при единичном количестве фотонов, коэффициент мощности шума возрастает до величины F≈1,6, что не превышает предельного значения F=2, на которое указывает вероятностная модель.

Шумы ПЗС-матрицы

Выделяют флуктуационные шумы и детерминированные помехи [14]. Детерминированные помехи связаны, во-первых, с неоднородностями чувствительности элементов ПЗС-матрицы и неоднородностями темнового тока (генерация зарядов при отсутствии засветки матрицы), которые часто называют геометрическим шумом (точнее – фиксированным шумом: Fixed Patter Noise), и, во-вторых, с коммутационными помехами из-за наводок от импульсных напряжений на электродах матрицы. Уровень коммутационной помехи может быть достаточно велик и может занимать весь динамический диапазон сигнала.

С геометрическим шумом борются компенсационными методами, запоминая значения темнового тока и фона соответственно при закрытом от света фотоприемнике и при контрольной равномерной засветке. На основании этих значений рассчитывают коэффициенты компенсации для каждого элемента матрицы. Затем значения темнового тока вычитают из информационного сигнала и умножают на коэффициенты компенсации.

Флуктуационный шум является совокупностью шумов: фотонного, шума темнового тока, фонового заряда, переноса, установки потенциала узла детектирования в выходном устройстве (КТС-шум), выходного транзистора.

Фотонный шум не устраним принципиально, поскольку обусловлен самой природой света, испускаемого порциями – квантами, число которых на единицу поверхности в единицу времени является случайной величиной.

Темновой ток, генерируемый в элементах матрицы даже при отсутствии света вследствие теплового движения зарядов, также случаен. Этот фактор уменьшают за счет охлаждения матрицы.

Шум переноса возникает из-за случайного характера захвата и освобождения носителей заряда в потенциальных ямах (ловушках). Он зависит в основном от числа переносов, т. е. фактически от количества элементов матрицы, температуры, площади электрода. Процесс переноса характеризуют неэффективностью, которая в настоящее время за счет совершенствования технологии достигла практического минимума.

КТС-шум и коммутационную помеху устраняют при помощи так называемой схемы двойной коррелированной выборки (ДКВ).

С учетом достигнутых технологических и схемотехнических приемов основным источником шума в ПЗС-матрице можно считать шум выходного устройства (транзистора). Этот фактор шума является основным и для КМОП-фотоприемников.

11.1. Некоторые стандартные методы уменьшения флуктуационных шумов в ПЗС. Схема двойной коррелированной выборки

Схема ДКВ является стандартным методом аналоговой обработки сигнала выходного устройства твердотельного преобразователя «свет – сигнал».

Необходимость такой обработки возникает при использовании выходного устройства с так называемой плавающей диффузионной областью (см. рис. 11.5). В таком устройстве предусмотрен сброс информационного заряда перед считыванием новой информации. После сброса уровень сигнала оказывается далеко не идеально «привязанным» к уровню черного, имеются флуктуации уровня, которые в литературе называют шумами установки потенциала узла детектирования или КТС-шумом.

Термин «КТС-шум» происходит из зависимости этого шума не только от величины остаточного заряда, но и от собственной емкости выходного устройства (С), абсолютной температуры (Т) и пропорциональности постоянной Больцмана (K). КТС-шум ведет к изменению средней яркости соседних элементов изображения (мерцанию).

Кроме этого, импульс сброса остаточного заряда приводит к дополнительной помехе, наблюдаемой на изображении в виде темных столбцов, поскольку он ограничивает время считывания полезной информации с выходного устройства в пределах элемента.

Рис. 11.5. Структура выходного устройства с плавающей диффузионной областью:

, , – напряжение на фазах j 1, j 2, j 3; Uвых – выходное напряжение;

Двых – выходной диод; Дсбр – диод сброса

Схема ДКВ (см. рис. 11.6) практически полностью устраняет указанные недостатки. Фактически схема ДКВ представляет собой схему управляемой фиксации и схему выборки – хранения, включенные последовательно.

Рис. 11.6. Схема ДКВ и временные диаграммы ее работы

Рассмотрим реализацию схемы ДКВ. ОУ1–ОУ3 – буферные элементы на операционных усилителях. Сигнал с выходного устройства поступает на схему фиксации. В момент действия импульса фиксации Ф1 ключ К1 замыкается, и потенциал точки А «привязывается» к уровню «черного», например, равному 0. Импульс фиксации действует «внутри» импульса сброса, тем самым устраняются флуктуации установки потенциала (КТС-шум).

После фиксации сигнал поступает на схему выборки – хранения. В моменты, соответствующие информационной составляющей сигнала, формируют сигнал выборки Ф2. При этом ключ К2 замыкается, и конденсатор С2 заряжается или разряжается до максимального уровня сигнала в данном элементе разложения.

После прекращения действия сигнала Ф2 ключ К2 размыкается, и схема приходит в режим хранения. Большое входное сопротивление выходного буфера ОУ3 препятствует разряду емкости С2. Ключи К1 и К2 выполняются в виде аналоговых ключей на полевых транзисторах.

Схема ДКВ используется практически во всех камерах на ПЗС, а также в тех КМОП-сенсорах, где это необходимо, например, при использовании в них рассмотренного выше выходного устройства. Наличие схемы ДКВ и достигнутая технологически в настоящее время величина неэффективности переноса позволяют считать основным источником шума ПЗС-камеры шум транзистора выходного устройства.

Контрольные вопросы

21.  Каким образом можно оценивать шумовые свойства каскадов телевизионной системы?

22.  В чем заключается принцип работы электронного затвора?

23.  В чем заключается принцип работы схемы ДКВ?

24.  Чем определяется пороговый контраст получаемого изображения?

При составлении лекции использована литература [15, 16, 30].

ЛЕКЦИЯ 12

12.1. Шумы при вторичной электронной эмиссии

Шум ФЭУ

Коэффициент мощности шума ФЭУ определяется соотношением F=σ/(σ−1). Так, например, уже при σ=4 имеем F=1,33, что означает уменьшение отношения сигнал-шум в раза или на 15%, а при σ=10 имеем F=1,11, что означает уменьшение отношения сигнал-шум в раза или на 5%.