Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Шумы преобразователя – флуктуации тока видеосигнала, то есть отклонение тока сигнала от значения, определяемого освещенностью соответствующего участка поля изображения.

По происхождению шумы делятся на несколько групп. Дробовые шумы являются следствием хаотичности эмиссионных процессов, происходящих в термо-, фотоэлектронных системах. Спектральная плотность таких шумов не зависит от частоты, а эффективное значение их пропорционально корню квадратному из частоты. Зависимость среднего значения квадрата тока флуктуаций iдр2 , вызванных дробовым эффектом, от тока сигнала Ic, как известно, устанавливается формулой Шотки:

iдр2 2Ice f ,

где e – заряд электрона; f – полоса частот регистрируемого процесса. К дробовым шумам относят также фотонный шум падающего на преобразователь потока фотонов, соответствующих данному участку светового поля, который необходимо учитывать в преобразователях свет-сигнал, имеющих предельную чувствительность. Флуктуации в потоке фотонов в первом приближении подчиняются распределению Пуассона, поэтому среднеквадратическое значение флуктуаций числа фотонов ns, отнесенное к единице площади, равно ns ns . В полупроводниках шумом, аналогичным дробовому, является генерационнорекомбинационный шум.

Тепловой шум, возникающий на резисторе нагрузки преобразователя, в ряде случаев вносит заметный вклад в величину флуктуаций напряжения. Зависимость среднеквадратического значения этой величины от температуры T и сопротивления нагрузки R устанавливается формулой Найквиста:

Uп2 4kTR f ,

где k = 1,38 10–23 Дж/град – постоянная Больцмана.

В спектре шума полупроводника хорошо различимы три характерные области частот. В первой области доминирующим является токовый шум. Начиная с некоторой частоты, токовый шум оказывается меньшим, чем ге- нерационно-рекомбинационный, и последний оказывается определяющим вплоть до частот, при которых он существенно уменьшается. Выше этих частот остается лишь тепловой шум, обычно существенно меньший, чем токовый шум в первой и второй областях. В большинстве случаев в области низких частот наиболее серьезные ограничения использования полупроводников вносит токовый шум.

Токовый шум или, как его иногда называют, 1/f шум, шум контактов или избыточный шум имеет несколько источников. Название 1/f связано с тем, что спектральная плотность энергии этого шума изменяется в зависимости от частоты как f , где – обычно колеблется в пределах 0,8...1,2. Эту зависимость наблюдают при понижении частоты до значений порядка 10–6 Гц [49].

На работу преобразователей свет-сигнал на ПЗС существенное влияние оказывают специфические шумы ПЗС. К ним относятся шумы, связанные с

неоднородностью темнового тока элементов ПЗС, а также флуктуационные шумы. К флуктуационным шумам помимо уже рассмотренных дробовых шумов фотогенерированных носителей заряда, образованных источником сигнала, относятся шумы темнового тока, шумы фонового заряда, минимально необходимого для эффективного переноса зарядов, шумы процесса переноса пакетов заряда, а также шумы входного и выходного устройств ПЗС. Для уменьшения потерь, возникающих в процессе переноса заряда, связанных с захватом носителей на быстрых поверхностных состояниях, в ПЗС часто вводят определенный (порядка 0,1 от сигнального заряда) фоновый заряд оптическим, тепловым или электрическим способом, что приводит к появлению шумов фонового заряда.

Оптический и тепловой ввод фонового заряда приводит к появлению дробовых шумов (оптического и теплового), значения которых можно определить по формулам, аналогичным для расчета фотонного шума источников излучения. Достаточно часто фоновый заряд вводится электрическим способом с помощью p-n перехода. Наличие теплового шума в сопротивлении входной цепи приводит к тому, что инжекция заряда из диффузного потока в потенциальную яму происходит случайным образом. Это вызывает шум электрического ввода фонового заряда. Среднеквадратическое значение этого шума, выраженное числом шумовых электронов, в основном определяется емкостью выходной потенциальной ямы.

Шум выходного устройства включает шум установки потенциала узла детектирования и шумы полевого транзистора первого каскада предварительного усилителя. Уменьшить шумы установки потенциала узла детектирования можно использованием усилителя с плавающим затвором или двойной коррелированной выборки. Темновой ток сопровождается дробовыми шумами, называемыми шумами темнового тока. Темновой ток отдельных ячеек ПЗС существенно неоднороден, что приводит к помехам, проявляющимся в виде пятен на изображении. Они могут быть устранены в процессе обработки сигнала. Процесс переноса заряда в ПЗС сопровождается появлением шумов, мощность которых пропорциональна числу переносов.

Следует отметить, что помимо перечисленных, в ПЗС существуют другие источники шумов, например, шумы генератора тактовых импульсов, но их уровень сравнительно мал, и их вкладом в результирующий шум можно пренебречь. Учитывая перечисленные составляющие шумов ПЗС, которые суммируются как статистически независимые, суммарные шумы на выходе матричного

ПЗС, как показывают расчеты, достигают значения Nш 2500 электронов. Если максимальное значение накопленного сигнального заряда в ячейках типового ПЗС с поверхностным каналом принять Nc 106 электронов, то отношение сигнал/шум в элементе матричного ПЗС будет около 400. При этом необходимо иметь в виду, что такое высокое отношение сигнал/шум ПЗС может быть реализовано при условии компенсации темновых токов ПЗС, неравномерность которых по полю изображения может достигать 10% от максимального размаха сигнала.

Особенностью шумов переноса является сильная корреляционная связь между шумами соседних зарядовых пакетов, что приводит к тому, что шумы переноса при суммировании зарядовых каналов на выходе ПЗС не увеличиваются, а остаются такими же, как и в отдельно взятом пакете [49]. Этот факт позволяет эффективно использовать ПЗС с поверхностным каналом для обнаружения малоконтрастных объектов при низких уровнях освещенности.

Одним из основных параметров телевизионной камеры является отношение сигнал/шум (С/Ш). Уровень шумов телекамер, в которых используются ПЗС-матрицы, линейно связан с квантовой эффективностью самой матрицы: увеличение светового потока улучшает отношение С/Ш, однако, предел этого улучшения лежит в области максимального уровня освещенности, ограниченного динамическим диапазоном ПЗС-датчика.

На отношение С/Ш влияют и другие факторы:

относительная апертура матрицы, определяемая как отношение площади светочувствительной области к площади, маскированной непрозрачным материалом области переноса заряда;

поглощение фотонов на поверхности подложки;

конструкция и тип подложки.

Отношение С/Ш современных телекамер, измеренное в яркостном канале в полосе 5 МГц превышает 61 дБ.

Спектральная характеристика преобразователя свет-сигнал – это за-

висимость его выходного сигнала от длины волны монохроматического излучения, падающего на светочувствительную поверхность при одинаковой мощности излучения на каждой длине волны. В цветном телевидении спектральные характеристики определяют верность цветопередачи. Спектральные характеристики в основном определяются свойствами исходного материала ПЗС и оптической частью преобразователя. Определенные трудности формирования спектральной характеристики в коротковолновой части спектра связаны с поглощением света в слое поликремния. Получить требуемую чувствительность в этой области спектра удается формированием в полупрозрачных электродах специальных окон или использованием засветки (проекции изображения) со стороны подложки. В этом случае подложка делается достаточно тонкой.

Разрешающая способность является одной из важнейших характеристик преобразователя свет-сигнал, определяющей качество работы всей телевизионной системы. Под разрешающей способностью светоэлектрического преобразователя понимается его способность передавать мелкие детали изображения с заданным контрастом.

Разрешающая способность приборов с зарядовой связью определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Из практического опыта становится очевидным, что для воспроизведения всех мелких деталей изображения необходимо иметь в матрице ПЗС максимально возможное число светочувствительных датчиков. Увеличению числа элементов препятствуют технологические трудности, а также ухудшение параметров сигнала изображения, связанное с неэффективностью переноса зарядов.

Рис. 5.13. Зависимость глубины модуляции видеосигнала от скорости перемещения объектов

С помощью следующего эмпирического соотношения можно связать значение разрешающей способности в телевизионных линиях с числом элементов накопления: разрешающая способность в твл = 3/4 числа элементов накопления.

При восприятии движущихся объектов, а в общем случае при передаче динамических сцен приходится считаться с инерционностью светоэлектрических преобразователей. Существует достаточно сложная аналитическая зависимость глубины модуляции высокочастотных составляющих видеосигнала от инерционности матричного ПЗС преобразователя. В качестве примера на рис. 5.13 приведены результаты расчетов зависимости глубины модуляции M видеосигнала от скорости перемещения по светочувствительному слою матрицы ПЗС изображения синусоидальных штрихов (скорость V выражена количеством элементов разложения, на которое смещается испытательное изображение за время одного телевизионного поля).

5.7. Конструктивные особенности современных матриц ПЗС

Постоянное стремление технических специалистов фирмы Sony к разработке новых усовершенствованных преобразователей изображения на матрицах ПЗС и улучшению их качественных показателей привело к тому, что в 1990 г. был сконструирован прибор с зарядовой связью, получившей название

Hyper HAD [50].

На рис. 5.14 представлена в разрезе секция матрицы Hyper HAD, в которой в качестве нижнего слоя подложки, использован слой n-типа и эпитаксиальный слой p-типа в совокупности с несколькими диффузными слоями и фотодиодными датчиками. В основе формируется вертикальный заполняющий сток зарядов, замещающий горизонтальные отводящие стоки, применяемые в матрицах ПЗС предыдущих моделей. Область p-типа с большим количеством присадок формирует слой накопления дырок, соединенный с канальными ограничителями, что позволило не применять специальные отводящие стоки и повысить плотность размещения светочувствительных ячеек ПЗС-матрицы. Отсюда было

Рис. 5.14. Структура одного элемента матрицы ПЗС типа Hyper HAD

принято и название новой матрицы – HAD (Hole Accumulated Diode – диодный накопитель дырок). Следовательно, HAD – это технологический прием при изготовлении ПЗС-матриц, обеспечивающий увеличение числа пикселей в горизонтальных строках сенсора, что является крайне важным для практической реализации телекамер ТВЧ.

Все матрицы ПЗС для размещения активных светочувствительных датчиков используют свою поверхность не полностью. Остальная часть прибора служит для накопления и переноса зарядов, регистров сдвига. В результате для приема падающего светового потока используется только часть поверхности матрицы. Мало того, нерабочая (несветочувствительная) область создает ряд трудностей, приводящих к специфическим искажениям изображения, например, вертикальный смаз, хотя правильное маскирование способно оптимизировать эти паразитные помехи.

В матрице Hyper HAD используется оригинальный и достаточно простой метод устранения специфических искажений изображения, заключающийся в установке миниатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный датчик, что позволяет сконцентрировать световой поток без лишнего его рассеивания (см. рис. 5.14). В результате практически вдвое возрастает чувствительность матрицы ПЗС, а, следовательно, всей передающей телевизионной камеры.

Улучшенные показатели позволяют съемочным группам работать не только в условиях низкой освещенности, при которых прежде отснятые видеоматериалы имели бы неприемлемое качество, но и в процессе студийного производства, когда экономия за счет использования маломощных источников света и уменьшения числа единиц вентиляционного оборудования и кондиционеров воздуха становится весьма ощутимой.

Так как световой поток концентрируется непосредственно на светочувствительных датчиках, рассеивается и отражается в пространстве гораздо