Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, линейка фото-ПЗС, в которой под системой прозрачных в рабочем диапазоне спектра электродов при освещении возникает внутренний фотоэффект, позволяет преобразовать распределение освещенности в зарядовые пакеты носителей, хранить их и создавать выходной видеосигнал при последовательной смене потенциалов на фазных шинах. Схемы такого преобразования рассмотрены в гл. 7.
172 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора
Помимо трехфазной структуры ПЗС разработаны одно-, двух- и четырехфазные ПЗС.
Уровень шума в фото-ПЗС обычно определяется флуктуациями числа электронов в зарядовых пакетах, вызванными фотонным шумом сигнала, дробовым шумом темнового тока, шумами захвата носителей в структуре ПЗС, шумом фонового заряда и др. Охлаждение до -(20...40) °С и другие методы снижения шумов позволяют уменьшить число шумовых электронов до 15...30 в полосе частот до 1 МГц и обеспечить работу ПИ при перепаде освещенностей IO4...IO5.
Приемники на базе ПЗС помимо общепринятых параметров и характеристик описываются рядом специфичных, к которым относятся: частотно-контрастная (пространственно-частотная) характеристика, определяющая качество передачи контраста изображения в виде функции от пространственной частоты проецируемой на ПЗС штриховой миры; амплитуды минимальных и максимальных управляющих напряжений хранения и запирания; минимальная fmln и максимальная fmax тактовые частоты (Zmtn= 0,1...1 кГц, Zmax = 2...20 МГц); время хранения информации, достигающее десятых долей секунды, и ряд других [9].
Разрешающая способность ПЗС снижается при больших засветках вследствие переполнения потенциальных ям и диффузии носителей, генерируемых в нижней зоне подложки. Эти явления вызывают растекание зарядов, т.е. появление паразитных зарядов в соседних чувствительных элементах, и смаз изображения. Кроме того, на качество работы фото-ПЗС существенное влияние оказывают различия в значениях чувствительности, темнового тока и геометрических размерах различных элементов, называемые геометрическим шумом. Эти вариации составляют (3...5) % и даже ± (10... 25)%.
Достоинствами ПЗС являются:
высокая разрешающая способность;
малое потребление мощности, затрачиваемой на обработку информации;
отсутствие необходимости создавать большое числор-гс-переходов и контактов к ним, а следовательно, хорошая технологичность и надежность;
высокое быстродействие, характеризуемое частотами развертки порядка мегагерц и более;
возможность обрабатывать и кодировать изображение непосредственно в самом формирователе сигнала, так как на вход ПЗС информация подается в аналоговой форме, а управление ПЗС осуществляется цифровыми методами, и сигнал на выходе дискретен.
173 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Основными недостатками этих ПИ являются:
неоднородность фотоэлектрических свойств, прежде всего чувствительности отдельных элементов, достигающая часто десятков процентов;
ограниченный спектральный рабочий диапазон (0,5...1,1 мкм и лишь у некоторых до 3...5 мкм);
невозможность произвольной выборки сигнала с любого элемента ПЗС, т.е. строго определенная последовательность "опроса" элементов приемника;
выход из строя всей строки развертки при потере чувствительности (например, «прожоге» при воздействии мощного излучения) одного из элементов этой строки.
Параметры некоторых отечественных и зарубежных фотоматриц на основе ПЗС приведены в табл. 6.8 и 6.9.
От ряда недостатков ПЗС свободны приборы с зарядовой инжек-цией (ПЗИ) — полупроводниковые ПИ с поверхностным каналом, в котором для считывания и обработки сигналов используется инжек-ция и перенос заряда внутри отдельных фоточувствительных ячеек [9]. Ячейки ПЗИ аналогичны ПЗС, но считывание заряда в ПЗИ идет в той же ячейке, где он был создан, а инжекция заряда в полупроводниковую подложку служит для освобождения фоточувствительных ячеек от ранее накопленного заряда. Эти ПИ могут работать как развертывающие ПИ с координатной адресацией (произвольной выборкой изображения). В настоящее время известно лишь очень небольшое количество ПИ на базе ПЗИ.
Для работы в ИК диапазоне спектра создаются гибридные мозаичные ПИ, в которых фоточувствительный слой выполняется в виде мозаики из отдельных фотодиодов или фоторезисторов, соединенных с ПЗС-ячейками, с помощью которых осуществляется считывание сигнала, а также его первичная обработка, например, временная задержка и интегрирование (см.§8.1и§11.9).
В таких гибридных ПИ, чувствительные элементы которых изготовляются из PbSnTe и HgCdTe, достигнута квантовая эффективность 50...60% (для X = 4,5 мкм при температуре фона 80...100 К) и D* =31012 Bt1-Cm Гц1/2.
Прогресс в области создания ПЗС-матриц видимого диапазона (имеются сообщения о создании фото-ПЗС с числом элементов до 2048x2048 и даже 4096x4096 при размерах одного элемента 9x9 мкм и менее) позволяет надеяться, что в ближайшем будущем будут созданы гибридные структуры с аналогичными параметрами для ИК диапазо-
174 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора
