Функция передачи модуляции (фпм) фпзс.

ФПМ ФПЗС определяет разрешающую способность прибора и описывает ответ ФПЗС на оптический входной сигнал в виде синусоиды или меандра (тогда эта функция называется частотно контрастной характеристикой (ЧКХ)). Для того, чтобы определить ЧКХ (или ФПМ) на ФПЗС проецируют штриховую миру, состоящую из светлых и темных полос, шаг, который задает пространственную частоту работы ФПЗС. В идеальном случае на выходе ФПЗС должен бы появиться сигнал той же формы, в реальности же, из-за разных причин, форма сигнала сглаживается и на высоких частотах сигнал от ФПЗС напоминает синусоиду даже при меандровом сигнале на выходе. Вид ЧКХ (ФПМ) любого ФПЗС определяется тремя факторами: геометрией активной части прибора, т.е. размерами и шагом фоточувствительных элементов (с этим фактором связана ЧКХ - интегрированная (ЧКХ_int)); эффективностью переноса носителей заряда (ЧКХ – переноса (ЧКХ_)); диффузией носителей, генерируемых длинноволновыми фотонами (ЧКХ – диффузии (ЧКХ_диф)). Это только основные факторы, влияющие на ЧКХ, есть и другие, которые необходимо учитывать в некоторых специальных случаях. Суммарная ЧКХ (или ФПМ) ПЗС определяется произведением всех перечисленных выше ЧКХ:

Для квадратных фоточувствительных элементов размером X, расположенных с шагом Р зависимость частотно контрастной характеристики ЧКХ_intот пространственной частотыf определяется выражением

,

где f_max= 1/2Р – частота Найквиста, характеризующая ФПЗС и связаная с шагом фоточувствительных ячеек. При проецировании на ФПЗС штриховых объектов с частотами вышеf_max будет наблюдатьсяэффект Муарав виде ложных изображений.

Для ЧКХ_εможно использовать выражение

,

где n – количество переносов зарядового пакета.

Для ЧКХ_дифиспользуют выражение

,

где ,

где d – глубина обеднения; L₀– длина свободного пробега носителей; α – коэффициент поглощения материала подложки (Si), являющийся функцией длины волны.

В современных ФПЗС с высокой эффективностью переноса, при работе в области спектра 0,45 – 0,72 мкм основной составляющей ЧКХ является ЧКХ-интегрирования, которая при ΔX = Р имеет значение 0,63 на частоте Найквиста (максимальная рабочая частота).

Лекция 5 Типы фоточувствительных приборов с зарядовой связью и и область применения" Линейные фпзс

Впростейших ФПЗС без разделения областей накопления и переноса имеется существенный недостаток- смазывание изображения при считывании сигнала, из-за того, что во время считывания продолжается накопление и к полезному накопленному сигналу добавляется носители генерированные в МОП- структуре регистра переноса заряда. Избавиться от этого можно двумя способами: либо перекрывая тем или иным способом поток излучения на время считывания, либо многократно уменьшить время считывания относительно времени накопления. Радикальным решением этой проблемы является пространственное разделение процессов накопления и переноса зарядов как показано на рисунке. В конструкции таких линейных ФПЗС содержится линейка фоточувствительных ячеек (МОП-структур или фотодиодов), затвор параллельного переноса накопленных зарядов из фотоячеек в элементы регистра переноса и защищенный от света регистр переноса. В течении времени накопления разрешающий затвор закрыт, на фоточувствительные ячейки подано смещающее напряжение и там осуществляется накопление. Во время накопления считывающий регистр может либо работать (вынося к выходу ранее накопленные зарядовые пакеты), либо не работать. После окончания накопления заряд переноситься в регистр и считывается. Новый цикл накопления может начаться либо сразу после переноса заряда в регистр, либо после полного считывания регистра. В такой конструкции время считывания может ровняться времени накопления. В линейках ФПЗС используют считывание из ячеек накопления в один, либо в два регистра как показано на рисунке. Оба способа имеет преимущества и недостатки. При считывании в два регистра информационная строка как бы разделяется на четные и нечетные элементы при этом появляется дополнительная неоднородность сигнала, связанная с неодинаковостью выходных устройств (хотя оно может быть и одно как показано на рисунке). Основным преимуществом считывания в два регистра, является уменьшение фотоприемного элемента относительно размеров ячейки ПЗС и уменьшение рабочих тактовых частот ФПЗС примерно в двое, а также уменьшение общего числа переносов зарядовых пакетов. Большинство современных линеек ПЗС выполнены по схеме с двумя регистрами считывания. Кроме того, практически обязательным является наличие устройства антиблюминга для защиты от "пересветок" и расплывания сигнала от очень ярких объектов, а также электронного затвора. Электронный затвор обычно конструктивно связан с антиблюмингом и обеспечивает эффективное управление временем накопления. В электронном затворе времени накопления путем подачи на устройство антиблюминга таких смещений, что генерируемые при освещении ПЗС заряды сразу же сливаются в подложку, а не накапливаются в потенциальной яме (или фотодиоде). Собственно же процесс накопления осуществляется после снятия этого смещения с устройства антиблюминга.

Линейки ПЗС производят различные российские и зарубежные фирмы, среди которых можно отметить: KODAK (США), SONY(Япония), DALSA (Канада), Perckin Elmer (Reticon) (США),Samsung(Корея),THOMSON(Франция), ЦНИИ "Электрон" (г. С-Петербург), ГУП НПП "Пульсар" (г. Москва)(на технологической базе з-да "Микрон" (г. Зеленоград).). Практически у всех зарубежных производителей имеются различные серии линеек ПЗС, которые включают приборы форматом от 512 пикселов до 8000 и более. При этом типичные размеры фотоприемных элементов составляют либо 13х13 (14х14) мкм для коротких линеек, либо 7х7 мкм (8х8 мкм) для длинных линеек. Для применения в цветных сканерах разработаны приборы, содержащие три раздельных линейки ПЗС на одном кристалле. Фоточувствительные элементы расположены параллельно друг другу с шагом 8 – 12 пикселов и совмещены со спектральнымиRGBфильтрами. В результате при сканировании каждая из трех линеек выдает информации в своём спектральном диапазонеR,GилиB.

В таблице приведены некоторые линейки ПЗС (в основном большого формата, которые могут быть использованы для телевизионных сканирующих системах и системах космического наблюдения).

Для научных и специальных применений выпускаются ФПЗС не с квадратными а прямоугольными фотоприемными пикселами, например: 13х26 мкмБ 13х250мкм и даже 13х2500 мкм.

Линейные микросхемы ФПЗС .

Фирма	Тип прибора	Организация	Формат, Пикселы	Размер эл-та, мкм	Макс. частота, МГц
Пульсар	1200ЦЛ6	Черно-белая линейка	2048х1	12х12	2х10МГц
Пульсар	1200ЦЛ4	4-х спектральная	2048х4	15х15	2х10МГц
Электрон	ФППЗ2048Л	2 ч/б линейки с МОП приемником	2048х2	13х50	20 МГц
SONY	ILX531A	Черно-белая линейка	5150 x 1	7 х 7	2 x 20
SONY	ILX508A	Черно-белая линейка	7926 х 1	7 х 7	2 х 12.5
SONY	ILX532A	Черно-белая линейка	7500 х 1	7 х 7	2 х 20.0
SONY	ILX724K	Три линейки с RGB-фильтрами	2700 х 3	8 х 8	3 х 5.0
SONY	ILX530K	Три линейки с RGB-фильтрами	7926 х 3	8 х 8	3 х 40.0
SONY	ILX734K	Три линейки с RGB-фильтрами	10500х3	8 х 8	3 х 3.0
RETICON	RL4000P, RL8000P	Черно-белая линейка	4096 х 1 8192 х 1	7 х 7	2 х 20
DALSA	IL-C7	Черно-белая линейка	4096 х 1	7 х 7	2 х 30.0
DALSA	IL-C8	Черно-белая линейка	6000 х 1	10 х 10	2 x 20.0
THOMSON	TH7833A	Черно-белая линейка	4096 x1	7 x7	4 x10.0
THOMSON	TH7808B	Черно-белая линейка	5184 x 1	7 x 7	2 x 10.0
THOMSON	TH7834B	Черно-белая линейка	12000x1	6.5 x 6.5	4 x 5.0
THOMSON	TH7821A	Три линейки с RGB-фильтрами	8640 x 3	7 x 7	3 x 5.0
KODAK	KLI5001F	Черно-белая линейка	5000 х 1	7 х 7	2 х 12.5
KODAK	KLI8811	Черно-белая линейка	8800 х 1	7 х 7	4 х 30
KODAK	KLI6003	Три линейки с RGB-фильтрами	6000 х 3	12 х 12	3 х 8.0
KODAK	KLI8013	Три линейки с RGB-фильтрами	8000 х 3	9 х 9	3 х 8.0
KODAK	KLI10203HQ	Три линейки с RGB-фильтрами	10200 х 3	7 х 7	3 х 10.0
KODAK	KLI14,403	Три линейки с RGB-фильтрами	14404 х 3	5 х 5	3 х 10.0

МАТРИЧНЫЕ ФПЗС

Аналогично линейным ФПЗС в матричных области накопления и считывания могут быть совмещены или разделены в пространстве. Двух-координатность матриц накладывает ряд специфических ограничений на конструкцию фотоприемных ячеек и матриц в целом. В результате сформировалось несколько вариантов компоновки матричных ФПЗС:матрицы со строчным переносом, матрицы с переносом кадра и строчно-кадровые матрицы. Матрицы работающие в режимевременной задержки и накопления (ВЗН)являются вариантом матриц со строчным переносом.

Варианты организации матриц ФПЗС показаны на рисунке.