Антиблюминг, или устойчивость к локальным пересветкам.
Шумы
Неоднородность чувствительности
Потому, что ячейки ПЗС имеют неодинаковую чувствительность, т. е. даже при абсолютно однородной освещённости сигнал с них разный (иногда этот эффект называют геометрическим шумом). Величина этой неоднородности невелика и обычно не превышает 1-5% (для разных типов приборов), так что, скажем, в обычных ТВ камерах ею можно пренебречь. В научных системах, где требуется высокая фотометрическая точность, применяют довольно простой алгоритм коррекции неравномерности. Поскольку чувствительность каждого индивидуального элемента – фиксированная величина, то для её коррекции при некоторой равномерной освещённости запоминают сигналы со всех элементов прибора – и используют их как коэффициенты коррекции
при всех последующих экспозициях. Предварительно, разумеется, проводят коррекцию темнового тока.
Начнём с того, что шумит сам световой поток, то есть число фотоэлектронов, накопленное в ячейке, определено с точностью до квадратного корня из их числа (статистика Пуассона). Например, зарядовый пакет в 10000 электронов от кадра к кадру будет флуктуировать со среднеквадратическим отклонением в 100 электронов. Точно такой же статистике подвержен и темновой сигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой). Это, однако, не снимает задачи снижения шумов собственно ПЗС, поскольку часто приходится работать с сигналами в десяток-другой фотонов на ячейку (к счастью, не в ТВ системах).
Для качественных приборов, где низки темновой ток и неэффективность переноса, доминирующим источником шума будет выходное устройство. Обратимся ещё раз к рис. 4а и посмотрим на выходное устройство. Оно состоит из ёмкости считывания, как правило, диода, транзистора сброса Q1 и выходного усилителя (обычно это двух-трехкаскадный истоковый повторитель с высоким входным импедансом). Работает такое выходное устройство следующим образом. Импульс сброса соединяет диод с источником опорного напряжения Vref., после чего транзистор сброса закрывается, и диод оказывается плавающим, т.е. его потенциал может изменяться при поступлении в него заряда – и он изменяется при следующем такте переноса заряда в регистре. Это изменение потенциала передаётся на выход прибора через усилитель. Так вот, фундаментальным свойством системы ключ –конденсатор (в случае ПЗС это транзистор Q1 и плавающая диффузия) является то, что каждый раз после размыкания ключа исходный потенциал считывающей ёмкости будет разным, причём среднеквадратическая величина этого шума (он называется установочным) равна (kT/C)1/2 , а эквивалентный шумовой заряд – (kTC)1/2, где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, а С – ёмкость считывающего узла. При комнатной температуре установочный шум, выраженный в электронах, равен 400C1/2, если С – в пикофарадах. При этом сам сигнал пропорционален 1/C. Стало быть, чем меньше ёмкость, на которой детектируется заряд, тем больше отношение сигнал/установочный шум для данного считывающего устройства. Именно здесь кроется преимущество ПЗС по сравнению с предшествующими датчиками, где заряд с одного элемента попадал на общую для всего столбца шину.
Величина ёмкости считывания в современных ПЗС достигает 0,01-0,03 пФ, что соответствует установочному шуму примерно в 40-70 электронов. Для многих применений такой уровень шума приемлем, однако существует метод, позволяющий практически полностью устранить его. Этот метод предложен М. Уайтом и другими из фирмы Westinghouse в 1974 и носит название двойной коррелированной выборки. Вдумаемся ещё раз в то, когда появляется установочный шум: после размыкания транзистора сброса (отмечу ещё раз, что "после" не значит "из-за"; причина установочного шума – в фундаментальных термодинамических законах), но до поступления заряда в плавающий диод. Поступление сигнального заряда вызывает только изменение потенциала плавающей диффузии, и если предварительно запомнить напряжение установочного шума, то потом его легко вычесть из результирующего сигнала и тем самым полностью его (шум) устранить. Метод двойной коррелированной выборки стал фактически стандартным методом предварительной обработки сигнала для всех малокадровых систем, работающих на сравнительно низких тактовых частотах, да и во многих ТВ камерах.
Остаётся только шум собственно выходного усилителя. Он имеет две компоненты: так называемый шум 1/f, присущий МОП-транзисторам, спектральная плотность которого, как следует из названия, растёт в области низких частот и сильно зависит от степени совершенства технологического процесса, и тепловой шум канала транзисторов, имеющий равномерный (белый) спектр. Шум 1/f во многом подавляется схемой двойной коррелированной выборки, которая служит фильтром верхних частот, причём степень подавления зависит от соотношения тактовой частоты и частоты излома спектральной характеристики плотности шума. Обычно конструкция выходного усилителя оптимизируется с точки зрения достижения минимального эквивалентного шумового заряда для данных условий применения, а полный эквивалентный шумовой заряд зависит ещё и от тактовой частоты работы ПЗС. Для современных приборов на частоте порядка 100 кГц типовым считается шум выходного усилителя 3-6 электронов (при охлаждении), а в лучших приборах достигается цифра 2 электрона. Поскольку заряд насыщения (максимальная величина зарядового пакета, передаваемого без искажений) составляет, как правило, 200-500 тыс. электронов, то динамический диапазон ПЗС достигает примерно 100-110 дБ; это примерно 18 или 19 бит. Кстати, динамический диапазон аудио-CD – всего лишь 16 бит. Впрочем, известны экспериментальные конструкции усилителей с шумом... зажмурьтесь... 0,5 электрона. То есть электроны считаются поштучно.
В некоторых датчиках используют дополнительные антиблуминговые затворы, предназначенные для отвода избытка зарядов из переполненной ячейки. Без такого средства яркая звезда, освещенность от которой переполняет ячейку вызывает появление на экране яркой вертикальной полосы В лучшем случае это может просто мешать наблюдателю. Но если эта полоса перекрывает объект наблюдения, то нет возможности восстановить потерянные данные. ФПМ ПЗС c антиблуминговыми затворами не рекомендуются для работы в условиях низкой освещенности из-за снижения чувствительности этих устройств, если есть лучшие средства. Пример блуминга показан на рис. 2.35.
Рис. 2.35. Пример изображения с блумингом.
Антиблуминговые затворы, встроенные в ФПМ, занимают около 30% области ячейки. В результате коэффициент заполнения снижается до 70%, снижается чувствительность и уменьшается емкость потенциальной ямы.