Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. 1. Фотонный шум и регистрация изображений 11
1.1. Основные статистические свойства фотонного шума 11
1.2. Моделирование малофотонных изображений 14
1.3. Выводы 18
ГЛАВА 2. Обзор высокочувтвительных приёмников изображений 19
2.1. Основные виды высокочувствительных приёмников изображений 19
2.2. Проблемы использования лавинного умножения в полупроводниковых приёмниках изображений 21
2.3. Анализ характеристик приёмников изображений. Преимущества ПЗС матриц с внутренним электронным умножением (EMCCD) 25
2.4. Основные шумовые характеристики и параметры EMCCD матриц 29
2.5. Выводы 32
ГЛАВА 3. Разработка и создание тв-приёмника изображения на базе пзс матрицы с внутренним электронным умножением .. 33
3.1. Выбор типа EMCCD приёмника 33
3.2. Управление EMCCD матрицей 36
3.3. Средство управления EMCCD матрицей - ПЛИС 41
3.4. Структурная схема макета ТВ-камеры 42
3.5. Разработка преобразователя сигнала управления внутренним электронным умножением 47
3.6. Электронные блоки и модули ТВ-камеры 54
3.7. Разработка печатных плат 58
3.8. Монтаж макетного образца ТВ-камеры 74
3.9. Структура охлаждаемого фотоприёмного устройства 80
3.10. Использование результатов разработки. Макет многоканальной ТВ-системы 84
3.11. Выводы 85
ГЛАВА 4. Формирование однородных сверхмалых фотонных потоков 87
4.1. Задачи регистрации сверхмалых фотонных потоков 87
4.2. Величины и термины, характеризующие оптическое излучение 88
4.3 Методика формирования сверхмалых фотонных потоков для формирования малофотонных изображений 98
4.4 Установка для получения сверхмалых потоков излучения 101
4.5. Энергетический расчёт установки 109
4.6. Выводы 113
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования 114
5.1. Задачи экспериментальных исследований 114
5.2. Подготовка к эксперименту 115
5.3. Результаты экспериментов 118
5.4 Особенности работы внутреннего электронного умножения при высоких значениях коэффициента умножения 124
5.4 Выводы 130
Заключение 131
Список литературы
- Моделирование малофотонных изображений
- Анализ характеристик приёмников изображений. Преимущества ПЗС матриц с внутренним электронным умножением (EMCCD)
- Разработка преобразователя сигнала управления внутренним электронным умножением
- Методика формирования сверхмалых фотонных потоков для формирования малофотонных изображений
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Развитие электронных устройств регистрации изображений сопровождается
постоянным повышением чувствительности матричных приёмников к
оптическому излучению.
Фундаментальным ограничением предельной чувствительности приёмников оптического излучения является фотонный шум, обусловленный квантовой природой оптического излучения. Одиночные приёмники оптического излучения, чувствительность которых позволяет получить электрический отклик при регистрации отдельных фотонов, существуют уже длительное время.
Однако, создание телевизионных (ТВ) матричных приёмников изображения наталкивается на принципиальное ограничение, обусловленное процессом преобразования сигнальных зарядовых пакетов в напряжение и, в частности, собственными шумами преобразователя, которые получили название «шумы считывания». Поэтому возможность продвижения в область регистрации отдельных фотонов с помощью ПЗС приёмников требует поиска путей, позволяющих обойти это принципиальное ограничение.
Одним из путей указанной проблемы является использование ПЗС матричных приёмников с внутренним электронным умножением, позволяющим радикально увеличить сигнальный заряд ещё до процесса считывания, что в результате существенно повышает результирующие отношение сигнал-шум на выходе ПЗС матрицы.
В литературе ПЗС-матрицами с многокаскадным процессом внутреннего умножения фотоэлектронов закрепилось название «ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением» (electron multiplying CCD — EMCCD).
Появление EMCCD-приёмников позволяет перейти в область исследований процессов формирования изображений при столь низких уровнях освещённости, когда можно говорить об однофотонных и даже субфотонных потоках. При этом предельная чувствительность таких матричных приёмников ограничена не шумами считывания а собственными шумами потока фотонов.
Телевизионные приёмники на базе EMCCD-устройств позволяют продвинуться в область весьма малых рабочих значений освещённости - порядка 10-4 - 10-5 люкса, что, в свою очередь, позволяет им претендовать на роль эталона в своей категории устройств.
EMCCD-устройства имеют существенные преимущества перед лавинными фотодиодами и электронно-оптическими преобразователями. В связи с этим разработка, создание и оптимизация ТВ-устройств на базе матриц с внутренним электронным умножением является в настоящее время актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является исследование особенностей процессов регистрации изображений с помощью ПЗС приёмников с внутренним каскадным умножением фотоэлектронов при малых и сверхмалых потоках
фотонов. Особенностями поставленной цели являются: необходимость
самостоятельной разработки и исследования характеристик
высокочувствительного ТВ-устройства и разработка методики создания малых и сверхмалых потоков фотонов для формирования оптических изображений.
Для достижения целей диссертационной работы необходимо было решить следующие задачи:
Провести экспериментальные исследования изображений высокочувствительных ТВ-приёмников, формируемых сверхмалыми фотонными потоками.
Провести анализ характеристик и параметров матричных приёмников оптических изображений и выбрать тип приёмника, обеспечивающий максимально высокое информационное качество при сверхмалых фотонных потоках.
Разработать и создать экспериментальный макет ТВ-приёмника на базе ПЗС-матрицы с внутренним электронным умножением, обеспечивающим регистрацию малофотонных изображений.
Создать экспериментальную установку для исследования особенностей процессов регистрации малофотонных изображений.
На базе корреляционного анализа и математического моделирования определить значения интенсивности фотонного потока, при которых дискретный характер процесса детектирования оказывает доминирующее влияние на качество ТВ-изображений, формируемых матричными квантовыми приёмниками.
Выработать рекомендации по созданию на базе ПЗС-матриц с внутренним каскадным умножением фотоэлектронов ТВ-приёмников, обеспечивающих регистрацию ТВ-изображений при сверхмалых потоках фотонов.
Научная новизна
Теоретически и экспериментально показано повышение чувствительности телевизионных приёмников вплоть до теоретического предела за счёт использования многокаскадного внутреннего умножения фотоэлектронов в ПЗС матрицах в режимах, когда среднее значение потока фотонов, приходящих на фоточувствительный элемент (пиксель) за время экспозиции близко к единице, что соответствует уровням освещённости порядка 10-5 люкс.
Использованы схемотехнические решения, позволяющие повысить эффективность управления процессом внутреннего электронного умножения сигнальных зарядов в ПЗС матрицах сверхвысокочувствительных телевизионных устройств.
Разработана методика получения тестовых изображений, основанная на использовании пространственно-однородного потока фотонов модели АЧТ с регулируемыми интенсивностью и спектральным составом, предназначенная для работы при освещённостях ниже уровня 10-5-10-4 люкса .
Теоретическая и практическая значимость работы
В работе показана возможность извлечения информации из телевизионных изображений при уровнях освещённости 10-4-10-5 люкс, за счёт использования эффекта внутреннего каскадного умножения фотоэлектронов в ПЗС матрицах.
Получены результаты теоретического анализа определения шумовых характеристик ПЗС матричных приёмников изображения с внутренним электронным умножением при регистрации сверхмалых фотонных потоков.
Экспериментально продемонстрирована возможность использования ТВ-устройств на базе ПЗС матриц с каскадным внутренним электронным умножением для регистрации изображений при сверхнизких уровнях освещённости порядка 10-4-10-5 люкс.
Показаны преимущества использования для работы в условиях сверхнизких
освещённостей телевизионных приемников видимой области спектра,
построенных на базе ПЗС матриц с внутренним электронным умножением.
Определены схемотехнические принципы и решения построения ТВ-приёмников на базе ПЗС матриц с каскадным внутренним умножением фотоэлектронов, позволяющие гибко управлять процессом внутреннего электронного умножения заряда и одновременно повысить быстродействие таких ТВ-приёмников.
Разработана методика исследования характеристик и параметров ТВ-приёмников изображений в условиях работы при сверхмалых фотонных потоках.
Показана возможность построения многоканальных панорамных устройств с увеличенными углами обзора на базе ПЗС матриц с каскадным внутренним умножением фотоэлектронов для работы в условиях сверхнизкой освещённости.
Методология и методы исследования.
Диссертационная работа основана на комплексном применении методов математического и физического эксперимента, анализа литературных данных предшествующих работ по исследуемой проблеме, теоретического анализа в областях статистической оптики, оптики, теплофизики; методов математической статистики, теории сигналов и физики полупроводниковых устройств.
Разработка экспериментальных макетов осуществлена c применением
методов аналоговой и цифровой схемотехники, методов численного
моделирования и автоматизированного расчёта электронных узлов.
Численное моделирование и расчёты проведены с помощью современных
средств прикладных программных пакетов, таких как «Mathcad», «MATLAB»
фирмы «The MathWorks Inc». При разработке электронной и программной частей
разработанных макетов электронных устройств применены средства
автоматизированного расчёта и проектирования: «P-CAD 2006», «Multisim», «Quartus II».
Достоверность полученных результатов
Обзор современного состояния проблемы проведён на основе новых и новейших публикаций в авторитетных научных изданиях и справочной технической документации ведущих мировых производителей электронных компонентов и устройств.
Проведённые теоретические исследования, математическое моделирование
и обработка результатов экспериментов осуществлены с широким
использованием пакетов прикладных программ ведущих мировых
производителей, таких как «Mathcad», «MATLAB» фирмы «The MathWorks Inc» и др.
При разработке и создании экспериментальных макетов были использованы современные средства автоматизированного проектирования, в том числе «P-CAD 2006», «Multisim», «Quartus II», что позволило успешно реализовать качественное исполнение разработанных электронных блоков и узлов.
Использование современных оптических методов и элементов при
реализации экспериментальной установки, применяемых в оптическом
измерительном и аттестационном оборудовании, обеспечило высокую
повторяемость, точность и воспроизводимость получаемых результатов.
Применение в качестве источника оптического излучения аттестованной модели абсолютно чёрного тела типа M-360 фирмы «Mikron Infrared», обеспечивающей высокую точность установки температуры и спектральных характеристик излучения, обеспечило высокую достоверность получаемых результатов.
Научные положения, выносимые на защиту
Повышение эффективности процесса регистрации ТВ-изображений за счёт использования внутреннего электронного умножения в ПЗС матрицах при потоках излучения, близких к одному фотону на элемент (пиксель) приёмника изображения.
Телевизионный приёмник, использующий внутреннее электронное
умножение, обеспечивающий пороговую чувствительность близкую к
теоретическому пределу, позволяющий регистрировать и исследовать
изображения при сверхмалых потоках фотонов, соответствующих освещённости порядка 10-5 люкса и ниже.
Методика получения точных сверхмалых, однородных, регулируемых
потоков оптического излучения, позволяющие формировать тестовые
изображения при сверхмалых уровнях освещённости.
Апробация результатов и личный вклад автора
По результатам диссертационной работы было опубликовано 16 научно-технических работ, в том числе три статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК [1-3].
Сделаны доклады на двенадцати научно-технических конференциях:
на пяти ежегодных (XVI-XX) Международных научно-технических конференциях (МНТК) студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, проходивших в период с 2010 по 2014 год [4-9];
на четырёх (XIX-XXII) МНТК «Современное телевидение и радиоэлектроника», в 2011, 2012, 2013, 2014 годах [11-14];
на XVIII международной научно-технической конференции «Современное телевидение», в 2010 году [10];
на XXXVIII конференции «Академические чтения по космонавтике», в 2014 году [15];
на III международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», в 2014 году [16].
Результаты работы были использованы в ходе реализации хоздоговорной НИР шифр «Стручок», выполненной кафедрой Электронные приборы «МЭИ (ТУ)» при непосредственном участии автора, а также хоздоговорной НИР шифр «Обзор-МЭИ», выполненных по заказу Министерства обороны РФ.
Моделирование малофотонных изображений
Для случая непрерывного как в пространстве, так и по абсолютной величине интенсивности изображения информационное содержание определяется свойствами приёмника - количеством элементов разложения, определяемым пространственным разрешением приёмника, и количеством градаций интенсивности сигнала, определяемым отношением сигнал-шум [19].
Для малофотонных изображений, имеющих квантование сигнала, определяемое квантовой природой излучения, данный принцип может быть использован лишь для оценки верхнего предела информационного содержания, так как значительная часть информации будет описывать расположение отдельных фотоотсчётов, не несущих непосредственно информацию о изображении исходного объекта.
В качестве критерия оценки информативности малофотонного изображения использовано корреляционное сопоставление исходного изображения и его малофотонного аналога. При этом использовано моделирование малофотонных изображений на основе статистики Пуассона.
Моделирование проводилось в системе MATLAB, которая является языком программирования высокого уровня для выполнения вычислений. Базовым элементом системы является массив элементов, не требующий фиксированной размерности, что делает систему удобной для проведения обработки изображений [20].
Случайный процесс, представляющий регистрацию фотонов, моделируется с использованием встроенной функции poissrnd, генерирующей псевдослучайные целые числа, соответствующие распределению Пуассона. В качестве параметра функции выступает среднее количество фотонов - N, зарегистрированных в пикселе за время экспозиции .
На рис. 1.2, в качестве примера, представлены картины трёх изображений однородного пространственного распределения, полученные в результате моделирования при средних значениях количества фотоэлектронов в пикселе 0.1,
На рис. 1.3 даны примеры трёх изображений одномерной синусоидальной миры. Формат изображений 100x100, период синусоидальной миры численно равен 10 пикселям. Рисунок 1.3 а) иллюстрирует ситуацию при среднем числе фотонов, приходящихся на пиксель, равном 0.1. На рис 1.3 б) и в) представлены картины, сформированные потоками фотонов 0.01 и 0.001 фотона на пиксель соответственно.
Результаты расчёта коэффициента корреляции в зависимости от величины среднего потока фотонов приведены на рис. 1.4. Точками отмечены результаты моделирования. Сплошной кривой показан результат аппроксимации по методу наименьших квадратов зависимостью вида
коэффициента корреляции тестового изображения и его малофотонного аналога от величины потока фотонов. Точки - результат моделирования; сплошная кривая результат аппроксимации.
В представленной зависимости целесообразно выделить область значений коэффициента корреляции менее 0.1 и интенсивности фотонного потока менее 0.04 фотона на пиксель, в этой области изображение настолько искажено, что говорить о содержании такого изображения невозможно (примеры на рис. 1.3 б),в) ). Значение коэффициента корреляции здесь также имеет значительный случайный разброс, обусловленный случайным разбросом фотонов. При значениях коэффициента корреляции более 0.8 и среднем значении фотонного потока более 10 фот/пике изображение может быть визуально узнаваемо, что соответствует традиционным условиям работы приёмников изображений. Анализируя зависимость на рис. 2, можно определить условия работы квантовых приёмников (потоки излучения порядка 10-10"1 фотон/пиксель), при которых существенно искажающее влияние фотонного шума, но корреляционный критерий и визуальное восприятие (рис. 1.3 а) ) позволяют говорить о наличии информации в изображении. Изображения, получаемые в определенных условиях работы и занимающие промежуточное положение между режимом счёта отдельных фотонов и традиционными изображениями, назовём малофотонными.
В реальной ситуации при фоторегистрации всегда присутствует паразитный сигнал, созданный термогенерированными или иными носителями заряда. Распределение интенсивности этого сигнала по полю изображения близко к равномерному. Поэтому в моделируемый процесс целесообразно ввести случайный по всему полю изображения разброс отсчётов. Графики зависимостей коэффициентов корреляции исходных образов малофотонных аналогов в присутствии равномерной помехи различной величины представлены на рис. 1.5.
В результате анализа статистических свойств фотонного шума при регистрации изображений показано влияние дискретной природы фотонного потока.
Проведение моделирования на основе корреляционного сопоставления исходных и моделированных изображений показывает характер изменения информативности получаемых малофотонных образов. Корреляционный критерий является критерием информационного содержания изображений, одним из наиболее близких к зрительному восприятию образов и используется в большинстве систем технического зрения.
Моделирование позволило определить диапазон значений фотонных потоков, при которых информационное содержание резко падает с уменьшением интенсивности фотонного потока. Моделирование также учитывает влияние помеховых сигналов, проявляющихся аналогично фотоотсчётам в виде одиночных выбросов сигнала. Изображения, получаемые при таких значениях потоков излучения, можно назвать малофотонными. Необходимость исследования данной области сигналов становится актуальной с появлением и развитием приёмников изображений близких по характеристикам к идеальным квантовым приёмникам. Основные виды высокочувствительных приёмников изображений.
В настоящее время для регистрации одиночных квантов излучения существуют различные виды как полупроводниковых, так и вакуумных электронных приборов. Фундаментальным принципом работы данных приборов является умножение носителей заряда - лавинный пробой в полупроводниковых и вторичная электронная эмиссия в вакуумных электронных приборах.
Однако, создание телевизионных (ТВ) матричных приёмников изображения наталкивается на принципиальное ограничение, обусловленное процессом преобразования сигнальных зарядовых пакетов в напряжение и, в частности, собственными шумами преобразователя, которые получили название «шумы считывания». Поэтому возможность продвижения в область регистрации отдельных фотонов с помощью ПЗС приёмников требует поиска путей, позволяющих обойти это принципиальное ограничение.
Вакуумные приёмники. Электронно-оптические преобразователи
Электронно-оптические преобразователи имеют уже достаточно продолжительную историю, причём наиболее бурным этапом развития было начало использования ЭОП в 60-х 80-х годах XX века. За это время были изобретены первые поколения ЭОП-ов, различающиеся как принципами действия, так и конструкциями. Поэтому целесообразно остановиться на наиболее современных конструкциях электронно-оптических преобразователей.
Современные электронно-оптические преобразователи осуществляют усиление сигнала за счёт вторичной электронной эмиссии в микроканальной пластине. Конструкция современного ЭОП представлена на рис. 2.1. Фотокатод наносится на внутреннюю поверхность входного окна и преобразует входной поток фотонов в поток фотоэлектронов. Фотоэлектроны захватываются электрическим полем и попадают на микроканальную пластину. К микроканальной пластине прикладывается высокое напряжение, и ускоренные электроны приобретают достаточную энергию для выбивания вторичных электронов из стенок микроканалов. Эти вторичные электроны, в свою очередь ускоряются и также участвуют в процессе умножения. Таким образом, электронный поток умножается в несколько тысяч раз. Величина коэффициента умножения зависит от приложенного к МКП напряжения. Умноженный поток электронов попадает на экран с нанесённым люминофором, который осуществляет их преобразование в оптическое излучение.
Анализ характеристик приёмников изображений. Преимущества ПЗС матриц с внутренним электронным умножением (EMCCD)
Попытки создания полупроводниковых матричных приёмников изображения, использующих электронный лавинный пробой для усиления сигнала, сталкивались с проблемой чрезвычайно высокого шума лавинных диодов, использующихся для усиления сигнала. Лавинное умножение позволило повысить чувствительность устройств, но высокий шум делает неразличимым сигналы вблизи предела чувствительности, обусловленного фотонным шумом. Однако в матричных приёмниках ИК диапазона, где энергия фотонов весьма мала, полезные сигналы, выраженные в фотоэлектронах, достаточно значительны и искажения изображений, вызванные фотонным шумом малы, успешно реализуются приёмники изображений на лавинных фотодиодах [21].
Принцип действия лавинных фотодиодов следующий (рис. 2.2). К р-п переходу прикладывается обратное смещение 50-300 В. При поглощении фотона в области пространственного заряда генерируется электронно-дырочная пара. Далее носители заряда ускоряются полем до энергий, вызывающих ударную ионизацию атомов решётки, появляются вторичные носители заряда и электрический ток таким образом увеличивается. Одним из перспективных направлений создания приёмников изображений на основе массивов лавинных фотодиодов является использование МДП структуры для считывания сигнала с лавинного фотодиода. Здесь усиление сигнала достигается благодаря лавинному умножению носителей в сильных электрических полях либо р-п-перехода, либо в области пространственного заряда (ОПЗ) МДП-структуры [22].
Существенным недостатком лавинных фотодиодов является работа в режиме развитой электронной лавины. Лавинное умножение в таком режиме вносит существенный шум, зависящий от коэффициента умножения лавинного фотодиода, в процесс усиления. Оценка фактора шума для лавинного фотодиода может быть проведена с помощью формулы [23]: Где Эфф - эффективное значение вероятности ионизации, М - коэффициент умножения. Также существенный шум вносит термогенерация сигнала в таком лавинном фотодиоде. Типичные численные значения фактора шума лавинных фотодиодов даже при малых коэффициентах умножения составляют величину более 3.
Также в лавинных фотодиодах вторичной генерации подвергаются не только электроны, но также и «дырки», что вносит дополнительный шум. Поэтому большинство лавинных фотодиодов разрабатывается с подавлением лавинного умножения одного из типов носителей заряда.
Решением проблемы использования внутреннего электронного умножения стало создание ПЗС матриц с внутренним электронным умножением.
Прибор с зарядовой связью (ПЗС или CCD - Charge Coupled Device, англ.) является интегральным полупроводниковым прибором, в основе работы которого лежит принцип хранения и передачи заряда в потенциальных ямах, образуемых полем МДП конденсаторов в полупроводнике. Передача заряда из одной потенциальной ямы в другую происходит при изменении напряжения на внешних электродах МДП конденсаторов. Идея использования зарядовой связи для создания фоточувствительных интегральных схем была впервые выдвинута американскими физиками У. С. Бойлом и Дж. Э. Смитом в 1970 году.
ПЗС-устройства оперируют зарядовыми пакетами, переносимыми электрическим полем МДП-конденсаторов в полупроводниковом кристалле. Умножение заряда в зарядовых пакетах осуществляется в регистре умножения, который имеет структуру, аналогичную структуре регистра считывания. Тактирование регистра умножения осуществляется повышенным (по отношению к стандартным сигналам переноса) напряжением, что приводит к возникновению (инициированию) процесса лавинного пробоя при переходе заряда из ячейки в ячейку, в результате которого возникает 1.5-2 % дополнительного заряда. После прохождения нескольких сотен ячеек регистра общий коэффициент умножения может достигать величины порядка тысячи. Принцип каскадного электронного умножения в твердом теле близок к принципу каскадного электронного умножения в вакууме (в ФЭУ). Общим у этих принципов является низкий уровень шума процесса умножения носителей заряда [24].
За счёт работы каждой ячейки в предпробойном режиме при ограничении развития электронной лавины, общий процесс умножения отличается высокой стабильностью и малым шумом при различных коэффициентах умножения.
Такие приборы называют ПЗС матрицами с внутренним электронным умножением. В иностранной литературе принято использовать название EMCCD {Electron multiplying CCD). Структура фоточувствительной ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением приведена на рис. 2.3.
Архитектура ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением. Сплошными стрелками условно показано перемещение сигнального заряда.
ПЗС-матрицы с внутренним электронным умножением используют в своей основе структуру традиционных ПЗС-устройств. С целью получить максимальную эффективность использования фоточувствительной поверхности эти устройства имеют архитектуру кадрового (frame transfer) переноса.
Вследствие требований к сигналам управления и, в частности, к сигналу высоковольтной фазы регистра умножения, разработка ТВ-устройств на базе EMCCD матриц является нестандартной, весьма сложной задачей. Основной проблемой является создание сигналов с необходимыми параметрами и качеством. Так, для обеспечения кадровой частоты, соответствующей ТВ-режимам работы, необходимо создать переменный сигнал с амплитудой до 50 В и частотой до 10 МГц. При этом уровни напряжения высокого и низкого состояния сигнала должны иметь возможность регулировки и иметь высокую стабильность. Следует отметить, что электрический вывод фазы управления умножением, вследствие конструкции ПЗС устройства, обладает высокой ёмкостью, поэтому для обеспечения необходимых скоростей переключения требуются высокие значения тока.
Подробно процесс разработки блока, формирующего необходимый сигнал, представлен в главе, посвященной разработке высокочувствительного ТВ-устройства.
Анализ характеристик приёмников изображений. Преимущества ПЗС матриц с внутренним электронным умножением (EMCCD)
Квантовая эффективность ПЗС устройств зависит от многих конструктивных и технологических факторов. Типичные величины квантовой эффективности, с учётом эффективности использования фоточувствительной поверхности и потерь на прохождение излучения через электроды, для большинства производимых ПЗС матриц составляет 40-70%. Наибольшее значение квантовой эффективности демонстрируют ПЗС матрицы с обратным освещением - до 93%. По данному параметру современные ПЗС матрицы с обратным освещением вплотную приближаются к теоретическому пределу [25].
Важной особенностью EMCCD-матриц является использование так называемого обратного освещения в сочетании с оптимизацией толщины поглощающего слоя и просветляющих покрытий. Технология обратной засветки позволяет: во-первых - устранить потери, обусловленные прохождением излучения через электроды при прямой засветке ПЗС структуры, а во-вторых -приблизить квантовую эффективность матриц к теоретическому пределу в выбранном спектральном поддиапазоне. На рис. 2.4 дано схематическое сравнение конструкции ПЗС приёмников с прямым освещением (традиционная схема) и обратной засветкой. Возможность регистрации единичных фотоэлектронов делает целесообразным повышение квантового выхода приёмника за счёт технологии, так называемой обратной засветки и просветляющих покрытий [26].
Разработка преобразователя сигнала управления внутренним электронным умножением
В ПЗС-матрицах реализуется принцип переноса зарядовых пакетов в полупроводниковом материале с помощью электрического поля МДП-конденсаторов. Принцип работы заключается в том, что элементы в ПЗС матрице расположены на полупроводниковой подложке столь близко друг от друга, что между потенциальными ямами, образованные под соседними электродами, возможна зарядовая связь. Информационный заряд вводится в ПЗС посредством облучения полупроводника световым потоком. При этом концентрация генерированных электронов пропорциональна интенсивности засветки.
Классическая схема переноса заряда подразумевает наличие трех управляющих фаз. На три электрода подаются импульсы смещения в соответствии с временной диаграммой. Все первые электроды в элементарных ячейках объединены одной сигнальной шиной, все вторые - другой и т. п., то есть для управления потенциальными ямами используются последовательности из трех импульсов (трех фаз) независимо от числа элементарных ячеек. Также существуют двух- и четырёхфазные схемы переноса заряда.
В случае двухфазной схемы направленный перенос внутри каждой ячейки осуществляется полем, созданным переменным легированием подложки МДП-конденсатора. Также существует псевдодвухфазная система, в которой элементарную ячейку составляют два МДП-конденсатора с различным легированием, при этом оба конденсатора управляются одинаковым напряжением.
В матрице CCD97 присутствуют трёхфазная схема управления - регистры считывания и умножения - и псевдодвухфазная схема - области экспонирования и хранения кадра. Схемы тактирования соответствующих управляющих фаз приведены на рис. 3.2 и 3.3.
Тактирование регистра считывания необходимо согласовать с работой выходного преобразователя заряд-напряжение, управляемого импульсами сброса ёмкости преобразователя. Схема управления и диаграмма соответствующего выходного сигнала с матрицы приведена на рис. 3.4. Данная схема применима как для преобразователя с высоким динамическим диапазоном (LS), так и для преобразователя с малым уровнем шумов (HR).
Полный цикл работы матрицы CCD97 - экспонирование и считывание кадра представлен на рис. 3.5 и 3.6. управляющие сигналы фазы 1 управляющие сигналы фазы 2
Управление ПЗС-матрицей включает в себя создание необходимых последовательностей управляющих сигналов, управление оцифровкой сигнала, приём оцифрованного выходного сигнала изображения, преобразование и вывод на внешнее устройство отображения в необходимом формате.
В качестве устройств управления современная электронная элементная база предлагает: микроконтроллеры, программируемые логические интегральные схемы и специализированные микросхемы управления ПЗС матрицей. В данной работе сделан выбор в пользу программируемых логических интегральных схем.
Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС - Programmable Logic Devices - PLD) представляют собой новую элементную базу, обладающую гибкостью заказных БИС и доступностью традиционной "жесткой" логики. Главным отличительным свойством ПЛИС является возможность их настройки на выполнение заданных функций самим пользователем. Современные ПЛИС характеризуются относительно низкой стоимостью, высоким быстродействием, значительными функциональными возможностями, низкой потребляемой мощностью.
Доказательством перспективности новой элементной базы служит ежегодное появление новых, имеющих более совершенную архитектуру, поколений ПЛИС, а также постоянно растущий объем выпуска ПЛМ ведущими зарубежными производителями микросхем: Altem, Xilinx, Atmel, Actel, Texas Instruments и др.
Процесс проектирования цифрового устройства на основе ПЛИС заключается в описании его функционирования на входном языке используемого программного средства, выполнении автоматизированного синтеза, проведении моделирования и настройке выбранной ПЛИС с помощью программатора. Для того чтобы изменить алгоритм работы устройства, достаточно перепрограммировать ПЛИС, причем отдельные серии допускают программирование (перепрограммирование) уже после их установки на плату.
Макет ТВ-камеры на базе ПЗС с внутренним электронным умножением имеет структуру, представленную нарис. 3.7.
Устройство макета можно разбить на электронные узлы, функции которых сводятся к следующему: матрица CCD97 - ПЗС матрица с внутренним электронным умножением, преобразующая оптическое изображение в электронное; формирователь сигналов - блок, преобразующий логические уровни напряжений управляющих сигналов в уровни напряжения для подачи на выводы матрицы; система управления, состоящая из ПЛИС, АЦП и необходимой электронной обвязки; - интерфейсы: устройство программирования ПЛИС и устройство вывода сигнала изображения на внешнее устройство; блок питания - преобразует напряжения питания макета, заданные внешним источником, в уровни напряжения, необходимые для питания отдельных микросхем и для управления матрицей CCD97.
На данном этапе разработки необходимо определить типы основных электронных компонентов, используемых в макете.
Ядром устройства управления является ПЛИС EP3C25Q240CSN семейства Cyclone III фирмы Altera. Эта микросхема имеет архитектуру программируемой вентильной матрицы (Field Programmable Gate Arrays - FPGA). Данные ПЛИС изготавливаются по 90-нм технологическому процессу с напряжением питания ядра 1.2 В [32].
Микросхема ПЛИС создаёт все необходимые последовательности импульсов сигналов управляющих ПЗС матрицей и устройством предварительной обработки сигнала. персональный компьютер
Структурная схема высокочувствительной ТВ-камеры на базе матрицы типа CCD91 . Задачи предварительной обработки сигнала матрицы выполняет специализированная микросхема аналоговой обработки сигнала ( в англ. литературе - Analog Front End, AFE ) типа AD9945KCPZ, функциональная схема которой приведена на рис. 3.8. Микросхема включает в себя: схему восстановления постоянной составляющей видеосигнала, реализацию алгоритма двойной коррелированной выборки с целью подавления шума сброса и низкочастотного шума, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, схему фиксации и цифровой регулировки уровня черного и 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Согласно технической документации, микросхема обеспечивает величину выходного суммарного шума на уровне 0.9 LSB rms (менее единицы младшего значащего разряда). Цифровое программирование внутренних управляющих регистров осуществляется посредством последовательного интерфейса SPI. Контроллер интерфейса эмулируется в ПЛИС, и при включении устройства все необходимы данные записываются в соответствующие разделы памяти АЦП [33].
Блок формирователя сигналов выполняет задачу преобразования стандартных логических уровней напряжения 3-5 В в уровни напряжения от -5 до +45 В.
В качестве преобразователей используются микросхемы драйверов сигналов EL7 457 CSZ компании Intersil [34]. Микросхемы позволяют преобразовать стандартные логические ТТЛ и КМОП уровни в повышенные, вплоть +15В, что будет соответствовать логической «1» и снижения уровня логического «0» вплоть до -5В.
Методика формирования сверхмалых фотонных потоков для формирования малофотонных изображений
Для принципа конструирования стандарта PC-104 характерно, что платы объединены общей сигнальной шиной, т. е. каждый отдельный сигнал одновременно присутствует на каждом разъёме стандарта и проходит через все платы объединённые шиной. В силу этой особенности с точки зрения работы макетного образца порядок компоновки плат не имеет значения.
Однако очевидно, что верхней платой должна быть плата с ПЗС матрицей, в силу необходимости оптического контакта входной оптики и фотоприёмного устройства. Также на этой плате необходимо обеспечить доступ к подстроечным резисторам, для отладки макетного образца в сборе.
Нижней платой должна быть плата блока питания, на которой отсутствуют переменные сигналы и соответственно отсутствует разъём на 64 вывода и имеются подстроечные резисторы для регулировки постоянных уровней напряжения.
Порядок промежуточных плат не имеет принципиального значения, но с целью соблюдения электромагнитной совместимости предлагается следующий порядок размещения плат (сверху вниз): Внешний вид макетного образца ТВ-камеры приведены на рис. 3.31-3.33. На рисунках отмечены разъёмы для подключения внешних устройств и колодки для установки EMCCD матрицы типа CCD97 и другие устройства управления и настройки макетного образца. колодки для установки
Макет ТВ-камеры, вид 3. В процессе разработки выбран специализированный объектив высокого разрешения фирмы «Edmund Optics», предназначенный для систем машинного зрения. Характеристики объектива приведены ниже: - фокусное расстояние 50 мм; - максимальное относительное отверстие 1/1.8; - диапазон фокусировки 200-оо мм; - крепление тип С; - размеры 50x72.6 мм.
Данный объектив является высокотехнологичным устройством, имеет высококачественную просветлённую оптику. Внешний вид ТВ-камеры с установленной EMCCD матрицей и объективом приведён на рис. 3.34.
Внешний вид ТВ камеры с объективом 3.9. Структура охлаждаемого фотоприёмного устройства
Фирма - производитель ПЗС матриц типа CCD97 предлагает вариант компоновки матрицы с встроенными измерителем температуры и термоэлектрическим охладителем (ТЕС - Thermo-electric cooler англ.), работающим на эффекте Пельтье.
Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, заключающееся в том, что при пропускании электрического тока / через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на контакте, помимо выделения тепла согласно закону Джоуля-Ленца, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье Q1 (при одном направлении тока) и его поглощение QX (при обратном направлении). Базовая структура ячейки термоэлектрического модуля приведена на рис. 3.35. тепловой поток Q\
Устройство ячейки Пельтье-элемента. Термоэлектрические элементы или элементы Пельтье являются наиболее распространёнными устройствами для охлаждения микроэлектронных устройств, так как позволяют охлаждать на 60 С относительно температуры окружающей среды. При этом модули Пельтье не имеют движущихся частей, управляются током, имеют длительные сроки службы.
К недостаткам Пельтье-модулей относятся: значительное собственное тепловыделение и невысокий поток отводимой тепловой энергии относительно собственного тепловыделения. Недостатки модулей требуют качественного исполнения внешней теплоотводящей системы. Однако для микроэлектронных устройств в силу малого тепловыделения эти недостатки не имеют существенного значения.
Схема конструкции матрицы типа CCD97 с термоэлектрическим охладителем и измерителем температуры представлена на рис.3.36.
Структура охлаждаемого приёмника. Основные параметры встроенного Пельтье модуля типа СР1.4-11-06L фирмы Melcor приведены в таб. 3.6 и на рис 3.37. Таб. 3.6 Параметры Пельтье модуля. горячая сторона Рис. 3.37 Характеристики Пельтье элемента, встраиваемого в CCD97. Точками обозначены измеренные значения, сплошными линиями - рассчитанные теоретически. Приведённые производителем зависимости верны для теплоотвода с тепловым сопротивлением 1.68 Вт/К, температурой окружающей среды 23 С, тепловой нагрузкой 0.25 Вт.
Для измерения температуры EMCCD матрицы в вакуумированный корпус встроен терморезистор со спадающей характеристикой температура-сопротивление, изображённой на рис. 3.38. Использование такого терморезистора обусловлено требованием снизить собственное. Использование результатов разработки. Макет многоканальной ТВ-системы
Результаты разработки макета высокочувствительного ТВ-устройства использованы как основа для разработок, проведённых в ходе хоздоговорной НИР шифр «Обзор-МЭИ».
Одним из перспективных направлений применения ТВ-устройств является создание многоканальных ТВ-систем, позволяющих получать большое количество информации в реальном масштабе времени, при этом каждый телевизионный канал такой системы может быть построен на базе типовых серийных ТВ-устройств. В частности, одной из актуальных областей применения многоканальных модульных ТВ-систем является создание комплексов с повышенными углами обзора вплоть до 360 град, т.е. панорамных оптико-электронных комплексов.
В рамках НИР разработана высокочувствительная многоканальная оптико-электронная система с повышенным пространственным разрешением и полем зрения, включающая в себя три телевизионных канала на базе модулей, использующих ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением типа CCD201, данный тип матрицы по большинству параметров соответствует матрице типа CCD97, но имеет больший массив элементов: 1024x1024 пикселей. Ограничения на массогабаритные параметры системы и внешняя система управления на базе ПЛИС нового поколения потребовали дополнительной переработки элементов конструкции и электрических схем ТВ-модулей