Характеристики чувствительности телевизионных камер на матричных приборах с зарядовой связью Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.397.42

О. С. Вахромеева, А. А. Манцветов, К. А. Шиманская

Санкт Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Характеристики чувствительности телевизионных камер на матричных приборах с зарядовой связью

Рассмотрены различные определения чувствительности твердотельных фотоэлектрических преобразователей. Получены выражения для интегральной и пороговой чувствительности матричных фотоэлектрических преобразователей на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Произведены расчеты чувствительности для ряда матричных ПЗС, подтвердившие адекватность полученных выражений, показано влияние времени накопления и охлаждения на пороговую чувствительность.

Матричные приборы с зарядовой связью, телевизионные камеры, интегральная чувствительность, пороговая чувствительность, темновой ток

Современные телевизионные камеры (ТВК) в подавляющем большинстве используют в качестве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) твердотельные преобразователи на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) или же на основе приборов с координатной адресацией, так называемых однокристальных комплиментарных металл-оксид-полупроводник (КМОП)-камер [1]. Несмотря на значительный прогресс однокристальных ТВК, выполненных по КМОП-технологии, фотоэлектрические характеристики камер на основе матричных ПЗС пока еще существенно превосходят аналогичные характеристики КМОП-камер.

В общем случае матричные ПЗС предназначены для формирования электрического видеосигнала, адекватного двухмерному оптическому изображению, спроецированному на его светочувствительную поверхность. Качество изображения, формируемого ТВК, определяется фотоэлектрическими характеристиками матричных ПЗС, в частности их чувствительностью. Таким образом, для оценки чувствительности ТВК необходимо знать чувствительность твердотельного ФЭП.

Несмотря на различие подходов, большинство авторов выделяют именно чувствительность как одну из основных характеристик ТВК. Чувствительность обычно указывают как значение освещенности на объекте в люксах, обеспечивающее заданные параметры качества выходного видеосигнала. При этом должна быть указана цветовая температура источника света - температура нити накаливания в градусах Кельвина. Например, наиболее типичные источники света типа "А" имеют цветовую температуру Тц = 2854 K, а галогенная лампа -

Тц = 3200 K . Однако характеристика спектральной чувствительности матричного ПЗС существенно отличается от кривой видности зрительного анализатора. Спектральная характеристика ПЗС простирается в инфракрасную область спектра вплоть до длины волны 1. 1 мкм. В результате ТВК преобразует в видеосигнал световой поток с длинами волн не только в видимой области, но и в инфракрасной. Это позволяет обеспечить наблюдение при наличия излучения в ближней инфракрасной зоне, когда глаз человека уже ничего не видит. © О. С. Вахромеева, А. А. Манцветов, К. А. Шиманская, 2004 25

Используя этот факт, недобросовестные рекламодатели указывают значение пороговой чувствительности, близкое или равное нулю люкс. При переходе от освещения лампой накаливания к естественному освещению заявленное значение пороговой чувствительности в люксах увеличивается, т. е. чувствительность ухудшается в несколько раз за счет отсутствия инфракрасного излучения. Чтобы этого не происходило, измерения чувствительности следует проводить при установке перед объективом светофильтра, отсекающего инфракрасную область спектра [2].

При измерении чувствительности необходимо также указывать, какое отношение сигнал/шум принимается за заданный параметр качества выходного видеосигнала. Например, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая способность камеры, то есть отношение сигнал/шум должно было составлять примерно 34...36 дБ. В настоящее время минимальная освещенность трактуется как освещенность, при которой можно различить только крупные детали изображения, что соответствует отношению сигнал/шум 20.24 дБ. В космической и военной технике под пороговой чувствительностью часто понимается освещенность, при которой амплитуда полезного сигнала равна размаху шумовой дорожки, т. е. отношение сигнал/шум составляет 6 (15.5 дБ). В связи с этим значения чувствительности также могут отличаться в 5.10 раз [3]. Помимо этого не строго определено само понятие отношения сигнал/шум. Так, обычно под отношением сигнал/шум понимают отношение сигнала в белом к шуму на черном. Однако в ПЗС шумы не являются аддитивными, и к собственным шумам на белом добавляется фотонный шум, т. е. отношение сигнал/шум, измеренное как отношение сигнала в белом к шуму на белом, окажется существенно ниже.

Иногда для уточнения понятия минимальной освещенности используют так называемую "шкалу IRE". В этой шкале максимальный полезный видеосигнал 0.7 В принимается за 100 единиц IRE. Полный видеосигнал с амплитудой 1 В содержит синхросигнал размахом 0.3 В и сигнал изображения размахом 0.7 В. Различные производители указывают чувствительность ТВК для разных значений по шкале IRE от 20 до 50. При таком снижении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого.

Чувствительность ТВК также зависит от крутизны ее светосигнальной характеристики, представляющей собой зависимость видеосигнала от освещенности сцены: чем больше крутизна, тем больше чувствительность при выбранном пороге. В связи с неоднозначностью выбора порогового уровня производители в качестве параметра, характеризующего чувствительность, часто используют другие показатели. Для вещательного стандарта разложения таким параметром может быть напряжение видеосигнала при заданном уровне освещенности, типе источника света, светосиле объектива и уровне шума. Другим параметром является выходное напряжение, нормированное к величине экспозиции. Размерность этой характеристики (В/ лк • с) отражает действие закона взаимозаместимости освещенности и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных в элементах ПЗС [4].

Как было сказано ранее, на значение чувствительности влияет также время накопления. Обычно в документации чувствительность указывается для его максимального значения. Од-

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 4======================================

нако во многих ТВК время накопления отличается от времени поля (20 мс) как в сторону уменьшения до десятков микросекунд, так и в сторону увеличения до десятков и сотен секунд.

Чувствительность обычно указывают для максимальной четкости. Вместе с тем заявленная четкость проверяется при большой освещенности и большом отношении сигнал/шум. При уменьшении освещенности всегда имеет место снижение четкости. Поэтому при оценке чувствительности следует учитывать и этот фактор [2].

В известных работах [2], [3] чувствительность рассматривается в основном качественно, отсутствуют строгие определения и выводы соответствующих выражений, нет примеров расчета для конкретных матричных ПЗС и ТВК на их основе.

В связи с изложенными несоответствиями и неоднозначностями задача анализа характеристик чувствительности становится весьма актуальной.

Определим понятия интегральной, спектральной, пороговой и контрастной чувстви-тельностей ФЭП [5].

Интегральной чувствительностью ФЭП будем называть отношение размаха выходного видеосигнала к освещенности на светочувствительной поверхности или на объекте при заданных условиях - времени накопления, цветовой температуре источника освещения и т. п.

Спектральная характеристика чувствительности ФЭП определяется как зависимость выходного сигнала от длины волны излучения X. Теоретически она характеризует зависимость чувствительности ФЭП или ТВК от этой длины волны.

Для оценки способности приемника излучения обнаруживать предельно малые освещенности вводится величина, называемая порогом чувствительности или пороговой чувствительностью. Пороговая чувствительность - это минимальный световой поток, создающий на выходе ФЭП заданное отношение сигнал/шум.

Контрастная чувствительность ФЭП - это минимальный контраст, формирующий на выходе перепад видеосигнала с заданным отношением сигнал/шум.

Получим выражения для расчета интегральной, пороговой и спектральной чувстви-тельностей.

Допустим, что на светочувствительный элемент спроецировано оптическое изображение, которое описывается в общем случае спектральной плотностью энергетической освещенности Ф (х, у, I, X), где ^ - время; х, у - пространственные координаты.

Для простоты вычислений будем считать, что плотность освещенности равномерна по пространству и не изменяется во времени: Ф(х,у,X) = Ф(X) . Способность светочувствительного элемента преобразовывать световой поток в накопленный заряд характеризуется квантовым выходом, т. е. отношением числа электронов к числу фотонов, упавших на светочувствительный элемент. Квантовый выход тоже будем считать равномерным в пределах светочувствительной ячейки © (х, у, X) = © (X) и равным нулю за ее пределами, что соответствует

прямоугольной форме действующей апертуры. Также будем считать, что коэффициент сбора входит в квантовый выход. В общем случае выражение для определения количества накопленных электронов за время Т в светочувствительном элементе размером ДхДу примет вид [5]

1 ^шах Т Ах Ау

пе (х, у, X) = — III I X® (х, У, ^ X) Ф (х, У, ^ X) йхйхШй X, (1)

Но

^ 0 0 0

"Ш1П

где Й = 6.63 -10-34 Дж • град. - постоянная Планка; с = 3 -108 м/с - скорость света в вакууме; 1ш1п... 1шах - диапазон спектральной чувствительности ФЭП.

Проинтегрировав (1) по координатам х, у и времени ^ с учетом изложенных выше допущений, получим

шах

пе = — АТ | ХФ(1)© (1)йХ,

ш1п

где А = АхАу - площадь светочувствительного элемента.

Будем считать, что световой поток является монохроматичным с длиной волны ^, т. е. объект освещается источником света, спектральная плотность энергетической светимости которого описывается 8 -функцией Ф (X) = Ф05 (Х-Х0). Тогда общее число накопленных электронов будет равно

Л

шах

пе = — АТ | ХФ0©(1)5 (Х-Х0)йХ,

ш1п

а заряд накопленных электронов составит

б = ЧПе = © ( ^0 ) АТФ0, (2)

по

где q = 1.6 -10-19 Кл - заряд одного электрона.

Выражение (qXo/ Но) © (Х0) = £ (Х0) принято трактовать как спектральную чувствительность ФЭП на длине волны ^ . С учетом этого можно записать выражение (2) в известном виде

б = £ (Х0 ) АТФ0.

Преобразование зарядового пакета в напряжение происходит на емкости выходного устройства С. Видеосигнал, переданный на выход через истоковый повторитель с коэффициентом передачи К, составит и = К (б/С), т. е. выходной видеосигнал ФЭП будет равен

и = КС _1£ (Х0 ) АТ Ф0, (3)

а интегральная чувствительность - 8и = и/Ф0 = КС-1£(Х0) АТ.

Таким образом (3) устанавливает связь выходного видеосигнала матричного ПЗС с входным монохроматическим световым потоком, т. е. описывает интегральную чувствительность ПЗС.

При немонохроматическом световом потоке со спектральной плотностью энергетической освещенности Ф (X) и заданной спектральной чувствительностью ПЗС £ (X) выражение, описывающее выходной видеосигнал, принимает вид

Л

Лшах

и = АТ | £ (1) Ф (1)йХ . (4)

^шт

Воспользуемся полученными результатами, чтобы определить интегральную чувствительность для случая, когда освещенность выражена в люксах.

Освещенность на светочувствительной поверхности матричного ПЗС определяется как

Епзс = к | Ф (X) V (X)йХ, (5)

—да

где к = 638 лм/Вт; V(X) - кривая видности зрительного анализатора. Нормирование спектральной плотности энергетической светимости источника излучения позволяет получить относительное спектральное распределение данной величины

ф' (1)=Ф (1V ф (V),

где - длина волны света, на которой спектральная плотность энергетической светимости достигает своего максимального значения. Тогда выражение (5) преобразуется к виду

Епзс = кФ (V) \ Ф' (X) V (X) йХ.

-оо

Отсюда

Ф (V ) = Ешс к | Ф' (X) V (X) йХ . (6)

С другой стороны, в соответствии с (4)

—оо

шах

и = КАТС-1Ф(Хш) | Ф'(1)£(1)йХ . (7)

^шт

Подставив (6) в (7), получим

и = Епзс КАТС -

^шах / ^шах

| ф' (х)£ (х)ах к | Ф' (х)V (х)ах

^шт / ^тт

(8)

Заметим, что при этом бесконечные пределы интегрирования были заменены на диапазон спектральной чувствительности ПЗС. Это объясняется тем, что диапазон спектральной чувствительности матричного ПЗС шире диапазона спектральной чувствительности зрительного анализатора и интегрирование нулевой функции не дает вклада в значение интеграла.

Найдем выходной сигнал матричного ПЗС при заданной освещенности на объекте. Освещенность на объекте при яркости источника Ь

Еоб = пЬ/ Р, (9)

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 4

где р - коэффициент отражения. Освещенности на объекте и на ПЗС связаны соотношением

En3C - Eo6

(е2 тр)/ 4 (1 + m )2 ], (10)

где 9 - относительное отверстие объектива; т - коэффициент пропускания объектива; р - коэффициент отражения объекта; m - масштаб изображения, определяемый отношением размера изображения, спроецированного на ПЗС, к размеру объекта.

Таким образом, с учетом зависимости освещенности за объективом при заданной освещенности на объекте и в соответствии с формулами (8)-(10) выходной видеосигнал матричного ПЗС

Л

Лтах

J Ф' (1) 10 (1) 0 (kmax) dk U = Eo6 ^2 KATC-1 (q/hc)^^-.

4 (1 + m ) x

v ' k J Ф' (k) V (k) dk

^min

Выражение для интегральной чувствительности ПЗС при заданной освещенности на матричном ПЗС определится как Su = U/E^^q .

С использованием полученных выражений был проведен расчет чувствительности по методике, используемой фирмой SONY, а также расчет интегральной чувствительности. Расчет по методике фирмы SONY проводился для сравнения расчетных результатов со значениями, приводимыми фирмой-изготовителем. Интегральная чувствительность рассчитывалась при цветовой температуре источника 7Ц = 3200 K и времени накопления

T = 20 мс . Для матричных ПЗС с чересстрочным разложением расчет проводился для режима накопления поля. Результаты расчетов сведены в табл. 1.

Полученные расчетным путем значения для матричных ПЗС фирмы SONY практически совпали со справочными данными, приведенными на указанные типы ПЗС. Из этого можно сделать вывод, что методика расчетов верна, и она позволяет количественно сравнивать полученные значения интегральной чувствительности для различных преобразователей.

Произведем теперь расчет пороговой чувствительности на матричном ПЗС, выраженной в люксах, с учетом известных шумов ПЗС и значений интегральной чувствительности.

Таблица 1

Тип матричного ПЗС Чувствительность

По данным фирмы-изготовителя, мВ Расчетные значения

По методике фирмы SONY, мВ По формулам статьи, мВ/лк

ICX429AL 5500 5500 690

ICX429AL c ИК-фильтром 1120 1074 135

ICX423AL - 5600 700

ICX423AL c ИК-фильтром 1000 1800 225

ICX259AL 3200 2700 340

ICX259AL c ИК-фильтром 720 655 82

ICX415AL - 1830 230

ICX415AL с ИК-фильтром 650 530 70

Согласно указанному ранее и = ЕБи. С учетом этого выражение для отношения сигнал/шум можно записать в виде

^ = ис/йШ = ЕБ^К(Пшч/с) = СЕБи/Кп~д.,

где иш - среднеквадратическое напряжение шума на выходе матричного ПЗС; пш -

среднеквадратическое число шумовых электронов. Отсюда пороговая чувствительность

Е = (кПщ^ УС$>и . (11)

Среднеквадратическое значение шумов на выходе ПЗС может быть найдено как

Пш =

пф 2

+ п-2 + П

-2 —2 —2 + Пп + пд

+п

2

в. т

где Пф - фотонные шумы; пн н - шумы непустого нуля; пт т - шумы темнового тока; пп - шумы переноса; пд - шум установки потенциала узла детектирования заряда; пв т - шум выходного гальванометрического транзистора.

Определим собственные шумы на черном. Фотонные шумы при этом отсутствуют. В ПЗС с объемными каналами переноса непустой ноль не вводится и соответствующая составляющая шумов отсутствует. Уровень темнового тока современных ПЗС также весьма мал и при применении охлаждения может составлять единицы электронов на потенциальную яму за секунды. Шумы переноса в объемном канале также составляют единицы электронов. Шум установки потенциала узла детектирования заряда устраняется схемой двойной коррелированной выборки. Таким образом, уровень шумов современных ПЗС, работающих на частотах считывания 5.10 МГц, составляет менее десятка электронов. Таблица 2

Примем, что шумы ПЗС составляют

6 электронов, т. е. пш = 6, а отношение

сигнал/шум зададим равным ¥ = 10, что соответствует удовлетворительному качеству изображения. При этом под Т будем понимать отношение сигнала в белом к шуму на черном. Значения пороговой чувствительности на матричном ПЗС, а также значения освещенности на объекте при относительном отверстии объектива 9 = 1:1.4, приведены в табл. 2.

В малокадровых системах при очень большом времени накопления основополагающими являются шумы темнового тока, определяемые выражением

: 4пт. т = VЧ /т. тТА , (12)

Тип матричного ПЗС Е, лк Еоб, лк

1СХ259ЛЬ 0.002 0.02

1СХ259ЛЬ 0.01 0.1

с ИК-фильтром

1СХ429ЛЬ 0.001 0.01

1СХ429ЛЬ 0.006 0.06

с ИК-фильтром

1СХ423ЛЬ 0.001 0.01

1СХ423ЛЬ с ИК-фильтром 0.0035 0.035

1СХ415ЛЬ 0.0035 0.035

1СХ415ЛЬ 0.011 0.1

с ИК-фильтром

п

т. т

где /т т - плотность темнового тока, которую можно записать в следующем виде [6]

т=чпк+^+«зА, (13)

т' т 2т 2 ЬХЫ&

где первое слагаемое - ток, обусловленный объемной генерацией в обедненном слое; второе -ток поверхностной генерации; третье слагаемое - диффузионный ток генерации неосновных носителей в электронейтральной части подложки, поступающий через область обеднения в инверсионный слой; пс - собственная концентрация носителей; Ж - глубина обедненного слоя; т - время жизни неосновных носителей; £0 - скорость поверхностной рекомбинации; Бд - коэффициент диффузии; Ьд - диффузионная длина; - концентрация акцепторной примеси. Выражение для собственной концентрации носителей пс получим из [6]

«с е ,

где Nn - эффективная плотность состояний в зоне проводимости; NB - эффективная

плотность состояний в валентной зоне; Ез - ширина запрещенной зоны; £0 - постоянная

Больцмана; T = 293 K - абсолютная температура.

Рассчитаем теперь плотность темнового тока и количество темновых электронов при

комнатной температуре согласно (12), (13) и пороговую чувствительность согласно (11).

При этом примем глубину обедненного слоя W = 1 мкм, собственную концентрацию

10 —3 — 3

носителей пс = 0.8 -10 см , время жизни неосновных носителей т = 2 -10 с, скорость

поверхностной рекомбинации ¿0 = 0.1 см/с [7]. Отметим, что при проведении расчетов учитывалось, что у светочувствительных элементов матричных ПЗС фирмы SONY при накоплении отсутствует поверхностный темновой ток и темновой ток подложки.

В табл. 3 приведены расчетные значения пороговой чувствительности при различных временах накопления в режиме накопления кадра. При времени накопления более 100 с рассчитывать пороговую чувствительность для указанных матричных ПЗС нецелесообразно, так как в этом случае темновой ток становится превалирующим и превышает в несколько раз полезный сигнал.

Таблица 3

-- Е3/ 2k0T

Тип матричного ПЗС T, с

0.04 1.0 10 100

Е, лк

ICX259AL 2.35-10-3 1.10-10-4 3.49 10-5 1.10 10-5

ICX259AL с ИК-фильтром 9.76 -10-3 4.63 -10-4 1.46 10-4 4.6110-5

ICX429AL 1.16 10-3 6.75 -10-5 2.13-10-5 6.72 -10-6

ICX429AL с ИК-фильтром 5.97 -10-3 3.45 -10-4 1.09-10-4 3.44 10-5

ICX423AL 1.14 10-3 9.17-10-5 2.89 -10-5 9.14 10-6

ICX423AL с ИК-фильтром 3.56 -10-3 2.88 -10-4 9.05 -10-5 2.87 -10-5

ICX415AL 3.48 10-3 9.74 -10-5 3.07-10-5 9.70 -10-6

ICX415AL с ИК-фильтром 11.0 10-3 3.39-10-4 1.07 -10-4 3.38-10-5

При применении охлаждения матричных ПЗС можно добиться уменьшения шумов темнового тока. Как всякий термодинамический процесс, темновой ток зависит от температуры, уменьшаясь в два раза при понижении температуры на 6...8°С . Для глубокого охлаждения используются азотные криостаты, где матричные ПЗС охлаждаются до -180°С. Для более простых систем применяется термоэлектронное охлаждение с использованием батарей на эффекте Пельтье, которые способны обеспечить перепад температур в 70°С.

В табл. 4 приведены расчетные значения пороговой чувствительности при различных временах накопления при применении охлаждения до -50°С .

На рисунке приведены результаты расчета пороговой чувствительности для матричных ПЗС 1СХ259ЛЬ (кривая 1), 1СХ429ЛЬ (кривая 2), 1СХ415ЛЬ (кривая 3) при комнатной температуре и 1СХ259ЛЬ (кривая 4), 1СХ429ЛЬ (кривая 5), 1СХ415ЛЬ (кривая 6) при охлаждении до -50°С в зависимости от времени накопления.

Рассмотрим теперь пороговую чувствительность с учетом фотонных шумов, т. е. определим отношение сигнал/шум как отношение сигнала в белом к шумам на белом. Для этого в выражении для пш необходимо учесть значение дисперсии фотонных шумов

—2 —2 Пф , численно равное значению сигнала Пф = пс .

В табл. 5 и табл. 6 приведены значения пороговой чувствительности с учетом фотонных шумов без охлаждения и с охлаждением соответственно.

Во многих случаях, особенно при обнаружении оптического сигнала, целесообразно определять отношение сигнал/шум как отношение сигнала в белом к шуму, дисперсия которого равна полусумме дисперсий шума в черном и белом. Результаты расчета пороговой чувствительности для данного случая без охлаждения и с охлаждением приведены в табл. 7 и 8 соответственно.

Таблица 4

Тип матричного ПЗС Т, с

0.04 1.0 10 100 1000

Е, лк

1СХ259ЛЬ 4.7110-3 9.35-10-5 9.4110-6 9.97-10-7 1.44 -10-7

1СХ259ЛЬ с ИК-фильтром 9.76 -10-3 3.92-10-4 3.94 -10-5 4.18 10-6 6.05 -10-7

1СХ429ЛЬ 1.16 -10-3 4.66 -10-5 4.70 -10-6 5.12-10-7 8.20 -10-8

1СХ429ЛЬ с ИК-фильтром 5.97 -10-3 2.38-10-4 2.4110-5 2.62 -10-6 4.20 -10-7

1СХ423ЛЬ 1.14 -10-3 4.48 -10-5 4.58-10-6 5.32-10-7 1.02-10-7

1СХ423ЛЬ с ИК-фильтром 3.56-10-3 1.4110-4 1.43 10-5 1.67 -10-6 3.19-10-7

1СХ415ЛЬ 3.48 -10-3 6.96 -10-5 7.03 -10-6 7.6110-7 1.19-10-7

!СХ415ЛЬ с ИК-фильтром 11.0 -10-3 2.43 -10-4 2.45 -10-5 2.65 -10-6 4.15-10-7

Таблица 5

Тип матричного ПЗС Т, лк

0.02 1.0 10 100

Е, лк

1СХ259ЛЬ 10.0 -10-3 2.4110-4 4.47 -10-5 1.19 -10-5

1СХ259ЛЬ с ИК фильтром 21.0 -10-3 1.0110-3 1.87 -10-4 4.97-10-5

1СХ429ЛЬ 2.5110-3 1.30-10-4 2.60 -10-5 7.14 -10-6

1СХ429ЛЬ с ИК фильтром 13.0-10-3 6.63 -10-4 1.33 -10-4 3.65 -10-5

1СХ423ЛЬ 2.5110-3 1.45 -10-4 3.32-10-5 9.52 -10-6

1СХ423ЛЬ с ИК фильтром 7.82 -10-3 4.56 -10-4 1.04 -10-4 2.99 -10-5

1СХ415ЛЬ 7.48 -10-3 1.90-10-4 3.78-10-5 1.03 -10-5

1СХ415ЛЬ с ИК фильтром 25.0 -10-3 6.63 -10-4 1.32-10-4 3.60-10-5

Таблица 6

Тип матричного ПЗС Т, лк

0.02 1.0 10 100 1000

Е, лк

1СХ259ЛЬ 10.0 -10-3 1.20 -10-4 1.20 -10-5 2.04 -10-6 2.41-10-7

1СХ259ЛЬ с ИК-фильтром 21.0 -10-3 8.36-10-4 8.38 -10-5 8.55-10-6 1.0110-6

1СХ429ЛЬ 2.47 -10-3 9.94 -10-5 9.98 -10-6 1.03-10-6 1.30-10-7

1СХ429ЛЬ с ИК-фильтром 13.0-10-3 5.09 -10-4 5.10-10-5 5.28 -10-6 6.63-10-7

1СХ423ЛЬ 2.44 -10-3 9.56 -10-5 9.62 -10-6 1.02 -10-6 1.45-10-7

1СХ423ЛЬ с ИК-фильтром 7.59 -10-3 3.00 -10-4 3.02-10-5 3.21 -10-6 4.56-10-7

1СХ415ЛЬ 7.43 -10-3 1.49 -10-4 1.49 -10-5 1.53-10-6 1.90-10-7

1СХ415ЛЬ с ИК-фильтром 24.0 -10-3 5.72 -10-4 5.19 -10-5 5.33-10-6 6.63 -10-7

Таблица 7

Тип матричного ПЗС Т, с

0.04 1.0 10 100

Е, лк

1СХ259ЛЬ 7.89 -10-3 1.88 -10-4 4.01-10-5 1.14-10-5

1СХ259ЛЬ с ИК фильтром 17.0 -10-3 7.87 -10-4 1.68-10-4 4.79 -10-5

1СХ429ЛЬ 1.96-10-3 1.09-10-4 2.38-10-5 6.93 -10-6

1СХ429ЛЬ с ИК фильтром 10.0 -10-3 5.57-10-4 1.22 -10-4 3.55 -10-5

1СХ423ЛЬ 1.95 10-3 1.22 -10-4 3.11-10-5 9.33-10-6

1СХ423ЛЬ с ИК фильтром 6.08 -10-3 3.81 -10-4 9.76 -10-5 2.93-10-5

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы: • Выведенные выражения для интегральной чувствительности позволили получить значения, практически совпадающие с паспортными данными на указанные матричные ПЗС.

Таблица 8

Тип матричного ПЗС T, с

0.02 1.0 10 100 1000

E, лк

ICX259AL 7.85 -10-3 1.56-10-4 1.58 -10-5 1.6110-6 1.99-10-7

ICX259AL с ИК-фильтром 17.0 -10-3 6.53-10-4 6.62 -10-5 6.73 -10-6 8.34-10-7

ICX429AL 2.10 -10-3 7.76 -10-5 7.80 -10-6 8.14 -10-7 1.08-10-7

ICX429AL с ИК-фильтром 11.0 -10-3 3.97-10-4 3.99 -10-5 4.17 -10-6 5.55-10-7

ICX423AL 1.9110-3 7.47 -10-5 7.53-10-6 8.15-10-7 1.26 -10-7

ICX423AL с ИК-фильтром 1.9110-3 2.34 -10-4 2.36-10-5 2.55-10-6 3.94 -10-7

ICX415AL 5.80 -10-3 1.16 -10-4 1.18 -10-5 1.20 -10-6 1.48-10-7

ICX415AL с ИК-фильтром 18.0-10-3 4.04 -10-4 4.10 -10-5 4.17 -10-6 5.16-10-7

• Полученные расчетные значения пороговой чувствительности близки к паспортным данным на лучшие ТВК, выполненные на матричных ПЗС, что говорит об адекватности предложенных методик расчета.

• При увеличении времени накопления пороговая чувствительность улучшается, однако не пропорционально времени накопления, что обусловлено влиянием темновых токов. Применение охлаждения позволяет добиться роста пороговой чувствительности, практически пропорционального времени накопления, в пределах до сотен секунд.

• На значение пороговой чувствительности существенное влияние оказывает определение понятия отношения сигнал/шум.

Библиографический список

1. Выбор типа фотоприемника в телевизионной системе измерения пространственно -временных координат объектов / А. А. Манцветов, А. К. Цыцулин, С. Н. Коноплев и др. // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. Радиоэлектроника. 2001. С. 24-27.

2. Никитин В. В., Цыцулин А. К. Телекамеры: гипноз рекламы и реальность // Безопасность, достоверность, информация. 1999. № 6. С. 14-16.

3. Куликов А. Н. Телевизионное наблюдение в сложных условиях // Специальная техника. 2000. № 35. С. 30-33.

4. Никитин В. В., Цыцулин А. К. Телевидение в системах физической защиты: СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001. 134 с.

5. Цифровое преобразование изображений / Р. Е. Быков, Р. Фрайер, К. В. Иванов, А. А. Манцветов. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. 228 с.

6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: М.: Мир, 1984. 455 с.

7. Йесперс П., Ван де Виле Ф., Уайт М. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения: М.: Мир, 1979. 574 с.

O. S. Vahromeeva, A. A. Mantsvetov, K. A. Shimanskaja

Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Sensitivity Characteristics of Charge Coupled Device Cameras

The various definition of sensitivity of solid-state image sensors are considered. The expressions for integrated and threshold of sensitivity area CCD imagers are received. The accounts of sensitivity for is glad CCD imagers, confirmed adequacy of the received expressions are made, the influence of time of accumulation and cooling on threshold sensitivity is shown.

Charge coupled device, TV-cameras, integral sensitivity, low light level sensitivity, dark current

Статья поступила в редакцию 1 сентября 2004 г.