CC BY
7
УДК 535.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-457-461
ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВ ФОТОПРИЕМНИКА ДВУХСЛОЙНОГО ТИПА СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫМ МЕТОДОМ
В.Л. Жбанова
В работе представлено исследование спектральных характеристик матричного фотоприемника двухслойного типа на возможные шумы. Основными характеристиками являлись спектры трехслойного матричного фотоприемника с и без ИК-фильтра. В качестве методики выбран спектрозо-нальный метод. Метод заключается в разбиении спектральной характеристики на рабочие участки спектра и расчёте интегральной площади под кривыми. Сигнал, входящий в диапазон цвета будет являться полезным сигналом, а выходящий за границы - шумом. Распределение границ кривых каждого цвета по спектру (красного, зеленого, синего) производилось двумя способами: первый - диапазон спектра разбивался по признанным диапазонам цветов; второй - диапазон спектра разбивался по распределению кривых основных цветов международной системы XYZ. Во втором способе границы при разбиении «плавающие», так как некоторые длины волн входят в несколько цветовых диапазонов. Исследуемые шаблоны представлены в нескольких вариантах. Технология построения этих систем основана на свойстве кремния при разной глубине залегания потенциальной ямы накапливать заряд различной длины волны. По результатам исследования спектральные характеристики с ИК-фильтром показали результат по шумам лучше, чем без ИК-фильтра. Однако применение ИК-фильтра не позволяет делать модификации с ячейками, включающими слои чувствительными к инфракрасному излучению. Поэтому наиболее выгодным шаблоном матричного фотоприемника двухслойного типа будет являться матрица, где ИК-слой расположен в отдельной ячейке от слоев видимого спектра. Такой подход позволит нанести ИК-фильтр только на ячейки со слоями видимых цветов, что уменьшит их возможные шумы.
Ключевые слова: фотоприемник, спектр, шум, цвет, RGB.
Матричные фотоприемники это наиболее быстро развивающаяся область микроэлектроники, необходимая в оптико-электронном приборостроении. Эти устройства осуществляют преобразование фотоэлектрической энергии в цифровые сигналы, которые после обрабатываются и используются для формирования изображения. Существует большое количество видов этих устройств. Наиболее важными параметрами является количество и размер пикселей, динамической диапазон ячейки и шумы [1, 2]. Шумы в матричных фотоприемниках являются одной из ключевых проблем, которые мешают повышению качества изображения в современных фотокамерах.
На стадии производства матричных фотоприемников важно прогнозировать шумовую составляющую полезного сигнала [3, 4]. Поэтому был предложен спектрозональный метод как для контроля цветопередачи источников излучения [5, с. 340]. Только параметры каждой зоны выбирались для красного, зеленого и синего цветов двумя способами: по принятому диапазону спектра каждого цвета и аналогично распределению кривых каждого цвета по спектру в международной системе XYZ.
В работе исследование шумов необходимо, чтобы понимать каким образом следует компоновать цветовые фильтры (систему цветоделения) для минимизации шумов в ячейках сенсора. Были предложены шаблоны двухслойных матричных фотоприемников на основе кремния (рис. 1). Необходимо определить: какой из предложенных вариантов будет с минимальными шумами.
Целью работы является анализ на наличие шумов в спектральной характеристике матричного фотоприемника с двухслойной структурой.
Определение шума будет производиться по спектрозональному методу. Так как рабочий диапазон матричных фотоприемников от 400 нм, то расчеты будут производиться от этого значения. Распределение границ кривых каждого цвета по спектру (R - красный, Green - зеленый, Blue - синий) производилось двумя способами:
1) диапазон спектра разбивался по признанным диапазонам цветов;
2) диапазон спектра разбивался по распределению кривых основных цветов международной системы XYZ.
Во втором способе границы при разбиении «плавающие», так как некоторые длины волн входят в несколько цветовых диапазонов.
Авторские шаблоны матричного фотоприемника. Разработанные шаблоны представлены в нескольких вариантах (рис. 1) [6]. Наиболее полная информация о разработанных шаблонах представлена в источниках [7-9]. Технология основана на трехслойном приемнике Foveon X3 [10-12].
Первый вид шаблона представляет собой приемник, включающий однослойные ячейки с инфракрасным слоем (покрывают половину сенсора) и двуслойные ячейки с парами синего-зеленого и зеленого-красного слоев (рис. 1, а). Подобная компоновка позволяет повысить чувствительность зеленого и инфракрасного спектров.
В следующем виде шаблона в каждой ячейке размещен слой регистрации инфракрасного излучения, сверху которого расположены слои синего, зеленого и красного излучения (рис. 1, б). Таким образом, реализована система RGBG на подложке для инфракрасного спектра.
457
Третий вид шаблона представляет собой приемник, сенсорная область которого поровну делится между четырьмя видами спектрального излучения (рис. 1, в).
Четвертый вид шаблона включает ячейки двух типов, где в одной включены слои красного и инфракрасного спектра, а в другой синего и зеленого. Этот можно считать технологически наиболее приемлемым, т.к. выбранные слои являются соседствующими и будет проще производить легирование.
б в г
Рис. 1. Авторские шаблоны двухслойного матричного фотоприемника
На рис. 2 представлены спектральные характеристики матричного фотоприемника [12]. Если сравнивать характеристики Foveon Х3 без (рис. 2, а) и совместно (рис. 2, б) с ИК-фильтром, то качественный анализ показывает: первая характеристика имеет широкие, местами несимметричные и выходящие за пределы своего рабочего диапазона широкие кривые. Это может указывать на возможные шумы в матричном фотоприемнике такого типа.
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
350 400 4-50 500 550 бОО 550 700 750
Длина волны, нм а
0,045 0.04-0 0,035 0.030 0.025 0.020 0,015 0.010 0,005 0,000
350 400 450 500 550 бОО 550 700 750
Длина волны, нм б
Рис. 2. Зависимость длины волны от спектральной чувствительности Foveon X3: а - без ИК-фильтра; б - с ИК-фильтром
Спектральная характеристика кремния в данном случае не учитывается, т.к. не влияет на каналы видимого диапазона спектра. Хотя следует заметить, что ИК-спектр наиболее интенсивный и шумы по самому каналу будут самые высокие.
Спектрозональный метод заключается в разбиении спектральной характеристики и расчёте интегральной площади под кривыми. Сигнал входящий в диапазон цвета будет являться полезным сигналом, а выходящий за границы - шум.
Расчет шумов матричного фотоприемника. Проведем анализ шумов спектральных характеристик, представленных на рис. 2, по каждому цветовому каналу. Ранее было доказано, что чем более пикообразные, равномерные и узкие спектральные характеристики приемников, тем более чистые будут получены цвета. Как показано на рис. 1, характеристики рассматриваемых матричных фотоприемников широкие, местами несимметричные и местами простираются за пределы своего рабочего диапазона. Поэтому суть метода заключается в разбиении спектральной характеристики на полезный сигнал и шум. Вся интегральная составляющая, входящая в допустимый диапазон цвета, будет считаться полезным сигналом, а выходящая за рамки - шумом.
В первом случае за основу была взята международная колориметрическая система XYZ (табл. 1) для спектральной характеристики по рис. 2, а. По очереди исследовали и проанализировали результаты по каждому диапазону цвета: red, green, blue (RGB). Для начала была рассчитана полезная область по каждому цвету, затем были рассчитаны шумы в каждой области. Общая площадь диапазона 500-700 нм (красный канал) получилось равной 45,91, при этом общее количество шумов на кривой составило 31,21, таким образом, получаем, что шумы составляют 67,98%. При этом шум зеленого составил 67,32%, а шум синего - 13,11%.
Общая площадь диапазона 450-650 нм (зеленый канал) получилась равной 47,65, при этом общее количество шумов равно 59,46. Таким образом, получаем, что общие шумы составляют 124,78% от полезной области. При этом шум красного - 103,32%, а шум синего - 48,46%.
Общая площадь диапазона 400-550 нм (синий канал) получилась равной 35,02, при этом общее количество шумов равно 42,57. Таким образом, получаем, что общие шумы составляют 121,56% от полезной области. При этом шум красного - 53,23%, а шум зеленого - 109,19%.
Таблица 1
Результаты исследования по системе XYZ без ИК-фильтра_
Деление по системе XYZ
Цвет 1общая Область, нм ^полезный Шум 5 15 % от полезного сигнала
R G B R G B
R 53,78 500-700 45,91 - 30,92 6,02 39,94 - 67,32 13,11
G 62,66 450-650 47,65 49,23 - 23,09 72,32 103,32 - 48,46
B 54,67 400-550 35,02 18,64 38,24 - 56,88 53,23 109,19 -
Проведя данный анализ, было замечено, что количество шумов гораздо превышает полезную область во всех диапазонах. Больше всего шумов было замечено в зеленом и синем диапазонах. Так же, анализируя результаты, было замечено наложение шумов друг на друга.
Теперь за основу исследования приняты диапазоны спектра по цветам. В данном случае диапазоны RGB получаются: красный от 580нм до 760нм, зеленый от 525нм до 580нм, синий от 400нм до 525нм. Проведем аналогичный анализ, что и с системой XYZ (табл. 2).
Больше всего шумов приходится на диапазон зеленой области (525-580нм) - 316,91% шума от полезной области (см. табл. 2). При этом красный шум составил 208,59% от полезной области, а синий шум - 108,32%. В диапазоне красной области (580-760нм) получилось меньше всего шумов - 32,00% шума от полезной области. Из них красный шум составил 49,69%, а зеленый шум - 34,63% от полезной красной области. В диапазоне синей области (400-525 нм) получили 84,31% общего шума от полезной области, при этом красного шума - 49,69%, а зеленого - 34,63%.
Таблица 2
Результаты исследования по областям цвета без ИК-фильтра_
Деление по областям цвета
Цвет 1общая Область, нм I Шум 5 I5 % от полезного сигнала
R G B R G B
R 53,78 580-760 35,84 - 3,08 8,39 11,47 - 8,59 23,41
G 62,66 525-580 15,02 31,33 - 16,27 47,60 208,59 - 108,32
B 54,67 400-525 29,14 14,48 10,09 - 24,57 49,69 34,63 -
Теперь проведем аналогичное исследование, только для матричного приемника с ИК-фильтром (рис. 2, б). Результаты исследования представлены в табл. 3 и табл. 4.
Шумы области зеленого и синего цветов значительно превышают полезную области (см. табл. 3). Для зеленого диапазона общий шум составил 104,05%, при этом шума красного (81,24%) больше, чем шума синего (57,36%), а для синего диапазона - 125,10%, здесь шум красного составляет 79,19%, а шум зеленого 123,81%. В красном диапазоне получилось, что общий шум составил 98,72%, при этом шум зеленого 98,29%, а шум синего 28,85%.
Анализируя полученные данные, можно прийти к выводу: больше всего шумов приходится на зеленый цвет на всех кривых. Так же при анализе было замечено наложение шумов друг на друга.
Теперь, для исследования данных кривых, возьмем систему, как и в таблице 2. Полученные результаты представлены в таблице 4.
Таблица 3
Результаты исследования по системе XYZ с ИК-фильтром_
Деление по системе XYZ
Цвет Область, нм ^полезный Шум 5 15 % от полезного сигнала
¿_,общая R G B R G B
R 5,02 500-700 4,68 - 4,60 1,35 5,95 - 98,29 28,85
G 5,03 450-650 4,69 3,81 - 2,69 6,5 81,24 - 57,36
B 5,03 400-550 2,94 2,24 3,64 - 5,88 79,19 123,81 -
Таблица 4
Результаты исследования по областям цвета с ИК-фильтром_
Деление по областям цвета
Цвет ^общая Область, нм ^полезный Шум 5 15 % от полезного сигнала
R G B R G B
R 5,02 580-760 2,48 - 1,81 0,67 2,48 - 72,98 27,02
G 5,03 525-580 1,80 1,24 - 1,96 3,20 68,89 - 108,89
B 5,03 400-525 2,38 0,56 1,05 - 1,61 23,53 44,18 -
На красной кривой общий шум составил 100% от полезной области, при этом шума зеленого 72,98%, что значительно больше шума синего 27,02% (см. табл. 4). На зеленой кривой общий шум составил 177,78% от полезного диапазона, что является самой зашумленной областью на графике на рис.2. При этом красный шум составил 68,89%, а синий шум 108,89%. На синей кривой общий шум составил 67,65%, из него шум красного - 23,53%, а шум зеленого - 44,18%. Наложений шумов друг на друга замечено не было. Из последней таблицы видно, что больше всего шумов приходится на зеленый канал.
Результаты. По результатам исследования спектральные характеристики с ИК-фильтром показали результат по шумам лучше, чем без ИК-фильтра. Однако применение ИК-фильтра не позволяет делать модификации со слоями чувствительными к инфракрасному излучению. Поэтому наиболее выгодным шаблоном матричного фотоприемника двухслойного типа будет являться матрица, где ИК-слой расположен в отдельной ячейке. Такой подход позволит нанести ИК-фильтр только на ячейки со слоями видимых цветов, что уменьшит возможные шумы. Также если учесть, что человеческое зрение наименее чувствительно к оттенкам красных цветов, то шумами в этой области можно пренебречь, тогда еще одним приемлемым вариантом, можно считать ячейки с объединением слоев красного и инфракрасного цветов, на которые не будет необходимости наносить ИК-фильтр.
По полученным параметрам каждого слоя, можно рассчитать шумы комбинаций слоев. При первой методике расчет, наиболее «шумящей» будет пара синего и красного слоев. При второй методике - пара зеленого и красного, и также синего и красного слоев. Поэтому комбинацию этих пар слоев лучше не допускать при проектировании шаблонов системы цветоделения фотоприемника.
Также исследование показало, что обе методики действенны. При ориентации на международную систему XYZ, из-за наложения спектров основных цветов, шумы могут превышать полезный сигнал практически на половину. Хотя именно этот метод является технически верным, так как границы цветов условны и промежуточные цвета можно отнести к двум диапазонам: к примеру, оранжевый можно включить к желтым и красным цветам. Если ориентироваться именно на многослойный тип фотоприемника, то лучше применять деление по областям цвета, так как выбор глубины залегания потенциальной ямы в приемнике ограничивает границы выбранного спектра.
Благодарности: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-7900012, https://rscf.ru/proiect/21-79-00012/ (Acknowledgments: the reported study was funded by Russian Science Foundation, project number 21-79-00012. https://rscf.ru/en/proiect/21-79-00012/).
Список литературы
1. Fedoseev V. Noise parameters of photodetector arrays // Journal of Optical Technology. 2012. Зю 59- 66. DOI: 10.1364/J0T.79.000357.
2. Приборы фоточувствительные с переносом заряда. Методы измерения параметров. ГОСТ 28953-91. М.: Издательство стандартов, 1991. 46 с.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга, Логос. 2007. 192 с.
4. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. М.: Физма-ткнига, 2005. 384 с.
5. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники: учеб. пособие для вузов в 2-х ч. Ч. 2. Физиологическая оптика и колориметрия. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат. 1989. 432 с.
6. Zhbanova V.L., Parvulyusov Yu.B., Solomatin V.A. Multispectral matrix silicon photodetectors with the IR range registration // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1679. №022039. DOI: 10.1088/1742-6596/1679/2/022039.
7. Zhbanova V.L., Parvulusov Y.B. Investigation of optical phenomena in multispectral matrix photo-detector based on silicon // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2022. 22(5). P. 903-911. DOI:10.17586/2226-1494-2022-22-5-903-911.
8. Zienko S.I., Zhbanova V.L. Comparative Analysis of the Spectral Sensitivity of Three-Color Matrix Photodetectors // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processingthis link is disabled. 2022. 58(2). P. 128138. DOI: 10.3103/S8756699022020121.
9. Solomatin V.A., Zhbanova V.L. Influence of photodetector-array patterns on spatial-frequency response // Journal of Optical Technology. 2021. Vol. 88. Issue 12. P. 722-728. DOI: 10.1364/J0T.88.000722.
10. Merrill R.B. Color Separation In An Active Pixel Pit Imaging Array Using A Triple-Well Structure. U.S. Patent 5,965,875. 1999.
11. Fent L., Meldrum Al. Foveon vs Bayer: Comparison of 3D reconstruction performances // 8th International Workshop 3D-Arch: 3D virtual reconstruction and visualization of complex architectures. 2020. V. 2. № 14. P. 755-761. DOI: 10.3390/jimaging2020014.
12. Richard F. Lyon, Paul M. Hubel. Eyeing the Camera: into the Next Century // International Conference on Communications in Computing. 2002. V. 17. N 6.
Жбанова Вера Леонидовна, канд. техн. наук, доцент, vera-zhbanova@yandex. ru, Россия, Смоленск, Филиал ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске
INVESTIGATION OF THE NOISE OF A PHOTORECEIVER DOUBLE-LAYER TYPE BY SPECTROZONAL
METHOD
V.L. Zhbanova
The paper presents a research of the spectral characteristics of a matrix photodetector of a two-layer type for possible noise. The main characteristics were the spectra of a three-layer matrix photodetector with and without an IR filter. Spectrozonal method was chosen as the technique. The method consists in dividing the spectral characteristic into working sections of the spectrum and calculating the integral area under the curves. A signal that is within the color range will be a useful signal, and a signal that goes beyond the boundaries will be noise. The distribution of the boundaries of the curves of each color along the spectrum (red, green, blue) was carried out in two ways: first, the spectrum range was divided into recognized color ranges; the second - the range of the spectrum was divided according to the distribution of the curves of the primary colors of the international XYZ system. In the second method, the boundaries are "floating" when splitting, since some wavelengths are included in several color ranges. The studied templates are presented in several variants. The technology for constructing these systems is based on the property of silicon to accumulate charge of different wavelengths at different potential well depths. According to the results of the study, the spectral characteristics with an IR filter showed a better noise result than without an IR filter. However, the use of an IR filter does not allow making modifications to cells that include layers sensitive to infrared radiation. Therefore, the most advantageous template for a two-layer type matrix photodetector will be a matrix where the IR layer is located in a separate cell from the layers of the visible spectrum. This approach will allow applying an IR filter only to cells with layers of visible colors, which will reduce their possible noise.
Key words: photodetector, spectrum, noise, color, RGB.
Zhbanova Vera Leonidovna, candidate of technical sciences, docent, vera-zhbanova@yandex. ru, Russia, Smolensk, Branch of National Research University "Moscow Power Engineering Institute" in Smolensk.
УДК 623.365
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-461-467
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА МЕТАНИЯ УДЛИНЕННОГО
ГИБКОГО ЭЛЕМЕНТА
Н.В. Могильников, А.А. Ермаков
Рассматривается вариант построения математической модели, вычислительного алгоритма и компьютерной программы процесса метания удлиненного гибкого элемента. Процесс движения разбит на этапы, в каждом из которых принимаются разные допущения, учитываются разные типы взаимодействия.
Ключевые слова: моделирование, внешняя баллистика.
При работе некоторых технических устройств бывает необходимым рассчитать процесс пространственного движения удлиненного гибкого элемента (УГЭ), например, каната, метаемого посредством придания начальной скорости движения компактному лидеру. Скорость движения лидера может придаваться мгновенно, например, с использованием стартового метательного устройства, либо, в общем случае, в течение некоторого промежутка времени, в течение которого происходит работа разгонного реактивного двигателя.
