7.3.3 ПЗС-камеры

Электронные технологии для записи изображений и спектров стремительно приближается к более традиционным аналоговым методам. ПЗС-камеры становятся нормой для записи в режиме реального времени записи изображений и дифракционных картин.

ПЗС устройства состоящие из «металл-диэлектрик-кремний», которые хранят заряд порожденный светом или электронным пучком. ПЗС массивы состоят из нескольких миллионов пикселей, которые являются индивидуальными конденсаторами электрически изолированными друг от друга путем создания потенциальных ям под каждой ячейкой ПЗС, поэтому они могут накапливать заряд пропорционально интенсивности падающего излучения, как показано на рисунке 7.3 A. Наибольшая ПЗС матрица в настоящий момент имеет размер гигапикселя (109). Но так, как такие системы являются очень дорогими, они, как правило, разработаны для использования в крупных астрономических телескопах для обнаружения очень слабых источников света. Максимальный размер ПЗС матриц в настоящее время доступных для использования в ПЭМ 16 мегапикселей, но этот размер будет увеличиваться со временем. Индивидуальная ячейка в настоящее время может быть равна до 6 мкм, хотя более типичный размер находится в диапазоне 10-15 мкм. Для того, чтобы создать картину, мы должны считать значения из ПЗС матрицы. Мы делаем это путем изменения потенциала прикладываемого для передачи заряда последовательно от каждой потенциальной ямы вдоль линии в матрице на выходной усилитель, как показано на рисунке 7.3В. С хорошо сконструированными электродами, может быть достигнута 99,999% эффективность переноса заряда. После того как все ячейки пусты массив может быть заполнен заново. Это так называемый "полнокадровый" дизайн является простым и надежным и дает самое высокое разрешение и высокая плотность пикселей.

Вместо последовательного считывания полнокадровой ПЗС-матрицы, можно также иметь ПЗС-матрицы с покадровым переносом, в которых весь кадр передается в соседние массивы для хранения, оставляя основной массив свободным для сбора нового потока сигнала. Этот метод позволяет сократить время набора кадра, и, следовательно, производить более быстрый захват изображения, но он гораздо более сложный и, так как большая часть устройства связана с хранением, то ПЗС имеет низкое разрешение и гораздо более высокую стоимость. Типичное время набора кадра, необходимое для записи ПЭМ изображения достаточно большое, поэтому высокоскоростная передача кадров обычно не требуется.

Время чтения ПЗС зависит от размера изображения и конкретной технологии, используемой для считывания сигнала. Сверхвысокоскоростные ПЗС-камеры могут снимать 105 кадров/сек, но такие высокие скорости не являются необходимыми в стандартном ПЭМ. Очевидно, что чем дольше время набора кадра, тем больше изображение восприимчиво к внешним вибрациям, дрейфу, и т.д.;

ПЗС-детекторы имеют ряд преимуществ:

  • при охлаждении, они имеют очень низкий уровень шума и хорошую КЭД (> 0.5) даже при низком уровне входного сигнала.


    • Рисунок 7.3. (A) одна ячейка ПЗС-матрицы показывающая хранение заряда в потенциальной яме под один пиксель Если варьировать прикладываемый потенциал, для рыдов пикселей в последовательности, как показано в (B), одна строка пикселей смещается в параллельный регистр и считывается пиксель за пикселем, после чего следующая строка перемещается в параллельный регистр, и т. д. Накопленный заряд в каждом пикселе, таким образом, подается в усилитель и оцифровывается.


  • Они имеют высокий динамический диапазон, что делает их идеальными для записи дифракционных картин, которые могут охватывать огромный диапазон интенсивности.

  • они имеют линейную зависимость на изменения входного сигнала и показывают довольно равномерный отклик от многих пикселей.

    • Есть некоторые недостатки ПЗС-матриц, не последним из которых является их стоимость, но наблюдается тенденция к ее уменьшению. Тем не менее, "размывание", которое происходит, когда слишком большой сигнал заполняет пиксель и сигнал переполнения в окружающих пикселях, могут быть проблемой. Эта проблема может быть решена по существу путем создания антиразмывания или структур переполнения стока внутри устройства. Кроме этих незначительных факторов ясно, что, в конце концов, ПЗС-матрицы, или другие электронные технологии, в конечном счете будут записывать и хранить все ПЭМ изображения, дифракционные картины и спектры.