Источник шума в ПЗС-камерах микроскопов влияние, виды и снижение

Время чтения: 18 минут

Детекторы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) (англ. – CCD, charge-coupled device), выигрывают перед фотоплёнкой, особенно в ​​научных областях, требующих последующей обработки изображений, таких как астрономия и оптическая микроскопия. Снимая непосредственно в цифровом формате, подходящем для немедленной компьютерной обработки, системы на основе ПЗС-матриц идеальны для широкого спектра современных методик исследований. В частности, их многократно повышенная чувствительность по сравнению с плёнкой имеет неоценимое значение при съёмке в условиях недостаточной освещённости, где каждый фотон значим.

Их возникновение связано с развитием полупроводниковой технологии и фотоники.

В начале 20-го века исследователи и инженеры стали экспериментировать с ПП-детекторами света. В то время они использовались в основном для научных и медицинских целей, но демонстрировали низкую чувствительность и разрешение. Однако в 1970-х годах началась эра ПЗС-технологии. Учёные из фирмы Bell Labs: Уиллард Бойл и его коллеги, сыграли ключевую роль в создании этой технологии. Они обнаружили, что кристалл из полупроводника с металлическим оксидным слоем (MOS) может работать как датчик света, преобразуя фотоны в электроны. С 1980-1990 годов ПЗС-камеры распространились на научные и промышленные сферы, включая астрофотографию и медицинскую диагностику. Они отличались высоким разрешением, небольшим зашумлением и выдающейся светочувствительностью.

Развитие микроэлектроники и нанотехнологий в 2000-х годах ознаменовало доступность устройств для широкого спектра потребителей. Они есть в цифровых фотоаппаратах, смартфонах, веб-камерах, видеонаблюдении, технике для медицинской диагностики и других задач. С течением времени ПЗС-технология постоянно совершенствуется, и сегодня готова предоставить высокотехнологичные устройства с множеством функций. Камеры теперь часть нашей жизни, они — важный инструмент в фотографии, видеозаписи и научных исследованиях.

В ПЗС-камерах он представляет собой случайные нежелательные флуктуации сигнала, которые способны серьёзно повлиять на формирование изображений. Вот примеры их негативного влияния:

Для понимания принципа появления зашумления, а также его причин, разберёмся в устройстве и рассмотрим, как работает CCD-матрица.

ПЗС-элементы изготовленные на кремниевых пластинах, подобно интегральным схемам, обрабатываются в ходе ряда сложных фотолитографических этапов, которые включают травление, ионную имплантацию, осаждение тонких плёнок, металлизацию и пассивацию для определения различных функций внутри устройства. Кремниевая подложка электрически легирована с образованием p-типа кремния, материала, в котором основные носители — положительно заряженные электронные дырки. На каждой пластине изготавливается несколько кристаллов, каждый из которых способен создать рабочее устройство. Затем заготовка разрезается алмазной пилой, тестируется и упаковывается в керамический или полимерный корпус со стеклянным или кварцевым окном, через которое может проходить свет для освещения матрицы фотодиодов.

Когда ультрафиолетовый, видимый или инфракрасный фотон попадает в атом кремния, находящийся внутри или рядом с ПЗС-фотодиодом, он обычно создаёт свободный электрон и «дырку», создаваемую временным отсутствием электрона в кристаллической решётке. Электрон собирается в потенциальной яме (расположенной глубоко внутри кремния в области, известной как обеднённый слой). В то время как дырка вытесняется из неё и в итоге перемещается в кремниевую подложку. Отдельные фотодиоды электрически изолированы от своих соседей заглушкой канала, которая образуется путём диффузии ионов бора через маску в подложку p-типа.

Основная архитектурная особенность ПЗС-матрицы — огромный набор последовательных сдвиговых регистров, построенных из вертикально уложенного проводящего слоя легированного поликремния, отделённого от кремниевой ПП-подложки тонкой изолирующей плёнкой диоксида кремния. После того как электроны собраны внутри каждого фотодиода, к электродным слоям поликремния (называемым затворами) прикладывается напряжение, чтобы изменить электростатический потенциал лежащего в основании кремния. Подложка под электродом затвора становится потенциальной ямой, способной собирать локально генерируемые электроны, создаваемые падающим светом. Соседние затворы удерживают их внутри неё, образуя зоны более высоких потенциалов, называемые барьерами. Модулируя напряжение, приложенное к затворам, их можно смещать, образуя либо яму, либо барьер для заряда, собираемого фотодиодом.

Наиболее распространённые конструкции ПЗС-матриц имеют ряд элементов затвора, которые делят каждый пиксель на трети с помощью трёх потенциальных ям, ориентированных в ряд горизонтально. Каждая способна удерживать некоторое количество электронов, что задаёт верхнюю границу динамического диапазона всей матрицы. Период, в течение которого они заполняются электронами, образуемыми попаданием фотонов, называется интеграцией. Измерение накопленного заряда осуществляется путём комбинации в выходной узел на краю чипа его последовательной и параллельной передачи. Скорость параллельного переноса обычно достаточна чтобы можно было её выполнить в период интеграции следующего заряда.

После сбора в ямах электроны сдвигаются параллельно, одна строка за раз, под действием импульса, генерируемого тактовым сигналом регистра вертикального сдвига. Электроны передаются через каждый фотодиод в несколько этапов (от двух до четырёх). Этот сдвиг достигается изменением отрицательного потенциала удерживающей лунки при одновременном увеличении смещения следующего электрода до положительного значения. Регистр работает циклически, изменяя напряжения на альтернативных электродах вертикальных затворов, чтобы переместить накопленный заряд через ПЗС.

После прохождения этого заряд достигает специализированного ряда вентилей, являющихся основой матрицы, о которых мы писали в начале раздела. Здесь пакеты электронов, последовательно сдвигаются по горизонтали под управлением тактового регистра горизонтального сдвига к выходному усилителю и за пределы чипа. Всё содержимое передаётся на выходной узел перед загрузкой следующей строки пакетов заряда из параллельного регистра. В нём электронные пакеты регистрируют его количество, создаваемого последовательными фотодиодами слева направо в одном ряду: с первого, и завершая последним. Это создаёт аналоговое растровое сканирование фотогенерируемого заряда всего двумерного массива фотодиодных сенсорных элементов.

В большинстве случаев, при получении данных с фотодатчиков зашумлённость проявляется как случайные изменения амплитуды сигнала. С её ростом становится сложнее выделить полезную составляющую из общей массы потока информации. В связи с этим возникло понятие «соотношение сигнал/шум (SNR)» — важнейшая определяющая в оценке качества облучаемой информации от ПЗС-датчика. Факторов, усиливающих общую зашумлённость, много, однако не все они ярко выражены и оказывают существенное влияние на этот показатель. Основополагающим здесь выступает конструкция регистрирующего устройства, а также его применяемость. В таких сферах науки, как микроскопия и астрономия, минимизации любых помех уделяется особое внимание, связано это с необходимостью получения качественных снимков при низком уровне освещённости. Основными источниками, учитываемыми при расчёте SNR, выступают три разновидности зашумления, которые мы рассмотрим ниже.

Он возникает из-за естественных вариаций в скорости поступающих фотонов. Поэтому генерируемые в полупроводниках пикселей электроны синтезируют сигнал, который также колеблется случайно. Интервал между приходами фотонов задаётся распределением Пуассона, поэтому такой тип помех пропорционален квадратному корню из сигнала. В некоторых материалах термин – дробовой (пуассоновский) шум, отнесён к фотонному, но также он применим к любому источнику, отражающему аналогичные статистическое распределение или создающего неопределённость в измерениях количества фотонов, собранных в течение заданного интервала.

Он обусловлен тепловым движением молекул в матрице ПЗС, которое сопровождается генерированием электронов. Их число статистически случайно и не зависит от количества индуцирующих фотонов, а только от температуры устройства. Ток, генерируемый этим эффектом, называют темновым, а его интенсивность также описывается распределением Пуансона.

Им сопровождается работа ПЗС-элемента, а обусловлено это преобразованием полученных зарядов в напряжение, а также его обработкой и трансформацией в оцифрованный сигнал. Встроенный предусилитель выступает его основным источником. Величина помех зависит от рабочей частоты, а требуемая скорость считывания или частотность кадров частично определяют его характеристики и практическое влияние на общее качество передачи. Камеры, обладающие высокоскоростными системами обработки видеосигнала, имеют конструкцию, которая значительно усовершенствована и существенно снижает зашумлённость.

Он возникает, когда заряд, собранный в каждом пикселе массива датчиков, преобразуется в напряжение с помощью измерительного конденсатора и потокового усилителя. Перед измерением пакета заряда каждого пикселя чувствительный конденсатор сбрасывается на опорный уровень. Помехи генерируются в узле измерения ввиду неопределённости уровня опорного напряжения из-за тепловых изменений сопротивления канала транзистора сброса.

Подобно транзистору сброса, полевой МОП-транзистор на выходе усилителя имеет собственное сопротивление, приводящее к тепловому шумообразованию, значение которого определяется уравнением Джонсона. Поэтому его называют либо просто белым, либо шумом Джонсона, поскольку его величина не зависит от частоты. Этот тип зашумления – одна из составляющих, образующихся при считывании сигнала.

Этот второй источник, связанный с выходным усилителем, обычно называемый шумом 1/f, из-за его примерно обратной зависимости от частоты. Значимая частотная переменная — это скорость считывания пикселей. Для камер, в которых они считываются с частотой менее примерно 1 МГц и с характерным спектром, минимальный уровень шума считывания обычно определяется именно по нему.

Она выступает дополнительным фактором, который приводит к неравномерности вывода пикселей и шумоналожению на захваченное изображение. Из-за различий в процедуре изготовления массива не все пиксели обладают одинаковой светочувствительностью, и изображение равномерно освещённого плоского поля будет отражать слабый шахматный узор на уровне отдельных точек. Обычно неравномерность составляет порядка 1–2 % от среднего уровня сигнала в матрице датчиков, а значимость этого шумообразования и выгода от его устранения зависят от применяемости.

Для обработки накопленного сигнала и передачи его на выход ПЗС-датчика требуется ряд тактирующих схем, находящихся под управлением задающего тактового генератора. Такое зашумление может возникнуть в результате их работы, если тактовый сигнал попадает в выходной. При этом его уровень растёт с увеличением силы сигнала и пропорционален квадратичному корню от тактовой частоты.

Разнообразные электромагнитные помехи и радиочастотные интерференции из окружающей среды воздействуют на матрицу и другие элементы. Влияние ЭМП может фиксироваться в виде случайных пятен или полос на получаемом снимке.

Стоит отметить, что многие из рассмотренных проблем можно уменьшить или смягчить с помощью различных методов. Влияние конкретных источников и их относительная значимость зависят от конструкции ПЗС, условий эксплуатации и планируемой сферы использования. Учёные и инженеры, работающие с ними, тщательно характеризуют и учитывают все типы зашумления для получения высококачественных данных.

Показателем, отражающим общий уровень зашумлённости, выступает безразмерная величина, определяемая SNR. Чем она выше, тем оборудованию проще выделить сигнал среди помех. На величину SNR влияют:

Произведение этих составляющих соотносится со всеми факторами, ухудшающими качество кадра.

Шум – это неизбежный элемент работы любых электронных устройств, в том числе и в CCD-системах. Его снижение достигается за счёт различных решений как на этапе разработки, так и при сборке устройств. Это дает возможность достичь приемлемых значений SNR, достаточных для получения достоверной информации при построении изображения. В хорошо спроектированной цифровой камере шумовые характеристики ограничиваются только влиянием ПЗС-матрицы, а не сопутствующими электронными компонентами.

Для увеличения SNR доступны разные решения, определяемые свойствами и параметрами источника помех.

Его помогают снизить различные технологические решения: это совершенствование технологии изготовления, оптимизация режимов работы, а также принудительное охлаждение CCD-устройства.

В высокопроизводительных сенсорах основным решением выступает охлаждение, которое организуется на основе термоэлектрических элементов или с использованием жидкого азота (криогенное).

Снижение рабочей температуры ниже комнатной – наиболее распространённый подход. Это связано с тем, что с охлаждением ПЗС-модуля на каждые 10°C вдвое уменьшается величина генерируемого темнового тока. Эффективность такого метода ограничена температурой примерно в - 10°C. Это связано с тем, что при её дальнейшем уменьшении ток существенно не снижается.

Совершенствование конструкции матрицы также серьёзно влияет на качество. Так, ПЗС-матрицы, в которых используется технология многовыводной фазы (MPP), работают в инвертированном режиме со значительно меньшим темновым током, что приводит к дополнительным соответствующим преимуществам, таким как снижение требований к охлаждению.

Поскольку он бывает очень значительным (около 50 среднеквадратичных электронов), большинство высокопроизводительных ПЗС-камер имеют специальный механизм для его устранения. Распространённый метод — внедрение процесса, называемого коррелированной двойной выборкой, при котором схема измеряет разницу между напряжениями сброса и сигнала для каждого пикселя, затем присваивает ему результирующее значение заряда. За счёт дополнительного этапа измерения опорного напряжения выходного узла перед его передачей нет нужды в попиксельном сбросе на один и тот же уровень. Также доступны другие электронные методы, которые реализуются конструкцией всей системы.

Его можно снизить путём увеличения рабочей частоты. Увеличивая её на порядок, мы уменьшаем зашумлённость в 3,16 раза. При этом его снижение возможно только до тех пор, пока он не выровняется на частоте 1/f, называемой угловой.

Стабилизация на более высоких частотах указывает на то, что минимальный уровень зашумлённости достигнут, а пиксели считываются со скоростью, превышающей 1/f, что приводит к ограничению шумообразования.

Для удаления «шахматного узора», вызванного различной чувствительностью фотоприемников, применяют метод обработки, при котором отдельно полученное изображение плоского поля вычитается из данных кадра образца, что корректирует неравномерность чувствительности пикселей, однако при этом дробовый шум увеличивается в 1,414 раза.

Системы камер, в которых главный тактовый сигнал приводится в действие кварцевым генератором, обычно не демонстрируют проблемного шумообразования тактового джиттера. Однако повышение чувствительности сенсоров увеличило вероятность возникновения помех.