Динамический диапазон

Цифровые панорамные приемники
CMOS и ПЗС матрицы
Дешевизна производства
У каждого пикселя матрицы оказывается
своя собственная характеристическая
кривая
Наличие на матрице большого по
сравнению с фотодиодом объёма
электронных элементов создаёт
дополнительный нагрев устройства в
процессе считывания и приводит к
возрастанию теплового шума.
Эквивалентная схема ячейки КМОПматрицы: 1 — светочувствительный
элемент (диод); 2 — затвор; 3 —
конденсатор, сохраняющий заряд с
диода; 4 — усилитель; 5 — шина выбора
строки; 6 — вертикальная шина,
передающая сигнал процессору; 7 —
сигнал сброса
CMOS и ПЗС матрицы
Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году
Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях
Белла (AT&T Bell Labs)
В 1970 году исследователи Bell Labs научились
фиксировать изображения с помощью простых линейных
устройств.
В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были
награждены Нобелевской премией по физике.
Квантовая эффективность
Приемники излучения в астрономии должны обладать рядом свойств: высокой
чувствительностью, малыми шумами, большим динамическим диапазоном и хорошей
линейностью.
Чувствительность определяется как отношение количества зарегистрированных
фотонов к количеству упавших на приемник и называется квантовой эффективностью
(Quantum Efficiency - QE).
характеристики ПЗС-камер
Шум считывания указывается в
электронах на пиксель, внесенных в
конечный сигнал после считывания
ПЗС.
Ошибка АЦ преобразования +
«призрачные электроны» вносят
аддитивную неопределенность в
выходной сигнал (флуктуации).
Среднеквадратическое отклонение этих
флуктуаций (1 сигма) и есть шум
считывания.
Шум считывания не является
пуассоновским.
Зависит от скорости считывания и
температуры.
Шум считывания современных ПЗСкамер лежит ниже границы 10 e/pix
Шум считывания измеряется по кадрам
подложки (bias)
характеристики ПЗС-камер
темновой ток и темновой шум
Их часто путают!
e/(pix*sec)
Темновой ток появляется в результате
термогенерации электронов в кремнии и
проявляется как добавочные электроны в
выходном сигнале.
Темновой ток уменьшается в 2 раза при
понижении температуры на 5-6 градусов.
Есть «горячие пиксели» в которых уровень
темнового тока больше, чем в нормальных
пикселях.
Темновой ток имеет пуассоновский
характер и Шум темнового тока =sqrt(тока)
Темновой ток можно вычесть, но шум
останется и даже удвоится!
характеристики ПЗС-камер
шум дискретизации (оцифровки)
Необходимо преобразовать заряд (электроны) в цифровые отсчеты (ADU). ADU
принимает целые значения в диапазоне от 0 до 65535 (2^16). Коэффициент
преобразования gain («усиление») = e/ADU
Пусть глубина нашей потенциальной ямы 500 000 электронов, коэффициент
преобразования 500000 / 65535 = 7.6 e/ADU. Мы округляем выходное значение до почти 8
электронов! Или вносим неопределенность в 8 электронов!
Современные ПЗС со скрытым каналом и относительно небольшим размером пикселя
редко имеют глубину ямы более 150 000 электронов.
характеристики ПЗС-камер
попиксельная и внутрипиксельная неоднородность чувствительности
Пиксели имеют немного разные размеры, неоднородности подложки. Это приводит к
вариации чувствительности от пикселя к пикселю и внутри пикселя.
Попиксельные вариации можно удалить зная «функцию отклика» каждого пикселя –
плоское поле.
Внутрипиксельные вариации становятся незначительными при больших размерах
изображений.
Неоднородности могут достигать значений 2-5%
Линейность
–
способность
приемника
давать
неискаженную
информацию
о
освещенности.
Идеальным является случай линейной
зависимости выходного сигнала от
количества упавших на приемник
фотонов. Линейность очень важна в
фотометрии, отношение выходных
сигналов
от
двух
звезд
дает
отношение блеска этих звезд.
Звезды имеют очень разный блеск,
самые слабые создают освещенность в
10 миллиардов раз меньшую, чем
самые яркие. Когда слабые звезды
«тонут» в шумах, яркие вызывают
насыщение приемника (увеличение
освещенности
не
приводит
к
увеличению
выходного
сигнала).
Динамический
диапазон—
это
отношение максимально возможного
сигнала,
сформированного
светоприемником, к его собственному
шуму.
Динамический диапазон
Сравнение линейности и динамического
диапазона фотопленки и современной ПЗС.
Переполнение ямы
Влияние
антиблюминга
линейность
на
Температура!
Скорость считывания!
Временная стабильность!
Следить за параметрами!
Подбирать ПЗС под свои задачи!
технология MPP или AIMO - снижение темнового тока, но есть и минусы!
ICCD и EMCCD
Усиление сигнала на стадии переноса до очень
высоких
значений.
Как
следствие,
шум
считывания становится несущественным.
OTCCD
FITS формат
Калибровка ПЗС - кадров.
Вы
поле зрения засвечено
к краю. Этот
Ещевидите,
одно замечательное
свойство неравномерно,
ПЗС – матриц, заметно
их оченьпотемнение
хорошая стабильность.
эффект
называется
виньетированием
и связан
с недостатками
оптики
телескопа.
Кроме
Если где-то
на матрице
есть «горячий»
или «мертвый»
пиксель,
то его
положение
не
того,
возможна
неравномерность
чувствительности
матрицы
от пикселя
пикселю или
меняется
со временем.
Это позволяет
бороться с шумами
очень
простымкспособом:
из
просто
пылинки
защитном
окне матрицы.
Разделим кадр,
полученный
после
вычитания
полезного
кадрана(frame)
вычитается
кадр, полученный
с тем
же временем
накопления
dark
frame, на кадр
плоского
поля (dark
(flat field).
Кадр плоского поля получается при съемке
(экспозицией),
но в полной
темноте
frame).
равномерно освещенной поверхности через тот же телескоп, часто для этих целей
фотографируют сумеречное небо, когда звезд еще не видно.
(frame-dark)
(frame
/
flat
darkfield
frame)
N=1
N=10
Получение цветного изображения.
Астрономические ПЗС – матрицы дают черно-белое изображение. Хотя существуют
цветные матрицы, но в астрономии они не используются. Цветное изображение
получается при сложении трех монохромных изображений полученных через фильтры
основных цветов: красный, зеленый и синий (Red, Green, Blue). Этот метод получения
цветных изображении называется аддитивным.
Сумма трех цветовых слоев: R+G+B