Несмотря на непрерывные достижения в развитии КМОП технологии, преимущества, присущие приборам с зарядовой связью (ПЗС), такие как отсутствие шумов при переносе заряда и высокое значение отношения сигнал/шум, а также уникальные особенности режима временной задержки и накопления сигнала (режим TDI – time-delay integration) позволяют ПЗС детекторам находить свое применение в решении уникальных научных и прикладных задач.
Приборы с зарядовой связью находятся на переднем крае производства высокопроизводительных электронных детекторов для получения изображения с начала 1970-х годов. В течение последнего десятилетия ряд научных статей предсказывал закат развития ПЗС детекторов в связи с быстрым усовершенствованием и улучшением характеристик комплементарных металлооксидных полупроводниковых (КМОП) детекторов изображения. Действительно, в последние годы КМОП детекторы достигли высокого качества получаемого изображения и в перспективе заменят ПЗС детекторы во многих применениях связанных с визуализацией изображения. Однако некоторые ключевые характеристики ПЗС детекторов, например, временная задержка и накопление сигнала (режим TDI), подтверждают, что ПЗС технология все еще будет незаменимой в ряде применений в течение многих лет.
Компания Fairchild Imaging (США), являющаяся одним из ведущих производителей широкого ассортимента ПЗС линеек и матриц, в сотрудничестве с производителями научных видеокамер Andor Technology (Северная Ирландия) и PCO (Германия), разработала специализированную высокотехнологическую КМОП матрицу (sCMOS) для научных применений, которая по многим параметрам превосходит высококачественные ПЗС детекторы. Несмотря на то, что многие специалисты предсказывают, что в недалекой перспективе sCMOS заменит ПЗС детекторы, обе технологии предоставляют научным сотрудникам и производителям видеооборудования делать самостоятельный выбор в пользу того или иного детектора в зависимости от индивидуальных требований, предъявляемых к применению.
Для применений связанных с получением цифрового изображения, требующих переноса заряда без шумов, в качестве детекторов по-прежнему будет доминировать ПЗС технология, которая позволяет получить непревзойденную производительность в отдельных случаях. В случае необходимости в синхронизации получаемого изображения движущегося объекта ПЗС детекторы с функцией временной задержки и накопления сигнала (TDI CCD) обеспечивают превосходное качество видеосигнала благодаря уникальному методу захвата изображения.
Принципы работы режима TDI
Для того, чтобы понять почему TDI ССD матрицы столь эффективны, необходимо обратить внимание на принцип работы данного типа детекторов. Технология временной задержки и накопления сигнала известна со времен появления пленки для фотографии. Эта методика была разработана для проведения воздушной разведки с целью решить проблему, связанную с возникновением смазанного изображения и повысить отношение сигнал/шум. Суть метода заключается в том, чтобы затвор камеры оставался открытым, и пленка перемещалась с той же скоростью относительно движения исследуемого объекта для получения кадра в виде статической сцены. Режим TDI обеспечивает ряд преимуществ: во-первых, он устраняет необходимость механического затвора, во-вторых, он позволяет получить долгое время экспозиции без смазывания изображения и, наконец,, этот режим работы ПЗС приборов позволяет сделать огромное количество снимков с высоким разрешением с помощью сравнительно небольшой камеры.
В ПЗС детекторах, обладающих возможностью бесшумного переноса заряда, режим TDI реализуется следующим образом. В отличие от устаревших фотокамер, вращающих фотопленку, регистры в ПЗС детекторе тактируются непрерывно, причём тактовая частота подбирается такой, что скорость перемещения заряда равна скорости перемещения изображения; при этом каждый элемент изображения даёт вклад в один и тот же зарядовый пакет, переносимый от строки к строке. Таким образом, получаемое изображение выглядит на несколько порядков ярче по сравнению с эквивалентным статическим изображением. Например, TDI CCD детектор c 64 строками позволяет увеличить значение сигнала в 64 раза и в 8 раз повысить отношение сигнал/шум. Именно TDI CCD детекторы широко применяются в различных прикладных задач - сканирование движущихся объектов, воздушная разведка, цифровая рентгенография, стоматологическое оборудование, спутниковое картографирование и наблюдение за земной поверхностью. Повышенная чувствительность позволяет получать качественное изображение исследуемого объекта при низких уровнях освещенности, а большее значение полной емкости обеспечивает высокий динамический диапазон недостижимый для стандартных ПЗС и КМОП-матриц.
Применения TDI CCD детекторов
Как один из пионеров в развитии ПЗС детекторов, американская компания Fairchild Imaging начала производство ПЗС матриц с режимом TDI в 1973 году и разработала семейство TDI детекторов с размером активной площади от 2K (2000 пикселей) до 24K в длину. За эти годы компания Fairchild Imaging уже поставила десятки тысяч TDI ПЗС матриц различных типоразмеров для решения всевозможных задач и применений.
Совсем недавно компания Fairchild Imaging поставила Национальной Почтовой Службе США высокоскоростные TDI CCD матрицы для считывания штрих-кодов и контроля почтовых отправлений. Эти матрицы имеют активную площадь, состоящую из 2048 пикселей и 96 вертикальных строк, работающих в режиме временной задержки сигнала и накопления со скоростью передачи данных 100 МГц. Почтовые отправления проходят через стационарный сканер, в котором установлена TDI CCD матрица, позволяющая получить изображение сканируемого объекта без размытия. Благодаря повышенной чувствительности детектора удалось снизить яркость осветителя, тем самым увеличив срок службы самой сканирующей системы.
Широкоформатные TDI детекторы находят свое применение в воздушной разведке и спутниковом картографировании, где для получения изображения камера с установленной TDI CCD матрицей движется с определенной скоростью относительно исследуемого объекта. Многие фотокамеры, предназначенные для аэрофотосъемки и установленные на самолетах-шпионах, содержат одни из самых уникальных TDI CCD матриц с самым высоким разрешением. Одна из таких камер, разработанная компанией Fairchild Imaging для Goodrich Corporation, является частью разведывательного комплекса SYERS, который в режиме реального времени позволяет получить непрерывные изображения наземных объектов в видимом и инфракрасном спектре. Комплекс SYERS может непрерывно получать изображения исследуемых объектов с широтой охвата до 100 морских миль в нескольких диапазонах длин волн с целью исключить влияние тумана или наличие облаков в условиях низкой освещенности. Камера состоит из трех расположенных параллельно в одной плоскости TDI CCD сканеров, позволяющих получить разрешение 10240 пикселей. Каждый из сканеров имеет 32 TDI стадии, а также установленные полосовые пропускающие фильтры, обеспечивающие необходимые требования к цвету получаемого изображения. Цвет изображения, созданный на основе объединения трех полос в видимом спектре, позволяет определить спрятанные и скрытые от глаз цели для проведения дальнейшего анализа.
Картографическое наблюдение за земной поверхностью и снимки, полученные со спутников, также выполняются с применением широкоформатных TDI матриц. Эти детекторы обеспечивают очень широкую полосу пропускания без смазывания изображения, не требуют сшивки изображений и позволяют получить высокое разрешение. Компания Fairchild Imaging изготовила многоспектральную TDI CCD матрицу с 24000 линий для околоземного спутника KOMPSAT-3, разработанного Корейским институтом аэрокосмических исследований. Благодаря данной матрице спутник может получать снимки и информацию о различных географических, сельскохозяйственных и океанографических объектах для последующего экологического мониторинга.
Еще одним уникальным применением, в котором применяются TDI CCD матрицы, является получение стоматологических панорамных рентгеновских снимков. Любой, кто посещал стоматолога в течение последнего десятилетия, мог столкнуться с большим рентгеновским аппаратом, который перемещается на 180º вокруг вашей головы для получения панорамного снимка черепа и челюстной кости. Для этих рентгеновских сканнеров применяются широкоформатные TDI CCD матрицы, которые отличаются от своих аналогов предназначенных для работы в видимом спектре, наличием волоконно-оптической шайбы, защищающей детектор от непосредственного воздействия рентгеновского излучения и сцинтиллятора, нанесенного на поверхность активной области матрицы для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет.
В настоящее время существует широкий выбор детекторов для получения высококачественных цифровых снимков и изображений. Развитие КМОП технологии является долгожданным событием для многих применений, требующих визуализации изучаемых объектов. Однако при выборе того или иного типа детектора для решения определенного круга задач по визуализации получаемого изображения, необходимо найти компромисс между сложностью архитектуры детектора и эффективностью его работы в данном применении. Несмотря на то, что КМОП технология делает широкие шаги в повышении качества получаемого изображения и является правильным выбором для многих применений, TDI CCD детекторы будут продолжать доминировать рынке сканирующего оборудования предназначенного для получения изображения движущихся объектов в условиях низкой освещенности.
Американская компания Fairchild Imaging является одним из ведущих в мире производителей как линейных, так и широкоформатных ПЗС детекторов для аэрокосмической промышленности и различных научных применений.
По материалам Азимут Фотоникс www.azimp.ru
