Источники шумов в ПЗС-камерах - Микросистемы

23 Февраля 2017

Минимальный сигнал, который может теоретически обеспечить данное отношение С/Ш, определяется случайными колебаниями потока фотонов, — связанным с сигналом источником собственного шума, существующего даже в случае идеального бесшумного фотоприемника. Интенсивность фотонного флуктуационного шума равна квадратному корню из количества сигнальных фотонов и, поскольку этот шум невозможно ликвидировать, именно он определяет максимально достижимое отношение сигнал/шум для бесшумного фотоприемника. Таким образом, отношение сигнал/шум определяется уровнем сигнала (S), деленным на корень квадратный из уровня сигнала (S(½)), и, следовательно, равно корню квадратному из S. Если для выделения сигнала из шумов требуется отношение сигнал/шум, равное 2,7, значит, теоретически различимый световой поток должен состоять, минимум, из 8-и фотонов.

На практике, к собственному флуктуационному фотонному шуму добавляются другие шумовые составляющие, не связанные с фотонным сигналом образца, и порождаемые матрицей ПЗС и электроникой камеры. Накопленный в потенциальной яме заряд, порожденный источниками шумов, невозможно отличить от сигнала, порожденного фотонами. Главным образом, шум системы состоит из шума усилителя считывания и шума, обусловленного образованием тепловых электронов в кремниевом кристалле фотоприемника. Тепловой шум связан с кинетическими колебаниями атомов кремния в подложке матрицы ПЗС. В результате этих колебаний электроны и дырки высвобождаются даже в полной темноте, и затем накапливаются в потенциальных ямах. Поэтому, такой шум называется темновым шумом, и представляет собой неопределенность в величине накопления темнового заряда за определенный промежуток времени. Скорость формирования темнового заряда, так называемый, темновой ток, не связан с фотонно-индуцируемым сигналом, и очень сильно зависит от температуры. Подобно фотонному шуму, темновой шум подчиняется статистической (через квадратный корень) связи с темновым током и, следовательно, его невозможно просто вычесть из сигнала. Охлаждение ПЗС-камеры на каждые 20 градусов Цельсия уменьшает накопление темнового заряда на порядок, поэтому, высококачественные камеры во время использования, обычно, охлаждаются. Охлаждение всего лишь до 0 градусов Цельсия дает весьма существенный эффект, а при -30 градусах Цельсия темновой ток уменьшается до пренебрежимо малой величины практически для любого применения в микроскопии.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Таким образом, в охлаждаемой камере остается еще одна из основных составляющих электронного шума — шум чтения, порождаемый, главным образом, находящимся на кристалле предварительным усилителем, в процессе преобразования носителей заряда в сигнал напряжения. Несмотря на то, что шум чтения поровну добавляется к каждому пикселю фотоприемника, точно определить его величину невозможно, — ее можно лишь аппроксимировать по среднему (среднеквадратичному) значению, выраженному в электронах на пиксель. Некоторые из видов шума усилителя считывания частотно-зависимы и, в общем случае, шум чтения увеличивается с увеличением скорости измерения заряда каждого из пикселей. Возрастание шума на высоких скоростях считывания и передачи кадров частично обусловлено необходимостью большей полосы пропускания усилителя на более высоких частотах тактирования пикселей. Охлаждение матрицы ПЗС, в некоторой степени снижает уровень шума усилителя считывания, но не до пренебрежимо малого уровня. Однако, в целый ряд конструкций современных высококачественных камер внесены улучшения, существенно снизившие значение шума чтения. Один из способов достижения высоких скоростей считывания и передачи кадров без повышения уровня шума, состоит в электрическом разделении матрицы ПЗС на два (или более) сегмента. Это позволяет сдвигать заряд в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или в углах кристалла. Такой метод дает возможность считывать заряд с матрицы с более высокой общей скоростью, без чрезмерного повышения скорости считывания (и шума) отдельных усилителей.

www_microsystemy_ru_articles_CCD_Camera_Noise_Sources

Рис. 1. Структура ПЗС-матрицы построчного переноса с микролинзами

Охлаждение ПЗС-камеры дает, помимо снижения уровня темнового шума, дополнительное преимущество, в виде улучшения эффективности переноса заряда (CTE) матрицы ПЗС. Этот параметр становится особенно важным в связи с широким использованием в современных устройствах формирования изображений матриц ПЗС больших размеров, а также благодаря росту скоростей считывания, необходимых для исследования быстрых динамических процессов. При каждом сдвиге зарядового пакета по каналам переноса, в процессе считывания матрицы ПЗС, небольшая часть заряда может оставаться не перемещенной. Несмотря на то, что, в большинстве случаев, потери переноса на каждом пикселе пренебрежимо малы, в результате очень большого числа переносов, особенно, в мегапиксельных фотоприемниках, у самых удаленных от усилителя (усилителей) считывания пикселей матрицы ПЗС могут произойти значительные потери, если эффективность переноса заряда недостаточно высока. Неполный перенос заряда может приводить к размыванию изображения, обусловленному смешением зарядов смежных пикселей. Кроме того, совокупное растекание (потери) заряда при перемещении каждого пикселя, особенно в больших матрицах, может стать причиной затенения изображения, когда самые удаленные от выходного усилителя матрицы ПЗС области изображения выглядят темнее, чем более близкие к последовательному регистру. Эффективность переноса заряда в охлаждаемых ПЗС-камерах может составлять 0,9999 и более. При таких значениях эффективности переноса влияние потерь на изображение, как правило, ничтожно, однако, значения ниже 0,999 вполне могут приводить к затенению.

Для компенсации затенения изображения существуют как аппаратные, так и программные методы. Программная коррекция осуществляется путем формирования изображения с однородным полем интенсивности, которое, затем, используется для создания попиксельной коррекционной карты. При помощи этой карты впоследствии можно исключать неоднородности изображений, обусловленные затенением. Обычно, методы программной коррекции дают удовлетворительные результаты в системах, не требующих исправления локальной интенсивности, более чем на 10–20%. Аппаратные методы, в том числе настройка коэффициентов передачи отдельных рядов пикселей, позволяют осуществлять более значительные исправления, вплоть до пятикратных. Необходимое значение коэффициента передачи определяется по интенсивностям контрольных сигналов от пяти-шести эталонных пикселей, расположенных вне области формирования изображения, в конце каждого ряда пикселей. Величины напряжения, полученные в результате обработки столбцов эталонных пикселей, расположенных на краю параллельного регистра, служат контрольными значениями потерь заряда при переносе. На их основе формируются поправочные коэффициенты для каждого ряда пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным в результате считывания соответствующего ряда. У некоторых датчиков поправочные коэффициенты для определенных участков, например, для областей, удаленных от выходного усилителя в видеокамерах, достаточно велики. Кроме того, шумы в таких областях изображения могут достигать значительных уровней. Хотя, методы аппаратной коррекции и устраняют эффекты затенения без заметного ослабления сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал/шум для всего изображения будет неоднородным.

Пространственное и временное разрешение фотоприемников на матрицах ПЗС

Во многих случаях главным требованием, предъявляемым системе получения изображений, является ее способность обеспечивать высокое временнóе разрешение. Например, кинетика исследуемого процесса требует получения изображений со скоростью видеорежима и с умеренным разрешением. В этом случае, камера, обеспечивающая превосходное разрешение только в режиме медленной развертки, и плохо работающая, либо вовсе не работающая, в режиме высокоскоростной передачи кадров, окажется бесполезной. Полнокадровые камеры с медленной разверткой не обеспечивают высокое разрешение в режиме видеосъемки. Для формирования одного кадра, в случае большой матрицы пикселей, таким камерам требуется около одной секунды, в зависимости от скорости работы и разрядности цифро-аналогового преобразователя. В том случае, когда сигнал яркости образца имеет уровень, достаточный для съемки с короткими выдержками (порядка 10 миллисекунд), использование бининга и выделение субматрицы делает возможным съемку камерами с электромеханическими затворами со скоростью около 10 кадров в секунду, но с пониженным разрешением и меньшими размерами кадра. Для более высоких скоростей передачи кадров необходимо использовать камеры построчного или покадрового переноса, которым не нужны затворы. Помимо этого, такие камеры, как правило, быстрее выполняют цифро-аналоговое преобразование. Высокоскоростные камеры такой конструкции последнего поколения способны формировать полнокадровые изображения с 12-разрядным разрешением на скоростях, близких к скорости видеорежима.

Превосходное пространственное разрешение современных ПЗС-систем формирования изображений напрямую связано с размерами пикселей, и значительно улучшилось благодаря технологическим усовершенствованиям. Современные технологии позволили существенно уменьшить пиксели фотоприемников на ПЗС, не ухудшая другие их рабочие характеристики. В сравнении с размером зерен типичной фотопленки (около 10 мкм), пиксели многих ПЗС-камер, использующихся в биологической микроскопии, имеют меньшие размеры. В сочетании с широко использующимися объективами с большим увеличением, проецирующими на поверхность ПЗС-матрицы дифракционные круги (диски Эйри) сравнительно больших радиусов, такие фотоприемники обеспечивают более чем адекватное разрешение. Сегодня предлагаются ПЗС-камеры научно-исследовательского класса, с построчным переносом и размером пикселей менее 5 мкм, что делает их пригодными для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами малого увеличения. В том случае, когда требуется сохранить пространственное разрешение оптической системы, важным критерием выбора цифровой камеры становится взаимосвязь размеров фотоэлемента и оптического разрешения.

Для определения адекватности размера пикселей фотоприемника разрешающей способности оптической системы микроскопа, обычно, используется критерий Найквиста. Согласно теореме Найквиста, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения, наименьший радиус дифракционного кружка, который создается оптической системой, должен измеряться, минимум, двумя пикселями матрицы формирования изображения. В качестве примера рассмотрим ПЗС-пиксель с размерами 6,8×6,8 микрон, в сочетании со 100-кратным объективом с числовой апертурой 1,3, который формирует в плоскости фотоприемника дифракционное пятно с радиусом 26 микрометров. Такая комбинация фотоприемник-объектив позволяет получить превосходное разрешение, поскольку радиус дифракционного диска покрывает на матрице фотоприемника 4-пиксельный интервал (26 / 6,8 = 3,8 пикселя), что почти в два раза превышает ограничение по критерию Найквиста. При такой частоте дискретизации имеется достаточный запас, благодаря чему критерий Найквиста почти удовлетворяется даже с использованием бининга 2×2 пикселя.

Квантовый выход фотоприемника

Квантовый выход (QE) фотоприемника — это мера вероятности того, что фотон с определенной длиной волны будет поглощен активной областью устройства и высвободит носители заряда. Этот параметр характеризует эффективность генерирования заряда ПЗС-фотоприемником под действием падающих на него фотонов и, следовательно, является основным детерминантом минимально различимого камерой сигнала, в особенности, при визуализации в условиях низкой освещенности. В том случае, когда фотон не достигает обедненной области (слоя) полупроводника, или же проходит насквозь без передачи существенного количества энергии, заряд не образуется вообще. Характер взаимодействия фотона с фотоприемником зависит от энергии и, соответственно, длины волны фотона, и напрямую определяется областью спектральной чувствительности фотоприемника. Несмотря на то, что традиционные ПЗС-фотоприемники фронтального освещения высокочувствительны, ни один из них не обладает 100-процентным квантовым выходом ни на одной длине волны.

Типовые фотоприемники, использующиеся во флуоресцентной микроскопии, способны регистрировать фотоны в спектральном диапазоне 400–1100 нанометров, и имеют пик чувствительности в диапазоне 550–800 нанометров. Максимальный квантовый выход таких фотоприемников составляет не более 40–50%, за исключением новейших моделей, эффективность которых может достигать 80%. Рисунок 2 иллюстрирует спектральную чувствительность ряда популярных матриц ПЗС. На графике представлена зависимость квантового выхода от длины волны падающего света. Большинство из использующихся в научной сфере матриц ПЗС являются устройствами построчного переноса. Вследствие того, что межстрочная маска серьезно ограничивает площадь светочувствительной поверхности, многие ранние модели обладают очень низкими значениями квантового выхода. С появлением технологии поверхностных микролинз, позволяющих направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами переноса, новые построчные фотоприемники стали намного более эффективными, и многие из них имеют квантовый выход 60–70%.

www_microsystemy_ru_articles_CCD_Camera_Noise_Sources

Спектральный диапазон и квантовый выход некоторых высокоскоростных ПЗС-фотоприемников дополнительно улучшаются в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра путем различных конструкционных улучшений. Поскольку алюминиевые затворы каналов переноса обладают высокой поглощающей и отражающей способностью в синей и ультрафиолетовой областях спектра, во многих новых конструкциях используются другие материалы, например, оксид индия и олова, позволяющие улучшить светопропускание и квантовый выход в более широком спектральном диапазоне. Еще больший квантовый выход могут давать специальные матрицы ПЗС фотоприемников, предназначенные для освещения сзади, что позволяет полностью избежать размещения на рабочей поверхности светопоглощающей структуры электродов. В этих приборах бóльшая часть кремниевой подложки удаляется травлением и, хотя, в итоге, устройство получается хрупким и сравнительно дорогим, его типичный квантовый выход составляет около 90%.

Помимо всего перечисленного, для дополнительного улучшения спектральных характеристик могут использоваться другие методы обработки поверхности и конструкционные материалы. Для улучшения функциональных параметров матриц ПЗС с утонченной тыльной поверхностью в ультрафиолетовом диапазоне, используются специальные антиотражающие покрытия. Для улучшения квантового выхода в ближней инфракрасной области, в некоторых фотоприемниках используются модифицированные полупроводниковые материалы. Чувствительность матриц ПЗС фронтального освещения к излучению за пределами стандартного спектрального диапазона можно обеспечить путем нанесения на рабочую поверхность фотоприемника частотно-преобразующих люминофоров. Для этой цели выбираются люминофоры, поглощающие фотоны интересующего спектрального диапазона, и излучающие свет в диапазоне спектральной чувствительности матрицы ПЗС. Например, если образец исследуемого флуорофора излучает свет с длиной волны 300 нанометров (где чувствительность всех матриц ПЗС минимальна), на поверхность фотоприемника можно нанести преобразующий люминофор, эффективно поглощающий в диапазоне 300 нанометров и излучающий фотоны с длиной волны 560 нанометров, т. е., в диапазоне максимальной чувствительности матриц ПЗС.

Динамический диапазон

Под термином динамический диапазон ПЗС-фотоприемника понимается максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть количественно интерпретировано этим фотоприемником. Большинством производителей ПЗС-камер динамический диапазон количественно определяется, как отношение полной емкости потенциальной ямы пикселя (FWC) к шуму чтения. Приведенное определение базируется на логическом обосновании, что это значение представляет собой ограничивающее условие, при котором внутрикадровая яркость изменяется в диапазоне, простирающемся от уровня практического насыщения пикселя до уровня, практически неразличимого под шумами. Динамический диапазон фотоприемника определяет максимальное количество разрешимых градаций яркости, на которые может быть разделен принятый сигнал. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-фотоприемника, целесообразно согласовать его с разрядностью аналого-цифрового преобразователя, что позволит получить максимально возможное количество градаций (уровней) яркости. Например, динамический диапазон камеры с полной емкостью потенциальной ямы в 16 000 электронов и шумом считывания в 10 электронов, равен 1600, и находится в промежутке между 10-разрядным11-разрядным А/Ц-преобразованием. Аналого-цифровые преобразователи с разрядностью 10 и 11 разрядов, способны распознать, соответственно, 1024 и 2048 градаций яркости. Поскольку, как определено выше, информационный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество уровней интенсивности, которое может быть закодировано цифровым процессором (АЦП), отражает его разрешающую способность (битовую глубину), и определяется, как 2 в степени, равной значению заданной битовой глубины. Таким образом, 8, 10, 12 и 14-разрядные АЦП могут закодировать, максимум, 256, 1024, 4096 и 16384 уровней яркости, соответственно.

Определение динамического диапазона, как отношения полной емкости потенциальной ямы к шуму чтения, безусловно, не совсем реалистическая мера эффективного динамического диапазона, но весьма удобна для сравнения фотоприемников. На практике, эффективный динамический диапазон меньше этого отношения по двум следующим причинам: a) выходная характеристика ПЗС-фотоприемника становится нелинейной до того, как достигается полная емкость потенциальной ямы; b) сигнал с уровнем, равным шуму чтения, неприемлем визуально и практически бесполезен для количественных вычислений. Заметим, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможному отношению сигнал/шум, хотя это отношение тоже является функцией полной емкости потенциальной ямы. Фотонный флуктуационный шум, связанный с максимально возможным сигналом, или полной емкостью потенциальной ямы (FWC), равен квадратному корню из величины FWC, или 126 электронам для 16 000-электронной FWC из предыдущего примера. Таким образом, отношение сигнал/шум равно максимальному сигналу, деленному на шум (16,000/126), или 126-и — корню квадратному из собственно сигнала. Фотонный шум характеризует минимальный уровень собственных шумов. На практике зарегистрированный рассеянный свет и электронный (системный) шум уменьшают отношение сигнал/шум до значений, меньших 126, поскольку эти источники помех снижают эффективную величину FWC, добавляя в потенциальные ямы электроны, не являющиеся сигнальными.

Хотя, производитель мог бы стандартно оборудовать камеру с динамическим диапазоном около 4000, аналого-цифровым преобразователем, например, с 12-разрядным разрешением (4096 ступеней преобразования), в вопросе согласования динамического диапазона фотоприемника и разрядностью АЦП необходимо учитывать ряд релевантных факторов. Определенный по значениям FWC и шума чтения, динамический диапазон некоторых новейших ПЗС-камер с построчным переносом и 12-разрядным АЦП, составляет, приблизительно, 2000. Однако, многие современные модели позволяют устанавливать коэффициент передачи, равный 0,5x, что дает возможность полностью использовать 12-разрядное разрешение. Этот метод основывается на том, что пиксели последовательного регистра имеют удвоенную, в сравнении с пикселями параллельного регистра, электронную емкость. Поэтому, выбрав для камеры режим бининга 2×2 (общепринятый режим во флуоресцентной микроскопии), можно получать высококачественные изображения с 12-разрядным разрешением.

Чтобы успешно использовать доступную битовую глубину преобразователя, важно знать различные механизмы манипулирования коэффициентом передачи электронной системы. А сравнивая динамические диапазоны разных камер, лучше всего вычислить их, исходя из величины полной емкости потенциальной ямы и шума чтения соответствующей камеры. Камера, оснащенная электронной системой, обладающей цифровым разрешением, намного бóльшим, чем того требует внутренний динамический диапазон камеры, стала обычным явлением. Использование таких камер со стандартным единичным (1x) коэффициентом передачи электронной системы ведет к потенциально большему количеству неиспользуемых уровней яркости, из тех, которые может обеспечить аналого-цифровой преобразователь. В принципе, изготовитель камеры может реализовать в ней непредусмотренный коэффициент передачи, равный 2-4x, что может быть неочевидно для пользователя. И, хотя, с целью использования всей разрядности АЦП, такой метод повышает уровень сигнала, он создает повышенный уровень шумов аналого-цифрового преобразования, поскольку снижает количество сигнальных электронов, определяющих каждый из уровней яркости.

Ввиду того, что устройства отображения, например, мониторы компьютеров и многие принтеры обеспечивают только 8-разрядное разрешение, воспроизводя 256 уровней яркости, а другие печатные средства массовой информации, как и человеческий глаз, способны только на 5-7-разрядное разрешение, потребность в ПЗС-камерах с большой битовой глубиной может показаться сомнительной. Несмотря на столь низкие требования к визуализации, обладающие большой глубиной цвета и широким динамическим диапазоном камеры всегда будут предпочтительны и необходимы для определенных приложений, в частности, для флуоресцентной микроскопии. Большое количество уровней яркости позволяет более точно определять значения интенсивности при обработке данных визуализации, полученных в ходе количественных экспериментов с анализом относительных или кинетических процессов. Кроме того, подвергаясь множеству операций по обработке изображений, данные визуализации, имеющие более точное разрешение по большому количеству уровней яркости, могут выдерживать значительно больше математических манипуляций, без проявления ухудшения из-за арифметических погрешностей округления.

Третье преимущество систем с большой разрядностью визуализации становится понятным, когда для отображения выбирается часть полученного изображения, и область интереса охватывает только часть всего динамического диапазона изображения. С целью оптимизации представления ограниченного динамического диапазона, исходное количество уровней яркости, обычно, расширяется, чтобы охватить все 256 градаций 8-разрядного монитора или принтера. Бóльшая битовая глубина камеры ведет к менее экстремальному расширению и, соответственно, меньшему ухудшению качества изображения. Например, если выбранный участок изображения охватывает только 5% полного внутрикадрового динамического диапазона, это будет представлять более 200 уровней яркости из 4096, дискриминируемых 12-разрядным АЦП, и, всего лишь, 12 градаций 8-разрядной (256-уровневой) системы. В случае отображения на мониторе или печати на принтере, с использованием 256 уровней яркости, расширенное до такой степени изображение с 12-разрядным разрешением по яркости, выглядело бы «пикселизированным», с блочными или контурными яркостными переходами, а не с плавными градациями яркости.

Цветные фотоприемники на матрицах ПЗС

Хотя, по своей природе, ПЗС нечувствительны к цвету, для получения цветных изображений при помощи ПЗС-камер, (с целью визуализации внешнего вида образца в микроскопе) используются три различных метода. Прежние технические трудности отображения и печати цветных изображений перестали быть проблемой, а увеличение объема информации, которую дает цветное изображение, может быть весьма значительным. Многие приложения, например, флуоресцентная микроскопия, изучение окрашенных гистологических и патологических срезов тканей, а также наблюдение других меченых образцов, с использованием методов светлого поля или дифференциально-интерференционного контраста, основывается на цвете, как неотъемлемом компоненте изображения. Для получения цветных изображений при помощи ПЗС-камеры, требуется, при помощи цветных светофильтров, разделить красную, зеленую и синюю спектральные составляющие светового потока, по отдельности зарегистрировать эти составляющие и, затем, объединить их в составное цветное изображение.

Каждый из методов распознавания цвета имеет сильные и слабые стороны, но все они ограничивают скорость, ухудшают временнóе и пространственное разрешение, сужают динамический диапазон и повышают уровень шумов в цветных камерах, по сравнению с полутоновыми камерами. Наиболее распространенный метод состоит в установке на матрицу ПЗС маски с чередующимися красными, зелеными и синими (RGB) микролинзами-светофильтрами, расположенными в виде мозаичного шаблона Байера. В конструкции с тремя кристаллами изображение разделяется светоделительной призмой и цветными светофильтрами на три составляющих (RGB), которые регистрируются отдельными матрицами ПЗС, из выходных сигналов которых воссоздается цветное изображение. Третий метод заключается в чередовании кадров, когда одна матрица ПЗС используется для последовательного получения отдельных изображений каждого цвета, за счет смены цветных светофильтров, расположенных в осветительной оптической системе либо перед фотоприемником.

www_microsystemy_ru_articles_CCD_Camera_Noise_Sources

Рис. 2.  Спектральная чувствительность ПЗС научного уровня

В большинстве цветных камер для микроскопии используются однокристальные матрицы ПЗС с присоединенными матрицами цветных светофильтров. Матрица фильтров состоит из красных, зеленых и синих микролинз, установленных на отдельные пиксели в виде регулярной структуры. Мозаичный светофильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельным светочувствительным модулям, в состав каждого из которых входит один красный, один синий и два зеленых светофильтра. Зеленый цвет выделяется в характере распределения с целью лучшего соответствия зрительной чувствительности человека, а деление цветовой информации среди групп из четырех пикселей весьма умеренно ухудшает разрешение. Зрительная система человека воспринимает пространственные детали, главным образом, через составляющие сигналов яркости, а эта информация содержится в каждом пикселе, независимо от цвета. Зрительно удовлетворительные изображения получаются путем объединения цветовой информации, имеющей более низкое пространственное разрешение, и имеющих высокое разрешение монохроматических структурных деталей.

Существует уникальная конструкция цветных камер с одной матрицей ПЗС, которая улучшает пространственное разрешение, слегка сдвигая матрицу ПЗС между последовательными операциями получения цветных составляющих изображения, а затем интерполирует эти составляющие (прием, называемый сдвиг пикселей), хотя это весьма существенно замедляет процесс. Другой метод индивидуального маскирования пикселей состоит в быстром перемещении матрицы цветных микролинз в виде квадрата, непосредственно по поверхности матрицы ПЗС в процессе регистрации фотонов. И, наконец, недавно представленная технология объединяет в каждом из пикселей три потенциальные ямы различной глубины для фотоэлектронов, позволяющие дискриминировать фотоны по длине волны. Этот метод обеспечивает максимальное пространственное разрешение, поскольку каждый пиксель содержит информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехкристальная камера объединяет в себе высокое пространственное разрешение с высокой скоростью получения изображений, что обеспечивает высокую скорость передачи кадров, пригодную для получения высокоскоростных последовательностей изображений и реализации видеовыхода. Использование светоделителя для направления сигнала на три матрицы ПЗС, которые, за счет использования соответствующих светофильтров, одновременно регистрируют красную, зеленую и синюю составляющие изображения, позволяет производить съемку с очень высокой скоростью. Однако, по причине того, что интенсивность света, попадающего на каждую из матриц ПЗС, существенно снижается, объединенное цветное изображение получается намного более темным, чем монохроматическое изображение, полученное с помощью однокристальной камеры при сравнимой выдержке. Повысить яркость такого цветного изображения можно за счет увеличения коэффициента передачи, но при этом ухудшается отношение сигнал/шум и на изображениях становятся более заметными искажения. Пространственное разрешение трехкристальной камеры может быть выше пространственного разрешения отдельно взятых ее матриц ПЗС, если каждая из этих матриц смещена на субпиксельное расстояние относительно двух других. Поскольку, при этом, красное, зеленое и синее изображения представляют несколько разные выборки, их можно объединить при помощи ПО камеры, и получить составное изображение с высоким разрешением. Многие приложения в микроскопии и других областях науки, где требуется высокое пространственное и временнóе разрешение, выигрывают от использования камер с тремя матрицами ПЗС.

Цветные камеры с так называемым чередованием кадров оснащаются автоматическим диском со светофильтрами или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром (LCTF), для последовательного получения красной, зеленой и синей составляющих изображения на одной матрице ПЗС. Поскольку для получения всех составляющих изображения — красной, зеленой и синей, используется один и тот же фотоприемник, сохраняется его полное пространственное разрешение, а регистрация изображения происходит автоматически. Последовательное получение трех кадров замедляет процесс съемки и отображения изображения, а для достижения правильного цветового баланса, часто, каждому из трех цветовых составляющих требуется собственное время интеграции. Хотя, камеры такого типа, как правило, не подходят для высокоскоростного формирования и передачи кадров, использование быстродействующих жидкокристаллических настраиваемых фильтров для R-G-B последовательности может существенно повысить их рабочую скорость. В некоторых приложениях необходимо учитывать поляризационные характеристики фильтров LCTF, поскольку эти фильтры пропускают только один вектор поляризации, и при наблюдении в поляризованном свете могут изменять цвета образцов, способных к двойному лучепреломлению.

Возврат к списку