1.5. Спектральная характеристика чувствительности

Спектральная характеристика отражает способность ФПЗС-матрицы преобразовывать оптическое излучение с различными длинами волн в электрический заряд. Применительно к ФПЗС-матрицам спектральная характеристика представляет собой зависимость квантовой эффективности от длины волны и является селективной.

Теоретический предел чувствительности

.

Поскольку большинство бытовых ФПЗС-камер имеют максимальную спектральную чувствительность в видимом диапазоне (_max = 0,6 … 0,7 мкм) и применяются при дневном освещении, при их калибровке используется эталонный источник типа «А» с цветовой температурой Т_цв = 2856 К.

1.6. Отношение сигнал/шум

Важнейшим параметром, численно характеризующим видеосигнал, является аппаратное отношение сигнал/шум, представляющее собой отношение среднего значения напряжения видеосигнала к среднеквадратичному значению суммарных шумов , обычно выражаемое в [дБ]:

.

Учитывая то, что ФПЗС-камера формирует изображение на экране видеомонитора, предъявляемое для анализа человеку-оператору, практическое значение имеет не абсолютная величина напряжение видеосигнала, а перепад уровней между двумя соседними элементами изображения. Тогда выражение для аппаратного отношения сигнал/шум можно переписать для двух соседних ячеек ФПЗС-матрицы, на одну из которых излучение от объекта не попадает (присутствует только шум), а на другую попадает только «полезный» сигнал:

,

где - среднее число фотоэлектронов, накопленных одной ячейкой ФПЗС-матрицы за время Т_н и обусловленных «сигнальным» излучением; - среднеквадратическое число электронов, обусловленных суммарными шумами в одной ячейке ФПЗС за тот же период накопления. В свою очередь, величину можно представить следующим образом:

,

где - среднеквадратичное значение фотонных шумов, величина –которых зависит от уровня суммарной освещенности; - среднеквадратическое значение темнового шума (т.е. шума, имеющего место в отсутствие внешнего излучения). При этом, если зависит от внешних факторов, то является исключительно внутренней характеристикой ФПЗС-матрицы. На рис. 4 представлен график фотоэлектрической функции, представляющей собой зависимость от среднего числа фотонов, попадающих в одну ячейку ФПЗС-матрицы. Анализ графика позволяет заключить, что при малых уровнях освещенности в ячейке преобладает темновой шум , а при больших – фотонный .

Дисперсия числа электронов фотонного шума равна среднему значению всех фотоэлектронов (т.е. обусловленных сигнальным и фоновым излучениями) . В отличие от фотонного, темновой шум является многокомпонентным. Дисперсия числа электронов темнового шума равна сумме дисперсий статистически независимых шумовых компонент:

.

Основными шумовыми компонентами темнового (внутреннего) шума являются: фиксированный шум подложки, шум усилителя, тепловой шум, генерационно-рекомбинационный шум, токовый шум 1/f и т.д.

Тем не менее, при проведении инженерных расчетов нецелесообразно рассчитывать каждую шумовую компоненту – достаточно вычислить среднеквадратические значения темнового или суммарного шумов по известной минимальной освещенности.