Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру

Представлено результати порівняльних досліджень впливу ефекту насичення і розпливання зарядів на якість і динамічний діапазон зображень, одержуваних за допомогою приладів із зарядовим зв'язком з лінійною структурою декількох типів. На прикладі зареєстрованих спектрів показано ступінь нелінійних...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Datum:	2019
Hauptverfasser:	Єгоров, А.Д., Єгоров, В.А., Єгоров, С.А., Сінельніков, І.Є.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2019
Schlagworte:	Электронные средства: исследования, разработки
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167882
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру / А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров С.А. Єгоров, І.Є. Сінельніков // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2019. — № 5-6. — С. 8-15. — Бібліогр.: 21 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859903050008756224
author	Єгоров, А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров, С.А. Сінельніков, І.Є.
author_facet	Єгоров, А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров, С.А. Сінельніков, І.Є.
citation_txt	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру / А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров С.А. Єгоров, І.Є. Сінельніков // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2019. — № 5-6. — С. 8-15. — Бібліогр.: 21 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description	Представлено результати порівняльних досліджень впливу ефекту насичення і розпливання зарядів на якість і динамічний діапазон зображень, одержуваних за допомогою приладів із зарядовим зв'язком з лінійною структурою декількох типів. На прикладі зареєстрованих спектрів показано ступінь нелінійних спотворень зображень яскравих спектральних ліній. Запропоновано спосіб зменшення впливу цього ефекту, а також описано апаратуру та методичне забезпечення для її реалізації в практиці атомно-емісійної спектрометрії. Целью данной работы было выполнение сравнительных исследований динамического диапазона сенсоров в зависимости от наличия антиблуминга, а также разработка путей его расширения при спектрофотометрических измерениях. На экспериментальном материале показан характер нелинейности передаточной светосигнальной функции при сигналах большой амплитуды, показана роль насыщения и размытия (блуминга) изображения сложной системы линий различной амплитуды. Из общих соображений и анализа предыдущих экспериментов сделан вывод о том, что применение встречного транспортирования зарядов может открыть принципиально новые возможности линеаризации светосигнальной характеристики фотодетекторов. The aim of this work was to carry out comparative studies of the dynamic range of sensors depending on the presence of anti-blooming, as well as to develop ways to expand the dynamic range during spectrophotometric measurements. Based on common sense and the analysis of previous experiments it is reasonable to assume that registration of the same spectral region with bidirectional transportation of charges in CCD devices could give extra advantages for the following linearization.
first_indexed	2025-12-07T15:58:04Z
format	Article
fulltext	Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 8 ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 1 ÓÄÊ 621.383.72 К. ф.-м. н. А. Д. ЄГОРОВ, В. А. ЄГОРОВ, С. А. ЄГОРОВ, І. Є. СІНЕЛЬНІКОВ Óкраїна, м. Харків, Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Óсикова НАН Óкраїни E-mail: yegorov@ire.kharkov.ua ÄОСЛІÄЖЕННЯ МОЖЛИВОСТІ ÊОМПЕНСАЦІЇ ЕФЕÊТА БЛÓМІНГА ПЗЗ-ÄЕТЕÊТОРІВ ОПТИЧНОГО СПЕÊТРÓ Багатоелементні напівпровідникові детектори набувають все більшого поширення в практиці оптичної спектрометрії, але багато хто відзначає такі їхні недоліки, як недостатній динамічний діапазон і нелінійність світлосигнальної харак- теристики. Так, в роботах [1, 2] розкривають- ся особливості архітектури ПЗЗ-фотоприймачів і фактори, що обмежують динамічний діапазон сенсорів, а також розкривається сутність явища розпливання зарядів (ефект блумінгу) в прила- дах із зарядовим зв’язком (ПЗЗ) [2] і вплив за- собів пригнічення блумінга (антиблумінгу) на лінійність ПЗЗ-фотоприймачів [3]. В [4] дослі- джуються динамічні і спектральні характеристи- ки ÊМОН-фотоприймачів S11639 шляхом аналі- зу спектрів безперервних спектральних джерел, таких як галогенова лампа і дейтерієва лампа, а в [5] виконане порівняльне дослідження цьо- го сенсора з ПЗЗ-сенсорами TCD1205 компанії Toshiba та ILX511 компанії Sony, які мають ан- тиблумінг. В [6, 7] виконане експериментальне дослідження динамічного діапазону спектроме- тра з лінійним ПЗЗ-фотоприймачем TCD1304 компанії Toshiba для відносно широкосмугових спектрів світлодіодів. В [1, 8, 9] надаються опи- си деяких методів алгоритмічного і апаратного розширення динамічного діапазону ПЗЗ сенсо- рів. В [10] пропонується добавити додатковий канал реєстрації з пікселями меншого розміру. Але при цьому в літературі відсутні порівняння найбільш поширених сенсорів TCD1304 з сен- сорами інших типів, а також дослідження щодо можливостей розширення їхнього динамічного діапазону в області великих сигналів. Представлено результати порівняльних досліджень впливу ефекту насичення і розпливання зарядів на якість і динамічний діапазон зображень, одержуваних за допомогою приладів із зарядо- вим зв'язком з лінійною структурою декількох типів. На прикладі зареєстрованих спектрів пока- зано ступінь нелінійних спотворень зображень яскравих спектральних ліній. Запропоновано спосіб зменшення впливу цього ефекту, а також описано апаратуру та методичне забезпечення для її реалізації в практиці атомно-емісійної спектрометрії. Ключові слова: прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ), блумінг-ефект, нелінійні спотворення, динамічний діапазон, закон взаємозамісності. Äослідження динамічного діапазону ПЗЗ- сенсорів у випадку окремо розташованих ліній атомно-емісійних спектрів проводилося нами ра- ніше [11]. Метою даної роботи було виконання порівняльних досліджень динамічного діапазону сенсорів залежно від наявності в них антиблу- мінгу, а також розробка шляхів його розширен- ня при спектрофотометричних вимірюваннях. Експериментальна установка Із аналізу попередніх досліджень та загаль- них міркувань авторами було зроблено висно- вок про те, що застосування зустрічного тран- спортування зарядів може відкрити принципо- во нові можливості лінеаризації світлосигналь- ної характеристики фотодетекторів. Äля більш поглибленого вивчення цих питань з урахуван- ням високої насиченості атомно-емісійних спек- трів експериментальна установка, описана в [12], була модифікована таким чином, щоб за- безпечити детектування спектра ПЗЗ-лінійками детекторів із зустрічним напрямком транспорту- вання зарядів. Основою експериментальної уста- новки була мультисенсорна камера на базі ПЗЗ з лінійною структурою без антиблумінгу TCD 1304 компанії Toshiba [13]. Êрім того, для по- рівняльних досліджень застосовувалися кілька модифікацій односенсорних ПЗЗ-камер з фото- приймачами TCD1205 і ILX511, які мають ан- тиблумінг. Всі камери — оригінальної автор- ської розробки. Основні параметри досліджу- ваних ПЗЗ-фотоприймачів наведено в таблиці. Особливістю сенсорів всіх досліджуваних фо- топриймачів є велика, сильно витягнута, апер- DOI: 10.15222/TKEA2019.5-6.08 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 9ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 2 CCD1 CCD2 CCDn A/D A/D A/D FPGA FT232H USB FSM FIFO SYNC GEN I/O controller I/O Power Power Supply Рис. 1. Структурна схема мультисенсорної камери, а також її зовнішній вигляд (на вісім ПЗЗ-сенсорів): CCD1 … CCDn — ПЗЗ; FPGA — програмована логічна матриця; FT232H — контролер інтерфейсу USB; A/D — АЦП; Power supply — схеми живлення тура пікселів, що добре узгоджується з формою щілини спектральних приладів. Сенсори компа- нії Sony мають обмежений спектральний діапа- зон чутливості в ультрафіолетовій області спек- тра, що в деяких випадках вимагає застосування додаткового люмінофорного покриття. Одним з недоліків ПЗЗ, що випускаються се- рійно, є недостатні лінійні розміри фотоприйма- чів вздовж напрямку дисперсії. Зазвичай спек- тральний діапазон атомно-емісійних аналізато- рів становить 200—400 нм. При типовому спек- тральному розділенні 10 пм і розмірах зображен- ня спектра 200 мм необхідна загальна кількість пікселів в камері реєстрації становить приблиз- но 20000. Наведені в таблиці сенсори мають до- вжину фоточутливої області 28,672—29,184 мм при загальній кількості пікселів від 2048 до 3648, тому застосування одиночних фотодетекторних лінійок прийнятне тільки для спектрографів з малою довжиною спектра. Äля подолання цьо- го обмеження застосовують мультисенсорні ка- мери з шаховим розташуванням детекторних лі нійок і спеціальні оптичні схеми розведення спектра на кілька рядів ПЗЗ [16]. Блок-схему та зовнішній вигляд мультисенсорної камери зо- бражено на рис. 1. Êамера встановлювалася на місце касети з фотопластинкою в спектрограф ÄФС-452 (та- кож можна використовувати промислові спек- трографи типу ИСП-28, ИСП-30, ÄФС-458). В ній використовуються ПЗЗ TCD1304, що не мають антиблумінга. Êамера складаєть- ся з плати управління та двох мультисенсор- них плат, розташованих одна над одною. Äля зв'язку із зовнішнім комп'ютером плата управ- ління містить контролер інтерфейсу USB, ви- конаний на базі мікросхеми FT323H компанії FTDI Chips [17]. Основні схеми синхроніза- ції, управління, прийому, перетворення і пе- редачі даних виконано на програмованій логіч- ній матриці EP3C10E144 Cyclone ІІІ (Intel/ Altera) [18]. Основні параметри досліджуваних ПЗЗ-фотоприймачів Тип сенсора Розмір пікселя, мкм Êількість пікселів Наявність анти блумінгу Чутливість, В/(лк∙с) Äинамічний діапазон TCD1304 (Toshiba) [13] 8×200 3648 – 160 300 TCD1205 (Toshiba) [14] 14×200 2048 + 80 400 ILX511 (Sony) [15] 14×200 2048 + 200 267 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 10 ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 3 Мультисенсорні плати містять буферні фор- мувачі сигналів, аналого-цифрові перетворю- вачі (АЦП) (по одному для кожного сенсора), схеми посилення і узгодження рівнів. На пла- тах розміщуються елементи кріплення і дзер- кальні оптичні відбивачі, які розводять зобра- ження спектра на два ряди сенсорів. Плати зби- раються в пакет і забезпечують реєстрацію спек- тра двома рядами сенсорів, розташування яких представлено на рис. 2. За звичайної, стандарт- ної, конфігурації сенсори розташовуються зі змі- щенням на величину, меншу довжини фоточут- ливої зони одного фотоприймача, як це показа- но на рисунку. В цьому випадку під час одного експонування частина спектра реєструється од- ним рядом лінійок, а частина — в області пере- криття — двома. (На рис. 2 перекриття умовно показано рівним одному пікселю, але в реальній камері воно становило 235 пікселів.) На рис. 3 для ілюстрації представлене зобра- ження ділянки спектра, одержаного однією ПЗЗ- лінійкою TCD1304. З рисунка видно, що тільки ті лінії, амплітуда яких менша за 3000 відліків АЦП, зберігають свою форму. Спочатку лінії досягають амплітудного обмеження. Подальше зростання експозиції призводить до асиметрич- ного, в напрямку транспортування зарядів в ПЗЗ-регістрі, розпливання ліній, обумовлено- го блумінг-ефектом. При реєстрації слабких лі- ній основними компонентами шуму є флуктуації світлового потоку і шуми зчитування. Обидва компонента зменшуються зі збільшенням часу експозиції. Але оскільки задавати різну експо- зицію для різних ділянок спектра однієї лінійки неможливо, доводиться вдаватися до процедури лінеаризації з використанням даних про дотри- мання закону взаємозамісності [11]. Одним із способів розширення динамічного діапазону в області великих сигналів є реєстра- ція спектра з декількома експозиціями: сильні лінії бажано вимірювати з короткою експозиці- єю, а слабкі — з довгою. Тоді, якщо буде до- тримуватись закон взаємозамісності яскравості та витримки, і сильні лінії не будуть переванта- жуватися, і слабкі вдасться витягнути з шумів [1, 6]. Особливо шкідливим є асиметричне роз- повзання заряду в бік транспортування зарядо- вих пакетів в ПЗЗ-регістрі зсуву даних, бо це маскує сусідні лінії [6]. Відомо [19], що ПЗЗ-детектори мають в своє- му складі секції детектування і накопичення за- рядів, а також секцію транспортування зарядо- вих пакетів на вихід сенсора. Êожна з цих сек- цій має свої недосконалості, і їх бажано вивча- ти окремо. Ó даній роботі для вивчення про- цесів, що відбуваються в транспортних регі- страх, використовується два ряда ідентичних ПЗЗ-сенсорів, які мають різні напрямки тран- спортування зарядів. Äля цього в одному з рядів ПЗЗ-фотоприймачі були розвернуті на 180°, що дало стовідсоткове перекриття (рис. 4). Ó цьому випадку зображення, отримані верхнім і ниж- нім рядами лінійок, збігаються. Це в два рази збільшує кількість відліків і за нормальних шу- мів підвищує точність в 21/2 разів. Якщо піксе- лі фотодетекторів в одному ряді лінійок мають меншу площу, ніж в іншому, тоді можна вимі- рювати дуже яскраві лінії без перевантаження і тим самим розширювати динамічний діапазон, як це пропонується в [10]. Рис. 2. Шахове розташування ПЗЗ-сенсорів: 1 — фоточутлива область сенсорів (лінійки фотодіодів); 2 — стоп-клапан; 3 — транспортні регістри; 4 — схеми детектування зарядових пакетів 3 4 3 1 2 4 Рис. 3. Спектр газорозрядної неонової лампи ТМН-2 при часі експонування 1,892 с (напрямок транспортування зарядів — вправо) 3000 2000 1000 500 1000 1500 2000 2500 3000 Номери пікселів В ід лі ки А Ц П 0 Рис. 4. Паралельне розташування ПЗЗ-сенсорів із зустрічним транспортуванням зарядів (позначення такі ж, як на рис. 2) 3 4 3 1 2 4 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 11ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 4 Рис. 5. Спектри, зареєстровані за умов зустрічного транспортування зарядових пакетів в ПЗЗ без анти- блумінга з напрямком транспортування вправо (а) та вліво (б) з часом експонування 1,892 с (суцільні лінії) та 0,083 с (пунктирні лінії) 4000 2000 0 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Номери пікселів В ід лі ки А Ц П а) 4000 2000 0 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Номери пікселів В ід лі ки А Ц П б) Рис. 6. Результат компіляції графіків, представле- них на рис. 5 4000 3000 2000 1000 0 В ід лі ки А Ц П 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Номери пікселів Ëінеаризація світлосигнальної передавальної функції З використанням описаної мультисенсорної камери були проведені вимірювання спектра лампи тліючого розряду ТМН-2. Аналізувалася дуже яскрава лінія, що розташована побли- зу пікселя № 1000 на рис. 3. Отримані ре- зультати фотометрування представлені на рис. 5, де з більшою деталізацією зображена ді- лянка спектра, отримана з двома різними екс- позиціями при транспортуванні заряду в проти- лежних напрямках. З цього рисунку видно, що форма спектральних ліній, зареєстрованих з малою експозицією (пунктир), не залежить від напряму транспортування зарядів, а для отриманих з вели- кою експозицією спостерігається їхнє асиметрич- не розпливання з деформацією одного з фронтів. Äля відтворення форми спектра перевантаженої лінії пропонується «відрізати» спотворені поло- винки зображень, а одержані залишки числовими методами скласти по лінії розрізу, як це показа- но на рис. 6. За наявності шумів результат такої компіляції буде залежати від точності визначення координати симетрії лінії, зображеної пунктиром, і якщо для виконання цієї процедури застосува- ти інструменти методу найменших квадратів, то можна розраховувати на її достатню корект ність. Зазначимо, що частинами, які були «відрі- зані», теж не слід нехтувати — їх доцільно ви- користовувати для оцінки аналітичного параме- тра. Якщо їх також скласти по тій же лінії роз- різу, то будемо мати дуже розширену, а не зву- жену, як на рис. 6, лінію. Площа під цією лі- нією буде зростати й при перевантаженні лінії. Таким чином, якщо в ролі аналітичного пара- метра використовувати площу під спектральною кривою, то наявність блумінга можна перетво- рити з недоліку в перевагу. В результаті можна зареєструвати і слабкі лінії, і відновлені, рід- ко розташовані сильні лінії. Амплітудні харак- теристики цих сильних ліній можуть бути від- новлені з залученням даних про їхнє розширен- ня та дотримання закону взаємозамісності, що дозволить у рази збільшити динамічний діапа- зон. Ступінь можливого збільшення діапазону залежить від виду спектра, і більш надійний ви- сновок про можливість застосування цього ме- тоду можна буде зробити тільки за результата- ми його практичного застосування. Таким чином, результатом виконання описа- них перетворень є лінеаризована версія спектра з розширеним динамічним діапазоном, для оста- точної обробки якої доцільно застосовувати ме- тод максимальної правдоподібності [20]. Порівняння із сенсорами з антиблумінгом З метою вивчення питань дотримання закону взаємозамісності були також досліджені лінійка- ми ПЗЗ-детекторів з антиблумінгом TCD1205, ILX511 (див. таблицю). З точки зору того, що у сенсорах цього типу відсутнє розтікання зарядів на сусідні пікселі, можна припустити, що вони мають широкий ди- намічний діапазон. Äля перевірки цього припу- щення були виконані порівняльні дослідження закону взаємозамісності яскравості лінії і три- валості експозиції для лінійок різних типів. Результати фотометрування спектральних лі- ній різної амплітуди ділилися на величину три- валості експозиції. Згідно з законом взаємоза- місності, отримані частки від операції ділення не повинні залежати від тривалості експозиції, тобто вони мають лягати на пряму, паралельну осі експозиції. Відхилення від цієї прямої свід- чать про наявність нелінійностей світлосигналь- ної функції сенсора. Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 12 ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 5 Рис. 7. Вплив тривалості експозиції на поведінку спектральних ліній малої (а) та великої (б) амплі- туди, отримані лінійками з різних ПЗЗ-детекторів: 1 — TCD1304 (без антиблумінга); 2 — ILX511 (з анти- блумінгом); 3 — TCD1205 (з антиблумінгом) Графіки на рис. 7 ілюструють поведінку функції взаємозамісності для двох спектраль- них ліній, зареєстрованих сенсорами трьох ти- пів: рис. 7, а відноситься до лінії з номером пік- селя 495, рис. 7, б — з номером 1580 (нумера- цію див. на рис. 3) і відрізняються між собою за амплітудою приблизно в десять разів. З на- ведених даних випливає, що серед протестова- них сенсорів закону взаємозамісності найкра- ще відповідає лінійка ПЗЗ без антиблумінга TCD1304. Тобто застосування ПЗЗ-детекторів з вбудованими апаратними засобами пригнічення ефекту блумінга, а також приладів з зарядовою інжекцією або ÊМОН-сенсорів, що не піддають- ся цьому ефекту, не є еффективним для прове- дення вимірювань в широкому діапазоні амплі- туди. Це пов’язане, по-перше, з тим, що схеми антиблумінгу займають до 30% корисної площі детектора і, отже, погіршують використання фо- точутливої площі фотоприймача [21]. По-друге, електрони, що генеруються світлом, втрачаються безповоротньо і тому не можуть бути викорис- тані для фотометрування. В цьому відношенні сенсори без антиблумінга ведуть себе принци- пово по-іншому. Вони не «зливають» надлиш- кові заряди повз системи реєстрації, а переда- ють їх уздовж транспортного регістра через ви- мірювальні елементи в систему обробки. Таким чином, надлишкові заряди можуть, в принци- пі, бути використані для підвищення фотоме- тричної точності. Як свідчить рис. 7, лінії 1, отримані при за- стосуванні сенсорів без антиблумінга, зберіга- ють горизонтальне положення в більшому діапа- зоні, ніж лінії 2 та 3, отримані при застосуван- ні сенсорів з антиблумінгом, і тільки при вели- кій тривалості експозиції вони починають «про- валюватися». Це є наслідком того, що в таких умовах частина зарядів все ж таки втрачається, але ці втрати менші, ніж у сенсорів з антиблу- мінгом. Наявність антиблумінга в детекторі за- вжди передбачає його нелінійну світлосигналь- ну характеристику за рахунок «зливу» заряду, що перевищує певне значення, а різного роду втрати, в тому числі і накопиченого заряду, не- гативно позначаються на точності. Висновки Аналіз представлених експериментальних ре- зультатів дозволяє зробити висновок про те, що основним обмежуючим фактором динамічного ді- апазону у випадку сильних сигналів є переван- таження схем накопичення і перенесення фото- електричних зарядів структурами детектора, але цей негативний ефект можна викори стовувати для розширення динамічного діапазону фото- приймача. Äля ослаблення впливу ефекту блумінгу на результати аналізу пропонується наступне: — в процесі вимірювань контролювати нелі- нійність трактів накопичення і перенесення за- ряду для встановлення дотримання принципу взаємозамісності яскравості ліній і тривалості експозиції; — використовувати заряд, що асиметрично розпливається при перевантаженнях, для роз- ширення динамічного діапазону, застосовуючи взаємно протилежні напрями його транспорту- вання відносно спектру. Специфіка емісійних спектрів, коли переван- тажені лінії розташовуються відносно рідко, до- пускає застосування запропонованої методики. В цьому випадку сенсори без антиблумінгу, не зва- жаючи на розтікання зарядів, характеризуються більшою лінійністю амплітудної характеристики. Недоліком запропонованого методу є зни- ження його ефективності у випадках наявності в спектрі близько розташованих ліній високої інтенсивності, але слід зазначити, що в прак- тиці емісійного аналізу це явище зустрічаєть- ся доволі рідко. Отримані результати дозволяють розшири- ти можливості використання серійних ПЗЗ- сенсорів для реєстрації спектрів і відкривають перспективу розробки дворядних ПЗЗ-сенсорів оптичних зображень, які простим подвоєнням 1 0,5 0 10 20 40 80 160 320 640 1280 2560 Тривалість експозиції, мс А м пл іт уд а, в ід н. о д. 1 3 2 1 0,5 0 10 20 40 80 160 320 640 1280 2560 Тривалість експозиції, мс А м пл іт уд а, в ід н. о д. 1 3 2 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 13ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 6 схеми можуть на порядки розширювати дина- мічний діапазон. ВИÊОРИСТАНІ ÄЖЕРЕЛА 1. Dynamic Range - Hamamatsu Learning Center [Електронний ресурс]: Режим доступу: http://hamamatsu. magnet.fsu.edu/articles/emccds.html (Äата звернення 03.09.2019 р.) 2. CCD Saturation and Blooming. Hamamatsu Learning Center [Електронний ресурс].— Режим доступу: http:// hamamatsu.magnet.fsu.edu/articles/ccdsatandblooming.html (Äата звернення 03.09.2019 р.) 3. Mueller H., Hing P. Effects of Anti-Blooming in Scientific CCD Cameras // Sensovation AG / Technical Note 60802 [Електронний ресурс]: Режим доступу: http:// www.sensovation.com/bausteine.net/file/showfile.aspx? downdaid=8572&sp=E&domid=703&fd=0 (Äата звернення 03.09.2019 р.) 4. Jianping Tong, Jianxun Gao, Fei Wang, Hao Yang. Nonlinear correction of the sensor S11639 in mini spectrometer // Opto-Electronic Engineering Journal.— 2017.— Vol. 44, N 11.— Р. 1101—1106. 5. McCormick D. Line arrey sensor comparision // Advanced MEMS, 2016. [Електронний ресурс]: Режим доступу: http://www.advancedmems.com/pdf/ AMEMS_LineSensorArraySummary_v1.pdf (Äата звернен- ня 03.09.2019 р.) 6. Êострин Ä. Ê. Анализ спектральных линий с раз- личной интенсивностью при диагностике технологических процессов // Известия СПбГЭТÓ «ЛЭТИ».— 2015.— № 1.— С. 6—7. 7. Êострин, Ä. Ê., Óхов А. А. Светосигнальная характе- ристика ПЗС-фотоприемника в области больших световых потоков // Êонтроль. Äиагностика.— 2013.— № 5.— С. 40—42. 8. Óхов А. А. Оптические спектрометры с много- элементными фотоприемниками / Автореф. дис. д-ра тех. наук. – СПб: ЛЭТИ, 2015. 9. Jian-Kang Zhou, Wei-Min Shen, Min-Xue Tang. Extended dynamic-range techniques of CCD measurements // Opto-Electronic Engineering Journal.— 2006.— Vol. 33, N 10.— Р. 96—114. 10. Лабусов В.А., Бехтерев А.В. Линейки фотоди- одов — базовые элементы многоканальных анализато- ров атомно-эмиссионных спектров // Заводская лабора- тория. Äиагностика материалов.— 2007.— Т. 73, Спец. выпуск.— С. 7—12. 11. Егоров А. Ä., Егоров В. А., Егоров С. А. Äинамический диапазон ПЗС-фотоприемников атомно- эмиссионных анализаторов // Журнал прикладной спек- троскопии.— 2019.— Т. 86, № 3.— С. 410—416. http:// dx.doi.org/10.1007/s10812-019-00839-9 12. Егоров А. Ä., Егоров В. А., Егоров С. А. и др. Мультисенсорная камера на приборах с зарядовой свя- зью линейной структуры для спектральных измерений // Радиоэлектронные и компьютерные системы.— 2019.— Т. 90, №2.— С. 80—88.— http://dx.doi.org/10.32620/ reks.2019.2.07 13. TCD1304AP Toshiba CCD Linear image sensor. Data Sheet. 14. TCD1205DG Toshiba CCD Linear image sensor. Data Sheet. 15. ILX511 2048-pixel CCD Linear Image Sensor (B/W) SONY 16. Бурмий Ж.П., Золотарева Н.И., Хвостиков В.А., Гражулене С.С. Фотоэлектрическая регистрация эмиссионных спектров на основе приборов с зарядовой связью. // Заводская лаборатория. Äиагностика матери- алов.— 2008.— Т. 74, №6.— С. 26—29. 17. FT232H — Hi-Speed Single Channel USB UART/ FIFO IC [Електронний ресурс]: Режим доступу: http:// www.ftdichip.com/Products/ICs/FT232H.htm (Äата звер- нення 03.03.2019) 18. Cyclone III FPGAs [Електронний ресурс]: Режим доступу: https://www.intel.com/content/www/us/en/ products/programmable/fpga/cyclone-iii.html (Äата звер- нення 03.03.2019) 19. Приборы с зарядовой связью / Под ред. М. Хоувза, Ä. Моргана.— Москва: Энергоатомиздат, 1981. 20. Êосарев Е. Л. Методы обработки экспериментальных данных — Москва: Физматлит, 2008. 21. Fellers T. J., Davidson M. W. Concepts in Digital Imaging Technology. CCD Saturation and Blooming. [Електронний ресурс]: Режим доступу: http://hamamatsu. magnet.fsu.edu/articles/ccdsatandblooming.html (Äата звернення 03.03.2019) Дата надходження рукопису до редакції 20.08 2019 р. А. Д. ЕГОРОВ, В. А. ЕГОРОВ, С. А. ЕГОРОВ, И. Е. СИНЕЛЬНИКОВ Óкраина, г. Харьков, Институт Радиофизики и электроники им. А. Я. Óсикова НАН Óкраины E-mail: yegorov@ire.kharkov.ua ИССЛЕÄОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ÊОМПЕНСАЦИИ ЭФФЕÊТА БЛÓМИНГА ПЗС-ÄЕТЕÊТОРОВ ОПТИЧЕСÊОГО СПЕÊТРА Многоэлементные полупроводниковые детекторы светового потока получают все большее распростра- нение в практике оптической спектрометрии. Однако при спектрометрическом применении многие от- мечают недостаточный динамический диапазон и нелинейность светосигнальной характеристики таких детекторов. Целью данной работы было выполнение сравнительных исследований динамического диапа- зона сенсоров в зависимости от наличия антиблуминга, а также разработка путей его расширения при спектрофотометрических измерениях. На экспериментальном материале показан характер нелинейно- сти передаточной светосигнальной функции при сигналах большой амплитуды, показана роль насыще- ния и размытия (блуминга) изображения сложной системы линий различной амплитуды. Из общих сооб- ражений и анализа предыдущих экспериментов сделан вывод о том, что применение встречного транс- DOI: 10.15222/TKEA2019.5-6.08 ÓÄÊ 621.383.72 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 14 ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 7 A. D. YEGOROV, V. A. YEGOROV, S. A. YEGOROV, I. E.SINELNIKOV Ukraine, Kharkiv, O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics NAS of Ukraine E-mail: yegorov@ire.kharkov.ua INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY TO COMPENSATE FOR THE BLOOMING EFFECT IN CCD OPTICAL SPECTRAL SENSORS The multipixel semiconductor light sensors are becoming more and more popular in the spectroscopy practice. But insufficient for the spectroscopy dynamic range and nonlinearity of such sensors are well known. The described experiment shows nonlinearity of the sensor starting from certain light level. The role of blooming effect is shown on different complex spectral reliefs. The aim of this work was to carry out comparative studies of the dynamic range of sensors depending on the presence of anti-blooming, as well as to develop ways to expand the dynamic range during spectrophotometric measurements. Based on common sense and the analysis of previous experiments it is reasonable to assume that registration of the same spectral region with bidirectional transportation of charges in CCD devices could give extra advantages for the following linearization. In order to investigate the problem, a camera was created that allows recording the same plots of the spectrum with pairs of detector lines with the opposite direction of charge transport in charge-coupled devices (CCD). The paper presents a description of the technical solutions used in the development of the camera and the results of measurements of real emission spectra. The methods for processing data recorded during such spectrum registering are proposed. The possibility of a significant expansion of the dynamic range in the field of large signals is shown. The results of the experiment prove the possibility of using the proposed method for linearization of over- illuminated spectral line images. The comparison of the non-linearity of several types of sensors with different anti-blooming capabilities was performed. The described technology may be used for developing multisensor CCD spectral cameras. Keywords: charge coupled devices, CCD, blooming effect, nonlinear distortion, dynamic range, reciprocity law. DOI: 10.15222/TKEA2019.5-6.08 UDC 621.383.72 портирования зарядов может открыть принципиально новые возможности линеаризации светосигналь- ной характеристики фотодетекторов. Для проведения исследований была создана камера, позволяющая регистрировать одни и те же участки спектра парами детекторных линеек с противоположным направлением транспортировки зарядов в при- борах с зарядовой связью (ПЗС). Представлено описание технических решений, применяемых при разра- ботке камеры и результаты измерений реальных эмиссионных спектров. Предложены способы обработ- ки данных, зарегистрированных при такой регистрации спектра. Показана возможность значительного расширения динамического диапазона в области больших сигналов. Результаты измерений подтверждают возможность использования предложенного способа для линеа- ризации изображений перегруженных спектральных линий. Выполнено сравнение нелинейности сенсоров нескольких типов, отличающихся наличием/отсутствием встроенных средств подавления блуминга. Полученные результаты могут быть полезны при разработке ПЗС-регистраторов оптических спек- тров. Ключевые слова: приборы с зарядовой связью (ПЗС), блуминг-эффект, нелинейные искажения, динами- ческий диапазон, закон взаимозаместимости. REFERENCES 1. Dynamic Range - Hamamatsu Learning Center: http:// hamamatsu.magnet.fsu.edu/articles/emccds.html (Access date 03.09.2019 р.) 2. CCD Saturation and Blooming. Hamamatsu Learning Center: http://hamamatsu.magnet.fsu.edu/articles/ccdsa- tandblooming.html (Access date 03.09.2019 р.) 3. Mueller H., Hing P. Effects of Anti-Blooming in Scientific CCD Cameras // Sensovation AG / Technical Note 60802: http://www.sensovation.com/bausteine.net/ file/showfile.aspx?downdaid=8572&sp=E&domid=703&fd=0 (Access date 03.09.2019 р.) 4. Jianping Tong, Jianxun Gao, Fei Wang, Hao Yang. Nonlinear correction of the sensor S11639 in mini spectrometer. Opto-Electronic Engineering Journal, 2017, vol. 44, no. 11, pp. 1101-1106. 5. McCormick D. Line arrey sensor comparision // Advanced MEMS, 2016: http://www.advancedmems.com/ Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2019, ¹ 5—6 15ISSN 2225-5818 ЕËЕÊÒÐÎÍÍІ ЗАСÎБИ: ДÎСËІДЖЕÍÍЯ, ÐÎЗÐÎБÊИ 8 pdf/AMEMS_LineSensorArraySummary_v1.pdf (Access date 03.09.2019 р.) 6. Kostrin D. K. [Analysis of spectral lines with differ- ent intensities in the diagnosis of technological processes]. Izvestiya SPbGETU «LETI», 2015, no. 1, pp. 6-7. (Rus) 7. Kostrin D. K.., Ukhov A. A. [Light-signal characteristic of a CCD photodetector in the field of large light fluxes]. Testing. Diagnostics, 2013, no. 5, pp. 40-42. (Rus) 8. Ukhov A. A. Opticheskie spektrometry s mnogoel- ementnymi fotopriemnikami [Optical spectrometers with multi-element photodetectors]. Avtoref. dis. d-ra tekh. nauk. St.-Petersburg, LETI, 2015, 32 p. (Rus) 9. Jian-Kang Zhou, Wei-Min Shen, Min-Xue Tang. Extended dynamic-range techniques of CCD measurements. Opto-Electronic Engineering Journal, 2006, vol. 33, no. 10, pp. 96-114. 10. Labusov V.A., Bekhterev A.V. [Photodiode arrays are the basic elements of multichannel analyzers of atomic emission spectra]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 2007, vol. 73, pp. 7–12. (Rus) 11. Yegorov A. D., Yegorov V. A., Yegorov S. A. Dynamic range of CCD photosensors for atomic-emission analyzers. Journal of Applied Spectroscopy, 2019, vol. 86, iss. 3, pp. 443-448. http://dx.doi.org/10.1007/s10812-019- 00839-9 12. Yegorov A.D., Yegorov V.A., Yegorov S.A. et al. [Multisensor linear CCD camera for spectrometry]. Radioelectronic and Computer Systems, 2019, vol. 90, iss.2, pp. 80-88. http://dx.doi.org/10.32620/reks.2019.2.07 (Rus) 13. TCD1304AP Toshiba CCD Linear image sensor. Data Sheet. 14. TCD1205DG Toshiba CCD Linear image sensor. Data Sheet. 15. ILX511 2048-pixel CCD Linear Image Sensor (B/W) SONY 16. Burmii Zh. P., Zolotareva N. I., Khvostikov V. A., Grazhulene S. S. [Photoelectric registration of emission spectra based on charge-coupled devices]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov, 2008, vol. 74, no. 6, pp. 26–29. (Rus) 17. FT232H — Hi-Speed Single Channel USB UART/ FIFO IC. http://www.ftdichip.com/Products/ICs/ FT232H.htm (Access date 03.03.2019). 18. Cyclone III FPGAs. https://www.intel.com/con- tent/www/us/en/products/programmable/fpga/cyclone- iii.html (Access date 03.03.2019.) 19. Charge-coupled devices and systems. Ed. by. M. J. Howes, D. V. Morgan. Chichester, Sussex, England and New York, Wiley-Interscience, 1979. 312 p. 20. Kosarev E. L. Metody Obrabotki Eksperimental`nykh Dannykh [Experimental data processing methods]. Moscow, Fizmatlit, 2008, 208 p. (Rus) 21. Fellers T. J., Davidson M. W. Concepts in Digital Imaging Technology. CCD Saturation and Blooming. http://hamamatsu.magnet.fsu.edu/articles/ccdsatand- blooming.html (Access date 03.03.2019.) Îпис статті для цитування: Єгоров А. Ä., Єгоров В. А., Єгоров С. А., Сінельніков І. Є. Äослідження можливостей компенсації ефек- та блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру. Техно- логия и конструи рование в электронной аппаратуре, 2019, № 5-6, с. 8—15. http://dx.doi.org/10.15222/ TKEA2069.5-6.08 Cite the article as: Yegorov A. D., Yegorov V. A., Yegorov S. A., Sinelnikov I. E. Investigation of the possibility to compensate for the blooming effect in CCD optical spectral sensors. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2019, no. 5-6, pp. 8-15. http://dx.doi.org/10.15222/ TKEA2019.5-6.08 В. П. Зайков, В. І. Мещеряков, Ю. І. Журавльов. Прогнозування показників надійності термоелектричних охолоджуючих пристроїв. Êнига 4. Динаміка функціонування однокаскадних ÒЕП: монографія.— Îдеса: Політехперіодика, 2019. Êнигу присвячено дослідженню основних параметрів, показників надійності та динаміки функціонування термоелектричних охолоджуючих пристроїв (ТЕП) в процесі їх виходу на стаціонарний режим роботи в різних струмових режимах ро- боти. Запропоновано динамічну модель функціонування охолоджуючого термоеле- мента, що враховує масу і теплоємність об’єкта охолодження та конструктивних і технологічних елементів (ÊТЕ). Показано, як впливає теплоємність і маса ÊТЕ на час виходу пристрою на стаціонарний режим роботи. Також досліджено динаміку функціонування ТЕП з заданою кількістю термоелементів з урахуванням кон- структивних і технологічних елементів. Розглянуто побудову ТЕП з заданим часом виходу на стаціонарний режим роботи. Äосліджено вплив на характеристики ТЕП параметричних факторів, таких як середньооб’ємна температура гілки термоеле- мента, ефективність вихідних термоелектричних матеріалів, комбінація параметрів вихідних матеріалів при їхній однаковій ефективності. Розглянуто динаміку про- цесу виходу на стаціонарний режим роботи ТЕП з фіксованою геометрією гілок термоелементів за заданого теплового навантаження та перепада температури. Отримано співвідношення для оцінки температури теплопоглинаючого спаю в процесі виходу ТЕП на стаціонарний режим. Êрім цього, проведено оцінку впливу на динаміку функціонування ТЕП тепловідводної здатності радіатора. Призначено для інженерів, науковців, а також студентів відповідних спеціальностей, що займаються питаннями надійності елементів електроніки і в цілому РЕА, а також розробкою і проектуванням термоелектричних пристроїв. Н О В І К Н И Г И
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167882
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	2225-5818
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T15:58:04Z
publishDate	2019
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
record_format	dspace
spelling	Єгоров, А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров, С.А. Сінельніков, І.Є. 2020-04-12T18:59:32Z 2020-04-12T18:59:32Z 2019 Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру / А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров С.А. Єгоров, І.Є. Сінельніков // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2019. — № 5-6. — С. 8-15. — Бібліогр.: 21 назв. — укр. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2019.5-6.08 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167882 621.383.72 Представлено результати порівняльних досліджень впливу ефекту насичення і розпливання зарядів на якість і динамічний діапазон зображень, одержуваних за допомогою приладів із зарядовим зв'язком з лінійною структурою декількох типів. На прикладі зареєстрованих спектрів показано ступінь нелінійних спотворень зображень яскравих спектральних ліній. Запропоновано спосіб зменшення впливу цього ефекту, а також описано апаратуру та методичне забезпечення для її реалізації в практиці атомно-емісійної спектрометрії. Целью данной работы было выполнение сравнительных исследований динамического диапазона сенсоров в зависимости от наличия антиблуминга, а также разработка путей его расширения при спектрофотометрических измерениях. На экспериментальном материале показан характер нелинейности передаточной светосигнальной функции при сигналах большой амплитуды, показана роль насыщения и размытия (блуминга) изображения сложной системы линий различной амплитуды. Из общих соображений и анализа предыдущих экспериментов сделан вывод о том, что применение встречного транспортирования зарядов может открыть принципиально новые возможности линеаризации светосигнальной характеристики фотодетекторов. The aim of this work was to carry out comparative studies of the dynamic range of sensors depending on the presence of anti-blooming, as well as to develop ways to expand the dynamic range during spectrophotometric measurements. Based on common sense and the analysis of previous experiments it is reasonable to assume that registration of the same spectral region with bidirectional transportation of charges in CCD devices could give extra advantages for the following linearization. uk Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Электронные средства: исследования, разработки Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру Исследование возможностей компенсации эффекта блуминга ПЗС-детекторов оптического спектра Investigation of the possibility to compensate for the blooming effect in CCD optical spectral sensors Article published earlier
spellingShingle	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру Єгоров, А.Д. Єгоров, В.А. Єгоров, С.А. Сінельніков, І.Є. Электронные средства: исследования, разработки
title	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру
title_alt	Исследование возможностей компенсации эффекта блуминга ПЗС-детекторов оптического спектра Investigation of the possibility to compensate for the blooming effect in CCD optical spectral sensors
title_full	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру
title_fullStr	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру
title_full_unstemmed	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру
title_short	Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру
title_sort	дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга пзз-детекторів оптичного спектру
topic	Электронные средства: исследования, разработки
topic_facet	Электронные средства: исследования, разработки
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167882
work_keys_str_mv	AT êgorovad doslídžennâmožlivosteikompensacííefektablumíngapzzdetektorívoptičnogospektru AT êgorovva doslídžennâmožlivosteikompensacííefektablumíngapzzdetektorívoptičnogospektru AT êgorovsa doslídžennâmožlivosteikompensacííefektablumíngapzzdetektorívoptičnogospektru AT sínelʹníkovíê doslídžennâmožlivosteikompensacííefektablumíngapzzdetektorívoptičnogospektru AT êgorovad issledovanievozmožnosteikompensaciiéffektablumingapzsdetektorovoptičeskogospektra AT êgorovva issledovanievozmožnosteikompensaciiéffektablumingapzsdetektorovoptičeskogospektra AT êgorovsa issledovanievozmožnosteikompensaciiéffektablumingapzsdetektorovoptičeskogospektra AT sínelʹníkovíê issledovanievozmožnosteikompensaciiéffektablumingapzsdetektorovoptičeskogospektra AT êgorovad investigationofthepossibilitytocompensateforthebloomingeffectinccdopticalspectralsensors AT êgorovva investigationofthepossibilitytocompensateforthebloomingeffectinccdopticalspectralsensors AT êgorovsa investigationofthepossibilitytocompensateforthebloomingeffectinccdopticalspectralsensors AT sínelʹníkovíê investigationofthepossibilitytocompensateforthebloomingeffectinccdopticalspectralsensors

Дослідження можливостей компенсації ефекта блумінга ПЗЗ-детекторів оптичного спектру

Institution

Ähnliche Einträge