Подходим к любительскому астрофото с научной стороны. Часть вторая, статистическая
Время на прочтение
Шум считывания
Шумом считывания называется шум, который имеет место даже при отсутствии светового сигнала на матрице камеры. Этот шум зависит от схемотехники самой матрицы и схемотехники камеры. Шум считывания измеряется величиною флуктуации сигнала матрицы относительно среднего значения сигнала. Производители CCD матриц (CCD камер) обычно указывают шум считывания
в количестве электронов. Эта мера удобна потому, что сама ПЗС матрица
работает с пакетами зарядов, состоящих из электронов.
В конце пятого раздела очень странные пятна на луче. По идее это рассеивание на каплях воды в воздухе, но тогда мы должны видеть совершенную другую картину на фотографии.
Всего голосов 4: ↑2 и ↓2
Ну то, что воздух был без избытка влажности — это видно по снимку. Насекомые? — по идее тогда рассеивание должно выглядеть несколько иначе.
Всего голосов 6: ↑2 и ↓4
Обычные пылинки в ярком излучении вызывают такие эффекты, тем более когда фокус на бесконечность — близкие предметы размываются.
Всего голосов 5: ↑5 и ↓0
Всего голосов 6: ↑4 и ↓2
Всего голосов 1: ↑1 и ↓0
Здорово!
Я правильно понимаю, что это одиночные кадры, а не результаты сложения?
Спасибо! Да, Вы правильно понимаете. Для того я и делал трекер, чтобы не заниматься склейкой кадров. Хотя, вероятно, со сложением можно было бы еще снизить уровень шумов.
А калибровку делали с установленным фотоаппаратом и под наклоном?
Нет. Вес фотоаппарата и наклон при калибровке не учитывал. Но штатив, как и сам трекер, получились довольно монументальными, так что большой погрешности это давать не должно.
Добавьте дарков, флетов, оффсетов, снимите серию таких 5 минутных снимков, проведите через maximdl, ну или dss, и должна получиться красота. А так, очень хороший бюджетный вариант, так как сейчас монтировка eq3 подорожала в 3 раза и стоит как бюджетный телескоп.
Кстати, вы не пробовали увеличивать выдержку или появляется смазанность?
Максимальную выдержку ставил порядка 11 мин. Вот фото 681s, ISO400, f4, 17mm:
Отчетливо видно как за 11 минут вращения трекера размазались деревья.
А вот кроп 100% того же кадра:
Смаз есть, но незначительный. Меня больше цветовой шум волнует, хотя исо вроде бы не высокое использовал. Видимо нужно делать серию и сшивать как вы сказали.
По поводу смаза я грешу в первую очередь на свой самодельный штатив. Он определенно нуждается в доработке по точному наведению на полюс мира. А вообще при выдержках более 10 минут нужно применять уже активное гидирование, т.е. определенная программа следит чтобы звезды были неподвижны и корректирует скорость и направление трекинга по мере необходимости.
Даже на минимальном исо, при долгой выдержке шумы начинают проявляться. Тут только постобработка поможет.
Никогда не думал, что можно, такими небольшими усилиями запечатлеть такую красоту! Все, хотеть!
Здорово! А как лазерная указка работает при температурах около нуля и ниже?
Честно говоря не пробовал. Но проблем не вижу, т.к. она разогревается в процессе работы.
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
На мой взгляд причины здесь две и обе они связаны с более простой конструкцией:
1) В случае вращающейся головы нужно обеспечить подвижное соединение двух плоскостей с минимальным люфтом. При этом оно должно держать фотоаппарат (телескоп), имеющий приличную массу. Думаю, без хороших подшипников здесь не обойтись. В этой же конструкции минимальный люфт обеспечивается простыми навесами разнесенными на максимальное удаление.
2) Редуктор. Чтобы вращать голову со скоростью 1оборот в 24 часа нужен соответствующий редуктор. Можно сделать его на том же шаговом двигателе, но без дополнительных нескольких шестеренок не обойтись. А тут шпилька является главным понижающим редуктором. Опять же: просто и дешево.
Вот на вскидку нашел: шаговик, ардуино. Меньше 5$ получается. Но лазер стоил в районе 7$. Хотя, можно и без него, конечно. Плюс шпилька, доски и прочий крепеж. В любом случае гораздо дешевле коммерческих моделей.
Фотографии классные! Всегда интересовал вопрос, если насчелкать 300 фотографий с секундной выдержкой, а потом программно повернуть/совместить, результаты будут похожими? Если да, то стоит ли это того?
Будет хуже или лучше, в зависимости от того, что снимаете. Все дело в шумах. Есть, грубо говоря, два вида шума:
1)Шум от окружающей среды, в данном случае от неба.
2)Шум оборудования.
Применительно (опять же грубо) к камерам у нас есть тепловой шум матрицы и шум считывания, т.е. шум который добавляется при считывании кадра с матрицы.
Если снимается неподвижный объект, относительно оптической оси системы, то одна фотография будет однозначно лучше. Т.к. там только шум неба + тепловой шум + один шум считывания ( в серии будет n шумов считывания).
Если мы снимаем движущийся объект, то после его смещение в пикселе не копится полезный сигнал, а только шум от неба и тепловой и вот тут можно считать кадр.
Согласен. Конкретно в этом случае фотографии с выдержкой 1с будут сильно недоэкспонированны, я сомневаюсь что из них хоть какую-то информацию можно будет вытащить. Ну и лично мне было бы жалко так убивать затвор. Можно попробовать сделать штук 10 снимков по 30 секунд выдержки (но это уже предел выдержки до смаза на 17мм) на высоких ISO, а потом соединить их в редакторе с целью уменьшить шум.
Эксперимент
Теперь, когда с теорией немного разобрались, приступим проверке. Во-первых, насколько все эти теоретические изыскания сопоставляются с реальностью, данной нам в аппаратных ощущениях. И во-вторых, попробуем оценить насколько хорошо работает правило трёх процентов вклада от шума считывания. Вдруг это окажется слишком завышенной величиной? Я буду проводить эксперимент над своим старичком Canon EOS 450Dα, на котором, согласно моим измерениям, нативное ISO = 200. На нём я и буду снимать, чтобы пока не заморачиваться с учётом влияния гейна. Шум считывания при этом ISO: RN=10.6, неважно чего — хоть фотоэлектронов, хоть ADU.
Что будем делать:
Превьюшки после первого этапа выглядят вот так:
RAW файлы из фотоаппарата
Как и ожидалось. Последующие два этапа дают нам следующие данные:
Всё до безобразия по теории: уменьшение числа фотоэлектронов в два раза, в корень из двух раз увеличивает относительную ошибку. А snr, соответственно, в корень из двух же раз (примерно) убывает на каждом шаге. Из величины нормированного snr можно даже найти какое количество подобных коротких кадров нам бы потребовалось, если бы мы захотели получить snr как на самом длинном кадре:
Квадрат — т.к. snr растёт как корень из числа кадров, и тогда:
Как видно, на последнем кадре шум считывания влез уже достаточно, чтобы его заметить, т.к. кадров потребуется не 32, а на 22.8% больше. Если мы пересчитаем, какой фотонный шум должен быть для того, чтобы шум считывания внёс 23% в наши исходники, то окажется, что он должен быть 1.4RN. Т.е. 14.84 ADU. Если мы посчитаем полный шум на кадре как:
А у нас там на последнем изображении сколько-сколько сигма была? 18.9? Практически идеальное попадание. Значит «оптимальность» экспозиции в критериях шума считывания у нас доказана как приятный бонус. А теперь посмотрим, насколько визуально заметно увеличение шума на несколько процентов:
Зависимость snr от экспозиции.
Разница на краях просто колоссальная, но у нас там и света попало на матрицу в 32 раза меньше, и snr изменился более чем в 5.6 раз. И если на соседних панелях глаз ещё ловит разницу, то если её разделить ещё на восемь, а я напомню, разница между соседями у нас 41%, а мы пытаемся понять, увидим ли мы пятипроцентную добавку, становится совершенно очевидно, что это уже ловля блох. Ведь даже в линейном чрезвычайно растянутом представлении, которое отражено на верхней половине картинки, разница хоть и видна, но даже 40% выглядит уже незначительно. А если мы посмотрим на нижнюю половину, где показано как эта область гистограммы будет выглядеть после стандартной обработки, то мы лишний раз только убедимся, что удлинение экспозиции дольше оптимальной даже в два раза, не даёт уже ничего, а диапазон режет значительно.
Предисловие
Т.к. помидорами меня за первую часть не закидали — то я продолжу. Там я коснулся аппаратной стороны дела, а именно — определения того, что за рабочая лошадка камера нам досталась:сколько фотоэлектронов она способна удержать, какое усиление сигнала происходит в ряду её характерных ISO, и что шум, зовущийся фотонным, может быть очень даже полезным, даже если он и шум.
В этой части я предлагаю обсудить теоретическую сторону вопроса, а именно: если мы пока предположим, что будем снимать на нативном ISO, когда каждому дополнительному фотоэлектрону будет соответствовать один отсчёт АЦП ( 1e- = 1 ADU), то каким критерием мы должны руководствоваться для того, чтобы наши исходники были наименее шумными.
Теория
Прежде чем бросаться сразу в астрофотографию, предлагаю сначала провести мысленный эксперимент. Предположим у нас есть объект с абсолютно однородной поверхностью, например серая карта, которой любят пользоваться фотографы профессионалы для установки баланса белого. Если мы снимаем её с достаточно большого расстояния, то все мельчайшие неоднородности на ней сольются и мы должны получить однородно серый фон: то есть все пиксели должны были бы иметь строго одну и ту же яркость, например 128 единиц. На реальном же снимке, если мы поводим по нему той же пипеткой в фотошопе, то мы увидим, что яркость в среднем одинакова, но и отклонения от неё также присутствуют. Эти-то отклонения от среднего значения мы и будем называть шумом.
Как уже было сказано ранее, фотоны от объекта прилетают случайным образом, как капли дождя. Мы можем сказать сколько их в среднем падает на некоторую площадку, но в какие конкретно моменты времени они на неё приземляются — сказать не можем. Если за единичный интервал времени их прилетает N, то за следующий момент времени или на другую аналогичную площадку их прилетит столько же с отклонением ± корень из N.
Казалось бы: чем больше N, тем больше и разброс вокруг среднего, и тем больше шум. С одной стороны — это так. А с другой — абсолютная ошибка редко бывает информативной. Предположим, что ошибка в расстоянии равна тысяче километров. Но если это расстояние до галактики Андромеды, то величина будет очень точной. Поэтому гораздо удобнее выражать её в соотношении с измеряемой величиной, а тут уже с ростом сигнала ошибка уменьшается, как раз-таки в корень из N раз. Назовём это частное — соотношением сигнал-шум:
Итак, мы получили, что для идеального фотоаппарата чем больше света мы накопили до возникновения эффектов пересвета, тем меньше шума на изображении мы получим. Это будет наша фотонная составляющая. А какие ещё у нас есть? Ну, как мы уже выяснили, сам АЦП вносит шумы в изображение просто в процессе оцифровки. А если у нас ещё и лето на дворе и матрица тёплая а они ощутимо греются в процессе работы, то внутри фотодиода, который копит свет возможны процессы спонтанного возникновения электронно-дырочных пар, даже когда света никакого на матрицу и не приходит. Это — так называемый темновой ток. Астрофотографы хорошо с ним знакомы и клянут его на чём свет стоит, потому что утром, когда процесс съёмки основного объекта уже закончен, они мы вынуждены снимать калибровочные кадры с такой же длительностью, что и основная экспозиция лайты, именно для того, чтобы оценить величину этого паразитного сигнала, который ещё и в каждом пикселе разный.
Поскольку все эти ошибки измерения: фотонный шум, темновой ток, шум считывания — работают абсолютно независимо друг от друга, все их вклады в погрешности суммируются по теореме Пифагора, как корень из суммы квадратов. В итоге мы получаем формулу для snr в виде:
где nl — частота появления фотоэлектронов от наблюдаемого объекта, nd — частота возникновения фотоэлектронов в результате тепловых процессов без засветки матрицы, RN — шум считывания в электронах, а t — время экспозиции. Для случая съёмки слабых объектов на засвеченном небе сюда же в знаменатель под корень надо добавить и фотонный шум от неба: nst. Именно поэтому в городе ничего путного не снять: фотонный шум от неба забивает нашу яму фотоэлектронами, но это не те дроиды, что вы ищете фотоны, которые нам нужны.
Оценка вкладов каждого из шумов
После того как мы определились, что именно мы называем шумом, надо оценить вклад каждого из них в итоговый результат.
Начну я с темнового тока, потому что от его дальнейшего рассмотрения я, по-крайней мере пока, хочу отказаться, т.к. задача и так обрастает множественными факторами и мы рискуем просто утонуть в деталях. Во-первых, тепловой шум потому и называется тепловым, потому что его величина зависит от температуры. Происходит это потому что концентрация носителей заряда с ростом температуры в полупроводниках увеличивается. А зная характер этой зависимости можно даже из данных по темновым кадрам, снятым при разной температуре, найти эту самую пресловутую энергию активации, о которой написано в процитированном источнике. Так например для матриц ASI производитель предоставляет информацию о зависимости темнового тока от температуры. И из того факта, что примерно на каждые 10 градусов темновой ток удваивается, можно сделать вывод, что энергия активации примерно равна 0.4 еВ:
Однако я отвлёкся. Даже если мы предположим, что наша матрица имеет тепловой шум сходной величины — при выдержке в 2 минуты и температуре матрицы 0 градусов мы нахватаем 6 тепловых фотоэлектронов. Много это или мало? В принципе не очень, т.к. шум считывания обычно сходного порядка, однако при росте температуры до 30 градусов а летом это практически неминуемо, 6 могут превратиться и в 48, что уже весьма ощутимо. Но, как я уже сказал, чтобы не усложнять и без того непростую задачу вернёмся к двум другим шумам: фотонному шуму от объекта+неба засветку мы к сожалению выключить не можем — только уехать и шуму считывания. Очевидно, что чем бо́льшую выдержку мы поставим, тем больше полезного сигнала мы наловим. И это справедливо до тех пор, пока снимаемый нами объект не уходит в область пересвета.
Интересно, однако, узнать насколько сильным должен быть полезный сигнал, чтобы последнее слагаемое, отвечающее за неустранимый шум считывания, перестало нас волновать? Видно, что в формуле для snr все наши величины стоят в знаменателе под корнем. Выразим фотонный шум в единицах шума считывания и построим график того, какую долю от полного шума вносит шум считывания:
Вклад шума считывания в общий шумовой котёл. Справа дважды логарифмический график в процентах.
Графики выше были получены следующим образом: принимаем шум считывания за единицу и вычисляем полную сумму ошибок, а потом делим на случай, когда шум считывания принимается равным нулю:
Видно, что когда фотонный шум вдвое больше шума считывания, то вклад последнего снижается до 11%. Дальнейшее уменьшение даётся всё сложнее, что видно как из графиков, так и из таблички:
А поскольку фотонный шум растёт как корень из числа фотоэлектронов — это увеличивает требуемую выдержку квадратично! Поэтому я предлагаю не жадничать и ограничиться таким уровнем фона, при котором шум считывания внесёт в итоговое изображение не больше 3%, т.е. ( Δnlt)2= 4RN или nlt=16RN2. Можно конечно пойти и дальше, и попытаться дожать фон до таких значений, что добавка к итоговому шуму будет 1%, однако это потребует в 49/16=3 раза бо́льшей выдержки. А динамический диапазон, как мы помним, у нас не бесконечный, и яркие объекты типа звёзд всё также продолжают копить свет как и фон, так что мы рискуем получить пересвеченные блямбы (каждое удвоение выдержки снимает нам как минимум один EV стоп по ярким объектам).
Но ведь ранее я произносил следующую фразу:
Итак, мы получили, что для идеального фотоаппарата чем больше света мы накопили (до возникновения эффектов пересвета), тем меньше шума на изображении мы получим.
Вроде бы это входит в противоречие с тем, что мы, даже имея возможность поставить длинную выдержку, пытаемся её зачем-то ограничить! Но на самом деле, подобрав оптимальную длину субэкспозиции, мы воспользуемся тем замечательным фактом, что сумма распределения Пуассонов — это тоже Пуассон. Причём со средним значением, лежащим на сумме исходных распределений и с дисперсией равной сумме дисперсий. Именно это и позволяет нам без всяких сложных математических преобразований просто суммировать наши изображения для получения более «чистого» результата. При сложении n независимых кадров, имеющих одинаковый snr, результирующий кадр будет обладать snr в корень из n раз бо́льшим. То есть полная формула для snr запишется как:
Что логично. Будь у нас матрица с неограниченной ямой, монтировка с идеальным ведением и небо без его рассветов/закатов/облаков/дымки — мы бы могли всё снять одним длинным кадром. Если бы не шум АЦП — мы могли бы порезать наше полное наблюдательное время T на кусочки произвольной длительности: хоть один час, хоть одна миллисекунда. Все фотоэлектроны, которые бы мы поймали — пошли бы в итоговую сумму, и единственное в чём бы мы выиграли — это в удобстве съёмки: ниже требования к точности ведения, налетевшие облака можно просто выбросить из итоговой суммы и т. п. Но вот этот противный шум считывания всё портит. Необходимо накопить некий минимальный пакет информации, чтобы провести его через границу, заплатив не слишком много.
Как в злободневной аналогии
Когда покупка какой-нибудь мелочёвки в зарубежных магазинах обходится дешевле, чем доставка самого товара.
С чем я нас и поздравляю. Мы только что прошли по всем тем граблям, маршрут по которым был уже давным давно расписан в одной научной статье, которая мне попалась совсем недавно.
Широкоформатные КМОП сенсоры
Широкоформатные КМОП сенсоры с активными пикселями для цифровой рентгенографии
Более 100 лет назад в медицинской рентгенографии для получения изображения применялась пленка, и поэтому система показателей качества получаемого изображения и полезность для конкретных применений развивались вокруг пленочной технологии. Приборы с зарядовой связью (ПЗС или CCD – charge coupled device), работающие в видимом диапазоне длин волн, были успешно опробованы в некоторых научных и медицинских рентгеновских применениях, будучи интегрированными в электронно-оптические преобразователи или путем установки конической волоконно-оптической шайбы и сцинтиллятора. С появлением плоских панелей, изготовленных по технологии тонкопленочных транзисторов на аморфном кремнии (a-Si), были разработаны детекторные матрицы с пассивным пикселем. Матрицы из аморфного кремния успешно устанавливались на большие стеклянные панели, которые благодаря своим габаритным размерам стали применяться в медицинской рентгенографии грудной клетки. Несмотря на то, что технология производства панелей из аморфного кремния является универсальной и технологически возможно изготавливать детекторы большого формата, она имеет ряд недостатков в виде высокого шума считывания (более 1000 электронов), ограничение в размере шага пикселя и невозможности дальнейшего снижения себестоимости производства. Несмотря на то, что ПЗС сенсоры обладают высокой производительностью при низком уровне шума, они не являются экономически оправданными для изготовления детекторных панелей большого размера.
Для устранения ограничений современных сенсорных технологий была разработана технология изготовления широкоформатных (VLA – very large area) КМОП сенсоров (CMOS) с активным пикселем (APS – active pixel sensor) для применения в цифровой рентгенографии. Большие активные области детектора необходимые для получения широкоформатного рентгеновского изображения изготавливаются посредством черепичной структуры — соединение гранями активных областей нескольких VLA CMOS сенсоров в большую сенсорную панель. Впервые этот метод черепичной структуры стал известен в конце 1970-х при изготовлении длинных CCD TDI сенсоров, и в последствие продолжил свое развитие в 1980-х и 1990-х годах, главным образом применительно к широкоформатным CCD матрицам. К МОП сенсоры большого размера идеально подходят для использования в рентгенографии благодаря технологической возможности изготовления широкой активной площади, соответствию требованиям медицинской рентгенографии и гибкости в реализации конструкции цифровой системы получения рентгеновского изображения, которую невозможно получить, применяя другие сенсорные технологии.
Цифровая рентгенография основана на прохождении рентгеновского излучения через исследуемые объекты и его поглощении люминофорными покрытиями, такими как оксисульфид гадолиния (Gd2O2S) или йодид цезия (CsI). Люминофоры испускают фотоны в видимом диапазоне длин волн, генерирующие фотоэлектроны собранные и считанные матрицей полупроводниковых фотоприемников. В случае КМОП сенсоров с активным пикселем заряд электронов преобразуется в напряжение активно-транзисторной цепи соединенной pn-переходом детектора. Для получения изображения массив из MxN пикселей, позволяющий преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе, сканируется в параллельном/последовательном режиме, и полученный сигнал выводится на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для дальнейшего накопления и отображения информации.
В большинстве случаев в цифровых рентгеновских системах не применяются оптические линзы, и разрешение определяется в первую очередь размером пятна источника рентгеновского излучения. За исключением рентгеновских систем, в которых применяются микрофокусные (в последнее время — нанофокусные) источники излучения, в большинстве применений размер пятна источника излучения превышает 50 мкм,в результате чего можно успешно применять фотодетекторы большой площади, к которым не предъявляются высокие требования к минимальному размеру шага пикселя.
Одним из основных параметров цифровых рентгеновских систем является размер активной области детектора. В медицинских применениях, например, в рентгенографии грудной клетки, используются детекторы с большой активной областью (более 43х43 см) и с относительно низким разрешением (менее 4 пар линий/мм), а в стоматологии сенсоры ограничиваются размером 20-40 мм с каждой стороны с меньшим шагом пикселя (менее 25 мкм). Радиографический контроль печатных плат может быть выполнен с применением детекторов с активной областью 5х5 см, в то время как для маммографии требуется размер активной области не менее 25х30 см. Именно по этой причине отсутствуют универсальные сенсоры, отвечающие множеству требований, предъявляемые к получаемому изображению и соизмеримые с различными размерами активной области. Технология изготовления КМОП сенсоров с активным пикселем черепичной структуры позволяет получить требуемое разрешение, динамический диапазон, масштабируемость и конкурентоспособную стоимость для широкого спектра применений в цифровой рентгенографии.
В 2000 году Грейвом и Веклером была разработана технология изготовления КМОП матриц для рентгенографии, основанная на инновационном дизайне КМОП сенсора черепичной структуры с активным пикселем, обладавшего следующими характеристиками – шаг пикселя 48 мкм; количество пикселей 512×1024; размер активной области 2,5х5 см; полная емкость 2,3 млн. электронов и шум считывания менее 150 электронов. Для создания детекторных панелей с большой активной областью, например для маммографии, применяются аналогичные VLA CMOS сенсоры с шагом пикселя 96 мкм, форматом изображения 512×1024 пикселей и активной областью 5×10 см. Восемь VLA CMOS сенсоров могут быть собраны в детекторную панель размером 20х20 см формата 2048×2048 пикселей с получаемым разрешением 5 пар линий/мм. В конечном счете данная технология может быть использована для создания детекторных панелей размером до 20х30 см для применения в неразрушающем контроле и медицинской рентгенографии. Дальнейшие разработки VLA CMOS сенсоров будут ориентированы на улучшение производительности — частота кадров, отклик пикселей, снижение шума и увеличение размеров активной области сенсора.
На рис. 1 и 2 показан VLA CMOS сенсор черепичной структуры, благодаря которой три грани активной области сенсора могут быть состыкованы с гранями аналогичных VLA CMOS сенсоров для создания большой рентгеновской детекторной панели. Шаг между пикселями составляет 96 мкм, размер активной области 49,1х98,3 мм. Интегрированная на кристалле КМОП схема обработки сигнала включает в себя цепи смещения, управляющую логику, формирователи синхронизирующих импульсов, регистр адресных строк, усилители и регистр вертикальных строк. Соединение нескольких сенсоров в одну панель требует размещения регистра адресных строк в центре матрицы, где он занимает активную площадь равную 1,5 столбца. Пиксели, прилегающие к адресному регистру, масштабируются таким образом, чтобы сохранить интервал целого пикселя. С каждой из трех сторон сенсора область активных пикселей располагается по возможности как можно ближе к краю кристалла (линия скрайбирования). Разрыв (щель) между крайними пикселями соседних сенсоров обычно занимает от 1,0 до 1,5 пикселей, которые можно компенсировать путем масштабирования крайних пикселей до более узкой ширины. На рис. 2 показана фотография VLA CMOS сенсора фирмы Rad-Icon Imaging.
На рис. 3 показан профиль детекторной панели собранной из нескольких VLA CMOS сенсоров соединенных друг с другом гранями активных областей. Профиль представляет собой поперечное сечение сенсорной панели, металлокерамической подложки, на поверхности которой установлен кристалл КМОП сенсора с разведенными контактами, оптоволоконной шайбы (устанавливается по требованию клиента), сцинтилляционной пленки, слоя специализированной монтажной пены и оптически-непрозрачной крышки с низким коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. К МОП сенсоры состыкованы друг с другом с точностью до 10 мкм (менее 0,1 пикселя). Будучи эффективным поглотителем рентгеновского излучения, волоконно-оптическая шайба предотвращает КМОП сенсор от прямого поглощения рентгеновских фотонов, тем самым снижая уровень шума и повышая квантовую эффективность при высоких пространственных частотах.
При использовании цифровых рентгеновских панелей, ставших катализатором для технологии изготовления VLA CMOS сенсоров состыкованных между собой посредством черепичной структуры, особое внимание уделяется нескольким характерным особенностям:
1) Размер пикселя определяется типом применения, размером пятна источника рентгеновского излучения и технологическими возможностями производства. Пиксели малых размеров не являются необходимыми для многих применений, т.к. для большинства рентгенографических задач достаточно получение разрешения 2-10 пар линий/мм, а для высокого динамического диапазона более желательна большая полная емкость. Большие пиксели позволяют создавать менее плотное расположение технологических слоев сенсора, например металлические проводники, которые в конечном счете влияют на выход годной продукции и ее себестоимость.
2) В большинстве применений, за исключением рентгеноскопии и компьютерной томографии, не требуются скорости более нескольких кадров в секунду. Схемотехника VLA CMOS сенсоров оптимизирована для работы с тактовой частотой синхронизирующих импульсов 1-2 МГц. Большая паразитная емкость и длинные металлические шины ограничивают работу при высокой тактовой частоте.
3) Параметры пикселя, в частности топология фотодиода, оптимизированы для достижения эффективного преобразования заряда в напряжение и получения высокой квантовой эффективности при минимизации шума считывания. Добавление схемных элементов для достижения лучшей или более универсальной производительности пикселя, например интегрированная в пиксель функция коррелированной двойной выборки для снижения шума считывания, приводит к усложнению схемотехники, снижению выхода годной продукции и повышению себестоимости.
На рис. 4 представлена спектральная характеристика VLA CMOS сенсора полученная при облучении светодиодом для создания узкополосного освещения. При длине волны 550 нм значение квантовой эффективности QE составляет 47% ± 3%. Глубина pn-перехода и обедненного слоя КМОП фотодиода достаточны для захвата значительного количества носителей-электронов, генерируемых фотонами с длиной волны 550 нм при излучении сцинтиллятора. Квантовая эффективность QE также зависит от внутренней структуры фотодиода, которая ограничивает область активного пикселя. Т.к. открытая апертура пикселя составляет более 85%, то отсутствует необходимость в применении микролинз.
На рис. 5 показаны измеренные отклонения сигнала при различных рабочих частотах. При тактовой частоте 750 кГц достигается скорость передачи данных 1,3 кадра/сек и коэффициент преобразования 0,21 мкВ/электрон. Измерения темнового тока проводились при различной температуре, и его значение вписывается в статистические рамки, соответствующие удвоенному значению тока утечки для стандартного кремниевого диода. При комнатной температуре среднее значение темнового тока составляет 23 500 электрон/сек при среднеквадратичном значении шума 153 электрон/сек.
На рис. 6 показана гистограмма типового распределения темнового тока при комнатной температуре. Неоднородность темнового сигнала составляет 8%, а при комнатной температуре плотность темнового тока равняется 0,41 пA/мм2 в ранних версиях топологии КМОП сенсора. В более современной конструкции КМОП сенсора с улучшенной стабилизацией приповерхностных ловушек носителей заряда удалось достичь плотность темнового тока 0,33 пA/мм2.
Линейность отклика в режиме большого сигнала ограничена изменением емкости обедненного слоя, так как заряд большого сигнала сдерживает обедненный слой фотодиода. Максимальный динамический диапазон VLA CMOS сенсора, принимая во внимание шум считывания 250 электронов, составляет 20% * log(Nmax/Nnoise) = 85,1 дБ. Полезный линейный динамический диапазон составляет 83,7 дБ.
Потребление мощности в VLA CMOS сенсоре определяется главным образом постоянным током, питающим цепи смещения. Относительно низкая тактовая частота синхронизирующих импульсов и малый коэффициент заполнения требуют минимального потребления переменного тока. Таким образом сенсор потребляет менее 150 мВт при питании 5 В, в этом случае фотодетекторная панель, состоящая из 8 VLA CMOS сенсоров будет рассеивать менее 1,2 Вт на площади 400 см2. В таблице кратко представлены параметры VLA CMOS сенсора используемого в качестве детектора в рентгенографической панели размером 20х20 см.
VLA CMOS сенсоры были разработаны для применения в широком спектре рентгенографических применений, в том числе для медицинской биопсии тканей, стоматологии, в промышленном неразрушающем контроле и рентгеновской кристаллографии. Каждое из этих применений требует ориентации на различные рабочие характеристики используемого сенсора в зависимости от дозы облучения, уровня энергии рентгеновского излучения и требования к широте динамического диапазона.
Рентгеновского поглощение является функцией от общего объема поглощаемого излучения, проходящего через исследуемый материал, поэтому более высокая эффективность поглощения для типовых гадоллиниевых сцинтилляторов требует применения более толстых слоев сцинтилляционного материала. Разрешение рентгеновской камеры зависит от нескольких факторов, одним из которых является толщина сцинтиллятора вследствие изотропного распространения фотонов в сцинтилляционном материале. На рис. 7 показана модуляционная передаточная функция VLA CMOS сенсора полученная при использовании двух стандартных гадоллиниевых сцинтилляционных экранов. Гадоллиниевый экран серии Kodak Min-R 2190 позволяет получить контраст 20% при теоретическом пределе Найквиста из 5 пар линий/мм. Более толстый сцинтиллятор, например серии DRZ Standard или Lanex Fast, способен поглотить большую долю рентгеновских фотонов, и как следствие в результате повышения чувствительности камеры будет снижено разрешение получаемого изображения. V LA CMOS сенсор покрытый сцинтиллятором серии DRZ Standard позволяет получить контраст 20% при разрешении 2,7 пар линий/мм и менее 5% при разрешении 5 пар линий/мм. На рис. 8 для этих типов сцинтилляторов показана зависимость отклика рентгеновской камеры от дозы облучения при энергии рентгеновского излучения 50 кВ.
Специализированное программное обеспечение используется для удаления нежелательного влияния сигнала темнового тока на получаемую картинку путем вычитания усредненного кадра темнового сигнала (dark offset) из каждого кадра с информацией о получаемом изображении. Аналогичным образом удаляются различия в отклике пикселя путем усреднения нескольких кадров с информацией об изображении и использовании алгоритмов коррекции коэффициента усиления для нормализации отклика с каждого отдельного пикселя. Этих двух форм коррекции картинки достаточно, чтобы удалить большинство искажений и дефектов, возникающих на конечном изображении. В отдельных случаях, используя более сложные нелинейные или кусочно-линейные методы многоточечной коррекции, можно практически полностью удалить дефекты изображения, возникшие вследствие изменения линейности отклика сенсора. Простые алгоритмы двухточечной коррекции прекрасно справляются с дефектами отдельных пикселей, горизонтальных и вертикальных строк, однако для корректировки больших дефектов требуются более сложные алгоритмы.
На рис. 9 и 10 показаны рентгеновские изображения полученные с помощью детекторной панели, состоящей из нескольких VLA CMOS сенсоров. Для обработки изображений использовалась коррекция темнового тока, нормализация коэффициента усиления и коррекция отдельных пикселей. На рис. 9 показано изображение полученное методом рентгеновского неразрушающего контроля с целью обнаружения оборванных проводников, дефектов пайки, неполного травления печатной платы. На рис. 10 представлено изображение биологического образца, требующего высокого значения соотношения сигнал-шум для обнаружения малых дефектов, которые имеют небольшие изменения плотности или, в случае медицинского применения, повреждений, переломов и наличия инородных объектов. На этом рисунке хорошо виден заметный контраст между мягкими тканями и плотными костями рыбного скелета. Это действительно так, даже не смотря на то, что контраст между сигналами, отвечающими за получение изображения костей и окружающей их биомассы, составляет только 1,09:1.
VLA CMOS сенсоры могут быть состыкованы в детекторную панель с размером активной области 20х30 см и даже более, и в сочетании с соответствующим типом сцинтиллятора позволит получить малошумящее цифровое изображение высокого качества для медицины, стоматологии, промышленных и научных применений. Будущие разработки VLA CMOS сенсоров будут ориентированы на повышение частоты кадров, снижение шума считывания и улучшение работы интегрированной схемотехники. Радиационная стойкость, особенно для высоких энергий рентгеновского излучения, может быть достигнута при использовании материалов поглощающих излучение, например волоконно-оптические шайбы, а также оптимизацией конструкции КМОП сенсора. Такие преимущества как низкий шум считывания (менее 300 электрон), низкий темновой ток, гибкость в реализации КМОП схемотехники и более низкие производственные затраты позволяют VLA CMOS сенсорам быть конкурентоспособными среди цифровых панелей малых (менее 10х10 см) и среднеформатных (менее 30х30 см) размеров.
Статья: Very Large Area CMOS Active-Pixel Sensor for Digital Radiography; IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 56, NO. 11, NOVEMBER 2009
В данной статье рассматривались VLA CMOS сенсоры американской компании Rad-Icon Imaging, которая является ведущим мировым производителем высококачественных КМОП матриц, сенсоров, детекторных панелей и камер для цифровой рентгенографии. В 2000 году компания Rad-Icon Imaging представила свой первый продукт – VLA CMOS сенсор серии RadEye1 — рентгеновский детектор изготовленный по КМОП технологии и предназначенный для замены ПЗС матриц. Первым применением данного сенсора было получение рентгеновских снимков в хирургической биопсии для обнаружения нарушений мышечных тканей. С тех пор компания Rad-Icon Imaging разработала семейство фотодетекторов с высоким разрешением серии RadEye ™ и стала изготавливать на их основе рентгеновские детекторные панели и камеры серии Shad-o-Box™ и Shad-o-Snap™. В 2008 году, компания Rad-Icon Imaging представила семейство рентгеновских камер серии SkiaGraph8 ™ с размерами активной области 20х20 см, обладающие высокой скоростью считывания, пониженными шумами и высокой чувствительностью.
Методика измерения шума чтения камеры
Исходя из сказанного выше предлагается следующая уточненная методика измерения шума чтения камеры:
Выводы
Что можно сказать на данном этапе:
Остаётся только рассмотреть фактор ISO в задаче. Но об этом я уже буду писать заключительную часть.
