Застосування приладів із зарядним зв’язком

Спочатку ПЗЗ застосовувалися як більш ефективні багатоканальні замінники фотодіодів, матриць фотодіодів. З найбільшим успіхом ПЗЗ-матриці реєстрували слабкі світлові потоки в таких галузях, як мікробіофізика, хімічна фізика, ядерна фізика, астрофізика.

З 1975 року ПЗЗ почали активно впроваджуватися в якості телевізійних світлоприймачів. А в 1989 році ПЗЗ-детектори застосовувалися вже майже в 97% всіх телевізійних приймачів. Довгий час широкому застосуванню ПЗЗ-приймачів в телевізійній техніці перешкоджали недоліки в технологіях виготовлення світлочутливих елементів - кристалічних основ необхідного розміру. Світлоприймальна область була неоднорідною за квантовим виходом, спостерігалася помітна геометрична нестабільність (плаваюча низька роздільна здатність), були присутні різного роду шуми, як на малих масштабах, так і на великих просторових масштабах. Їх основне застосування у фотографії, де датчики ПЗЗ знаходяться практично в усіх цифрових камерах і сканерах. Астрономи були лідерами в ПЗЗ, тому що вони до ста разів більш чутливі, ніж фотоплівки. Тим не менше, вони повинні бути охолоджені до температури набагато нижче нуля за скорочення теплових звинувачень, які викликають помилки. ПЗЗ застосовуються також і в інших областях, таких, як електронна мікроскопія, спектроскопія, флуроскопія. Вони також можуть бути знайдені в приладах нічного бачення.

CCD-матриця служить для перетворення прийнятого зображення в найдрібніші елементи зображення - пікселі. Кількість елементів матриці є основною характеристикою цифрового фотоапарата.

Також воістину унікальним виявилось застосування ПЗЗ у фотометрії. По-перше - це двовимірний приймач, і одночасно з досліджуваним об'єктом ви отримуєте зображення багатьох навколишніх зірок, придатних до калібрування знімка. Далі - оскільки матриця виготовлена на основі досить міцного кремнієвого кристала, її часові параметри досить стабільні. Прокалібрована за спостереженнями стандартних зірок з різними фільтрами, вона надовго відповідатиме отриманим даним. Дуже важлива і чудова лінійність ПЗЗ. Іншими словами - число електронів накопичуваних в пікселі точно пропорційне числу прийшовших фотонів, на відміну від фотоемульсій.

Безперечні зручності ПЗЗ для фотометрії стають очевидними і у зв'язку з можливістю врахувати локальні технологічні неоднорідності, що виникають при виробництві матриць. На практиці це виправляється за допомогою техніки флет поля. З англійської флет - це підлога, майданчик, рівень. Ідея полягає в тому, щоб у робочій комбінації “матриця + телескоп” отримати знімок рівномірного сірого поля (це може бути просто аркуш білого паперу, освітлений розсіюванням світла, або ділянка білястого сутінкового неба без зірок). Надалі комп'ютер зможе врахувати виниклі перепади яскравості по поверхні кадру і підкорегувати кінцевий знімок. Значною перевагою використання такої техніки зйомки є можливість врахувати не тільки технологічні, а й помилкові фотометричні неоднорідності зображення, що вносяться самою оптичною системою телескопа.

Висновки

Найбільш відомими багатоелементними приймачами випромінювання є фотоприймачі на основі приладів із зарядовим зв’язком (ПЗЗ). Прилади із зарядовим зв’язком – напівпровідникові пристрої, в яких при подачі на них певної послідовності тактових імпульсів здійснюється кероване переміщення пакетних зарядів вздовж напівпровідникової підкладки.

Перевагами ПЗЗ є висока роздільна здатність; мале споживання потужності на обробку інформації; відсутність необхідності створювати велике число p-n-переходів і контактів до них, а отже, висока технологічність; велика швидкодія, що характеризується частотами розгортки порядку сотень МГц; можливість обробляти і кодувати зображення безпосередньо в самому формувачі сигналу, оскільки на вхід ПЗЗ інформація подається в аналоговій формі, а керування ПЗЗ здійснюється цифровими методами і сигнал на виході дискретний.

Основними недоліками таких приймачів випромінювання є неоднорідність чутливості окремих елементів; обмежений спектральний діапазон (0,5-1,1 мкм і лише в деяких від 0,2 до 3 – 5 мкм); неможливість довільного вибору сигналу з елементів ПЗЗ, оскільки послідовність їх опитування строго визначена. Рівень шумів в фото-ПЗЗ визначається флуктуаціями числа електронів в зарядових пакетах, зумовлених фотонним шумом сигналу, дробовим шумом темнового струму, шумами структури ПЗЗ і т.п. Охолодження до –(20-40)^оС та інші методи дозволяють зменшити кількість шумових електронів і забезпечити роботу при змінах інтенсивностей 10⁴– 10⁵.

Прилади використовуються для детектування світла (фотометрія), а також в медичних та професійних цілях, де потрібні зображення з високою роздільною здатністю.