Раздел 5: Настройка ПЗС камеры

Общая подготовка к измерению считается завершенной если настройка ПЗС детектора будет завершена. В ПЗС детекторах шум всегда возникает вместе с сигналом. Понимая работу ПЗС детектора, вы можете получить спектр с высоким отношением сигнал/шум.

Шум, генерируемый ПЗС-детектором, в основном делится на шум считывания, темновой шум и дробовой шум.

Шум считывания – это шум, возникающий при усилении сигнала и считывании в электрических цепях. Шум может быть уменьшен путем переключения частоты считывания.

Дробовой шум - это шум, генерируемый квантовым эффектом фотонов, который может быть смоделирован с помощью процесса Пуассона. Также это называется пуассоновским шумом. Отношение сигнал/шум будет улучшено за счет увеличения интенсивности сигнала, поскольку среднеквадратичное значение шума является линейным по отношению к корню квадратному сигнала.

Шум темнового тока – это шум, создаваемый темновым током. Темновой ток - это шум без какого-либо входного сигнала. Он генерируется тепловым эффектом электронов. Он меняется в зависимости от температуры ПЗС или времени выдержки.

Изменение показаний шума
На приведенном ниже рисунке показано изменение показаний шума. Чем ниже частота считывания, тем ниже шум считывания, и становится ясно, что даже слабые сигналы можно обнаружить. Поскольку время, необходимое для считывания, увеличивается, а отношение сигнал/шум является достаточным, тогда можно выполнить измерение за короткое время, используя высокоскоростное считывание.

Изменение темнового шума
Причиной темнового тока является нагрев ПЗС матрицы. Поэтому ПЗС матрица охлаждается для подавления темнового тока. Тем не менее, темновой ток увеличивается, когда ПЗС не охлаждается до указанной температуры, например, сразу после включения питания. На рисунке ниже показано изменение темнового тока из-за температуры охлаждения. Можно видеть, что темновой ток увеличивается с ростом температуры, и дробовой шум увеличивается соответственно. Кроме того, поскольку темновой ток увеличивается пропорционально времени экспозиции, его величина меняется от времени экспозиции ПЗС-матрицы даже при той же температуре.

В принципе, шум темнового тока не может быть уменьшен, но если базовая линия больше, чем обычно, проверьте температуру ПЗС детектора.

Улучшение сигнал/шум с помощью биннинга
Биннинг - это сложение сигналов соседних пикселей. Биннинг увеличивает интенсивность сигнала и уменьшает количество считываний, что приводит к уменьшению шума, который связанный со считыванием. Ниже показано изменение спектра из-за биннинга. Вы можете видеть, что уровень сигнала увеличивается с помощью биннинга. Однако пространственное разрешение уменьшается обратно пропорционально количеству биннингов, поскольку добавляются данные о соседних точках. Поэтому он используется, когда вы хотите измерить высокое отношение сигнал/ шум, хотите уменьшить размер данных измерений и вам не нужно хорошее пространственное разрешение.

Изменение интенсивность сигнала из-за эталонирования
Хотя в видимой диапазоне ПЗС-детектора сигнал отличается от шума, в ближней инфракрасной области возникают колебания спектральной интенсивности из-за интерференции ПЗС матрицы. Это называется эталонированием. На графике ниже показан спектр, когда в качестве длины волны возбуждения используется лазер с длиной волны 785 нм. Эталонирование происходит на длинах волн выше 880 нм. Если это сигнал слабый, то он может быть скрыт из-за эффекта эталонирования. Величина этого эффекта зависит от типа ПЗС детектора. Поэтому при выполнении многих измерений в ближней инфракрасной области мы рекомендуем выбирать ПЗС с уменьшенным эталонированием.