基于CMOS工艺的APS图像传感器于上世纪九十年代初得到快速发展。CMOS图像传感器采用超大规模集成电路的制造工艺,集成度高,克服了 CCD的上述相关问题,与CCD 相比,具有集成度高、功耗低、可靠性高、耐辐照能力强等优点。
随着CMOS工艺的成熟和技术的不断发展,APS图像传感器正在逐渐克服以往光照灵敏度、信噪比等方面的局限,现阶段APS器件在很多性能方面已同CCD旗鼓相当。
APS星敏感器是未来星敏感器的发展趋势。具有体积小、重量轻、功耗低、精度高的特点,弥补了我国目前主流的CCD星敏感器存在的体积重量大、功耗较高等不足,是未来几年国内外的发展趋势。
由于CMOS技术工艺以及有源像元的结构特点,APS图像传感器的工作原理、操作和读取方式、噪声种类等与CCD有较大区别,其在星敏感器等空间应用方面尚存在较多有待研究的问题,突出表现在其探测灵敏度偏低。
由于APS图像传感器的像素内部集成放大电路,降低了填充因子,因此APS固有像素结构特点决定了其存在相比CCD的灵敏度偏低问题。
灵敏度是星敏感器重要指标,表征其视场内能够探测到最暗星的能力,是保证星敏感器功能、姿态输出精度和捕获概率等性能指标的基础及前提。高灵敏度APS电路是APS星敏感器中的关键技术,是实现高精度、高数据更新率的重要保证。
影响APS星敏感器探测灵敏度的因素
(1) 光学系统的影响。探测灵敏度与光学镜头透过率,光学系统孔径,以及星点像光斑能量集中程度有关。由于设计一般要求F‘# = f/D一定,光学系统的孔径的增大,同时要求焦距增长,这会增加系统的重量,而单独增加D 会给光学系统设计带来困难,该项指标受星敏感器总体设计和光学系统设计的限制。而星点像光斑能量集中程度大小受质心算法的限制,一般不能超过0.5。
(2) APS 的参数大小的影响。APS 的量子效率和填充因子越高,APS 的信号电子数越多,灵敏度越高。一般APS 的量子效率Qe 为0.3- 0.7,填充因子Km 为0.3- 0.7,也有器件给出的是量子效率和填充因子的积。此外,APS 噪声水平对灵敏度的影响较大,通过冷却APS 器件、采用相关双采样技术,和软件去噪( 比如固定图像噪声等) 可以降低噪声。
(3) 背景辐射对探测灵敏度影响较小,当在信号处理中采用阈值处理时,可以把背景噪声滤掉。
(4) 信噪比阈值的影响。信噪比阈值取的越大,探测率越高,但探测灵敏度将下降。
(5) 积分时间。积分时间越长,灵敏度越高。然而积分时间过长,会导致系统更新速度的下降,而且会出现图像的拖尾,降低图像质心的精度而影响测量精度。
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