Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym - Charge-coupled device

Specjalnie opracowana matryca CCD w obudowie połączonej drutem, używana do obrazowania w ultrafiolecie

Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym ( CCD ) to układ scalony zawierający tablicę połączonych lub sprzężonych kondensatorów . Pod kontrolą obwodu zewnętrznego każdy kondensator może przekazać swój ładunek elektryczny do sąsiedniego kondensatora. Czujniki CCD są główną technologią stosowaną w obrazowaniu cyfrowym .

W CCD czujnik obrazu , pikseli jest reprezentowany przez P domieszkowanego tlenku metalu półprzewodnik (MOS) kondensatorów . Te kondensatory MOS , podstawowe elementy konstrukcyjne przetwornika CCD, są przesunięte powyżej progu inwersji, gdy rozpoczyna się akwizycja obrazu, umożliwiając konwersję przychodzących fotonów na ładunki elektronowe na granicy półprzewodnik-tlenek; CCD jest następnie używany do odczytania tych ładunków. Chociaż matryce CCD nie są jedyną technologią umożliwiającą wykrywanie światła, czujniki obrazu CCD są szeroko stosowane w zastosowaniach profesjonalnych, medycznych i naukowych, w których wymagane są wysokiej jakości dane obrazu. W zastosowaniach o mniej wymagających wymagań jakościowych, takich jak konsumenckich i profesjonalnych kamer cyfrowych , Matryca CMOS , znany również jako czujniki CMOS (komplementarne czujników MOS), są powszechnie stosowane. Jednak duża przewaga jakościowa, jaką cieszyły się przetworniki CCD na początku, zmniejszyła się z czasem, a od końca 2010 roku czujniki CMOS są dominującą technologią, która w dużej mierze, jeśli nie całkowicie, zastąpiła przetworniki obrazu CCD.

Historia

Podstawą CCD jest struktura półprzewodnika z tlenku metalu (MOS), z kondensatorami MOS będącymi podstawowymi elementami składowymi CCD, a zubożona struktura MOS wykorzystywana jako fotodetektor we wczesnych urządzeniach CCD.

Pod koniec lat 60. Willard Boyle i George E. Smith z Bell Labs badali technologię MOS podczas pracy nad półprzewodnikową pamięcią bąbelkową . Zdali sobie sprawę, że ładunek elektryczny jest analogią bańki magnetycznej i może być przechowywany na małym kondensatorze MOS. Ponieważ wyprodukowanie szeregu kondensatorów MOS z rzędu było dość proste , podłączyli do nich odpowiednie napięcie, aby można było przenosić ładunek z jednego do drugiego. Doprowadziło to do wynalezienia urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym przez Boyle'a i Smitha w 1969 roku. Wymyślili projekt urządzenia, które w swoim zeszycie nazwali "Urządzeniami ładowanymi pęcherzykami".

Wstępny artykuł opisujący tę koncepcję w kwietniu 1970 wymieniał możliwe zastosowania jako pamięć , linia opóźniająca i urządzenie do obrazowania. Urządzenie może być również używane jako rejestr przesuwny . Istotą projektu była możliwość przenoszenia ładunku wzdłuż powierzchni półprzewodnika z jednego kondensatora magazynującego do drugiego. Koncepcja była zasadniczo podobna do urządzenia kubełkowo-brygadowego (BBD), które zostało opracowane w Philips Research Labs pod koniec lat sześćdziesiątych.

Pierwszym urządzeniem doświadczalnym demonstrującym zasadę działania był rząd rozmieszczonych blisko siebie metalowych kwadratów na utlenionej powierzchni krzemu, do której można było uzyskać dostęp elektryczny za pomocą wiązań drutowych. Zademonstrowali to Gil Amelio , Michael Francis Tompsett i George Smith w kwietniu 1970 roku. Było to pierwsze eksperymentalne zastosowanie CCD w technologii przetworników obrazu i wykorzystywało zubożoną strukturę MOS jako fotodetektor. Pierwszy patent ( patent USA 4 085 456 ) na zastosowanie CCD do obrazowania został przyznany Tompsettowi, który złożył wniosek w 1971 roku.

Pierwszym pracującym przetwornikiem CCD wykonanym w technologii układów scalonych był prosty 8-bitowy rejestr przesuwny, zgłoszony przez Tompsett, Amelio i Smith w sierpniu 1970 roku. To urządzenie miało obwody wejściowe i wyjściowe i zostało użyte do zademonstrowania jego użycia jako rejestru przesuwnego i jako Surowy osiem pikseli liniowe urządzenia obrazowania. Rozwój urządzenia postępował w szybkim tempie. W 1971 badacze Bella pod kierownictwem Michaela Tompsetta byli w stanie rejestrować obrazy za pomocą prostych urządzeń liniowych. Kilka firm, w tym Fairchild Semiconductor , RCA i Texas Instruments , podchwyciło wynalazek i rozpoczęło programy rozwojowe. Wysiłek Fairchilda, kierowany przez byłego badacza Bella, Gila Amelio, był pierwszym z komercyjnymi urządzeniami, a do 1974 miał liniowe urządzenie 500-elementowe i urządzenie 2-D 100 × 100 pikseli. Steven Sasson , inżynier elektryk pracujący dla firmy Kodak , wynalazł w 1975 roku pierwszy aparat cyfrowy wykorzystujący przetwornik CCD Fairchild 100×100 .

Urządzenie CCD z transferem międzyliniowym (ILT) zostało zaproponowane przez L. Walsha i R. Dycka w Fairchild w 1973 roku w celu zmniejszenia rozmazywania i wyeliminowania mechanicznej migawki . Aby jeszcze bardziej zredukować rozmazywanie z jasnych źródeł światła, w 1981 roku K. Horii, T. Kuroda i T. Kunii w Matsushita (obecnie Panasonic) opracowali architekturę CCD z transferem między liniami klatek (FIT) .

Pierwszy KH-11 kennen satelita rozpoznawczy wyposażony tablicy charge-coupled device ( 800 x 800 pikseli) technologii obrazowania została uruchomiona w grudniu 1976. Pod przewodnictwem Kazuo Iwama , Sony rozpoczęła duży wysiłek rozwojowy na CCD z udziałem znacznych inwestycji. Ostatecznie Sony udało się wyprodukować masowo matryce CCD do swoich kamer . Zanim to się stało, Iwama zmarł w sierpniu 1982 roku; następnie na jego nagrobku umieszczono chip CCD, aby potwierdzić jego wkład. Pierwsza masowo produkowana konsumencka kamera wideo CCD , CCD-G5, została wypuszczona przez Sony w 1983 roku na podstawie prototypu opracowanego przez Yoshiaki Hagiwarę w 1981 roku.

Wczesne czujniki CCD cierpiały z powodu opóźnienia migawki . Zostało to w dużej mierze rozwiązane wraz z wynalezieniem przypiętej fotodiody (PPD). Został wynaleziony przez Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki i Yasuo Ishihara w NEC w 1980 roku. Zdali sobie sprawę, że opóźnienie można wyeliminować, jeśli nośniki sygnału można przenieść z fotodiody do CCD. Doprowadziło to do wynalezienia fotodiody szpilkowej, struktury fotodetektora o małym opóźnieniu, niskim poziomie szumów , wysokiej wydajności kwantowej i niskim prądzie ciemnym . Po raz pierwszy została publicznie zgłoszona przez Teranishi i Ishiharę wraz z A. Kohono, E. Odą i K. Arai w 1982 roku, z dodatkiem struktury zapobiegającej kwitnieniu. Nowa struktura fotodetektor wynaleziony w NEC nadano nazwę „przypięte fotodiody” (PPD) przez BC Burkey w Kodak w roku 1984. W 1987 roku PPD zaczął być włączone do większości urządzeń CCD, stając się stałym elementem elektronicznych konsumenckich kamer wideo , a następnie cyfrowe aparaty fotograficzne . Od tego czasu PPD jest używany w prawie wszystkich czujnikach CCD, a następnie w czujnikach CMOS .

W styczniu 2006 roku Boyle i Smith otrzymali Nagrodę im. Charlesa Starka Drapera National Academy of Engineering , a w 2009 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie koncepcji CCD. Michael Tompsett został odznaczony Narodowym Medalem Technologii i Innowacji 2010 za pionierskie prace i technologie elektroniczne, w tym za projektowanie i rozwój pierwszych kamer CCD. Został również nagrodzony Medalem IEEE Edison 2012 za „pionierski wkład w urządzenia do przetwarzania obrazu, w tym kamery CCD, kamery i kamery termowizyjne”.

Podstawy działania

Pakiety ładunków (elektrony, niebieski) gromadzone są w studniach potencjału (żółte) wytworzonych przez przyłożenie dodatniego napięcia na elektrodach bramki (G). Przyłożenie dodatniego napięcia do elektrody bramkowej w prawidłowej kolejności przenosi pakiety ładunków.

W przetworniku CCD do przechwytywania obrazów znajduje się obszar fotoaktywny ( epitaksyjna warstwa krzemu) oraz obszar transmisji utworzony z rejestru przesuwnego (właściwie mówiąc, CCD).

Obraz jest rzutowany przez soczewkę na matrycę kondensatorów (obszar fotoaktywny), powodując, że każdy kondensator akumuluje ładunek elektryczny proporcjonalny do natężenia światła w tym miejscu. Tablica jednowymiarowa, stosowana w kamerach ze skanowaniem liniowym, przechwytuje pojedynczy wycinek obrazu, podczas gdy tablica dwuwymiarowa, stosowana w kamerach wideo i aparatach fotograficznych, przechwytuje dwuwymiarowy obraz odpowiadający scenie rzutowanej na płaszczyznę ogniskową czujnika. Gdy tablica zostanie wystawiona na obraz, obwód sterujący powoduje, że każdy kondensator przekazuje swoją zawartość do sąsiada (działając jako rejestr przesuwny). Ostatni kondensator w tablicy zrzuca swój ładunek do wzmacniacza ładunku , który przekształca ładunek na napięcie . Powtarzając ten proces, obwód sterujący przekształca całą zawartość tablicy w półprzewodniku na sekwencję napięć. W urządzeniu cyfrowym napięcia te są następnie próbkowane, digitalizowane i zwykle przechowywane w pamięci; w urządzeniu analogowym (takim jak analogowa kamera wideo) są one przetwarzane na ciągły sygnał analogowy (np. poprzez wprowadzenie wyjścia wzmacniacza ładunku do filtra dolnoprzepustowego), który jest następnie przetwarzany i podawany do innych obwodów w celu transmisja, nagrywanie lub inne przetwarzanie.

Szczegółowa fizyka działania

Sony ICX493AQA 10,14 megapiksela APS-C (23,4 × 15,6 mm) CCD z aparatu cyfrowego Sony α DSLR-A200 lub DSLR-A300 , strona z matrycą

Generowanie ładunku

Zanim kondensatory MOS zostaną wystawione na działanie światła, są przesunięte w region zubożenia; w CCD z kanałem typu N, krzem przez bramę polaryzacji jest nieco P -doped lub wewnętrzne. Bramka jest następnie obciążona dodatnim potencjałem, powyżej progu silnej inwersji, co ostatecznie spowoduje utworzenie kanału n poniżej bramki, jak w MOSFET . Jednak osiągnięcie tej równowagi termicznej wymaga czasu: do godzin w wysokiej klasy kamerach naukowych chłodzonych w niskiej temperaturze. Początkowo po spolaryzowaniu, dziury są wpychane głęboko w podłoże i żadne ruchome elektrony nie znajdują się na lub w pobliżu powierzchni; CCD działa zatem w stanie nierównowagi zwanym głębokim wyczerpaniem. Następnie, gdy pary elektron-dziura są generowane w obszarze zubożenia, są one rozdzielane przez pole elektryczne, elektrony poruszają się w kierunku powierzchni, a dziury w kierunku podłoża. Można zidentyfikować cztery procesy generowania par:

  • fotogeneracja (do 95% wydajności kwantowej ),
  • generacja w regionie zubożenia,
  • generowanie na powierzchni i
  • generacja w neutralnej masie.

Ostatnie trzy procesy są znane jako generowanie ciemnego prądu i dodają szum do obrazu; mogą ograniczyć łączny użyteczny czas integracji. Akumulacja elektronów na powierzchni lub w jej pobliżu może postępować albo do zakończenia integracji obrazu i rozpoczęcia przenoszenia ładunku, albo do osiągnięcia równowagi termicznej. W tym przypadku mówi się, że studnia jest pełna. Wydajność maksimum każdego dołka jest znany jako głębokość oraz, zazwyczaj około 10 5 elektronów na piksel.

Projektowanie i produkcja

Fotoaktywny region CCD jest ogólnie epitaksjalną warstwą krzemu . Jest lekko domieszkowany p (zwykle borem ) i jest hodowany na podłożu , często p++. W urządzeniach zakopane kanałowych, typ konstrukcji stosowanego w większości nowoczesnych CCD, pewne obszary powierzchni krzemu jonów wszczepia się fosforu , co daje im oznaczenia n domieszkowanego. Ten region określa kanał, w którym będą podróżować fotogenerowane pakiety ładunków. Simon Sze szczegółowo opisuje zalety urządzenia z kanałem podziemnym:

Ta cienka warstwa (= 0,2-0,3 mikrona) jest całkowicie wyczerpana, a nagromadzony ładunek fotogenerowany jest trzymany z dala od powierzchni. Ta struktura ma zalety wyższej wydajności transferu i niższego prądu ciemnego, ze względu na zmniejszoną rekombinację powierzchni. Karą jest mniejsza pojemność ładowania, o współczynnik 2-3 w porównaniu do CCD z kanałem powierzchniowym.

Tlenek bramki, czyli dielektryk kondensatora , narasta na wierzchu warstwy epitaksjalnej i podłoża.

W dalszej części procesu, bramki polikrzemowe są osadzane przez osadzanie chemiczne z fazy gazowej , wzorowane za pomocą fotolitografii i wytrawiane w taki sposób, że bramki z oddzielnymi fazami leżą prostopadle do kanałów. Kanały są dalej definiowane przez wykorzystanie procesu LOCOS do wytworzenia obszaru zatrzymania kanału .

Ograniczniki kanałów to termicznie wyhodowane tlenki, które służą do izolowania pakietów ładunków w jednej kolumnie od tych w drugiej. Te ograniczniki kanałów są produkowane przed bramkami polikrzemowymi, ponieważ proces LOCOS wykorzystuje etap wysokotemperaturowy, który zniszczy materiał bramki. Przystanki kanału są równoległe i wyłączone z kanału lub regionów „przenoszących ładunek”.

Przystanki kanałów często mają leżący pod nimi region z domieszką p+, stanowiący dodatkową barierę dla elektronów w pakietach ładunków (ta dyskusja na temat fizyki urządzeń CCD zakłada zastosowanie urządzenia do przenoszenia elektronów , chociaż transfer dziur jest możliwy).

Taktowanie bramek, na przemian wysokie i niskie, spowoduje polaryzację do przodu i do tyłu diody dostarczanej przez kanał podziemny (domieszkowany n) i warstwę epitaksjalną (domieszkowaną p). Spowoduje to wyczerpanie CCD w pobliżu złącza p-n i zbieranie i przenoszenie pakietów ładunku pod bramkami – i w kanałach – urządzenia.

Produkcja i działanie CCD można zoptymalizować pod kątem różnych zastosowań. Powyższy proces opisuje CCD transferu ramek. Podczas gdy matryce CCD mogą być wytwarzane na mocno domieszkowanej płytce p++, możliwe jest również wytwarzanie urządzenia wewnątrz studzienek p, które zostały umieszczone na płytce n. Ten drugi sposób, według doniesień, obniża plama prądu ciemnego i podczerwone reakcji i czerwonym. Ten sposób wytwarzania jest stosowany w konstrukcji urządzeń do transferu międzyliniowego.

Inna wersja CCD nazywana jest perystaltyczną CCD. W perystaltycznym urządzeniu ze sprzężonym ładunkiem operacja przenoszenia ładunku-pakietu jest analogiczna do perystaltycznego skurczu i rozszerzenia układu pokarmowego . Perystaltyczny CCD ma dodatkowy implant, który utrzymuje ładunek z dala od granicy krzemu/ dwutlenku krzemu i generuje duże boczne pole elektryczne od jednej bramki do drugiej. Zapewnia to dodatkową siłę napędową, która pomaga w przenoszeniu pakietów opłat.

Architektura

CCD z 2,1- megapikselowego aparatu cyfrowego Argus
Jednowymiarowy czujnik obrazu CCD z faksu

Czujniki obrazu CCD można zaimplementować w kilku różnych architekturach. Najczęstsze to pełnoklatkowe, z transferem klatek i interline. Cechą wyróżniającą każdą z tych architektur jest podejście do problemu szalunków.

W urządzeniu pełnoklatkowym cały obszar obrazu jest aktywny i nie ma elektronicznej migawki. Do tego typu czujnika należy dodać mechaniczną migawkę, aby obraz rozmazywał się podczas taktowania lub odczytu urządzenia.

W przypadku CCD do przenoszenia ramki połowa obszaru silikonowego jest pokryta nieprzezroczystą maską (zwykle aluminiową). Obraz można szybko przenieść z obszaru obrazu do obszaru nieprzezroczystego lub obszaru przechowywania z akceptowalnym kilkuprocentowym rozmazem. Ten obraz można następnie powoli odczytywać z obszaru przechowywania, podczas gdy nowy obraz jest integrowany lub eksponowany w obszarze aktywnym. Urządzenia do przenoszenia ramek zwykle nie wymagają mechanicznej migawki i były powszechną architekturą we wczesnych kamerach transmisyjnych półprzewodnikowych. Wadą architektury transferu ramek jest to, że wymaga ona dwukrotnie większej powierzchni krzemowej niż równoważne urządzenie pełnoklatkowe; w związku z tym kosztuje mniej więcej dwa razy więcej.

Architektura interline rozszerza tę koncepcję o krok dalej i maskuje każdą drugą kolumnę przetwornika obrazu do przechowywania. W tym urządzeniu, aby przenieść się z obszaru obrazu do obszaru przechowywania, musi nastąpić tylko jedno przesunięcie piksela; w ten sposób czasy migawki mogą być krótsze niż mikrosekunda, a rozmazanie jest zasadniczo wyeliminowane. Zaleta nie jest jednak wolna, ponieważ obszar obrazowania jest teraz pokryty nieprzezroczystymi paskami, co obniża współczynnik wypełnienia do około 50 procent, a efektywną wydajność kwantową o równoważną wartość. Nowoczesne projekty zajęły się tą szkodliwą cechą poprzez dodanie mikrosoczewek na powierzchni urządzenia, aby skierować światło z dala od nieprzezroczystych obszarów i na obszar aktywny. Mikrosoczewki mogą przywrócić współczynnik wypełnienia do 90% lub więcej, w zależności od rozmiaru piksela i konstrukcji optycznej całego systemu.

Wybór architektury sprowadza się do użyteczności. Jeśli aplikacja nie toleruje drogiej, podatnej na awarie, energochłonnej migawki mechanicznej, właściwym wyborem jest urządzenie interline. Konsumenckie aparaty migawkowe wykorzystują urządzenia interline. Z drugiej strony, dla tych aplikacji, które wymagają jak najlepszego zbierania światła, a kwestie pieniędzy, mocy i czasu są mniej ważne, pełnoklatkowe urządzenie jest właściwym wyborem. Astronomowie wolą aparaty pełnoklatkowe. Transfer ramek mieści się pomiędzy i był powszechnym wyborem, zanim rozwiązano problem współczynnika wypełnienia urządzeń interline. Obecnie transfer ramek jest zwykle wybierany, gdy architektura międzyliniowa nie jest dostępna, na przykład w urządzeniu z tylnym podświetleniem.

Przetworniki CCD zawierające siatki pikseli są używane w aparatach cyfrowych , skanerach optycznych i kamerach wideo jako urządzenia wykrywające światło. Zwykle reagują na 70 procent padającego światła (co oznacza wydajność kwantową około 70 procent), co czyni je znacznie bardziej wydajnymi niż film fotograficzny , który wychwytuje tylko około 2 procent padającego światła.

Najczęstsze rodzaje CCD są wrażliwe na bliskiej podczerwieni, co pozwala fotografii w podczerwieni , noktowizyjne urządzenia i zerowy lux (lub prawie zerowej luksów) nagrywania wideo / Fotografia. W przypadku normalnych detektorów na bazie krzemu czułość jest ograniczona do 1,1 μm. Inną konsekwencją ich wrażliwości na podczerwień jest to, że podczerwień z pilotów często pojawia się w aparatach cyfrowych lub kamerach z matrycą CCD, jeśli nie mają blokad podczerwieni.

Chłodzenie redukuje ciemny prąd matrycy , poprawiając czułość CCD na niskie natężenia światła, nawet dla fal ultrafioletowych i widzialnych. Profesjonalne obserwatoria często chłodzą swoje detektory ciekłym azotem, aby zredukować prąd ciemny, a tym samym szum termiczny , do pomijalnego poziomu.

CCD transferu ramek

Czujnik CCD transferu ramki

Aparat do obrazowania CCD z transferem ramek był pierwszą strukturą obrazowania zaproponowaną do obrazowania CCD przez Michaela Tompsetta z Bell Laboratories. Przetwornik CCD z transferem klatek to specjalistyczna matryca CCD, często stosowana w astronomii i niektórych profesjonalnych kamerach wideo , zaprojektowana z myślą o wysokiej wydajności i poprawności naświetlania.

Normalne funkcjonowanie CCD, astronomiczne lub inne, można podzielić na dwie fazy: ekspozycję i odczyt. W pierwszej fazie CCD pasywnie zbiera nadchodzące fotony , przechowując elektrony w swoich komórkach. Po upływie czasu ekspozycji komórki są odczytywane po jednej linii na raz. Podczas fazy odczytu komórki są przesuwane w dół całego obszaru CCD. Podczas gdy są przesunięte, nadal zbierają światło. Tak więc, jeśli przesuwanie nie jest wystarczająco szybkie, mogą powstawać błędy spowodowane światłem padającym na ładunek podtrzymujący ogniwo podczas przenoszenia. Błędy te są określane jako „smużenie pionowe” i powodują, że silne źródło światła tworzy pionową linię powyżej i poniżej dokładnego położenia. Ponadto CCD nie może być używany do zbierania światła podczas jego odczytywania. Niestety szybsze przesuwanie wymaga szybszego odczytu, a szybszy odczyt może wprowadzić błędy w pomiarze ładunku ogniwa, prowadząc do wyższego poziomu szumu.

Przetwornik CCD z transferem ramek rozwiązuje oba problemy: ma ekranowany, niewrażliwy na światło obszar zawierający tyle komórek, ile jest wystawiony na działanie światła. Zazwyczaj obszar ten jest pokryty materiałem odblaskowym, takim jak aluminium. Gdy czas ekspozycji dobiegnie końca, komórki są bardzo szybko przenoszone do ukrytego obszaru. Tutaj, zabezpieczony przed wpadającym światłem, ogniwa mogą być odczytywane z dowolną prędkością, jaką uzna za konieczną do prawidłowego pomiaru naładowania ogniw. W tym samym czasie naświetlona część CCD ponownie zbiera światło, więc między kolejnymi ekspozycjami nie występuje opóźnienie.

Wadą takiego CCD jest wyższy koszt: powierzchnia ogniwa jest zasadniczo podwojona i potrzebna jest bardziej złożona elektronika sterująca.

Wzmocnione urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym

Urządzenie ze zintensyfikowanym sprzężeniem ładunkowym (ICCD) to przetwornik CCD połączony optycznie ze wzmacniaczem obrazu zamontowanym przed przetwornikiem CCD.

Wzmacniacz obrazu składa się z trzech funkcjonalnych elementów: fotokatody , płytki mikrokanalikowej (MCP) i ekranu luminoforowego . Te trzy elementy są montowane jeden za drugim we wspomnianej kolejności. Fotony pochodzące ze źródła światła padają na fotokatodę, wytwarzając w ten sposób fotoelektrony. Fotoelektrony są przyspieszane w kierunku MCP przez elektryczne napięcie sterujące, przyłożone między fotokatodą a MCP. Elektrony są mnożone wewnątrz MCP, a następnie przyspieszane w kierunku ekranu luminoforowego. Ekran luminoforowy w końcu przekształca zwielokrotnione elektrony z powrotem w fotony, które są kierowane do CCD przez światłowód lub soczewkę.

Wzmacniacz obrazu z natury zawiera funkcję migawki : jeśli napięcie sterujące między fotokatodą a MCP jest odwrócone, emitowane fotoelektrony nie są przyspieszane w kierunku MCP, ale wracają do fotokatody. Zatem żadne elektrony nie są powielane i emitowane przez MCP, żadne elektrony nie trafiają do ekranu luminoforowego i żadne światło nie jest emitowane ze wzmacniacza obrazu. W tym przypadku na CCD nie pada żadne światło, co oznacza, że ​​przesłona jest zamknięta. Proces odwracania napięcia sterującego na fotokatodzie nazywa się bramkowaniem, a zatem ICCD są również nazywane bramkowanymi kamerami CCD.

Oprócz niezwykle wysokiej czułości kamer ICCD, które umożliwiają detekcję pojedynczych fotonów, bramkowalność jest jedną z głównych zalet kamer ICCD nad kamerami EMCCD . Najwydajniejsze kamery ICCD umożliwiają czas otwarcia migawki nawet do 200 pikosekund .

Kamery ICCD są na ogół nieco droższe niż kamery EMCCD, ponieważ wymagają drogiego wzmacniacza obrazu. Z drugiej strony, kamery EMCCD potrzebują systemu chłodzenia, aby schłodzić chip EMCCD do temperatury około 170  K (-103  °C ). Ten system chłodzenia zwiększa koszty kamery EMCCD i często powoduje poważne problemy z kondensacją w aplikacji.

ICCD są używane w noktowizorach oraz w różnych zastosowaniach naukowych.

CCD z mnożeniem elektronów

Elektrony są przesyłane szeregowo przez stopnie wzmocnienia tworzące rejestr mnożenia EMCCD . Wysokie napięcia stosowane w tych transferach szeregowych indukują tworzenie dodatkowych nośników ładunku poprzez jonizację uderzeniową.
w EMCCD występuje dyspersja (zmienność) liczby elektronów wyprowadzonych przez rejestr mnożenia dla danej (stałej) liczby elektronów wejściowych (pokazane w legendzie po prawej). Rozkład prawdopodobieństwa liczby elektronów wyjściowych jest wykreślany logarytmicznie na osi pionowej w celu symulacji rejestru mnożenia. Pokazane są również wyniki z empirycznego równania dopasowania pokazanego na tej stronie.

Elektronów pomnożenie CCD (EMCCD, znany również jako L3Vision CCD, produkt dostępny w handlu z E2V Ltd., GB, L3CCD lub Impactron CCD, a teraz już przerwać produkt oferowany w przeszłości przez Texas Instruments) jest urządzeniem do ładowania sprzężonym w którym rejestr wzmocnienia jest umieszczony między rejestrem przesuwnym a wzmacniaczem wyjściowym. Rejestr wzmocnienia jest podzielony na dużą liczbę etapów. Na każdym etapie elektrony są zwielokrotniane przez jonizację uderzeniową w sposób podobny do diody lawinowej . Prawdopodobieństwo wzmocnienia na każdym etapie rejestru jest małe ( P < 2%), ale ponieważ liczba elementów jest duża (N > 500), ogólne wzmocnienie może być bardzo wysokie ( ), przy czym pojedyncze elektrony wejściowe dają wiele tysięcy elektrony wyjściowe. Odczytywanie sygnału z CCD daje szum tła, zwykle kilka elektronów. W EMCCD szum ten nakłada się na wiele tysięcy elektronów, a nie na pojedynczy elektron; podstawową zaletą urządzeń jest więc ich znikomy szum odczytu. Zastosowanie rozpadu lawinowego do wzmacniania ładunków fotograficznych zostało już opisane w patencie USA nr 3761744 w 1973 r. przez George'a E. Smitha/Bell Telephone Laboratories.

EMCCD wykazują podobną wrażliwość na zintensyfikowane CCD (ICCD). Jednak, podobnie jak w przypadku ICCD, wzmocnienie zastosowane w rejestrze wzmocnienia jest stochastyczne, a dokładne wzmocnienie zastosowane do ładunku piksela jest niemożliwe do ustalenia. Przy wysokich wzmocnieniach (> 30), ta niepewność ma taki sam wpływ na stosunek sygnału do szumu (SNR), jak zmniejszenie o połowę wydajności kwantowej (QE) w odniesieniu do pracy ze wzmocnieniem jedności. Jednak przy bardzo niskich poziomach światła (gdzie najważniejsza jest wydajność kwantowa) można założyć, że piksel zawiera elektron albo nie. Usuwa to szum związany z mnożeniem stochastycznym, ryzykując zliczenie wielu elektronów w tym samym pikselu jako pojedynczy elektron. Aby uniknąć wielokrotnych zliczeń w jednym pikselu z powodu zbieżnych fotonów w tym trybie pracy, niezbędne są wysokie szybkości klatek. Dyspersja wzmocnienia jest pokazana na wykresie po prawej stronie. Dla rejestrów mnożenia z wieloma elementami i dużymi wzmocnieniami jest to dobrze modelowane równaniem:

Jeśli

gdzie P jest prawdopodobieństwem otrzymania n elektronów wyjściowych przy danych m elektronów wejściowych i całkowitym średnim wzmocnieniu rejestru mnożenia równym g .

Ze względu na niższe koszty i lepszą rozdzielczość, EMCCD są w stanie zastąpić ICCD w wielu zastosowaniach. ICCD nadal mają tę zaletę, że mogą być bardzo szybko bramkowane, a zatem są przydatne w zastosowaniach takich jak obrazowanie z bramkowaniem zakresu . Kamery EMCCD nieodzownie potrzebują systemu chłodzenia — wykorzystującego chłodzenie termoelektryczne lub ciekły azot — w celu schłodzenia chipa do temperatur w zakresie od −65 do −95 °C (−85 do −139 °F). Ten system chłodzenia niestety zwiększa koszty systemu obrazowania EMCCD i może powodować problemy z kondensacją w aplikacji. Jednak wysokiej klasy kamery EMCCD są wyposażone w stały hermetyczny system próżniowy zamykający chip, aby uniknąć problemów z kondensacją.

Możliwości EMCCD przy słabym oświetleniu znajdują zastosowanie między innymi w astronomii i badaniach biomedycznych. W szczególności ich niski poziom szumów przy wysokich prędkościach odczytu sprawia, że ​​są bardzo przydatne w różnych zastosowaniach astronomicznych obejmujących słabe źródła światła i zdarzenia przejściowe, takie jak szczęśliwe obrazowanie słabych gwiazd, szybka fotometria zliczająca fotony , spektroskopia Fabry-Pérot i spektroskopia wysokiej rozdzielczości . Niedawno tego typu CCD złamali w dziedzinie badań biomedycznych w zastosowaniach oświetleniowych, w tym małym obrazowaniu zwierząt , pojedynczej cząsteczki obrazowania , spektroskopia Ramana , Super rozdzielczość mikroskopu , a także szerokiej gamy nowoczesnych mikroskopii fluorescencyjnej techniki dzięki większej SNR w warunkach słabego oświetlenia w porównaniu z tradycyjnymi CCD i ICCD.

Jeśli chodzi o szum, komercyjne kamery EMCCD zazwyczaj mają ładunek indukowany zegarem (CIC) i ciemny prąd (w zależności od stopnia chłodzenia), które razem prowadzą do efektywnego szumu odczytu w zakresie od 0,01 do 1 elektronu na odczytany piksel. Jednak ostatnie ulepszenia w technologii EMCCD doprowadziły do ​​powstania nowej generacji kamer, które są w stanie wytwarzać znacznie mniej CIC, wyższą wydajność transferu ładunku i 5-krotnie większe wzmocnienie EM niż to, co było wcześniej dostępne. Te postępy w wykrywaniu przy słabym oświetleniu prowadzą do efektywnego całkowitego szumu tła wynoszącego 0,001 elektronów na odczytany piksel, co jest poziomem szumu nieporównywalnym z jakimkolwiek innym urządzeniem do obrazowania przy słabym oświetleniu.

Użyj w astronomii

Macierz 30 CCD wykorzystana w kamerze do obrazowania teleskopu Sloan Digital Sky Survey , przykład „skanowania dryfu”.

Ze względu na wysoką wydajność kwantową urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) (idealna sprawność kwantowa wynosi 100%, jeden generowany elektron na padający foton), liniowość ich wyjść, łatwość użycia w porównaniu do klisz fotograficznych i wiele innych powodów , CCD zostały bardzo szybko zaadoptowane przez astronomów do prawie wszystkich zastosowań UV-IR.

Szum termiczny i promienie kosmiczne mogą zmieniać piksele w matrycy CCD. Aby przeciwdziałać takim efektom, astronomowie wykonują kilka ekspozycji przy zamkniętej i otwartej migawce CCD. Średnia zdjęć zrobionych przy zamkniętej migawce jest niezbędna do zmniejszenia losowych szumów. Po wywołaniu uśredniony obraz ciemnej klatki jest następnie odejmowany od obrazu z otwartą przesłoną, aby usunąć ciemny prąd i inne systematyczne defekty ( martwe piksele , gorące piksele itp.) w CCD. Nowsze przetworniki CCD Skippera zliczają szumy, zbierając dane z tym samym zebranym ładunkiem wiele razy i znajdują zastosowanie w precyzyjnych poszukiwaniach jasnej ciemnej materii i pomiarach neutrin .

W szczególności Kosmiczny Teleskop Hubble'a ma wysoce rozwiniętą serię kroków („potok redukcji danych”) w celu konwersji nieprzetworzonych danych CCD na użyteczne obrazy.

Kamery CCD stosowane w astrofotografii często wymagają solidnych mocowań, aby poradzić sobie z wibracjami z wiatru i innych źródeł, a także ogromną wagą większości platform obrazowania. Aby wykonać długie naświetlanie galaktyk i mgławic, wielu astronomów stosuje technikę znaną jako autonaprowadzanie . Większość autoguiderów wykorzystuje drugi chip CCD do monitorowania odchyleń podczas obrazowania. Ten chip może szybko wykryć błędy w śledzeniu i nakazać silnikom mocowania ich korektę.

Niezwykłe astronomiczne zastosowanie CCD, zwane skanowaniem dryfu, wykorzystuje CCD, aby stały teleskop zachowywał się jak teleskop śledzący i śledził ruch nieba. Ładunki w CCD są przesyłane i odczytywane w kierunku równoległym do ruchu nieba iz tą samą prędkością. W ten sposób teleskop może zobrazować większy obszar nieba niż jego normalne pole widzenia. Sloan Digital Sky Survey jest najbardziej znanym przykładem tego, stosując technikę produkować ankietę wśród ponad ćwierć nieba.

Oprócz przetworników obrazu, CCD są również wykorzystywane w szeregu instrumentów analitycznych, w tym spektrometrach i interferometrach .

Kamery kolorowe

Filtr Bayer na CCD
Widok mikroskopu x80 filtra RGGB Bayer na 240-liniowym czujniku CCD kamery Sony CCD PAL

Cyfrowe kamery kolorowe zazwyczaj używają maski Bayera nad CCD. Każdy kwadrat składający się z czterech pikseli ma jeden filtrowany kolor czerwony, jeden niebieski i dwa zielone ( ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na kolor zielony niż czerwony lub niebieski). Wynikiem tego jest to, że informacje o luminancji są zbierane przy każdym pikselu, ale rozdzielczość koloru jest niższa niż rozdzielczość luminancji.

Lepszą separację kolorów można osiągnąć dzięki zastosowaniu trzech przetworników CCD ( 3CCD ) oraz dichroicznego pryzmatu rozdzielającego wiązkę , który dzieli obraz na składową czerwoną , zieloną i niebieską . Każdy z trzech przetworników CCD jest ustawiony tak, aby odpowiadał określonemu kolorowi. Wiele profesjonalnych kamer wideo i niektóre kamery półprofesjonalne wykorzystuje tę technikę, chociaż rozwój konkurencyjnej technologii CMOS sprawił, że czujniki CMOS, zarówno z rozdzielaczami wiązki, jak i filtrami Bayer, stają się coraz bardziej popularne w wysokiej klasy kamerach wideo i cyfrowych kamerach kinowych. Kolejną zaletą 3CCD nad maską Bayera jest wyższa wydajność kwantowa (wyższa czułość na światło), ponieważ większość światła z obiektywu trafia do jednego z krzemowych czujników, podczas gdy maska ​​Bayera pochłania dużą część (ponad 2/3) światło padające na każdą lokalizację piksela.

W przypadku nieruchomych scen, na przykład w mikroskopii, rozdzielczość maski Bayera można zwiększyć dzięki technologii mikroskanowania . Podczas procesu próbkowania kolorów co-site powstaje kilka klatek sceny. Pomiędzy akwizycjami czujnik jest przesuwany w pikselach, tak aby każdy punkt w polu widzenia był rejestrowany kolejno przez elementy maski, które są wrażliwe na składowe czerwone, zielone i niebieskie jego koloru. Ostatecznie każdy piksel na obrazie został zeskanowany przynajmniej raz w każdym kolorze, a rozdzielczość trzech kanałów staje się równoważna (rozdzielczość kanałów czerwonego i niebieskiego jest czterokrotnie większa, podczas gdy kanał zielony jest podwojony).

Rozmiary czujników

Czujniki (CCD / CMOS) są dostępne w różnych rozmiarach lub formatach przetworników obrazu. Rozmiary te są często określane za pomocą oznaczenia ułamka cala, takiego jak 1/1,8″ lub 2/3″, zwanego formatem optycznym . Pomiar ten pochodzi z lat pięćdziesiątych i czasów lamp Vidiconu .

Rozkwiecony

Smuga pionowa

Gdy ekspozycja CCD jest wystarczająco długa, w końcu elektrony gromadzone w „koszach” w najjaśniejszej części obrazu przepełnią kosz, powodując rozkwitanie. Struktura CCD umożliwia łatwiejszy przepływ elektronów w jednym kierunku niż w drugim, co skutkuje pionowymi smugami.

Niektóre funkcje zapobiegające wykwitaniu, które można wbudować w przetwornik CCD, zmniejszają jego wrażliwość na światło, wykorzystując część obszaru pikseli do struktury drenażu. James M. Early opracował pionowy odpływ zapobiegający wykwitaniu, który nie ograniczałby obszaru zbierania światła, a zatem nie zmniejszał wrażliwości na światło.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne