Charge-coupled device (Čeština)

CCD snímače mohou být implementovány v několika různých architektur. Nejběžnější jsou full-frame, Frame-transfer a interline. Charakteristickou vlastností každé z těchto architektur je jejich přístup k problému bednění.,

v zařízení s plným rámečkem je aktivní celá oblast obrazu a neexistuje žádná elektronická závěrka. K tomuto typu senzoru musí být přidána mechanická závěrka nebo se obraz rozmazává, když je zařízení taktováno nebo přečteno.

s CCD pro přenos rámů je polovina oblasti křemíku pokryta neprůhlednou maskou (typicky hliníkem). Obraz lze rychle přenést z oblasti obrazu do neprůhledné oblasti nebo oblasti úložiště s přijatelným nátěrem několika procent. Tento obrázek lze pak pomalu číst z oblasti úložiště, zatímco nový obrázek se integruje nebo vystavuje v aktivní oblasti., Zařízení pro přenos snímků obvykle nevyžadují mechanickou závěrku a byly běžnou architekturou pro časné polovodičové vysílací kamery. Nevýhodou architektury frame-transfer je to, že vyžaduje dvakrát křemíkovou nemovitost ekvivalentního zařízení s plným rámem; proto stojí zhruba dvakrát tolik.

Architektura interline rozšiřuje tento koncept o krok dále a maskuje každý druhý sloupec obrazového senzoru pro uložení., V tomto zařízení musí dojít k přenosu z oblasti obrazu do úložného prostoru pouze k jednomu posunu Pixelů; doba závěrky tedy může být menší než mikrosekunda a nátěr je v podstatě eliminován. Výhoda však není volná, protože zobrazovací oblast je nyní pokryta neprůhlednými proužky, které snižují faktor plnění na přibližně 50 procent a účinnou kvantovou účinnost o ekvivalentní množství. Moderní návrhy mají řešit tento škodlivý charakteristické přidáním mikročoček na povrchu zařízení na přímé světlo od neprůhledných oblastí a na aktivní oblast., Microlenses může přinést faktor výplně zpět až 90 procent nebo více v závislosti na velikosti pixelů a celkové optické konstrukci systému.

volba architektury spadá do jednoho z nástrojů. Pokud aplikace nemůže tolerovat drahou mechanickou závěrku náchylnou k selhání, která je náročná na výkon, je interline zařízení tou správnou volbou. Spotřebitelské snap-shot kamery používají Interline zařízení. Na druhou stranu, pro ty aplikace, které vyžadují nejlepší možný sběr světla a problémy s penězi, výkonem a časem, jsou méně důležité, zařízení s plným rámem je tou správnou volbou., Astronomové mají tendenci upřednostňovat zařízení s plným rámem. Přenos snímků spadá mezi a byl běžnou volbou před tím, než byla řešena otázka Interline zařízení s faktorem naplnění. Dnes je přenos snímků obvykle vybrán, když není k dispozici Architektura interline, například v zařízení se zpětným osvětlením.

CCDs obsahující mřížky Pixelů se používají v digitálních fotoaparátech, optických skenerech a videokamerách jako zařízení pro snímání světla., Běžně reagovat na 70 procent dopadajícího světla (význam kvantové účinnosti o 70 procent), což je mnohem efektivnější než fotografický film, který zachycuje pouze o 2 procenta dopadajícího světla.

nejběžnější typy CCD jsou citlivé na blízké infračervené světlo, což umožňuje infračervené fotografování,zařízení pro noční vidění a nulové lux (nebo téměř nulové lux) nahrávání/fotografování. U normálních detektorů na bázi křemíku je citlivost omezena na 1,1 µm., Dalším důsledkem jejich citlivosti na infračervené záření je, že infračervené záření z dálkových ovladačů se často objevuje na digitálních fotoaparátech nebo videokamer založených na CCD, pokud nemají infračervené blokátory.

chlazení snižuje tmavý proud pole a zlepšuje citlivost CCD na nízké intenzity světla, a to i pro ultrafialové a viditelné vlnové délky. Profesionální observatoře často ochlazují své detektory kapalným dusíkem, aby snížily tmavý proud, a tedy tepelný hluk, na zanedbatelnou úroveň.,

přenos Rám CCDEdit

frame transfer CCD snímač byl první zobrazovací struktura navrhovaná pro CCD Zobrazovací Michael Tompsett v Bellových Laboratořích. Přenos snímků CCD je specializovaný CCD, často používaný v astronomii a některých profesionálních videokamer, určený pro vysokou účinnost a správnost expozice.

normální fungování CCD, astronomické nebo jinak, lze rozdělit do dvou fází: expozice a odečet., Během první fáze CCD pasivně shromažďuje příchozí fotony a ukládá elektrony do svých buněk. Po uplynutí doby expozice jsou buňky načteny jeden řádek po druhém. Během fáze odečtu jsou buňky posunuty dolů po celé ploše CCD. Zatímco jsou posunuty, nadále shromažďují světlo. Pokud tedy řazení není dostatečně rychlé, chyby mohou vyplynout ze světla, které během přenosu dopadne na náboj držící buňku. Tyto chyby jsou označovány jako „svislá šmouha“ a způsobí silný světelný zdroj pro vytvoření svislé čáry nad a pod jeho přesné umístění., Kromě toho nelze CCD použít ke sběru světla,když je čten. Bohužel, rychlejší řazení vyžaduje rychlejší odečet a rychlejší odečet mohou zavádět chyby v buňce poplatku měření, což vede k vyšší úrovni hluku.

frame transfer CCD řeší oba problémy: má stíněný, není citlivý na světlo, plocha obsahuje tolik buněk jako oblast vystavena světlu. Obvykle je tato oblast pokryta reflexním materiálem, jako je hliník. Když doba expozice vyprší, buňky se velmi rychle přenesou do skryté oblasti., Zde, v bezpečí před jakýmkoli příchozím světlem, lze buňky číst libovolnou rychlostí, kterou člověk považuje za nezbytnou pro správné měření náboje buněk. Současně exponovaná část CCD opět shromažďuje světlo, takže mezi následnými expozicemi nedochází k žádnému zpoždění.

nevýhodou takového CCD jsou vyšší náklady: oblast buněk je v podstatě zdvojnásobena a je zapotřebí složitější řídicí elektroniky.,

Intenzivnější charge-coupled deviceEdit

intenzivnější charge-coupled device (ICCD) je CCD, který je opticky spojen do zesilovače obrazu, který je namontován v přední části CCD.

zesilovač obrazu obsahuje tři funkční prvky: fotokatodu, mikrokanálovou desku (MCP) a fosforovou obrazovku. Tyto tři prvky jsou namontovány jeden těsně za druhým v uvedeném pořadí. Fotony, které přicházejí ze zdroje světla, spadají na fotokatodu, čímž vytvářejí fotoelektrony., Fotoelektrony jsou urychlovány směrem k MCP elektrickým řídicím napětím, aplikovaným mezi fotokatodou a MCP. Elektrony jsou násobeny uvnitř MCP a poté zrychleny směrem k obrazovce fosforu. Fosforová obrazovka konečně převádí vynásobené elektrony zpět na fotony, které jsou vedeny na CCD optickými vlákny nebo čočkou.

zesilovače obrazu neodmyslitelně patří závěrky funkce: je-Li řídicí napětí mezi fotokatodou a MCP je obrácen, emitovaných elektronů nejsou urychlovány směrem k MCP, ale návrat do fotokatody., Tím pádem, žádné elektrony jsou násobeny a emitovány MCP, žádné elektrony jdou na obrazovku fosforu a žádné světlo je emitováno z obrazového zesilovače. V tomto případě na CCD nespadá žádné světlo, což znamená, že závěrka je uzavřena. Proces couvání řídicího napětí na fotokatodě se nazývá gating, a proto se ICCD nazývají také gateable CCD kamery.

kromě extrémně vysoké citlivosti ICCD kamer, které umožňují detekci jediného fotonu, je gateability jednou z hlavních výhod ICCD oproti kamerám EMCCD., Nejvyšší výkon ICCD kamery umožňují časy závěrky tak krátké, jak 200 pikosekund.

ICCD kamery jsou obecně o něco vyšší v ceně než emccd kamery, protože potřebují drahý zesilovač obrazu. Na druhou stranu, emccd kamery potřebují chladicí systém pro chlazení čipu EMCCD dolů na teploty kolem 170 K (-103 °c). Tento chladicí systém přidává další náklady na emccd kameru a často přináší velké problémy s kondenzací v aplikaci.

ICCD se používají v zařízeních pro noční vidění a v různých vědeckých aplikacích.,

Electron-multiplying CCDEdit

electron-multiplying CCD (EMCCD, také známý jako L3Vision CCD, produkt obchodně podle e2v Ltd., GB, L3CCD nebo Impactron CCD, nyní přerušena produktu nabízeného v minulosti Texas Instruments) je charge-coupled zařízení, ve kterém zisk registr je umístěn mezi posuvného registru a výstupní zesilovač., Registr zisků je rozdělen do velkého počtu etap. V každé fázi jsou elektrony vynásobeny nárazovou ionizací podobným způsobem jako lavinová dioda. Zisk pravděpodobnost, že v každé fázi rejstříku je malá (P < 2%), ale jako počet prvků je velký (N > 500), celkové zesílení může být velmi vysoké ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), s jeden vstupní elektrony dávat mnoho tisíc výstup elektronů. Čtení signálu z CCD dává šumové pozadí, obvykle několik elektronů., V EMCCD je tento šum překrýván spíše na mnoho tisíc elektronů než na jeden elektron; primární výhodou zařízení je tedy jejich zanedbatelný čtecí šum. Použití lavinového zhroucení pro zesílení fotografických poplatků již bylo popsáno v americkém patentu 3,761,744 v 1973 George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

Emccd vykazují podobnou citlivost jako zesílené CCD (ICCD). Stejně jako u ICCD je však zisk, který se používá v registru zisků, stochastický a přesný zisk, který byl použit na poplatek pixelu, není možné znát., Při vysoké zisky (> 30), tato nejistota má stejný vliv na signál-šum poměr (SNR) jako snížení kvantová účinnost (QE) s ohledem na provoz se ziskem jednoty. Nicméně při velmi nízkých úrovních světla (kde je nejdůležitější kvantová účinnost) lze předpokládat, že pixel buď obsahuje elektron—nebo ne. Tím se odstraní šum spojený se stochastickým násobením s rizikem počítání více elektronů ve stejném pixelu jako jeden elektron., Aby se zabránilo více počtů v jednom pixelu kvůli shodným fotonům v tomto režimu provozu, jsou nezbytné vysoké snímkové frekvence. Rozptyl v zisku je zobrazen v grafu vpravo. Pro násobení registrů s mnoha prvky a velké zisky to je dobře modelována podle rovnice:

, kde P je pravděpodobnost, že n výstup elektronů dané m vstupu elektronů a celkem znamená násobení zaregistrovat zisk g.

Vzhledem k nižší náklady a lepší rozlišení, EMCCDs jsou schopné nahradit Modrým v mnoha aplikacích., Modrým stále mají výhodu, že mohou být bránou velmi rychle, a proto jsou užitečné v aplikacích, jako je vzdálenost řízené zobrazování. Kamery EMCCD nezbytně potřebují chladicí systém – buď pomocí termoelektrického chlazení nebo kapalného dusíku-k ochlazení čipu na teploty v rozmezí -65 až -95 °c (-85 až -139 °F). Tento chladicí systém bohužel přidává další náklady na zobrazovací systém EMCCD a může způsobit problémy s kondenzací v aplikaci. Špičkové emccd kamery jsou však vybaveny trvalým hermetickým vakuovým systémem omezujícím čip, aby se předešlo problémům s kondenzací.,

schopnosti Emccd s nízkým světlem se mimo jiné používají v astronomii a biomedicínském výzkumu. Zejména jejich nízká hlučnost při vysoké odečet rychlosti je velmi užitečné pro různé astronomické aplikace zahrnující nízkých světelných zdrojů a přechodné události, jako jsou štěstí, zobrazování slabé hvězdy, vysoká rychlost fotonů fotometrie, Fabry-Pérot spektroskopie a vysokým rozlišením spektroskopie., Více nedávno, tyto typy Ccd vloupal do oblasti biomedicínského výzkumu v low-světelných aplikací včetně malých zvířat zobrazovací, single-molecule imaging, Ramanova spektroskopie, super resolution mikroskopie, stejně jako širokou škálu moderních fluorescenční mikroskopie díky větší SNR v low-světelných podmínek v porovnání s tradiční Ccd a Modrým.

pokud jde o hluk, komerční EMCCD kamery mají obvykle hodiny-indukované náboje (CIC) a temný proud (v závislosti na míře chlazení), které společně vedou k efektivní odečet šumu od 0.,01 až 1 elektrony na pixel číst. Nedávná vylepšení technologie EMCCD však vedla k nové generaci kamer schopných produkovat výrazně méně CIC, vyšší účinnost přenosu náboje a zisk EM 5krát vyšší než to, co bylo dříve k dispozici. Tyto pokroky v detekci slabého světla vedou k účinnému celkovému šumu pozadí 0, 001 elektronů na čtení Pixelů, hlukové podlaze bezkonkurenční jakýmkoli jiným zobrazovacím zařízením s nízkým světlem.