Charge-coupled device (Dansk)

CCD billede sensor, og kan implementeres på flere forskellige arkitekturer. De mest almindelige er full-frame, frame-transfer, og interline. Det kendetegnende ved hver af disse arkitekturer er deres tilgang til problemet med forskalling.,

i en fuldrammeenhed er hele billedområdet aktivt, og der er ingen elektronisk lukker. En mekanisk lukker skal tilføjes til denne type sensor, eller billedudstrygningen, når enheden er uret eller læst op.

med en rammeoverførsel CCD er halvdelen af siliciumområdet dækket af en uigennemsigtig maske (typisk aluminium). Billedet kan hurtigt overføres fra billedområdet til det uigennemsigtige område eller opbevaringsregionen med acceptabelt udtværing på et par procent. Dette billede kan derefter læses langsomt fra lagerområdet, mens et nyt billede integreres eller udsættes i det aktive område., Frame-transfer enheder typisk ikke kræver en mekanisk lukker og var en fælles arkitektur for tidlige solid-state broadcast kameraer. Ulempen med rammeoverførselsarkitekturen er, at den kræver to gange silicium fast ejendom af en tilsvarende fuldrammeenhed; derfor koster det omtrent dobbelt så meget.

interlinearkitekturen udvider dette koncept et skridt videre og maskerer hver anden kolonne i billedsensoren til opbevaring., I denne enhed skal der kun ske et Pi .elskift for at overføre fra billedområde til lagerområde; lukkertiderne kan således være mindre end et mikrosekund, og udtværing fjernes i det væsentlige. Fordelen er imidlertid ikke fri, da billeddannelsesområdet nu er dækket af uigennemsigtige strimler, der taber fyldfaktoren til cirka 50 procent og den effektive kvanteeffektivitet med en tilsvarende mængde. Moderne design har behandlet denne skadelige egenskab ved at tilføje mikrolinser på overfladen af enheden for at lede lys væk fra de uigennemsigtige områder og på det aktive område., Mikrolinser kan bringe fyldfaktoren tilbage op til 90 procent eller mere afhængigt af Pi .elstørrelse og det samlede systems optiske design.

valget af arkitektur kommer ned til en af nytte. Hvis applikationen ikke tåler en dyr, fejlbehæftet, kraftintensiv mekanisk lukker, er en interline-enhed det rigtige valg. Forbruger snap-shot kameraer har brugt interline enheder. På den anden side, for de applikationer, der kræver den bedst mulige lyssamling og spørgsmål om penge, strøm og tid er mindre vigtige, er full-frame-enheden det rigtige valg., Astronomer har en tendens til at foretrække enheder i fuld ramme. Rammeoverførslen falder imellem og var et almindeligt valg, før fill-factor-spørgsmålet om interline-enheder blev behandlet. I dag vælges rammeoverførsel normalt, når en interlinearkitektur ikke er tilgængelig, f.eks.CCD ‘ er, der indeholder gitre af Pi .els, anvendes i digitale kameraer, optiske scannere og videokameraer som lysfølsomme enheder., De reagerer almindeligvis på 70 procent af det indfaldende lys (hvilket betyder en kvanteeffektivitet på ca.70 procent), hvilket gør dem langt mere effektive end fotografiske film, som kun fanger ca. 2 procent af det indfaldende lys.de fleste almindelige typer CCD ‘ er er følsomme over for næsten infrarødt lys, hvilket tillader infrarød fotografering, nattsynsenheder og zeroero Lu. (eller near nearero Lu.) videooptagelse/fotografering. For normale siliciumbaserede detektorer er følsomheden begrænset til 1,1 µm., En anden konsekvens af deres følsomhed over for infrarød er, at infrarød fra Fjernbetjeninger ofte vises på CCD-baserede digitale kameraer eller videokameraer, hvis de ikke har infrarøde blokkere.

afkøling reducerer arrayets mørke strøm, hvilket forbedrer CCD ‘ ens følsomhed til lave lysintensiteter, selv for ultraviolette og synlige bølgelængder. Professionelle observatorier afkøler ofte deres detektorer med flydende nitrogen for at reducere den mørke strøm, og derfor den termiske støj, til ubetydelige niveauer.,

Frame transfer CCDEdit

frame transfer CCD kamera var den første billedbehandling struktur, der foreslås til CCD-Imaging af Michael Tompsett på Bell Laboratories. En rammeoverførsel CCD er en specialiseret CCD, der ofte bruges i astronomi og nogle professionelle videokameraer, designet til høj eksponeringseffektivitet og korrekthed.

den normale funktion af en CCD, astronomisk eller på anden måde, kan opdeles i to faser: eksponering og udlæsning., I den første fase samler CCD passivt indkommende fotoner og lagrer elektroner i sine celler. Når eksponeringstiden er gået, læses cellerne en linje ad gangen. I udlæsningsfasen forskydes cellerne ned over hele CCD-området. Mens de skiftes, fortsætter de med at samle lys. Således, hvis skiftet ikke er hurtigt nok, kan der opstå fejl fra lys, der falder på en celleholdningsladning under overførslen. Disse fejl kaldes “lodret udtværing” og får en stærk lyskilde til at skabe en lodret linje over og under dens nøjagtige placering., Derudover kan CCD ikke bruges til at samle lys, mens det bliver læst op. Desværre kræver et hurtigere skift en hurtigere udlæsning, og en hurtigere udlæsning kan introducere fejl i celleopladningsmåling, hvilket fører til et højere støjniveau.en rammeoverførsel CCD løser begge problemer: den har et afskærmet, ikke lysfølsomt område, der indeholder så mange celler som det område, der udsættes for lys. Typisk er dette område dækket af et reflekterende materiale, såsom aluminium. Når eksponeringstiden er gået, overføres cellerne meget hurtigt til det skjulte område., Her, sikkert fra ethvert indkommende lys, kan celler aflæses med enhver hastighed, som man anser for nødvendige for korrekt at måle cellernes ladning. Samtidig samler den eksponerede del af CCD lys igen, så der opstår ingen forsinkelse mellem successive eksponeringer.

ulempen ved en sådan CCD er den højere pris: celleområdet er stort set fordoblet, og der er behov for mere kompleks kontrolelektronik.,

Intensiveret charge-coupled deviceEdit

En intensiveret charge-coupled device (ICCD) er en CCD, der er optisk forbindelse til en billedforstærker, der er monteret foran CCD.

en billedforstærker indeholder tre funktionelle elementer: en fotokatode, en mikrokanalplade (MCP) og en fosforskærm. Disse tre elementer er monteret en tæt bag den anden i den nævnte rækkefølge. Fotonerne, der kommer fra lyskilden, falder ned på fotokatoden og derved genererer fotoelektroner., Fotoelektronerne accelereres mod MCP ved hjælp af en elektrisk styrespænding, der påføres mellem fotokatode og MCP. Elektronerne multipliceres inde i MCP og derefter accelereres mod fosforskærmen. Fosforskærmen konverterer endelig de multiplicerede elektroner tilbage til fotoner, der ledes til CCD af en fiberoptisk eller en linse.

en billedforstærker inkluderer i sagens natur en lukkerfunktionalitet: hvis styrespændingen mellem fotokatoden og MCP vendes, accelereres de udsendte fotoelektroner ikke mod MCP, men vender tilbage til fotokatoden., Således multipliceres ingen elektroner og udsendes af MCP, ingen elektroner går til fosforskærmen, og der udsendes ikke lys fra billedforstærkeren. I dette tilfælde falder der ikke lys på CCD ‘ en, hvilket betyder, at lukkeren er lukket. Processen med at vende styrespændingen ved fotokatoden kaldes gating, og derfor kaldes Iccd ‘ er også gateable CCD-kameraer.

ud over den ekstremt høje følsomhed for ICCD-kameraer, der muliggør detektion af enkeltfoton, er gateevnen en af de største fordele ved ICCD-kameraerne i forhold til EMCCD-kameraerne., De højest ydende ICCD-kameraer aktiverer lukkertider så korte som 200 picosekunder.ICD-kameraer er generelt noget højere i pris end EMCCD-kameraer, fordi de har brug for den dyre billedforstærker. På den anden side har EMCCD-kameraer brug for et kølesystem for at afkøle EMCCD-chippen ned til temperaturer omkring 170 K (-103.C). Dette kølesystem tilføjer yderligere omkostninger til EMCCD-kameraet og giver ofte store kondensationsproblemer i applikationen.

Iccd ‘ er bruges i nattsynsapparater og i forskellige videnskabelige applikationer.,

Elektron-gange CCDEdit

En elektron-gange CCD (EMCCD, også kendt som en L3Vision CCD, et produkt, kommercialiseret af e2v Ltd., GB, L3CCD eller Impactron CCD, et nu-udgået produkt, der tilbydes i de sidste fra Texas Instruments) er en charge-coupled device, hvor en gevinst registret er placeret mellem shift register og udgangsforstærker., Gevinsten register er opdelt i et stort antal etaper. I hvert trin multipliceres elektronerne med påvirkningionisering på samme måde som en lavinediode. De få sandsynlighed ved hver fase af registret er lille (P < 2%), men da antallet af elementer er stort (N > 500), vil den samlede gevinst kan være meget høj, g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), med én indgang elektroner giver mange tusinder af output elektroner. Læsning af et signal fra en CCD giver en støj baggrund, typisk et par elektroner., I en EMCCD er denne støj overlejret på mange tusinder af elektroner snarere end en enkelt elektron; enhedens primære fordel er således deres ubetydelige udlæsningsstøj. Brugen af lavine opdeling for forstærkning af foto afgifter var allerede blevet beskrevet i det amerikanske Patent 3.761.744 i 1973 af George E. Smith / Bell Telephone Laboratories.EMCCD ‘er viser en lignende følsomhed over for intensiverede CCD’ er (Iccd ‘ er). Men som med Iccd’ er er gevinsten, der anvendes i gevinstregistret, stokastisk, og den nøjagtige gevinst, der er blevet anvendt på en PI .els ladning, er umulig at vide., Ved høje gevinster (> 30) har denne usikkerhed den samme effekt på signal-til-støjforholdet (SNR) som halvering af kvanteeffektiviteten (.e) med hensyn til drift med en forstærkning af enhed. Ved meget lave lysniveauer (hvor kvanteeffektiviteten er vigtigst) kan det dog antages, at en PI .el enten indeholder en elektron—eller ej. Dette fjerner støj forbundet med den stokastiske multiplikation med risiko for at tælle flere elektroner i samme pi .el som en enkelt elektron., For at undgå flere tællinger i en PI .el på grund af sammenfaldende fotoner i denne driftsform er høje billedhastigheder vigtige. Dispersionen i forstærkningen vises i grafen til højre. For multiplikation registre med mange elementer og store gevinster det er godt, der er modelleret ved ligningen:

hvor P er sandsynligheden for at få n-output elektroner givet m input elektroner og en samlet betyder multiplikation registrere få af g.

på Grund af de lavere omkostninger og bedre opløsning, EMCCDs er i stand til at erstatte ICCDs i mange applikationer., Iccd ‘ er har stadig den fordel, at de kan Gates meget hurtigt og dermed er nyttige i applikationer som rækkevidde-gated imaging. EMCCD kameraer unægtelig har brug for et kølesystem—ved hjælp af enten termoelektrisk køling eller flydende nitrogen til at køle chip ned til temperaturer i intervallet -65 til -95 °C (-85 at -139 °F). Dette kølesystem tilføjer desværre yderligere omkostninger til EMCCD-billeddannelsessystemet og kan give kondensationsproblemer i applikationen. Imidlertid er high-end EMCCD-kameraer udstyret med et permanent hermetisk vakuumsystem, der begrænser chippen for at undgå kondensproblemer.,

EMCCDs ‘ lavlysfunktioner finder anvendelse i astronomi og biomedicinsk forskning blandt andre områder. Især deres lave støj ved høje udlæsningshastigheder gør dem meget nyttige til en række astronomiske applikationer, der involverer lave lyskilder og forbigående begivenheder, såsom Heldig billeddannelse af svage stjerner, fotonoptællingsfotometri med høj hastighed, Fabry-Protrot spektroskopi og spektroskopi med høj opløsning., Mere for nylig, disse typer af CCDs har brudt ind i feltet af biomedicinske forskning i lav-lys applikationer, herunder små dyr imaging, enkelt-molekyle, billedbehandling, Raman-spektroskopi, super opløsning mikroskopi samt en bred vifte af moderne fluorescens mikroskopi teknikker tak til større SNR i lav-lysforhold i sammenligning med traditionelle CCDs og ICCDs.

med hensyn til støj har Kommercielle EMCCD-kameraer typisk clock-induceret ladning (CIC) og mørk strøm (afhængig af omfanget af afkøling), der tilsammen fører til en effektiv udlæsningsstøj, der spænder fra 0.,01 til 1 elektroner per pi .el læses. De seneste forbedringer inden for EMCCD-teknologi har imidlertid ført til en ny generation af kameraer, der er i stand til at producere betydeligt mindre CIC, højere ladningsoverførselseffektivitet og en EM-gevinst 5 gange højere end hvad der tidligere var tilgængeligt. Disse fremskridt inden for detektion af lavt lys fører til en effektiv total baggrundsstøj på 0.001 elektroner pr.