Ladungsgekoppeltes Gerät

Die CCD Bildsensoren können implementiert in verschiedenen Architekturen. Die häufigsten sind full-frame -, frame-transfer-und interline. Das Unterscheidungsmerkmal jeder dieser Architekturen ist ihre Herangehensweise an das Problem der Schalung.,

Bei einem Vollbildgerät ist der gesamte Bildbereich aktiv und es gibt keinen elektronischen Verschluss. Ein mechanischer Verschluss muss zu diesem Sensortyp hinzugefügt werden oder das Bild verschmiert, wenn das Gerät getaktet oder ausgelesen wird.

Bei einem Frame-Transfer-CCD ist die Hälfte der Siliziumfläche durch eine undurchsichtige Maske (typischerweise Aluminium) abgedeckt. Das Bild kann schnell vom Bildbereich in den undurchsichtigen Bereich oder Speicherbereich mit akzeptablem Abstrich von einigen Prozent übertragen werden. Dieses Bild kann dann langsam aus dem Speicherbereich ausgelesen werden, während ein neues Bild im aktiven Bereich integriert oder freigelegt wird., Frame-Transfer-Geräte benötigen typischerweise keinen mechanischen Verschluss und waren eine gängige Architektur für frühe Solid-State-Broadcast-Kameras. Der Nachteil der Frame-Transfer-Architektur ist, dass sie doppelt so viel Silizium benötigt wie ein äquivalentes Full-Frame-Gerät; Daher kostet es ungefähr doppelt so viel.

Die Interline-Architektur erweitert dieses Konzept um einen Schritt weiter und maskiert jede andere Spalte des Bildsensors zur Speicherung., Bei dieser Vorrichtung muss nur eine Pixelverschiebung auftreten, um von Bildbereich zu Speicherbereich zu übertragen; somit können Verschlusszeiten kleiner als eine Mikrosekunde sein und Abstrich wird im Wesentlichen eliminiert. Der Vorteil ist jedoch nicht frei, da der bildgebende Bereich nun durch undurchsichtige Streifen abgedeckt ist, die den Füllfaktor auf etwa 50 Prozent und die effektive Quanteneffizienz um einen äquivalenten Betrag senken. Moderne Designs haben diese schädliche Eigenschaft behoben, indem sie Mikrolens auf der Oberfläche des Geräts hinzugefügt haben, um Licht von den undurchsichtigen Regionen und auf den aktiven Bereich zu lenken., Microlenses können den Füllfaktor je nach Pixelgröße und optischem Design des Gesamtsystems um bis zu 90 Prozent oder mehr erhöhen.

Die Wahl der Architektur kommt auf eine der Nützlichkeit. Wenn die Anwendung einen teuren, fehleranfälligen, leistungsintensiven mechanischen Verschluss nicht tolerieren kann, ist ein Interline-Gerät die richtige Wahl. Verbraucher Snap-Shot-Kameras haben Interline-Geräte verwendet. Auf der anderen Seite ist das Full-Frame-Gerät die richtige Wahl für diejenigen Anwendungen, die eine bestmögliche Lichtsammlung erfordern und Probleme mit Geld, Leistung und Zeit weniger wichtig sind., Astronomen neigen dazu, Vollbildgeräte zu bevorzugen. Die Frame-Übertragung fällt dazwischen und war eine häufige Wahl, bevor das Fill-Factor-Problem von Interline-Geräten behoben wurde. Heutzutage wird Frame-Transfer normalerweise ausgewählt, wenn keine Interline-Architektur verfügbar ist, z. B. in einem Back-End-Gerät.

CCDs, die Pixelgitter enthalten, werden in Digitalkameras, optischen Scannern und Videokameras als Lichtmessgeräte verwendet., Sie reagieren üblicherweise auf 70 Prozent des einfallenden Lichts (was eine Quanteneffizienz von etwa 70 Prozent bedeutet), wodurch sie weitaus effizienter sind als fotografische Filme, die nur etwa 2 Prozent des einfallenden Lichts erfassen.

Die häufigsten Arten von CCDs sind empfindlich gegenüber Nahinfrarotlicht, das Infrarotfotografie, Nachtsichtgeräte und Null Lux (oder nahe Null Lux) Videoaufzeichnung/Fotografie ermöglicht. Bei normalen siliziumbasierten Detektoren ist die Empfindlichkeit auf 1,1 µm begrenzt., Eine weitere Folge ihrer Empfindlichkeit gegenüber Infrarot ist, dass Infrarot von Fernbedienungen häufig auf CCD-basierten Digitalkameras oder Camcordern auftritt, wenn sie keine Infrarotblocker haben.

Die Kühlung reduziert den Dunkelstrom des Arrays und verbessert die Empfindlichkeit des CCD gegenüber niedrigen Lichtintensitäten, selbst bei ultravioletten und sichtbaren Wellenlängen. Professionelle Observatorien kühlen ihre Detektoren häufig mit flüssigem Stickstoff, um den Dunkelstrom und damit das thermische Rauschen auf vernachlässigbare Werte zu reduzieren.,

Frame-transfer-CCDEdit

Der frame-transfer-CCD-imager war das erste bildgebende vorgeschlagene Struktur für CCD-Imaging von Michael Tompsett bei den Bell Laboratories. Ein Frame Transfer CCD ist ein spezialisiertes CCD, das häufig in der Astronomie und einigen professionellen Videokameras verwendet wird und auf hohe Belichtungseffizienz und Korrektheit ausgelegt ist.

Die normale Funktion eines CCD, astronomisch oder anderweitig, kann in zwei Phasen unterteilt werden: Belichtung und Anzeige., Während der ersten Phase sammelt der CCD passiv ankommende Photonen und speichert Elektronen in seinen Zellen. Nach Ablauf der Belichtungszeit werden die Zellen zeilenweise ausgelesen. Während der Auslesephase werden Zellen über den gesamten Bereich des CCD nach unten verschoben. Während sie verschoben werden, sammeln sie weiterhin Licht. Wenn also die Verschiebung nicht schnell genug ist, können Fehler durch Licht entstehen, das während der Übertragung auf eine Zelle fällt, die Ladung hält. Diese Fehler werden als „vertikaler Abstrich“ bezeichnet und bewirken, dass eine starke Lichtquelle eine vertikale Linie über und unter ihrer genauen Position erzeugt., Außerdem kann das CCD nicht verwendet werden, um Licht zu sammeln, während es ausgelesen wird. Leider erfordert ein schnelleres Schalten ein schnelleres Auslesen, und ein schnelleres Auslesen kann zu Fehlern bei der Messung der Zellladung führen, was zu einem höheren Geräuschpegel führt.

Ein Frame Transfer CCD löst beide Probleme: Es hat einen abgeschirmten, nicht lichtempfindlichen Bereich, der so viele Zellen enthält wie der Bereich, der Licht ausgesetzt ist. Typischerweise ist dieser Bereich von einem reflektierenden Material wie Aluminium bedeckt. Wenn die Belichtungszeit abgelaufen ist, werden die Zellen sehr schnell in den verborgenen Bereich übertragen., Hier können Zellen sicher vor jedem einfallenden Licht mit jeder Geschwindigkeit ausgelesen werden, die man für notwendig hält, um die Ladung der Zellen korrekt zu messen. Gleichzeitig sammelt der belichtete Teil der CCD wieder Licht, so dass keine Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungen auftritt.

Der Nachteil eines solchen CCD sind die höheren Kosten: Die Zellfläche wird grundsätzlich verdoppelt und es wird eine komplexere Steuerelektronik benötigt.,

Intensified charge-coupled deviceEdit

Ein Intensified Charge-Coupled Device (ICCD) ist ein CCD, das optisch mit einem vor dem CCD montierten Bildverstärker verbunden ist.

Ein Bildverstärker umfasst drei Funktionselemente: eine Photokathode, eine Mikrokanalplatte (MCP) und einen Phosphorschirm. Diese drei Elemente sind in der genannten Reihenfolge dicht hintereinander montiert. Die Photonen, die von der Lichtquelle kommen, fallen auf die Photokathode und erzeugen dadurch Photoelektronen., Die Photoelektronen werden in Richtung MCP durch eine elektrische Steuerspannung beschleunigt, die zwischen Photokathode und MCP angelegt wird. Die Elektronen werden innerhalb des MCP multipliziert und anschließend in Richtung Phosphorsieb beschleunigt. Der Phosphorschirm wandelt schließlich die multiplizierten Elektronen wieder in Photonen um, die durch eine Glasfaser oder eine Linse zum CCD geführt werden.

Ein Bildverstärker beinhaltet inhärent eine Shutter-Funktionalität: Wenn die Steuerspannung zwischen Photokathode und MCP umgekehrt wird, werden die emittierten Photoelektronen nicht in Richtung MCP beschleunigt, sondern kehren zur Photokathode zurück., Somit werden keine Elektronen vom MCP multipliziert und emittiert, keine Elektronen gehen zum Phosphorschirm und kein Licht wird vom Bildverstärker emittiert. In diesem Fall fällt kein Licht auf die CCD, was bedeutet, dass der Verschluss geschlossen ist. Der Prozess der Umkehrung der Steuerspannung an der Photokathode wird als Gating bezeichnet und daher werden ICCDs auch als Gateable CCD-Kameras bezeichnet.

Neben der extrem hohen Empfindlichkeit von ICCD-Kameras, die eine Einzelphotonenerkennung ermöglichen, ist die Gateabilität einer der Hauptvorteile der ICCD gegenüber den EMCCD-Kameras., Die leistungsstärksten ICCD-Kameras ermöglichen Verschlusszeiten von bis zu 200 Pikosekunden.

ICCD-Kameras sind im Allgemeinen etwas teurer als EMCCD-Kameras, da sie den teuren Bildverstärker benötigen. Andererseits benötigen EMCCD-Kameras ein Kühlsystem, um den EMCCD-Chip auf Temperaturen um 170 K (-103 °C) abzukühlen. Dieses Kühlsystem fügt der EMCCD-Kamera zusätzliche Kosten hinzu und führt häufig zu schweren Kondensationsproblemen in der Anwendung.

ICCDs werden in Nachtsichtgeräten und in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt.,

Elektronenmultiplikator CCDEdit

Ein Elektronenmultiplikations-CCD (EMCCD, auch bekannt als L3Vision CCD, ein von e2v Ltd. kommerzialisiertes Produkt., GB, L3CCD oder Impactron CCD, ein in der Vergangenheit von Texas Instruments angebotenes Produkt, ist ein ladungsgekoppeltes Gerät, bei dem ein Verstärkungsregister zwischen dem Schieberegister und dem Ausgangsverstärker angeordnet ist., Das Verstärkungsregister ist in eine große Anzahl von Stufen aufgeteilt. In jeder Stufe werden die Elektronen durch Schlagionisation in ähnlicher Weise wie eine Lawinendiode multipliziert. Die Gewinnwahrscheinlichkeit in jeder Phase des Registers ist gering (P < 2%), aber da die Anzahl der Elemente groß ist ( N > 500), kann die Gesamtverstärkung sehr hoch sein ( g = (1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), wobei einzelne Eingangselektronen viele Tausend Ausgangselektronen ergeben. Das Lesen eines Signals von einem CCD ergibt einen Rauschhintergrund, typischerweise einige Elektronen., In einer EMCCD überlagert dieses Rauschen viele tausend Elektronen und nicht ein einzelnes Elektron; Der Hauptvorteil der Geräte ist daher ihr vernachlässigbares Ausleserauschen. Die Verwendung von Avalanche Breakdown zur Verstärkung von Fotoladungen war bereits 1973 im US-Patent 3,761,744 von George E. Smith / Bell Telephone Laboratories beschrieben worden.

EMCCDs zeigen eine ähnliche Empfindlichkeit gegenüber intensivierten CCDs (ICCDs). Wie bei ICCDs ist jedoch die Verstärkung, die im Verstärkungsregister angewendet wird, stochastisch und die genaue Verstärkung, die auf die Ladung eines Pixels angewendet wurde, ist nicht bekannt., Bei hohen Gewinnen (> 30) hat diese Unsicherheit den gleichen Effekt auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wie die Halbierung der Quanteneffizienz (QE) in Bezug auf den Betrieb mit einer Verstärkung der Einheit. Bei sehr niedrigen Lichtverhältnissen (bei denen die Quanteneffizienz am wichtigsten ist) kann jedoch davon ausgegangen werden, dass ein Pixel entweder ein Elektron enthält—oder nicht. Dadurch wird das mit der stochastischen Multiplikation verbundene Rauschen entfernt, wobei die Gefahr besteht, dass mehrere Elektronen in demselben Pixel wie ein einzelnes Elektron gezählt werden., Um mehrere Zählungen in einem Pixel aufgrund übereinstimmender Photonen in dieser Betriebsart zu vermeiden, sind hohe Bildraten unerlässlich. Die Streuung in der Verstärkung ist in der Grafik rechts dargestellt. Für Multiplikationsregister mit vielen Elementen und großen Gewinnen wird es durch die Gleichung gut modelliert:

wobei P die Wahrscheinlichkeit ist, n Ausgangselektronen zu erhalten, wenn m Eingangselektronen und eine mittlere Gesamtmultiplikationsregisterverstärkung von g gegeben werden.

Aufgrund der geringeren Kosten und der besseren Auflösung können EMCCDs ICCDs in vielen Anwendungen ersetzen., ICCDs haben immer noch den Vorteil, dass sie sehr schnell gated werden können und somit in Anwendungen wie Range-Gated Imaging nützlich sind. EMCCD-Kameras benötigen unabdingbar ein Kühlsystem-entweder mit thermoelektrischer Kühlung oder flüssigem Stickstoff -, um den Chip auf Temperaturen im Bereich von -65 bis -95 °C (-85 bis -139 °F) abzukühlen. Dieses Kühlsystem fügt dem EMCCD-Bildgebungssystem leider zusätzliche Kosten hinzu und kann zu Kondensationsproblemen in der Anwendung führen. High-End-EMCCD-Kameras sind jedoch mit einem permanenten hermetischen Vakuumsystem ausgestattet, das den Chip begrenzt, um Kondensationsprobleme zu vermeiden.,

Die Low-Light-Fähigkeiten von EMCCDs finden unter anderem in der Astronomie und biomedizinischen Forschung Verwendung. Insbesondere ihr geringes Rauschen bei hohen Auslesegeschwindigkeiten macht sie sehr nützlich für eine Vielzahl astronomischer Anwendungen mit niedrigen Lichtquellen und vorübergehenden Ereignissen wie der Bildgebung schwacher Sterne, Hochgeschwindigkeits-Photonenzählphotometrie, Fabry-Pérot-Spektroskopie und hochauflösender Spektroskopie., In jüngerer Zeit sind diese Arten von CCDs in das Gebiet der biomedizinischen Forschung in Schwachlichtanwendungen eingebrochen, einschließlich Kleintierbildgebung, Einzelmolekülbildgebung, Raman-Spektroskopie, Superauflösungsmikroskopie sowie einer Vielzahl moderner Fluoreszenzmikroskopietechniken dank größerer SNR bei schlechten Lichtverhältnissen im Vergleich zu herkömmlichen CCDs und ICCDs.

In Bezug auf Rauschen weisen kommerzielle EMCCD-Kameras typischerweise eine taktinduzierte Ladung (CIC) und einen Dunkelstrom (abhängig vom Ausmaß der Kühlung) auf, die zusammen zu einem effektiven Ausleserauschen im Bereich von 0 führen.,01 bis 1 Elektronen pro Pixel gelesen. Die jüngsten Verbesserungen der EMCCD-Technologie haben jedoch zu einer neuen Generation von Kameras geführt, die in der Lage sind, deutlich weniger CIC, eine höhere Ladungstransfereffizienz und eine 5-fache EM-Verstärkung als bisher zu erzeugen. Diese Fortschritte bei der Erkennung von schwachem Licht führen zu einem effektiven Gesamthintergrundrauschen von 0,001 Elektronen pro gelesenem Pixel, ein Rauschen, das von keinem anderen Bildgebungsgerät mit geringem Licht erreicht wird.