CCD de un 2,1 megapíxeles Argus cámara digital
unidimensional sensor de imagen CCD de una máquina de fax
Los sensores de imagen CCD puede ser implementado en diferentes arquitecturas. Los más comunes son Full-frame, frame-transfer e interlínea. La característica distintiva de cada una de estas arquitecturas es su aproximación al problema del encofrado.,
en un dispositivo de fotograma completo, toda el área de la imagen está activa y no hay obturador electrónico. Se debe añadir un obturador mecánico a este tipo de sensor o la imagen se borra a medida que el dispositivo se registra o lee.
con un CCD de transferencia de marco, la mitad del área de silicio está cubierta por una máscara opaca (típicamente de aluminio). La imagen se puede transferir rápidamente desde el área de la imagen al área opaca o región de almacenamiento con un frotis aceptable de unos pocos por ciento. Esa imagen se puede leer lentamente desde la región de almacenamiento mientras una nueva imagen se está integrando o exponiendo en el área activa., Los dispositivos de transferencia de fotogramas normalmente no requieren un obturador mecánico y eran una arquitectura común para las primeras cámaras de difusión de estado sólido. La desventaja de la arquitectura de transferencia de marco es que requiere el doble de bienes raíces de silicio de un dispositivo de marco completo equivalente; por lo tanto, cuesta aproximadamente el doble.
la arquitectura interlínea extiende este concepto un paso más allá y enmascara cada otra columna del sensor de imagen para su almacenamiento., En este dispositivo, solo tiene que ocurrir un desplazamiento de píxel para transferir del área de imagen al área de almacenamiento; por lo tanto, los tiempos de obturación pueden ser inferiores a un microsegundo y el frotis se elimina esencialmente. Sin embargo, la ventaja no es gratuita, ya que el área de imagen ahora está cubierta por tiras opacas que reducen el factor de llenado a aproximadamente el 50 por ciento y la eficiencia cuántica efectiva en una cantidad equivalente. Los diseños modernos han abordado esta característica perjudicial mediante la adición de microlentes en la superficie del dispositivo para dirigir la luz lejos de las regiones opacas y en el área activa., Las microlentes pueden devolver el factor de relleno hasta un 90 por ciento o más, dependiendo del tamaño del píxel y del diseño óptico general del sistema.
la elección de la arquitectura se reduce a una de utilidad. Si la aplicación no puede tolerar un obturador mecánico costoso, propenso a fallas y de gran consumo de energía, un dispositivo interlínea es la opción correcta. Las cámaras snap-shot de consumo han utilizado dispositivos interlínea. Por otro lado, para aquellas aplicaciones que requieren la mejor recolección de luz posible y los problemas de dinero, potencia y tiempo son menos importantes, el dispositivo de fotograma completo es la opción correcta., Los astrónomos tienden a preferir dispositivos de fotograma completo. La transferencia de marco se encuentra en el medio y era una opción común antes de que se abordara el problema del factor de relleno de los dispositivos interlínea. Hoy en día, la transferencia de marcos generalmente se elige cuando una arquitectura interlínea no está disponible, como en un dispositivo retroiluminado.
Los CCD que contienen cuadrículas de píxeles se utilizan en cámaras digitales, escáneres ópticos y cámaras de video como dispositivos de detección de luz., Comúnmente responden al 70 por ciento de la luz incidente (lo que significa una eficiencia cuántica de aproximadamente el 70 por ciento), lo que los hace mucho más eficientes que la película fotográfica, que captura solo alrededor del 2 por ciento de la luz incidente.
los tipos más comunes de CCD son sensibles a la luz infrarroja cercana, lo que permite la fotografía infrarroja, los dispositivos de visión nocturna y la grabación/fotografía de video de cero lux (o casi cero lux). Para los detectores normales basados en silicio, la sensibilidad se limita a 1,1 µm., Otra consecuencia de su sensibilidad al infrarrojo es que el infrarrojo de los controles remotos a menudo aparece en las cámaras digitales o videocámaras basadas en CCD si no tienen bloqueadores infrarrojos.
El enfriamiento reduce la corriente oscura de la matriz, mejorando la sensibilidad del CCD A intensidades de luz bajas, incluso para longitudes de onda ultravioleta y visibles. Los observatorios profesionales a menudo enfrían sus detectores con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura, y por lo tanto el ruido térmico, a niveles insignificantes.,
Frame transfer CCDEdit
un sensor CCD de transferencia de Marco
El generador de imágenes CCD de transferencia de Marco fue la primera estructura de imágenes propuesta para imágenes CCD por Michael Tompsett en los Laboratorios Bell. Un CCD de transferencia de fotogramas es un CCD especializado, a menudo utilizado en astronomía y algunas cámaras de video profesionales, diseñado para una alta eficiencia de exposición y corrección.
el funcionamiento normal de un CCD, astronómico o no, se puede dividir en dos fases: exposición y lectura., Durante la primera fase, el CCD recoge pasivamente los fotones entrantes, almacenando electrones en sus células. Una vez pasado el tiempo de exposición, las células se leen una línea a la vez. Durante la fase de lectura, las celdas se desplazan por toda el área del CCD. Mientras se desplazan, continúan recogiendo luz. Por lo tanto, si el cambio no es lo suficientemente rápido, los errores pueden resultar de la luz que cae sobre una carga de retención de la celda durante la transferencia. Estos errores se conocen como» frotis vertical » y hacen que una fuente de luz fuerte cree una línea vertical por encima y por debajo de su ubicación exacta., Además, el CCD no se puede utilizar para recoger la luz mientras se lee. Desafortunadamente, un cambio más rápido requiere una lectura más rápida, y una lectura más rápida puede introducir errores en la medición de carga de la celda, lo que lleva a un nivel de ruido más alto.
un CCD de transferencia de fotogramas resuelve ambos problemas: tiene un área blindada, no sensible a la luz, que contiene tantas celdas como el área expuesta a la luz. Típicamente, esta área está cubierta por un material reflectante como el aluminio. Cuando se agota el tiempo de exposición, las células se transfieren muy rápidamente al área oculta., Aquí, a salvo de cualquier luz entrante, las celdas se pueden leer a cualquier velocidad que se considere necesaria para medir correctamente la carga de las celdas. Al mismo tiempo, la parte expuesta del CCD está recogiendo luz de nuevo, por lo que no se produce ningún retraso entre exposiciones sucesivas.
la desventaja de tal CCD es el costo más alto: el área de la célula se duplica básicamente, y se necesitan sistemas electrónicos de control más complejos.,
dispositivo acoplado a carga Intensificadaeditar
un dispositivo acoplado a carga intensificada (ICCD) es un CCD que está conectado ópticamente a un intensificador de imagen que está montado delante del CCD.
un intensificador de imagen incluye tres elementos funcionales: un fotocátodo, una placa de microcanal (MCP) y una pantalla de fósforo. Estos tres elementos se montan uno detrás del otro en la secuencia mencionada. Los fotones que provienen de la fuente de luz caen sobre el fotocátodo, generando así fotoelectrones., Los fotoelectrones son acelerados hacia el MCP por un voltaje de control eléctrico, aplicado entre el fotocátodo y el MCP. Los electrones se multiplican dentro del MCP y luego se aceleran hacia la pantalla de fósforo. La pantalla de fósforo finalmente convierte los electrones multiplicados en fotones que son guiados al CCD por una fibra óptica o una lente.
un intensificador de imagen incluye intrínsecamente una funcionalidad de obturador: si el voltaje de control entre el fotocátodo y el MCP se invierte, los fotoelectrones emitidos no se aceleran hacia el MCP sino que regresan al fotocátodo., Por lo tanto, ningún electrón es multiplicado y emitido por el MCP, ningún electrón va a la pantalla de fósforo y ninguna luz es emitida por el intensificador de imagen. En este caso, ninguna luz cae sobre el CCD, lo que significa que el obturador está cerrado. El proceso de invertir el voltaje de control en el fotocátodo se llama gating y, por lo tanto, los ICCD también se llaman cámaras CCD gateables.
además de la extremadamente alta sensibilidad de las cámaras ICCD, que permiten la detección de fotones individuales, la gateability es una de las principales ventajas de la ICCD sobre las cámaras EMCCD., Las cámaras ICCD de mayor rendimiento permiten tiempos de obturación tan cortos como 200 picosegundos.
Las cámaras ICCD tienen en general un precio algo más alto que las cámaras EMCCD porque necesitan el costoso intensificador de imagen. Por otro lado, las cámaras EMCCD necesitan un sistema de refrigeración para enfriar el chip EMCCD a temperaturas de alrededor de 170 K (-103 °C). Este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales a la cámara EMCCD y a menudo produce problemas de condensación pesada en la aplicación.
Los ICCD se utilizan en dispositivos de visión nocturna y en diversas aplicaciones científicas.,
Ccdedit multiplicadorde electrones
los electrones se transfieren en serie a través de las etapas de ganancia que componen el registro de multiplicación de un EMCCD. Los altos voltajes utilizados en estas transferencias en serie inducen la creación de portadores de carga adicionales a través de la ionización por impacto.
en un EMCCD hay una dispersión (variación) en el número de electrones de salida por el registro de multiplicación para un número dado (fijo) de electrones de entrada (se muestra en la leyenda a la derecha)., La distribución de probabilidad para el número de electrones de salida se traza logarítmicamente en el eje vertical para una simulación de un registro de multiplicación. También se muestran los resultados de la ecuación de ajuste empírico que se muestra en esta página.
un CCD multiplicador de electrones (EMCCD, también conocido como un CCD L3Vision, un producto comercializado por e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un producto ahora descontinuado ofrecido en el pasado por Texas Instruments) es un dispositivo de acoplamiento de carga en el que se coloca un registro de ganancia entre el registro de cambios y el amplificador de salida., El registro de ganancia se divide en un gran número de etapas. En cada etapa, los electrones se multiplican por ionización de impacto de una manera similar a un diodo de avalancha. La probabilidad de ganancia en cada etapa del registro es pequeña (P <2%), pero como el número de elementos es grande (N > 500), la ganancia general puede ser muy alta ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), con electrones de entrada individuales dando muchos miles de electrones de salida. La lectura de una señal de un CCD da un fondo de ruido, típicamente unos pocos electrones., En un EMCCD, este ruido se superpone a muchos miles de electrones en lugar de un solo electrón; la principal ventaja de los dispositivos es, por lo tanto, su ruido de lectura insignificante. El uso del desglose de avalanchas para amplificar las cargas fotográficas ya había sido descrito en la patente estadounidense 3.761.744 en 1973 por George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.
Los EMCCD muestran una sensibilidad similar a los CCD intensificados (ICCDs). Sin embargo, al igual que con ICCDs, la ganancia que se aplica en el registro de ganancia es estocástica y la ganancia exacta que se ha aplicado a la carga de un píxel es imposible de saber., A altas ganancias (> 30), esta incertidumbre tiene el mismo efecto sobre la relación señal-ruido (SNR) que reducir a la mitad la eficiencia cuántica (QE) con respecto a la operación con una ganancia de unidad. Sin embargo, a niveles de luz muy bajos (donde la eficiencia cuántica es más importante), se puede suponer que un píxel contiene un electrón o no. Esto elimina el ruido asociado con la multiplicación estocástica con el riesgo de contar múltiples electrones en el mismo píxel como un solo electrón., Para evitar conteos múltiples en un píxel debido a fotones coincidentes en este modo de operación, las altas velocidades de fotogramas son esenciales. La dispersión en la ganancia se muestra en el gráfico de la derecha. Para los registros de multiplicación con muchos elementos y grandes ganancias, está bien modelado por la ecuación:
donde P es la probabilidad de obtener N electrones de salida dados m electrones de entrada y una ganancia media total del registro de multiplicación de g.
debido a los costos más bajos y la mejor resolución, los EMCCD son capaces de reemplazar a los ICCDs en muchas aplicaciones., Los ICCD todavía tienen la ventaja de que se pueden bloquear muy rápido y, por lo tanto, son útiles en aplicaciones como la imagen de rango cerrado. Las cámaras EMCCD necesitan de manera indispensable un sistema de refrigeración-que utilice refrigeración termoeléctrica o nitrógeno líquido—para enfriar el chip a temperaturas en el rango de -65 a -95 °C (-85 a -139 °F). Desafortunadamente, este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales al sistema de imágenes EMCCD y puede producir problemas de condensación en la aplicación. Sin embargo, las cámaras EMCCD de gama alta están equipadas con un sistema de vacío hermético permanente que limita el chip para evitar problemas de condensación.,
las capacidades de poca luz de los EMCCDs encuentran uso en astronomía e Investigación Biomédica, entre otros campos. En particular, su bajo nivel de ruido a altas velocidades de lectura los hace muy útiles para una variedad de aplicaciones astronómicas que involucran fuentes de poca luz y eventos transitorios, como la obtención de imágenes afortunadas de estrellas débiles, la fotometría de conteo de fotones de alta velocidad, la espectroscopia Fabry-Pérot y la espectroscopia de alta resolución., Más recientemente, estos tipos de CCD han irrumpido en el campo de la investigación biomédica en aplicaciones de poca luz, incluyendo imágenes de animales pequeños, imágenes de una sola molécula, espectroscopia Raman, microscopía de súper resolución, así como una amplia variedad de técnicas modernas de microscopía de fluorescencia gracias a una mayor SNR en condiciones de poca luz en comparación con los CCD e ICCDs tradicionales.
en términos de ruido, las cámaras EMCCD comerciales típicamente tienen carga inducida por el reloj (CIC) y corriente oscura (dependiente del grado de enfriamiento) que juntas conducen a un ruido de lectura efectivo que varía de 0.,01 a 1 electrones por píxel leído. Sin embargo, las recientes mejoras en la tecnología EMCCD han llevado a una nueva generación de cámaras capaces de producir significativamente menos CIC, una mayor eficiencia de transferencia de carga y una ganancia EM 5 veces mayor que la que estaba disponible anteriormente. Estos avances en la detección de poca luz conducen a un ruido de fondo total efectivo de 0,001 electrones por píxel leído, un nivel de ruido incomparable con cualquier otro dispositivo de imágenes de poca luz.