Charge-coupled device (Suomi)

CCD-kuva-anturit voidaan toteuttaa useilla eri laitealustoille. Yleisimpiä ovat täysrunko, runkosiirto ja interline. Erottava ominaisuus jokainen näistä arkkitehtuurit on heidän lähestymistavan ongelma suljin.,

täysrunkoisessa laitteessa kaikki kuva-alue on aktiivinen, eikä elektronista suljinta ole. Tämän tyyppiseen anturiin tai kuvan siveltimiin on lisättävä mekaaninen suljin, kun laite on lukittu tai luettu ulos.

runko-transfer CCD, puolet pii-alue on peitetty läpinäkymätön naamio (tyypillisesti alumiini). Kuva voidaan siirtää nopeasti kuvan alueen läpinäkymätön alue tai varastointi alueen hyväksyttävää mustamaalata muutaman prosentin. Tämä kuva voidaan sitten lukea hitaasti tallennusalueelta, kun uusi kuva integroidaan tai altistaa aktiiviselle alueelle., Frame-transfer-laitteet tyypillisesti eivät vaadi mekaanista suljinta ja olivat yhteinen arkkitehtuuri varhaisen solid-state-broadcast-kamerat. Haittapuoli frame-transfer arkkitehtuuri on, että se vaatii kaksi kertaa pii kiinteistöjen vastaavan koko-runko-laitteen; siten, se maksaa noin kaksi kertaa niin paljon.

interline-arkkitehtuuri laajentaa tätä konseptia askeleen pidemmälle ja peittää joka toisen kuva-anturin sarakkeen tallennusta varten., Tässä laite, vain yhden pikselin vaihto on tapahduttava siirtää kuva-alueen varastoalue siten, suljin kertaa voi olla alle mikrosekunnin ja preparaatti on pohjimmiltaan eliminoitu. Etu ei ole vapaa, kuitenkin, kuten kuvantamisen alueella on nyt soveltamisalaan läpinäkymätön nauhat pudottamalla täyttää tekijä on noin 50 prosenttia ja tehokas quantum tehokkuutta vastaavalla määrällä. Moderni design on osoitettu tämä haitallinen ominaisuus lisäämällä microlenses pinnalla laitteen suoraa valoa pois läpinäkymätön alueilla ja aktiivinen alue., Mikroluvut voivat tuoda täyttökertoimen takaisin jopa 90 prosenttia tai enemmän pikselin koosta ja järjestelmän optisesta rakenteesta riippuen.

arkkitehtuurin valinta tulee alas yhteen hyödyllisyydestä. Jos sovellus ei siedä kallista, vikaantumisaltista, tehopainotteista mekaanista suljinta, interline-laite on oikea valinta. Kuluttajien snap-shot-kameroissa on käytetty interline-laitteita. Toisaalta, niille sovelluksia, jotka vaativat parasta mahdollista valoa kerääminen ja kysymyksiä, rahaa, valtaa ja aikaa on vähemmän tärkeä, koko-runko-laite on oikea valinta., Tähtitieteilijät suosivat yleensä täysrunkoisia laitteita. Kehyksensiirto osuu väliin ja oli yleinen valinta ennen kuin interline-laitteiden täyttökerroinkysymykseen puututtiin. Tänään, runko-siirto on yleensä valittu, kun interline arkkitehtuuri ei ole saatavilla, kuten back-valaistu laitteen.

pikseliverkkoja sisältäviä CCD-laitteita käytetään digitaalikameroissa, optisissa skannereissa ja videokameroissa valontunnistuslaitteina., Ne yleensä vastaa 70 prosenttia valon (eli kvantti hyötysuhde noin 70 prosenttia), mikä tekee niistä paljon tehokkaampaa kuin valokuvaus-elokuva, joka kaappaa vain noin 2 prosenttia valon.

yleisimpiä CCDs ovat herkkä lähi-infrapuna-valo, jonka avulla infrapuna valokuvaus -, yö-vision-laitteet, ja zero lux (tai lähellä nolla luksia), video-tallennus/valokuvaus. Normaaleissa piipohjaisissa ilmaisimissa herkkyys on rajoitettu 1,1 µm: iin., Yksi toinen seuraus niiden herkkyys infrapuna on, että infrapuna kauko-ohjaimet usein näkyy CCD-pohjainen digitaaliset kamerat tai videokamerat, jos heillä ei ole infrapuna-salpaajat.

Jäähdytys vähentää array on tumma nykyinen, parantaa herkkyyttä CCD alhainen valon intensiteetti, jopa ultravioletti-ja näkyvän aallonpituuksilla. Ammatillinen observatoriot usein viileä niiden ilmaisimet nestemäisellä typellä vähentää tummia nykyinen, ja siksi lämpö melua, merkityksettömälle tasolle.,

Runko siirtää CCDEdit

runko transfer CCD-lämpökamera oli ensimmäinen imaging rakenne ehdotettu CCD Imaging Michael Chenot Bell Laboratories. Frame transfer CCD on erikoistunut CCD, jota käytetään usein tähtitieteessä ja joissakin ammattimaisissa videokameroissa, jotka on suunniteltu korkeaan valotehokkuuteen ja oikeellisuuteen.

CCD: n normaali toiminta, astronominen tai muu, voidaan jakaa kahteen vaiheeseen: altistukseen ja lukemiseen., Ensimmäisen vaiheen aikana CCD kerää passiivisesti saapuvat fotonit varastoiden elektroneja soluihinsa. Kun altistusaika on kulunut, solut luetaan yksi rivi kerrallaan. Lukuvaiheen aikana solut siirtyvät koko CCD: n alueelle. Samalla kun niitä siirretään, ne jatkavat valon keräämistä. Jos siirtyminen ei siis ole riittävän nopeaa, virheet voivat johtua valosta, joka putoaa solun pidätysvaraukseen siirron aikana. Näitä virheitä kutsutaan ”vertikaaliseksi mustamaalaukseksi” ja ne aiheuttavat voimakkaan valonlähteen luomaan pystysuoran viivan sen tarkan sijainnin ylä-ja alapuolella., Lisäksi CCD: tä ei voida käyttää valon keräämiseen, kun sitä luetaan ulos. Valitettavasti nopeampi siirtyminen vaatii nopeamman lukeman, ja nopeampi lukema voi tuoda virheitä solun latauksen mittauksessa, mikä johtaa korkeampaan melutasoon.

runko transfer CCD ratkaisee molemmat ongelmat: se on suojattu, ei valoa herkkä alue, joka sisältää niin monta solua kuin alue altistetaan valolle. Tyypillisesti tämä alue on päällystetty heijastavalla materiaalilla, kuten alumiinilla. Kun valotusaika on kulunut umpeen, solut siirtyvät hyvin nopeasti piiloalueelle., Täällä, turvassa tahansa saapuvan valon, solut voidaan lukea milloin tahansa nopeudella yksi katsoo tarpeen oikein mitata solujen vastuussa. Samalla CCD: n altistunut osa kerää valoa uudelleen, joten peräkkäisten vastuiden välillä ei tapahdu viivettä.

tällaisen CCD: n haitta on suurempi kustannus: kennoalue käytännössä kaksinkertaistuu, ja tarvitaan monimutkaisempaa ohjauselektroniikkaa.,

Tehostettu charge-coupled deviceEdit

tehostettu charge-coupled device (ICCD) on CCD, joka on optisesti kytketty kuvanvahvistusputket, joka on asennettu edessä CCD.

image intensifier sisältää kolme toiminnallista elementtiä: valokatodiputket, mikro-kanava levy (MCP) ja fosfori näyttö. Nämä kolme elementtiä on asennettu yksi lähelle toista edellä mainitussa järjestyksessä. Valonlähteestä tulevat fotonit putoavat valokatodiin, jolloin syntyy fotoelektroneja., Se photoelectrons kiihdytetään kohti MCP, jonka sähköinen ohjaus jännite, soveltaa välillä valokatodiputket ja MCP. Elektronit kerrotaan MCP: n sisällä ja sen jälkeen kiihdytetään kohti fosforinäyttöä. Fosfori näyttö vihdoin muuntaa kerrottuna elektronit takaisin fotonit, jotka ovat ohjattu CCD mukaan valokuitu-tai objektiivi.

image intensifier luonnostaan sisältää sulkimen toiminnot: Jos ohjausjännite välillä valokatodiputket ja MCP on päinvastainen, pääsee photoelectrons eivät ole kiihtyi kohti MCP mutta palaa valokatodiputket., Niinpä, ei elektronit ovat moninkertaistuneet ja synnyttämä MCP, ei elektronit ovat menossa phosphor screen ja ei valoa pääsee kuvanvahvistusputket. Tässä tapauksessa ei valoa putoaa CCD, mikä tarkoittaa, että suljin on suljettu. Prosessi käännetään ohjaus jännite valokatodiputket kutsutaan gating ja siksi ICCDs kutsutaan myös gateable CCD-kamerat.

Lisäksi erittäin korkea herkkyys ICCD kamerat, jotka mahdollistavat yhden fotonin havaitseminen, gateability on yksi suurimmista edut ICCD yli EMCCD-kamerat., Korkeimmat iccd-kamerat mahdollistavat suljinajat jopa 200 pikosekunnin tarkkuudella.

ICCD kamerat ovat yleensä hieman korkeampi hinta kuin EMCCD-kamerat, koska ne on kalliita kuvanvahvistusputket. Toisaalta EMCCD-kamerat tarvitsevat Jäähdytysjärjestelmän, joka jäähdyttää EMCCD-sirun noin 170 K (-103 °C) lämpötilaan. Tämä jäähdytysjärjestelmä lisää lisäkustannuksia EMCCD-kameralle ja aiheuttaa usein raskaita kondensaatio-ongelmia sovelluksessa.

ICCDs: ää käytetään pimeänäkölaitteissa ja erilaisissa tieteellisissä sovelluksissa.,

Electron-kertomalla CCDEdit

elektroni-kertomalla CCD (EMCCD, joka tunnetaan myös L3Vision CCD, kaupallistettu tuote, jonka e2v Oy. GB , L3CCD tai Impactron CCD, nyt-lopetettu tuote tarjotaan aiemmin Texas Instruments) on charge-coupled device, joka saada rekisteriin on sijoitettu siirtorekisteri ja lähtö vahvistin., Voittorekisteri on jaettu useisiin vaiheisiin. Kussakin vaiheessa elektronit kerrotaan törmäysionisaatiolla samalla tavalla kuin lumivyörydiodi. Voitto todennäköisyys jokaisessa vaiheessa rekisteröidä on pieni (P < 2%), mutta koska elementtien määrä on suuri (N > 500), yleinen voitto voi olla hyvin korkea ( g = ( 1 + P ) N – {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), jossa on yksi tulo, elektroneja, jolloin monet tuhannet lähtö elektroneja. Signaalin lukeminen CCD: stä antaa melutaustan, tyypillisesti muutaman elektronin., Vuonna EMCCD, tämä melu on päällekkäin monia tuhansia elektroneja, pikemminkin kuin yksi elektroni; laitteet’ ensisijainen etu on, niinpä niiden vähäinen lukema melua. Käyttö avalanche erittely vahvistus kuva maksuja oli jo kuvattu YHDYSVALTAIN Patentti 3,761,744 vuonna 1973 George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

EMCCDs näyttää vastaavia herkkyys tehostettu (CCDs ICCDs). Kuitenkin, kuten ICCDs, voitto, joka on sovellettu saada rekisteriin on stokastinen ja tarkka voitto, joka on sovellettu pikselin maksu on mahdotonta tietää., Korkea voitot (> 30), tämä epävarmuus on sama vaikutus signaali-kohina-suhde (SNR) kuin puolittaminen quantum efficiency (QE) osalta toiminta kanssa voitto yhtenäisyyttä. On kuitenkin hyvin vähäinen valo (jossa kvantti tehokkuus on tärkein), voidaan olettaa, että pikseli joko sisältää elektroni—tai ei. Tämä poistaa melu liittyy stokastinen kerto riski laskee useita elektroneja samalla pixel kuin yksi elektroni., Jotta vältettäisiin useita laskuja yhdessä pikselissä samanaikaisten fotonien vuoksi tässä toimintatavassa, korkeat kehysnopeudet ovat välttämättömiä. Voiton hajonta näkyy oikealla olevassa kaaviossa. Kertomalla rekisteröityy monia elementtejä ja suuri voitot se on hyvin mallintaa yhtälöllä:

missä P on todennäköisyys saada n lähtö elektronit koska m input elektronit ja yhteensä keskiarvo kerto-rekisterin voitto g.

Koska alhaisemmat kustannukset ja parempi resoluutio, EMCCDs pystyvät korvaa ICCDs monissa sovelluksissa., ICCDs on vielä se etu, että ne voivat olla aidatulla erittäin nopeasti ja ovat siten hyödyllisiä sovelluksia, kuten alue-aidatulla imaging. EMCCD-kamerat indispensably tarvitse jäähdytysjärjestelmä käyttämällä joko lämpömittarilla jäähdytys-tai nestemäistä typpeä—jäähtyä siru alaspäin lämpötila-alueella -65 -95 °C (-85, jotta -139 °F). Tämä jäähdytysjärjestelmä valitettavasti lisää lisäkustannuksia EMCCD-kuvantamisjärjestelmään ja voi aiheuttaa kondensaatio-ongelmia sovelluksessa. Kuitenkin, high-end EMCCD-kamerat on varustettu pysyvä hermeettinen tyhjiö järjestelmä rajataan siru välttää tiivistymistä ongelmia.,

EMCCDs: n hämärävaloisuus löytää käyttöä muun muassa tähtitieteessä ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa. Erityisesti niiden alhainen melu, korkea lukema nopeuksilla tekee niistä erittäin hyödyllinen erilaisia tähtitieteellisiin sovelluksiin, joissa valoa on vähän, lähteet ja ohimeneviä tapahtumia, kuten lucky imaging heikko tähdet, nopea fotonin fotometria, Fabryn-Pérot-spektroskopia ja korkean resoluution spektroskopia., Viime aikoina, nämä tyypit CCDs on rikki osaksi biolääketieteen tutkimuksen hämärässä sovelluksia, kuten pienten eläinten kuvantamisessa, yksi-molekyyli-kuvantaminen, Raman-spektroskopia, super-resoluutio mikroskoopilla sekä laaja valikoima moderneja fluoresenssi mikroskopia tekniikkaa ansiosta suurempi SNR hämärässä verrattuna perinteinen CCDs ja ICCDs.

melun, kaupallinen EMCCD-kamerat tyypillisesti kello aiheuttama maksu (CIC) ja tumma nykyinen (riippuvainen siitä, missä määrin jäähdytys), jotka yhdessä johtavat tehokas lukema melu vaihtelee 0.,01-1 elektronia pikselilukua kohti. Kuitenkin viimeaikaiset parannukset EMCCD-tekniikkaa on johtanut uuden sukupolven kameroita, jotka pystyvät tuottamaan huomattavasti vähemmän CIC, korkeampi maksu siirron tehokkuutta ja EM-voitto 5 kertaa suurempi kuin mitä oli aiemmin saatavilla. Nämä edistysaskeleet matala-valon havaitseminen johtaa tehokkaaseen yhteensä taustamelua 0,001 elektronit per pikseli lukea, melu lattia vertaansa vailla muulla hämärässä imaging device.