CCD-a 2.1 megapixeles Argus digitális fényképezőgép
egydimenziós CCD képérzékelő a fax
A CCD képérzékelővel végre lehet hajtani, több különböző architektúrák. A leggyakoribb a teljes keret, a keretátvitel és az interline. Ezeknek az architektúráknak a megkülönböztető jellemzője a zsaluzás problémájának megközelítése.,
egy teljes képkocka eszközben az összes képterület aktív, nincs elektronikus zár. Az ilyen típusú érzékelőhöz mechanikus zárat kell hozzáadni, vagy a kép elkenődik, amikor az eszköz órajele vagy kiolvasása történik.
keretátviteli CCD-vel A Szilícium terület felét átlátszatlan maszk (általában alumínium) borítja. A kép gyorsan átvihető a képterületről az átlátszatlan területre vagy a tárolási területre, néhány százalékos elfogadható kenettel. Ezt a képet ezután lassan ki lehet olvasni a tárolási régióból, miközben egy új kép integrálódik vagy kiteszi az aktív területet., A keretátviteli eszközök általában nem igényelnek mechanikus redőnyt, és a korai szilárdtest-sugárzású kamerák közös architektúrája volt. A keretátviteli architektúra hátránya, hogy egy egyenértékű teljes képkocka-eszköz Szilícium ingatlanának kétszeresét igényli; ezért nagyjából kétszer annyiba kerül.
az interline architektúra egy lépéssel tovább bővíti ezt a koncepciót, és a képérzékelő minden más oszlopát elfedi tárolásra., Ez a készülék, csak egy pixel shift hogy fordulhat elő, hogy át a képet terület tároló terület, így az exponáló alkalommal lehet kevesebb, mint egy mikroszekundum, valamint kenet lényegében megszűnt. Az előny azonban nem ingyenes, mivel a képalkotó területet most átlátszatlan csíkok fedik le, amelyek a kitöltési tényezőt körülbelül 50% – ra csökkentik, a hatékony kvantumhatékonyságot pedig egyenértékű összeggel. Modern design foglalkozik ezzel a káros jellemző hozzáadásával microlenses a felszínen, hogy a készülék közvetlen fény távol a átlátszatlan régiók, valamint az aktív terület., A mikrolencsék a képpontmérettől és a teljes rendszer optikai kialakításától függően akár 90% – kal vagy annál is nagyobb mértékben hozhatják vissza a kitöltési tényezőt.
az architektúra választása az egyik segédprogramra esik. Ha az alkalmazás nem tolerálja a drága, meghibásodásra hajlamos, nagy teljesítményű mechanikus redőnyt, akkor az interline eszköz a megfelelő választás. A fogyasztói snap-shot kamerák interline eszközöket használtak. Másrészt azon alkalmazások esetében, amelyek a lehető legjobb fénygyűjtést igénylik, és a pénz, a teljesítmény és az idő kérdése kevésbé fontos, a teljes képkocka eszköz a megfelelő választás., A csillagászok inkább a teljes képkocka-eszközöket részesítik előnyben. A keret-átvitel között esik, és volt egy közös választás, mielőtt a kitöltési tényező kérdése interline eszközök foglalkozott. Manapság a keretátvitelt általában akkor választják meg, ha nincs interline architektúra, például egy hátsó megvilágítású eszközön.
a képpont rácsokat tartalmazó CCD-ket digitális fényképezőgépekben, optikai szkennerekben és videokamerákban fényérzékelő eszközként használják., Gyakran reagálnak 70% – a beeső fény (vagyis egy kvantum-hatékonysága körülbelül 70 százalék), hogy nekik sokkal hatékonyabb, mint a fényképészeti film, amely rögzíti csak mintegy 2% – a beeső fény.
a CCD-k leggyakoribb típusai érzékenyek a közeli infravörös fényre, amely lehetővé teszi az infravörös fényképezést, az éjjellátó eszközöket, valamint a zero lux (vagy közel nulla lux) videofelvételt/fényképezést. Normál szilícium alapú detektorok esetén az érzékenység 1,1 µm-re korlátozódik., Az infravörös érzékenységük másik következménye az, hogy a távirányítókból származó infravörös gyakran megjelenik a CCD-alapú digitális fényképezőgépeken vagy videokamerákon, ha nincs infravörös blokkolójuk.
hűtés csökkenti a tömb sötét áram, javítja az érzékenységet a CCD alacsony fényerősség, még ultraibolya és látható hullámhosszon. A professzionális megfigyelőközpontok gyakran hűtik detektoraikat folyékony nitrogénnel, hogy csökkentsék a sötét áramot, ezért a termikus zajt elhanyagolható szintre.,
Frame transfer CCDEdit
a frame transfer CCD sensor
A frame transfer CCD imager volt az első képalkotó szerkezet, amelyet Michael Tompsett javasolt a Bell Laboratories CCD képalkotáshoz. A frame transfer CCD egy speciális CCD, gyakran használják a csillagászat és néhány professzionális videokamerák, célja a nagy expozíciós hatékonyság és helyességét.
a CCD normál működése csillagászati vagy egyéb módon két fázisra osztható: expozíció és kiolvasás., Az első fázisban a CCD passzívan gyűjti a bejövő fotonokat, elektronokat tárolva a sejtjeiben. Az expozíciós idő eltelte után a cellákat egyszerre egy sorban olvassák ki. A leolvasási fázis során a cellák a CCD teljes területére tolódnak. Miközben eltolódnak,továbbra is fényt gyűjtenek. Így, ha a váltás nem elég gyors, a hibák olyan fényből eredhetnek, amely az átvitel során a cellatartó töltésre esik. Ezeket a hibákat “függőleges kenetnek” nevezik, és erős fényforrást okoznak, amely függőleges vonalat hoz létre a pontos helye felett és alatt., Ezenkívül a CCD nem használható fény gyűjtésére, miközben kiolvassa. Sajnos a gyorsabb váltás gyorsabb leolvasást igényel, a gyorsabb leolvasás pedig hibákat okozhat a cellatöltés mérésében, ami magasabb zajszintet eredményez.
a keretátviteli CCD mindkét problémát megoldja: árnyékolt, Nem fényérzékeny, olyan területet tartalmaz, amely annyi cellát tartalmaz, mint a fénynek kitett terület. Ezt a területet általában fényvisszaverő anyag, például alumínium borítja. Amikor az expozíciós idő lejár, a sejtek nagyon gyorsan átkerülnek a rejtett területre., Itt, minden bejövő fénytől biztonságban, a cellák bármilyen sebességgel kiolvashatók, amelyet szükségesnek tartanak a cellák töltésének helyes méréséhez. Ugyanakkor a CCD kitett része ismét fényt gyűjt, így az egymást követő expozíciók között nincs késedelem.
az ilyen CCD hátránya a magasabb költség: a cellaterület alapvetően megduplázódik, összetettebb vezérlőelektronikára van szükség.,
felerősített töltéscsatolt eszközeedit
az intenzív töltéscsatolt eszköz (ICCD) egy olyan CCD, amely optikailag kapcsolódik egy KÉPERŐSÍTŐHÖZ, amely a CCD előtt van felszerelve.
a képerősítő három funkcionális elemet tartalmaz: egy fotokatódot, egy mikrocsatornát (MCP) és egy foszfor képernyőt. Ez a három elem az említett sorrendben egymás mögött helyezkedik el. A fényforrásból érkező fotonok a fotokatódra esnek, ezáltal fotoelektronokat generálnak., A fotoelektronokat a fotokatód és az MCP között alkalmazott elektromos vezérlőfeszültség gyorsítja az MCP felé. Az elektronok az MCP belsejében szaporodnak, majd a foszfor képernyő felé gyorsulnak. A foszfor képernyő végül átalakítja a szorzott elektronokat fotonokká, amelyeket száloptikával vagy lencsével vezetnek a CCD-hez.
a képerősítő lényegében zárfunkciót tartalmaz: ha a fotokatód és az MCP közötti vezérlőfeszültség megfordul, a kibocsátott fotoelektronok nem gyorsulnak az MCP felé, hanem visszatérnek a fotokatódhoz., Így az MCP nem sokszorozódik és bocsát ki elektronokat, elektronok nem jutnak el a foszforvászonhoz, és nem bocsát ki fényt a képerősítő. Ebben az esetben nincs fény a CCD-re, ami azt jelenti, hogy a redőny zárva van. A fotokatódon a vezérlési feszültség megfordításának folyamatát gatingnek nevezik, ezért az Iccd-ket átjárható CCD kameráknak is nevezik.
az ICCD kamerák rendkívül nagy érzékenysége mellett, amelyek lehetővé teszik az egyetlen fotonérzékelést, az átjárhatóság az ICCD egyik fő előnye az EMCCD kamerákkal szemben., A legjobban teljesítő ICCD kamerák lehetővé teszik a záridő rövid, mint 200 picoseconds.
az ICCD kamerák általában valamivel magasabbak, mint az EMCCD kamerák, mert szükségük van a drága képerősítőre. Másrészt az EMCCD kameráknak hűtőrendszerre van szükségük az EMCCD chip lehűtéséhez 170 K (-103 °C) körüli hőmérsékletre. Ez a hűtőrendszer további költségeket jelent az EMCCD kamera számára, és gyakran súlyos kondenzációs problémákat okoz az alkalmazásban.
az Iccd-ket éjjellátó készülékekben és különböző tudományos alkalmazásokban használják.,
elektron-szorzó CCD
az elektronok sorozatosan kerülnek át az emccd szorzási regiszterét alkotó erősítési szakaszokon keresztül. Az ilyen soros átvitelekben használt nagy feszültségek további töltéshordozók létrehozását indukálják az ütközésionizáció révén.
egy EMCCD-ben diszperzió (variáció) van az adott (rögzített) számú bemeneti elektron szorzatregisztere által kibocsátott elektronok számában (a jobb oldali jelmagyarázatban)., A kimeneti elektronok számának valószínűségi eloszlását logaritmikusan ábrázoljuk a függőleges tengelyen egy szorzási regiszter szimulációjához. Az ezen az oldalon látható empirikus illesztési egyenlet eredményei is láthatók.
egy elektron-szorzó CCD (EMCCD, más néven L3Vision CCD, az e2v Ltd által forgalmazott termék. A GB, az L3CCD vagy az Impactron CCD, a Texas Instruments által a múltban kínált már megszűnt termék) egy töltésalapú eszköz, amelyben a shift regiszter és a kimeneti erősítő között egy erősítőregiszter kerül elhelyezésre., A nyereségregiszter számos szakaszra oszlik. Minden szakaszban az elektronokat megszorozzuk az ütközési ionizációval, hasonlóan a lavina diódához. A nyereség a valószínűsége, minden szinten a nyilvántartás kicsi (P < 2%), de az elemek száma nagy (N > 500), a teljes nyereség is nagyon magas ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), ahol egyetlen bemeneti elektronokat ad sok ezer kimeneti elektronok. A CCD jelének olvasása zaj hátteret ad, általában néhány elektront., Egy EMCCD-ben ez a zaj több ezer elektronra helyezkedik el, nem pedig egyetlen elektronra; az eszközök elsődleges előnye tehát elhanyagolható kiolvasási zaj. A lavina bontás használatát a fotótöltések erősítésére már leírták az Egyesült Államok 3,761,744 szabadalmában 1973-ban George E. Smith/Bell telefon laboratóriumok.
az Emccd-k hasonló érzékenységet mutatnak az intenzívebb CCD-kkel (ICCDs) szemben. Az Iccd-khez hasonlóan azonban a gain regiszterben alkalmazott nyereség sztochasztikus, és a pixel töltésére alkalmazott pontos nyereséget nem lehet tudni., Nagy nyereség esetén (> 30) ez a bizonytalanság ugyanolyan hatással van a jel-zaj arányra (SNR), mint a kvantumhatékonyság (QE) felére csökkentése az egység nyereségével történő működés tekintetében. Nagyon alacsony fényviszonyok mellett (ahol a kvantumhatékonyság a legfontosabb) azonban feltételezhető, hogy egy pixel elektronot tartalmaz—e vagy sem. Ez eltávolítja a sztochasztikus szorzáshoz kapcsolódó zajt, azzal a kockázattal, hogy több elektront számlál ugyanabban a pixelben, mint egyetlen elektron., Annak elkerülése érdekében, hogy ebben a működési módban az egybeeső fotonok miatt egy pixelben több szám legyen, a magas képsebesség elengedhetetlen. A nyereség diszperziója a jobb oldali grafikonon látható. A szorzás nyilvántartások sok elemek nagy nyereség, jól modellezett az alábbi egyenlettel számítható ki:
ahol P a valószínűsége, hogy n kimenet elektronok adott m bemeneti elektronok összesen jelenti, szorzás nyilvántartás nyereség g.
Mivel az alacsonyabb költségek, jobb felbontású, EMCCDs képesek cseréje ICCDs a sok alkalmazás., Az iccd-knek továbbra is az az előnye, hogy nagyon gyorsan kapuzhatók, így hasznosak olyan alkalmazásokban, mint a hatótávolságú képalkotás. Az EMCCD kameráknak feltétlenül szükségük van egy hűtőrendszerre-akár termoelektromos hűtéssel, akár folyékony nitrogénnel -, hogy a chipet -65-95 °C (-85-139 °F) hőmérsékletre hűtsék. Ez a hűtőrendszer sajnos többletköltséget jelent az EMCCD képalkotó rendszer számára, és kondenzációs problémákat okozhat az alkalmazásban. A csúcsminőségű EMCCD kamerák azonban állandó hermetikus vákuumrendszerrel vannak felszerelve, amely korlátozza a chipet a kondenzációs problémák elkerülése érdekében.,
az Emccd-K gyenge fényerejű képességei többek között a csillagászatban és az orvosbiológiai kutatásban is felhasználhatók. Különösen az alacsony zajszint, magas olvasási sebesség teszi őket nagyon hasznos a különböző csillagászati érintő kérelmek alacsony fényforrások, átmeneti események, így például a lucky imaging halvány csillagok, nagysebességű foton számolja fotometria, Fabry-Pérot spektroszkópia, valamint a magas felbontású spektroszkópia., Újabban az ilyen típusú CCDs betört a mező orvosbiológiai kutatás rossz fényviszonyok, alkalmazások, köztük a kis állat képalkotó, egyetlen molekula képalkotó, Raman spektroszkópia, szuper felbontású mikroszkóp, valamint a legkülönbözőbb modern fluoreszcens mikroszkópos technikák köszönhetően nagyobb SNR gyenge fényviszonyok esetén, összehasonlítva a hagyományos CCDs, valamint ICCDs.
a zaj szempontjából a kereskedelmi EMCCD kamerák jellemzően órajel-indukált töltéssel (CIC) és sötét árammal (a hűtés mértékétől függően) rendelkeznek, amelyek együttesen 0-tól terjedő hatékony leolvasási zajhoz vezetnek.,01 hogy 1 elektronok per pixel olvasni. Az EMCCD technológia legújabb fejlesztései azonban olyan új generációs kamerákhoz vezettek, amelyek lényegesen kevesebb CIC-t, nagyobb töltésátviteli hatékonyságot és 5-ször nagyobb EM-nyereséget képesek előállítani, mint a korábban rendelkezésre álló. Ezek a fejlődés a gyenge fényérzékelés vezet hatékony teljes háttérzaj 0.001 elektronok per pixel olvasni, a zaj padló páratlan bármely más gyenge fényű képalkotó eszköz.