CCD da 2,1 megapixel Argus fotocamera digitale
unidimensionale sensore di immagine CCD da un fax
CCD, sensori di immagine, può essere realizzato in diverse architetture. I più comuni sono full-frame, frame-transfer e interline. La caratteristica distintiva di ciascuna di queste architetture è il loro approccio al problema delle casseforme.,
In un dispositivo full-frame, tutta l’area dell’immagine è attiva e non vi è alcun otturatore elettronico. Un otturatore meccanico deve essere aggiunto a questo tipo di sensore o l’immagine strisci come il dispositivo è cronometrato o leggere fuori.
Con un CCD frame-transfer, metà dell’area di silicio è coperta da una maschera opaca (tipicamente alluminio). L’immagine può essere rapidamente trasferita dall’area dell’immagine all’area opaca o all’area di archiviazione con uno striscio accettabile di una piccola percentuale. L’immagine può quindi essere letta lentamente dall’area di archiviazione mentre una nuova immagine sta integrando o esponendo nell’area attiva., I dispositivi Frame-transfer in genere non richiedono un otturatore meccanico ed erano un’architettura comune per le prime telecamere broadcast a stato solido. L’aspetto negativo dell’architettura frame-transfer è che richiede il doppio del silicio immobiliare di un dispositivo full-frame equivalente; quindi, costa circa il doppio.
L’architettura interline estende questo concetto un ulteriore passo avanti e maschera ogni altra colonna del sensore di immagine per la memorizzazione., In questo dispositivo, solo uno spostamento di pixel deve verificarsi per trasferire dall’area dell’immagine all’area di archiviazione; quindi, i tempi di scatto possono essere inferiori a un microsecondo e lo striscio viene essenzialmente eliminato. Il vantaggio non è gratuito, tuttavia, poiché l’area di imaging è ora coperta da strisce opache che riducono il fattore di riempimento a circa il 50% e l’efficienza quantistica effettiva di una quantità equivalente. I design moderni hanno affrontato questa caratteristica deleteria aggiungendo microlenti sulla superficie del dispositivo per dirigere la luce lontano dalle regioni opache e sull’area attiva., Le microlenti possono riportare il fattore di riempimento fino al 90% o più a seconda delle dimensioni dei pixel e del design ottico complessivo del sistema.
La scelta dell’architettura si riduce ad una di utilità. Se l’applicazione non può tollerare un otturatore meccanico costoso, soggetto a guasti e ad alta intensità di potenza, un dispositivo interline è la scelta giusta. Le fotocamere snap-shot consumer hanno utilizzato dispositivi interline. D’altra parte, per quelle applicazioni che richiedono la migliore raccolta di luce possibile e le questioni di denaro, potenza e tempo sono meno importanti, il dispositivo full-frame è la scelta giusta., Gli astronomi tendono a preferire i dispositivi full-frame. Il frame-transfer cade nel mezzo ed era una scelta comune prima che il problema del fattore di riempimento dei dispositivi interline fosse affrontato. Oggi, il frame-transfer viene solitamente scelto quando non è disponibile un’architettura interline, ad esempio in un dispositivo retroilluminato.
I CCD contenenti griglie di pixel vengono utilizzati nelle fotocamere digitali, negli scanner ottici e nelle videocamere come dispositivi di rilevamento della luce., Essi comunemente rispondono al 70 per cento della luce incidente (che significa un’efficienza quantistica di circa il 70 per cento) che li rende molto più efficiente di pellicola fotografica, che cattura solo circa il 2 per cento della luce incidente.
I tipi più comuni di CCD sono sensibili alla luce del vicino infrarosso, che consente la fotografia a infrarossi, i dispositivi di visione notturna e la registrazione / fotografia video a zero lux (o vicino a zero lux). Per i normali rivelatori a base di silicio, la sensibilità è limitata a 1,1 µm., Un’altra conseguenza della loro sensibilità all’infrarosso è che l’infrarosso dei telecomandi appare spesso su fotocamere digitali o videocamere basate su CCD se non hanno bloccanti a infrarossi.
Il raffreddamento riduce la corrente scura dell’array, migliorando la sensibilità del CCD alle basse intensità di luce, anche per le lunghezze d’onda ultraviolette e visibili. Gli osservatori professionali spesso raffreddano i loro rivelatori con azoto liquido per ridurre la corrente scura, e quindi il rumore termico, a livelli trascurabili.,
Frame transfer CCDEdit
Un sensore CCD a trasferimento di frame
Il frame transfer CCD imager è stata la prima struttura di imaging proposta per l’imaging CCD da Michael Tompsett presso i Bell Laboratories. Un frame transfer CCD è un CCD specializzato, spesso utilizzato in astronomia e alcune videocamere professionali, progettato per un’elevata efficienza e correttezza dell’esposizione.
Il normale funzionamento di un CCD, astronomico o meno, può essere suddiviso in due fasi: esposizione e lettura., Durante la prima fase, il CCD raccoglie passivamente i fotoni in arrivo, immagazzinando elettroni nelle sue cellule. Dopo che il tempo di esposizione è passato, le celle vengono lette una riga alla volta. Durante la fase di lettura, le celle vengono spostate lungo l’intera area del CCD. Mentre sono spostati, continuano a raccogliere luce. Pertanto, se lo spostamento non è abbastanza veloce, gli errori possono derivare dalla luce che cade su una cella che tiene la carica durante il trasferimento. Questi errori sono indicati come” striscio verticale ” e causano una forte fonte di luce per creare una linea verticale sopra e sotto la sua posizione esatta., Inoltre, il CCD non può essere utilizzato per raccogliere la luce mentre viene letta. Sfortunatamente, uno spostamento più veloce richiede una lettura più veloce e una lettura più veloce può introdurre errori nella misurazione della carica della cella, portando a un livello di rumore più elevato.
Un frame transfer CCD risolve entrambi i problemi: ha un’area schermata, non sensibile alla luce, contenente tante celle quante sono le aree esposte alla luce. Tipicamente, questa zona è coperta da un materiale riflettente come l’alluminio. Quando il tempo di esposizione è scaduto, le cellule vengono trasferite molto rapidamente nell’area nascosta., Qui, al riparo da qualsiasi luce in entrata, le celle possono essere lette a qualsiasi velocità si ritenga necessaria per misurare correttamente la carica delle celle. Allo stesso tempo, la parte esposta del CCD sta raccogliendo nuovamente la luce, quindi non si verifica alcun ritardo tra le esposizioni successive.
Lo svantaggio di un tale CCD è il costo più elevato: l’area della cella è sostanzialmente raddoppiata e sono necessarie elettroniche di controllo più complesse.,
Intensified Charge-Coupled deviceEdit
Un Intensified Charge-Coupled device (ICd) è un CCD che è otticamente collegato ad un intensificatore di immagine che è montato davanti al CCD.
Un intensificatore di immagine include tre elementi funzionali: un fotocatodo, una piastra micro-channel (MCP) e uno schermo al fosforo. Questi tre elementi sono montati uno vicino dietro l’altro nella sequenza menzionata. I fotoni che provengono dalla sorgente luminosa cadono sul fotocatodo, generando così fotoelettroni., I fotoelettroni sono accelerati verso l’MCP da una tensione di controllo elettrica, applicata tra fotocatodo e MCP. Gli elettroni vengono moltiplicati all’interno del MCP e successivamente accelerati verso lo schermo del fosforo. Lo schermo del fosforo infine converte gli elettroni moltiplicati di nuovo ai fotoni che sono guidati al CCD da una fibra ottica o da una lente.
Un intensificatore di immagine include intrinsecamente una funzionalità di scatto: se la tensione di controllo tra il fotocatodo e l’MCP è invertita, i fotoelettroni emessi non vengono accelerati verso l’MCP ma ritornano al fotocatodo., Quindi, nessun elettrone viene moltiplicato ed emesso dall’MCP, nessun elettrone va allo schermo del fosforo e nessuna luce viene emessa dall’intensificatore di immagine. In questo caso nessuna luce cade sul CCD, il che significa che l’otturatore è chiuso. Il processo di inversione della tensione di controllo al fotocatodo è chiamato gating e quindi ICds sono anche chiamati telecamere CCD gateable.
Oltre alla sensibilità estremamente elevata delle telecamere ICd, che consentono il rilevamento di singoli fotoni, la gateability è uno dei principali vantaggi dell’ICd rispetto alle telecamere EMCCD., Le telecamere highestd più performanti consentono tempi di scatto fino a 200 picosecondi.
Le telecamere ICd hanno in generale un prezzo leggermente superiore rispetto alle telecamere EMCCD perché hanno bisogno del costoso intensificatore di immagine. D’altra parte, le telecamere EMCCD hanno bisogno di un sistema di raffreddamento per raffreddare il chip EMCCD a temperature intorno a 170 K (-103 °C). Questo sistema di raffreddamento aggiunge costi aggiuntivi alla telecamera EMCCD e spesso causa gravi problemi di condensazione nell’applicazione.
ICds sono utilizzati in dispositivi di visione notturna e in varie applicazioni scientifiche.,
Ccdedit moltiplicatore di elettroni
Gli elettroni vengono trasferiti in serie attraverso gli stadi di guadagno che costituiscono il registro di moltiplicazione di un EMCCD. Le alte tensioni utilizzate in questi trasferimenti seriali inducono la creazione di vettori di carica aggiuntivi attraverso la ionizzazione da impatto.
in un EMCCD c’è una dispersione (variazione) nel numero di elettroni in uscita dal registro di moltiplicazione per un dato numero (fisso) di elettroni in ingresso (mostrato nella legenda a destra)., La distribuzione di probabilità per il numero di elettroni di uscita è tracciata logaritmicamente sull’asse verticale per una simulazione di un registro di moltiplicazione. Sono mostrati anche i risultati dell’equazione empirica di adattamento mostrata in questa pagina.
Un CCD moltiplicatore di elettroni (EMCCD, noto anche come CCD L3Vision, un prodotto commercializzato da e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un prodotto ora fuori produzione offerto in passato da Texas Instruments) è un dispositivo accoppiato a carica in cui un registro di guadagno è posto tra il registro di spostamento e l’amplificatore di uscita., Il registro di guadagno è suddiviso in un gran numero di fasi. In ogni fase, gli elettroni vengono moltiplicati per ionizzazione da impatto in modo simile a un diodo a valanga. Il guadagno di probabilità in ogni fase del registro è di piccole dimensioni (P < 2%), ma il numero di elementi è di grandi dimensioni (N > 500), il guadagno complessivo può essere molto elevato ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), con ingresso singolo elettroni dando molte migliaia di uscita elettroni. La lettura di un segnale da un CCD dà un rumore di fondo, in genere pochi elettroni., In un EMCCD, questo rumore è sovrapposto a molte migliaia di elettroni piuttosto che a un singolo elettrone; il vantaggio principale dei dispositivi è quindi il loro rumore di lettura trascurabile. L’uso di avalanche breakdown per l’amplificazione di cariche fotografiche era già stato descritto nel brevetto statunitense 3.761.744 nel 1973 da George E. Smith / Bell Telephone Laboratories.
Gli EMCCD mostrano una sensibilità simile ai CCD intensificati (intensifiedd). Tuttavia, come con ICd, il guadagno che viene applicato nel registro di guadagno è stocastico e il guadagno esatto che è stato applicato alla carica di un pixel è impossibile da sapere., A guadagni elevati (> 30), questa incertezza ha lo stesso effetto sul rapporto segnale-rumore (SNR) che dimezza l’efficienza quantistica (QE) rispetto al funzionamento con un guadagno di unità. Tuttavia, a livelli di luce molto bassi (dove l’efficienza quantistica è più importante), si può presumere che un pixel contenga un elettrone o meno. Ciò rimuove il rumore associato alla moltiplicazione stocastica con il rischio di contare più elettroni nello stesso pixel di un singolo elettrone., Per evitare conteggi multipli in un pixel a causa di fotoni coincidenti in questa modalità di funzionamento, sono essenziali frame rate elevati. La dispersione nel guadagno è mostrata nel grafico a destra. Per i registri di moltiplicazione con molti elementi e grandi guadagni è ben modellato dall’equazione:
dove P è la probabilità di ottenere n elettroni di uscita dati m elettroni di ingresso e un guadagno medio totale del registro di moltiplicazione di g.
A causa dei costi inferiori e della migliore risoluzione, gli EMCCD sono in grado di sostituire, ICd hanno ancora il vantaggio che possono essere gated molto veloce e quindi sono utili in applicazioni come range-gated imaging. Le telecamere EMCCD necessitano in modo indispensabile di un sistema di raffreddamento, con raffreddamento termoelettrico o azoto liquido, per raffreddare il chip a temperature comprese tra -65 e -95 °C (da -85 a -139 °F). Questo sistema di raffreddamento purtroppo aggiunge costi aggiuntivi al sistema di imaging EMCCD e può causare problemi di condensazione nell’applicazione. Tuttavia, le telecamere EMCCD di fascia alta sono dotate di un sistema di vuoto ermetico permanente che limita il chip per evitare problemi di condensa.,
Le capacità di scarsa illuminazione degli EMCCDS trovano impiego nell’astronomia e nella ricerca biomedica, tra gli altri campi. In particolare, la loro bassa rumorosità alle alte velocità di lettura li rende molto utili per una varietà di applicazioni astronomiche che coinvolgono sorgenti di luce scarsa ed eventi transitori come l’imaging fortunato di stelle deboli, la fotometria del conteggio dei fotoni ad alta velocità, la spettroscopia di Fabry-Pérot e la spettroscopia ad alta risoluzione., Più recentemente, questi tipi di CCD sono entrati nel campo della ricerca biomedica in applicazioni di scarsa illuminazione, tra cui imaging di piccoli animali, imaging a singola molecola, spettroscopia Raman, microscopia a super risoluzione e un’ampia varietà di moderne tecniche di microscopia a fluorescenza grazie a una maggiore SNR in condizioni di scarsa illuminazione rispetto ai tradizionali CCD e ICd.
In termini di rumore, le telecamere EMCCD commerciali hanno tipicamente carica indotta da clock (CIC) e corrente scura (dipendente dall’entità del raffreddamento) che insieme portano a un rumore di lettura efficace che va da 0.,01 a 1 elettroni per pixel letto. Tuttavia, i recenti miglioramenti nella tecnologia EMCCD hanno portato a una nuova generazione di telecamere in grado di produrre significativamente meno CIC, maggiore efficienza di trasferimento di carica e un guadagno EM 5 volte superiore a quello precedentemente disponibile. Questi progressi nel rilevamento della scarsa luminosità portano a un rumore di fondo totale effettivo di 0,001 elettroni per pixel letti, un rumore minimo ineguagliato da qualsiasi altro dispositivo di imaging a bassa luminosità.