電荷結合デバイス

CCDイメージセンサ複数の異なるアーキテクチャで実装できます。 最も一般的なものは、フルフレーム、フレーム転送、およびインターラインです。 これらのアーキテクチャのそれぞれの特徴は、シャッタリングの問題へのアプローチです。,

フルフレームデバイスでは、すべての画像領域がアクティブであり、電子シャッターはありません。 このタイプのセンサーには、デバイスがクロックまたは読み出されるときに、機械的なシャッターを追加する必要があります。

フレーム転写CCDでは、シリコン領域の半分が不透明マスク（典型的にはアルミニウム）によって覆われている。 イメージは数パーセントの受諾可能な汚れのイメージ区域から不透明区域または記憶領域にすぐに移すことができる。 その後、新しい画像がアクティブ領域に統合または露出している間に、その画像を記憶領域からゆっくりと読み出すことができる。, フレーム転送装置は通常、機械的なシャッターを必要とせず、初期のソリッドステート放送カメラの一般的なアーキテクチャでした。 フレーム転送アーキテクチャの欠点は、同等のフルフレームデバイスのシリコン不動産の倍を必要とすることです。

interline建築延このコンセプトの世界へタイムスリップマスクの各カラムのイメージセンサーのために保管します。, このデバイスでは、画像領域から記憶領域に転送するために一つのピクセルシフトしか発生しなければならないので、シャッター時間はマイクロ秒未満 しかし、イメージング領域が不透明なストリップで覆われているため、充填率が約50パーセントに低下し、有効量子効率が同等に低下するため、利点は自由ではありません。 モダンなデザインでは、この有害な特性に対処するために、デバイスの表面にマイクロレンズを追加して、不透明な領域および活性領域から光を向けるようにしています。, マイクロレンズは、ピクセルサイズとシステム全体の光学設計に応じて、充填率を最大90パーセントまたはそれ以上に戻すことができます。

アーキテクチャの選択は、ユーティリティのいずれかに帰着します。 がある場合、アプリケーションは許容できない高価なの失敗がおきやすい、電力-集中的な機械式シャッター、interlineデバイスの選択です。 消費者スナップショットカメラには使用interlineます。 一方では、最良の軽いコレクションおよびお金の問題を要求するそれらの適用のために、力および時間はより少なく重要、全フレーム装置である右の, 天文学者はフルフレームデバイスを好む傾向があります。 フレーム転送はその間にあり、インターラインデバイスのフィルファクターの問題が解決される前に一般的な選択でした。 現在、フレーム転送は通常、選択した場合interline建築がないなどのバックナンバー-光装置です。

画素のグリッドを含むCcdは、光検出装置としてデジタルカメラ、光スキャナ、およびビデオカメラで使用されています。, それらは一般に入射光の70パーセント（約70パーセントの量子効率を意味する）に応答し、入射光の約2パーセントしか捕捉しない写真フィルムよりもはるかに効率的である。

Ccdのほとんどの一般的なタイプは、赤外線写真、ナイトビジョンデバイス、およびゼロルクス（またはゼロルクスに近い）ビデオ録画/写真を可能にする近赤 通常のシリコンベースの検出器では、感度は1.1μmに制限されています。, 赤外線に対する感度のもう一つの結果は、赤外線ブロッカーがない場合、CCDベースのデジタルカメラまたはビデオカメラにリモコンからの赤外線がしばしば現れることである。

冷却は紫外線および目に見える波長のための微光の強度にCCDの感受性を、改善する配列の暗電流を減らします。 プロの天文台は、暗電流、したがって熱ノイズを無視できるレベルに減らすために、液体窒素で検出器を冷却することがよくあります。,

Frame transfer CCDEdit

フレーム転送CCDイメージャは、Bell LaboratoriesのMichael TompsettによってCCDイメージングのために提案された最初のイメージング構造 フレーム移動CCDは高い露出の効率および正しさのために設計されている天文学およびある専門のビデオ-カメラで頻繁に使用される専門にされた

CCDの正常な機能は、天文学的またはそうでなければ、露光と読み出しの二つの段階に分けることができます。, 第一段階の間、CCDは入ってくる光子を受動的に収集し、その細胞に電子を貯蔵する。 露光時間が経過した後、セルは一度に一行ずつ読み出される。 読み出し段階の間に、細胞はCCDの全体の区域の下で移る。 彼らがシフトしている間、彼らは光を集め続けます。 したがって、シフトが十分に速くない場合、エラーは、転送中にセル保持電荷に落ちる光に起因する可能性があります。 これらの誤差は”垂直塗抹”と呼ばれ、強い光源がその正確な位置の上下に垂直線を作り出す原因となります。, さらに、CCDは読み出されている間ライトを集めるのに使用することができません。 残念ながら、より速いシフトはより速い読み出しを必要とし、より速い読み出しはセル電荷測定に誤差をもたらし、より高いノイズレベルにつなが

フレーム移動CCDは両方の問題を解決する:それにライトに露出される区域と同様に多くの細胞を含んでいる保護された、感光型ではない区域がある。 典型的には、この領域はアルミニウムのような反射材料によって覆われる。 露光時間が上がるとき、細胞は隠れた区域に非常に急速に移ります。, ここでは、入ってくる光から安全に、セルの電荷を正しく測定するために必要と考える任意の速度でセルを読み出すことができます。 同時に、CCDの露光部分は再び光を集めているので、連続露光の間に遅延は生じない。

このようなCCDの欠点は、より高いコストである：セル面積は基本的に倍増し、より複雑な制御電子機器が必要である。,

強化電荷結合デバイスeedit

強化電荷結合デバイス（ICCD）は、CCDの前に搭載されたイメージインテンシファイアに光学的に接続されたCCDである。

イメージインテンシファイアは、光電極、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）および蛍光体スクリーンの三つの機能要素を含む。 これらの三つの要素は、上記の順序で他方の近くに取り付けられています。 光源から来ている光子は、それによって光電子を生成し、光電陰極上に落下します。, 光電子は光陰極とＭＣＰの間に印加される電気的制御電圧によってＭＣＰに向かって加速される。 電子はMCPの中で増加し、その後蛍光体スクリーンの方に加速されます。 蛍光体スクリーンは最終的に繊維光学かレンズによってCCDに導かれる光子に戻って増加した電子を変えます。

イメージインテンシファイアには、本質的にシャッタ機能が含まれています：光陰極とMCPとの間の制御電圧が逆になると、放出された光電子はMCPに向かって加速されるのではなく、光陰極に戻ります。, したがって、MCPによって電子が乗算されて放出されることはなく、電子は蛍光体スクリーンに向かっておらず、イメージインテンシファイアから光が放出 この場合、CCDには光が当たらないため、シャッターが閉じられていることを意味します。 光電陰極で制御電圧を反転させるプロセスはゲーティングと呼ばれ、したがってIccdはゲーティング可能CCDカメラとも呼ばれます。

単一光子検出を可能にするICCDカメラの極めて高い感度に加えて、ゲートアビリティはEMCCDカメラに対するICCDの主要な利点の一つである。, 最高のパフォーマンスのICCDカメラは、200ピコ秒の短いシャッター時間を可能にします。

ICCDカメラは、高価なイメージインテンシファイアを必要とするため、一般的にEMCCDカメラよりも価格がやや高くなります。 一方、EMCCDカメラには、EMCCDチップを約170K（-103°C）の温度まで冷却するための冷却システムが必要です。 この冷却装置はEMCCDのカメラに追加料金を加え、頻繁に適用の重い凝縮問題をもたらす。

Iccdは、暗視装置および様々な科学的応用に使用される。,

電子乗算CCDEdit

電子乗算CCD（EMCCD、l3vision CCDとしても知られており、e2v社が商品化した製品です。 GB、L3CCDまたはImpactron CCD、テキサス-インスツルメンツによって過去に提供された現在中止された製品）は、シフトレジスタと出力アンプの間にゲイン-レジスタが配置された電荷結合デバイスである。, ゲイン-レジスタは多数のステージに分割されます。 各段階では、電子はアバランシェダイオードと同様の方法で衝撃イオン化によって乗算されます。 レジスタの各段階における利得確率は小さい（P<2%）が、要素数が多い（N>500）ので、全体の利得率は非常に高く（g=(1+P)N{\displaystyle g=(1+P)^{N}}）、単一の入力電子が数千の出力電子を与えることができる。 CCDからの信号を読み取ると、ノイズの背景、典型的には少数の電子が得られます。, EMCCDでは、このノイズは単一の電子ではなく数千の電子に重ね合わされます。 写真電荷の増幅のための雪崩壊の使用は、George E.Smith/Bell Telephone Laboratoriesによって米国特許3,761,744で1973年にすでに記載されていました。Ｅｍｃｃｄは、強化型Ｃｃｄ（Ｉｃｃｄ）と同様の感度を示す。 ただし、Iccdと同様に、ゲイン-レジスタに適用されるゲインは確率的であり、ピクセルの電荷に適用された正確なゲインを知ることは不可能です。, 高いゲイン（>30）では、この不確実性は信号対雑音比（SNR）に対して、ユニティゲインの動作に関する量子効率（QE）を半減させるのと同じ効果 しかしながら、非常に低い光レベル（量子効率が最も重要である）では、画素が電子を含むか否かのいずれかであると仮定することができる。 これにより、同じピクセル内の複数の電子を単一の電子としてカウントする危険性がある確率的乗算に関連するノイズが除去されます。, この動作モードでは、光子が一致するために一つのピクセルで複数のカウントを避けるために、高いフレームレートが不可欠です。 ゲインの分散は、右のグラフに示されています。 多くの要素と大きなゲインを持つ乗算レジスタについては、

ここで、Pはm個の入力電子とgの総平均乗算レジスタゲインが与えられたn個の出力電子を得る確率である。

低コストとより良い分解能のため、EMCCDsは多くのアプリケーションでIccdを置き換えることができる。, Iccdにまだ非常に速くゲートで制御することができ、こうして範囲ゲートで制御されたイメージ投射のような適用に有用であるという利点がある。 EMCCDカメラでは、チップを-65～-95°C(-85～-139°F)の範囲の温度に冷却するために、熱電冷却または液体窒素を使用する冷却システムが不可欠です。 この冷却装置はEMCCDイメージ投射システムに不運にも付加的な費用を加え、適用の凝縮問題をもたらすかもしれない。 しかし、ハイエンドのEMCCDカメラには、凝縮問題を避けるためにチップを閉じ込める永久密閉真空システムが装備されています。,

EMCCDsの低照度機能は、他の分野の中でも天文学や生物医学研究に使用されています。 特に、高読み出し速度でのノイズが低いため、微光源や淡い星のラッキーイメージング、高速光子カウント測光、ファブリー-ペロット分光法、high解能分光法などの過渡現象を含む様々な天文学的応用に非常に有用である。, 最近では、これらのタイプのCcdは、小動物イメージング、単一分子イメージング、ラマン分光法、超解像顕微鏡、および従来のCcdおよびIccdと比較して低光条件下でのSNRが大きくなるため、幅広い最新の蛍光顕微鏡技術を含む低光アプリケーションにおける生物医学研究の分野に参入しています。

ノイズに関しては、市販のEMCCDカメラは通常、クロック誘起電荷（CIC）と暗電流（冷却の程度に依存）を持ち、0からの有効読み出しノイズにつながります。,01ピクセルあたり1電子を読み取ります。 しかし、最近のEMCCD技術の改善により、cicが大幅に少なく、電荷移動効率が高く、EMゲインが以前に入手可能だったものよりも5倍高くなる新世代のカメラが生まれました。 低光検出のこれらの進歩は、読み取られたピクセルあたり0.001電子の有効な総バックグラウンドノイズをもたらし、他の低光撮像装置にはないノイズフロアである。