Charge-coupled device (Norsk)

CCD bildesensorer kan implementeres på flere ulike arkitekturer. De mest vanlige er full-frame, ramme-overføring, og interline. Det skille som er karakteristiske for hver av disse arkitekturer er deres tilnærming til problemet med forskaling.,

I en full-frame-enheten, alle bilde-området er aktiv, og det er ingen elektronisk lukker. En mekanisk lukker må legges til denne type sensor eller bildet flyter ut som enheten er klokket eller lese ut.

Med en ramme-transfer CCD, halvparten av silisium området er dekket av et ugjennomsiktig maske (vanligvis aluminium). Bildet kan raskt overføres fra bilde-området ugjennomsiktige område eller lagring område med akseptabel smøre på et par prosent. At bildet kan deretter leses sakte ut fra lagring regionen, mens et nytt bilde som er å integrere eller å utsette i det aktive området., Ramme-overføring enheter som vanligvis ikke krever en mekanisk lukker og var en felles arkitektur for tidlig solid-state-broadcast-kameraer. Ulempen til ramme-overføring arkitektur er at det krever to ganger silicon eiendomsmegling av en tilsvarende full-frame-enheten; derav, det koster omtrent dobbelt så mye.

interline arkitektur strekker seg dette konseptet ett skritt videre og masker annenhver kolonne av bildesensor for lagring., I denne enheten, bare en pixel shift har å oppstå til å overføre bilde fra område til område for lagring, og dermed lukker tider kan være mindre enn et mikrosekund, og smøre er i hovedsak eliminert. Fordelen er ikke gratis, men som imaging-området er nå dekket av et ugjennomsiktig strimler slippe fylle faktor til ca 50 prosent og effektiv quantum effektiviteten med et tilsvarende beløp. Moderne design, har tatt opp denne skadelige karakteristiske ved å legge til microlenses på overflaten av enheten for direkte lys bort fra den ugjennomsiktige regioner og på den aktive delen., Microlenses kan bringe fylle faktor tilbake opp til 90 prosent eller mer, avhengig pixel størrelse og det totale systemet er optisk design.

valg av arkitektur kommer ned til en av verktøyet. Hvis programmet ikke kan tolerere en kostbar, feil-utsatt, kraftintensiv mekanisk lukker, en interline-enheten er riktige valget. Forbruker-snap-shot-kameraer har brukt interline-enheter. På den annen side, for de programmer som krever best mulig lys samling og spørsmål om penger, makt og tid er mindre viktig, full-frame-enheten er riktige valget., Astronomer har en tendens til å foretrekke full-frame-enheter. Rammen-overføring faller i mellom og ble et vanlig valg før de fyller-faktor utgave av interline-enheter ble tatt opp. I dag, ramme-overføring er vanligvis valgt når en interline arkitektur er ikke tilgjengelig, for eksempel i en back-belyste enheten.

CCDs inneholder nett av punkter er brukt i digitale kameraer, optisk skannere og videokameraer som lett-sensing enheter., De ofte svarer 70 prosent av hendelsen lys (noe som betyr en quantum effektivitet av om lag 70 prosent), noe som gjør dem langt mer effektiv enn fotografisk film, som fanger bare ca 2 prosent av hendelsen lys.

de Fleste vanlige typer CCDs er følsomme for nær-infrarødt lys, som gjør infrarød fotografering, night-vision-enheter, og null lux (eller nær null lux) video-opptak/fotografering. For normal silisium-basert detektorer, følsomheten er begrenset til 1.1 µm., En annen konsekvens av deres følsomhet for infrarød er at infrarød fra fjernkontroller ofte vises på CCD-baserte digitale kameraer eller kameraer hvis de ikke har infrarød blockers.

Avkjøling reduserer matrisen er mørkt gjeldende, forbedre følsomheten i CCD lite lys intensitet, selv for ultrafiolette og synlige bølgelengder. Profesjonell jorden ofte kule deres detektorer med flytende nitrogen for å redusere mørke gjeldende, og derfor termisk støy, til ubetydelig nivå.,

– Ramme overføre CCDEdit

rammen transfer CCD overvåkingskameraer var den første imaging strukturen som er foreslått for CCD Avbildning av Michael Tompsett ved Bell Laboratories. En ramme transfer CCD er en spesialisert CCD, ofte brukt i astronomi og noen profesjonell video kameraer, som er utformet for høy eksponering effektivitet og nøyaktighet.

normal funksjon av en CCD, astronomiske eller på annen måte, kan deles inn i to faser: eksponering og avlesning., Under den første fasen, CCD passivt samler innkommende fotoner, lagring elektroner i sine celler. Etter at eksponeringstiden er bestått, blir cellene blir lest opp en linje av gangen. Under avlesing fase, celler er flyttet ned hele området av CCD. Mens de er flyttet, fortsetter de å samle lys. Dermed, hvis den skiftende er ikke rask nok, og feil kan oppstå på grunn av lys som faller inn på en celle som holder kostnad under overføringen. Disse feilene er referert til som «vertikal smøre» og føre til en sterk lyskilde, for å lage en vertikal linje over og under den nøyaktige plasseringen., I tillegg CCD kan ikke brukes til å samle lys mens den blir lest opp. Dessverre, en raskere skiftende krever en raskere avlesing, og en raskere avlesing kan introdusere feil i cellen lade måling, noe som fører til et høyere støynivå.

En ramme transfer CCD løser begge problemene: det har en skjermet, ikke lysfølsomme, området som inneholder så mange celler som området utsettes for lys. Vanligvis, dette området er dekket av en reflekterende materiale som aluminium. Når eksponeringen tiden er opp, celler er overført svært raskt til det skjulte området., Her, trygt fra en innkommende lyset, celler kan leses ut i en hastighet man mener er nødvendig for å riktig måle celler’ befaling. På samme tid, den synlige delen av CCD-er å samle lyset igjen, så ingen forsinkelse oppstår mellom påfølgende eksponeringer.

ulempen med en slik en CCD er høyere kostnad: celle-området er i utgangspunktet doblet, og mer komplekse elektronikk er nødvendig.,

Intensivert charge-coupled deviceEdit

En intensivert charge-coupled device (ICCD) er en CCD-som er optisk koblet til et bilde intensifier som er montert i front av CCD.

Et bilde intensifier har tre funksjonelle elementer: en photocathode, et mikro-kanal plate (MCP) og fosfor skjermen. Disse tre elementene er montert en tett bak hverandre i nevnt rekkefølge. Fotoner som kommer fra lyskilden falle ned på photocathode, og dermed generere photoelectrons., Den photoelectrons akselereres mot MCP av en elektrisk kontroll spenning, brukes mellom photocathode og MCP. Elektroner er multiplisert innsiden av MCP og deretter akselereres mot fosfor skjermen. Fosfor skjermen til slutt konverterer multiplisert elektroner tilbake til fotoner som blir veiledet til å CCD av en fiberoptisk eller en linse.

Et bilde intensifier iboende inkluderer en lukker funksjonalitet: Hvis kontrollen spenning mellom photocathode og MCP er reversert, som slippes ut photoelectrons er ikke akselerert mot MCP, men tilbake til photocathode., Dermed, ingen elektroner er mangedoblet og slippes ut av MCP, ingen elektroner kommer til å fosfor skjermen og lyset slippes ut fra bildet intensifier. I dette tilfellet ingen lyset faller på CCD-en, noe som betyr at lukkeren er lukket. Prosessen med å snu den styrespenning på photocathode kalles avgrensning og derfor ICCDs er også kalt gateable CCD-kameraer.

i Tillegg til de ekstremt høy følsomhet av ICCD kameraer, som gjør det enkelt foton deteksjon, den gateability er en av de store fordelene av ICCD over EMCCD kameraer., Den høyeste utøvende ICCD kameraer aktiverer lukkeren ganger så lite som 200 picoseconds.

ICCD kameraer er generelt noe høyere i pris enn EMCCD kameraer fordi de trenger dyre bilde intensifier. På den annen side, EMCCD kameraer må en kjølesystemet for å kjøle EMCCD chip ned til temperaturer på rundt 170 K (-103 °C). Dette cooling system legger til ekstra kostnader til EMCCD kameraet og gir ofte tunge kondens problemer i programmet.

ICCDs er brukt i nattsyn-utstyr og i ulike vitenskapelige programmer.,

Elektron-å multiplisere CCDEdit

Et elektron-å multiplisere CCD (EMCCD, også kjent som en L3Vision CCD, et produkt kommersialisert av e2v Ltd., GB, L3CCD eller Impactron CCD, en nå nedlagt produkt som tilbys i de siste av Texas Instruments) er en charge-coupled device som en gevinst registeret er plassert mellom skift-register og output-forsterker., De få register er delt opp i et stort antall av nivåer. I hver fase er elektroner multiplisert med innvirkning ionisering på en lignende måte til et skred diode. Gevinst sannsynlighet på hvert trinn av registeret er liten (P < 2%), men antallet elementer er stort (N > 500), den samlede gevinst kan være svært høy ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), med enkel inngang elektroner gir mange tusen utgang elektroner. Å lese et signal fra en CCD gir en lyd bakgrunn, vanligvis et par elektroner., I en EMCCD, denne støyen er lagt på mange tusenvis av elektroner snarere enn en enkelt elektron; enhetenes primære fordelen er dermed sin ubetydelig avlesing støy. Bruk av skred sammenbrudd for forsterkning av foto-avgifter som allerede hadde blitt beskrevet i US Patent 3,761,744 i 1973 av George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

EMCCDs viser en lignende følsomhet for intensivert CCDs (ICCDs). Men, som med ICCDs, de få som er brukt i gevinst-registeret er stokastisk, og den eksakte få som har blitt brukt til en pixel ladning er umulig å vite., Ved høye gevinster (> 30), denne usikkerheten har samme effekt på signal-til-støy-forhold (SNR) som halvering av quantum effektivitet (QE) med hensyn til drift med en gevinst på unity. Men i svært dårlig lys nivåer (der quantum effektivitet er mest viktig), kan det antas at en piksel enten inneholder et elektron—eller ikke. Dette fjerner støy forbundet med den stokastiske spredning i fare for å telle flere elektroner i samme pixel som et enkelt elektron., For å unngå flere teller i en piksel på grunn av sammenfallende fotoner i denne modus av drift, høy bildefrekvens er avgjørende. Spredning i gevinsten er vist i grafen til høyre. For multiplikasjon registrerer med mange elementer og store gevinster det er godt modellert ved ligningen:

der P er sannsynligheten for å få n-utgang elektroner gitt m inngang elektroner og totalt mener multiplikasjon registrere gevinst på g.

på Grunn av lavere kostnader og bedre oppløsning, EMCCDs er i stand til å erstatte ICCDs i mange applikasjoner., ICCDs fortsatt har den fordelen at de kan være inngjerdet veldig fort og er derfor nyttig i programmer som utvalget-gating bildebehandling. EMCCD kameraer indispensably trenger et kjølesystem—enten ved hjelp av termoelektrisk kjøling eller flytende nitrogen—for å avkjøle chip ned til temperaturer i området -65 å -95 °C (-85 å -139 °F). Dette cooling system dessverre legger til ekstra kostnader til EMCCD imaging system, og kan gi kondens problemer i programmet. Imidlertid, high-end EMCCD kameraer er utstyrt med en permanent hermetiske vakuum system kapitler chip for å unngå kondens problemer.,

lav-lys evner av EMCCDs finne bruk i astronomi og biomedisinsk forskning, blant andre felt. Spesielt lav støy ved høy avlesing hastigheter gjør dem veldig nyttig for en rekke astronomiske programmer som involverer lave lyskilder og forbigående hendelser som lucky imaging av svake stjerner, høy hastighet foton telle photometry, Fabry-Pérot spektroskopi og høy oppløsning spektroskopi., Mer nylig, disse typer CCDs har brutt seg inn i feltet av biomedisinsk forskning i lav-lys-programmer, inkludert små dyr bildebehandling, single-molekyl, bildebehandling, Raman-spektroskopi, super resolution-mikroskopi, så vel som et bredt utvalg av moderne fluorescens mikroskopi teknikker takk til større SNR i forhold med lite lys i sammenligning med tradisjonelle CCDs og ICCDs.

I form av støy, kommersielle EMCCD kameraer vanligvis har klokke-indusert kostnad (CIC) og mørke gjeldende (avhengig av grad av kjøling) som sammen fører til en effektiv avlesing støy alt fra 0.,01 til 1 elektroner per piksel lese. Imidlertid, de siste forbedringer i EMCCD teknologi har ført til en ny generasjon av kameraer i stand til å produsere betydelig mindre CIC, høyere kostnad overføring effektivitet og en EM-få 5 ganger høyere enn hva som tidligere var tilgjengelig. Disse fremskritt i low-light detection føre til en effektiv total bakgrunnsstøy av 0.001 elektroner per piksel lese, støy, gulv uovertruffen av noen andre lav-lys imaging enheten.