CCD from a 2.1-megapixel Argus digital camera
eendimensionale CCD image Sensor van een faxapparaat
de CCD-beeldsensoren kunnen in verschillende architecturen worden geïmplementeerd. De meest voorkomende zijn full-frame, frame-transfer, en interline. Het onderscheidende kenmerk van elk van deze architecturen is hun aanpak van het probleem van de bekisting.,
in een full-frame apparaat is het hele afbeeldingsgebied actief en is er geen elektronische sluiter. Een mechanische sluiter moet worden toegevoegd aan dit type sensor of het beeld uitstrijkje als het apparaat wordt geklokt of uitgelezen.
bij een frame-transfer CCD wordt de helft van het siliciumoppervlak bedekt door een ondoorzichtig masker (meestal aluminium). De afbeelding kan snel worden overgebracht van het afbeeldingsgebied naar het ondoorzichtige gebied of opslaggebied met een aanvaardbaar uitstrijkje van een paar procent. Dat beeld kan dan langzaam worden uitgelezen uit het opslaggebied, terwijl een nieuwe afbeelding wordt geïntegreerd of bloot in het actieve gebied., Frame-overdracht apparaten hebben meestal geen mechanische sluiter nodig en waren een gemeenschappelijke architectuur voor vroege solid-state broadcast camera ‘ s. Het nadeel van de frame-transfer architectuur is dat het vereist twee keer de siliconen onroerend goed van een gelijkwaardig full-frame apparaat; vandaar, het kost ongeveer twee keer zo veel.
De interline architectuur breidt dit concept nog een stap verder uit en maskeert elke andere kolom van de beeldsensor voor opslag., In dit apparaat hoeft slechts één Pixelverschuiving te gebeuren om van beeldgebied naar opslaggebied over te brengen; zo kunnen de sluitertijden minder dan een microseconde zijn en wordt het uitstrijkje in wezen geëlimineerd. Het voordeel is echter niet vrij, aangezien het weergavegebied nu door ondoorzichtige stroken wordt behandeld die de vulfactor aan ongeveer 50 percenten en de efficiënte quantumefficiëntie met een gelijkwaardige hoeveelheid laten vallen. Moderne ontwerpen hebben deze schadelijke eigenschap aangepakt door microlenzen toe te voegen op het oppervlak van het apparaat om licht weg te leiden van de ondoorzichtige gebieden en op het actieve gebied., Microlenses kunnen de vulfactor tot 90 procent of meer terugbrengen, afhankelijk van de pixelgrootte en het optische ontwerp van het totale systeem.
de keuze van de architectuur komt neer op één van utility. Als de toepassing een dure, storingsgevoelige, energie-intensieve mechanische sluiter niet kan verdragen, is een interline-apparaat de juiste keuze. Consumenten snap-shot camera ‘ s hebben interline apparaten gebruikt. Aan de andere kant, voor die toepassingen die de best mogelijke lichtinzameling vereisen en kwesties van geld, macht en tijd minder belangrijk zijn, is het full-frame apparaat de juiste keuze., Astronomen hebben de neiging om full-frame apparaten te verkiezen. De frame-overdracht valt tussen en was een gemeenschappelijke keuze voordat de opvulfactor kwestie van interline apparaten werd aangepakt. Tegenwoordig wordt meestal gekozen voor frameoverdracht wanneer een interline-architectuur niet beschikbaar is, zoals in een verlicht apparaat.
CCD ’s met rasters van pixels worden gebruikt in digitale camera’ s, optische scanners en videocamera ‘ s als lichtgevoelige apparaten., Ze reageren vaak op 70 procent van het invallende licht (wat een kwantumefficiëntie van ongeveer 70 procent betekent) waardoor ze veel efficiënter zijn dan fotografische film, die slechts ongeveer 2 procent van het invallende licht opneemt.
De meest voorkomende typen CCD ‘ s zijn gevoelig voor bijna-infrarood licht, dat infraroodfotografie, nachtzichtapparaten en video-opname/fotografie met nul lux (of bijna nul lux) mogelijk maakt. Voor normale detectoren op basis van silicium is de gevoeligheid beperkt tot 1,1 µm., Een ander gevolg van hun gevoeligheid voor infrarood is dat Infrarood van afstandsbedieningen vaak verschijnt op CCD-gebaseerde digitale camera ‘ s of camcorders als ze geen infraroodblokkers hebben.
koeling vermindert de donkere stroom van de array, waardoor de gevoeligheid van de CCD voor lage lichtintensiteit wordt verbeterd, zelfs voor ultraviolet en zichtbare golflengten. Professionele observatoria koelen hun detectoren vaak met vloeibare stikstof om de donkere stroom, en dus het thermische geluid, te verminderen tot verwaarloosbare niveaus.,
Frame transfer Ccdedit
Een frame transfer CCD-sensor
de frame transfer CCD-imager was de eerste beeldvormingsstructuur die Michael Tompsett in Bell Laboratories voorstelde voor CCD-Imaging. Een frame transfer CCD is een gespecialiseerde CCD, vaak gebruikt in de astronomie en sommige professionele videocamera ‘ s, ontworpen voor hoge belichtingsefficiëntie en correctheid.
de normale werking van een CCD, astronomisch of anderszins, kan worden onderverdeeld in twee fasen: belichting en uitlezing., Tijdens de eerste fase, verzamelt CCD passief binnenkomende fotonen, die elektronen in zijn cellen opslaan. Nadat de blootstellingstijd is verstreken, worden de cellen één regel per keer uitgelezen. Tijdens de uitlezingsfase worden de cellen over het gehele gebied van de CCD verschoven. Terwijl ze worden verschoven, blijven ze licht verzamelen. Aldus, als het verschuiven niet snel genoeg is,kunnen fouten het gevolg zijn van licht dat op een cel die last tijdens de overdracht valt. Deze fouten worden aangeduid als “verticale uitstrijkje” en veroorzaken een sterke lichtbron om een verticale lijn boven en onder de exacte locatie te creëren., Bovendien kan de CCD niet worden gebruikt om licht te verzamelen terwijl het wordt uitgelezen. Helaas, een snellere verschuiving vereist een snellere uitlezing, en een snellere uitlezing kan fouten in de cel lading meting, wat leidt tot een hoger ruisniveau.
een frame transfer CCD Lost beide problemen op: het heeft een afgeschermd, niet lichtgevoelig gebied dat evenveel cellen bevat als het gebied dat aan licht wordt blootgesteld. Typisch, dit gebied wordt bedekt door een reflecterend materiaal zoals aluminium. Wanneer de blootstellingstijd voorbij is, worden de cellen zeer snel overgebracht naar het verborgen gebied., Hier, veilig voor elk inkomend licht, kunnen cellen worden uitgelezen bij elke snelheid die men nodig acht om de lading van de cellen correct te meten. Tegelijkertijd verzamelt het blootgestelde deel van de CCD weer licht, zodat er geen vertraging optreedt tussen opeenvolgende belichtingen.
het nadeel van een dergelijke CCD is de hogere kosten: het celoppervlak wordt in principe verdubbeld en er zijn complexere besturingselektronica nodig.,
Intensified charge-coupled deviceEdit
een intensified charge-coupled device (ICCD) is een CCD dat optisch is verbonden met een beeldversterker die vóór de CCD is aangekoppeld.
een beeldversterker bevat drie functionele elementen: een fotokathode, een microkanaalplaat (MCP) en een fosforscherm. Deze drie elementen zijn in de genoemde volgorde vlak achter elkaar gemonteerd. De fotonen die uit de lichtbron komen vallen op de fotokathode, waardoor foto-elektronen ontstaan., De foto-elektronen worden versneld naar de MCP door een elektrische regelspanning, toegepast tussen de fotokathode en MCP. De elektronen worden vermenigvuldigd binnen MCP en daarna versneld naar het fosforscherm. Het fosforscherm zet uiteindelijk de vermenigvuldigd elektronen terug naar fotonen die door een glasvezel of een lens naar de CCD worden geleid.
een beeldversterker bevat inherent een sluiterfunctie: als de regelspanning tussen de fotokathode en de MCP wordt omgekeerd, worden de uitgezonden foto-elektronen niet versneld naar de MCP, maar terugkeren naar de fotokathode., Zo worden er geen elektronen vermenigvuldigd en uitgezonden door de MCP, gaan er geen elektronen naar het fosforscherm en wordt er geen licht uitgezonden door de beeldversterker. In dit geval valt er geen licht op de CCD, wat betekent dat de sluiter gesloten is. Het proces van het omkeren van de regelspanning bij de fotokathode wordt gating genoemd en daarom worden ICCD ’s ook gateable CCD camera’ s genoemd.
naast de extreem hoge gevoeligheid van ICCD-camera ‘s, die enkelvoudige fotondetectie mogelijk maken, is de doorlaatbaarheid een van de belangrijkste voordelen van de ICCD ten opzichte van de EMCCD-camera’ s., De best presterende ICCD-camera ‘ s maken sluitertijden tot 200 picoseconden mogelijk.
ICCD-camera ’s zijn in het algemeen iets duurder dan EMCCD-camera’ s omdat ze de dure beeldversterker nodig hebben. Aan de andere kant hebben EMCCD-camera ‘ s een koelsysteem nodig om de emccd-chip af te koelen tot temperaturen rond de 170 K (-103 °C). Dit koelsysteem brengt extra kosten met zich mee voor de EMCCD-camera en levert vaak grote condensatieproblemen op in de toepassing.
ICCD ‘ s worden gebruikt in nachtzichtapparaten en in diverse wetenschappelijke toepassingen.,
elektronen-vermenigvuldigende CCDEdit
elektronen worden serieel overgedragen via de versterkingsstadia die het vermenigvuldigingsregister van een EMCCD vormen. De hoge spanningen die in deze seriële transfers worden gebruikt, veroorzaken het ontstaan van extra ladingsdragers door impactionisatie.
in een EMCCD is er een dispersie (variatie) in het aantal elektronen dat door het vermenigvuldigingsregister wordt afgegeven voor een bepaald (vast) aantal inputelektronen (weergegeven in de legenda rechts)., De kansverdeling voor het aantal outputelektronen wordt logaritmisch uitgezet op de verticale as voor een simulatie van een vermenigvuldigingsregister. Ook zijn de resultaten van de empirische fit vergelijking weergegeven op deze pagina.
een elektronen vermenigvuldigende CCD (EMCCD, ook bekend als een L3Vision CCD, een product dat op de markt wordt gebracht door e2v Ltd., GB, L3ccd of Impactron CCD, een nu niet meer leverbaar product in het verleden door Texas Instruments) is een charge-coupled apparaat waarin een gain register wordt geplaatst tussen de shift register en de uitgang versterker., De winst register is opgesplitst in een groot aantal fasen. In elk stadium worden de elektronen vermenigvuldigd met inslagionisatie op een vergelijkbare manier als een lawinediode. De winstwaarschijnlijkheid in elke fase van het register is klein (P < 2%), maar omdat het aantal elementen groot is (N > 500), kan de totale winst zeer hoog zijn ( g = ( 1 + P ) n {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), waarbij enkele ingangselektronen vele duizenden outputelektronen opleveren. Het lezen van een signaal van een CCD geeft een ruis achtergrond, meestal een paar elektronen., In een EMCCD wordt dit geluid op vele duizenden elektronen geplaatst in plaats van op een enkel elektron; het primaire voordeel van de apparaten is dus hun verwaarloosbare leesruis. Het gebruik van lawineafbraak voor de versterking van fotoladingen was al beschreven in het Amerikaanse Patent 3761.744 in 1973 door George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.
Emccd ’s vertonen een vergelijkbare gevoeligheid voor geïntensiveerde CCD’ s (ICCD ‘ s). Echter, zoals bij ICCD ‘ s, de winst die wordt toegepast in het gain register is stochastisch en de exacte winst die is toegepast op de lading van een pixel is onmogelijk om te weten., Bij hoge winsten (> 30) heeft deze onzekerheid hetzelfde effect op de signaal-ruisverhouding (SNR) als het halveren van de kwantumefficiëntie (QE) ten opzichte van de werking met een winst van eenheid. Echter, bij zeer lage lichtniveaus (waar de kwantumefficiëntie het belangrijkst is), kan worden aangenomen dat een pixel ofwel een elektron bevat—of niet. Dit verwijdert de ruis geassocieerd met de stochastische vermenigvuldiging met het risico van het tellen van meerdere elektronen in dezelfde pixel als een enkel elektron., Om meerdere tellingen in één pixel als gevolg van samenvallende fotonen in deze modus te voorkomen, zijn hoge framesnelheden essentieel. De spreiding in de winst wordt weergegeven in de grafiek aan de rechterkant. Voor vermenigvuldigingsregisters met veel elementen en grote winsten wordt het goed gemodelleerd met de vergelijking:
waarbij P de waarschijnlijkheid is van het krijgen van n-outputelektronen gegeven m – ingangselektronen en een totale gemiddelde winst van het vermenigvuldigingsregister van g.
vanwege de lagere kosten en een betere resolutie kunnen Emccd ’s in veel toepassingen ICCD’ s vervangen., ICCD ‘ s hebben nog steeds het voordeel dat ze zeer snel kunnen worden gated en zo nuttig zijn in toepassingen zoals range-gated weergave. EMCCD-camera ‘ s hebben absoluut een koelsysteem nodig—met behulp van thermo—elektrische koeling of vloeibare stikstof-om de chip te koelen tot temperaturen in het bereik van -65 tot -95 °C (-85 tot -139 °F). Dit koelsysteem voegt helaas extra kosten toe aan het emccd beeldvormingssysteem en kan condensatieproblemen veroorzaken in de toepassing. High-end EMCCD-camera ‘ s zijn echter uitgerust met een permanent hermetisch vacuümsysteem dat de chip beperkt om condensatieproblemen te voorkomen.,
De mogelijkheden van Emccd ‘ s bij weinig licht worden onder andere gebruikt in astronomie en biomedisch onderzoek. In het bijzonder, hun lage ruis bij hoge uitlezingssnelheden maakt ze zeer nuttig voor een verscheidenheid van astronomische toepassingen waarbij lage lichtbronnen en voorbijgaande gebeurtenissen zoals gelukkige weergave van zwakke sterren, hoge snelheid foton tellen fotometrie, Fabry-Pérot spectroscopie en hoge-resolutie spectroscopie., Meer recent, hebben deze types van CCD ’s in het gebied van biomedisch onderzoek in low-light toepassingen met inbegrip van kleine dierlijke weergave, enig-moleculeweergave, Raman spectroscopie, super resolutiemicroscopie evenals een grote verscheidenheid van moderne technieken van de fluorescentiemicroscopie dankzij grotere SNR in low-light voorwaarden in vergelijking met traditionele CCD ’s en ICCD’ s gebroken.
wat ruis betreft, hebben commerciële EMCCD-camera ‘ s doorgaans een klok-geïnduceerde lading (CIC) en donkere stroom (afhankelijk van de mate van koeling) die samen leiden tot een effectief uitleesgeluid variërend van 0.,01 tot 1 elektronen per pixel gelezen. Recente verbeteringen in de EMCCD-technologie hebben echter geleid tot een nieuwe generatie camera ‘ s die beduidend minder CIC, hogere ladingoverdrachtsefficiëntie en een EM-winst 5 keer hoger kunnen produceren dan wat voorheen beschikbaar was. Deze vooruitgang in low-light detectie leidt tot een effectieve totale achtergrond ruis van 0,001 elektronen per pixel gelezen, een ruisbodem ongeëvenaard door een ander low-light imaging apparaat.