One-dimensional CCD image sensor from a fax machine
Sensory obrazu CCD mogą być zaimplementowane w kilku różnych architekturach. Najczęściej są to full-frame, frame-transfer i interline. Cechą wyróżniającą każdą z tych Architektur jest ich podejście do problemu szalunków.,
w urządzeniu pełnoklatkowym cały obszar obrazu jest aktywny i nie ma elektronicznej migawki. Do tego typu czujnika należy dodać mechaniczną migawkę lub obraz rozmazuje się podczas taktowania lub odczytu urządzenia.
w przypadku przetwornika CCD z transferem RAM połowa powierzchni krzemu jest pokryta nieprzezroczystą maską (zazwyczaj aluminiową). Obraz można szybko przenieść z obszaru obrazu do nieprzezroczystego obszaru lub obszaru przechowywania z dopuszczalnym rozmazem wynoszącym kilka procent. Obraz ten można następnie powoli odczytywać z obszaru pamięci masowej, podczas gdy nowy obraz jest integrowany lub eksponowany w obszarze aktywnym., Urządzenia do transferu ramek zazwyczaj nie wymagają mechanicznej migawki i były wspólną architekturą dla wczesnych kamer półprzewodnikowych. Wadą architektury transferu klatek jest to, że wymaga ona dwukrotnie większej ilości krzemu niż równoważne urządzenie pełnoklatkowe; stąd kosztuje mniej więcej dwa razy więcej.
Architektura interline rozszerza tę koncepcję o krok dalej i maskuje każdą inną kolumnę czujnika obrazu do przechowywania., W tym urządzeniu tylko jedno przesunięcie piksela musi wystąpić, aby przenieść obraz z obszaru do obszaru pamięci; w ten sposób Czas migawki może być krótszy niż mikrosekunda i rozmaz jest zasadniczo wyeliminowany. Zaleta nie jest jednak swobodna, ponieważ obszar obrazowania jest teraz pokryty nieprzezroczystymi paskami, obniżając współczynnik wypełnienia do około 50 procent, a efektywną wydajność kwantową o równoważną kwotę. Nowoczesne projekty rozwiązały tę szkodliwą charakterystykę, dodając mikroelementy na powierzchni urządzenia, aby skierować światło z dala od nieprzezroczystych obszarów i obszaru aktywnego., Mikrolensy mogą przywrócić współczynnik wypełnienia do 90 procent lub więcej, w zależności od rozmiaru piksela i ogólnej konstrukcji optycznej systemu.
wybór architektury sprowadza się do jednego z użytkowych. Jeśli aplikacja nie toleruje kosztownej, podatnej na awarie i wymagającej dużej mocy mechanicznej migawki, urządzenie interline jest właściwym wyborem. Konsumenckie Aparaty snap – shot wykorzystywały urządzenia interline. Z drugiej strony, dla tych aplikacji, które wymagają najlepszego możliwego zbierania światła, a kwestie pieniędzy, mocy i czasu są mniej ważne, urządzenie pełnoklatkowe jest właściwym wyborem., Astronomowie preferują urządzenia pełnoklatkowe. Ramka transfer spada pomiędzy i był częstym wyborem przed problemem fill-factor urządzeń interline został rozwiązany. Obecnie transfer klatek jest zwykle wybierany, gdy architektura interline nie jest dostępna, na przykład w urządzeniu podświetlonym.
CCD zawierające siatki pikseli są stosowane w aparatach cyfrowych, skanerach optycznych i kamerach wideo jako urządzenia wykrywające światło., Zwykle reagują na 70 procent padającego światła (co oznacza wydajność kwantową około 70 procent), dzięki czemu są znacznie bardziej wydajne niż film fotograficzny, który przechwytuje tylko około 2 procent padającego światła.
najczęściej spotykane typy dysków CCD są wrażliwe na światło bliskiej podczerwieni, co pozwala na fotografowanie w podczerwieni, noktowizory i nagrywanie wideo / fotografowanie z zerowym Luksem (lub bliskim zerem lux). W przypadku zwykłych detektorów na bazie krzemu czułość jest ograniczona do 1,1 µm., Inną konsekwencją ich wrażliwości na PODCZERWIEŃ jest to, że podczerwień z pilotów zdalnego sterowania często pojawia się na aparatach cyfrowych opartych na CCD lub kamkorderach, jeśli nie mają blokerów podczerwieni.
chłodzenie zmniejsza ciemny prąd tablicy, poprawiając czułość CCD na niskie natężenia światła, nawet dla ultrafioletowych i widzialnych długości fal. Profesjonalne obserwatoria często chłodzą detektory ciekłym azotem, aby zmniejszyć prąd ciemny, a tym samym szum termiczny, do znikomego poziomu.,
Frame transfer CCDEdit
frame transfer CCD imager był pierwszą strukturą obrazowania zaproponowaną dla obrazowania CCD przez Michaela Tompsetta w Bell Laboratories. Frame transfer CCD jest wyspecjalizowaną matrycą CCD, często stosowaną w astronomii i niektórych profesjonalnych kamerach wideo, zaprojektowaną z myślą o wysokiej wydajności i poprawności ekspozycji.
normalne funkcjonowanie CCD, astronomiczne lub inne, można podzielić na dwie fazy: ekspozycję i odczyt., Podczas pierwszej fazy CCD pasywnie zbiera przychodzące fotony, przechowując elektrony w swoich komórkach. Po upływie czasu ekspozycji komórki są odczytywane po jednej linii na raz. Podczas fazy odczytu komórki są przesuwane w dół całego obszaru CCD. Podczas gdy są przesunięte, nadal zbierają światło. Jeśli więc przesunięcie nie jest wystarczająco szybkie, błędy mogą wynikać ze światła padającego na komórkę trzymającą ładunek podczas przenoszenia. Błędy te są określane jako „rozmaz pionowy” i powodują, że silne źródło światła tworzy pionową linię powyżej i poniżej swojej dokładnej lokalizacji., Ponadto przetwornik CCD nie może być używany do zbierania światła podczas odczytu. Niestety szybsza Zmiana przełożenia wymaga szybszego odczytu, a szybszy odczyt może wprowadzać błędy w pomiarze naładowania komórki, prowadząc do wyższego poziomu hałasu.
przetwornik CCD z transferem klatek rozwiązuje oba problemy: ma ekranowany, nie wrażliwy na światło obszar zawierający tyle komórek, ile jest narażony na działanie światła. Zazwyczaj obszar ten jest pokryty materiałem odblaskowym, takim jak aluminium. Gdy czas ekspozycji dobiega końca, komórki są bardzo szybko przenoszone do ukrytego obszaru., Tutaj, bezpieczne od przychodzącego światła, komórki mogą być odczytywane z dowolną prędkością, którą uzna się za konieczną do prawidłowego pomiaru ładunku komórek. Jednocześnie odsłonięta część CCD ponownie zbiera światło, więc nie występuje opóźnienie między kolejnymi ekspozycjami.
wadą takiego CCD jest wyższy koszt: powierzchnia komórki jest w zasadzie podwojona i potrzebna jest bardziej złożona elektronika sterująca.,intensified charge-coupled deviceEdit
intensified charge-coupled device (ICCD) to urządzenie CCD, które jest optycznie podłączone do wzmacniacza obrazu zamontowanego przed CCD.
wzmacniacz obrazu zawiera trzy elementy funkcjonalne: fotokatodę, płytę mikrokanałową (MCP) i ekran fosforowy. Te trzy elementy są montowane jeden blisko za drugim we wspomnianej sekwencji. Fotony Pochodzące ze źródła światła padają na fotokatodę, wytwarzając w ten sposób fotoelektrony., Fotoelektrony są przyspieszane w kierunku MCP przez elektryczne Napięcie sterujące, przyłożone między fotokatodą a MCP. Elektrony są mnożone wewnątrz MCP, a następnie przyspieszane w kierunku ekranu fosforowego. Ekran fosforowy ostatecznie przekształca zmultiplikowane elektrony z powrotem w fotony, które są kierowane do CCD przez światłowód lub soczewkę.
wzmacniacz obrazu z natury zawiera funkcję migawki: jeśli napięcie sterujące między fotokatodą a MCP jest odwrócone, emitowane fotoelektrony nie są przyspieszane w kierunku MCP, ale wracają do fotokatody., Tak więc, żadne elektrony nie są mnożone i emitowane przez MCP, żadne elektrony nie trafiają do ekranu luminoforu i żadne światło nie jest emitowane z wzmacniacza obrazu. W tym przypadku na CCD nie pada żadne światło, co oznacza, że migawka jest zamknięta. Proces odwracania napięcia sterującego w fotokatodzie nazywa się gatowaniem, a zatem ICCD są również nazywane gateable CCD cameras.
oprócz niezwykle wysokiej czułości kamer ICCD, które umożliwiają detekcję pojedynczych fotonów, gatowalność jest jedną z głównych zalet ICCD nad kamerami EMCCD., Kamery ICCD o najwyższej wydajności umożliwiają czas migawki nawet do 200 pikosekund.
kamery ICCD są ogólnie nieco wyższe cenowo niż kamery EMCCD, ponieważ potrzebują drogiego wzmacniacza obrazu. Z drugiej strony, kamery EMCCD potrzebują systemu chłodzenia, aby schłodzić układ EMCCD do temperatury około 170 K (-103 °C). Ten system chłodzenia zwiększa dodatkowe koszty kamery EMCCD i często powoduje poważne problemy z kondensacją w aplikacji.
ICCD są stosowane w urządzeniach noktowizyjnych i w różnych zastosowaniach naukowych.,
mnożenie elektronów CCDEdit
elektrony są przenoszone szeregowo przez etapy wzmocnienia składające się na rejestr mnożenia EMCCD. Wysokie napięcia stosowane w tych transferach seryjnych indukują tworzenie dodatkowych nośników ładunku poprzez jonizację uderzeniową.
w EMCCD występuje dyspersja (zmiana) liczby elektronów wyprowadzonych przez rejestr mnożenia dla danej (stałej) liczby elektronów wejściowych (pokazanej w legendzie po prawej stronie)., Rozkład prawdopodobieństwa dla liczby elektronów wyjściowych jest wykreślony logarytmicznie na osi pionowej do symulacji rejestru mnożenia. Pokazane są też wyniki empirycznego równania dopasowania pokazanego na tej stronie.
emccd, znany również jako L3VISION CCD, produkt komercjalizowany przez e2v Ltd., GB, L3CCD lub IMPACTRON CCD, obecnie wycofany produkt oferowany w przeszłości przez Texas Instruments) jest urządzeniem sprzężonym z ładunkiem, w którym rejestr wzmocnienia jest umieszczony między rejestrem shift a wzmacniaczem wyjściowym., Rejestr zysków podzielony jest na wiele etapów. W każdym etapie elektrony są mnożone przez jonizację uderzeniową w podobny sposób jak dioda lawinowa. Prawdopodobieństwo wzmocnienia na każdym etapie rejestru jest małe (P < 2%), ale ponieważ liczba pierwiastków jest duża (N > 500), ogólny zysk może być bardzo wysoki ( g = ( 1 + P) n {\displaystyle g=(1+P)^{N}}), przy czym pojedyncze elektrony wejściowe dają wiele tysięcy elektronów wyjściowych. Odczyt sygnału z CCD daje tło szumu, zazwyczaj kilka elektronów., W EMCCD szum ten nakłada się na wiele tysięcy elektronów, a nie na pojedynczy elektron; podstawową zaletą urządzeń jest zatem ich znikomy szum odczytu. Zastosowanie załamania lawinowego do wzmacniania ładunków fotograficznych zostało już opisane w patencie USA 3,761,744 w 1973 roku przez George E. Smith / Bell Telephone Laboratories.
Emccd wykazują podobną czułość do intensywnych CCD (ICCD). Jednak, podobnie jak w przypadku ICCD, wzmocnienie, które jest stosowane w rejestrze wzmocnienia, jest stochastyczne, a dokładny zysk, który został zastosowany do ładunku piksela, jest niemożliwy do poznania., Przy wysokich zyskach (> 30) ta niepewność ma taki sam wpływ na stosunek sygnału do szumu (SNR), jak zmniejszenie o połowę wydajności kwantowej (QE) w odniesieniu do pracy z zyskiem jedności. Jednak przy bardzo niskim poziomie światła (gdzie wydajność kwantowa jest najważniejsza)można założyć, że piksel zawiera elektron—lub nie. Usuwa to szum związany z mnożeniem stochastycznym, ryzykując zliczenie wielu elektronów w tym samym pikselu co pojedynczy elektron., Aby uniknąć wielokrotnego zliczania w jednym pikselu z powodu zbiegających się fotonów w tym trybie pracy, niezbędna jest wysoka liczba klatek na sekundę. Dyspersja wzmocnienia pokazana jest na wykresie po prawej stronie. Dla rejestrów mnożenia z wieloma pierwiastkami i dużymi zyskami jest to dobrze modelowane przez równanie:
gdzie p jest prawdopodobieństwem uzyskania N elektronów wyjściowych, podanych m elektronów wejściowych i całkowitego średniego zysku rejestru mnożenia G.
ze względu na niższe koszty i lepszą rozdzielczość, Emccd są w stanie zastąpić ICCD w wielu zastosowaniach., ICCD nadal mają tę zaletę, że mogą być bramkowane bardzo szybko, a zatem są przydatne w aplikacjach takich jak range-gated imaging. Kamery EMCCD nieodzownie potrzebują systemu chłodzenia-wykorzystującego chłodzenie termoelektryczne lub ciekły azot—aby schłodzić chip do temperatur w zakresie od -65 do -95 °c (od -85 do -139 °f). Ten system chłodzenia niestety dodaje dodatkowe koszty do systemu obrazowania EMCCD i może powodować problemy z kondensacją w aplikacji. Jednak wysokiej klasy kamery EMCCD są wyposażone w stały hermetyczny system próżniowy ograniczający chip, aby uniknąć problemów z kondensacją.,
możliwości emccd przy słabym oświetleniu znajdują zastosowanie m.in. w astronomii i badaniach biomedycznych. W szczególności ich niski poziom szumów przy wysokich prędkościach odczytu sprawia, że są bardzo przydatne w różnych zastosowaniach astronomicznych obejmujących słabe Źródła światła i zdarzenia przejściowe, takie jak szczęśliwe obrazowanie słabych gwiazd, fotometria z dużą prędkością liczenia fotonów, Spektroskopia Fabry ' ego-Pérota i spektroskopia wysokiej rozdzielczości., Ostatnio, te typy CCD włamali się w dziedzinie biomedycznych badań w słabym oświetleniu zastosowaniach wliczając małych zwierząt obrazowania, jednocząsteczkowego obrazowania, Raman spektroskopii, Super rozdzielczość mikroskopii jak również szeroki różnorodność nowoczesnych fluorescenci mikroskopii techniki dzięki większy SNR w słabym oświetleniu warunki w porównaniu z tradycyjnymi CCD i ICCD.
jeśli chodzi o szum, komercyjne kamery EMCCD zazwyczaj mają ładunek indukowany zegarem (CIC) i prąd ciemny (w zależności od stopnia chłodzenia), które razem prowadzą do efektywnego szumu odczytu w zakresie od 0.,01 do 1 elektronów na piksel odczytu. Jednak ostatnie ulepszenia w technologii EMCCD doprowadziły do powstania nowej generacji kamer zdolnych do wytwarzania znacznie mniej CIC, wyższej wydajności transferu ładunku i wzmocnienia EM 5 razy większego niż wcześniej dostępne. Te postępy w wykrywaniu przy słabym oświetleniu prowadzą do efektywnego szumu tła wynoszącego 0,001 elektronów na odczyt piksela, co jest poziomem szumów niezrównanym do żadnego innego urządzenia obrazującego przy słabym oświetleniu.