CCD de 2,1 megapixels, o Argus câmera digital
unidimensional sensor de imagem CCD de uma máquina de fax
Os sensores de imagem CCD pode ser implementado em várias arquiteturas diferentes. Os mais comuns são full-frame, frame-transfer, e interline. A característica distintiva de cada uma destas arquiteturas é a sua abordagem ao problema da obturação.,
em um dispositivo de quadro completo, toda a área da imagem está ativa, e não há Obturador eletrônico. Deve ser adicionado um obturador mecânico a este tipo de sensor ou aos esfregaços de imagem à medida que o dispositivo é cronometrado ou lido.
com uma estrutura de transferência CCD, metade da área de silício é coberta por uma máscara opaca (tipicamente alumínio). A imagem pode ser rapidamente transferida da área da imagem para a área opaca ou região de armazenamento com uma mancha aceitável de alguns por cento. Essa imagem pode então ser lida lentamente a partir da região de armazenamento, enquanto uma nova imagem está integrando ou expondo na área ativa., Dispositivos de transferência de quadros normalmente não requerem um obturador mecânico e eram uma arquitetura comum para câmeras de transmissão de Estado Sólido. A desvantagem da arquitetura de transferência de quadros é que ela requer o dobro da propriedade real de silício de um dispositivo de quadro completo equivalente; portanto, custa aproximadamente o dobro.
a arquitetura interline estende este conceito um passo mais além e esconde todas as outras colunas do sensor de imagem para armazenamento., Neste dispositivo, apenas um deslocamento de pixels tem que ocorrer para transferir da área de imagem para a área de armazenamento; assim, os tempos de obturação podem ser menos do que um microssegundo e o esfregaço é essencialmente eliminado. A vantagem não é livre, no entanto, como a área de imagem é agora coberta por tiras opacas caindo o Fator de preenchimento para aproximadamente 50 por cento e a eficiência quântica efetiva em uma quantidade equivalente. Desenhos modernos abordaram esta característica deletéria adicionando microleses na superfície do dispositivo para direcionar a luz para longe das regiões opacas e na área ativa., Os Microlenses podem trazer o Fator de enchimento de volta para 90 por cento ou mais, dependendo do tamanho do pixel e do design óptico do sistema global.
a escolha da arquitetura se resume a uma de utilidade. Se a aplicação não pode tolerar um obturador mecânico caro, propenso a falhas, com grande intensidade de energia, um dispositivo interline é a escolha certa. As câmeras snap-shot do consumidor usaram dispositivos interline. Por outro lado, para as aplicações que requerem a melhor coleção de luz possível e questões de dinheiro, poder e tempo são menos importantes, o dispositivo de quadro completo é a escolha certa., Os astrónomos tendem a preferir dispositivos completos. A transferência de frame fica entre os dois e foi uma escolha comum antes que a questão do fator de preenchimento dos dispositivos interline fosse abordada. Hoje, a transferência de frame é geralmente escolhida quando uma arquitetura interline não está disponível, como em um dispositivo iluminado pelas costas.
CCDs contendo grades de pixels são usados em câmeras digitais, scanners ópticos e câmeras de vídeo como dispositivos sensores de luz., Eles geralmente respondem a 70 por cento da luz incidente (o que significa uma eficiência quântica de cerca de 70 por cento) tornando-os muito mais eficientes do que o filme fotográfico, que captura apenas cerca de 2 por cento da luz incidente.
os tipos mais comuns de CCDs são sensíveis à luz infravermelha próxima, o que permite fotografia infravermelha, dispositivos de visão noturna, e zero lux (ou quase zero lux) gravação de vídeo/fotografia. Para detectores normais à base de silício, a sensibilidade é limitada a 1,1 µm., Uma outra consequência da sua sensibilidade ao infravermelho é que o infravermelho a partir de controles remotos frequentemente aparece em câmeras digitais ou câmaras de vídeo baseadas em CCD se eles não têm bloqueadores de infravermelhos.o resfriamento reduz a corrente escura do array, melhorando a sensibilidade do CCD às intensidades de luz baixas, mesmo para comprimentos de onda ultravioleta e visível. Observatórios profissionais geralmente arrefecem seus detectores com nitrogênio líquido para reduzir a corrente escura, e, portanto, o ruído térmico, para níveis insignificantes.,
Frame transfer CCDEdit
a frame transfer CCD sensor
the frame transfer CCD imager was the first imaging structure proposed for CCD Imaging by Michael Tompsett at Bell Laboratories. Um CCD de transferência de quadros é um CCD especializado, muitas vezes usado em astronomia e algumas câmeras de vídeo profissionais, projetado para alta eficiência de exposição e correção.
o funcionamento normal de um CCD, astronómico ou não, pode ser dividido em duas fases: exposição e leitura., Durante a primeira fase, o CCD coleta passivamente fótons recebidos, armazenando elétrons em suas células. Após o passar do tempo de exposição, as células são lidas uma linha de cada vez. Durante a fase de leitura, as células são desviadas para toda a área do CCD. Enquanto eles são deslocados, eles continuam a coletar luz. Assim, se o deslocamento não é rápido o suficiente, os erros podem resultar da luz que cai sobre uma carga de retenção da célula durante a transferência. Estes erros são referidos como” mancha vertical ” e fazem com que uma fonte de luz forte crie uma linha vertical acima e Abaixo de sua localização exata., Além disso, o CCD não pode ser utilizado para recolher luz enquanto está a ser lido. Infelizmente, uma mudança mais rápida requer uma leitura mais rápida, e uma leitura mais rápida pode introduzir erros na medição da carga celular, levando a um nível de ruído mais elevado.
uma transferência de quadros CCD resolve ambos os problemas: tem uma área protegida, não sensível à luz, contendo tantas células como a área exposta à luz. Normalmente, esta área é coberta por um material refletivo como alumínio. Quando o tempo de exposição acaba, as células são transferidas muito rapidamente para a área oculta., Aqui, a salvo de qualquer luz recebida, as células podem ser lidas a qualquer velocidade que se considere necessária para medir corretamente a carga das células. Ao mesmo tempo, a parte exposta do DEC está novamente a recolher luz, pelo que não ocorre atraso entre exposições sucessivas.
A desvantagem de tal CCD é o custo mais elevado: a área celular é basicamente dobrada, e Eletrônicos de controle mais complexos são necessários.,
deviceEdit com carga intensificada
um dispositivo com carga intensificada (ICCD) é um CCD que está opticamente ligado a um intensificador de imagem que é montado na frente do CCD.
um intensificador de imagem inclui três elementos funcionais: um fotocátodo, uma placa de micro-canais (MCP) e um ecrã fosforoso. Estes três elementos são montados um perto atrás do outro na sequência mencionada. Os fótons que vêm da fonte de luz caem no fotocátodo, gerando fotoeletrons., Os fotoelétrons são acelerados em direção ao MCP por uma tensão de controle elétrico, aplicada entre fotocátodo e MCP. Os elétrons são multiplicados dentro do MCP e, em seguida, acelerados em direção à tela de fósforo. A tela de fósforo finalmente converte os elétrons multiplicados de volta para fótons que são guiados para o CCD por uma fibra óptica ou uma lente.
um intensificador de imagem inclui inerentemente uma funcionalidade de obturador: se a tensão de controle entre o fotocátodo e o MCP for revertida, os fotoelétrons emitidos não são acelerados em direção ao MCP, mas retornam ao fotocátodo., Assim, nenhum elétrons é multiplicado e emitido pelo MCP, nenhum elétrons está indo para a tela de fósforo e nenhuma luz é emitida do Intensificador de imagem. Neste caso, nenhuma luz cai sobre o CCD, o que significa que o obturador está fechado. O processo de reverter a tensão de controle no fotocátodo é chamado gating e, portanto, ICCDs também são chamados de câmeras CCD gateable.
além da sensibilidade extremamente elevada das câmeras ICCD, que permitem a detecção de fótons únicos, a gateabilidade é uma das principais vantagens do ICCD sobre as câmeras EMCCD., As câmeras ICCD de maior desempenho permitem tempos de obturação tão curtos quanto 200 picosegundos.as câmeras ICCD são, em geral, um pouco mais caras do que as câmeras EMCCD porque elas precisam do Intensificador de imagem caro. Por outro lado, as câmeras EMCCD precisam de um sistema de resfriamento para arrefecer o chip EMCCD até temperaturas de cerca de 170 K (-103 °c). Este sistema de resfriamento adiciona custos adicionais para a câmera EMCCD e muitas vezes produz problemas de condensação pesados na aplicação.os ICCDs são usados em dispositivos de visão noturna e em várias aplicações científicas.,
CCDEdit Multiplicador de electrões
os electrões são transferidos serialmente através das fases de ganho que constituem o registo de multiplicação de um EMCCD. As altas tensões utilizadas nestas transferências em série induzem a criação de cargas adicionais através da ionização de impacto.
em um EMCCD há uma dispersão (variação) no número de elétrons de saída pela multiplicação registrar para um determinado (fixo) número de entrada de elétrons (mostrado na legenda à direita)., The probability distribution for the number of output electrons is plotted logaritmically on the vertical axis for a simulation of a multiplication register. Também são mostrados os resultados da equação de ajuste empírico mostrada nesta página.
um CCD Multiplicador de electrões (EMCCD, também conhecido como L3VISION CCD, um produto comercializado pela E2V Ltd., GB, L3CCD ou Impactron CCD, um produto agora descontinuado oferecido no passado pela Texas Instruments) é um dispositivo acoplado a carga no qual um registro de ganhos é colocado entre o registro de shift e o amplificador de saída., O registo de ganhos é dividido em um grande número de etapas. Em cada estágio, os elétrons são multiplicados pela ionização de impacto de uma forma semelhante a um diodo de avalanche. O ganho de probabilidade em cada fase do registo é pequeno (P < 2%), mas como o número de elementos é grande (N > 500), o ganho global pode ser muito alta ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), com entrada única de elétrons dando a muitos milhares de saída de elétrons. Ler um sinal de um CCD dá um fundo de ruído, tipicamente alguns elétrons., Em um EMCCD, este ruído é sobreposto a muitos milhares de elétrons em vez de um único elétron; a vantagem primária dos dispositivos é, portanto, o seu ruído de leitura negligenciável. The use of avalanche breakdown for amplification of photo charges had already been described in the U. S. Patent 3761,744 in 1973 by George E. Smith / Bell Telephone Laboratories.
os Cemcd apresentam uma sensibilidade semelhante à CCD intensificada (ICCD). No entanto, como no ICCDs, o ganho que é aplicado no registro de ganho é estocástico e o ganho exato que foi aplicado à carga de um pixel é impossível de saber., Em ganhos elevados (> 30), esta incerteza tem o mesmo efeito sobre a razão sinal-ruído (SNR) que reduzir para metade a eficiência quântica (QE) em relação à operação com um ganho de unidade. No entanto, em níveis de luz muito baixos (onde a eficiência quântica é mais importante), pode—se assumir que um pixel ou contém um elétron-ou não. Isto remove o ruído associado à multiplicação estocástica com o risco de contar múltiplos elétrons no mesmo pixel que um único elétron., Para evitar múltiplas contagens em um pixel devido a fótons coincidentes neste modo de operação, altas taxas de quadros são essenciais. A dispersão no ganho é mostrada no gráfico à direita. Para multiplicação registra com muitos elementos e grandes ganhos é bem modelada pela equação:
onde P é a probabilidade de obter n saída de elétrons dado m entrada de elétrons e um total médio de multiplicação de registrar ganho de g.
Devido a custos mais baixos e melhor resolução, EMCCDs são capazes de substituir a ICCDs em muitas aplicações., ICCDs ainda têm a vantagem de que eles podem ser empacotados muito rápido e, portanto, são úteis em aplicações como imagens de alcance fechado. As câmeras EMCCD precisam indiscutivelmente de um sistema de resfriamento—usando arrefecimento termelétrico ou nitrogênio líquido—para arrefecer o chip até temperaturas na faixa de -65 a -95 °C (-85 a -139 °F). Este sistema de refrigeração, infelizmente, adiciona custos adicionais ao sistema de imagem EMCCD e pode produzir problemAs de condensação na aplicação. No entanto, câmeras EMCCD de alta qualidade são equipadas com um sistema de vácuo hermético permanente que limita o chip para evitar problemas de condensação.,
As capacidades de baixa luz dos Cemcds encontram uso em astronomia e pesquisa biomédica, entre outros campos. Em particular, seu baixo ruído em altas velocidades de leitura torna-os muito úteis para uma variedade de aplicações astronômicas envolvendo fontes de luz baixas e eventos transitórios, tais como imagens de sorte de estrelas fracas, fotões de alta velocidade contando fotometria, espectroscopia Fabry-Pérot e espectroscopia de alta resolução., Mais recentemente, estes tipos de CCDs entraram no campo da pesquisa biomédica em aplicações de baixa luz, incluindo imagens de pequenos animais, imagens de molécula única, espectroscopia de Raman, microscopia de super resolução, bem como uma grande variedade de técnicas modernas de microscopia fluorescência graças à maior SNR em condições de baixa luz em comparação com CCDs tradicionais e ICCDs.
em termos de ruído, câmeras EMCCD comerciais tipicamente têm carga induzida por clock (CIC) e corrente escura (dependente da extensão do resfriamento) que juntos levam a um ruído de leitura eficaz variando de 0.,01 a 1 elétrons por pixel lido. No entanto, melhorias recentes na tecnologia EMCCD levaram a uma nova geração de câmeras capazes de produzir significativamente menos CIC, maior eficiência de transferência de carga e um ganho EM 5 vezes maior do que o anteriormente disponível. Estes avanços na detecção de baixa luz levam a um ruído de fundo total efetivo de 0,001 elétrons por pixel read, um piso de ruído incomparável por qualquer outro dispositivo de imagem de baixa luz.