Charge-coupled device (Română)

senzori de imagine CCD pot fi puse în aplicare în mai multe arhitecturi diferite. Cele mai frecvente sunt full-frame, frame-transfer și interline. Caracteristica distinctivă a fiecăreia dintre aceste arhitecturi este abordarea lor față de problema cofrajului.,într-un dispozitiv cu cadru complet, toată zona imaginii este activă și nu există obturator electronic. Un obturator mecanic trebuie să fie adăugat la acest tip de senzor sau imaginea frotiuri ca dispozitivul este cronometrat sau citit.cu un CCD cu transfer de cadre, jumătate din suprafața siliciului este acoperită de o mască opacă (de obicei aluminiu). Imaginea poate fi transferată rapid din zona imaginii în zona opacă sau în regiunea de stocare, cu un frotiu acceptabil de câteva procente. Acea imagine poate fi apoi citită încet din regiunea de stocare în timp ce o nouă imagine se integrează sau se expune în zona activă., Dispozitivele de transfer de cadre nu necesită, de obicei, un obturator mecanic și au fost o arhitectură comună pentru camerele de difuzare în stare solidă. Dezavantajul arhitecturii de transfer de cadre este că necesită de două ori proprietatea imobiliară de siliciu a unui dispozitiv echivalent cu cadru complet; prin urmare, costă aproximativ de două ori mai mult.arhitectura interline extinde acest concept cu un pas mai departe și maschează orice altă coloană a senzorului de imagine pentru stocare., În acest dispozitiv, trebuie să apară o singură schimbare a pixelilor pentru a transfera din zona imaginii în zona de stocare; astfel, timpii obturatorului pot fi mai mici decât o microsecundă, iar frotiul este în esență eliminat. Avantajul nu este însă gratuit, deoarece zona de imagistică este acum acoperită de benzi opace care scad factorul de umplere la aproximativ 50% și eficiența cuantică efectivă cu o cantitate echivalentă. Modelele moderne au abordat această caracteristică dăunătoare prin adăugarea microlenselor pe suprafața dispozitivului pentru a direcționa lumina departe de regiunile opace și de zona activă., Microlensele pot readuce factorul de umplere până la 90% sau mai mult, în funcție de dimensiunea pixelilor și de designul optic general al sistemului.alegerea arhitecturii se reduce la una de utilitate. Dacă aplicația nu poate tolera un obturator mecanic scump, predispus la defecțiuni, cu putere mare, un dispozitiv interline este alegerea potrivită. Camerele de consum snap-shot au folosit dispozitive interline. Pe de altă parte, pentru acele aplicații care necesită cea mai bună colecție de lumină posibilă și probleme de bani, putere și timp sunt mai puțin importante, dispozitivul cu cadru complet este alegerea potrivită., Astronomii tind să prefere dispozitivele cu cadru complet. Transferul de cadre se încadrează între ele și a fost o alegere obișnuită înainte de rezolvarea problemei factorului de umplere al dispozitivelor interline. Astăzi, transferul de cadre este de obicei ales atunci când o arhitectură interline nu este disponibilă, cum ar fi într-un dispozitiv iluminat din spate.CCD-urile care conțin grile de pixeli sunt utilizate în camere digitale, scanere optice și camere video ca dispozitive de detectare a luminii., Ei răspund în mod obișnuit la 70 la sută din lumina incidentă (adică o eficiență cuantică de aproximativ 70 la sută), ceea ce le face mult mai eficiente decât filmul fotografic, care captează doar aproximativ 2 la sută din lumina incidentă.cele mai frecvente tipuri de CCD-uri sunt sensibile la lumina infraroșie apropiată, care permite fotografierea în infraroșu, dispozitivele de vedere pe timp de noapte și înregistrarea/fotografia video de la zero lux (sau aproape de zero lux). Pentru detectoarele normale pe bază de siliciu, sensibilitatea este limitată la 1,1 µm., O altă consecință a sensibilității lor la infraroșu este că infraroșu de la telecomenzi apare adesea pe camerele digitale sau camerele video bazate pe CCD dacă nu au blocante infraroșii.răcirea reduce curentul întunecat al matricei, îmbunătățind sensibilitatea CCD la intensități reduse ale luminii, chiar și pentru lungimile de undă ultraviolete și vizibile. Observatoarele profesionale își răcesc adesea detectoarele cu azot lichid pentru a reduce curentul întunecat și, prin urmare, zgomotul termic, la niveluri neglijabile.,

Cadru transfer CCDEdit

cadru transfer CCD imager a fost primul imagistica structura propusă pentru CCD de imagine cu Michael Tompsett la Laboratoarele Bell. Un CCD de transfer de cadre este un CCD specializat, adesea folosit în astronomie și unele camere video profesionale, concepute pentru o eficiență și o corectitudine ridicată a expunerii.funcționarea normală a unui CCD, astronomic sau altfel, poate fi împărțită în două faze: expunere și citire., În prima fază, CCD colectează pasiv fotonii care intră, stocând electroni în celulele sale. După trecerea timpului de expunere, celulele sunt citite câte o linie la un moment dat. În timpul fazei de citire, celulele sunt deplasate în întreaga zonă a CCD. În timp ce sunt deplasate, ele continuă să colecteze lumină. Astfel, dacă schimbarea nu este suficient de rapidă, erorile pot rezulta din lumina care cade pe o încărcare a celulei în timpul transferului. Aceste erori sunt denumite „frotiu vertical” și determină o sursă puternică de lumină să creeze o linie verticală deasupra și dedesubtul locației sale exacte., În plus, CCD nu poate fi utilizat pentru a colecta lumina în timp ce este citită. Din păcate, o schimbare mai rapidă necesită o citire mai rapidă, iar o citire mai rapidă poate introduce erori în măsurarea încărcării celulare, ceea ce duce la un nivel mai ridicat de zgomot.un transfer de cadre CCD rezolvă ambele probleme: are o zonă ecranată, nu sensibilă la lumină, care conține cât mai multe celule ca zona expusă la lumină. De obicei, această zonă este acoperită de un material reflectorizant, cum ar fi aluminiu. Când timpul de expunere este în sus, celulele sunt transferate foarte rapid în zona ascunsă., Aici, ferite de orice lumină care intră, celulele pot fi citite cu orice viteză pe care o consideră necesară pentru a măsura corect încărcarea celulelor. În același timp, partea expusă a CCD colectează din nou lumina, astfel încât nu apare nicio întârziere între expunerile succesive.dezavantajul unui astfel de CCD este costul mai mare: zona celulei este practic dublată și sunt necesare electronice de control mai complexe.,

Intensificat charge-coupled deviceEdit

O intensificat charge-coupled device (ICCD) este un CCD care este optic conectat la un intensificator de imagine, care este montat în fața CCD.un intensificator de imagine include trei elemente funcționale: un fotocatod, o placă micro-canal (MCP) și un ecran de fosfor. Aceste trei elemente sunt montate unul în spatele celuilalt în secvența menționată. Fotonii care provin de la sursa de lumină cad pe fotocatod, generând astfel fotoelectroni., Fotoelectronii sunt accelerați spre MCP printr-o tensiune de comandă electrică, aplicată între fotocatod și MCP. Electronii sunt multiplicate în interiorul MCP și, ulterior, accelerat spre ecranul de fosfor. Ecranul fosforului convertește în cele din urmă electronii multiplicați înapoi în fotoni care sunt ghidați către CCD printr-o fibră optică sau o lentilă.un intensificator de imagine include în mod inerent o funcționalitate a obturatorului: dacă tensiunea de control dintre fotocatod și MCP este inversată, fotoelectronii emise nu sunt accelerați spre MCP, ci revin la fotocatod., Astfel, Niciun electron nu este înmulțit și emis de MCP, Niciun electron nu merge pe ecranul fosforului și nici o lumină nu este emisă de intensificatorul de imagine. În acest caz, nici o lumină nu cade pe CCD, ceea ce înseamnă că obturatorul este închis. Procesul de inversare a tensiunii de control la fotocatod se numește gating și, prin urmare, ICCDs sunt, de asemenea, numite camere CCD gateable.

în Afară de sensibilitate extrem de ridicată de ICCD camere video, care permite de foton unic de detectare, gateability este unul dintre avantajele majore ale ICCD peste EMCCD camere., Cele mai performante camere ICCD permit timpii de declanșare cât mai scurți de 200 de picosecunde.camerele ICCD sunt, în general, ceva mai mari în preț decât camerele EMCCD, deoarece au nevoie de intensificatorul de imagine scump. Pe de altă parte, camerele EMCCD au nevoie de un sistem de răcire pentru a răci cipul EMCCD până la temperaturi în jur de 170 K (-103 °c). Acest sistem de răcire adaugă costuri suplimentare camerei EMCCD și generează adesea probleme grele de condensare în aplicație.ICCD-urile sunt utilizate în dispozitivele de vedere pe timp de noapte și în diverse aplicații științifice.,

Electron-înmulțirea CCDEdit

un CCD multiplicator de electroni (EMCCD, cunoscut și ca un CCD L3VISION, un produs comercializat de E2V Ltd., GB, L3CCD sau Impactron CCD, i-a întrerupt produs oferite în trecut de către Texas Instruments) este un charge-coupled device în care un câștig registru este plasat între registru de deplasare și de ieșire a amplificatorului., Registrul câștigului este împărțit într-un număr mare de etape. În fiecare etapă, electronii sunt înmulțiți prin ionizare de impact într-un mod similar cu o diodă de avalanșă. Câștigul probabilitatea în fiecare etapă a registrului este mică (P < 2%), dar numărul de elemente este mare (N > 500), câștigul total poate fi foarte mare ( g = ( 1 + P ) N {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), cu o singură intrare electroni dau multe mii de ieșire a electronilor. Citirea unui semnal de la un CCD dă un fundal de zgomot, de obicei câțiva electroni., Într-un EMCCD, acest zgomot este suprapus mai multor mii de electroni decât unui singur electron; avantajul principal al dispozitivelor este astfel zgomotul lor neglijabil de citire. Utilizarea defalcării avalanșelor pentru amplificarea încărcărilor foto a fost deja descrisă în brevetul american 3,761,744 în 1973 de către George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.Cemd-urile prezintă o sensibilitate similară cu CCD-urile intensificate (ICCD). Cu toate acestea, ca și în cazul ICCD-urilor, câștigul care este aplicat în registrul câștigului este stocastic, iar câștigul exact care a fost aplicat încărcării unui pixel este imposibil de știut., La câștiguri mari (> 30), această incertitudine are același efect asupra raportului semnal-zgomot (SNR) ca reducerea la jumătate a eficienței cuantice (QE) în ceea ce privește funcționarea cu un câștig de unitate. Cu toate acestea, la niveluri de lumină foarte scăzute (unde eficiența cuantică este cea mai importantă), se poate presupune că un pixel conține fie un electron—fie nu. Aceasta elimină zgomotul asociat cu înmulțirea stocastică cu riscul de a număra mai mulți electroni în același pixel ca un singur electron., Pentru a evita mai multe numere într-un pixel din cauza fotonilor coincidenți în acest mod de funcționare, ratele ridicate ale cadrelor sunt esențiale. Dispersia în câștig este prezentată în graficul din dreapta. Pentru multiplicare registre cu multe elemente și câștiguri mari este bine modelată prin ecuația:

în cazul în care P este probabilitatea de ieșire a electronilor dat m de intrare electroni și o medie totală de multiplicare înregistra câștig de g.

Datorită costurilor mai scăzute și o rezoluție mai bună, EMCCDs sunt capabile de a înlocui ICCDs în multe aplicații., ICCD-urile au încă avantajul că pot fi închise foarte rapid și, prin urmare, sunt utile în aplicații precum imagistica cu rază de acțiune. Camerele EMCCD au nevoie în mod indispensabil de un sistem de răcire—folosind fie răcire termoelectrică, fie azot lichid—pentru a răci cipul până la temperaturi cuprinse între -65 și -95 °c (-85 și -139 °F). Din păcate, acest sistem de răcire adaugă costuri suplimentare sistemului de imagistică EMCCD și poate genera probleme de condensare în aplicație. Cu toate acestea, camerele EMCCD de înaltă calitate sunt echipate cu un sistem de vid ermetic permanent care limitează cipul pentru a evita problemele de condensare.,capacitățile de lumină scăzută ale Cemd-urilor se folosesc în astronomie și în cercetarea biomedicală, printre alte domenii. În special, nivelul redus de zgomot la mare citire viteze ce le face foarte utile pentru o varietate de aplicații astronomice care implică surse de lumină scăzută și trecătoare evenimente, cum ar fi lucky imagistica de stele stinse, de mare viteza fotonului fotometrie, Fabry-Pérot spectroscopie și de înaltă rezoluție spectroscopie., Mai recent, aceste tipuri de ccd-uri au rupt în domeniul cercetării biomedicale în lumină scăzută aplicații, inclusiv animale mici de imagistică, o singură moleculă de imagistică și spectroscopie Raman, super rezoluție microscopie precum și o mare varietate de moderne tehnici de microscopie de fluorescenta, datorită unei mai bune SNR în condiții de lumină scăzută în comparație cu tradiționale de ccd-uri și ICCDs.în ceea ce privește zgomotul, camerele EMCCD comerciale au de obicei încărcare indusă de ceas (CIC) și curent întunecat (în funcție de gradul de răcire) care împreună conduc la un zgomot eficient de citire variind de la 0.,01 la 1 electroni per pixel citit. Cu toate acestea, îmbunătățirile recente ale tehnologiei EMCCD au dus la o nouă generație de camere capabile să producă semnificativ mai puțin CIC, o eficiență mai mare a transferului de încărcare și un câștig EM de 5 ori mai mare decât ceea ce era disponibil anterior. Aceste progrese în detectarea luminii scăzute conduc la un zgomot total efectiv de fond de 0.001 electroni pe pixel citit, un etaj de zgomot de neegalat de orice alt dispozitiv de imagistică cu lumină scăzută.