Laddningskopplad enhet

CCD-bildsensorerna kan implementeras i flera olika arkitekturer. De vanligaste är full-frame, frame-transfer och interline. Den särskiljande egenskapen hos var och en av dessa arkitekturer är deras inställning till problemet med slutare.,

i en helbildsenhet är hela bildområdet aktivt och det finns ingen elektronisk slutare. En mekanisk slutare måste läggas till denna typ av sensor eller bilden smutsas ut när enheten är klockad eller läses ut.

med en ram-överföring CCD är hälften av kiselområdet täckt av en ogenomskinlig mask (typiskt aluminium). Bilden kan snabbt överföras från bildområdet till det ogenomskinliga området eller lagringsområdet med acceptabelt smet på några procent. Den bilden kan sedan läsas ut långsamt från lagringsområdet medan en ny bild integrerar eller exponerar i det aktiva området., Ramöverföringsanordningar kräver vanligtvis inte en mekanisk slutare och var en vanlig arkitektur för tidiga solid state-sändningskameror. Nackdelen med ramöverföringsarkitekturen är att det kräver dubbelt så mycket kiselfastigheter som en likvärdig full-frame-enhet. därför kostar det ungefär dubbelt så mycket.

Interline-arkitekturen utökar detta koncept ett steg längre och maskerar varannan kolumn i bildsensorn för lagring., I den här enheten måste endast en pixelförskjutning uppstå för att överföra från bildområde till lagringsområde.sålunda kan slutartiden vara mindre än en mikrosekund och smeten elimineras väsentligen. Fördelen är dock inte fri, eftersom bildområdet nu täcks av ogenomskinliga remsor som släpper fyllningsfaktorn till cirka 50 procent och den effektiva kvanteffektiviteten med motsvarande mängd. Moderna mönster har tagit upp denna skadliga egenskap genom att tillsätta mikrolinser på enhetens yta för att rikta ljus bort från de ogenomskinliga regionerna och på det aktiva området., Mikrolinser kan få fyllningsfaktorn tillbaka upp till 90 procent eller mer beroende på pixelstorlek och det övergripande systemets optiska design.

valet av arkitektur kommer ner till ett verktyg. Om applikationen inte kan tolerera en dyr, felbenägen, kraftintensiv mekanisk slutare, är en interline-enhet det rätta valet. Konsument snap-shot kameror har använt interline enheter. Å andra sidan, för de applikationer som kräver bästa möjliga ljussamling och problem med pengar, kraft och tid är mindre viktiga, är fullbildsenheten det rätta valet., Astronomer tenderar att föredra full-frame enheter. Ramöverföringen faller mellan och var ett vanligt val innan fyllningsfaktorproblemet med interline-enheter togs upp. Idag väljs ramöverföring vanligtvis när en interlinearkitektur inte är tillgänglig, till exempel i en back-belyst enhet.

CCDs som innehåller rutnät av pixlar används i digitalkameror, optiska skannrar och videokameror som ljusavkännande enheter., De svarar ofta på 70 procent av det infallande ljuset (vilket betyder en kvanteffektivitet på cirka 70 procent) vilket gör dem mycket effektivare än fotografisk film, som bara fångar cirka 2 procent av infallande ljuset.

de vanligaste typerna av CCDs är känsliga för nära infrarött ljus, vilket gör det möjligt för infraröd fotografering, nattseende enheter och zero lux (eller nära noll lux) videoinspelning/fotografering. För normala kiselbaserade detektorer är känsligheten begränsad till 1,1 µm., En annan konsekvens av deras känslighet för infraröd är att infraröd från fjärrkontroller ofta visas på CCD-baserade digitalkameror eller videokameror om de inte har infraröda blockerare.

kylning minskar matrisens mörka ström, vilket förbättrar CCD-känsligheten för låga ljusintensiteter, även för ultravioletta och synliga våglängder. Professionella observatorier kyler ofta sina detektorer med flytande kväve för att minska den mörka strömmen, och därmed det termiska bruset, till försumbara nivåer.,

Ram överföring CCDEdit

ram överföring CCD imager var den första bildstrukturen föreslås för CCD Imaging av Michael Tompsett vid Bell Laboratories. En ramöverföring CCD är en specialiserad CCD, som ofta används i astronomi och vissa professionella videokameror, avsedda för hög exponeringseffektivitet och korrekthet.

den normala funktionen hos en CCD, astronomisk eller på annat sätt, kan delas in i två faser: exponering och avläsning., Under den första fasen samlar CCD passivt inkommande fotoner och lagrar elektroner i sina celler. Efter att exponeringstiden har passerat läses cellerna ut en rad åt gången. Under avläsningsfasen skiftas cellerna ner hela området av CCD. Medan de skiftas fortsätter de att samla ljus. Således, om växlingen inte är tillräckligt snabb, kan fel bero på ljus som faller på en cell som håller laddning under överföringen. Dessa fel kallas ”vertikalt smet” och orsakar en stark ljuskälla för att skapa en vertikal linje över och under dess exakta plats., Dessutom kan CCD inte användas för att samla in ljus medan den läses ut. Tyvärr kräver en snabbare växling en snabbare avläsning, och en snabbare avläsning kan införa fel i cellladdningsmätningen, vilket leder till en högre ljudnivå.

en ram överföring CCD löser båda problemen: den har en skärmad, inte ljuskänslig, område som innehåller så många celler som det område som utsätts för ljus. Typiskt är detta område täckt av ett reflekterande material som aluminium. När exponeringstiden är slut överförs cellerna mycket snabbt till det dolda området., Här, säkert från inkommande ljus, kan celler läsas ut vid vilken hastighet som helst som man anser vara nödvändig för att korrekt mäta cellernas laddning. Samtidigt samlar den exponerade delen av CCD ljus igen, så ingen fördröjning uppstår mellan successiva exponeringar.

nackdelen med en sådan CCD är den högre kostnaden: cellområdet är i grunden fördubblat och mer komplex styrelektronik behövs.,

intensifierad laddningskopplad deviceEdit

en intensifierad laddningskopplad enhet (ICCD) är en CCD som är optiskt ansluten till en bildförstärkare som är monterad framför CCD.

en bildförstärkare innehåller tre funktionella element: en fotokatod, en mikrokanalplatta (MCP) och en fosforskärm. Dessa tre element är monterade en nära bakom den andra i den nämnda sekvensen. Fotonerna som kommer från ljuskällan faller på fotokatoden och genererar därigenom fotoelektroner., Fotoelektronerna accelereras mot MCP med en elektrisk styrspänning, applicerad mellan fotokatod och MCP. Elektronerna multipliceras inuti MCP och accelereras därefter mot fosforskärmen. Fosforskärmen konverterar slutligen de multiplicerade elektronerna tillbaka till fotoner som styrs till CCD av en fiberoptisk eller en lins.

en bildförstärkare innehåller i sig en slutarfunktion: om styrspänningen mellan fotokatoden och MCP är omvänd, accelereras inte de emitterade fotoelektronerna mot MCP utan återgår till fotokatoden., Således multipliceras inga elektroner och emitteras av MCP, inga elektroner går till fosforskärmen och inget ljus avges från bildförstärkaren. I det här fallet faller inget ljus på CCD, vilket innebär att slutaren är stängd. Processen att vända styrspänningen vid fotokatoden kallas gating och därför kallas ICCDs också gateable CCD-kameror.

förutom den extremt höga känsligheten hos ICCD-kameror, som möjliggör enkel fotondetektering, är gateability en av de största fördelarna med ICCD jämfört med ECCD-kameror., De högst utför ICCD-kameror aktivera slutartider så kort som 200 pikosekunder.

ICCD-kameror är i allmänhet något högre i pris än ECCD-kameror eftersom de behöver den dyra bildförstärkaren. Däremot behöver ECCD-kameror ett kylsystem för att kyla ner ECCD-chipet till temperaturer runt 170 K (-103 °C). Detta kylsystem tillför extra kostnader till ECNN-kameran och ger ofta tunga kondensproblem i applikationen.

ICCDs används i mörkerseende enheter och i olika vetenskapliga tillämpningar.,

elektron-multiplicera CCDEdit

en elektron-multiplicera CCD (ECCD, även känd som en L3VISION CCD, en produkt som kommersialiseras av E2V Ltd., GB, L3CCD eller Impactron CCD, en nu avvecklad produkt som tidigare erbjuds av Texas Instruments) är en laddningskopplad enhet där ett förstärkningsregister placeras mellan skiftregistret och utgångsförstärkaren., Förstärkningsregistret delas upp i ett stort antal steg. I varje steg multipliceras elektronerna med slagjonisering på ett liknande sätt som en lavindiod. Vinstsannolikheten vid varje steg i registret är liten (P < 2%), men eftersom antalet element är stort (N > 500) kan den totala vinsten vara mycket hög ( g = ( 1 + P ) n {\displaystyle g=(1+P)^{n}}), med enstaka ingångselektroner som ger tusentals utgångselektroner. Att läsa en signal från en CCD ger en brusbakgrund, vanligtvis några elektroner., I en ECNN läggs detta ljud över på tusentals elektroner snarare än en enda elektron.apparaternas främsta fördel är således deras försumbara avläsningsbrus. Användningen av lavin uppdelning för förstärkning av fotoavgifter hade redan beskrivits i det amerikanska patentet 3,761,744 i 1973 av George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

EMCCDs visar en liknande känslighet för intensifierade CCDs (ICCDs). Men som med ICCDs är vinsten som tillämpas i vinstregistret stokastisk och den exakta vinsten som har applicerats på en Pixels laddning är omöjlig att veta., Vid höga vinster (> 30) har denna osäkerhet samma effekt på signal-brusförhållandet (SNR) som att halvera kvanteffektiviteten (QE) med avseende på drift med en förstärkning av enhet. Men vid mycket låga ljusnivåer (där kvanteffektiviteten är viktigast) kan det antas att en pixel antingen innehåller en elektron—eller inte. Detta tar bort bruset i samband med stokastisk multiplikation med risk för att räkna flera elektroner i samma pixel som en enda elektron., För att undvika flera tal i en pixel på grund av sammanfallande fotoner i detta driftsätt är höga bildhastigheter väsentliga. Dispersionen i förstärkningen visas i diagrammet till höger. För multiplikationsregister med många element och stora vinster är det väl modellerat av ekvationen:

där P är sannolikheten att få n-utgångselektroner givna m-ingångselektroner och en total genomsnittlig multiplikationsregisterförstärkning av g.

På grund av de lägre kostnaderna och bättre upplösning kan EMCCDs ersätta ICCDs i många applikationer., ICCDs har fortfarande fördelen att de kan gated mycket snabbt och därmed är användbara i applikationer som range-gated imaging. ECNN-kameror behöver absolut ett kylsystem – med antingen termoelektrisk kylning eller flytande kväve—för att kyla chipet ner till temperaturer i intervallet -65 till -95 °C (-85 till -139 °F). Detta kylsystem lägger tyvärr till extra kostnader för ECNN: s bildåtergivningssystem och kan ge kondensproblem i applikationen. High-end ECCD-kameror är dock utrustade med ett permanent hermetiskt vakuumsystem som begränsar chipet för att undvika kondensproblem.,

EMCCDs låga ljuskapacitet finner användning inom astronomi och biomedicinsk forskning, bland andra områden. I synnerhet gör deras låga ljud vid höga avläsningshastigheter dem mycket användbara för en mängd olika astronomiska applikationer som involverar låga ljuskällor och övergående händelser som lucky imaging av svaga stjärnor, höghastighetsfotonräkning fotometri, Fabry-Pérot spektroskopi och högupplösande spektroskopi., På senare tid har dessa typer av CCDs brutit sig in inom biomedicinsk forskning inom lågljusapplikationer, inklusive smådjursavbildning, enmolekylär bildbehandling, Ramanspektroskopi, superupplösningsmikroskopi samt ett brett utbud av moderna fluorescensmikroskopitekniker tack vare större SNR i lågljusförhållanden jämfört med traditionella CCD och ICCDs.

När det gäller buller har kommersiella ECCD-kameror vanligtvis klockinducerad laddning (CIC) och mörk ström (beroende på kylningens omfattning) som tillsammans leder till ett effektivt avläsningsbuller som sträcker sig från 0.,01 1 elektroner per pixel läsa. Den senaste tidens förbättringar av ECNN: s teknik har dock lett till en ny generation kameror som kan producera betydligt mindre CIC, högre laddningsöverföringseffektivitet och en EM-vinst 5 gånger högre än vad som tidigare fanns tillgängligt. Dessa framsteg i lågljusdetektering leder till ett effektivt totalt bakgrundsbrus på 0,001 elektroner per pixelläsning, ett brusgolv oöverträffat av någon annan ljusavbildningsenhet.