Senzor CCD

Senzorii CCD sunt componente electronice sensibile la lumină bazate pe efectul foto intern . „CCD” aici este abrevierea dispozitivului englezesc cuplat la încărcare ( dt. , Charge-coupled device), care este utilizat în senzorul CCD.

Inițial, în 1969, CCD-urile au fost dezvoltate pentru stocarea datelor. Cu toate acestea, s-a observat rapid că aceste componente sunt sensibile la lumină și că este relativ ușor să obțineți o imagine bidimensională. Un astfel de senzor CCD a fost construit încă din 1970 și, datorită miniaturizării ulterioare în electronică, primele CCD cu un număr de pixeli suficient pentru camerele de televiziune au fost produse încă din 1975. Senzori CCD au fost folosite ca senzori de imagine în astronomie și prin satelit de la distanță senzor , deoarece în jurul valorii de 1983 .

Senzorii cu matrice CCD bidimensionali sunt utilizați în camerele video și camerele digitale , senzorii unidimensionali ai liniei CCD în aparatele de fax , spectrometre și scanere . În schimb, senzorii CMOS se găsesc de obicei în camerele smartphone-urilor și tabletelor .

Pentru inventarea senzorului CCD, Willard Boyle și George E. Smith au primit Premiul Nobel pentru fizică din 2009 , împărțit cu Charles Kuen Kao , care a fost recunoscut pentru munca fundamentală în domeniul fibrelor optice . Smith și Michael Tompsett au primit premiul Queen Elizabeth 2017 pentru inginerie pentru dezvoltarea CCD .

Senzor CCD pentru achiziția de imagini în astronomie
Senzor CCD într-o cameră web

Structura și funcția tehnică

Animația schimbării de încărcare într-un CCD

Senzorii de imagine CCD (Charged Coupled Device - senzor de imagine) constau dintr-o serie de fotodioduri sensibile la lumină . Acestea pot fi dreptunghiulare, pătrate sau poligonale, cu lungimi de margine de la 1,4 µm la peste 20 µm. Cu cât suprafața pixelilor este mai mare, cu atât este mai mare sensibilitatea la lumină și gama dinamică a senzorului CCD, dar cu atât este mai mică rezoluția imaginii cu aceeași dimensiune a senzorului .

Majoritatea CCD-urilor sunt structuri MIS : Peste un semiconductor dopat se află un strat izolator pe care sunt atașați conductori electrici optici (electrozi) transparenți. Purtătorii de încărcare (mai ales electroni , uneori și „ găuri ”) se adună sub aceasta . Alte linii electrice fine rulează adesea între pixeli , care servesc la citire și la protejarea pixelilor supraexpuși.

Lumina incidentă își transferă energia către electronii semiconductorilor prin efectul fotoelectric intern . În același timp, se creează electroni liberi încărcați negativ și „găuri” încărcate pozitiv, care se separă unul de celălalt datorită tensiunii aplicate. Cu toate acestea, încărcăturile nu curg imediat către exterior, ca la o fotodiodă , ci sunt colectate în celula de stocare însăși, într-un așa-numit puț potențial , care stochează sarcini ca un condensator. Cantitatea de încărcare este proporțională cu cantitatea de lumină iradiată dacă este citită în timp util înainte de atingerea tensiunii în circuit deschis a fotodiodei.

În caz de supraexpunere, încărcăturile din putul potențial al unei celule pot trece în celulele vecine; acest efect este cunoscut sub numele de înflorire . Pe de altă parte, o „poartă anti-înflorire” ajută, care funcționează ca o revărsare, adică disipează sarcinile în exces. Cu toate acestea, acest lucru duce la o neliniaritate între cantitatea de lumină și semnalul de ieșire, în special cu timpi de expunere lungi ; prin urmare, senzorii CCD pentru aplicații științifice fac adesea lipsa lor.

După expunere, încărcăturile (engl. Încărcarea unei găleată), similare (de aici și termenul de dispozitiv de brigadă de găleată) sunt deplasate treptat, până când în cele din urmă ca pachete de încărcare, unul după altul, ajung la amplificatorul de citire. O tensiune electrică dependentă de încărcare și, astfel, cantitatea de lumină este emisă.

Prin urmare, semnalul de ieșire al senzorului este serial . Încărcările pixelilor individuali sunt redate una după alta, în timp ce imaginea originală a fost creată în paralel prin expunerea tuturor pixelilor în același timp. Pentru majoritatea CCD-urilor pentru camerele video, se produc doar câmpuri (d. H. Până când sunt lăsate toate liniile impare și apoi toate liniile pare) ( întrețesute , ing. Întrețesute ). În toate celelalte scopuri, sunt comune CCD-urile cu scanare progresivă, în care liniile sunt transmise una după alta în ordinea lor naturală.

fizică

Un strat optic transparent, izolator electric se află pe un semiconductor dopat . La el se aplică mulți electrozi dintr-un material conductiv și, în același timp, transparent din punct de vedere optic. Pentru detectarea luminii în domeniul vizibil, siliciul este cel mai potrivit ca material semiconductor. Dioxidul de siliciu este apoi folosit ca strat izolant . Mai ales siliciu policristalin („polisilicon”) este utilizat pentru electrozi și recent și oxid de staniu de indiu . Datorită similitudinii electrozilor cu cei ai MOSFET-urilor , electrozii sunt numiți și electrozi de poartă. Cu MOSFET-uri, totuși, porțile sunt de 10  nm în loc de 10  µm , iar încărcarea este condusă cu 1 V până la 3,3 V în loc de un nivel potențial de 1 V, care permite rate de ceas mai mari de 40 MHz. Electrozii pot fi controlați extern prin contacte de aluminiu.

Model de panglică al unui „canal de suprafață” CCD cu electroni în puțul potențial

Dacă se aplică o tensiune unui electrod (pozitiv în cazul semiconductorului dopat cu p , negativ în cazul dopării n), se formează o zonă numită puț potențial sub stratul izolator de pe suprafața semiconductorului . În această zonă, concentrația purtătorilor de transportatori majoritari este foarte scăzută.

Fotonii , a căror energie este mai mare decât decalajul de bandă al semiconductorului, ridică electronii de la banda de valență la banda de conducție ; deci perechile electron-gaură sunt create în semiconductor. Acesta este așa-numitul efect fotoelectric intern . Purtătorii suplimentari de încărcare minoritari generați în acest proces , adică fie electroni, fie „găuri”, se adună în puțul potențial, în timp ce purtătorii de încărcare majoritari generați în același timp se îndepărtează în interiorul semiconductorului.

Prin variația tensiunii aplicate în electrozii adiacenți, puțul potențial poate fi modelat în așa fel încât purtătorii de încărcare situați acolo să se deplaseze în direcția dorită pentru citire.

Structura de bază a unui CCD ar putea fi îmbunătățită în continuare. O adăugare importantă este un strat din semiconductor direct sub izolator cu dopaj opus. Aceasta creează așa-numitul „canal îngropat”, ceea ce înseamnă că purtătorii minoritari de sarcină generați de fotoni nu se mai colectează direct la interfața dintre izolator și semiconductor, ci în interiorul semiconductorului. Purtătorii minoritari de sarcină nu mai ajung atunci la interfața dintre izolator și semiconductor, unde defectele de cristal care sunt întotdeauna prezente acolo interferează (nu mai pot fi „capturate” sau „blocate” la această limită). CCD-urile „canal îngropat” (spre deosebire de CCD-urile „canalului de suprafață” descrise mai întâi) au zgomot mai redus și o eficiență semnificativ îmbunătățită a transferului de încărcare, dar mai puțini purtători de încărcare pot fi stocate pe pixel.

Tipuri

Geometrie: matrice, linie și punct

Senzor de linie CCD de la un aparat de fax

Majoritatea senzorilor CCD sunt senzori de zonă pentru înregistrarea imaginilor. Acolo, pentru citirea senzorului, sarcina stocată temporar a fotodiodelor este transferată la CCD vertical (registru de deplasare verticală), apoi deplasată vertical la frecvența liniei. Încărcarea care cade din fiecare coloană CCD intră în CCD orizontal, care este deplasat rapid (frecvența pixelilor, care determină lățimea de bandă video). Semnalul de la ieșirea acestui registru de schimbare este alimentat către amplificatorul de citire (convertor de încărcare-tensiune și convertor de impedanță).

Semnalul de ieșire rezultat are multe asemănări cu semnalul de la tuburile convenționale de înregistrare a imaginilor . Aceste similitudini au făcut din punct de vedere tehnic mai ușoară înlocuirea tuburilor de înregistrare a imaginilor cu senzori CCD.

Acest principiu de bază poate fi modificat:

  • Mai multe amplificatoare de citire pot fi utilizate pentru a crește viteza. Cu două amplificatoare de citire z. B. coloanele pare sunt împinse în sus și coloanele impare sunt împinse în afara zonei cu lumină activă. Acestea sunt apoi alimentate către două registre de deplasare orizontale cu două convertoare curent-tensiune și două ieșiri.
  • Registrul de deplasare orizontală poate fi omis în întregime, iar principiul CCD este utilizat numai pentru deplasarea de încărcare verticală. Există un convertor curent-tensiune separat pentru fiecare coloană, care poate fi acționat mult mai lent.
  • Dacă extindeți această paralelizare până la nivelul pixelilor individuali, nu mai aveți un senzor CCD, deoarece transportul de încărcare nu mai este necesar. Acești senzori sunt numiți senzori activi de pixeli .
  • Dacă aveți nevoie doar de un senzor unidimensional (deoarece cealaltă dimensiune nu este necesară sau este generată mecanic), veți obține un senzor de linie care nu necesită un registru de deplasare orizontală.
  • O formă specială de CCD-uri ( Electron Multiplying CCD , EMCCD) utilizează registre speciale de deplasare pentru amplificarea semnalului în fața amplificatorului de citire și, prin urmare, este potrivit pentru intensități de lumină foarte scăzute. Prin urmare, în cazul EMCCD-urilor, sunt posibile și detectoarele punctuale, care la rândul lor sunt CCD-uri. Majoritatea EMCCD-urilor sunt senzori de imagine și utilizează, de asemenea, registre de deplasare „normale” pentru transportul de încărcare.

Trebuie remarcat faptul că pentru măsurători precise cu mai multe convertoare de curent-tensiune și analog-digital, fiecare dintre ele poate fi necesar să fie caracterizat cu precizie pentru a compensa variațiile relative ale liniarității, decalajului și comportamentului de zgomot. În caz contrar, de exemplu în aplicații în spectroscopie, acest lucru poate duce la probleme.

Transfer de taxă: CCD FF, FT, IT, FIT

În timpul schimbării taxelor, nu ar trebui adăugate taxe suplimentare prin expunere pentru a nu falsifica informațiile despre imagine. Au fost concepute diferite aranjamente pentru a rezolva această problemă:

Tipuri CCD.
L - pixeli sensibili la lumină,
T - registru de transfer,
A - amplificator de citire.

CCD cu cadru complet (FF-CCD)

Cea mai simplă soluție pentru a preveni căderea luminii pe senzorul CCD în timpul procesului de citire este o blocare mecanică .

Deoarece cu senzorii CCD cu obturator, întreaga suprafață a cipului este utilizată pentru a obține informații despre imagine, această soluție este numită și „ full-frame CCD ” (tradus ca „imagine completă”) sau „ full frame transfer CCD ”.

Senzorii CCD cu acest principiu sunt utilizați în principal în scopuri științifice și astronomice, dar blocarea mecanică este complexă și predispusă la defecțiuni.

Termenul CCD full-frame nu este utilizat doar pentru structura internă a senzorilor CCD, ci și pentru așa-numitele CCD full-format , care corespund dimensiunii imaginii „complete” de 24 mm × 36 mm a filmului de 35 mm . În acest articol, termenul se referă doar la structura internă a senzorului și tipul procesului de citire, nu la formatul imaginii sau la dimensiunea senzorului.

Transfer de cadre CCD (FT-CCD)

Cu FT-CCD, încărcările, adică imaginea stocată, sunt deplasate foarte rapid într-o zonă întunecată a cipului CCD după expunere. Imaginea stocată poate fi apoi citită pachet de încărcare cu pachet de încărcare în timpul expunerii următoare. Timpul de schimbare rapidă trebuie să fie mult mai scurt decât timpul de expunere, altfel efectul de frotiu va fi prea puternic. Prin urmare, FT-CCD-urile fără obturator mecanic (deoarece sunt utilizate în mod normal) nu sunt potrivite pentru perioade de expunere foarte scurte. Unele camere video profesionale folosesc un obturator rotativ pentru a evita această problemă. Datorită zonei întunecate, un FT-CCD are nevoie de două ori mai multe celule (puțuri potențiale) decât pixelii și trebuie să fie, de asemenea, de două ori mai mare decât dimensiunea imaginii.

CCD de transfer interline (CCD IT)

Cu ajutorul IT-CCD-urilor, încărcarea fiecărui pixel este transferată pe partea unei celule tampon acoperite; acest lucru se întâmplă pentru toți pixelii în același timp. Abia atunci sarcinile sunt mutate pe banda întunecată (așa-numitul registru de transfer) și de acolo în direcția amplificatorului de citire. Nu este necesară nicio blocare mecanică; timpul de expunere poate fi controlat electronic, astfel încât pixelii sunt goliti și transferați la expunerea la registrul de transfer ( obturator electronic , obturator electronic englez ). Acest lucru permite timpi de expunere foarte scurți.

Suprafața sensibilă la lumină mai mică legată de proiectare (în comparație cu CCD-urile full-frame) și, prin urmare, o sensibilitate mai slabă la lumină este compensată cu CCD-urile mai noi de lentile convergente mici. Acestea se află deasupra fiecărui pixel și focalizează lumina, ceea ce crește din nou sensibilitatea la lumină a senzorului (tehnologia „obiectiv-pe-cip”).

Dezavantajul IT-CCD-urilor rezultă din timpul de staționare relativ lung al încărcărilor din celulele de memorie de lângă pixelii sensibili la lumină datorită citirii lente comparativ cu FT-CCD-urilor. Celulele de memorie ale registrului de transfer sunt acoperite, dar sunt încă sensibile la lumină. Prin difractie a undelor de lumina , fotoni pot ajunge la aceste celule si determina costuri perturbatoare. Acest lucru creează așa-numitul efect de frotiu .

Cadru de transfer interline CCD (FIT-CCD)

Senzorii FIT oferă o soluție pentru a ocoli efectul de frotiu : cu acest tip, încărcăturile stocate în celulele tampon sunt deplasate cât mai repede posibil într-o zonă întunecată. Prin urmare, combină principiul cipului FT și cel al cipului IT. Pe de o parte, celulele tampon se asigură că pixelii nu sunt expuși direct la lumină mai mult decât este necesar; pe de altă parte, sunt citiți relativ rapid din zona „deschisă” a cipului. Dezavantajul este că sunt necesare trei celule de memorie pentru fiecare pixel efectiv, ceea ce face aceste cipuri relativ scumpe. Cu toate acestea, îndepărtarea rapidă a sarcinilor este z. B. inevitabil cu camerele de mare viteză. Controlul expunerii se face și aici electronic.

Iluminare: iluminat față față vs. iluminat față spate

Cu majoritatea cipurilor CCD, partea superioară a plăcii de siliciu este iluminată, adică partea pe care au fost produse structurile semiconductoare ( CCD iluminat frontal ) . La suprafață există structuri care nu sunt sensibile la lumină (de exemplu, electrozi din siliciu policristalin). Mai presus de toate, lumina cu unde scurte (albastru, violet și ultraviolet) este deja parțial absorbită acolo. Aceste pierderi nu apar cu așa-numitele CCD - uri iluminate în partea din spate . Pentru a face acest lucru, partea din spate a plăcii de siliciu este măcinată până la o grosime de 10 până la 20 µm, apoi gravată și instalată cu „spatele” sensibil la lumină orientat în sus. Acest proces de fabricație este foarte scump, motiv pentru care CCD-urile iluminate din spate sunt utilizate numai acolo unde sensibilitatea ridicată (randament cuantic) pentru lumina cu unde scurte este importantă, de exemplu în spectroscopie sau astronomie. Un dezavantaj al CCD-urilor iluminate din spate este o sensibilitate spectrală inegală pentru lungimi de undă mai mari, deoarece lumina reflectată înainte și înapoi între suprafețe provoacă interferențe, ca în interferometrul Fabry-Perot ( etalonare ).

Senzori de culoare, filtre și dispunerea pixelilor

Eșantioane de culoare utilizate pentru CCD-uri color cu un singur cip
Senzor Bayer

Pentru detectarea imaginilor color, sunt necesari senzori cu pixeli cu sensibilitate spectrală diferită. După un calcul (întotdeauna necesar) al pixelilor cu poziții identice sau învecinate, se obțin informații despre luminozitate și culoare.

În prezent au fost stabilite două proceduri:

  • Sisteme care împart spectrul folosind o prismă dicroică și alimentează trei senzori CCD separați (senzor CCD cu trei cipuri),
  • Sisteme care utilizează un senzor care este prevăzut cu o mască de culoare absorbantă (de obicei sub forma matricei Bayer ),

Sistemele care utilizează diferitele adâncimi de penetrare a luminii roșii și albastre în siliciu (senzorul Foveon X3) nu sunt obișnuite cu senzorii CCD.

Senzori CCD cu trei cipuri

Senzorii CCD cu trei cipuri sunt utilizați în camerele video din gama medie de prețuri. Acestea sunt utilizate în camerele cu senzori relativ mici (1/6 "în sectorul amatorilor până la 2/3" în sectorul profesional). Acestea necesită optică cu o distanță focală mare de la aproximativ 1,6 diagonale ale senzorului pentru a avea spațiu pentru prisma dicroică . Pentru a face acest lucru, utilizează lumina captată în mod optim și oferă un raport semnal-zgomot bun și o calitate bună a culorilor, chiar și cu diagonale mici ale senzorului.

Prisma dicroică este situată în spatele lentilei și un senzor CCD este lipit de fiecare dintre suprafețele pe care apar separările de culoare. Producția acestui bloc prismatic echipat cu senzori CCD necesită o precizie ridicată pentru a asigura acoperirea separărilor de culoare.

Senzor Bayer

Senzorii CCD Bayer cu un singur cip sunt utilizați în camerele video de toate gamele de prețuri (1/4 ″ în sectorul amatorilor de până la 20 mm × 36 mm, în sectorul amatorilor, precum și în mediul profesional). În plus, aproape toate camerele (statice) de toate dimensiunile (1/3 ″ până la formatul mediu ) și gamele de prețuri (telefoanele mobile către camerele pentru câțiva 10.000 €) s-au bazat pe acest principiu - următoarea tehnologie alternativă cu utilizare mai largă este cea a senzorilor CMOS . Nu au cerințe focale de flanșă, dar tind să fie mai mari decât CCD-urile cu trei cipuri. Folosesc mai puțin lumina disponibilă și furnizează imagini de aceeași dimensiune cu un raport semnal / zgomot mai slab. Pe de altă parte, ele sunt mult mai compacte și permit o optică mai compactă decât senzorii CCD cu trei cipuri.

Filtru tăiat în infraroșu și filtru anti-aliasing

Ceea ce au în comun toți senzorii de culoare este că există un așa-numit filtru de blocare în infraroșu (de obicei direct) în fața senzorului. Dar acest filtru are mai multe funcții:

  • Blocarea completă a roșu îndepărtat de la 700 nm și radiații infraroșii (de unde și numele; aproape toți senzorii CCD sunt sensibili în infraroșul apropiat),
  • Senzația de sensibilitate spectrală a ochiului (de aceea aceste filtre arată cyan) prin creșterea absorbției în intervalul spectral roșu încă vizibil peste 580 nm,
  • Blocarea luminii violete și ultraviolete sub 420 nm dacă senzorul este încă sensibil la aceste lungimi de undă.

Fără acest filtru, zonele albastru intens și roșu intens sunt afișate prea luminos pentru observatorul uman. Obiectele fierbinți, dar nu strălucitoare (lipitoare) sunt, de asemenea, afișate prea luminos și în culori nenaturale. Obiectele care reflectă sau emit lumină infraroșie sau ultravioletă sunt afișate în culori incorecte.

Un anti-aliasing filtru este necesar pentru senzori Bayer și alți senzori de culoare single-CCD pentru a distribui lumina zonele învecinate, pixelii diferit sensibili la culoare. Fără acest filtru, de exemplu, un punct luminos alb sau o linie strălucitoare albă ar putea fi mapate la pixeli de o singură culoare cu o imagine foarte clară; aceste obiecte ar fi apoi afișate în imagine ca fiind colorate. În plus, filtrele anti-aliasing împiedică apariția unor scări ca liniile sau marginile care se deplasează la un unghi mic față de rândurile de pixeli. Filtrul anti-aliasing este asociat cu o ușoară reducere a clarității imaginii.

Filtrele antialiasing și blocarea infraroșu sunt adesea combinate sau cimentate între ele.

Dispunerea pixelilor senzorilor monocromi și de culoare

Compararea diferitelor geometrii ale pixelilor

De departe, cea mai mare cotă de piață au senzori cu pixeli pătrați, care sunt furnizați cu filtre de culoare RGGB (model Bayer). Cu toate acestea, sunt posibile și alte forme de pixeli (dreptunghiulare, hexagonale, triunghiulare, rombice, octogonale + pătrate) și alte modele de filtrare a culorilor (monocrom, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, aranjament Super-CCD-EXR). Unul dintre aceste modele este senzorul Super-CCD (brevet Fuji) cu un aranjament pe fagure de pixeli octogonali decalați unul de altul, care sunt mai apropiați între ei și aduc astfel un număr mai mare de pixeli pe o anumită zonă. Dimensiunea lentilelor situate deasupra suprafețelor senzorului poate fi eterogenă, astfel încât să se poată obține o dinamică semnificativ crescută.

Eșec de detectare

Erori sistematice și calibrare

Diferențe de luminozitate

Pentru a putea compensa diferențele de luminozitate din imagine cauzate de contaminarea pe cipul CCD ( praf ), sensibilitatea inegală a pixelilor sau optica utilizată ( vignetare , reflexii ), imaginea înregistrată este împărțită la o imagine albă ( imagine albă sau corecție de câmp plat) și înmulțită cu valoarea medie a imaginii albe. Pentru a elimina zgomotul imaginii rezultat din curentul întunecat, o imagine întunecată este scăzută în prealabil (corectarea imaginii întunecate sau a cadrului întunecat) pentru înregistrări pe termen lung (de exemplu, în astrofotografie ). Rezultatul este o imagine calibrată .

Imaginile arată calibrarea folosind exemplul unei înregistrări astronomice:

  • Imaginea brută prezintă numeroși „ pixeli fierbinți ”, care duc la o imagine foarte zgomotoasă. Stelele slabe se pierd în acest zgomot. Petele întunecate din imaginea brută sunt cauzate de praful din camera CCD.
  • Imaginea întunecată a fost realizată cu același timp de expunere și temperatură de funcționare ca și imaginea brută, dar cu declanșatorul camerei închis . Înregistrează astfel curentul întunecat care s-a acumulat în timpul de expunere corespunzător .
  • Imaginea albă a fost făcută cu instrumentul îndreptat către o zonă iluminată uniform. Detectează nereguli în iluminarea imaginii (de exemplu datorită prafului) și în sensibilitatea pixelilor individuali.
  • Aceste defecte au fost corectate în imaginea calibrată. Stele slabe pot fi văzute și aici. Imaginea calibrată poate fi utilizată pentru analize cantitative , de exemplu pentru măsurarea strălucirii aparente a stelelor. Fără calibrare, o astfel de măsurare ar conduce la valori măsurate incorecte.

Nereguli în fereastra CCD

În special cu lumină coerentă, se poate întâmpla ca procesarea necorespunzătoare a ferestrei CCD, care protejează senzorul de praf, să conducă la modele de interferență nedorite. Această problemă poate fi remediată prin nu construirea planului-paralel al ferestrei , ci prin înclinarea unei părți a ferestrei la un anumit unghi față de cealaltă parte. Dacă un fascicul lovește partea din față a ferestrei, acesta apare ușor înclinat spre senzorul din spate, astfel încât unghiul exact de ieșire poate fi calculat cu Snellius . Cu toate acestea, fasciculul se reflectă alternativ și în față și în spate în interiorul ferestrei și iese din fereastră din nou în direcția senzorului în alte puncte. Dacă, din motive de simplitate, sunt observate doar două raze parțiale care ies din fereastră, fronturile de undă ale razelor formează un model moiré . Dacă unghiul de înclinare este adecvat, benzile maxime ale modelului se mișcă atât de aproape încât nu mai pot fi rezolvate de pixelii individuali.

Erori statistice și zgomot

Cei mai importanți parametri pentru caracterizarea calității cipurilor CCD sunt:

  • Randamentul cuantic , adică probabilitatea ca un incident foton va declanșa un electron. Randamentul cuantic al CCD-urilor depinde de lungimea de undă a luminii și poate fi peste 90% ( peliculă fotografică pentru comparație: 5% până la 10%).
  • Curentul întunecat al celulelor sensibile la lumină. Curentul întunecat este puternic dependent de temperatură și, datorită proprietăților sale statistice, duce la zgomotul curentului întunecat. Este diferit individual pentru toți pixelii și este o sursă de zgomot al imaginii . Pot apărea și „ pixeli fierbinți ” individuali , adică pixeli cu un curent întunecat deosebit de mare.
  • Numărul de încărcări care pot fi stocate într-un pixel ( capacitate completă sau adâncime ).
  • Comportamentul atunci când supraexpunerea generează mai multă încărcare în pixeli individuali decât poate fi stocată. Dacă taxa se transferă în pixeli vecini, aceasta se numește „ înflorire ”. Multe camere CCD evită acest efect prin devierea sarcinilor în exces („poarta anti-înflorire”), dar acest lucru poate provoca, de asemenea, pierderea încărcării înainte ca un pixel să fie cu adevărat plin. Relația dintre cantitatea de lumină și sarcină nu mai este atunci liniară, iar măsurători precise nu mai sunt posibile.
  • Eficiența transferului de încărcare către amplificatorul de citire ( Charge Transfer Efficiency ).
  • Zgomotul amplificator de citire (citire zgomot ).

Cu camerele extrem de sensibile, curentul întunecat și zgomotul sunt reduse prin răcirea cipului CCD. Zgomotul curentului întunecat poate fi, de exemplu, redus la sub trei electroni pe pixel și oră prin răcire cu azot lichid.

Informații despre dimensiune

Dimensiunea zonei fotosensibile de pe cip este foarte importantă pentru calitatea imaginii. Cu aceeași rezoluție (numărul de pixeli), aria celulelor este proporțională cu aria cipului. Cu cât celulele sunt mai mari, cu atât mai mulți fotoni se lovesc pe celulă, ceea ce crește sensibilitatea la lumină. Deoarece nu toate semnalele care interferează cresc cu aria unei celule, un cip mai mare are un raport semnal-zgomot mai bun . În plus, celulele mai mari pot colecta mai mulți electroni și, astfel, au un interval dinamic mai mare.

În plus față de specificațiile metrice directe ale zonei active (de exemplu, 16 mm × 24 mm), s -a păstrat tradiția din timpul tuburilor de preluare a imaginii, în care diametrul exterior al becului de sticlă în inci (de exemplu, 2 / 3 ") este utilizat pentru a indica dimensiunea utilizată. Cu toate acestea, zona sensibilă la lumină a tuburilor a fost semnificativ mai mică decât diametrul exterior al tuburilor: De exemplu, un tub de 1 ″ avea o zonă activă cu o diagonală a imaginii de aproximativ 16 mm. Prin definiție, un cip CCD de 1 "are aceeași diagonală a ecranului ca un tub de 1".

Dimensiunile obișnuite pentru tuburile clasice ale camerelor, precum și pentru senzorii video CCD sunt pentru camerele video profesionale de 2/3 "(diagonala de 11 mm) și 1/2" (diagonala de 8 mm), pentru dispozitivele prosumer de 1/3 "(diagonala de 5,5 mm) și senzori chiar mai mici (1/4 "sau 1/6") pentru dispozitive de larg consum sau camere de telefonie mobilă. Camerele digitale mici folosesc adesea senzori de 1 / 2,3 ″ (aproximativ 7 mm în diagonală), camerele digitale SLR folosesc de obicei un format similar cu cel al APS-C (aproximativ 28 mm în diagonală) sau, în gama de prețuri mai mare, un format similar la formatul de fotografie de 35 mm pe film.

Aplicații

Senzor de culoare CCD al unei camere compacte pe o placă de circuit flexibilă

Achizitie de imagini

Senzori CCD pot fi fabricate pentru vizibile lungimi de undă precum și pentru apropiere în infraroșu , UV și cu raze X game . Aceasta extinde spectrul pentru aplicații speciale de la 0.1 pm la aproximativ 1100 nm. Limita la lungimi de undă lungi este limitată de spațiul de bandă al materialului semiconductor (aproximativ 1,1 eV pentru Si și 0,66 eV pentru Ge). Prin urmare, ele pot fi utilizate într-o varietate de moduri în științele naturii și în tehnologie. În special în astronomie , ei au deplasat în mare măsură alte receptoare de imagine, cum ar fi plăcile foto , într-un stadiu incipient, deoarece sensibilitatea lor ridicată permite, de asemenea, observarea obiectelor foarte slabe. Alte avantaje sunt sensibilitatea sa spectrală largă, gama dinamică ridicată (adică capacitatea de a capta zone foarte slabe și foarte luminoase ale unei imagini în același timp) și faptul că informațiile despre imagine sunt obținute digital, de exemplu în fotometrie (măsurarea luminozității) ) și aplicarea metodelor sofisticate de procesare a imaginii este un avantaj.

Camerele digitale CCD au provocat, de asemenea, o revoluție în fotografia generală . Odată cu creșterea numărului de pixeli, posibilele utilizări ale senzorilor de imagine CCD s-au extins pentru a include practic toate aplicațiile fotografice. Camerele foto profesionale analogice au fost deja înlocuite în multe domenii de senzori CCD cu 5 până la 18 megapixeli , ceea ce este cu atât mai adevărat pentru camerele digitale (reflex cu un singur obiectiv) în format mediu și tot mai mult în format mic, cu 30 și mai mulți megapixeli.

CMOS vs. CCD

În tehnologia foto , senzorii CMOS , cu care erau echipate anterior doar dispozitivele ieftine „low-end”, au înlocuit senzorii CCD în sectorul de înaltă calitate după 2005. Dezavantajele majore ale CMOS (zgomot, sensibilitate mai mică) au fost în mare măsură minimizate sau reduse la un nivel comparabil, astfel încât senzorii CMOS au deplasat complet senzorii CCD în zona camerelor digitale digitale cu un singur obiectiv (de ex. Canon EOS-1Ds 2002, Nikon D2X 2004, Nikon D300 2007). Având (pentru zona de aplicație) o calitate a imaginii comparabilă, avantajele tehnologiei senzorului CMOS predomină aici (citire mai rapidă și controlată de zonă, aproape nicio înflorire etc.). Senzorii CCD, pe de altă parte, se găsesc în spatele digital și camerele de format mediu cu rezoluții foarte mari (40 megapixeli și mai mari), care își pot exploata pe deplin avantajele aici. Chiar și în camerele digitale compacte și bridge de înaltă calitate , senzorii CCD au fost utilizați aproape exclusiv până în 2010 ( Canon Powershot S100 cu CMOS în 2011, Powershot G1X 2012).

Tehnologia video

În camerele video , senzorii CCD înlocuiesc vechiul principiu al tubului ( Ikonoskop , Vidicon ). Rezoluția clasică a camerelor video la PAL - sau NTSC - standard , este de 440.000 pixeli (CCIR / PAL) sau 380000 pixeli (EIA / NTSC) si frame - rate de 25 Hz (CCIR / PAL) sau 30 Hz (EIA / NTSC).

CCD intensificat, CCD închis

CCD-urile pot fi acționate cu un intensificator de imagine în fața lor și apoi sunt denumite CCD intensificat (iCCD). Pentru a face acest lucru, lumina lovește mai întâi un fotocatod; fluxul de electroni eliberat este multiplicat într-o placă microcanală (MCP) , de exemplu , și lovește un ecran fluorescent. De acolo, de exemplu, lumina este direcționată către CCD prin fibră optică . Datorită sensibilității ridicate a CCD-urilor actuale, CCD-urile intensificate nu oferă niciun câștig de sensibilitate cu timpi de expunere lungi (randamentul cuantic al fotocatozilor este chiar mai mic decât cel al celor mai bune CCD-uri). Deoarece cele mai sensibile CCD-uri au o viteză de citire relativ mică, iCCD-urile pot fi avantajoase la rate de cadre mari (de exemplu, video). CCD-urile intensificate permit, de asemenea, timpi de expunere foarte scurte de până la 0,2  ns , care nu sunt în niciun caz realizabile doar cu un CCD. Pentru a face acest lucru, pe placa microcanal se aplică un impuls de scurtă tensiune. Acest aranjament este cunoscut sub numele de CCD gated .

EBCCD

CCD-urile nu sunt doar sensibile la radiațiile electromagnetice, ci și la radiațiile de particule ionizante, deoarece generează, de asemenea, perechi electron-gaură. „ Back-iluminate “, CCD - uri care sunt folosite ca senzori pentru electroni incident, sunt , de asemenea , cunoscut sub numele de ebCCD ( electroni bombardate CCD ). O aplicație a acestor senzori este ca un amplificator de lumină reziduală: Electronii provin dintr-un fotocatod și sunt accelerați la un senzor ebCCD prin intermediul unei tensiuni aplicate, astfel încât sunt generate mai multe perechi electron-gaură pentru fiecare electron incident.

literatură

  • Gerald C. Holst: tablouri CCD, camere și afișaje. Editura JCD, Winter Park 1996, ISBN 0-9640000-2-4 .

Link-uri web

Commons : Dispozitive cuplate la încărcare  - colecție de imagini, videoclipuri și fișiere audio

Dovezi individuale

  1. ^ WS Boyle, GE Smith: Dispozitive semiconductoare cuplate de încărcare deadapted . În: Jurnalul tehnic al sistemului Bell (BSTJ) . Vol. 49, 1970, ISSN  0005-8580 , pp. 587-593 ( PDF ).
  2. GF Amelio, MF Tompsett, GE Smith: verificarea experimentală a conceptului de dispozitiv cuplat de încărcare . În: Jurnalul tehnic al sistemului Bell (BSTJ) . bandă 49 , 1970, ISSN  0005-8580 , pp. 593-600 .
  3. ^ Premiul Nobel pentru fizică 2009. Accesat la 18 aprilie 2018 .
  4. DF Barbe: Dispozitive de imagistică care utilizează conceptul de cuplare a încărcării . În: Proceedings of the IEEE . Vol. 63, nr. 1 . New York 1975, p. 38-67 . ISSN 0018-9219  
  5. The CCD Image Sensor, Thomson-CSF Division Silicon, broșură de aplicație DTE-145