Ladungsgekoppelte Gerät

Eine speziell entwickelte CCD in einem von Draht gebundenen Paket für verwendet für Ultraviolett Bildgebung

A Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) ist ein Integrierter Schaltkreis enthält eine Reihe von verknüpften oder gekoppelten, Kondensatoren. Unter der Kontrolle eines externen Schaltkreises kann jeder Kondensator seine übertragen elektrische Ladung zu einem benachbarten Kondensator. CCD -Sensoren sind eine wichtige Technologie in digitale Bildbearbeitung.

In einem CCD Bildsensor, Pixel sind dargestellt von p-dotiert Metal -Oxid -Jemonductor (Mos) Kondensatoren. Diese MOS -Kondensatoren, die grundlegenden Bausteine ​​eines CCD,[1] sind über dem Schwellenwert für die Inversion beim Beginn der Bildaufnahme vorein Photonen in Elektronenladungen an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche; Der CCD wird dann verwendet, um diese Gebühren vorzulesen. Obwohl CCDs nicht die einzige Technologie sind, die eine Lichterkennung ermöglicht, werden CCD-Bildsensoren in professionellen, medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen häufig verwendet, bei denen hochwertige Bilddaten erforderlich sind. In Anwendungen mit weniger anspruchsvollen Qualitätsanforderungen wie Verbraucher und Profi Digitalkameras, aktive Pixelsensoren, auch bekannt als CMOS -Sensoren (Komplementäre MOS -Sensoren) werden im Allgemeinen verwendet. Der große Qualitätsvorteil, den CCDs frühzeitig genossen haben, hat sich im Laufe der Zeit verengt. Seit den späten 2010er Jahren sind CMOS -Sensoren die dominierende Technologie, die weitgehend, wenn nicht sogar die CCD -Bildsensoren vollständig ersetzt.

Geschichte

Die Grundlage für das CCD ist die Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) Struktur,[2] mit MOS -Kondensatoren Die grundlegenden Bausteine ​​eines CCD sein,[1][3] und ein erschöpft MOS -Struktur als die als die verwendet Fotodetektor In frühen CCD -Geräten.[2][4]

In den späten 1960er Jahren, Willard Boyle und George E. Smith Bei Bell Labs recherchierte die MOS -Technologie, während er daran arbeitete Halbleiter Blasengedächtnis. Sie erkannten, dass eine elektrische Ladung die Analogie der Magnetblase war und dass sie auf einem winzigen Mos -Kondensator gelagert werden konnte. Wie es ziemlich einfach war fabrizieren Als eine Reihe von MOS -Kondensatoren in Folge verbanden sie eine geeignete Spannung mit ihnen, damit die Ladung von einem zum nächsten entlanggetreten werden konnte.[3] Dies führte 1969 zur Erfindung des von Boyle und Smith angeklagten Geräts von Ladung.[5][6]

Das erste Papier, das das Konzept im April 1970 beschreibt, mögliche Verwendungen als Erinnerung, eine Verzögerungslinie und ein Bildgebungsgerät.[7] Das Gerät könnte auch als als verwendet werden Schieberegister. Die Essenz des Designs war die Fähigkeit, die Ladung entlang der Oberfläche eines Halbleiters von einem Lagerkondensator zum nächsten zu übertragen. Das Konzept war grundsätzlich ähnlich wie Bucket-Brigade-Gerät (BBD), das bei entwickelt wurde bei Philips Research Labs In den späten 1960er Jahren.

Das erste experimentelle Gerät, das das Prinzip zeigt oxidiert Silizium Oberfläche elektrisch von Drahtbindungen zugänglich. Es wurde von demonstriert von Gil Amelio, Michael Francis Tompsett und George Smith im April 1970.[8] Dies war die erste experimentelle Anwendung des CCD in Bildsensor Technologie und verwendete eine abgereicherte MOS -Struktur als Fotodetektor.[2] Der Erste Patent (US -Patent 4.085.456) Bei der Anwendung von CCDs auf die Bildgebung wurde Tompsett zugewiesen, der 1971 den Antrag einreichte.[9]

Der erste funktionierende CCD mit Integrierter Schaltkreis Die Technologie war ein einfaches 8-Bit-Schaltregister, das von Tompsett, Amelio und Smith im August 1970 berichtet wurde.[10] Dieses Gerät hatte Eingangs- und Ausgangsschaltungen und wurde verwendet, um seine Verwendung als Schaltregister und als grobe acht zu demonstrieren Pixel Lineare Bildgebungsvorrichtung. Die Entwicklung des Geräts ging schnell voran. Bis 1971 konnten Bell -Forscher unter der Leitung von Michael Tompsett Bilder mit einfachen linearen Geräten aufnehmen.[11] Mehrere Unternehmen, einschließlich Fairchild Semiconductor, RCA und Texas Instrumente, nahm die Erfindung auf und begann mit Entwicklungsprogrammen. Fairchilds Bemühungen unter der Leitung des Ex-Bell-Forschers Gil Amelio war das erste mit kommerziellen Geräten, und 1974 hatte ein lineares 500-Element-Gerät und ein 2D 100 × 100 Pixel-Gerät. Steven Sasson, ein Elektroingenieur für Kodakerfand die erste Digital Still Kamera mit einem Fairchild 100 × 100 CCD im Jahr 1975.[12]

Das CCD -Gerät der Interline -Transfer (ILT) wurde 1973 von L. Walsh und R. Dyck in Fairchild vorgeschlagen, um den Abstrich zu reduzieren und einen Mechanik zu beseitigen Verschluss. Um den Abstrich aus hellem Licht weiter zu reduzieren, wurde die CCD-Architektur von Rahmeninterline-Transfer (FIT) von K. Horii, T. Kuroda und T. Kunii bei entwickelt Matsushita (jetzt Panasonic) 1981.[2]

Der Erste KH-11 Kennen Aufklärungssatelliten mit Ladungsgeräte-Array (Ladungsgekoppelte Gerätearray (800 × 800 Pixel)[13] Die Technologie für die Bildgebung wurde im Dezember 1976 eingeführt.[14] Unter der Führung von Kazuo Iwama, Sony begann einen großen Entwicklungsaufwand für CCDs mit erheblichen Investitionen. Schließlich gelang es Sony, CCDs für ihre Massenproduktion zu produzieren Camcorder. Bevor dies geschah, starb Iwama im August 1982; Anschließend wurde ein CCD -Chip an seinem Grabstein gestellt, um seinen Beitrag anzuerkennen.[15] Die erste Massenproduktion von Verbrauchern CCD Videokamera, der CCD-G5, wurde 1983 von Sony veröffentlicht, basierend auf einem Prototyp, der von entwickelt wurde Yoshiaki Hagiwara 1981.[16]

Frühe CCD -Sensoren litten unter Verschlussverzögerung. Dies wurde größtenteils mit der Erfindung der Fast Photodiode (PPD).[2] Es wurde von erfunden von Nobukazu TeranishiHiromitsu Shiraki und Yasuo Ishihara bei NEC 1980.[2][17] Sie erkannten, dass die Verzögerung beseitigt werden kann, wenn die Signalträger von der übertragen werden könnten Fotodiode zum CCD. Dies führte zu ihrer Erfindung der festgesteckten Fotodiode, einer Fotodetektorstruktur mit niedriger Verzögerung, niedrig Lärm, hoch Quanteneffizienz und tief dunkle Strömung.[2] Es wurde erstmals 1982 von Teranishi und Ishihara mit A. Kohono, E. Oda und K. Arai mit A. Kohono, mit der Zugabe einer Anti-Blooming-Struktur berichtet.[2][18] Die neue Fotodetektorstruktur, die bei NEC erfunden wurde, erhielt den Namen "Pinned Photodiode" (PPD) von B.C. Burkey in Kodak im Jahr 1984. 1987 wurde die PPD in die meisten CCD -Geräte eingebaut und wurde zu einer Festung in Unterhaltungselektronik Videokameras und dann Digital noch Kameras. Seitdem wurde die PPD in fast allen CCD -Sensoren und dann in den Sensoren verwendet CMOS -Sensoren.[2]

Im Januar 2006 erhielten Boyle und Smith die Nationale Akademie des Ingenieurwesens Charles Stark Draper -Preis,[19] und 2009 wurden sie mit dem ausgezeichnet Nobelpreis für Physik[20] für ihre Erfindung des CCD -Konzepts. Michael Tompsett wurde 2010 ausgezeichnet Nationale Medaille für Technologie und Innovation, für wegweisende Arbeiten und elektronische Technologien, einschließlich des Designs und der Entwicklung der ersten CCD -Imager. Er wurde auch mit dem 2012 ausgezeichnet IEEE Edison Medal für "wegweisende Beiträge zu Bildgebungsgeräten, einschließlich CCD -Imaglern, Kameras und thermischen Imagern".

Grundlagen des Betriebs

Die Ladungspakete (Elektronen, blau) werden in gesammelt potenzielle Brunnen (Gelb) Erzeugt durch Anwenden positiver Spannung an den Gate -Elektroden (g). Die positive Spannung auf die Gate -Elektrode in der richtigen Sequenz überträgt die Ladungspakete.

In einem CCD zum Aufnehmen von Bildern gibt es eine photoaktive Region (eine Epitaxial Siliziumschicht und eine Übertragungsregion aus a Schieberegister (Der CCD, richtig gespielt).

Ein Bild wird durch a projiziert Linse auf das Kondensatorarray (den photoaktiven Bereich), wodurch jeder Kondensator eine elektrische Ladung ansammelt, die proportional zur hell Intensität an diesem Ort. Ein eindimensionales Array, das in Linien-Scan-Kameras verwendet wird, erfasst ein einzelnes Bildschicht, während ein zweidimensionales Array, das in Video und immer noch Kameras verwendet wird, ein zweidimensionales Bild erfasst des Sensors. Sobald das Array dem Bild ausgesetzt ist, veranlasst ein Steuerkreis, dass jeder Kondensator seinen Inhalt auf seinen Nachbarn übertragen (als Schaltregister). Der letzte Kondensator im Array legt seine Ladung in a Verstärker aufladen, was die Ladung in a umwandelt Stromspannung. Durch die Wiederholung dieses Vorgangs wandelt der Steuerkreis den gesamten Inhalt des Arrays im Halbleiter in eine Sequenz von Spannungen um. In einem digitalen Gerät werden diese Spannungen dann abgetastet, digitalisiert und normalerweise im Speicher gespeichert. In einem analogen Gerät (z. B. einer analogen Videokamera) werden sie in ein kontinuierliches analoges Signal verarbeitet (z. Übertragung, Aufzeichnung oder andere Verarbeitung.[21]

Detaillierte Betriebsphysik

Sony ICX493AQA 10.14-Megapixel APS-C (23,4 × 15,6 mm) CCD aus der Digitalkamera Sony α DSLR-A200 oder DSLR-A300, Sensorseite

Ladungserzeugung

Bevor die MOS -Kondensatoren Licht ausgesetzt sind, sind sie es sich voreingenommen in die Erschöpfungsregion; In N-Kanal-CCDs ist das Silizium unter dem Bias-Tor leicht p-dopiert oder intrinsisch. Das Tor wird dann mit einem positiven Potential über der Schwelle für eine starke Inversion verzerrt, was schließlich zur Schaffung von einem führen wird n Kanal unter dem Tor wie in a Mosfet. Es braucht jedoch Zeit, um dieses thermische Gleichgewicht zu erreichen: bis zu Stunden in High-End-wissenschaftlichen Kameras, die bei niedriger Temperatur gekühlt wurden.[22] Zunächst nach der Verzerrung werden die Löcher weit in das Substrat gedrückt, und es befinden sich keine mobilen Elektronen an oder in der Nähe der Oberfläche. Der CCD arbeitet somit in einem Nicht-Gleichgewichtszustand, der als tiefe Erschöpfung bezeichnet wird.[23] Dann wenn Elektronenlochpaare werden im Abbaubereich erzeugt, sie werden durch das elektrische Feld getrennt, die Elektronen bewegen sich zur Oberfläche und die Löcher in Richtung des Substrats. Es können vier Paarer-Generationsprozesse identifiziert werden:

  • Foto-Generation (bis zu 95% von Quanteneffizienz),
  • Generierung in der Verarmung Region,
  • Generation an der Oberfläche und
  • Generation in der neutralen Masse.

Die letzten drei Prozesse werden als dunkle Stromerzeugung bezeichnet und fügen dem Bild Rauschen hinzu. Sie können die gesamte nutzbare Integrationszeit einschränken. Die Akkumulation von Elektronen an oder in der Nähe der Oberfläche kann entweder fortgesetzt werden, bis die Bildintegration vorbei ist und die Ladung übertragen wird oder das thermische Gleichgewicht erreicht wird. In diesem Fall soll der Brunnen voll sein. Die maximale Kapazität jedes Brunnens wird als die Bohrlochtiefe bezeichnet.[24] Typischerweise ca. 105 Elektronen pro Pixel.[23]

Design und Fertigung

Die photoaktive Region eines CCD ist im Allgemeinen ein Epitaxial Schicht von Silizium. Es ist leicht p dotiert (normalerweise mit Bor) und wird auf a gezüchtet Substrat Material, oft P ++. In Buried-Channel-Geräten sind die Art des Designs, der in den meisten modernen CCDs verwendet wird, bestimmte Bereiche der Oberfläche des Siliziums Ionen implantiert mit Phosphor, geben ihnen eine n-dotierte Bezeichnung. Diese Region definiert den Kanal, in dem die fotogenerierten Ladungspakete reisen. Simon Sze Einzelheiten Sie die Vorteile eines Buried-Channel-Geräts:[23]

Diese dünne Schicht (= 0,2–0,3 Mikrometer) ist vollständig erschöpft und die akkumulierte photogenerierte Ladung wird von der Oberfläche ferngehalten. Diese Struktur hat die Vorteile einer höheren Übertragungseffizienz und einem niedrigeren Dunkelstrom durch verringerte Oberflächenrekombination. Die Strafe ist eine geringere Ladungskapazität mit einem Faktor von 2–3 im Vergleich zum Oberflächenkanal-CCD.

Das Toroxid, d. H. Das Kondensator Dielektrikum, wird auf der epitaxialen Schicht und dem Substrat gezüchtet.

Später im Prozess, Polysilicium Tore werden von deponiert von chemische Gasphasenabscheidung, gemustert mit Photolithographieund geätzt so, dass die separat Phased Tore senkrecht zu den Kanälen liegen. Die Kanäle werden weiter durch die Verwendung der definiert Lokus verarbeiten, um die zu produzieren Kanalstopp Region.

Kanalstopps werden thermisch angebaut Oxide die dazu dienen, die Ladungspakete in einer Spalte von denen in einer anderen zu isolieren. Diese Kanalstopps werden erzeugt, bevor sich die Polysilicon-Tore befinden, da der Lokus-Prozess einen Hochtemperaturschritt verwendet, der das Gate-Material zerstören würde. Die Kanalstopps sind parallel zu und ausschließlich des Kanals oder "Ladungsträgers", Regionen.

Kanalstopps haben häufig einen p+ dotierten Bereich, der ihnen zugrunde liegt und eine weitere Barriere für die Elektronen in den Ladungspaketen liefert (in dieser Diskussion der Physik von CCD -Geräten wird eine vorausgesetzt Elektron Übertragungsvorrichtung, obwohl die Lochübertragung möglich ist).

Die Takt der Tore, abwechselnd hoch und niedrig, wird die Diode, die vom begrabenen Kanal (n-dotiert) und der Epitaxialschicht (P-dotiert) bereitgestellt wird, weiterleiten und umkehren. Dies führt dazu, dass der CCD in der Nähe des P - N Junction und sammelt und verschiebt die Ladungspakete unter den Toren - und innerhalb der Kanäle - des Geräts.

CCD -Herstellung und -betrieb können für unterschiedliche Verwendungen optimiert werden. Der obige Vorgang beschreibt einen Rahmenübertragungs -CCD. Während CCDs auf einem stark dotierten P ++-Wafer hergestellt werden können, ist es auch möglich, ein Gerät in P-Wells herzustellen, das auf einem N-Wafer platziert wurde. Diese zweite Methode reduziert Berichten zufolge den Abstrich, dunkle Strömung, und Infrarot und rote Reaktion. Diese Herstellungsmethode wird beim Bau von Interline-Transfer-Geräten verwendet.

Eine andere Version von CCD wird als peristaltisches CCD bezeichnet. In einem peristaltischen ladungsgekoppelten Gerät ist der Ladungspaketübertragungsvorgang analog zur peristaltischen Kontraktion und Dilatation der Verdauungstrakt. Der peristaltische CCD hat ein zusätzliches Implantat, das die Ladung vom Silizium fernhält/Siliciumdioxid Schnittstelle und erzeugt ein großes seitliches elektrisches Feld von einem Tor zum nächsten. Dies bietet eine zusätzliche treibende Kraft, um die Übertragung der Ladungspakete zu unterstützen.

Die Architektur

CCD von einem 2.1-Megapixel Argus Digitalkamera
Eindimensionaler CCD-Bildsensor von a Faxgerät

Die CCD -Bildsensoren können in verschiedenen Architekturen implementiert werden. Am häufigsten sind Vollrahmen, Frame-Transfer und Interline. Das Unterscheidungsmerkmal jeder dieser Architekturen ist ihre Herangehensweise an das Problem des Schaltens.

In einem Vollbildgerät ist der gesamte Bildbereich aktiv und es gibt keinen elektronischen Verschluss. Ein mechanischer Verschluss muss zu diesem Sensortyp oder dem Bildabstrich hinzugefügt werden, wenn das Gerät getaktet oder vorgelesen wird.

Mit einem Frame-Transfer-CCD ist die Hälfte des Siliziumbereichs von einer undurchsichtigen Maske (typischerweise Aluminium) bedeckt. Das Bild kann schnell vom Bildbereich in den undurchsichtigen Bereich oder die Speicherregion mit akzeptablen Abstriche von einigen Prozent übertragen werden. Dieses Bild kann dann langsam aus der Speicherregion vorlesen, während ein neues Bild in den aktiven Bereich integriert oder freigeht. Frame-Transfer-Geräte erfordern normalerweise keinen mechanischen Verschluss und waren eine gemeinsame Architektur für frühe Festkörper-Rundfunkkameras. Der Nachteil der Frame-Transfer-Architektur besteht darin, dass die doppelte Silizium-Immobilie eines äquivalenten Vollbildgeräts erforderlich ist. Daher kostet es ungefähr doppelt so viel.

Die Interline -Architektur erweitert dieses Konzept um einen Schritt weiter und maskiert jede andere Spalte des Bildsensors zur Speicherung. In diesem Gerät muss nur eine Pixelverschiebung auftreten, um vom Bildbereich auf den Speicherbereich zu übertragen. Die Verschlusszeiten können also weniger als eine Mikrosekunde betragen und der Abstrich wird im Wesentlichen beseitigt. Der Vorteil ist jedoch nicht frei, da der Bildgebiet jetzt von undurchsichtigen Streifen bedeckt ist, die das fallen lassen Füllfaktor auf ca. 50 Prozent und die wirksam Quanteneffizienz durch eine äquivalente Menge. Moderne Designs haben dieses schädliche Merkmal angesprochen, indem sie Mikrolensen auf der Oberfläche des Geräts hinzugefügt haben, um Licht von den undurchsichtigen Regionen und auf dem aktiven Bereich zu lenken. Mikrolensen können den Füllfaktor je nach Pixelgröße und optischem Design des Gesamtsystems auf 90 Prozent oder mehr bringen.

Die Wahl der Architektur hängt von Nutzen ab. Wenn die Anwendung einen teuren, fehleranfälligen, leistungsintensiven mechanischen Verschluss nicht tolerieren kann, ist ein Interline-Gerät die richtige Wahl. Verbraucher-Snap-Shot-Kameras haben Interline-Geräte verwendet. Andererseits ist das Vollbild-Gerät die richtige Wahl. Astronomen neigen dazu, Geräte mit Vollbild zu bevorzugen. Der Frame-Transfer fällt dazwischen und war eine gemeinsame Wahl, bevor das Füllfaktorproblem von Interline-Geräten behandelt wurde. Heute wird Frame-Transfer normalerweise ausgewählt, wenn keine Interline-Architektur verfügbar ist, z.

CCDs mit Gittern von Pixel werden in verwendet Digitalkameras, Optische Scannerund Videokameras als lichtempfindliche Geräte. Sie reagieren normalerweise auf 70 Prozent der Vorfall Licht (dh eine Quanteneffizienz von etwa 70 Prozent), was sie weitaus effizienter macht als fotografischen Film, was nur etwa 2 Prozent des einfallenden Lichts festhält.

Die häufigsten Arten von CCDs sind empfindlich gegenüber nahezu Infrarotlicht, was dies zulässt Infrarotfotografie, Nachtsicht Geräte und Null Lux (oder in der Nähe von null lux) Videoaufzeichnung/Fotografie. Bei normalen Detektoren auf Siliziumbasis ist die Empfindlichkeit auf 1,1 μm begrenzt. Eine andere Folge ihrer Empfindlichkeit gegenüber Infrarot ist das Infrarot von Fernbedienungen Oft tritt auf CCD-basierte Digitalkameras oder Camcorder auf, wenn sie keine Infrarotblocker haben.

Das Abkühlen reduziert die Array des Arrays dunkle StrömungVerbesserung der Empfindlichkeit der CCD gegenüber niedrigen Lichtintensitäten, selbst für ultraviolette und sichtbare Wellenlängen. Professionelle Observatorien kühlen ihre Detektoren oft mit Flüssigstickstoff um den dunklen Strom und damit den dunklen Strom zu reduzieren Thermisches Rauschen, zu vernachlässigbaren Niveaus.

Rahmenübertragung CCD

Ein Rahmentransfer -CCD -Sensor

Der Rahmentransfer -CCD -Imager war die erste Bildgebungsstruktur, die von Michael Tompsett bei Bell Laboratories für die CCD -Bildgebung vorgeschlagen wurde. EIN Rahmenübertragung CCD ist ein spezialisiertes CCD, das oft in verwendet wird Astronomie und einige Professionelle Videokamerasfür hohe Belichtungseffizienz und Korrektheit.

Das normale Funktionieren eines astronomischen oder anderweitigen CCD kann in zwei Phasen unterteilt werden: Exposition und Anzeige. Während der ersten Phase sammelt das CCD passiv eingebaut Photonen, speichern Elektronen in seinen Zellen. Nachdem die Expositionszeit überschritten wurde, werden die Zellen jeweils eine Zeile vorlesen. Während der Anzeigephase werden die Zellen den gesamten Bereich des CCD abgeschoben. Während sie verschoben werden, sammeln sie weiterhin Licht. Wenn das Verschieben nicht schnell genug ist, können Fehler aus Licht auf eine Zellhalterladung während der Übertragung zurückzuführen sein. Diese Fehler werden als "vertikaler Abstrich" bezeichnet und führen zu einer starken Lichtquelle, um eine vertikale Linie über und unter ihrer genauen Position zu erzeugen. Darüber hinaus kann der CCD nicht zum Sammeln von Licht verwendet werden, während es vorgelesen wird. Leider erfordert eine schnellere Verschiebung eine schnellere Anzeige, und eine schnellere Anzeige kann Fehler in der Zellladungsmessung verursachen, was zu einem höheren Geräuschpegel führt.

Ein Rahmentransfer CCD löst beide Probleme: Es hat eine abgeschirmte, nicht lichtempfindliche Fläche, die so viele Zellen enthält wie die Fläche, die Licht ausgesetzt ist. Typischerweise wird dieser Bereich von einem reflektierenden Material wie Aluminium bedeckt. Wenn die Expositionszeit abgelaufen ist, werden die Zellen sehr schnell in den versteckten Bereich übertragen. Hier können Zellen vor jedem eingehenden Licht mit jeder Geschwindigkeit vorgelesen werden, die für notwendig hält, um die Ladung der Zellen korrekt zu messen. Gleichzeitig sammelt der freiliegende Teil des CCD erneut Licht, daher tritt keine Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Expositionen auf.

Der Nachteil eines solchen CCD ist die höheren Kosten: Der Zellbereich wird im Grunde genommen verdoppelt und komplexere Steuerelektronik sind erforderlich.

Intensiviertes Ladungsgekoppelte Gerät

Ein intensiviertes Ladungs-gekoppelter Gerät (ICCD) ist ein CCD, das optisch mit einem Bildverstärker verbunden ist, der vor dem CCD montiert ist.

Ein Bildverstärker enthält drei funktionale Elemente: a Photokathode, a Mikrokanalplatte (MCP) und a Phosphor Bildschirm. Diese drei Elemente sind in der genannten Sequenz unmittelbar hintereinander montiert. Die Photonen, die aus der Lichtquelle stammen, fallen auf den Photokathode und erzeugt dadurch Photoelektronen. Die Photoelektronen werden durch eine elektrische Kontrollspannung, die zwischen Photokathode und MCP aufgetragen wird, in Richtung des MCP beschleunigt. Die Elektronen werden innerhalb des MCP multipliziert und danach in Richtung des Phosphorbildschirms beschleunigt. Der Phosphorbildschirm wandelt schließlich die multiplizierten Elektronen zurück in Photonen, die durch eine Glasfaser oder eine Linse zum CCD geführt werden.

Ein Bildverstärker enthält von Natur aus a Verschluss Funktionalität: Wenn die Kontrollspannung zwischen dem Photokathoden und dem MCP umgekehrt ist, werden die emittierten Photoelektronen nicht in Richtung des MCP beschleunigt, sondern zum Photokathode zurückkehren. Somit werden keine Elektronen vom MCP multipliziert und emittiert, keine Elektronen gehen zum Phosphorbildschirm und kein Licht wird vom Bildverstärker emittiert. In diesem Fall fällt kein Licht auf den CCD, was bedeutet, dass der Verschluss geschlossen ist. Der Prozess der Umkehrung der Kontrollspannung am Photokathode wird aufgerufen Gating und deshalb werden ICCDs auch gatable CCD -Kameras genannt.

Neben der extrem hohen Empfindlichkeit von ICCD -Kameras, die eine einzelne Photonendetektion ermöglichen, ist die Zusammensetzung einer der Hauptvorteile des ICCD gegenüber dem EMCCD Kameras. Die höchsten ICCD -Kameras mit der höchsten Leistung ermöglichen die Verschlusszeiten von nur 200 Pikosekunden.

ICCD -Kameras sind im Allgemeinen etwas höher als EMCCD -Kameras, da sie den teuren Bildverstärker benötigen. Andererseits benötigen EMCCD -Kameras ein Kühlsystem, um den EMCCD -Chip auf Temperaturen um 170 zu kühlenK (–103° C). Dieses Kühlsystem fügt der EMCCD -Kamera zusätzliche Kosten hinzu und ergibt häufig starke Kondensationsprobleme in der Anwendung.

ICCDs werden in verwendet Nachtsichtgeräte und in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen.

Elektronenmultiplizierende CCD

Die Elektronen werden seriell über die Gewinnstadien übertragen, die das Multiplikationsregister von einem ausmachen EMCCD. Die in diesen seriellen Transfers verwendeten Hochspannungen induzieren die Schaffung zusätzlicher Ladungsträger durch Aufprallionisierung.
in einem (n EMCCD Es gibt eine Dispersion (Variation) in der Anzahl der Elektronen, die nach dem Multiplikationsregister für eine gegebene (feste) Anzahl der Eingangselektronen (in der Legende rechts angezeigt) ausgegeben werden. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Anzahl der Ausgangselektronen wird aufgetragen logarithmisch auf der vertikalen Achse für eine Simulation eines Multiplikationsregisters. Auch gezeigt sind Ergebnisse der empirisch Auf dieser Seite gezeigt Gleichung.

Ein Elektronenmultiplizierer-CCD (EMCCD, auch bekannt als L3vision CCD, ein von E2V Ltd., GB, L3CCD oder Impactron CCD kommerzialisierter Produkt, ein in der Vergangenheit von Texas Instruments angebotenes Produkt ist ein Gebühr-gekoppeltes Gerät in Welches Verstärkungsregister wird zwischen dem Schaltregister und dem Ausgangsverstärker platziert. Das Gewinnregister wird in eine große Anzahl von Stufen aufgeteilt. In jeder Phase werden die Elektronen mit multipliziert von Wirkung Ionisation in ähnlicher Weise wie eine Lawinendiode. Die Gewinnwahrscheinlichkeit in jeder Phase des Registers ist klein (P < 2%), but as the number of elements is large (N> 500), the overall gain can be very high () mit einzelnen Eingangselektronen, die viele tausend Ausgangselektronen verleihen. Das Lesen eines Signals von einem CCD ergibt einen Rauschhintergrund, normalerweise einige Elektronen. In einem EMCCD wird dieses Geräusch auf vielen tausend Elektronen und nicht auf einem einzigen Elektron überlagert. Der Hauptvorteil der Geräte ist daher ihr vernachlässigbares Auslesergeräusch. Die Verwendung von Avalanche -Zusammenbruch Zur Verstärkung von Fotogebühren wurden bereits in der beschrieben US -Patent 3.761.744 1973 von George E. Smith/Bell Telefonlabors.

EMCCDs zeigen eine ähnliche Empfindlichkeit zu Intensivierte CCDs (ICCDs). Wie bei ICCDs ist jedoch der im Verstärkungsregister angewendete Gewinn stochastisch und die genau Der Gewinn, der auf die Anklage eines Pixels angewendet wurde, ist unmöglich zu wissen. Bei hohen Gewinnen (> 30) hat diese Unsicherheit den gleichen Effekt auf die Signal-Rausch-Verhältnis (Snr) als halbieren Quanteneffizienz (Qe) in Bezug auf den Betrieb mit einem Einheitgewinn. Dieser Effekt wird als überschüssiger Rauschfaktor (ENF) bezeichnet. Bei sehr niedrigen Lichtniveaus (bei dem die Quanteneffizienz am wichtigsten ist) kann jedoch angenommen werden, dass ein Pixel entweder ein Elektron enthält - oder nicht. Dadurch wird das mit der stochastische Multiplikation verbundene Rauschen beseitigt, wobei das Risiko des Zählens mehrerer Elektronen im selben Pixel wie ein einzelnes Elektronen zählt. Um mehrere Zählungen in einem Pixel aufgrund von überfälligen Photonen in dieser Betriebsart zu vermeiden, sind hohe Bildraten unerlässlich. Die Dispersion in der Verstärkung wird in der Grafik rechts angezeigt. Für Multiplikationsregister mit vielen Elementen und großen Gewinnen ist sie durch die Gleichung gut modelliert:

wo P ist die Wahrscheinlichkeit zu bekommen n Ausgangselektronen angegeben m Eingangselektronen und ein Gesamtverstärkung des mittleren Multiplikationsregisters von g. Für eine sehr große Anzahl von Eingangselektronen konvergiert diese komplexe Verteilungsfunktion zu einem Gaußschen.

Aufgrund der niedrigeren Kosten und einer besseren Auflösung können EMCCDs ICCDs in vielen Anwendungen ersetzen. ICCDs haben immer noch den Vorteil, dass sie sehr schnell geschaltet werden können und sind daher in Anwendungen wie nützlich Range-Gated-Bildgebung. EMCCD -Kameras benötigen unabdingbar ein Kühlsystem - entweder unter Verwendung Thermoelektrische Kühlung oder flüssiger Stickstoff - um den Chip auf Temperaturen im Bereich von –65 bis –95 ° C (–85 bis –139 ° F) abzukühlen. Dieses Kühlsystem fügt dem EMCCD -Bildgebungssystem leider zusätzliche Kosten hinzu und kann Kondensationsprobleme in der Anwendung liefern. High-End-EMCCD-Kameras sind jedoch mit einem dauerhaften hermetischen Vakuumsystem ausgestattet, das den Chip einschränkt, um Kondensationsprobleme zu vermeiden.

Die schlechten Lichtfähigkeiten von EMCCDs finden unter anderem die Verwendung in Astronomie und biomedizinischer Forschung. Insbesondere sind ihr geringes Geräusch bei hohen Auslesergeschwindigkeiten sie sehr nützlich für eine Vielzahl astronomischer Anwendungen, die mit schwachem Licht und vorübergehenden Ereignissen wie z. Glückliche Bildgebung von schwachen Sternen, hohe Geschwindigkeit Photonenzahl Photometrie, Fabry-Pérot-Spektroskopie und hochauflösende Spektroskopie. In jüngerer Zeit sind diese CCDs in den Bereich der biomedizinischen Forschung in schlechten Lichtverhältnissen unterteilt, einschließlich kleine Tierbildgebung, Einmolekül-Bildgebung, Raman -Spektroskopie, Superauflösungsmikroskopie sowie eine Vielzahl von modernen Fluoreszenzmikroskopie Techniken dank der größeren SNR bei schlechten Lichtverhältnissen im Vergleich zu herkömmlichen CCDs und ICCDs.

In Bezug auf Rauschen haben kommerzielle EMCCD-Kameras in der Regel eine Takt-induzierte Ladung (CIC) und einen dunklen Strom (abhängig von dem Ausmaß der Abkühlung), die zusammen zu einem effektiven Auslesergeräusch von 0,01 bis 1 Elektronen pro Pixel-Lesen führen. Die jüngsten Verbesserungen der EMCCD -Technologie haben jedoch zu einer neuen Generation von Kameras geführt, die deutlich weniger CIC, höhere Ladungstransfereffizienz und EM -Erzielung von 5 -mal höher als bisher verfügbare Produkte erzeugen können. Diese Fortschritte bei der Erkennung bei geringem Licht führen zu einem effektiven Gesamt-Hintergrundgeräusch von 0,001 Elektronen pro Pixel-Lesen, einem Rauschboden, der von jedem anderen Bildgebungsgerät mit schlechtem Licht nicht überreicht wird.[25]

Verwendung in der Astronomie

Array von 30 CCDs, die auf dem verwendet werden Sloan Digital Sky Survey Teleskop-Bildgebungskamera, ein Beispiel für "Drift-Scanning".

Aufgrund der hohen Quanteneffizienz des Ladungsgekoppelten Geräts (CCD) (das Ideal Quanteneffizienz ist 100%, ein erzeugter Elektron pro Photon), Linearität ihrer Ausgaben, Benutzerfreundlichkeit im Vergleich zu fotografischen Platten und eine Vielzahl anderer Gründe, CCDs wurden von Astronomen für fast alle UV-to-Infrared-Anwendungen sehr schnell übernommen.

Wärmegeräusch und kosmische Strahlung kann die Pixel im CCD -Array ändern. Um solchen Effekten entgegenzuwirken, nehmen Astronomen mehrere Expositionen ein, wobei der CCD -Verschluss geschlossen und geöffnet ist. Der Durchschnitt der mit dem Verschluss geschlossenen Bilder ist erforderlich, um das zufällige Rauschen zu senken. Einmal entwickelt, die Dark Frame Durchschnittsbild wird dann abgezogen Aus dem Open-Shutter-Bild, um den dunklen Strom und andere systematische Defekte zu entfernen (tote Pixel, heiße Pixel usw.) im CCD. Neuerer Skipper -CCDS -Zählergeräusch durch Sammeln von Daten mit mehrmals gleicher gesammeltem Ladung und Anwendungen in Präzisionslicht Dunkle Materie Suchanfragen und Neutrino Messungen.[26][27][28]

Das Hubble -WeltraumteleskopInsbesondere hat eine hoch entwickelte Reihe von Schritten („Datenreduktionspipeline“), um die RAW -CCD -Daten in nützliche Bilder umzuwandeln.[29]

CCD -Kameras verwendet in Astrophotographie Oft benötigen Sie robuste Reittiere, die mit Schwingungen von Wind und anderen Quellen zusammen mit dem enormen Gewicht der meisten bildgebenden Plattformen fertig werden. Um lange Expositionen von Galaxien und Nebel zu ergreifen, verwenden viele Astronomen eine Technik als bekannt als automatisch zu lüften. Die meisten Autoguiders verwenden einen zweiten CCD -Chip, um Abweichungen während der Bildgebung zu überwachen. Dieser Chip kann Fehler in der Verfolgung schnell erkennen und die Mount Motors befehlen, um sie zu korrigieren.

Eine ungewöhnliche astronomische Anwendung von CCDs, die als Drift-Scanning bezeichnet wird, verwendet ein CCD, um ein festes Teleskop wie ein Tracking-Teleskop zu verhalten und der Bewegung des Himmels zu folgen. Die Gebühren in der CCD werden übertragen und in eine Richtung parallel zur Bewegung des Himmels und bei der gleichen Geschwindigkeit gelesen. Auf diese Weise kann das Teleskop einen größeren Bereich des Himmels als sein normales Sichtfeld vorstellen. Das Sloan Digital Sky Survey ist das berühmteste Beispiel dafür und verwendet die Technik, um eine Übersicht über ein Viertel des Himmels zu erstellen.

Zusätzlich zu den Bildern werden CCDs auch in einer Reihe von analytischen Instrumenten verwendet, einschließlich Spektrometer[30] und Interferometer.[31]

Farbkameras

A Bayer -Filter Auf einem CCD
X80 Mikroskopansicht eines RGGB -Bayer -Filter

Digitale Farbkameras verwenden im Allgemeinen a Bayer Maske über dem CCD. Jedes Quadrat von vier Pixel hat ein filtriertes Rot, ein Blau und zwei Grüns (die menschliches Auge ist empfindlicher gegenüber grün als rot oder blau). Das Ergebnis davon ist das Luminanz Informationen werden an jedem Pixel gesammelt, aber die Farbauflösung ist niedriger als die Luminanzauflösung.

Eine bessere Farbtrennung kann durch Drei-CCD-Geräte erreicht werden (3ccd) und ein Dichroic Strahl Splitter Prisma, das teilt die auf Bild hinein rot, grün und blau Komponenten. Jeder der drei CCDs ist so angeordnet, dass sie auf eine bestimmte Farbe reagiert. Viele Professionelles Video Camcorder und einige semiprofessionelle Camcorder verwenden diese Technik, obwohl Entwicklungen in der konkurrierenden CMOS-Technologie CMOS-Sensoren gemacht haben, sowohl mit Strahl-Splitter- als auch Bayer-Filtern, die immer beliebter in High-End-Video- und digitalen Kinokameras beliebt sind. Ein weiterer Vorteil von 3CCD gegenüber einem Bayer -Maskengerät ist höher Quanteneffizienz (höhere Lichtempfindlichkeit), da der größte Teil des Lichts aus der Linse in einen der Siliziumsensoren gelangt, während eine Bayer -Maske einen hohen Anteil (mehr als 2/3) des Lichts auf jeden Pixelort absorbiert.

Für noch Szenen, zum Beispiel in der Mikroskopie, kann die Auflösung eines Bayer -Maskengeräts durch verbessert werden Mikroskanning Technologie. Während des Prozesses von Farb-Co-Site-Probenahme, werden mehrere Rahmen der Szene produziert. Zwischen den Akquisitionen wird der Sensor in Pixelabmessungen bewegt, so dass jeder Punkt im Gesichtsfeld nacheinander durch Elemente der Maske erworben wird, die für die roten, grünen und blauen Komponenten seiner Farbe empfindlich sind. Schließlich wurde jedes Pixel im Bild mindestens einmal in jeder Farbe gescannt, und die Auflösung der drei Kanäle wird äquivalent (die Auflösungen der roten und blauen Kanäle werden vervierfacht, während der grüne Kanal verdoppelt wird).

Sensorgrößen

Sensoren (CCD / CMOs) gibt es in verschiedenen Größen oder Bildsensorformaten. Diese Größen werden häufig mit einer Zoll -Fraktionsbezeichnung wie 1/1,8 "oder 2/3" bezeichnet Optisches Format. Diese Messung entsteht in den 1950er Jahren und in der Zeit von Vidicon -Röhrchen.

Blühen

Vertikaler Abstrich

Wenn eine CCD -Exposition lang genug ist, überfließen die Elektronen, die sich in den "Behältern" im hellsten Teil des Bildes sammeln, den Behälter über, was zu Blühen führt. Die Struktur des CCD ermöglicht es den Elektronen, leichter in eine Richtung zu fließen als in eine andere Richtung, was zu vertikalen Streifen führt.[32][33][34]

Einige Anti-Blooming-Merkmale, die in ein CCD eingebaut werden können, verringern die Empfindlichkeit gegenüber Licht, indem ein Teil des Pixelbereichs für eine Abflussstruktur verwendet wird.[35] James M. früh entwickelte einen vertikalen Anti-Blooming-Abfluss, der den Lichtentsorgungsbereich nicht beeinträchtigt und daher die Lichtempfindlichkeit nicht reduzierte.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b SZE, Simon Min; Lee, Ming-Kwei (Mai 2012). "MOS -Kondensator und Mosfet". Halbleitergeräte: Physik und Technologie. John Wiley & Sons. ISBN 9780470537947. Abgerufen 6. Oktober 2019.
  2. ^ a b c d e f g h i Fossum, E. R.; Hondongwa, D. B. (2014). "Eine Überprüfung der festgestellten Fotodiode für CCD- und CMOS -Bildsensoren". IEEE Journal der Electron Devices Society. 2 (3): 33–43. doi:10.1109/jeds.2014.2306412.
  3. ^ a b Williams, J. B. (2017). Die Elektronikrevolution: Erfindung der Zukunft. Springer. p. 245. ISBN 9783319490885.
  4. ^ "1960: Transistor des Metalloxid -Halbleiters (MOS) demonstriert". Der Siliziummotor. Computergeschichte Museum. Abgerufen 31. August, 2019.
  5. ^ James R. Janiesick (2001). Wissenschaftliche Ladungsgeräte. Spie Press. p. 4. ISBN 978-0-8194-3698-6.
  6. ^ Sehen US -Patent 3.792.322 und US -Patent 3.796.927
  7. ^ W. S. Boyle; G. E. Smith (April 1970). "Gebühren gekoppte Halbleitergeräte". Bell -System. Technik. J. 49 (4): 587–593. doi:10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  8. ^ Gilbert Frank Amelio; Michael Francis Tompsett; George E. Smith (April 1970). "Experimentelle Überprüfung des Ladungskupplungskonzepts". Bell -System. Technik. J. 49 (4): 593–600. doi:10.1002/j.1538-7305.1970.tb01791.x.
  9. ^ US -Patent 4.085.456
  10. ^ M. F. Tompsett; G. F. Amelio; G. E. Smith (1. August 1970). "Ladung gekoppelt 8-Bit-Schaltregister". Angewandte Physikbuchstaben. 17 (3): 111–115. Bibcode:1970APPHL..17..111t. doi:10.1063/1.1653327.
  11. ^ Tompsett, M.F.; Amelio, G.F.; Bertram, W. J. Jr.; Buckley, R.R.; McNamara, W.J.; Mikkelsen, J. C. Jr.; Sealer, D.A. (November 1971). "Ladungsgekoppelte Bildgebungsgeräte: Experimentelle Ergebnisse". IEEE -Transaktionen auf Elektronengeräten. 18 (11): 992–996. Bibcode:1971it ... 18..992t. doi:10.1109/t-ed.1971.17321. ISSN 0018-9383.
  12. ^ Dobbin, Ben (8. September 2005). "Kodak Engineer hatte eine revolutionäre Idee: die erste Digitalkamera". Seattle Post-Intelligencer. Archiviert Aus dem Original am 25. Januar 2012. Abgerufen 2011-11-15.
  13. ^ Globalsecurity.org - KH -11 Kennan, 2007-04-24
  14. ^ "NRO Review and Redaction Guide (2006 ed.)" (PDF). Nationales Aufklärungsbüro.
  15. ^ Johnstone, B. (1999). Wir verbrannten: japanische Unternehmer und die Schmieden des elektronischen Zeitalters. New York: Grundlegende Bücher. ISBN 0-465-09117-2.
  16. ^ Hagiwara, Yoshiaki (2001). "Mikroelektronik für häusliche Unterhaltung". In Oklobdzija, Vojin G. (Hrsg.). Das Computer Engineering Handbuch. CRC Press. S. 41–6. ISBN 978-0-8493-0885-7.
  17. ^ US-Patent 4.484,210: Festkörperbildgebungsgerät mit einer reduzierten Bildverzögerung
  18. ^ Teranishi, Nobuzaku; Kohono, A.; Ishihara, Yasuo; Oda, E.; Arai, K. (Dezember 1982). "Keine Bildverzögerung Fotodiodenstruktur im Interline -CCD -Bildsensor". 1982 International Electron Devices Meeting: 324–327. doi:10.1109/iedm.1982.190285. S2CID 44669969.
  19. ^ "Charles Stark Draper Award". Archiviert von das Original Am 2007-12-28.
  20. ^ "Nobelpreis -Website".
  21. ^ Gilbert F. Amelio (Februar 1974). "Ladungsgekoppelte Geräte". Wissenschaftlicher Amerikaner. 230 (2).
  22. ^ Zum Beispiel das Specsheet von Pi/Acton's Spec-10-Kamera Gibt einen dunklen Strom von 0,3 Elektron pro Pixel pro Stunde bei –110 ° C (–166 ° F) an.
  23. ^ a b c Sze, S. M.; NG, Kwok K. (2007). Physik der Halbleitergeräte (3 ed.). John Wiley und Söhne. ISBN 978-0-471-14323-9. Kapitel 13.6.
  24. ^ Apogee CCD University - Pixel Binning
  25. ^ Daigle, Olivier; Djazovski, Oleg; Laurin, Denis; Doyon, René; Artigau, Étienne (Juli 2012). "Charakterisierungsergebnisse von EMCCDs für eine extreme Bildgebung mit schwacher Licht" (PDF). {{}}: Journal zitieren erfordert |journal= (Hilfe)
  26. ^ Aguilar-Arevalo, a.; Amidei, D.; Baxter, D.; Cancelo, G.; Vergara, B. A. Cervantes; Chavarria, A. E.; Darragh-Ford, E.; Neto, J. R. T. de Mello; D'Livo, J. C.; Estrada, J.; Gaïor, R. (2019-10-31). "Einschränkungen für helle dunkle Materie Partikel, die mit Elektronen von Damic in Snolab interagieren". Physische Überprüfungsbriefe. 123 (18): 181802. Arxiv:1907.12628. Bibcode:2019PHRVL.123R1802A. doi:10.1103/PhysRevlett.123.181802. ISSN 0031-9007. PMID 31763884. S2CID 198985735.
  27. ^ Abramoff, Orr. "Skipper CCD". Sensei. Abgerufen 11. April 2021.
  28. ^ Aguilar-Arevalo, Alexis; Bertou, Xavier; Bonifazi, Carla; Cancelo, Gustavo; Castañeda, Alejandro; Vergara, Brenda Cervantes; Chavez, Claudio; D'Livo, Juan C.; Anjos, João C. Dos; Estrada, Juan; Neto, Aldo R. Fernandes (2019-11-13). "Erforschung der Neutrino-Physik mit geringer Energie mit dem kohärenten Neutrino-Nucleus-Interaktionsexperiment (Connie)". Physische Bewertung d. 100 (9): 092005. Arxiv:1906.02200. doi:10.1103/PhysRevd.100.092005. HDL:11336/123886. ISSN 2470-0010. S2CID 174802422.
  29. ^ Hainaut, Oliver R. (Dezember 2006). "Grundlegende CCD -Bildverarbeitung". Abgerufen 15. Januar, 2011.
    Hainaut, Oliver R. (1. Juni 2005). "Signal, Rauschen und Erkennung". Abgerufen 7. Oktober, 2009.
    Hainaut, Oliver R. (20. Mai 2009). "Retusche von astronomischen Daten zur Herstellung von Outreach -Bildern". Abgerufen 7. Oktober, 2009.
    (Hainaut ist ein Astronom am Europäisches südliches Observatorium)
  30. ^ Deckert, V.; Kiefer, W. (1992). "Scannen der Mehrkanal -Technik für verbesserte spektrochemische Messungen mit einer CCD -Kamera und ihrer Anwendung auf die Raman -Spektroskopie". Appl. Spektrosc. 46 (2): 322–328. Bibcode:1992APSPE..46..322d. doi:10.1366/0003702924125500. S2CID 95441651.
  31. ^ Duarte, F. J. (1993). "Auf eine verallgemeinerte Interferenzgleichung und interferometrische Messungen". Opt. Kommunieren. 103 (1–2): 8–14. Bibcode:1993optco.103 .... 8d. doi:10.1016/0030-4018 (93) 90634-H.
  32. ^ Phil Plait. "Der Planet X Saga: Soho Bilder"
  33. ^ Phil Plait. "Warum, König Triton, wie schön dich dich zu sehen!"
  34. ^ Thomas J. Fellers und Michael W. Davidson. "CCD -Sättigung und Blüte" Archiviert 27. Juli 2012 bei der Wayback -Maschine
  35. ^ Albert J. P. TheUwissen (1995). Festkörperbildgebung mit Ladungsgekoppelten Geräten. Springer. S. 177–180. ISBN 9780792334569.

Externe Links