Устройство с зарядовой связью - Charge-coupled device

Специально разработанная ПЗС-матрица в корпусе с проволочным соединением, используемая для получения ультрафиолетовых изображений.

Устройство с зарядовой связью ( CCD ) - это интегральная схема, содержащая массив связанных или связанных конденсаторов . Под управлением внешней цепи каждый конденсатор может передавать свой электрический заряд соседнему конденсатору. ПЗС-датчики - одна из основных технологий, используемых в создании цифровых изображений .

В ПЗС - датчик изображения , пиксели представлены р-легированный металл-оксид-полупроводник (МОП) конденсаторов . Эти МОП-конденсаторы , основные строительные блоки ПЗС-матрицы, смещены выше порогового значения для инверсии, когда начинается получение изображения, что позволяет преобразовывать поступающие фотоны в заряды электронов на границе раздела полупроводник-оксид; ПЗС затем используется для считывания этих обвинений. Хотя CCD - не единственная технология, позволяющая обнаруживать свет, датчики изображения CCD широко используются в профессиональных, медицинских и научных приложениях, где требуются высококачественные данные изображения. В приложениях с менее строгими требованиями к качеству, таких как бытовые и профессиональные цифровые камеры , обычно используются активные пиксельные датчики , также известные как CMOS-датчики (дополнительные MOS-датчики). Однако большое преимущество качества ПЗС, которыми пользовались на раннем этапе, со временем сузилось, и с конца 2010-х годов КМОП-сенсоры стали доминирующей технологией, в значительной степени, если не полностью заменив ПЗС-сенсоры изображения.

История

Основой для ПЗС-матрицы является структура металл-оксид-полупроводник (МОП), при этом МОП-конденсаторы являются основными строительными блоками ПЗС-матрицы, а структура МОП с обедненной жидкостью используется в качестве фотодетектора в ранних ПЗС-устройствах.

В конце 1960-х Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит из Bell Labs исследовали технологию MOS, одновременно работая над памятью на основе полупроводникового пузыря . Они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и может храниться в крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку было довольно просто изготовить серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. Это привело к изобретению устройства с зарядовой связью Бойлом и Смитом в 1969 году. Они придумали конструкцию того, что они назвали в своем ноутбуке «Зарядные устройства с пузырьками».

В первоначальной статье, описывающей эту концепцию, в апреле 1970 года перечислены возможные варианты использования в качестве памяти , линии задержки и устройства отображения. Устройство также можно использовать как сдвиговый регистр . Суть конструкции заключалась в возможности передавать заряд по поверхности полупроводника от одного накопительного конденсатора к другому. Принципиально эта концепция была аналогична устройству « ведро-бригада» (BBD), которое было разработано в исследовательских лабораториях Philips в конце 1960-х годов.

Первое экспериментальное устройство, демонстрирующее этот принцип, представляло собой ряд близко расположенных металлических квадратов на окисленной поверхности кремния, к которым электрический доступ осуществлялся проволочными связями. Это было продемонстрировано Джилом Амелио , Майклом Фрэнсисом Томпсеттом и Джорджем Смитом в апреле 1970 года. Это было первое экспериментальное применение ПЗС-матрицы в технологии датчиков изображения , в котором в качестве фотодетектора использовалась обедненная структура МОП. Первый патент ( патент США 4085456 ) на применение ПЗС-матриц для обработки изображений был передан Томпсетту, который подал заявку в 1971 году.

Первым работающим ПЗС, созданным с использованием технологии интегральных схем, был простой 8-битный регистр сдвига, о котором сообщили Томпсетт, Амелио и Смит в августе 1970 года. Это устройство имело входные и выходные схемы и использовалось для демонстрации его использования в качестве сдвигового регистра и в качестве регистратора сдвига. Неочищенные восемь пикселов линейного устройства формирования изображения. Разработка устройства шла быстрыми темпами. К 1971 году исследователи Bell во главе с Майклом Томпсеттом смогли получать изображения с помощью простых линейных устройств. Несколько компаний, включая Fairchild Semiconductor , RCA и Texas Instruments , подхватили изобретение и начали программы развития. Работа Fairchild, возглавляемая бывшим исследователем Bell Джилом Амелио, была первой с коммерческими устройствами, и к 1974 году у них было линейное устройство на 500 элементов и устройство 2-D с разрешением 100 × 100 пикселей. Стивен Сассон , инженер-электрик, работавший в Kodak , в 1975 году изобрел первую цифровую фотокамеру с использованием ПЗС-матрицы Fairchild 100 × 100 .

Устройство ПЗС с межстрочным переносом (ILT) было предложено Л. Уолшем и Р. Дайком в Fairchild в 1973 году для уменьшения смазывания и устранения механического затвора . Чтобы еще больше уменьшить смазывание от ярких источников света, архитектура ПЗС-матрицы с межстрочным переносом кадра (FIT) была разработана К. Хори, Т. Куродой и Т. Куни в Matsushita (ныне Panasonic) в 1981 году.

Первую KH-11 KENNEN разведывательный спутник оснащен массиву зарядовой связью ( 800 × 800 пикселей) технологии для визуализации был запущен в декабре 1976 года под руководством Кадзуо Ивама , Sony начала большое усилие развития на CCDs с участием значительных инвестиций. В конце концов Sony удалось начать массовое производство ПЗС-матриц для своих видеокамер . Прежде, чем это произошло, Ивама умер в августе 1982 года; впоследствии на его надгробие была помещена ПЗС-матрица в знак признания его вклада. Первая массовая потребительская видеокамера CCD , CCD-G5, была выпущена Sony в 1983 году на основе прототипа, разработанного Йошиаки Хагивара в 1981 году.

Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Это было в значительной степени решено с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. Они поняли, что запаздывание можно устранить, если переносить носители сигнала с фотодиода на ПЗС. Это привело к их изобретению закрепленного фотодиода, структуры фотодетектора с низкой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . Впервые об этом публично сообщили Тераниши и Исихара с А. Кохоно, Э. Ода и К. Араи в 1982 году с добавлением структуры, препятствующей появлению цветения. Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от компании BC Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали встраивать в большинство устройств CCD, став креплением в бытовых электронных видеокамерах, а затем цифровые фотоаппараты . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем в датчиках CMOS .

В январе 2006 года Бойл и Смит были удостоены премии Чарльза Старка Дрейпера Национальной инженерной академии , а в 2009 году им была присуждена Нобелевская премия по физике за изобретение концепции ПЗС. Майкл Томпсетт был награжден Национальной медалью за технологии и инновации 2010 года за новаторскую работу и электронные технологии, включая дизайн и разработку первых устройств формирования изображения на основе ПЗС. Он также был награжден медалью IEEE Edison в 2012 году за «новаторский вклад в создание устройств обработки изображений, включая CCD-устройства, камеры и тепловизоры».

Основы работы

Пакеты зарядов (электроны, синий) собираются в потенциальных ямах (желтый), создаваемых приложением положительного напряжения на электродах затвора (G). Подача положительного напряжения на электрод затвора в правильной последовательности передает пакеты заряда.

В ПЗС для захвата изображений есть фотоактивная область ( эпитаксиальный слой кремния) и передающая область, сделанная из сдвигового регистра (ПЗС, собственно говоря).

Изображение проецируется через линзу на решетку конденсаторов (фотоактивную область), заставляя каждый конденсатор накапливать электрический заряд, пропорциональный интенсивности света в этом месте. Одномерный массив, используемый в камерах с линейной разверткой, захватывает один фрагмент изображения, тогда как двумерный массив, используемый в видео и фотоаппаратах, захватывает двумерное изображение, соответствующее сцене, спроецированной на фокальную плоскость. датчика. После того, как массив подвергается воздействию изображения, схема управления заставляет каждый конденсатор передавать свое содержимое своему соседу (действуя как сдвиговый регистр). Последний конденсатор в массиве сбрасывает свой заряд в усилитель заряда , который преобразует заряд в напряжение . Повторяя этот процесс, управляющая схема преобразует все содержимое массива в полупроводнике в последовательность напряжений. В цифровом устройстве эти напряжения затем дискретизируются, оцифровываются и обычно сохраняются в памяти; в аналоговом устройстве (таком как аналоговая видеокамера) они преобразуются в непрерывный аналоговый сигнал (например, путем подачи выходного сигнала усилителя заряда в фильтр нижних частот), который затем обрабатывается и передается в другие схемы для передача, запись или другая обработка.

Подробная физика работы

Sony ICX493AQA 10,14-мегапиксельная ПЗС-матрица APS-C (23,4 × 15,6 мм) от цифровой камеры Sony α DSLR-A200 или DSLR-A300 , со стороны сенсора

Генерация заряда

Прежде чем МОП-конденсаторы подвергаются воздействию света, они смещаются в область истощения; в n-канальных ПЗС кремний под затвором смещения слегка легирован p- примесью или является собственным. Затем на затвор смещается положительный потенциал, превышающий порог для сильной инверсии, что в конечном итоге приведет к созданию n- канала ниже затвора, как в полевом МОП-транзисторе . Однако для достижения этого теплового равновесия требуется время: до часов в высококачественных научных камерах, охлаждаемых при низкой температуре. Первоначально после смещения дырки вдавливаются глубоко в подложку, и подвижные электроны не находятся на поверхности или вблизи нее; Таким образом, ПЗС-матрица работает в неравновесном состоянии, называемом глубоким истощением. Затем, когда электронно-дырочные пары генерируются в обедненной области, они разделяются электрическим полем, электроны движутся к поверхности, а дырки - к подложке. Можно выделить четыре процесса образования пар:

  • фотогенерация (до 95% квантовой эффективности ),
  • генерация в области истощения,
  • генерация на поверхности, и
  • генерация в нейтральной массе.

Последние три процесса известны как генерация темнового тока и добавляют шум к изображению; они могут ограничивать общее полезное время интеграции. Накопление электронов на поверхности или вблизи нее может продолжаться либо до тех пор, пока не завершится интегрирование изображения и не начнется перенос заряда, либо пока не будет достигнуто тепловое равновесие. В этом случае колодец считается полным. Максимальная емкость каждой лунки известна как глубина лунки, обычно около 10 5 электронов на пиксель.

Дизайн и изготовление

Фотоактивная область ПЗС-матрицы, как правило, представляет собой эпитаксиальный слой кремния . Он слегка легирован p (обычно бором ) и выращивается на материале подложки , часто p ++. В устройствах со скрытым каналом, тип конструкции , используемой в большинстве современной CC, определенные области поверхности кремния являются ионными имплантированы с фосфором , давая им н-легированное обозначение. Эта область определяет канал, по которому будут перемещаться фотогенерированные зарядовые пакеты. Саймон Ззе подробно описывает преимущества устройства со скрытым каналом:

Этот тонкий слой (= 0,2–0,3 мкм) полностью истощен, и накопленный фотогенерированный заряд удерживается вдали от поверхности. Эта структура имеет преимущества более высокой эффективности переноса и более низкого темнового тока за счет уменьшения поверхностной рекомбинации. Штрафом является меньшая емкость заряда в 2–3 раза по сравнению с ПЗС-матрицей с поверхностным каналом.

Оксид затвора, то есть диэлектрик конденсатора , выращивается поверх эпитаксиального слоя и подложки.

Позже в этом процессе поликремниевые вентили осаждают путем химического осаждения из газовой фазы , формируют рисунок с помощью фотолитографии и травят таким образом, чтобы раздельно фазированные вентили располагались перпендикулярно каналам. Каналы дополнительно определяются путем использования процесса LOCOS для создания области остановки канала .

Ограничители каналов представляют собой термически выращенные оксиды, которые служат для изоляции пакетов заряда в одном столбце от пакетов в другом. Эти ограничители каналов производятся раньше, чем затворы из поликремния, поскольку в процессе LOCOS используется высокотемпературный этап, который может разрушить материал затвора. Остановки каналов параллельны регионам канала, или «несущим заряд», и не включают их.

Ограничители каналов часто имеют под ними область, легированную p +, обеспечивающую дополнительный барьер для электронов в пакетах зарядов (это обсуждение физики устройств CCD предполагает устройство переноса электронов , хотя перенос дырок возможен).

Синхронизация затворов, поочередно высокого и низкого, будет направлять и обратное смещение диода, который обеспечивается скрытым каналом (n-легированным) и эпитаксиальным слоем (p-легированным). Это приведет к истощению ПЗС вблизи p – n-перехода и будет собирать и перемещать зарядовые пакеты под воротами - и внутри каналов - устройства.

Производство и эксплуатация ПЗС-матриц можно оптимизировать для различных целей. Вышеупомянутый процесс описывает ПЗС-матрицу с кадровой передачей. Хотя ПЗС-матрицы могут быть изготовлены на сильно легированной пластине p ++, также возможно изготовление устройства внутри p-лунок, которые были размещены на пластине n-типа. Сообщается, что этот второй метод уменьшает размытие, темновой ток , а также инфракрасную и красную чувствительность. Этот метод изготовления используется при создании межстрочных переходников.

Другой вариант CCD называется перистальтическим CCD. В перистальтическом устройстве с зарядовой связью операция передачи пакета заряда аналогична перистальтическому сокращению и расширению пищеварительной системы . Перистальтическая ПЗС-матрица имеет дополнительный имплант, который удерживает заряд на расстоянии от границы кремний / диоксид кремния и генерирует большое поперечное электрическое поле от одного затвора к другому. Это обеспечивает дополнительную движущую силу, помогающую передавать пакеты зарядов.

Архитектура

ПЗС-матрица 2,1- мегапиксельной цифровой камеры Argus
Одномерный датчик изображения CCD от факсимильного аппарата

Датчики изображения CCD могут быть реализованы в нескольких различных архитектурах. Наиболее распространены полнокадровый, кадровый и построчный. Отличительной чертой каждой из этих архитектур является их подход к проблеме опалубки.

В полнокадровом устройстве активна вся область изображения, и электронного затвора нет. К этому типу датчика необходимо добавить механический затвор, иначе изображение будет смазываться при тактовой частоте или считывании показаний устройства.

В ПЗС-матрице с переносом кадра половина площади кремния покрыта непрозрачной маской (обычно алюминиевой). Изображение может быть быстро перенесено из области изображения в непрозрачную область или область хранения с приемлемым размытием в несколько процентов. Затем это изображение может быть медленно считано из области хранения, в то время как новое изображение интегрируется или экспонируется в активной области. Устройства с кадровой передачей обычно не требуют механического затвора и были распространенной архитектурой ранних твердотельных телекамер. Обратной стороной архитектуры передачи кадров является то, что для нее требуется в два раза больше кремниевых емкостей, чем у эквивалентного полнокадрового устройства; следовательно, он стоит примерно вдвое дороже.

Межстрочная архитектура расширяет эту концепцию еще на один шаг и маскирует все остальные столбцы датчика изображения для хранения. В этом устройстве для передачи из области изображения в область хранения должен произойти только один сдвиг пикселя; таким образом, время срабатывания затвора может быть меньше микросекунды, и размытость изображения практически устраняется. Это преимущество, однако, не лишено недостатков, так как область изображения теперь покрыта непрозрачными полосами, что снижает коэффициент заполнения примерно до 50 процентов и эффективную квантовую эффективность на эквивалентную величину. В современных разработках эта пагубная характеристика устранена путем добавления микролинз на поверхность устройства, которые направляют свет от непрозрачных областей и на активную область. Микролинзы могут вернуть коэффициент заполнения до 90 процентов или более в зависимости от размера пикселя и общей оптической конструкции системы.

Выбор архитектуры сводится к одной полезности. Если приложение не может использовать дорогостоящую, подверженную сбоям, энергоемкую механическую заслонку, правильным выбором будет устройство Interline. В бытовых камерах моментального снимка использовались межстрочные устройства. С другой стороны, для тех приложений, которые требуют максимально возможного сбора света, а вопросы денег, мощности и времени менее важны, полнокадровое устройство является правильным выбором. Астрономы предпочитают полнокадровые устройства. Передача кадров находится посередине и была обычным выбором до того, как была решена проблема коэффициента заполнения межстрочных устройств. Сегодня передача кадров обычно выбирается, когда межстрочная архитектура недоступна, например, в устройстве с задней подсветкой.

ПЗС-матрицы, содержащие сетки пикселей , используются в цифровых фотоаппаратах , оптических сканерах и видеокамерах в качестве светочувствительных устройств. Обычно они реагируют на 70 процентов падающего света (что означает квантовую эффективность около 70 процентов), что делает их намного более эффективными, чем фотопленка , которая улавливает только около 2 процентов падающего света.

Наиболее распространенные типы ПЗС-матриц чувствительны к ближнему инфракрасному свету, что позволяет производить инфракрасную фотосъемку , использовать приборы ночного видения и вести видеосъемку / фотосъемку с нулевым люксом (или почти нулевым люксом). Для обычных кремниевых детекторов чувствительность ограничена 1,1 мкм. Еще одно последствие их чувствительности к инфракрасному излучению - это то, что инфракрасное излучение от пультов дистанционного управления часто появляется на цифровых камерах или видеокамерах на основе ПЗС, если они не имеют блокираторов инфракрасного излучения.

Охлаждение снижает темновой ток матрицы , улучшая чувствительность ПЗС-матрицы к низкой интенсивности света, даже для ультрафиолетовых и видимых длин волн. Профессиональные обсерватории часто охлаждают свои детекторы жидким азотом, чтобы снизить темновой ток и, следовательно, тепловой шум до незначительного уровня.

ПЗС-матрица с кадровой передачей

ПЗС-датчик кадровой передачи

ПЗС-формирователь изображений с переносом кадров был первой структурой изображения, предложенной для ПЗС-визуализации Майклом Томпсеттом из Bell Laboratories. Передачи кадра ПЗС является специализированным CCD, которые часто используется в астрономии и некоторые профессиональных видеокамерах , предназначенный для обеспечения высокой эффективности воздействия и правильности.

Нормальное функционирование ПЗС-матрицы, астрономическое или иное, можно разделить на две фазы: экспонирование и считывание. На первом этапе ПЗС-матрица пассивно собирает поступающие фотоны , сохраняя электроны в своих ячейках. По истечении времени экспозиции клетки считываются по одной строке за раз. Во время фазы считывания ячейки сдвигаются вниз по всей площади ПЗС-матрицы. Пока они перемещаются, они продолжают собирать свет. Таким образом, если переключение происходит недостаточно быстро, могут возникнуть ошибки из-за света, попадающего на удерживающий заряд элемента во время передачи. Эти ошибки называются «вертикальным размытием» и приводят к тому, что сильный источник света создает вертикальную линию выше и ниже своего точного местоположения. Кроме того, ПЗС-матрица не может использоваться для сбора света во время считывания. К сожалению, более быстрое переключение требует более быстрого считывания, а более быстрое считывание может привести к ошибкам в измерении заряда ячейки, что приведет к более высокому уровню шума.

ПЗС-матрица с кадровой передачей решает обе проблемы: она имеет экранированную, не светочувствительную область, содержащую столько же ячеек, сколько и область, подверженную воздействию света. Обычно эта область покрыта отражающим материалом, например алюминием. По истечении времени экспозиции клетки очень быстро перемещаются в скрытую область. Здесь, в безопасности от любого падающего света, клетки можно считывать с любой скоростью, которую сочтут необходимой для правильного измерения заряда клеток. В то же время экспонированная часть ПЗС-матрицы снова собирает свет, поэтому между последовательными экспозициями не возникает задержки.

Недостатком такой ПЗС-матрицы является более высокая стоимость: площадь ячейки практически увеличивается вдвое, и требуется более сложная управляющая электроника.

Усиленное устройство с зарядовой связью

Усиленное устройство с зарядовой связью (ICCD) - это ПЗС-матрица, которая оптически связана с усилителем изображения, установленным перед ПЗС-матрицей.

В состав усилителя изображения входят три функциональных элемента: фотокатод , микроканальная пластина (МКП) и люминофорный экран. Эти три элемента устанавливаются один за другим в указанной последовательности. Фотоны, исходящие от источника света, падают на фотокатод, генерируя фотоэлектроны. Фотоэлектроны ускоряются по направлению к МКП с помощью электрического управляющего напряжения, прикладываемого между фотокатодом и МКП. Электроны размножаются внутри МКП и затем ускоряются по направлению к люминофорному экрану. Люминофорный экран, наконец, преобразует умноженные электроны обратно в фотоны, которые направляются на ПЗС-матрицу с помощью оптоволокна или линзы.

Усилитель изображения по своей сути включает в себя функцию затвора : если управляющее напряжение между фотокатодом и MCP меняется на противоположное, излучаемые фотоэлектроны не ускоряются в направлении MCP, а возвращаются к фотокатоду. Таким образом, никакие электроны не размножаются и не испускаются MCP, никакие электроны не попадают на люминофорный экран, и усилитель изображения не излучает свет. В этом случае свет на ПЗС-матрицу не попадает, а это означает, что шторка закрыта. Процесс реверсирования управляющего напряжения на фотокатоде называется стробированием, и поэтому ICCD также называют стробируемыми камерами CCD.

Помимо чрезвычайно высокой чувствительности камер ICCD, которые позволяют детектировать одиночные фотоны, возможность блокировки является одним из основных преимуществ ICCD по сравнению с камерами EMCCD . Самые производительные камеры ICCD позволяют выдерживать время срабатывания затвора до 200 пикосекунд .

Камеры ICCD, как правило, несколько выше по цене, чем камеры EMCCD, потому что им нужен дорогой усилитель изображения. С другой стороны, камерам EMCCD необходима система охлаждения для охлаждения микросхемы EMCCD до температуры около 170  K (−103  ° C ). Эта система охлаждения увеличивает стоимость камеры EMCCD и часто вызывает серьезные проблемы с конденсацией в приложении.

ICCD используются в приборах ночного видения и в различных научных приложениях.

ПЗС-матрица с электронным умножением

Электроны последовательно проходят через каскады усиления, составляющие регистр умножения EMCCD . Высокое напряжение, используемое в этих последовательных передачах, вызывает создание дополнительных носителей заряда за счет ударной ионизации.
в EMCCD существует дисперсия (изменение) количества электронов, выводимых регистром умножения для заданного (фиксированного) числа входных электронов (показано в легенде справа). Распределение вероятностей количества выходящих электронов нанесено логарифмически на вертикальную ось для моделирования регистра умножения. Также показаны результаты уравнения эмпирической подгонки, показанного на этой странице.

Электронно-умножения ПЗС (EMCCD, также известный как L3Vision CCD, продукт от коммерческого e2v Ltd., GB, L3CCD или Impactron CCD, теперь уже прекращено-продукта , предлагаемого в прошлом Texas Instruments) представляет собой прибор с зарядовой связью в Регистр усиления расположен между регистром сдвига и выходным усилителем. Регистр усиления разделен на большое количество каскадов. На каждом этапе электроны размножаются за счет ударной ионизации аналогично лавинному диоду . Вероятность усиления на каждом каскаде регистра мала ( P <2%), но, поскольку количество элементов велико (N> 500), общий коэффициент усиления может быть очень высоким ( ), при этом одиночные входные электроны дают много тысяч вывод электронов. Считывание сигнала с ПЗС дает шумовой фон, обычно несколько электронов. В EMCCD этот шум накладывается на многие тысячи электронов, а не на один электрон; Таким образом, основным преимуществом устройств является их незначительный шум считывания. Использование лавинного пробоя для усиления фотозарядов уже было описано в патенте США 3761744 в 1973 году Джорджем Смитом / Bell Telephone Laboratories.

EMCCD проявляют аналогичную чувствительность к усиленным ПЗС (ICCD). Однако, как и в случае с ICCD, усиление, применяемое в регистре усиления, является стохастическим, и точное усиление, примененное к заряду пикселя, невозможно узнать. При высоких коэффициентах усиления (> 30) эта неопределенность оказывает такое же влияние на отношение сигнал / шум (SNR), как уменьшение вдвое квантовой эффективности (QE) по сравнению с работой с коэффициентом усиления, равным единице. Однако при очень низких уровнях освещенности (где квантовая эффективность наиболее важна) можно предположить, что пиксель либо содержит электрон, либо нет. Это устраняет шум, связанный со стохастическим умножением, с риском подсчета нескольких электронов в том же пикселе, что и один электрон. Чтобы избежать множественных подсчетов в одном пикселе из-за совпадающих фотонов в этом режиме работы, необходима высокая частота кадров. Дисперсия усиления показана на графике справа. Для регистров умножения с большим количеством элементов и большим коэффициентом усиления это хорошо моделируется уравнением:

если

где P - вероятность получить n выходных электронов с учетом m входных электронов и общего среднего коэффициента усиления регистра умножения g .

Из-за более низкой стоимости и лучшего разрешения EMCCD могут заменить ICCD во многих приложениях. ICCD по-прежнему имеют то преимущество, что они могут быть очень быстро стробированы и, таким образом, полезны в таких приложениях, как построение изображений со стробированием по дальности . Камеры EMCCD обязательно нуждаются в системе охлаждения - с использованием термоэлектрического охлаждения или жидкого азота - для охлаждения чипа до температур в диапазоне от –65 до –95 ° C (от –85 до –139 ° F). Эта система охлаждения, к сожалению, увеличивает стоимость системы визуализации EMCCD и может вызвать проблемы с конденсацией в приложении. Однако высококачественные камеры EMCCD оснащены постоянной герметичной вакуумной системой, ограничивающей микросхему, чтобы избежать проблем с конденсацией.

Возможности EMCCD при слабом освещении находят применение, среди прочего, в астрономии и биомедицинских исследованиях. В частности, их низкий уровень шума при высокой скорости считывания делает их очень полезными для множества астрономических приложений, связанных с источниками слабого света и переходными явлениями, такими как удачное отображение слабых звезд, фотометрия с высокоскоростным счетом фотонов , спектроскопия Фабри-Перо и спектроскопия высокого разрешения. . Совсем недавно, эти типы CCDs вломились в области биомедицинских исследований в условиях слабого освещения , включая мелких животных изображений , одномолекулярной изображений , спектроскопии комбинационного рассеяния света , суперразрешением микроскопии , а также широкий спектр современных флуоресцентной микроскопии методик благодаря возросшей SNR в условиях низкой освещенности по сравнению с традиционными CCD и ICCD.

Что касается шума, коммерческие камеры EMCCD обычно имеют тактовый заряд (CIC) и темновой ток (в зависимости от степени охлаждения), которые вместе приводят к эффективному шуму считывания в диапазоне от 0,01 до 1 электрона на считывание пикселя. Однако недавние улучшения в технологии EMCCD привели к новому поколению камер, способных производить значительно меньше CIC, более высокую эффективность передачи заряда и коэффициент усиления электромагнитного излучения в 5 раз выше, чем было доступно ранее. Эти достижения в области обнаружения при слабом освещении приводят к эффективному общему фоновому шуму в 0,001 электрона на считывание пикселя, что не может сравниться ни с одним другим устройством формирования изображений при слабом освещении.

Использование в астрономии

Матрица из 30 ПЗС, используемых в камере формирования изображений телескопа Sloan Digital Sky Survey , пример "дрейфового сканирования".

Благодаря высокой квантовой эффективности устройств с зарядовой связью (ПЗС) (идеальная квантовая эффективность составляет 100%, один генерируемый электрон на падающий фотон), линейности их выходных сигналов, простоте использования по сравнению с фотопластинками и множеству других причин , ПЗС-матрицы были очень быстро приняты астрономами почти во всех приложениях, работающих в диапазоне от ультрафиолетового излучения до инфракрасного.

Тепловой шум и космические лучи могут изменять пиксели в матрице ПЗС. Чтобы противостоять таким эффектам, астрономы делают несколько экспозиций с закрытым и открытым затвором ПЗС. Среднее значение изображений, сделанных с закрытым затвором, необходимо для снижения случайного шума. После проявления среднее изображение темного кадра вычитается из изображения с открытым затвором, чтобы удалить темновой ток и другие систематические дефекты ( мертвые пиксели , горячие пиксели и т. Д.) В ПЗС-матрице. Более новые ПЗС-матрицы Skipper противодействуют шуму, собирая данные с одним и тем же собранным зарядом несколько раз, и находят применение в точном поиске световой темной материи и измерениях нейтрино .

Космический телескоп Хаббл , в частности, имеет очень развитую серию шагов ( «сокращение данных трубопровода») , чтобы преобразовать необработанные данные ПЗС в полезные изображений.

ПЗС-камерам, используемым в астрофотографии, часто требуются прочные крепления, чтобы выдерживать вибрации от ветра и других источников, а также огромный вес большинства платформ формирования изображений. Чтобы сделать длительные экспозиции галактик и туманностей, многие астрономы используют технику, известную как автогид . Большинство автогидеров используют вторую микросхему ПЗС для отслеживания отклонений во время построения изображения. Этот чип может быстро обнаруживать ошибки в отслеживании и подавать команду моторам крепления на их исправление.

Необычное астрономическое применение ПЗС-матриц, называемое дрейфовым сканированием, использует ПЗС-матрицу, чтобы заставить фиксированный телескоп вести себя как следящий телескоп и следить за движением неба. Заряды в ПЗС переносятся и считываются в направлении, параллельном движению неба, и с той же скоростью. Таким образом, телескоп может отображать более крупную область неба, чем его нормальное поле зрения. Sloan Digital Sky Survey является наиболее известным примером этого, используя технику , чтобы произвести обзор более четверти неба.

Помимо формирователей изображения, ПЗС-матрицы также используются в ряде аналитических приборов, включая спектрометры и интерферометры .

Цветные камеры

Изображение x80 под микроскопом фильтра Байера RGGB на ПЗС-матрице Sony CCD PAL с 240 строками

Цифровые цветные камеры обычно используют маску Байера поверх ПЗС. Каждый квадрат из четырех пикселей имеет один фильтрованный красный, один синий и два зеленых ( человеческий глаз более чувствителен к зеленому, чем к красному или синему). В результате информация о яркости собирается в каждом пикселе, но цветовое разрешение ниже разрешения яркости.

Лучшее цветовое разделение может быть достигнуто с помощью устройств с тремя ПЗС ( 3CCD ) и дихроичной призмы светоделителя , которая разделяет изображение на красный , зеленый и синий компоненты. Каждая из трех ПЗС-матриц настроена так, чтобы реагировать на определенный цвет. Многие профессиональные видеокамеры и некоторые полупрофессиональные видеокамеры используют эту технику, хотя развитие конкурирующей технологии CMOS сделало датчики CMOS, как с делителями луча, так и с фильтрами Байера, все более популярными в высококачественных видео и цифровых кинокамерах. Еще одним преимуществом 3CCD перед устройством с маской Байера является более высокая квантовая эффективность (более высокая светочувствительность), поскольку большая часть света от линзы попадает на один из кремниевых датчиков, а маска Байера поглощает большую часть (более 2/3) света. свет падает на каждую точку пикселя.

Для неподвижных сцен, например, в микроскопии, разрешение устройства маски Байера может быть улучшено с помощью технологии микросканирования . В процессе совмещения цветов получается несколько кадров сцены. Между съемками датчик перемещается в пиксельных размерах, так что каждая точка в поле зрения последовательно захватывается элементами маски, чувствительными к красному, зеленому и синему компонентам ее цвета. В конце концов, каждый пиксель изображения был просканирован по крайней мере один раз в каждом цвете, и разрешение трех каналов стало эквивалентным (разрешения красного и синего каналов увеличиваются в четыре раза, а зеленого канала - вдвое).

Размеры сенсора

Датчики (CCD / CMOS) бывают разных размеров или форматов датчиков изображения. Эти размеры часто обозначаются с помощью обозначения доли дюйма, например 1 / 1,8 ″ или 2/3 ″, называемого оптическим форматом . Это измерение восходит к 1950-м годам и временам трубок Видикон .

Цветущий

Вертикальный мазок

Когда экспонирование CCD достаточно продолжительное, в конечном итоге электроны, которые собираются в «ячейках» в самой яркой части изображения, переполняют ячейку, что приводит к расцветанию. Структура ПЗС-матрицы позволяет электронам легче течь в одном направлении, чем в другом, что приводит к появлению вертикальных полос.

Некоторые функции защиты от цветения, которые могут быть встроены в ПЗС-матрицу, снижают ее чувствительность к свету за счет использования части пиксельной области для структуры стока. Джеймс М. Ранний разработал вертикальный слив, препятствующий появлению цветения, который не отвлекает от области сбора света и, следовательно, не снижает светочувствительность.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки