CCD kamery

Historie

    CCD (charged coupled device) – původně vyvíjeny jako experimentální počítačové paměti (konec 60-tých a 70-tá léta) CMOS – podobná technologie jako ostatní mikroelektronika. Náročné, zvládnuté cca od 90. let.

iCCD EMCCD

Princip

      konverze světla na elektrické náboje zachycení náboje v potenciálových studních (picture element = pixel) konverze náboje na napětí zesílení řízená digitalizace a vyčítání velikosti napětí rekonstrukce obrazu

Výhody

       schopnost dlouhé akumulace signálu citlivost 20-95% (film 3-5%) vysoká linearita (fotometrie) velká rozměrová stálost (odečítání polohy s přesností 1/10 pixelu – astrometrie) rychlý přístup k výsledkům výstup v podobě datových souborů (stretching, skládání expozic) binning

CCD

charge coupled device

CMOS

complementary metal-oxide semiconductor

EMCCD

electron multiplying CCD

iCCD

image intensified CCD

Proces detekce

   λ ≤ λ Si: λ c E g c = hc/E g = 1,12 eV = 1,11 μm Citlivost a kvantová účinnost R η : R = eλη/hc [A/W]

Proces detekce

   odraz absorpce v oblasti elektrod α (400nm) = 5 μ m -1 α (650nm) = 0,3 μ m -1 rekombinační čas – krátký mimo ochuzenou vrstvu (několik málo μ m)

Tenčené čipy osvětlované zezadu (thinned back-illuminated )

 Čip se vyleptá na malou tloušťku (10-15 μ m) – je dobře transparentní

Architektury – lineární CCD

   skenery spektrometry satelity

Architektury – full frame

     nejjednodušší vysoká kvantová účinnost rozmazávání během čtení (smearing) potřebuje mechanickou závěrku vhodné pro pulsní děje

Architektury – frame transfer

      dvě oblasti čipu obraz se rychle (ms) přesune do zastíněné oblasti velký „duty factor“ rychlejší rozmazávání je slabší dražší (větší čip)

Architektury – interline transfer

     stíněné kanály pro přesun náboje téměř eliminuje rozmazání napětím lze vytvořit rychlou elektronickou závěrku stínění části čipu snižuje kvantovou účinnost pro paralelní osvit mikročočky

Schémata vyčítání CCD

 progresivní čtení  prokládané čtení (pro účely televizních CCD)

Techniky přenosu náboje čtyřfázová (4 Φ )

   řada polysilikonových elektrod podél sloupce vyšší napětí tvoří potenciálovou jámu, nižší potenciálovou bariéru změnou napětí dochází k přesunu náboje

Techniky přenosu náboje třífázová (3 Φ )

  ubude jedna elektroda, což umožní větší hustotu pixelů vyžaduje složitější časování

Techniky přenosu náboje pseudo dvoufázová (P2 Φ )

  podobná jako čtyřfázová, ale každá fáze ovládá dvě elektrody (z nichž každá vytváří jiný potenciál) složitější konstrukce, zjednodušené řízení

Techniky přenosu náboje pravá dvoufázová (T2 Φ )

   na rozdíl od P2 schodový potenciál vytvoří je jedna Φ zde elektroda časování stejné jako u P2 Φ velmi vysoká hustota pixelů

Techniky přenosu náboje virtuální fáze (V Φ )

      jen jedna elektroda na pixel jednoduché časování vysoká propustnost pro světlo mezi elektrodami umožňuje vysokou hustotu pixelů vysoká cena problémy s časovou stálostí

Konverze náboje na napětí

     plovoucí difuzní senzor nejprvuje se resetuje do výchozího stavu zesilovač zaznamená „nulovou“ hladinu pak se přesune náboj zesilovač zaznamená napěťový rozdíl

Blooming

  při přeexponování elektrony „přetékají“ do sousedních pixelů (nejsnáze ve směru sloupce) kapacita pixelu (full well capacity) je dána jeho velikostí a technologií (10 4 -10 5 e )

Anti-blooming (overflow drain)

    vertikální odvod přetečení – potenciálová bariréra v hloubce substrátu, na který se přiloží předpětí laterální odvod přetečení – odvod do kanálu vedle každého sloupce – zmenšuje aktivní plochu čipu OD může sloužit zároveň jako elektronická závěrka zhoršuje lineritu (kapacitu pixelu)

Šum CCD kamery

   odečítací šum – vzniká v procesu zesilování a konverze náboje na napětí, roste s rychlostí vyčítání (slow scan CCD) termální šum – klesá s teplotou, CCD se chladí až na -100°C δ dark = √N dark , N dark ~10 e /(pixel.s) @ 20 ° C šum světelného signálu δ signal = √(ημ) δ total = √ ( δ readout 2 + δ dark 2 + δ signal 2 )

Šum vs. expoziční doba

Poměr signál/šum

  

S N

=

N dark

2

readout

Ideální kamera má

S/N

Pro krátké expozice při termoelektickém chlazení je N dark «1 = √( ημ ) CCD kamera dosahuje ideálního poměru signál šum pro intenzity [foton/pixel] 2

readout

≫

Prostorové rozlišení

Hardwarové sdružování (binning)

   čím menší pixely, tím větší rozlišení, ale také menší dynamický rozsah binning dává rychlejší odečet a vyšší kapacitu pixelu (dynamický rozsah) za cenu nižšího rozlišení zlepšuje poměr signál/šum

Vady CCD kamer

   Tmavé pixely Pixely nebo malé skupiny pixelů s horší odezvou (<75% průměrné odezvy) – většinou vznikají znečištěním povrchu čipu nebo vadami ve struktuře Horké pixely ...mají daleko větší temný proud (>50x spec. hodnoty), většinou silně závislý na teplotě – většinou nečistotami v senzoru Pasti ...zachycují posunované elektrony, obtížně se diagnostikují (pozorovatelné od 200 e ) – způsobeny příměsemi v křemíku

raw

Kalibrace snímku

odečtení temného snímku odečtení flat field

Stretching

Sekvenční barevné snímání

> trojnásobná expozice citlivost RGB nebo LRGB složitost, snížená

Bayerova maska

      zachovává rozlišení v jasové složce barevná informace se dopočítává ze sousedních pixelů interpolací RGB filtry sníží citlivost na cca 1/3 CMY by měl cca 2/3 propustnost, ale M filtr je velmi obtížné vyrobit Filtry nelze odstranit, barevná kamera neumožňuje snímání úzkospektrálními filtry (H α , H β , O III atd.) Nelze provádět binning

Foveon X3

   vyšší rozlišení barevného obrazu odstranění artefaktů plynoucích z interpolace nevhodná pro vysoce konstrastní scény (astrofoto)

CCD vs. CMOS

CCD vs. CMOS

kvantová účinnost citlivost dynamický rozsah šum

CCD je lepší, má lepší pokrytí světlocitlivou plochou CMOS mírně lepší, díky zesílení přímo na čipu asi dvakrát lepší u CCD lepší u CCD, u CMOS přispívá elektronika na čipu

uniformita

za temna CCD lepší, za světla dnes už srovnatelné elektronická závěrka u některých CCD snadná, u CMOS na úkor citlivosti

rychlost

CMOS je lepší, díky integraci na čipu a paralelitě

windowing antibooming taktování a napětí spotřeba energie

CMOS je významně lepší CMOS je rezistentní, CCD na úkor linearity a složitosti CMOS je daleko jednodušší CMOS je mírně lepší

spolehlivost

CMOS má méně spojů, mírně lepší

Scientific CCD (Andor)

    η >90% @ max. vlnové délce (back-illuminated) TE chlazení na -100°C malý odečítací šum 16 bit A/D převodník, velký dynamický rozsah

Scientific CCD (Andor)

Speciální kamery EM-CCD iCCD

EM-CCD

     Andor iXon (2001) kamera s jednofotonovou citlivostí multiplikace elektronů na čipu kamery překonání odečítacího šumu většinou ve frame transfer architektuře

Princip elektronové multiplikace

  při přesunu náboje existuje malá pravděpodobnost uvolnění dalšího náboje nárazovou ionizací (šum) vytvoří se série hlubších potenciálových jam (multiplikační registr) – zesílení až 1000x

Zisk a dynamický rozsah

Čítání fotonů s EM-CCD

   nelze rozlišit počty fotonů zesilovací registr zvyšuje šum při aplikaci vysokého zesílení (>30x) a odečítání nad hladinou šumu lze pro slabý signál čítat jednotlivé fotony

Šum EM-CCD

   Vedle všech šumů jako u CCD ještě další zdroj šumu: šum indukovaný přesunem náboje (CIC – clock induced charge) vyskytuje se i v běžné CCD, ale tam je zanedbatelný (menší než odečítací šum), typicky řádu 5x10 -2 e /pix v EM CCD se ale násobí zesílením ~10 3

Pozičně-citlivé fotonásobiče

    multianodové fotonásobiče lineární nebo maticové uspořádání (až 64x64 pixelů) velikost pixelu ~ mm poměrně velký přeslech mezi kanály

Mikrokanálková destička (MCP)

    kapiláry ve skleněné destičce o průměru 6-20 μ m vnitřní stěna je pokryta materiálem s vysokou emisivitou pro sekundární elektrony vysoký zisk (~10 4 ) při malých rozměrech (tloušťka ~1 mm), prostorové rozlišení lze řetězit na vícestupňové MCP

Intezifikátor obrazu

  fotokatoda + MCP + fosforová obrazovka výstup z fosforové obrazovky se zobrazuje buď optickou čočkovou soustavou nebo svazkem optických vláken

iCCD kamera

Intenzifikátory – Gen II

  bialkalické nebo multialkalické fotokatody na křemenném skle dobré v krátkovlnné oblasti

Intenzifikátory – Gen III

    GaAs fotokatoda na běžném skle dobrá ve VIS a NIR Al ochranná vrstva na fotokatodě (vyžaduje vysoké napětí) – filmed MCP filmless MCP

Výhody a nevýhody iCCD

       Rychlá elektronická závěrka (2 ns GenIII filmless, 5 ns GenIII filmed, 50 ns GenII), speciální konstrukce i <1 ns Opakovací frekvence 50-500 kHz Dynamický rozsah je dán ziskem (~10 4 ) a kapacitou pixelu CCD Snímková frekvence je dána vlastnostmi CCD Nižší prostorové rozlišení než u CCD Nižší kvantová účinnost Zpravidla nižší rychlost vyčítání dat

Prostorové rozlišení

Šum CCD, EMCCD, iCCD

 Celkový šum 

total

= 2

readout

Detekovaný signál

F

2

G

2

S

=

G

 Poměr signál/šum

S N

=

F

2 2

dark

2

cic

2

dark

2

signal

2

readout G

2 2

cic

Šum CCD, EMCCD, iCCD

Šum CCD, EMCCD, iCCD

   Pro silné signály (> 10 1 -10 2 foton/pixel) jsou nejlepší CCD Pro slabé signály vynikají EMCCD, pokud nevadí jejich vyšší šum Pro velmi slabé signály, zejména, když záleží na jednotlivých událostech, je nejlepší iCCD

Kvantová účinnost iCCD a EMCCD