CCD kamery

1. CCD kamery

2. 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

3. 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

4. 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

5. CCDcharge coupled device

6. CMOScomplementary metal-oxide semiconductor

7. EMCCDelectron multiplying CCD

8. iCCDimage intensified CCD

9. Proces detekce • λ ≤ λc = hc/Eg • Si: Eg = 1,12 eVλc = 1,11 μm • Citlivost R a kvantová účinnost η :R = eλη/hc [A/W]

10. Proces detekce • odraz • absorpce v oblasti elektrodα(400nm) = 5 μm-1α(650nm) = 0,3 μm-1 • rekombinační čas – krátký mimo ochuzenou vrstvu (několik málo μm)

11. Tenčené čipy osvětlované zezadu (thinned back-illuminated ) • Čip se vyleptá na malou tloušťku (10-15 μm) – je dobře transparentní

12. Architektury – lineární CCD • skenery • spektrometry • satelity

13. Architektury – full frame • nejjednodušší • vysoká kvantová účinnost • rozmazávání během čtení (smearing) • potřebuje mechanickou závěrku • vhodné pro pulsní děje

14. Architektury – frame transfer • dvě oblasti čipu • obraz se rychle (ms) přesune do zastíněné oblasti • velký „duty factor“ • rychlejší • rozmazávání je slabší • dražší (větší čip)

15. 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

16. Schémata vyčítání CCD • progresivní čtení • prokládané čtení(pro účely televizních CCD)

17. Techniky přenosu náboječtyřfázová (4Φ) • řada polysilikonových elektrod podél sloupce • vyšší napětí tvoří potenciálovou jámu, nižší potenciálovou bariéru • změnou napětí dochází k přesunu náboje

18. Techniky přenosu nábojetřífázová (3Φ) • ubude jedna elektroda, což umožní větší hustotu pixelů • vyžaduje složitější časování

19. Techniky přenosu nábojepseudo-dvoufázová (P2Φ) • podobná jako čtyřfázová, ale každá fáze ovládá dvě elektrody (z nichž každá vytváří jiný potenciál) • složitější konstrukce, zjednodušené řízení

20. Techniky přenosu nábojepravá dvoufázová (T2Φ) • na rozdíl od P2Φ zde schodový potenciál vytvoří je jedna elektroda • časování stejné jako u P2Φ • velmi vysoká hustota pixelů

21. Techniky přenosu nábojevirtuální fáze (VΦ) • jen jedna elektroda na pixel • jednoduché časování • vysoká propustnost pro světlo mezi elektrodami • umožňuje vysokou hustotu pixelů • vysoká cena • problémy s časovou stálostí

22. 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

23. Blooming • při přeexponování elektrony „přetékají“ do sousedních pixelů (nejsnáze ve směru sloupce) • kapacita pixelu (full well capacity) je dána jeho velikostí a technologií (104-105 e-)

24. 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)

25. 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°Cδdark = √Ndark, Ndark~10 e-/(pixel.s) @ 20°C • šum světelného signálu δsignal = √(ημ)δtotal = √(δreadout2 + δdark2 + δsignal2)

26. Šum vs. expoziční doba

27. Poměr signál/šum • Ideální kamera má S/N = √(ημ) • Pro krátké expozice při termoelektickém chlazení je Ndark«1 • CCD kamera dosahuje ideálního poměru signál šum pro intenzity [foton/pixel]

28. Prostorové rozlišení

29. 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

30. Vady CCD kamer • Tmavé pixelyPixely 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

31. Kalibrace snímku odečtení temného snímku odečtení flat field raw

32. Stretching

33. Sekvenční barevné snímání • > trojnásobná expozice složitost, snížená citlivost • RGB nebo LRGB

34. 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 (Hα, Hβ, OIII atd.) • Nelze provádět binning

35. Foveon X3 • vyšší rozlišení barevného obrazu • odstranění artefaktů plynoucích z interpolace • nevhodná pro vysoce konstrastní scény (astrofoto)

36. CCD vs. CMOS

37. CCD vs. CMOS

38. 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

39. Scientific CCD (Andor)

40. Speciální kamery EM-CCD iCCD

41. EM-CCD • Andor iXon (2001) • kamera s jednofotonovou citlivostí • multiplikace elektronů na čipu kamery • překonání odečítacího šumu • většinou ve frame-transfer architektuře

42. 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

43. Zisk a dynamický rozsah

44. 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

45. 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 ~103

46. Pozičně-citlivé fotonásobiče • multianodové fotonásobiče • lineární nebo maticové uspořádání (až 64x64 pixelů) • velikost pixelu ~ mm • poměrně velký přeslech mezi kanály

47. Mikrokanálková destička (MCP) • kapiláry ve skleněné destičce o průměru 6-20 μm • vnitřní stěna je pokryta materiálem s vysokou emisivitou pro sekundární elektrony • vysoký zisk (~104) při malých rozměrech (tloušťka ~1 mm), prostorové rozlišení • lze řetězit na vícestupňové MCP

48. Intezifikátor obrazu • fotokatoda + MCP + fosforová obrazovka • výstup z fosforové obrazovky se zobrazuje buď optickou čočkovou soustavou nebo svazkem optických vláken

49. iCCD kamera

50. Intenzifikátory – Gen II • bialkalické nebo multialkalické fotokatody na křemenném skle • dobré v krátkovlnné oblasti