Прибор с зарядовой связью - Charge-coupled device


Из Википедии, свободной энциклопедии
Специально разработанный ПЗС в пакете проволочной связи используется для ультрафиолетовой обработки изображений

Прибор с зарядовой связью ( ПЗС ) представляет собой устройство для перемещения электрического заряда , как правило , внутри устройства к зоне , где заряд можно манипулировать, например , преобразование в цифровое значение. Это достигается за счет «сдвига» сигналы между этапами в пределах устройства по одному за раз. ПЗС - матрица перемещение заряда между емкостными бункерами в устройстве, со смещением , позволяющим на передачу заряда между бункерами.

В последние годы CCD стала одной из основных технологий для получения цифровых изображений . В ПЗС - датчик изображения , пиксели представлены р-легированный металл-оксид-полупроводник (МОП) конденсаторов. Эти конденсаторы смещены выше порога инверсии , когда начинается получения изображения, что позволяет преобразование входящих фотонов в электронных зарядов на границе раздела полупроводник-оксида; ПЗС затем используется для считывания этих обвинений. Хотя CC не единственная технология для обеспечения легкого обнаружения, датчики ПЗСА широко используется в профессиональных, медицинских и научных приложениях , где требуется данные изображения высокого качества. В приложениях с менее строгими требованиями к качеству, например, потребительских и профессиональных цифровых камер , активных датчиков пикселей , также известный как комплементарный металло-оксидный-полупроводников ( CMOS ) , как правило , используются; большие качественные преимущества CCDs пользуются рано сузились в течение долгого времени.

история

Джордж Э. Смит и Уиллард Бойл, 2009

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году в Соединенных Штатах в AT & T Bell Labs по Willard Boyle и George E. Smith . Лаборатория работает на полупроводниковой памяти пузыря , когда Бойл и Смит задумали дизайн того , что они называют, в их тетради, «„Bubble“Charge Devices». Устройство может быть использовано в качестве регистра сдвига . Сущность конструкции была возможность передавать заряд вдоль поверхности полупроводника из одного накопительного конденсатора к следующему. Концепция была сходной в принципе с ковшового устройства бригады (BBD), который был разработан в Philips Research Labs в конце 1960 - х годов. Первый патент ( патент США 4085456 ) по применению CCDs для визуализации был назначен Майкл Tompsett .

Первоначальный документ с описанием концепции, перечисленной возможно использует в качестве памяти, линии задержки, и устройства формирования изображения. Первое экспериментальное устройство демонстрирует принцип был ряд близко расположенных металлических квадратов на окисленной поверхности кремния электрически доступ с помощью проволочных связей.

Первый рабочий ПЗС сделано с технологии интегральных схем была простой 8-битный регистр сдвига. Это устройство было входные и выходные цепи и был использован , чтобы продемонстрировать его использование в качестве регистра сдвига и в виде неочищенного восемь пикселей линейного устройства формирования изображения. Разработка устройства прогрессировала быстрыми темпами. К 1971 году Bell исследователи во главе с Майклом Tompsett смогли захватить изображения с помощью простых линейных устройств. Несколько компании, в том числе Fairchild Semiconductor , RCA и Texas Instruments , взяли на изобретении и начали программу развития. Усилия Fairchild, во главе с экс-Белл исследователем Gil Амелио , были первыми с коммерческими устройствами, а к 1974 году имели линейное устройство 500-элемент и 2-D 100 х 100 пикселей , устройство с. Стивен Сассон , инженер - электрик работает Kodak , изобрел первую цифровую камеру с помощью Fairchild 100 х 100 CCD в 1975. Первый КН-11 KENNEN разведывательный спутник оснащен массивом устройства с зарядовой связью ( 800 х 800 пикселей) технологии для визуализации был запущен в декабре 1976 года под руководством Кадзуо Ивама , Sony также начал большое усилия в области развития на CCDs с участием значительных инвестиций. В конце концов, Sony удалось массовое производство CCDs для своих видеокамер . Перед тем, как это случилось, Ивама умер в августе 1982 года; Впоследствии, чип CCD был помещен на его надгробной плите , чтобы признать его вклад.

В январе 2006 года Бойл и Смит были удостоены Национальной академии наук Чарльза Старка Дрейпера премии , а в 2009 году они были удостоены Нобелевской премии по физике , за изобретение концепции CCD. Майкл Tompsett был награжден 2010 Национальной Медали технологий и инноваций в течение новаторской работы и электронные технологии , в то числе при проектировании и разработки первого прибора с зарядовой связью (CCD) томографы. Он также был награжден в 2012 году IEEE Edison медалью «За новаторский вклад в устройствах обработки изображений , включая ПЗС Imagers, камеры и тепловизоры».

Основы работы

Пакеты заряда (электроны, синие) собраны в потенциальных ямах (желтая) , созданных путем применения положительного напряжения на электродах затвора (G). Применяя положительное напряжение к электроду затвора в правильной последовательности передает эти пакеты заряда.

В ПЗСЕ для захвата изображений, существует Фотоактивная область (ые эпитаксиальный слой кремния), и область передачи сделана из регистра сдвига (ПЗС, собственно говоря).

Изображение проецируется через линзу на массив конденсатора (светочувствительная область), в результате чего каждый конденсатора накапливать электрический заряд , пропорциональный световую интенсивность в этом месте. Одномерный массив, используемый в камерах линии сканирования, захватывает одну кусочек изображения, в то время как двумерный массив, используемый в видео и до сих пор камер, захватывает двумерное изображение , соответствующее сцены проецируется на фокальной плоскости датчика. После того, как массив подвергся воздействию изображения, схему управления вызывает каждый конденсатор для передачи его содержимое к своему соседу (функционирует как регистр сдвига). Последнее 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 к последовательности напряжений. В цифровом устройстве, эти напряжения затем пробы, в цифровой форме, и обычно хранятся в памяти; в аналоговом устройстве (например, аналоговой видеокамеры), они обрабатываются в непрерывный аналоговый сигнал (например , путем подачи выходного сигнала усилителя заряда в фильтр нижних частот а), который затем обрабатывается и подается на другие схемы для передачи, запись или другая обработка.

«Одномерный» ПЗС - датчик изображения с факсом

Подробная физика работы

поколение Charge

Перед тем как конденсаторы MOS подвергаются воздействию света, они смещены в область истощения; в п-канального CCDs, кремний под смещением ворот слегка р -легированный или внутренняя. Ворота затем смещена под положительным потенциалом, выше порога для сильной инверсии, которые в конечном итоге привести к созданию п канала под затвором , как в МОП - транзистора . Тем не менее, это требует времени , чтобы достичь этого теплового равновесия: до часов в высококачественных научных камерах охлаждения при низкой температуре. Первоначально после того, как смещение, отверстия выталкиваются далеко в подложку, и никакие подвижные электроны не находятся на поверхности или вблизи поверхности; Таким образом , ПЗС работает в неравновесном состоянии , называемом глубоким истощением. Затем, когда электронно-дырочные пары генерируются в обедненной области, они отделены друг от друга электрическим полем, электроны движутся по направлению к поверхности, а дырки движутся к подложке. Могут быть идентифицированы четыре пары процессов поколения:

  • Фото поколения (до 95% от квантовой эффективности ),
  • генерация в обедненной области,
  • генерация на поверхности, и
  • генерация в нейтральном объеме.

Последние три процесса, известен как темно-текущее поколение, и добавить шум к изображению; они могут ограничить общее полезное время интегрирования. Накопление электронов на поверхности или вблизи поверхности может протекать либо до тех пор , пока изображение не интеграция закончена , и заряд начинает передаваться, или тепловое равновесие будет достигнуто. В этом случае также называется полным. Максимальная емкость каждой скважины известна как глубина скважины, обычно приблизительно 10 5 электронов на пиксель.

Проектирование и производство

Фотоактивная область ПЗСА, вообще, эпитаксиальный слой кремния . Это слегка р легированный ( как правило , с бором ) и выращивают на платформе подложки материала, часто р ++. В захороненных-канальных устройствах, тип конструкции , используемой в большинстве современной CC, определенные области поверхности кремния являются ионными имплантированы с фосфором , давая им н-легированное обозначение. Этот регион определяет канал , в котором фотогенерируемые зарядовых пакеты будут путешествовать. Саймон Зи детали преимущества устройства со скрытым каналом:

Этот тонкий слой (= 0,2-0,3 мкм) полностью истощен и накопленный заряд фотогенерированный находится вдали от поверхности. Эта структура имеет преимущества более высокой эффективности переноса и нижней темнового тока, с пониженной поверхностной рекомбинации. Штраф меньше мощности заряда, по 2-3 раза по сравнению с поверхностно-канала CCD.

Оксид затвора, т.е. конденсатора диэлектрика , выращен поверх эпитаксиального слоя и подложки.

В дальнейшем в этом процессе, поликремния ворота осаждают путем химического осаждения из паровой фазы , с узором фотолитографии и травлению таким образом , что отдельно фазированные ворота лежат перпендикулярно к каналам. Каналы, кроме того , определяется использованием в ЛОКОСЕ процесс с получением стоп канала области.

Остановки канала термически выращены оксиды , которые служат для изоляции зарядовых пакетов в одну колонку от тех , в другой. Эти остановки канала производятся до того , как поликремния ворот, так как процесс LOCOS использует шаг высокой температуры , который уничтожит затвор материал. Ограничители канала параллельны, и исключая, канал, или «несущий заряд», регионы.

Канал останавливается часто имеет р + легированную область , лежащие в основе их, обеспечивая дополнительный барьер для электронов в зарядовых пакетах (это обсуждение физики ПЗСА - устройствах предполагает электронные передающее устройство, хотя проходное отверстие возможно).

Тактирования из ворот, попеременно высоким и низким, будет в прямом и обратном смещении диода , который обеспечивается заглубленного канала (н-легированный) и эпитаксиальный слой (р-легированный). Это приведет к ПЗС истощать, вблизи р-п - перехода , и будет собирать и перемещать пакеты заряда под ворота-и внутри каналов-устройства.

Производство и эксплуатация ПЗС могут быть оптимизированы для различных применений. Выше процесс описывает передачу кадра ПЗС. В то время как ПЗС - матрицы могут быть изготовлены на сильно легированный р ++ пластины также возможно изготовить устройство внутри р-скважин , которые были помещены на п-подложке. Этот второй метод, как сообщается, уменьшает мазок, темновой ток , и инфракрасный и красный ответ. Этот способ производства используют в строительстве устройств с межстрочным переносом.

Другой вариант CCD называется перистальтического CCD. В перистальтическом приборе с зарядовой связью, операция переноса заряда-пакет аналогична перистальтическим сокращением и дилатацией пищеварительной системы . Перистальтический ПЗС имеет дополнительный имплантат , который держит заряд от / кремния диоксида кремния интерфейса и генерирует большое боковое электрическое поле от одних ворот к другому. Это обеспечивает дополнительную движущую силу , чтобы помочь в передаче пакетов зар д.

Архитектура

Датчики ПЗС могут быть реализованы в нескольких различных архитектур. Наиболее распространенными являются полный кадр, кадр передачи, и интерлайн. Отличительная черта каждый из этих архитектур является их подходом к проблеме опалубки.

В устройстве полнокадрового, все области изображения является активным, и нет электронного затвора. Механический затвор должен быть добавлен к этому типу датчика или мазках изображения, как устройство работает на частоте или считаны.

С кадра передачи ПЗС, половина площади кремния покрыта непрозрачной маской (как правило, алюминия). Изображение может быть быстро переведено из области изображения в непрозрачную области или область хранения с приемлемой мазкой несколько процентов. Это изображение может быть считано медленно из области хранения в то время как новое изображение интеграции или выставляя в активной зоне. Устройства Frame-передачи, как правило, не требуют механического затвора и были общая архитектура для ранних твердотельных телевизионных камер. Недостатком архитектуры кадра передачи является то, что он требует в два раза кремния недвижимости эквивалентного устройства полнокадровой; следовательно, он стоит примерно в два раза больше.

Архитектура межстрочная расширяет эту концепцию на один шаг дальше и маски каждого столбец датчика изображения для хранения. В этом устройстве, только один пиксель сдвиг должен произойти , чтобы перейти из области изображения в области хранения; Таким образом, время выдержки может быть меньше микросекунды и мазок, по существу , устранен. Преимуществом не свободен, однако, так как область формирования изображения теперь покрыты непрозрачными полосками понижая коэффициент заполнения примерно на 50 процентов и эффективной квантовой эффективности на эквивалентную сумму. Современные конструкции обратились этой вредная характеристикой путем добавления микролинз на поверхности устройства , чтобы направить свет от непрозрачных областей и на активную области. Микролинзы могут принести коэффициент заполнения обратно до 90 процентов или больше в зависимости от размера пикселя и оптической конструкции в целом системы.

CCD с 2,1 - мегапиксельной Argus цифровой камеры
ПЗС Sony ICX493AQA 10.14 (Брутто 10,75) Мпикс APS-C 1.8" (23,98 х 16.41mm) на стороне датчика
ПЗС Sony ICX493AQA 10.14 (Брутто 10,75) Мпикс APS-C 1.8" (23,98 х 16.41mm) штырьки сторона

Выбор архитектуры сводится к одному из утилиты. Если приложение не может терпеть дорогой, отказ склонной, энергоемкой механический затвор, интерлайн устройство является правильным выбором. Потребительские моментальный снимок камеры использовали интерлайн устройства. С другой стороны, для тех приложений, которые требуют наилучшего сбора света и проблемы денег, власти и времени менее важно, устройство полнокадровой является правильным выбором. Астрономы, как правило, предпочитают полнокадровое устройство. Кадр передачи падает между ними и был общий выбор, прежде чем вопрос заполнения фактор интерлайн устройств был адресован. Сегодня, каркасно-передача обычно выбираются, когда архитектура интерлайн не доступна, например, в задней подсветке устройства.

ПЗС - матрица , содержащая сеток пикселей используется в цифровых камерах , оптических сканерах и видеокамерах в качестве устройств светового зондирования. Они обычно отвечают на 70 процентов падающего света (означающий квантовую эффективность около 70 процентов) , что делает их гораздо более эффективными , чем фотопленки , которая захватывает лишь около 2 процентов падающего света.

CCD с 2,1 - мегапиксельной Hewlett-Packard цифровой камеры

Наиболее распространенные типы CCDs чувствительны к ближней инфракрасной области света, что позволяет инфракрасной фотографии , ночного видения , приборы и нулевой люкс (или почти нулевой лк) видео-записи / фотографии. Для обычных детекторов на основе кремния, чувствительность ограничена до 1,1 мкм. Еще одним следствием их чувствительности к инфракрасному, что инфракрасный из пультов дистанционного управления часто появляется на ПЗС на основе цифровых камер или видеокамер , если они не имеют ИК - блокаторы.

Охлаждение уменьшает массив в темновой ток , повышение чувствительности CCD к низкой интенсивности света, даже для ультрафиолетовой и видимой длины волны. Профессиональные обсерватории часто охлаждать их детекторы с жидким азотом , чтобы уменьшить темновой ток, и , следовательно, тепловой шум , до незначительных уровней.

Передача кадра ПЗС

Датчик ПЗС кадра передачи

Передача кадра ПЗС была первой структурой изображения , предложенная для обработки изображений CCD Майкл Tompsett в 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, астрономической или иным образом , могут быть разделены на две фазы: экспозиции и считывание. Во время первой фазы, ПЗС пассивно собирает входящие фотоны , хранение электронов в своих клетках. После того, как проходит время экспозиции, клетки считываются по одной строке за один раз. Во время считывания фазы, клетки смещаются вниз по всей площади ПЗС - матрицы. В то время как они смещаются, они продолжают собирать свет. Таким образом, если смещение не достаточно быстро, ошибки могут возникнуть в результате света , который падает на кювету заряд во время передачи данных . Эти ошибки называются «вертикальный мазком» и вызвать сильный источник света , чтобы создать вертикальную линию выше и ниже его точного местоположения. Кроме того, CCD не может быть использован для сбора света во время его зачитать. К сожалению, более быстрый сдвиг требует более быстрого считывания и быстрое считывание может привести к ошибкам в измерении заряда клеток, что приводит к более высокому уровню шума.

Передача кадра ПЗС решает обе проблемы: он имеет экранированный, не светочувствительный, область, содержащую столько ячеек, как площадь под воздействием света. Как правило, эта область покрыта отражающим материалом, таким как алюминий. Когда время экспозиции вверх, клетки передаются очень быстро в скрытой области. Здесь, в безопасности от любого входящего света, клетки могут быть считаны с любой скоростью один сочтет необходимым, чтобы правильно измерить заряд клеток. В то же время, открытая часть ПЗС снова собирает свет, поэтому никакой задержки не происходит между последовательными экспозициями.

Недостаток такого CCD является более высокой стоимостью: площадь ячейки в основном в два раза, и нужна более сложные управления электроника.

Усиленный прибор с зарядовой связью

Активизировали прибор с зарядовой связью (ICCD) является ПЗС, который соединен с оптическим усилителем изображения, который установлен в передней части ПЗС-матрицы.

ЭОП включает в себя три функциональные элементы: фотокатод , A микро-канал пластины (МКП) и люминофор экрана. Эти три элемента установлены один близко за другие в указанной последовательности. Фотоны , которые приходят из источника света падают на фотокатод, тем самым генерируя фотоэлектроны. Фотоэлектроны ускоряются в направлении MCP с помощью электрического управляющего напряжения, приложенного между фотокатодом и МКП. Электроны умножаются внутри MCP и затем ускоряются в направлении люминесцентного экрана. Люминесцентный экран , наконец , преобразует умноженные электроны обратно в фотоны , которые ориентируются на ПЗС с помощью волоконно - оптического или линзы.

ЭОП по своей природе включает в себя затвора функциональность: Если управляющее напряжение между фотокатодом и МКП восстанавливается, излучаемые фотоэлектроны не ускоряется в направлении MCP , но вернуться на фотокатод. Таким образом, электроны не умножаются и излучаемый MCP, электроны не собираются на люминесцентный экран , и свет не излучается из ЭОП. В этом случае свет не падает на ПЗС, что означает , что затвор закрыт. Процесс реверсирования управляющего напряжения на фотокатод называется стробирования и , следовательно , ICCDs также называют gateable ПЗС - камеры.

Кроме того, чрезвычайно высокой чувствительности ICCD камер, которые дают возможность обнаружения одного фотона, то gateability является одним из основных преимуществ ICCD над EMCCD камерами. Наивысочайшие исполнительский ICCD камеры позволяют время выдержки в короткое до 200 пикосекунд .

ICCD камера в целом несколько выше в цене , чем камеры EMCCD , потому что они нуждаются в дорогой ЭОПЕ. С другой стороны, EMCCD камеры необходима система охлаждения для охлаждения чипа EMCCD до температуры около 170 К . Эта система охлаждения добавляет дополнительные затраты на камеру EMCCD и часто приводит к тяжелым проблемам конденсации в приложении.

ICCDs используется в приборах ночного видения и в различных научных приложениях.

Электронно-умножая CCD

Электроны передаются последовательно через этапы усиления, составляющий регистр умножения на EMCCD . Высокие напряжения , используемые в этих последовательных переводах вызывают создание дополнительных носителей заряда через ударную ионизацию.
в EMCCD есть дисперсии (вариация) в количестве выхода электронов регистра умножения для данного (фиксированного) числа входных электронов ( как показано в легенде справа). Распределение вероятностей для числа выходных электронов нанесено логарифмический по вертикальной оси для моделирования регистра умножения. Также показаны результаты от эмпирической подгонки уравнения , 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 который регистр усиления помещаются между регистром сдвига и выходным усилителем. Регистр усиления разделен на большое число стадий. На каждом этапе, электроны умножаются на ударной ионизации аналогичным образом к лавинный диод . Вероятность усиления на каждом этапе регистра мала ( P <2%), но так как число элементов велико (N> 500), общий коэффициент усиления может быть очень высокой ( ), с одним входных электронов дает много тысяч выход электронов. Считывание сигнала с ПЗС - матрицы дает шумовой фон, как правило , несколько электронов. В EMCCD, этот шум накладывается на многих тысяч электронов , а не одного электрона; Основное преимущество Устройства, таким образом , их пренебрежимо мало шума считывания. Следует отметить , что использование лавинного пробоя для усиления зарядов фото уже были описаны в патенте США 3,761,744 в 1973 году Джордж Э. Смит / Bell Telephone Laboratories.

EMCCDs показывают аналогичную чувствительность к усиленному CCDs (ICCDs). Однако, как и ICCDs, выигрыш , который применяется в регистре усиления является стохастической и точный коэффициент усиления , который был применен для зарядки пикселя невозможно знать. При высоких прибылей (> 30), эта неопределенность имеет тот же эффект на отношение сигнал-шум (SNR) , как сокращение вдвое квантовую эффективность (QE) по отношению к работе с коэффициентом усиления единства. Однако при очень низких уровнях освещенности (где квантовый выход является наиболее важным), то можно предположить , что пиксель содержит либо электрон - или нет. Это устраняет шум , связанный со стохастическим умножением на риск подсчета нескольких электронов в том же пикселе в качестве одного электрона. Для того, чтобы избежать нескольких отсчетов в один пиксель за счет совпадающих фотонов в этом режиме работы, высокая частота кадров являются существенными. Дисперсия коэффициента усиления показана на графике справа. Для регистров умножения с большим количеством элементов и большим коэффициентом усиления хорошо моделируется уравнением:

если

где Р есть вероятность получения п выходных данные электронов м входных электроны и общее среднее усиление регистра умножения г .

Из-за более низких цен и более высоким разрешением, EMCCDs способны заменить ICCDs во многих приложениях. ICCDs все еще имеет то преимущество , что они могут быть коттеджными очень быстро , и , таким образом , может быть использованы в приложениях , таких как изображения диапазона селекции . EMCCD камеры насущно нужна система охлаждения - с использованием либо термоэлектрического охлаждения или жидкий азот - для охлаждения чипа вплоть до температур в диапазоне от -65 до -95 ° С (-85 до -139 ° F). Эта система охлаждения , к сожалению , добавляет дополнительные затраты на систему EMCCD формирования изображения и может приводить к ошибкам конденсации в приложении. Тем не менее, EMCCD камера высокого класса оснащена постоянной герметичной вакуумной системой удерживающего чипа , чтобы избежать проблем конденсации.

В низкой освещенности возможность EMCCDs находит применение в астрономии и медико - биологических исследованиях, среди других областей. В частности, их низкий уровень шума на высоких скоростях считывания делает их очень полезными для различных астрономических применений , включающих низкие источники света и переходные события , такие как счастливый изображений слабых звезд, высокая скорость счета фотонов фотометрии, Фабри-Перо спектроскопии и спектроскопии высокого разрешения , Совсем недавно, эти типы CCDs вломились в области биомедицинских исследований в условиях слабого освещения , включая мелких животных визуализации , визуализации отдельных молекул , спектроскопии комбинационного рассеяния света , супер разрешение микроскопии , а также широкий спектр современных флуоресцентной микроскопии методик , благодаря большей SNR в условиях низкой освещенности по сравнению с традиционным CCDs и ICCDs.

Что касается шума, коммерческие EMCCD камера обычно имеет тактовый-индуцированный заряд (CIC) и темновую ток (в зависимости от степени охлаждения), которые вместе приводят к эффективному шуму считывания в диапазоне от 0,01 до 1 электронов на пиксель читать. Однако недавние улучшения в EMCCD технологии привели к новому поколению камер, способных производить значительно меньше CIC, более высокой эффективности переноса заряда и усиление ЭМ в 5 раз выше, чем то, что ранее была доступна. Эти достижения в области низкой освещенности свинца обнаружения в качестве эффективного общего фонового шума 0,001 электронов на пиксель читать, пол шума непревзойденной любой другой низкой освещенности устройства формирования изображения.

Использование в астрономии

Из - за высокие квантовые эффективности CCDs (для квантовой эффективности 100%, один отсчет равен один фотон), линейность их выходов, простота в использовании по сравнению с фотопластинками, а также множество других причин, ПЗС - матрицы были очень быстро приняты астрономы почти для всех УФ-в инфракрасной области спектра применений.

Тепловой шум и космические лучи могут изменять пиксели в матрице CCD. Для того, чтобы противостоять такие эффекты, астрономы несколько экспозиций с ПЗС - затвор закрывается и открывается. Средние снимков , сделанных с закрытым затвором необходимо снизить случайный шум. После того, как развито, темное средняя рамки изображения затем вычитаются из изображения открытого затвора , чтобы удалить темновый ток и другие систематические дефекты ( мертвые пиксели , горячие пиксели и т.д.) в ПЗСЕ.

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

ПЗС - камера , используемая в астрофотографии часто требует прочных креплений , чтобы справиться с колебаниями от ветра и других источников, наряду с огромным весом для большинства платформ визуализации. Для того, чтобы длинные экспозиции галактик и туманностей, многие астрономы используют технику , известную как авто-направляющая . Большинство autoguiders использовать второй чип ПЗС для контроля отклонений во время формирования изображения. Эта микросхема может быстро обнаруживать ошибки в отслеживании и командовать двигатели монтирования , чтобы исправить их.

Массив 30 CCDs , используемых на Sloan Digital Sky Survey камеры телескопа изображения, пример «дрейфуют-сканирования».

Необычное астрономическое применение CCDs, называется дрейф сканирование, использует ПЗС , чтобы сделать фиксированный телескоп ведет себя как телескоп слежения и следить за движением неба. Заряды в ПЗС передаются и читать в направлении , параллельном движению неба, и с той же скоростью. Таким образом, телескоп может изображение большего участок неба , чем его нормальное поле зрения. Sky Survey Sloan Digital является наиболее известным примером этого, используя технику опроса более четверти неба.

В дополнении к томографам, ПЗС - матрица также используется в массиве аналитических приборов , включая спектрометры и интерферометры .

Цветные камеры

Сони 2/3" ПЗС ICX024AK 10A 494496 (816 * 606) пикселей ПЗС удалены из Sony CCD-V88E видеокамеры с 1988 года, с желтым, зеленый и голубой вертикальной полосой фильтра
Датчик цветной ПЗС
x80 зрения микроскопа из фильтра RGGB Bayer на 240 линии датчика ПЗС Sony CCD PAL видеокамер

Цифровые цветные камеры обычно используют маску Байера над CCD. Каждый квадрат из четырех пикселей имеет один фильтруется красным, один синий, и два зеленых цвета ( человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету , чем красный или синий цвет). Результатом этого является то, что яркость информация собирается на каждом пикселе, но цветовое разрешение ниже , чем разрешение яркости.

Лучше разделение цветов может быть достигнуто с помощью три ПЗСА - устройств ( 3CCD ) и дихроичного светоделителя призмы , которая расщепляет изображение в красные , зеленые и синие компоненты. Каждый из трех ПЗС - матриц выполнен с возможностью реагировать на определенный цвет. Многие профессиональные видео видеокамеры, а также некоторые полупрофессиональные видеокамеры, использовать эту технику, хотя разработки в конкурирующей технологии CMOS сделали сенсоры CMOS, как с лучевыми-разветвителями и Байер фильтрами, всеми более и более популярными в высококачественных видео и цифровых камерах кино. Еще одно преимущество 3CCD над Байера маски устройства выше квантовая эффективность (и , следовательно , выше чувствительность к свету для заданного размера апертуры). Это потому , что в устройстве 3CCD большую часть света , поступающего в отверстие фиксируется с помощью датчика, в то время как маска Байер поглощает большую долю (около 2/3) от света , падающего на каждый пиксель ПЗС.

Для неподвижных сцен, например , в микроскопии, разрешение маски устройства Bayer может быть повышена за счет микросканирования технологии. В процессе отбора проб цвета со-сайте , несколько кадров сцены производится. Между поглощений, датчик перемещается в размерах пикселей, так что каждая точка в поле зрения приобретается последовательно элементами маски, которые чувствительны к красным, зеленым и синим компонентам его цвета. В конце концов , каждый пиксель в изображении был проверен по крайней мере один раз в каждом цвете и разрешении трех каналов становятся эквивалентными (постановления красных и синих каналов в четыре раз , а зеленый канал удваивается).

размеры датчика

Датчики (ПЗС / КМОП) бывают различных размеров или форматов датчика изображения. Эти размеры часто называют с дюймовой фракции назначения , такие как 1 / 1.8 "или 2/3" называется оптический формат . Это измерение фактически берет свое начало еще в 1950 - х годах и во время суперкремниконов трубок .

цветущий

Вертикальный мазок

При экспозиции ПЗСА достаточно долго, в конце концов электронов, которые собирают в «бункерах» в самой яркой части изображения будет переполнение бункера, в результате чего цветения. Структура ПЗСА позволяет электроны течь более легко в одном направлении, чем другой, что приводит к вертикальным полосам.

Некоторые анти-цветущие особенности , которые могут быть встроены в ПЗС уменьшить его чувствительность к свету, используя некоторые из пиксельной области для структуры стока. Джеймс М. Ранний разработал вертикальный анти-цветущий сток , который не будет отвлекать внимание от области сбора света, и поэтому не снижает чувствительность к свету.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка