Устройство с зарядовой связью - Charge-coupled device

Специально разработанная ПЗС-матрица в корпусе с проводным соединением, используемая для ультрафиолетовый визуализация

А устройство с зарядовой связью (CCD) является Интегральная схема содержащий массив связанных или связанных, конденсаторы. Под управлением внешней цепи каждый конденсатор может передавать свои электрический заряд к соседнему конденсатору. ПЗС-датчики - основная технология, используемая в цифровое изображение.

В ПЗС-матрице датчик изображений, пиксели представлены р-допированный металл – оксид – полупроводник (MOS) конденсаторы. Эти МОП-конденсаторы, основные строительные блоки ПЗС-матрицы,[1] смещены выше порога инверсии, когда начинается получение изображения, что позволяет преобразовывать входящие фотоны в заряды электронов на границе полупроводник-оксид; ПЗС затем используется для считывания этих обвинений. Хотя ПЗС-матрицы - не единственная технология, позволяющая обнаруживать свет, датчики изображения ПЗС широко используются в профессиональных, медицинских и научных приложениях, где требуются высококачественные данные изображения. В приложениях с менее строгими требованиями к качеству, таких как потребительские и профессиональные цифровые фотоаппараты, активные пиксельные датчики, также известный как CMOS сенсоры (дополнительные МОП-датчики). Однако большое преимущество ПЗС в качестве, которым 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

Джордж Э. Смит и Уиллард Бойл, 2009.

Основой для CCD является металл – оксид – полупроводник (MOS) структура,[2] с МОП-конденсаторы являясь основными строительными блоками ПЗС-матрицы,[1][3] и истощенный МОП-структура, используемая в качестве фотоприемник в ранних устройствах CCD.[2] [4]

В конце 1960-х гг. Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит в Bell Labs изучали технологию MOS, работая над полупроводник пузырь памяти. Они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и может храниться в крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку это было довольно просто изготовить ряд МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому.[3] 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».[5][6]

В первоначальной статье, описывающей концепцию, в апреле 1970 г. перечислялись возможные варианты использования: объем памяти, линия задержки и устройство формирования изображения.[7] Устройство также можно было использовать как регистр сдвига. Суть конструкции заключалась в возможности передавать заряд по поверхности полупроводника от одного накопительного конденсатора к другому. Концепция была в принципе похожа на ковшо-бригадное устройство (BBD), который был разработан в Исследовательские лаборатории Philips в конце 1960-х гг.

Первым экспериментальным устройством, демонстрирующим этот принцип, был ряд близко расположенных металлических квадратов на окисленный кремний доступ к поверхности с помощью проводных соединений. Это было продемонстрировано Гил Амелио, Майкл Фрэнсис Томпсетт и Джордж Смит в апреле 1970 года.[8] Это было первое экспериментальное применение ПЗС-матрицы в датчик изображений технологии и использовал обедненную структуру МОП в качестве фотодетектора.[2] Первый патент (Патент США 4085456 ) по применению ПЗС-матриц для визуализации был поручен Томпсетту, который подал заявку в 1971 году.[9]

Первый рабочий ПЗС, сделанный с Интегральная схема Технология представляла собой простой 8-битный регистр сдвига, о котором сообщили Томпсетт, Амелио и Смит в августе 1970 года.[10] Это устройство имело входные и выходные цепи и использовалось для демонстрации его использования в качестве сдвигового регистра и в качестве примитивной восьмерки. пиксель устройство линейной визуализации. Разработка устройства шла быстрыми темпами. К 1971 году исследователи Bell во главе с Майклом Томпсеттом смогли получать изображения с помощью простых линейных устройств.[11]Несколько компаний, в том числе Fairchild Semiconductor, RCA и Инструменты Техаса, подхватил изобретение и приступил к разработке программ. 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 100 × 100 пикселей. Стивен Сассон, инженер-электрик, работающий на Kodak, изобрел первый цифровой фотоаппарат используя Fairchild 100 × 100 CCD в 1975 году.[12]

Устройство ПЗС с межстрочным переносом (ILT) было предложено Л. Уолшем и Р. Дайком в Fairchild в 1973 году для уменьшения смазывания и устранения механических повреждений. ставня. Чтобы еще больше уменьшить смазывание от ярких источников света, архитектура ПЗС-матрицы с межстрочным переносом кадра (FIT) была разработана К. Хори, Т. Курода и Т. Куни в Мацусита (ныне Panasonic) в 1981 году.[2]

Первый KH-11 KENNEN спутник-разведчик, оснащенный приборной решеткой с зарядовой связью (800 × 800 пикселей)[13] Технология визуализации была запущена в декабре 1976 года.[14] Под руководством Кадзуо Ивама, Sony начал большую работу по разработке ПЗС, требующую значительных инвестиций. В конце концов Sony удалось начать массовое производство ПЗС-матриц для своих видеокамеры. Прежде чем это произошло, Ивама умер в августе 1982 года; впоследствии на его надгробие была помещена ПЗС-матрица в знак признания его вклада.[15] Первый массовый потребительский ПЗС видеокамера CCD-G5 была выпущена Sony в 1983 году на основе прототипа, разработанного Йошиаки Хагивара в 1981 году.[16]

Ранние датчики CCD страдали от задержка затвора. Это было в значительной степени решено с изобретением прикрепленный фотодиод (PPD).[2] Это было изобретено Нобуказу Тераниши, Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 г.[2][17] Они признали, что отставание можно устранить, если несущие сигнала могут быть переданы из фотодиод к ПЗС. Это привело к их изобретению закрепленного фотодиода, структуры фотодетектора с малым запаздыванием, малым шум, высоко квантовая эффективность и низкий темное течение.[2] 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.[2][18] Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от B.C. Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали встраивать в большинство устройств CCD, став неотъемлемой частью бытовая электроника видеокамеры а потом цифровые фотоаппараты. С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем CMOS сенсоры.[2]

В январе 2006 года Бойл и Смит были награждены Национальная инженерная академия Приз Чарльза Старка Дрейпера,[19] а в 2009 году они были награждены Нобелевская премия по физике,[20] за изобретение концепции CCD. Майкл Томпсетт был награжден премией 2010 Национальная медаль технологий и инноваций, за новаторскую работу и электронные технологии, включая проектирование и разработку первых формирователей изображения ПЗС. Он также был награжден премией 2012 года. Медаль IEEE Эдисона за «новаторский вклад в создание устройств формирования изображений, включая CCD-устройства, камеры и тепловизоры».

Основы работы

Зарядные пакеты (электроны, синие) собираются в потенциальные скважины (желтый) создается путем подачи положительного напряжения на электроды затвора (G). Подача положительного напряжения на электрод затвора в правильной последовательности передает пакеты заряда.

В ПЗС-матрице для захвата изображений есть фотоактивная область ( эпитаксиальный слой кремния), а область пропускания сделана из регистр сдвига (ПЗС, собственно говоря).

Изображение проецируется через линза на решетку конденсаторов (фотоактивная область), заставляя каждый конденсатор накапливать электрический заряд, пропорциональный свет интенсивность в этом месте. Одномерный массив, используемый в камерах с линейной разверткой, захватывает один срез изображения, тогда как двумерный массив, используемый в видео- и фотоаппаратах, захватывает двумерное изображение, соответствующее сцене, спроецированной на фокальную плоскость. датчика. Как только массив подвергается воздействию изображения, схема управления заставляет каждый конденсатор передавать свое содержимое своему соседу (работая как регистр сдвига). Последний конденсатор в массиве сбрасывает свой заряд в усилитель заряда, который превращает 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.[21]

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 же DSLR-A300, сторона датчика

Генерация заряда

Прежде чем конденсаторы МОП подвергаются воздействию света, они пристрастный в область истощения; в n-канальных ПЗС кремний под затвором смещения немного п-допированный или собственный. Затем на затвор смещается положительный потенциал, превышающий порог для сильной инверсии, что в конечном итоге приведет к созданию п канал ниже ворот, как в МОП-транзистор. Однако для достижения этого теплового равновесия требуется время: до часов в высококачественных научных камерах, охлаждаемых при низкой температуре.[22] Первоначально после смещения дырки вдавливаются глубоко в подложку, и подвижные электроны не находятся на поверхности или вблизи нее; Таким образом, CCD работает в неравновесном состоянии, называемом глубоким истощением.[23]Потом, 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% квантовая эффективность ),
  • 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 поверхности 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 мощность каждой скважины называется глубиной скважины,[24] обычно около 105 электронов на пиксель.[23]

Дизайн и изготовление

Светоактивная область ПЗС-матрицы, как правило, эпитаксиальный слой кремний. Это легко п допированный (обычно с бор ) и вырос на субстрат материал, часто p ++. В устройствах со скрытым каналом, которые используются в большинстве современных ПЗС-матриц, определенные области поверхности кремния являются ионная имплантация с фосфор, давая им обозначение n-doped. Эта область определяет канал, по которому будут перемещаться фотогенерированные зарядовые пакеты. Саймон Зе подробно описаны преимущества устройства со скрытым каналом:[23]

Этот тонкий слой (= 0,2–0,3 микрон) полностью истощен, и накопленный фотогенерированный заряд удерживается вдали от поверхности. Эта структура имеет преимущества более высокой эффективности передачи 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, т.е. конденсатор диэлектрик, выращивается поверх эпитаксиального слоя и подложки.

Позже в процессе поликремний ворота сданы на хранение химическое осаждение из паровой фазы с рисунком фотолитография, и вытравлены таким образом, что раздельно фазированные затворы лежат перпендикулярно каналам. Каналы дополнительно определяются с помощью LOCOS процесс производства остановка канала область, край.

Упоры каналов выращиваются термически 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 ПЗС-устройств предполагает наличие электрон устройство передачи, хотя перенос отверстия возможен).

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

Производство и эксплуатация ПЗС-матриц можно оптимизировать для различных целей. Вышеупомянутый процесс описывает ПЗС-матрицу передачи кадров. Хотя ПЗС-матрицы могут изготавливаться на сильно легированной пластине p ++, также возможно изготавливать устройство внутри p-лунок, которые были размещены на пластине n-типа. Сообщается, что этот второй метод уменьшает мазок, темное течение, и инфракрасный и красный ответ. Этот метод изготовления используется при создании межстрочных переходников.

Другая версия CCD называется перистальтической CCD. В перистальтическом устройстве с зарядовой связью операция передачи пакета заряда аналогична перистальтическому сокращению и расширению пищеварительная система. Перистальтическая ПЗС-матрица имеет дополнительный имплант, который удерживает заряд от кремния /диоксид кремния интерфейс и генерирует большое поперечное электрическое поле от одного затвора к другому. Это обеспечивает дополнительную движущую силу для помощи в передаче пакетов заряда.

Архитектура

ПЗС-матрица 2.1-мегапиксель Аргус цифровая камера
Одномерный датчик изображения CCD от Факс

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, а электронный затвор отсутствует. 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 в два раза 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. Однако это преимущество не лишено недостатков, так как область формирования изображения теперь покрыта непрозрачными полосами, из-за которых коэффициент заполнения примерно до 50 процентов, а эффективный квантовая эффективность на эквивалентную сумму. В современных разработках эта пагубная характеристика устранена путем добавления микролинз на поверхность устройства, чтобы направлять 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 переносит дорогостоящих, подверженных сбоям, энергоемких механических шторок, правильным выбором будет устройство Interline. В бытовых камерах моментальной съемки 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 пиксели используются в цифровые фотоаппараты, оптические сканеры, и видеокамеры как светочувствительные устройства. Обычно они отвечают на 70 процентов инцидент света (что означает квантовую эффективность около 70 процентов), что делает их намного более эффективными, чем фотопленка, который улавливает только около 2 процентов падающего света.

Наиболее распространенные типы ПЗС-матриц чувствительны к ближнему инфракрасному свету, что позволяет инфракрасная фотография, ночное видение устройства и ноль люкс (или около нуля люкс) видеозапись / фотосъемка. Для обычных детекторов на основе кремния чувствительность ограничена 1,1 мкм. Еще одно следствие их чувствительности к инфракрасному излучению - то, что инфракрасное излучение от пульты управления часто появляется на цифровых фотоаппаратах или видеокамерах на основе ПЗС-матриц, если они не имеют блокираторов инфракрасного излучения.

Охлаждение снижает темное течение, улучшая чувствительность ПЗС-матрицы к низкой интенсивности света, даже для ультрафиолетовых и видимых длин волн. Профессиональные обсерватории часто охлаждают свои детекторы жидкий азот для уменьшения темнового тока 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. А ПЗС-матрица с кадровой передачей специализированная ПЗС-матрица, часто используемая в астрономия и немного профессиональные видеокамеры, рассчитанный на высокую эффективность и корректность экспонирования.

Нормальное функционирование ПЗС-матрицы, астрономическое или иное, можно разделить на две фазы: экспонирование и считывание. На первом этапе CCD пассивно собирает входящие фотоны, хранение электроны в его клетках. 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 элемент, удерживающий заряд 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 внести ошибки в измерение 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 покрывается светоотражающим материалом, например алюминием. По истечении времени экспозиции клетки очень быстро перемещаются в скрытую область. Здесь, в безопасности от любого падающего света, ячейки можно считывать с любой скоростью, которая считается необходимой для правильного измерения заряда элементов. 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

Основная статья: Усилитель изображения

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

Усилитель изображения включает три функциональных элемента: фотокатод, а микроканальная пластина (MCP) и люминофор экран. Эти три элемента монтируются 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, приложенного 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 ставня функциональные возможности: 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 значит, шторка закрыта. Процесс реверсирования управляющего напряжения на фотокатоде называется ворота и поэтому ICCD также называются камерами CCD с возможностью стробирования.

Помимо чрезвычайно высокой чувствительности камер ICCD, которые позволяют детектировать одиночные фотоны, возможность подключения является одним из основных преимуществ ICCD перед камерой. EMCCD камеры. Самые производительные камеры ICCD позволяют выдерживать выдержку до 200 пикосекунды.

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 чипа EMCCD до температур около 170K (−103 ° C ). Эта система охлаждения увеличивает стоимость камеры EMCCD и часто приводит к серьезным проблемам с конденсацией в приложении.

ICCD используются в приборы 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 разброс (изменение) количества электронов, выводимых регистром умножения для данного (фиксированного) числа входных электронов (показано в легенде справа). Построено распределение вероятностей числа выходящих электронов. логарифмически по вертикальной оси для моделирования регистра умножения. Также показаны результаты эмпирический соответствовать уравнению, показанному на этой странице.

An ПЗС-матрица с электронным умножением (EMCCD, также известный как L3Vision CCD, продукт, выпускаемый на рынок e2v Ltd., GB, L3CCD или Impactron CCD, продукт, выпуск которого в настоящее время прекращен, ранее предлагался Texas Instruments) - это устройство с зарядовой связью, в котором используется регистр усиления. помещается между регистром сдвига и выходным усилителем. Регистр усиления разделен на большое количество каскадов. На каждом этапе электроны умножаются на ударная ионизация аналогично лавинный диод. Вероятность усиления на каждой ступени регистра мала (п <2%), но поскольку количество элементов велико (N> 500), общий выигрыш может быть очень высоким (), с одним входящим электроном, дающим многие тысячи выходных 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 сход лавины для усиления фотозарядов уже было описано в Патент США 3761744 в 1973 году Джорджем Смитом / Bell Telephone Laboratories.

EMCCD демонстрируют аналогичную чувствительность к усиленные ПЗС-матрицы (ICCD). Однако, как и в случае с ICCD, коэффициент усиления, применяемый в регистре усиления, является стохастическим, и точный усиление, которое было применено к заряду пикселя, узнать невозможно. При высоких коэффициентах усиления (> 30) эта неопределенность оказывает такое же влияние на соотношение сигнал шум (SNR) как уменьшение вдвое квантовая эффективность (QE) относительно работы с приростом единицы. 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

куда п это вероятность получить п выходных электронов м входные электроны и общий средний коэффициент усиления регистра умножения грамм.

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 поэтому полезны в таких приложениях, как изображение с дистанционным управлением. Камеры EMCCD обязательно нуждаются в системе охлаждения - используя либо термоэлектрическое охлаждение или жидкий азот - 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 чип, 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 высоких скоростях считывания делает их очень полезными для множества астрономических приложений, связанных с источниками слабого света и переходными явлениями, такими как удачная визуализация слабых звезд, высокая скорость счет фотонов фотометрия, Спектроскопия Фабри-Перо и спектроскопия высокого разрешения. Совсем недавно эти типы ПЗС-матриц вошли в сферу биомедицинских исследований в приложениях при слабом освещении, включая визуализация мелких животных, визуализация одиночных молекул, Рамановская спектроскопия, микроскопия сверхвысокого разрешения а также широкий выбор современных флуоресцентная микроскопия методы благодаря большему SNR в условиях низкой освещенности по сравнению с традиционными ПЗС 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 усовершенствования в технологии EMCCD привели к новому поколению камер, способных производить значительно меньше CIC, более высокую эффективность передачи заряда и усиление электромагнитного поля в 5 раз выше, чем было доступно ранее. Эти достижения в области обнаружения при слабом освещении приводят к эффективному общему фоновому шуму 0,001 электрона на считывание пикселя, что не может сравниться ни с одним другим устройством формирования изображений при слабом освещении.[25]

Использование в астрономии

Массив из 30 ПЗС, используемых на Sloan Digital Sky Survey телескопическая камера, пример «дрейфового сканирования».

Благодаря высокой квантовой эффективности устройство с зарядовой связью (CCD) (идеальный квантовая эффективность составляет 100%, один генерируемый электрон на падающий фотон), линейность их выходных сигналов, простота использования по сравнению с фотографическими пластинками и множество других причин, ПЗС-матрицы были очень быстро приняты астрономами почти для всех применений, связанных с переходом от УФ к инфракрасному.

Тепловой шум и космические лучи может изменять пиксели в матрице CCD. Чтобы противостоять таким эффектам, астрономы делают несколько экспозиций с закрытым и открытым затвором ПЗС. Среднее значение изображений, сделанных при закрытом затворе, необходимо для снижения случайного шума. После разработки затем вычитается среднее изображение темного кадра из изображения с открытым затвором для удаления темнового тока и других систематических дефектов (битые пиксели, горячие пиксели и т. д.) в CCD.

В Космический телескоп Хаббла, в частности, имеет тщательно проработанную серию шагов («конвейер обработки данных») для преобразования необработанных данных ПЗС в полезные изображения.[26]

Камеры CCD, используемые в астрофотография часто требуются прочные крепления, чтобы выдерживать вибрации от ветра и других источников, а также огромный вес большинства платформ для съемки. Чтобы получить длительные экспозиции галактик и туманностей, многие астрономы используют метод, известный как автогид. Большинство автогидеров используют вторую микросхему ПЗС для отслеживания отклонений во время визуализации. 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. В Sloan Digital Sky Survey - самый известный пример этого, использование этой техники для обзора более четверти неба.

В дополнение к формирователям изображений, ПЗС-матрицы также используются во множестве аналитических приборов, включая спектрометры[27] и интерферометры.[28]

Цветные камеры

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

Цифровые цветные камеры обычно используют Маска байера над ПЗС-матрицей. Каждый квадрат из четырех пикселей имеет один отфильтрованный красный, один синий и два зеленых ( человеческий глаз более чувствителен к зеленому, чем к красному или синему). Результатом этого является то, что яркость информация собирается для каждого пикселя, но цветовое разрешение ниже разрешения яркости.

Лучшего цветоделения можно достичь с помощью устройств с тремя ПЗС (3CCD ) и дихроичная призма светоделителя, что разбивает изображение в красный, зеленый и синий составные части. Каждая из трех ПЗС-матриц настроена так, чтобы реагировать на определенный цвет. Много профессиональное видео видеокамеры и некоторые полупрофессиональные видеокамеры используют эту технику, хотя развитие конкурирующей технологии CMOS сделало CMOS-датчики, как с делителями луча, так и с фильтрами Байера, все более популярными в высококачественных видео и цифровых кинокамерах. Еще одно преимущество 3CCD перед устройством с маской Байера - выше квантовая эффективность (более высокая светочувствительность), потому что большая часть света от линзы попадает на один из кремниевых датчиков, в то время как маска Байера поглощает большую часть (более 2/3) света, падающего на каждое местоположение пикселя.

Для неподвижных сцен, например, в микроскопии, разрешение устройства маски Байера может быть увеличено за счет микросканирование технологии. В процессе выборка цвета на совместной площадке, создается несколько кадров сцены. Между съемками датчик перемещается в размерах пикселей, 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

Основная статья: Формат датчика изображения

Датчики (CCD / CMOS) бывают разных размеров или форматов датчиков изображения. Эти размеры часто обозначаются обозначением дюймовой фракции, например 1 / 1,8 ″ или 2/3 ″, называемой оптический формат. На самом деле это измерение берет свое начало еще в 1950-х годах и во времена Трубки видикон.

Цветущий

Вертикальный мазок

Когда экспонирование ПЗС достаточно продолжительное, в конечном итоге электроны, которые собираются в «ячейках» в самой яркой части изображения, переполняют ячейку, что приводит к цветению. Структура ПЗС-матрицы позволяет электронам легче течь в одном направлении, чем в другом, что приводит к появлению вертикальных полос.[29][30][31]

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.[32]Джеймс М. Ранний разработали вертикальный дренаж, препятствующий появлению цветения, который не отвлекает от зоны сбора света и, следовательно, не снижает светочувствительность.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Сзе, Саймон Мин; Ли, Мин-Квей (май 2012 г.). "МОП-конденсатор и МОП-транзистор". Полупроводниковые приборы: физика и технологии. Джон Уайли и сыновья. ISBN  9780470537947. Получено 6 октября 2019.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я Fossum, E. R .; Хондонгва, Д. Б. (2014). "Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS". Журнал IEEE Общества электронных устройств. 2 (3): 33–43. Дои:10.1109 / JEDS.2014.2306412.
  3. ^ а б Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретая будущее. Springer. п. 245. ISBN  9783319490885.
  4. ^ «1960: Показан металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 31 августа, 2019.
  5. ^ Джеймс Р. Джейнсик (2001). Научные устройства с зарядовой связью. SPIE Press. п. 4. ISBN  978-0-8194-3698-6.
  6. ^ Видеть Патент США 3792322 и Патент США 3796927
  7. ^ У. С. Бойл; Г. Э. Смит (апрель 1970 г.). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. J. 49 (4): 587–593. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  8. ^ Гилберт Франк Амелио; Майкл Фрэнсис Томпсетт; Джордж Э. Смит (Апрель 1970 г.). «Экспериментальная проверка концепции устройства с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. J. 49 (4): 593–600. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01791.x.
  9. ^ Патент США 4085456
  10. ^ М. Ф. Томпсетт; Г. Ф. Амелио; Г. Э. Смит (1 августа 1970 г.). "Charge Coupled 8-bit Shift Register". Письма по прикладной физике. 17 (3): 111–115. Bibcode:1970ApPhL..17..111T. Дои: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. (Ноябрь 1971 г.). "Charge-coupled imaging devices: Experimental results". Транзакции IEEE на электронных устройствах. 18 (11): 992–996. Bibcode:1971ITED...18..992T. Дои:10.1109/T-ED.1971.17321. ISSN  0018-9383.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  12. ^ Dobbin, Ben (8 September 2005). "Kodak engineer had revolutionary idea: the first digital camera". Сиэтл Пост-Интеллидженсер. В архиве из оригинала 25 января 2012 г.. Получено 2011-11-15.
  13. ^ globalsecurity.org - KH-11 KENNAN, 2007-04-24
  14. ^ "NRO review and redaction guide (2006 ed.)" (PDF). Национальная разведка.
  15. ^ Johnstone, B. (1999). We Were Burning: Japanese Entrepreneurs and the Forging of the Electronic Age. Нью-Йорк: Основные книги. ISBN  0-465-09117-2.
  16. ^ Hagiwara, Yoshiaki (2001). "Microelectronics for Home Entertainment". In Oklobdzija, Vojin G. (ed.). The Computer Engineering Handbook. CRC Press. п. 41–6. ISBN  978-0-8493-0885-7.
  17. ^ U.S. Patent 4,484,210: Solid-state imaging device having a reduced image lag
  18. ^ Teranishi, Nobuzaku; Kohono, A.; Ishihara, Yasuo; Oda, E.; Arai, K. (December 1982). "No image lag photodiode structure in the interline CCD image sensor". 1982 International Electron Devices Meeting: 324–327. Дои:10.1109/IEDM.1982.190285. S2CID  44669969.
  19. ^ "Charles Stark Draper Award". Архивировано из оригинал на 2007-12-28.
  20. ^ "Nobel Prize website".
  21. ^ Gilbert F. Amelio (Февраль 1974 г.). "Charge-Coupled Devices". Scientific American. 230 (2).
  22. ^ For instance, the specsheet of PI/Acton's SPEC-10 camera specifies a dark current of 0.3 electron per pixel per hour at −110 °C (−166 °F).
  23. ^ а б c Sze, S. M.; Ng, Kwok K. (2007). Physics of semiconductor devices (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-14323-9. Chapter 13.6.
  24. ^ Apogee CCD University - Pixel Binning
  25. ^ Daigle, Olivier; Djazovski, Oleg; Laurin, Denis; Дойон, Рене; Artigau, Étienne (July 2012). "Characterization results of EMCCDs for extreme low light imaging" (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  26. ^ Hainaut, Oliver R. (December 2006). "Basic CCD image processing". Получено 15 января, 2011.
    Hainaut, Oliver R. (June 1, 2005). "Signal, Noise and Detection". Получено 7 октября, 2009.
    Hainaut, Oliver R. (May 20, 2009). "Retouching of astronomical data for the production of outreach images". Получено 7 октября, 2009.
    (Hainaut is an astronomer at the Европейская южная обсерватория )
  27. ^ Deckert, V.; Kiefer, W. (1992). "Scanning multichannel technique for improved spectrochemical measurements with a CCD camera and its application to Raman spectroscopy". Appl. Спектрос. 46 (2): 322–328. Bibcode:1992ApSpe..46..322D. Дои:10.1366/0003702924125500. S2CID  95441651.
  28. ^ Дуарте, Ф. Дж. (1993). "On a generalized interference equation and interferometric measurements". Опт. Сообщество. 103 (1–2): 8–14. Bibcode:1993OptCo.103....8D. Дои:10.1016/0030-4018(93)90634-H.
  29. ^ Phil Plait. "The Planet X Saga: SOHO Images"
  30. ^ Phil Plait. "Why, King Triton, how nice to see you!"
  31. ^ Thomas J. Fellers and Michael W. Davidson. "CCD Saturation and Blooming" В архиве July 27, 2012, at the Wayback Machine
  32. ^ Albert J. P. Theuwissen (1995). Solid-State Imaging With Charge-Coupled Devices. Springer. pp. 177–180. ISBN  9780792334569.

внешняя ссылка