Датчик CCD

Датчики CCD - это светочувствительные электронные компоненты, основанные на внутреннем фотоэффекте . «ПЗС» здесь это аббревиатура от английского прибора с зарядовой связью ( дт. , Прибор с зарядовой связью), который используется в датчике CCD.

Первоначально в 1969 году были разработаны ПЗС-матрицы для хранения данных. Однако быстро было замечено, что эти компоненты чувствительны к свету и сравнительно легко получить двухмерное изображение. Такой ПЗС-датчик был построен еще в 1970 году, и из-за последующей миниатюризации электроники первые ПЗС-матрицы с количеством пикселей, достаточным для телевизионных камер, были произведены уже в 1975 году. ПЗС-датчики используются в качестве датчиков изображения в астрономии и спутниковом дистанционном зондировании примерно с 1983 года .

Двумерные датчики с матрицей CCD используются в видеокамерах и цифровых камерах , одномерные линейные датчики CCD в факсах , спектрометрах и сканерах . Напротив, CMOS-датчики обычно используются в камерах смартфонов и планшетов .

За изобретение ПЗС-сенсора Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит были удостоены Нобелевской премии по физике 2009 года , вместе с Чарльзом Куэном Као , получившим признание за фундаментальные работы в области волоконной оптики . Смит и Майкл Томпсетт получили премию Королевы Елизаветы 2017 года за инженерные разработки для разработки ПЗС- матриц .

ПЗС-датчик для получения изображений в астрономии
ПЗС-датчик в веб-камере

Техническая структура и функции

Анимация сдвига заряда в ПЗС-матрице

Датчики изображения CCD (Charge Coupled Device - датчик изображения) состоят из массива светочувствительных фотодиодов . Они могут быть прямоугольными, квадратными или многоугольными с длиной кромки от 1,4 мкм до более 20 мкм. Чем больше площадь пикселей, тем выше светочувствительность и динамический диапазон ПЗС-сенсора, но тем меньше разрешение изображения при том же размере сенсора .

Большинство ПЗС-матриц являются МДП-структурами : поверх легированного полупроводника лежит изолирующий слой, к которому прикреплены оптически прозрачные электрические проводники (электроды). Под ним собираются носители заряда (в основном электроны , иногда также « дырки »). Между пикселями часто проходят другие тонкие электрические линии , которые служат для считывания и защиты переэкспонированных пикселей.

Падающий свет передает свою энергию электронам полупроводника за счет внутреннего фотоэлектрического эффекта . В то же время создаются отрицательно заряженные свободные электроны и положительно заряженные «дырки», которые отделяются друг от друга из-за приложенного напряжения. Однако заряды не поступают немедленно наружу, как в случае с фотодиодом , а собираются в самой ячейке накопителя, в так называемой потенциальной яме , в которой хранятся заряды, как в конденсаторе. Количество заряда пропорционально количеству излучаемого света, если оно считывается своевременно до того, как будет достигнуто напряжение холостого хода фотодиода.

В случае передержки заряды из потенциальной ямы ячейки могут переходить в соседние ячейки; этот эффект известен как цветение . С другой стороны, помогают «ворота против засветки», которые работают как переполнение, т. Е. Рассеивают лишние заряды. Однако это приводит к нелинейности между количеством света и выходным сигналом, особенно при длительной выдержке ; поэтому ПЗС-сенсоры для научных приложений часто обходятся без них.

После воздействия заряды (англ. Charge of a bucket), подобные (отсюда и термин bucket brigade device), постепенно перемещаются, пока они, наконец, в виде пакетов зарядов, один за другим, не достигнут усилителя считывания. Электрическое напряжение, зависящее от заряда и, следовательно, количества света.

Таким образом, выходной сигнал датчика является последовательным . Заряды отдельных пикселей выводятся один за другим, тогда как исходное изображение было создано параллельно, экспонируя все пиксели одновременно. Для большинства CCD для видеокамер выводятся только поля соответственно (d. H. Пока не все нечетные, а затем все четные строки) ( чересстрочный , англ. Чересстрочный ). Для всех других целей распространены ПЗС-матрицы с прогрессивной разверткой, в которых строки выводятся одна за другой в их естественном порядке.

физика

Оптически прозрачный электроизоляционный слой лежит на легированном полупроводнике. На него нанесено множество электродов из проводящего и в то же время оптически прозрачного материала. Для обнаружения света в видимом диапазоне лучше всего подходит кремний в качестве полупроводникового материала. Затем диоксид кремния используется в качестве изоляционного слоя . В качестве электродов используется в основном поликристаллический кремний («поликремний»), а в последнее время также оксид индия и олова . Из-за сходства электродов с электродами полевых МОП-транзисторов электроды также называют электродами затвора. Однако с полевыми МОП-транзисторами длина затвора составляет 10  нм вместо 10  мкм , и заряд приводится от 1 до 3,3 В вместо потенциального уровня 1 В, что обеспечивает тактовую частоту выше 40 МГц. Электроды могут управляться извне через алюминиевые контакты.

Ленточная модель ПЗС «поверхностного канала» с электронами в потенциальной яме.

Если к электроду приложено напряжение (положительное в случае полупроводника с p- легированием , отрицательное в случае легирования n-типа), под изоляционным слоем на поверхности полупроводника образуется область, называемая потенциальной ямой . В этой области концентрация носителей большинства носителей очень низкая.

Фотоны , энергия которых больше ширины запрещенной зоны полупроводника, поднимают электроны из валентной зоны в зону проводимости ; поэтому в полупроводнике создаются электронно-дырочные пары. Это так называемый внутренний фотоэффект . Дополнительные неосновные носители заряда, генерируемые в процессе , то есть электроны или «дырки», собираются в потенциальной яме, в то время как основные носители заряда, генерируемые при этом, утекают внутрь полупроводника.

Путем изменения приложенного напряжения на соседних электродах потенциальная яма может быть сформирована таким образом, чтобы расположенные в ней носители заряда перемещались в желаемом направлении для считывания.

Базовая структура ПЗС-матрицы может быть улучшена. Важным дополнением является слой в полупроводнике непосредственно под диэлектриком с противоположным легированием. Это создает так называемый «скрытый канал», что означает, что неосновные носители заряда, генерируемые фотонами, больше не собираются непосредственно на границе раздела между диэлектриком и полупроводником, а внутри полупроводника. Тогда неосновные носители заряда больше не достигают границы раздела между диэлектриком и полупроводником, где всегда присутствующие дефекты кристалла интерферируют (никакие заряды больше не могут «захватываться» или «застревать» на этой границе). ПЗС со скрытым каналом (в отличие от ПЗС с поверхностным каналом, описанных вначале) имеют более низкий уровень шума и значительно улучшенную эффективность переноса заряда, но меньшее количество носителей заряда может храниться на пиксель.

Типы

Геометрия: массив, линия и точка

Датчик линии CCD от факсимильного аппарата

Большинство ПЗС-датчиков являются датчиками площади для записи изображений. Там для считывания показаний датчика временно сохраненный заряд фотодиодов переносится на вертикальный ПЗС-матрицу (регистр вертикального сдвига), а затем сдвигается по вертикали с линейной частотой. Заряд, который выпадает из каждого столбца ПЗС, попадает в горизонтальную ПЗС-матрицу, которая быстро сдвигается (частота пикселей, которая определяет полосу пропускания видеосигнала). Сигнал с выхода этого сдвигового регистра поступает на усилитель считывания (преобразователь заряда-напряжения и преобразователь импеданса).

Результирующий выходной сигнал имеет много общего с сигналом от обычных трубок записи изображения . Это сходство сделало технически более простой замену трубок для записи изображений на ПЗС-сенсоры.

Этот основной принцип можно изменить:

  • Для увеличения скорости можно использовать несколько усилителей считывания. С двумя усилителями считывания z. B. Столбцы с четными номерами выдвигаются вверх, а столбцы с нечетными номерами выталкиваются из светоактивной области. Затем они подаются на два регистра сдвига по горизонтали с двумя преобразователями тока в напряжение и двумя выходами.
  • Регистр горизонтального сдвига можно полностью исключить, а принцип CCD используется только для вертикального сдвига заряда. Для каждой колонки есть отдельный преобразователь тока в напряжение, который может работать намного медленнее.
  • Если вы расширите это распараллеливание до уровня отдельных пикселей, у вас больше не будет датчика CCD, потому что перенос заряда больше не нужен. Эти датчики называются активными пиксельными датчиками .
  • Если вам нужен только одномерный датчик (поскольку другой размер не требуется или создается механически), вы получаете линейный датчик , для которого не требуется регистр горизонтального сдвига.
  • В специальной форме ПЗС (ПЗС с электронным умножением , EMCCD) используются специальные регистры сдвига для усиления сигнала перед усилителем считывания, и поэтому они подходят для очень низкой интенсивности света. Поэтому в случае EMCCD также возможны точечные детекторы, которые, в свою очередь, являются ПЗС-матрицами. Большинство EMCCD являются датчиками изображения и также используют «обычные» регистры сдвига для переноса заряда.

Следует отметить, что для точных измерений с несколькими преобразователями тока в напряжение и аналого-цифровыми преобразователями может потребоваться точное определение характеристик каждого из них, чтобы компенсировать относительные вариации в их линейности, смещении и шумовом поведении. В противном случае, например, в приложениях в спектроскопии, это может привести к проблемам.

Перенос заряда: ПЗС FF, FT, IT, FIT

Во время смещения зарядов никакие дополнительные заряды не должны добавляться путем экспонирования, чтобы не фальсифицировать информацию об изображении. Для решения этой проблемы были разработаны различные устройства:

Типы ПЗС-матриц.
L - светочувствительные пиксели,
T - передаточный регистр,
A - усилитель считывания.

Полнокадровая ПЗС-матрица (FF-CCD)

Самым простым решением для предотвращения попадания света на ПЗС-датчик во время процесса считывания является механическая блокировка .

Поскольку в ПЗС-датчиках с заслонкой вся поверхность чипа используется для получения информации об изображении, это решение также называется « полнокадровая ПЗС » (переводится как «полное изображение») или « ПЗС с полнокадровым переносом ».

ПЗС-датчики с этим принципом в основном используются в научных и астрономических целях, но механическая блокировка сложна и часто выходит из строя.

Термин полнокадровая ПЗС используется не только для внутренней структуры ПЗС-сенсоров, но также для так называемых полноформатных ПЗС , которые соответствуют «полному» размеру изображения 24 мм × 36 мм 35-мм пленки . В этой статье этот термин относится только к внутренней структуре сенсора и типу процесса считывания, а не к формату изображения или размеру сенсора.

ПЗС-матрица с кадровой передачей (FT-CCD)

В ПЗС-матрице ПЗС заряды, то есть сохраненное изображение, очень быстро смещаются в затемненную область ПЗС-кристалла после экспонирования. Сохраненное изображение может затем считываться пакетом заряда за пакетом заряда во время следующей экспозиции. Время быстрого переключения должно быть намного меньше времени экспозиции, иначе эффект смазывания будет слишком сильным. Поэтому FT-CCD без механического затвора (как они обычно используются) не подходят для очень короткого времени выдержки. Некоторые профессиональные видеокамеры используют вращающийся затвор, чтобы избежать этой проблемы. Из-за затемненной области для FT-CCD требуется вдвое больше ячеек (потенциальных ям), чем пикселей, а также должно быть в два раза больше размера изображения.

ПЗС с межстрочным переносом (IT CCD)

В IT-CCD заряд каждого пикселя переносится на сторону закрытой буферной ячейки; это происходит для всех пикселей одновременно. Только после этого заряды перемещаются на затемненную полосу (так называемый передаточный регистр) и оттуда в направлении усилителя считывания. Никакой механической блокировки не требуется; время экспозиции можно контролировать электронно, так что пиксели опорожняются и передаются на экспозицию в регистр переноса ( электронный затвор , английский электронный затвор ). Это обеспечивает очень короткое время выдержки.

Связанная с конструкцией меньшая светочувствительная поверхность (по сравнению с полнокадровыми ПЗС-матрицами) и, следовательно, более низкая светочувствительность компенсируются более новыми ПЗС-матрицами за счет небольших собирающих линз. Они расположены над каждым пикселем и фокусируют свет, что снова увеличивает светочувствительность датчика (технология «линза на кристалле»).

Недостатком IT-CCD является относительно долгое время пребывания зарядов в ячейках памяти рядом со светочувствительными пикселями из-за медленного считывания по сравнению с FT-CCD. Ячейки памяти передаточного регистра закрыты, но они по-прежнему чувствительны к свету. При дифракции на световых волнах , фотоны могут достичь этих клеток и вызывают подрывные заряды. Это создает так называемый эффект смазывания .

ПЗС-матрица с построчным переносом кадров (FIT-CCD)

Датчики FIT предлагают решение для обхода эффекта смазывания : в этом типе заряды, хранящиеся в буферных ячейках, смещаются как можно быстрее в затемненную область. Таким образом, он сочетает в себе принцип микросхемы FT и микросхемы IT. С одной стороны, буферные ячейки гарантируют, что пиксели не подвергаются прямому воздействию света дольше, чем необходимо, с другой стороны, они относительно быстро считываются из «открытой» области чипа. Недостатком является то, что теперь на один эффективный пиксель требуется три ячейки памяти, что делает эти микросхемы относительно дорогими. Однако быстрое снятие нагрузок - это z. Б. неизбежен с высокоскоростными камерами. Здесь также осуществляется электронное управление экспозицией.

Подсветка: с передней стороны и с задней подсветкой

В большинстве ПЗС-чипов освещается верхняя сторона кремниевой пластины, то есть сторона, на которой были изготовлены полупроводниковые структуры ( ПЗС-матрица с передней подсветкой ) . На поверхности есть структуры, нечувствительные к свету (например, электроды из поликристаллического кремния). Прежде всего, здесь уже частично поглощается коротковолновый (синий, фиолетовый и ультрафиолетовый) свет. Эти потери не возникают с так называемыми ПЗС - матрицами с задней подсветкой . Для этого обратная сторона кремниевой пластины шлифуется до толщины от 10 до 20 мкм, затем протравливается и устанавливается светочувствительной «обратной стороной» вверх. Этот производственный процесс очень дорог, поэтому ПЗС-матрицы с задней подсветкой используются только там, где важна высокая чувствительность (квантовый выход) для коротковолнового света, например, в спектроскопии или астрономии. Недостатком ПЗС-матриц с задней подсветкой является неравномерная спектральная чувствительность для более длинных волн, поскольку свет, отраженный назад и вперед между поверхностями, вызывает интерференцию, как в интерферометре Фабри- Перо ( эталонирование ).

Датчики цвета, фильтры и расположение пикселей

Цветовые образцы, используемые для однокристальных цветных ПЗС-матриц
Датчик Байера

Для обнаружения цветных изображений требуются сенсоры с пикселями разной спектральной чувствительности. После (всегда необходимого) вычисления пикселей одинаковых или соседних позиций получается информация о яркости и цвете.

В настоящее время установлены две процедуры:

  • Системы, которые разделяют спектр с помощью дихроичной призмы и питают три отдельных датчика CCD (трехчиповый датчик CCD),
  • Системы, в которых используется датчик, снабженный поглощающей цветной маской (обычно в виде матрицы Байера ),

Системы, которые используют различную глубину проникновения красного и синего света в кремний (датчик Foveon X3), не являются обычными для датчиков CCD.

Трехчиповые ПЗС-сенсоры

Трехчиповые ПЗС-сенсоры используются в видеокамерах среднего ценового диапазона. Они используются в камерах со сравнительно небольшими сенсорами (1/6 ″ в любительском секторе до 2/3 ″ в профессиональном). Им требуется оптика с большим фокусным расстоянием от примерно 1,6 диагонали сенсора, чтобы иметь место для дихроичной призмы . Для этого они оптимально используют захваченный свет и обеспечивают хорошее соотношение сигнал / шум и хорошее качество цвета даже при небольших диагоналях сенсора.

Дихроичная призма расположена за линзой, а ПЗС-датчик приклеен к каждой из поверхностей, на которых возникают цветоделения. Производство этого призматического блока, оснащенного датчиками CCD, требует высокой точности, чтобы обеспечить полное разделение цветов.

Датчик Байера

Однокристальные ПЗС-сенсоры Bayer используются в видеокамерах всех ценовых категорий (1/4 дюйма в любительском секторе до 20 мм × 36 мм, в любительском секторе, а также в профессиональной среде). Кроме того, почти все (неподвижные) камеры всех размеров (от 1/3 дюйма до среднего формата ) и ценовых диапазонов (от сотовых телефонов до камер за несколько 10 000 евро) были основаны на этом принципе - следующая, более широко распространенная альтернативная технология: что из CMOS датчиков . У них нет требований к фокусировке фланца, но они, как правило, больше, чем ПЗС с тремя микросхемами. Они меньше используют доступный свет и дают изображения того же размера с более низким соотношением сигнал / шум. С другой стороны, они намного компактнее сами по себе и позволяют использовать более компактную оптику, чем трехчиповые ПЗС-сенсоры.

Инфракрасный обрезной фильтр и фильтр сглаживания

Что общего у всех цветных датчиков, так это то, что перед датчиком находится так называемый фильтр, блокирующий инфракрасное излучение (обычно непосредственно). Но у этого фильтра гораздо больше функций:

  • Полная блокировка далекого красного от 700 нм и инфракрасного излучения (отсюда и название; почти все ПЗС-сенсоры чувствительны в ближнем инфракрасном диапазоне),
  • Ощущение спектральной чувствительности глаза (поэтому эти фильтры выглядят голубыми) за счет увеличения поглощения в все еще видимом красном спектральном диапазоне выше 580 нм,
  • Блокировка фиолетового и ультрафиолетового света ниже 420 нм, если датчик все еще чувствителен к этим длинам волн.

Без этого фильтра темно-синие и темно-красные области отображаются слишком ярко для человеческого наблюдателя. Горячие, но не светящиеся предметы (паяльники) тоже отображаются слишком ярко и неестественными цветами. Объекты, отражающие или излучающие инфракрасный или ультрафиолетовый свет, отображаются неверными цветами.

Для датчиков Байера и других цветных датчиков с одной ПЗС-матрицей требуется фильтр сглаживания , чтобы распределять свет на соседние пиксели с различной цветочувствительностью. Без этого фильтра, например, белая яркая точка или белая яркая линия могут быть сопоставлены с пикселями только одного цвета с очень резким изображением; эти объекты будут отображаться на изображении как цветные. Кроме того, фильтры сглаживания предотвращают появление линий или краев, идущих под небольшим углом к ​​рядам пикселей, как лестницы. Фильтр сглаживания связан с небольшим снижением резкости изображения.

Фильтры сглаживания и блокировки инфракрасного излучения часто комбинируются или цементируются друг с другом.

Расположение пикселей монохромного и цветного сенсоров

Сравнение различных геометрий пикселей

Безусловно, наибольшая доля рынка принадлежит датчикам с квадратными пикселями, которые снабжены цветными фильтрами RGGB (шаблон Байера). Однако также возможны другие формы пикселей (прямоугольные, шестиугольные, треугольные, ромбические, восьмиугольные + квадратные) и другие шаблоны цветовых фильтров (монохромные, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, Super-CCD-EXR). Одной из таких конструкций является датчик Super-CCD (патент Fuji) с ячеистой структурой восьмиугольных пикселей, смещенных друг относительно друга, которые расположены ближе друг к другу и, таким образом, переносят большее количество пикселей в заданную область. Размер линз, расположенных над поверхностями сенсоров, может быть неоднородным, так что может быть достигнута заметно увеличенная динамика.

Ошибка обнаружения

Систематические ошибки и калибровка

Различия в яркости

Чтобы иметь возможность компенсировать различия в яркости изображения, вызванные загрязнением ПЗС-кристалла ( пылью ), неравномерной чувствительностью пикселей или используемой оптики ( виньетирование , отражения ), записанное изображение делится на белое изображение (белое изображение или коррекция плоского поля) и умноженное на среднее значение белого изображения. Чтобы устранить шум изображения, возникающий из-за темнового тока, темное изображение предварительно вычитается (темное изображение или коррекция темного кадра) для длительных записей (например, в астрофотографии ). В результате получается откалиброванное изображение.

На рисунках показана калибровка на примере астрономической записи:

  • Необработанное изображение показывает множество « горячих пикселей », которые приводят к очень зашумленному изображению. В этом шуме теряются тусклые звезды. Темные пятна на необработанном изображении вызваны пылью в камере CCD.
  • Темное изображение было получено с той же выдержкой и рабочей температурой, что и исходное изображение, но с закрытым затвором камеры . Таким образом, он регистрирует темновой ток, накопленный за соответствующее время экспозиции .
  • Белое изображение было получено прибором, направленным на равномерно освещенную область. Он обнаруживает отклонения в освещении изображения (например, из-за пыли) и в чувствительности отдельных пикселей.
  • Эти дефекты были исправлены на откалиброванном изображении. Здесь также можно увидеть слабые звезды. Откалиброванное изображение можно использовать для количественного анализа, например, для измерения видимой яркости звезд. Без калибровки такое измерение привело бы к неверным измеренным значениям.

  • Необработанное изображение

  • Темное изображение

  • Белый экран

  • Откалиброванное изображение

Неровности в окне ПЗС

В частности, при когерентном свете может случиться так, что неправильная обработка окна ПЗС, защищающего датчик от пыли, приведет к нежелательным интерференционным картинам. Эту проблему можно решить, построив окно не плоскопараллельно , а наклонив одну сторону окна под определенным углом по отношению к другой стороне. Если луч попадает в переднюю часть окна, он выходит немного наклоненным к датчику на задней панели, благодаря чему точный угол выхода можно рассчитать с помощью Снеллиуса . Однако луч также попеременно отражается спереди и сзади внутри окна и снова выходит из окна в направлении датчика в других точках. Если для простоты наблюдаются только два частичных луча, выходящие из окна, волновые фронты лучей образуют муаровый узор. Если угол наклона подходит, полосы максимума рисунка сдвигаются так близко друг к другу, что они больше не могут быть разрешены отдельными пикселями.

Статистические ошибки и шум

Наиболее важными параметрами для характеристики качества ПЗС-чипов являются:

  • Квантовый выход , то есть вероятность того, что падающий фотон будет вызывать электрон. Квантовый выход ПЗС-матриц зависит от длины волны света и может составлять более 90% ( фотопленка для сравнения: от 5% до 10%).
  • Темновой ток светочувствительных клеток. Темновой ток сильно зависит от температуры и из-за своих статистических свойств приводит к шуму темнового тока. Он индивидуально различается для всех пикселей и является источником шума изображения . Также могут возникать отдельные « горячие пиксели », то есть пиксели с особенно высоким темновым током.
  • Количество зарядов, которые могут храниться в пикселе ( полная емкость лунки или глубина лунки ).
  • Поведение при передержке генерирует больше заряда в отдельных пикселях, чем может быть сохранено. Если заряд переходит на соседние пиксели, это называется « расцветанием ». Многие камеры CCD избегают этого эффекта, отводя избыточные заряды («ворота против засветки»), но это также может привести к потере заряда до того, как пиксель действительно заполнится. Соотношение между количеством света и зарядом перестает быть линейным, и точные измерения становятся невозможными.
  • Эффективность передачи заряда в усилитель считывания ( Charge Transfer Efficiency ).
  • Шум считывания усилителя (считывания шума ).

В высокочувствительных камерах темновой ток и шум уменьшаются за счет охлаждения ПЗС-кристалла. Шум темнового тока можно, например, снизить до уровня ниже трех электронов на пиксель в час путем охлаждения жидким азотом.

Информация о размере

Размер светочувствительной области на чипе очень важен для качества изображения. При одинаковом разрешении (количестве пикселей) площадь ячеек пропорциональна площади чипа. Чем больше клетки, тем больше фотонов попадает на одну клетку, что увеличивает чувствительность к свету. Поскольку не все мешающие сигналы увеличиваются с увеличением площади ячейки, более крупный чип имеет лучшее отношение сигнал / шум . Кроме того, более крупные ячейки могут собирать больше электронов и, следовательно, иметь больший динамический диапазон.

В дополнение к прямым метрическим характеристикам активной области (например, 16 мм × 24 мм), со времен трубок приема изображения сохранилась традиция, согласно которой внешний диаметр стеклянной колбы в дюймах (например, 2 / 3 ″) используется для обозначения использованного размера. Однако светочувствительная область трубок была значительно меньше внешнего диаметра трубок: например, 1-дюймовая трубка имела активную область с диагональю изображения примерно 16 мм. По определению, 1-дюймовая ПЗС-матрица имеет такую ​​же диагональ экрана, как и 1-дюймовая трубка.

Стандартные размеры для классических трубок камеры, как и для видеодатчиков CCD, - для профессиональных видеокамер 2/3 дюйма (диагональ 11 мм) и 1/2 дюйма (диагональ 8 мм), для обычных устройств 1/3 дюйма (диагональ около 5,5 мм) датчики даже меньшего размера (1/4 "или 1/6") для потребительских устройств или камер мобильных телефонов. В небольших цифровых камерах часто используются датчики 1 / 2,3 дюйма (диагональ примерно 7 мм), в цифровых зеркальных камерах обычно используется формат, аналогичный формату APS-C (диагональ примерно 28 мм), или, в более высоком ценовом диапазоне, аналогичный формат. к формату 35-миллиметровой фотографии на пленке.

Приложения

Датчик цвета CCD компактной камеры на гибкой плате

Получение изображения

Датчики CCD могут быть изготовлены для видимых длин волн, а также для ближнего инфракрасного , УФ и рентгеновского диапазонов . Это расширяет спектр для специальных приложений от 0,1 мкм до примерно 1100 нм. Предел длинных волн ограничивается шириной запрещенной зоны полупроводникового материала (примерно 1,1 эВ для Si и 0,66 эВ для Ge). Поэтому их можно использовать по-разному в естественных науках и технологиях. В частности, в астрономии они на ранней стадии в значительной степени вытеснили другие приемники изображений, такие как фотопластинки , поскольку их высокая чувствительность также позволяет наблюдать очень слабые объекты. Другими преимуществами являются его широкая спектральная чувствительность, высокий динамический диапазон (то есть способность одновременно захватывать очень слабые и очень яркие области изображения) и тот факт, что информация об изображении получается в цифровом виде, например, в фотометрии (измерение яркости ) и прикладные сложные методы обработки изображений является преимуществом.

Цифровые камеры CCD также произвели революцию в общей фотографии . С увеличением количества пикселей возможности использования датчиков изображения CCD расширились и стали включать практически все фотографические приложения. Профессиональные аналоговые фотоаппараты во многих областях уже были заменены датчиками CCD с разрешением от 5 до 18 мегапикселей , что особенно актуально для цифровых (однообъективных зеркальных) фотоаппаратов среднего формата и все в большей степени - малого формата с разрешением 30 и более мегапикселей.

CMOS против CCD

В фототехники , датчики CMOS , с которой только дешевые устройства «низкого уровня» ранее были оборудованы, замененные датчики CCD в секторе высокого качества после 2005 года. Основные недостатки КМОП (шум, низкая чувствительность) были в значительной степени сведены к минимуму или уменьшены до сопоставимого уровня, так что КМОП-датчики полностью вытеснили ПЗС-датчики в области цифровых однообъективных зеркальных фотоаппаратов (например, Canon EOS-1Ds 2002, Nikon D2X 2004, Nikon D300 2007). При сопоставимом (для области применения) качестве изображения здесь преобладают преимущества технологии CMOS-сенсора (более быстрое и контролируемое по площади считывание, отсутствие размытия и т. Д.). С другой стороны, ПЗС-сенсоры используются в цифровых задних панелях и среднеформатных камерах с очень высоким разрешением (40 мегапикселей и больше), которые могут в полной мере использовать их преимущества. Даже в высококачественных цифровых компактных и мостовых камерах ПЗС-сенсоры использовались почти исключительно до 2010 года ( Canon Powershot S100 с CMOS в 2011 году, Powershot G1X 2012).

Видео технологии

В видеокамерах ПЗС-сенсоры заменяют старый принцип ламп ( Иконоскоп , Видикон ). Классическое разрешение видеокамер в PAL - или NTSC - стандарт является 440,000 пикселей (CCIR / PAL) или 380000 пикселей (EIA / NTSC) и частота кадров 25 Гц (CCIR / PAL) или 30 Гц (EIA / NTSC).

Интенсивная ПЗС-матрица, ПЗС-матрица со стробированием

ПЗС-матрицы могут работать с усилителем изображения перед ними, и тогда их называют усиленными ПЗС- матрицами (iCCD). Для этого свет сначала попадает на фотокатод; высвободившийся электронный поток умножается, например, в микроканальной пластине (MCP) и попадает на флуоресцентный экран. Оттуда свет, например, направляется на ПЗС-матрицу по волоконной оптике . Из-за высокой чувствительности современных ПЗС-матриц усиленные ПЗС-матрицы не дают никакого выигрыша в чувствительности при больших временах выдержки (квантовый выход фотокатодов даже ниже, чем у лучших ПЗС-матриц). Поскольку наиболее чувствительные ПЗС-матрицы имеют относительно низкую скорость считывания, iCCD могут быть полезны при высокой частоте кадров (например, видео). Интенсифицированные ПЗС-матрицы также обеспечивают очень короткое время экспозиции до 0,2  нс , что недостижимо только с ПЗС-матрицей. Для этого на микроканальную пластину подается короткий импульс напряжения. Такое расположение известно как ПЗС-матрица со стробированием .

EBCCD

ПЗС-матрицы чувствительны не только к электромагнитному излучению, но и к излучению ионизирующих частиц, поскольку они также генерируют электронно-дырочные пары. « Задняя подсветка » ПЗС - матрица, которые используются в качестве датчиков для падающих электронов, также известна как ebCCD ( электронный бомбардировал CCD ). Одно из применений этих датчиков - усилитель остаточного света: электроны выходят из фотокатода и ускоряются к датчику ebCCD с помощью приложенного напряжения, так что для каждого падающего электрона генерируется несколько электронно-дырочных пар.

литература

  • Джеральд С. Холст: ПЗС-матрицы, камеры и дисплеи. Издательство JCD , Winter Park 1996, ISBN 0-9640000-2-4 .

веб ссылки

Commons : устройства с зарядовой связью  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

Индивидуальные доказательства

  1. ^ WS Boyle, GE Smith: Устройства с зарядовой связью, неадекватные полупроводники . В: Технический журнал системы Bell (BSTJ) . Том 49, 1970, ISSN  0005-8580 , стр. 587-593 ( PDF ).
  2. ↑ GF Amelio, MF Tompsett, GE Smith: экспериментальная проверка концепции устройства с зарядовой связью . В: Технический журнал системы Bell (BSTJ) . Лента 49 , 1970, ISSN  0005-8580 , стр. 593-600 .
  3. ^ Нобелевская премия по физике 2009 года Проверено 18 апреля 2018 года .
  4. ↑ DF Barbe: Устройства для визуализации, использующие концепцию зарядовой связи . В: Труды IEEE . Том 63, вып. 1 . Нью-Йорк 1975, стр. 38-67 . ISSN 0018-9219  
  5. ↑ CCD Image Sensor, Thomson-CSF Division Silicon, брошюра по применению DTE-145