Устройство с зарядовой связью

Специально разработанная ПЗС-матрица в проволочном корпусе, используемая для в ультрафиолетовом диапазоне . получения изображений

Устройство с зарядовой связью ( CCD ) представляет собой интегральную схему, содержащую массив связанных или связанных конденсаторов . Под управлением внешней цепи каждый конденсатор может передавать свой электрический заряд соседнему конденсатору. ПЗС-сенсоры являются основной технологией, используемой в цифровой визуализации .

Обзор

В датчике изображения CCD пиксели представлены с p-легированием металл-оксид-полупроводник (МОП) конденсаторами . Эти МОП-конденсаторы , основные строительные блоки ПЗС-матрицы, смещаются выше порога инверсии, когда начинается получение изображения, что позволяет преобразовывать входящие фотоны в электронные заряды на границе раздела полупроводник-оксид; Затем ПЗС используется для считывания этих обвинений.

Хотя ПЗС-матрицы не являются единственной технологией, позволяющей обнаруживать свет, ПЗС-датчики изображения широко используются в профессиональных, медицинских и научных приложениях, где требуются данные изображения высокого качества.

В приложениях с менее строгими требованиями к качеству, таких как бытовые и профессиональные цифровые камеры , обычно используются датчики с активными пикселями , также известные как датчики CMOS (дополнительные MOS-датчики).

Однако большое преимущество в качестве, которым пользовались ПЗС-матрицы на ранних этапах, 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 год, сфотографировано на Nikon D80 , в котором используется ПЗС-матрица.

В основе ПЗС лежит структура металл-оксид-полупроводник (МОП). МОП -конденсаторы являются основными строительными блоками ПЗС-матрицы, и обедненная структура МОП, используемая в качестве фотодетектора в ранних ПЗС-устройствах.

В конце 1960-х годов Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит из Bell Labs исследовали технологию МОП, одновременно работая над полупроводниковой пузырьковой памятью . Они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и что его можно хранить на крошечном МОП-конденсаторе. было довольно просто , к ним подключили подходящее напряжение, чтобы заряд можно было поэтапно перемещать от одного к другому. Поскольку изготовить серию МОП-конденсаторов подряд Это привело к изобретению Бойлом и Смитом устройства с зарядовой связью в 1969 году. Они придумали конструкцию того, что они назвали в своей записной книжке «зарядными «пузырьковыми» устройствами».

В первоначальной статье, описывающей эту концепцию в апреле 1970 года, были перечислены возможные варианты использования в качестве памяти , линии задержки и устройства обработки изображений. Устройство также можно использовать в качестве сдвигового регистра . Суть конструкции заключалась в возможности передавать заряд по поверхности полупроводника от одного накопительного конденсатора к другому. Концепция в принципе была аналогична устройству с ведерной бригадой (BBD), которое было разработано в исследовательских лабораториях Philips в конце 1960-х годов.

Первым экспериментальным устройством, демонстрирующим этот принцип, был ряд близко расположенных металлических квадратов на поверхности окисленного кремния, к которым электрический доступ осуществлялся посредством проволочных связей. Его продемонстрировали Гил Амелио , Майкл Фрэнсис Томпсет и Джордж Смит в апреле 1970 года. Это было первое экспериментальное применение ПЗС-матрицы в технологии датчиков изображения , в котором в качестве фотодетектора использовалась обедненная МОП-структура. Первый патент ( патент США 4 085 456 ) на применение ПЗС-матриц для визуализации был передан Томпсетту, который подал заявку в 1971 году.

Первой работающей ПЗС-матрицей, созданной с использованием технологии интегральных схем , был простой 8-битный сдвиговый регистр, о котором сообщили Томпсетт, Амелио и Смит в августе 1970 года. Это устройство имело входные и выходные схемы и использовалось для демонстрации его использования в качестве сдвигового регистра и грубого восьмипиксельного устройства линейного формирования изображения. Разработка устройства продвигалась быстрыми темпами. К 1971 году исследователи Bell под руководством Майкла Томпсетта смогли захватывать изображения с помощью простых линейных устройств. Несколько компаний, в том числе Fairchild Semiconductor , RCA и Texas Instruments , подхватили изобретение и начали программы разработки. Усилия Fairchild, возглавляемые бывшим исследователем Bell Джилом Амелио, были первыми коммерческими устройствами, и к 1974 году у них было линейное устройство с 500 элементами и 2D-устройство с разрешением 100 × 100 пикселей. Питер Диллон, ученый из исследовательской лаборатории Kodak, изобрел первый цветной ПЗС-датчик изображения, наложив матрицу цветных фильтров на эту межстрочную ПЗС-матрицу Fairchild размером 100 x 100 пикселей, начиная с 1974 года. Стивен Сассон , инженер-электрик, работавший в Kodak подразделении аппаратов , в 1975 году изобрел цифровой фотоаппарат, использующий ту же ПЗС-матрицу Fairchild 100×100 .

ПЗС-устройство с межстрочным переносом (ILT) было предложено Л. Уолшем и Р. Дайком в компании Fairchild в 1973 году для уменьшения смазывания и устранения механического затвора . (ныне Panasonic) в 1981 году разработали архитектуру ПЗС-матрицы с покадровым межстрочным переносом (FIT) Для дальнейшего уменьшения размытия от ярких источников света К. Хории, Т. Курода и Т. Кунии из компании Matsushita .

Первый разведывательный спутник KH-11 KENNEN, оснащенный матрицей приборов с зарядовой связью ( 800 × 800 пикселей). Технология визуализации была запущена в декабре 1976 года. Под руководством Кадзуо Ивамы Sony начала масштабную разработку ПЗС-матриц, потребовавшую значительных инвестиций. Со временем Sony удалось наладить массовое производство ПЗС-матриц для своих видеокамер . Прежде чем это произошло, Ивама умер в августе 1982 года. Впоследствии на его надгробие был установлен ПЗС-чип в знак признания его вклада. Первая серийная потребительская видеокамера CCD CCD , CCD-G5, была выпущена Sony в 1983 году на основе прототипа, разработанного Ёсиаки Хагиварой в 1981 году.

Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Эта проблема была во многом решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). Его изобрели Нобукадзу Тераниши , Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. Они признали, что задержку можно устранить, если перенести носители сигнала с фотодиода на ПЗС-матрицу. Это привело к изобретению закрепленного фотодиода, структуры фотодетектора с малой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . Впервые об этом публично сообщили Тераниши и Исихара вместе с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением структуры, препятствующей цветению. Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «штыревой фотодиод» (PPD) Б.С. Берки из Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начал включаться в большинство ПЗС-устройств, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем цифровые фотоаппараты . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем и в датчиках CMOS .

В январе 2006 года Бойл и Смит были удостоены Национальной инженерной академии премии Чарльза Старка Дрейпера . а в 2009 году им была присуждена Нобелевская премия по физике. за изобретение концепции CCD. Майкл Томпсетт был награжден Национальной медалью технологий и инноваций 2010 года за новаторскую работу и электронные технологии, включая проектирование и разработку первых ПЗС-матриц. Он также был награжден медалью Эдисона IEEE 2012 года за «новаторский вклад в создание устройств формирования изображений, включая ПЗС-матрицы, камеры и тепловизоры».

Основы работы

Пакеты заряда (электроны, синий цвет) собираются в потенциальных ямах (желтый цвет), создаваемых путем подачи положительного напряжения на электроды затвора (G). Подача положительного напряжения на электрод затвора в правильной последовательности переносит пакеты заряда.

В ПЗС-матрице для захвата изображений есть фотоактивная область ( эпитаксиальный слой кремния) и область передачи, состоящая из сдвигового регистра (собственно ПЗС).

Изображение проецируется через линзу на матрицу конденсаторов (фотоактивную область), в результате чего каждый конденсатор накапливает электрический заряд, пропорциональный интенсивности света в этом месте. Одномерный массив, используемый в камерах с линейной разверткой, захватывает один фрагмент изображения, тогда как двумерный массив, используемый в видео- и фотокамерах, захватывает двухмерное изображение, соответствующее сцене, проецируемой на фокальную плоскость. датчика. Как только массив подвергается воздействию изображения, схема управления заставляет каждый конденсатор передавать свое содержимое своему соседу (работая как сдвиговый регистр). Последний конденсатор в массиве сбрасывает свой заряд в усилитель заряда , который преобразует заряд в напряжение . Повторяя этот процесс, схема управления преобразует все содержимое массива в полупроводнике в последовательность напряжений. В цифровом устройстве эти напряжения затем отбираются, оцифровываются и обычно сохраняются в памяти; в аналоговом устройстве (например, аналоговой видеокамере) они преобразуются в непрерывный аналоговый сигнал (например, путем подачи выхода усилителя заряда на фильтр нижних частот), который затем обрабатывается и подается в другие схемы для передача, запись или другая обработка.

Подробная физика работы

Sony ICX493AQA 10,14-мегапиксельная ПЗС-матрица формата APS-C (23,4 × 15,6 мм) от цифровой камеры Sony α DSLR-A200 или DSLR-A300 , сторона сенсора

Генерация заряда

Прежде чем МОП-конденсаторы подвергаются воздействию света, они смещаются в область обеднения; в n-канальных ПЗС-матрицах кремний под затвором смещения слегка p -легирован или является собственным. Затем затвор смещается на положительный потенциал, превышающий порог сильной инверсии, что в конечном итоге приведет к созданию n -канала под затвором, как в MOSFET . Однако для достижения этого теплового равновесия требуется время: до нескольких часов в высококлассных научных камерах, охлаждаемых при низкой температуре. Первоначально после смещения дырки глубоко проникают в подложку, и подвижных электронов нет на поверхности или вблизи нее; Таким образом, CCD работает в неравновесном состоянии, называемом глубоким истощением. Затем, когда в обедненной области образуются электронно-дырочные пары , они разделяются электрическим полем, электроны движутся к поверхности, а дырки – к подложке. Можно выделить четыре процесса образования пар:

• фотогенерация (до 95% квантовой эффективности ),
• генерация в зоне истощения,
• генерация на поверхности и
• генерация в нейтральном объеме.

Последние три процесса известны как генерация темнового тока и добавляют к изображению шум; они могут ограничить общее полезное время интеграции. Накопление электронов на поверхности или вблизи нее может продолжаться либо до завершения интеграции изображения и начала переноса заряда, либо до достижения теплового равновесия. В этом случае говорят, что колодец полный. Максимальная производительность каждой скважины называется глубиной скважины. обычно около 10 ⁵ электронов на пиксель. ПЗС-матрицы обычно чувствительны к ионизирующему излучению и энергичным частицам, которые вызывают шум на выходе ПЗС-матрицы, и это необходимо учитывать при выборе спутников, использующих ПЗС-матрицы.

Проектирование и производство

Фотоактивная область ПЗС-матрицы обычно представляет собой эпитаксиальный слой кремния . Он слегка легирован p (обычно бором ) и выращивается на материале подложки , часто p++. В устройствах со скрытыми каналами (тип конструкции, используемый в большинстве современных ПЗС-матриц), определенные участки поверхности кремния имплантированы ионами фосфора , что дает им обозначение n-легированных. Эта область определяет канал, по которому будут перемещаться фотогенерированные пакеты зарядов. Саймон Сзе подробно описывает преимущества устройства со скрытыми каналами:

Этот тонкий слой (= 0,2–0,3 микрона) полностью истощается, и накопленный фотогенерированный заряд удерживается вдали от поверхности. Эта структура имеет преимущества более высокой эффективности переноса и более низкого темнового тока за счет уменьшения поверхностной рекомбинации. Штрафом является меньшая зарядная емкость в 2–3 раза по сравнению с ПЗС-матрицей с поверхностным каналом.

Оксид затвора, то есть конденсатора диэлектрик , выращивается поверх эпитаксиального слоя и подложки.

На более позднем этапе процесса из поликремния наносятся затворы методом химического осаждения из газовой фазы , на них наносится фотолитография и травятся таким образом, что отдельно фазированные затворы лежат перпендикулярно каналам. Каналы дополнительно определяются путем использования процесса LOCOS для создания области остановки канала .

Ограничители каналов представляют собой термически выращенные оксиды , которые служат для изоляции пакетов зарядов в одной колонке от пакетов зарядов в другой. Эти ограничители каналов производятся до производства поликремниевых затворов, поскольку в процессе LOCOS используется высокотемпературный этап, который может разрушить материал затвора. Остановки каналов параллельны и исключают каналы, или области «переноса заряда».

Ограничители каналов часто имеют под ними легированную область p+, обеспечивающую дополнительный барьер для электронов в зарядовых пакетах (это обсуждение физики ПЗС-устройств предполагает наличие устройства переноса электронов , хотя перенос дырок возможен).

Синхронизация затворов, поочередно высокая и низкая, будет смещать диод вперед и назад, что обеспечивается скрытым каналом (n-легированным) и эпитаксиальным слоем (p-легированным). Это приведет к истощению ПЗС-матрицы вблизи p-n-перехода , а также к сбору и перемещению пакетов заряда под затворы и внутри каналов устройства.

Производство и работа ПЗС-матрицы могут быть оптимизированы для различных целей. Вышеупомянутый процесс описывает передачу кадров CCD. Хотя ПЗС-матрицы могут быть изготовлены на сильно легированной пластине p++, также возможно изготовить устройство внутри p-ямок, размещенных на n-подложке. Сообщается, что этот второй метод уменьшает размытие изображения, темновой ток , а также инфракрасный и красный отклик. Этот метод изготовления используется при изготовлении межстрочных передаточных устройств.

Другая версия ПЗС называется перистальтической ПЗС. В перистальтическом устройстве с зарядовой связью операция переноса зарядового пакета аналогична перистальтическому сокращению и расширению пищеварительной системы . Перистальтическая ПЗС-матрица имеет дополнительный имплантат, который удерживает заряд от границы раздела кремний/ диоксид кремния и генерирует большое боковое электрическое поле от одного затвора к другому. Это обеспечивает дополнительную движущую силу, помогающую в передаче пакетов зарядов.

Архитектура

ПЗС-матрица от 2,1- мегапиксельной Argus цифровой камеры

Одномерный ПЗС-датчик изображения факсимильного аппарата

Датчики изображения CCD могут быть реализованы в нескольких различных архитектурах. Наиболее распространены полнокадровый, покадровый и межстрочный. Отличительной чертой каждой из этих архитектур является подход к проблеме опалубки.

В полнокадровом аппарате вся область изображения активна, электронного затвора нет. К этому типу датчика необходимо добавить механический затвор, иначе изображение будет размазываться при синхронизации или считывании данных с устройства.

В ПЗС-матрицах с покадровой передачей половина кремниевой поверхности закрыта непрозрачной маской (обычно алюминиевой). Изображение можно быстро перенести из области изображения в непрозрачную область или область хранения с приемлемым размытием в несколько процентов. Затем это изображение можно медленно считывать из области хранения, пока новое изображение интегрируется или экспонируется в активной области. Устройства передачи кадров обычно не требуют механического затвора и были обычной архитектурой для первых твердотельных вещательных камер. Обратной стороной архитектуры передачи кадров является то, что она требует вдвое больше кремниевой площади, чем эквивалентное полнокадровое устройство; следовательно, он стоит примерно в два раза дороже.

Межстрочная архитектура расширяет эту концепцию еще на один шаг и маскирует для хранения все остальные столбцы датчика изображения. В этом устройстве для перехода из области изображения в область хранения должен произойти сдвиг только на один пиксель; таким образом, время срабатывания затвора может составлять менее микросекунды, а размытие практически исключается. Однако это преимущество не является бесплатным, поскольку область изображения теперь покрыта непрозрачными полосами, что снижает коэффициент заполнения примерно до 50 процентов, а эффективную квантовую эффективность - на эквивалентную величину. В современных разработках эта вредная особенность устранена путем добавления микролинз на поверхность устройства, которые направляют свет от непрозрачных областей и на активную область. Микролинзы могут вернуть коэффициент заполнения до 90 процентов и более в зависимости от размера пикселя и общей оптической конструкции системы.

Выбор архитектуры сводится к ее полезности. Если приложение не может использовать дорогостоящие, отказоустойчивые и энергоемкие механические затворы, правильным выбором будет межлинейное устройство. В потребительских фотокамерах используются межстрочные устройства. С другой стороны, для тех приложений, которые требуют наилучшего сбора света и вопросы денег, мощности и времени менее важны, полнокадровое устройство является правильным выбором. Астрономы склонны отдавать предпочтение полнокадровым устройствам. Передача кадров занимает промежуточное положение и была распространенным выбором до того, как была решена проблема коэффициента заполнения межстрочных устройств. Сегодня передача кадров обычно выбирается, когда межстрочная архитектура недоступна, например, в устройствах с задней подсветкой.

ПЗС-матрицы, содержащие сетки пикселей, используются в цифровых фотоаппаратах , оптических сканерах и видеокамерах в качестве светочувствительных устройств. Обычно они реагируют на 70 процентов падающего света (что означает квантовую эффективность около 70 процентов), что делает их гораздо более эффективными, чем фотопленка , которая улавливает только около 2 процентов падающего света.

Наиболее распространенные типы ПЗС-матриц чувствительны к ближнему инфракрасному свету, что позволяет осуществлять инфракрасную фотосъемку , использовать устройства ночного видения и люкс видеозапись/фотографию в условиях нулевой (или почти нулевой) . Для обычных кремниевых детекторов чувствительность ограничена 1,1 мкм. Еще одним следствием их чувствительности к инфракрасному излучению является то, что инфракрасное излучение от пультов дистанционного управления часто появляется на цифровых камерах или видеокамерах на базе ПЗС-матриц, если они не имеют блокировщиков инфракрасного излучения.

матрицы Охлаждение уменьшает темновой ток , улучшая чувствительность ПЗС-матрицы к свету низкой интенсивности, даже для ультрафиолетовых и видимых длин волн. Профессиональные обсерватории часто охлаждают свои детекторы жидким азотом , чтобы снизить темновой ток и, следовательно, тепловой шум до незначительного уровня.

Передача кадров CCD

Датчик CCD с кадровой передачей

ПЗС-аппарат с передачей кадров был первой структурой формирования изображений, предложенной для ПЗС-изображений Майклом Томпсеттом из Bell Laboratories. ПЗС -матрица с передачей кадров — это специализированная ПЗС-матрица, часто используемая в астрономии и некоторых профессиональных видеокамерах , предназначенная для высокой эффективности и корректности экспозиции.

Нормальное функционирование ПЗС-матрицы, астрономической или другой, можно разделить на две фазы: экспонирование и считывание. На первом этапе ПЗС пассивно собирает поступающие фотоны , сохраняя электроны в своих ячейках. По истечении времени экспозиции клетки считываются по одной строке. Во время фазы считывания ячейки смещаются вниз по всей площади ПЗС. Пока они смещаются, они продолжают собирать свет. Таким образом, если переключение происходит недостаточно быстро, ошибки могут возникнуть из-за света, падающего на ячейку, удерживающую заряд во время передачи. Эти ошибки называются «вертикальным размытием» и приводят к тому, что сильный источник света создает вертикальную линию выше и ниже его точного местоположения. Кроме того, ПЗС-матрицу нельзя использовать для сбора света во время его считывания. Более быстрое переключение требует более быстрого считывания, а более быстрое считывание может привести к ошибкам в измерении заряда элемента, что приведет к более высокому уровню шума.

ПЗС-матрица с передачей кадров решает обе проблемы: она имеет экранированную, нечувствительную к свету область, содержащую столько же ячеек, сколько и область, подвергающуюся воздействию света. Обычно эта область покрыта светоотражающим материалом, например алюминием. По истечении времени воздействия клетки очень быстро переносятся в скрытую область. Здесь, в безопасности от любого падающего света, ячейки можно считывать с любой скоростью, которую сочтете необходимой для правильного измерения заряда ячеек. В то же время экспонированная часть ПЗС-матрицы снова собирает свет, поэтому между последовательными экспозициями не возникает задержки.

Недостатком такой ПЗС является более высокая стоимость: площадь ячейки практически увеличивается вдвое, и необходима более сложная управляющая электроника.

Усиленное устройство с зарядовой связью

Основная статья: Усилитель изображения

Усиленное устройство с зарядовой связью (ICCD) представляет собой ПЗС-матрицу, оптически соединенную с усилителем изображения, установленным перед ПЗС-матрицей.

ЭОП включает в себя три функциональных элемента: фотокатод , микроканальную пластину (МКП) и люминофорный 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 MCP с помощью электрического управляющего напряжения, приложенного между фотокатодом и MCP. Электроны размножаются внутри MCP, а 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 имеет функцию затвора : если управляющее напряжение между фотокатодом и МКП меняется на противоположное, испускаемые фотоэлектроны не ускоряются по направлению к МКП, а возвращаются к фотокатоду. Таким образом, никакие электроны не размножаются и не испускаются МКП, никакие электроны не попадают на люминофорный экран и никакой свет не излучается из усилителя изображения. В этом случае на ПЗС-матрицу не попадает свет, а это означает, что затвор закрыт. Процесс изменения управляющего напряжения на фотокатоде называется стробированием , поэтому ICCD также называют стробируемыми ПЗС-камерами.

Помимо чрезвычайно высокой чувствительности камер ICCD, которые позволяют обнаруживать одиночные фотоны, возможность пропускания является одним из основных преимуществ ICCD перед камерами EMCCD . Самые производительные камеры ICCD обеспечивают выдержку всего 200 пикосекунд .

Камеры ICCD, как правило, несколько дороже, чем камеры EMCCD, поскольку им нужен дорогой усилитель изображения. С другой стороны, камерам EMCCD необходима система охлаждения для охлаждения чипа EMCCD до температуры около 170 К (-103 ° C ). Эта система охлаждения увеличивает стоимость камеры EMCCD и часто приводит к серьезным проблемам с конденсацией в приложении.

ICCD используются в приборах ночного видения и в различных научных приложениях.

Электронно-умножающая ПЗС-матрица

Электроны передаются последовательно через каскады усиления, составляющие регистр умножения EMCCD . Высокие напряжения, используемые в этих последовательных передачах, вызывают создание дополнительных носителей заряда посредством ударной ионизации.

в EMCCD существует дисперсия (изменение) количества электронов, выдаваемых регистром умножения для заданного (фиксированного) количества входных электронов (показано в легенде справа). Распределение вероятностей количества выходных электронов отложено логарифмически на вертикальной оси для моделирования регистра умножения. Также показаны результаты эмпирического уравнения аппроксимации, показанного на этой странице.

ПЗС-матрица с электронным умножением (EMCCD, также известная как L3Vision CCD, продукт, коммерциализируемый e2v Ltd., GB, L3CCD или Impactron CCD, продукт, производство которого сейчас прекращено и предлагаемое в прошлом компанией Texas Instruments) представляет собой устройство с зарядовой связью в регистр усиления которого расположен между сдвиговым регистром и выходным усилителем. Регистр усиления разделен на большое количество каскадов. На каждом этапе электроны умножаются ударной ионизацией аналогично лавинному диоду . Вероятность выигрыша на каждом этапе регистра невелика ( P < 2%), но поскольку число элементов велико (N > 500), общий выигрыш может быть очень большим ( $g=(1+P)^{N}$), при этом одиночные входные электроны дают многие тысячи выходных электронов. Считывание сигнала с ПЗС-матрицы дает шумовой фон, обычно состоящий из нескольких электронов. В EMCCD этот шум накладывается на многие тысячи электронов, а не на один электрон; Таким образом, основным преимуществом этих устройств является незначительный шум считывания. Использование лавинного пробоя для усиления фотозарядов уже было описано в патенте США № 3,761,744 в 1973 году, выданном Джорджем Э. Смитом/Bell Telephone Laboratories.

EMCCD демонстрируют аналогичную чувствительность к усиленным CCD (ICCD). Однако, как и в случае с ICCD, усиление, применяемое в регистре усиления, является стохастическим, и невозможно узнать точное усиление, примененное к заряду пикселя. При высоких коэффициентах усиления (> 30) эта неопределенность оказывает такое же влияние на отношение сигнал/шум (SNR), как уменьшение вдвое квантовой эффективности (QE) по отношению к работе с коэффициентом усиления, равным единице. Этот эффект называется коэффициентом избыточного шума (ENF). 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 отсчетов в одном пикселе из-за совпадающих фотонов в этом режиме работы, необходима высокая частота кадров. Разброс коэффициента усиления показан на графике справа. Для регистров умножения со многими элементами и большими коэффициентами усиления это хорошо моделируется уравнением:

$$P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)\quad {\text{ if }}n\geq m$$где P — вероятность получения n выходных электронов с учетом m входных электронов и общего среднего выигрыша регистра умножения g . Для очень большого числа входных электронов эта сложная функция распределения сходится к гауссовой.

Благодаря более низкой стоимости и лучшему разрешению EMCCD способны заменить ICCD во многих приложениях. ICCD по-прежнему имеют то преимущество, что их можно стробировать очень быстро, и поэтому они полезны в таких приложениях, как визуализация со стробированием по дальности . Камеры EMCCD обязательно нуждаются в системе охлаждения — с использованием термоэлектрического охлаждения или жидкого азота — для охлаждения чипа до температур в диапазоне от –65 до –95 °C (от –85 до –139 °F). Эта система охлаждения увеличивает стоимость системы визуализации EMCCD и может привести к проблемам с конденсацией в приложении. Однако камеры EMCCD высокого класса оснащены постоянной герметичной вакуумной системой, удерживающей чип, чтобы избежать проблем с конденсацией.

Возможности EMCCD при слабом освещении находят применение, среди других областей, в астрономии и биомедицинских исследованиях. В частности, их низкий уровень шума при высоких скоростях считывания делает их очень полезными для различных астрономических приложений, связанных с источниками слабого освещения и переходными событиями, такими как удачное получение изображений тусклых звезд, фотометрия с высокоскоростным счетом фотонов , спектроскопия Фабри-Перо и спектроскопия высокого разрешения. . Совсем недавно эти типы ПЗС-матриц проникли в область биомедицинских исследований в условиях низкой освещенности, включая визуализацию мелких животных , визуализацию одиночных молекул , рамановскую спектроскопию , микроскопию сверхвысокого разрешения , а также широкий спектр современных методов флуоресцентной микроскопии благодаря более широкому спектру современных методов флуоресцентной микроскопии. 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 считываемый пиксель. Однако недавние улучшения в технологии EMCCD привели к появлению нового поколения камер, способных производить значительно меньше CIC, более высокую эффективность передачи заряда и коэффициент усиления ЭМ в 5 раз выше, чем было доступно ранее. Эти достижения в области обнаружения при слабом освещении приводят к эффективному общему фоновому шуму в 0,001 электрона на считывание пикселей, что является минимальным уровнем шума, не имеющим аналогов ни у одного другого устройства формирования изображений при слабом освещении.

Использование в астрономии

Массив из 30 ПЗС-матриц, используемых в камере формирования изображения телескопа Sloan Digital Sky Survey , пример «дрейфового сканирования».

Из-за высокой квантовой эффективности устройств с зарядовой связью (ПЗС) (идеальная квантовая эффективность составляет 100%, один генерируемый электрон на каждый падающий фотон), линейности их выходных сигналов, простоты использования по сравнению с фотопластинками и множества других причин ПЗС-матрицы были очень быстро приняты астрономами практически для всех применений в диапазоне от УФ до инфракрасного диапазона.

Тепловой шум и космические лучи могут изменить пиксели ПЗС-матрицы. Чтобы противостоять таким эффектам, астрономы делают несколько экспозиций с закрытым и открытым затвором ПЗС. Усреднение изображений, снятых с закрытым затвором, необходимо для снижения случайного шума. После проявления среднее изображение темного кадра вычитается из изображения с открытым затвором, чтобы удалить темновой ток и другие систематические дефекты ( битые пиксели , горячие пиксели и т. д.) в ПЗС-матрице. Новые ПЗС-матрицы Skipper противодействуют шуму, многократно собирая данные с одним и тем же собранным зарядом, и могут применяться в прецизионном световом поиске темной материи и измерениях нейтрино .

В частности, космический телескоп Хаббл имеет тщательно разработанную серию этапов («конвейер обработки данных») для преобразования необработанных данных CCD в полезные изображения.

ПЗС-камеры, используемые в астрофотографии, часто требуют прочных креплений, чтобы выдерживать вибрации ветра и других источников, а также огромный вес большинства платформ для обработки изображений. Чтобы сделать длительную экспозицию галактик и туманностей, многие астрономы используют метод, известный как автогид . Большинство автогидов используют второй ПЗС-чип для отслеживания отклонений во время визуализации. Этот чип может быстро обнаружить ошибки в отслеживании и дать команду двигателям крепления исправить их.

Необычное астрономическое применение ПЗС, называемое дрейфовым сканированием, использует ПЗС, чтобы заставить фиксированный телескоп вести себя как следящий телескоп и следовать за движением неба. Заряды в ПЗС передаются и считываются в направлении, параллельном движению неба, и с той же скоростью. Таким образом, телескоп может отображать большую область неба, чем его обычное поле зрения. Слоановский цифровой обзор неба является самым известным примером этого, используя эту технику для обзора более четверти неба. — Космический телескоп Gaia еще один инструмент, работающий в этом режиме, вращающийся вокруг своей оси с постоянной скоростью 1 оборот за 6 часов и сканирующий за это время полосу неба 360° на 0,5°; звезда проходит всю фокальную плоскость примерно за 40 секунд (эффективное время экспозиции).

Помимо формирователей изображения, ПЗС-матрицы также используются в ряде аналитических приборов, включая спектрометры. и интерферометры .

Цветные камеры

Фильтр Байера на ПЗС-матрице

Изображение x80-микроскопа фильтра Байера RGGB на 240-строчной ПЗС-матрице видеокамеры Sony CCD PAL

См. Также: Список цифровых камер с ПЗС-сенсорами.

Цифровые цветные камеры, включая цифровые цветные камеры в смартфонах, обычно используют встроенный датчик цветного изображения. который имеет матрицу цветных фильтров, изготовленную поверх монохромных пикселей ПЗС-матрицы. Самый популярный шаблон CFA известен как фильтр Байера , названный в честь его изобретателя, ученого Kodak Брайса Байера . В шаблоне Байера каждый квадрат из четырех пикселей имеет один отфильтрованный красный, один синий и два зеленых пикселя ( человеческий глаз обладает большей остротой восприятия яркости, которая имеет больший вес в зеленом, чем в красном или синем). В результате информация о яркости собирается в каждой строке и столбце в шахматном порядке, а цветовое разрешение оказывается ниже разрешения яркости.

Лучшего разделения цветов можно достичь с помощью устройств с тремя ПЗС-матрицами ( 3CCD ) и дихроичной светоделительной призмой , которая делит изображение на красный , зеленый и синий компоненты. Каждая из трех ПЗС-матриц настроена так, чтобы реагировать на определенный цвет. Многие профессиональные видеокамеры и некоторые полупрофессиональные видеокамеры используют этот метод, хотя развитие конкурирующей технологии КМОП сделало КМОП-сенсоры, как с светоделителями, так и с фильтрами Байера, все более популярными в высококачественных видео- и цифровых кинокамерах. Еще одним преимуществом 3CCD перед устройством с маской Байера является более высокая квантовая эффективность (более высокая светочувствительность), поскольку большая часть света от линзы попадает на один из кремниевых датчиков, а маска Байера поглощает высокую долю (более 2/3) свет, падающий на каждое местоположение пикселя.

Для неподвижных сцен, например, в микроскопии, разрешение устройства с маской Байера можно повысить с помощью технологии микросканирования . В процессе цветовой выборки создается несколько кадров сцены. Между захватами 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 сканируется хотя бы один раз в каждом цвете, и разрешение трех каналов становится эквивалентным (разрешение красного и синего каналов увеличивается в четыре раза, а зеленого канала удваивается).

Размеры сенсора

Основная статья: Формат датчика изображения

Датчики (CCD/CMOS) бывают различных размеров или форматов датчиков изображения. Эти размеры часто обозначаются дюймовыми дробями, например 1/1,8 дюйма или 2/3 дюйма, называемыми оптическим форматом . Это измерение берет свое начало еще в 1950-х годах, во времена ламп Vidicon .

Цветущий

Вертикальное размытие

Когда экспозиция ПЗС-матрицы достаточно длинная, в конечном итоге электроны, которые собираются в «корзинах» в самой яркой части изображения, переполняют корзину, что приводит к размытию. Структура ПЗС-матрицы позволяет электронам легче течь в одном направлении, чем в другом, что приводит к образованию вертикальных полос.

Некоторые функции защиты от цветения, которые могут быть встроены в ПЗС-матрицу, снижают ее чувствительность к свету за счет использования части области пикселя в качестве дренажной структуры. Джеймс М. Эрли разработал вертикальный дренаж, препятствующий выцветанию, который не отвлекал бы область сбора света и, следовательно, не уменьшал светочувствительность.

См. также

• Фотодиод
• КМОП-сенсор
• Чувствительный к углу пиксель
• Вращающаяся линейная камера
• Сверхпроводящая камера
• Трубка видеокамеры - преобладающая технология видеозахвата до появления ПЗС-матриц.
• Широкий динамический диапазон
• Диод накопления дырок (HAD)
• Многослойная ПЗС-матрица
• Andor Technology – Производитель камер EMCCD
• Фотометрика - Производитель камер EMCCD
• QImaging - Производитель камер EMCCD
• PI/Acton – Производитель камер EMCCD
• Временная задержка и интегрирование (TDI)
• Словарь видеотерминов
• Список цифровых камер с CCD-сенсорами
• Категория: Цифровые фотоаппараты с ПЗС-сенсором изображения

Внешние ссылки

• Журнальная статья об основах ПЗС-матриц
• Знакомство с ПЗС-матрицами в микроскопии Nikon
• Концепции технологии цифрового изображения
• Больше статистических свойств
• L3CCD, используемые в астрономии