1 / 57

CCD kamery

CCD kamery. Historie. CCD (charged coupled device) – původně vyvíjeny jako experimentální počítačové paměti (konec 60-tých a 70-tá léta) CMOS – podobná technologie jako ostatní mikroelektronika. Náročné, zvládnuté cca od 90. let. iCCD EMCCD. Princip. konverze světla na elektrické náboje

astin
Download Presentation

CCD kamery

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. CCD kamery

  2. Historie • CCD (charged coupled device) – původně vyvíjeny jako experimentální počítačové paměti (konec 60-tých a 70-tá léta) • CMOS – podobná technologie jako ostatní mikroelektronika. Náročné, zvládnuté cca od 90. let. • iCCD • EMCCD

  3. Princip • konverze světla na elektrické náboje • zachycení náboje v potenciálových studních (picture element = pixel) • konverze náboje na napětí • zesílení • řízená digitalizace a vyčítání velikosti napětí • rekonstrukce obrazu

  4. Výhody • schopnost dlouhé akumulace signálu • citlivost 20-95% (film 3-5%) • vysoká linearita (fotometrie) • velká rozměrová stálost (odečítání polohy s přesností 1/10 pixelu – astrometrie) • rychlý přístup k výsledkům • výstup v podobě datových souborů (stretching, skládání expozic) • binning

  5. CCDcharge coupled device

  6. CMOScomplementary metal-oxide semiconductor

  7. EMCCDelectron multiplying CCD

  8. iCCDimage intensified CCD

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

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

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

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

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

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

  15. Architektury – interline transfer • stíněné kanály pro přesun náboje • téměř eliminuje rozmazání • napětím lze vytvořit rychlou elektronickou závěrku • stínění části čipu snižuje kvantovou účinnost • pro paralelní osvit mikročočky

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

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

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

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

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

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

  22. Konverze náboje na napětí • plovoucí difuzní senzor • nejprvuje se resetuje do výchozího stavu • zesilovač zaznamená „nulovou“ hladinu • pak se přesune náboj • zesilovač zaznamená napěťový rozdíl

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

  24. Anti-blooming (overflow drain) • vertikální odvod přetečení – potenciálová bariréra v hloubce substrátu, na který se přiloží předpětí • laterální odvod přetečení – odvod do kanálu vedle každého sloupce – zmenšuje aktivní plochu čipu • OD může sloužit zároveň jako elektronická závěrka • zhoršuje lineritu (kapacitu pixelu)

  25. Šum CCD kamery • odečítací šum – vzniká v procesu zesilování a konverze náboje na napětí, roste s rychlostí vyčítání (slow scan CCD) • termální šum – klesá s teplotou, CCD se chladí až na -100°Cδdark = √Ndark, Ndark~10 e-/(pixel.s) @ 20°C • šum světelného signálu δsignal = √(ημ)δtotal = √(δreadout2 + δdark2 + δsignal2)

  26. Šum vs. expoziční doba

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

  28. Prostorové rozlišení

  29. Hardwarové sdružování (binning) • čím menší pixely, tím větší rozlišení, ale také menší dynamický rozsah • binning dává rychlejší odečet a vyšší kapacitu pixelu (dynamický rozsah) za cenu nižšího rozlišení • zlepšuje poměr signál/šum

  30. Vady CCD kamer • Tmavé pixelyPixely nebo malé skupiny pixelů s horší odezvou (<75% průměrné odezvy) – většinou vznikají znečištěním povrchu čipu nebo vadami ve struktuře • Horké pixely...mají daleko větší temný proud (>50x spec. hodnoty), většinou silně závislý na teplotě – většinou nečistotami v senzoru • Pasti...zachycují posunované elektrony, obtížně se diagnostikují (pozorovatelné od 200 e-) – způsobeny příměsemi v křemíku

  31. Kalibrace snímku odečtení temného snímku odečtení flat field raw

  32. Stretching

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

  34. Bayerova maska • zachovává rozlišení v jasové složce • barevná informace se dopočítává ze sousedních pixelů interpolací • RGB filtry sníží citlivost na cca 1/3 • CMY by měl cca 2/3 propustnost, ale M filtr je velmi obtížné vyrobit • Filtry nelze odstranit, barevná kamera neumožňuje snímání úzkospektrálními filtry (Hα, Hβ, OIII atd.) • Nelze provádět binning

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

  36. CCD vs. CMOS

  37. CCD vs. CMOS

  38. Scientific CCD (Andor) • η>90% @ max. vlnové délce (back-illuminated) • TE chlazení na -100°C • malý odečítací šum • 16-bit A/D převodník, velký dynamický rozsah

  39. Scientific CCD (Andor)

  40. Speciální kamery EM-CCD iCCD

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

  42. Princip elektronové multiplikace • při přesunu náboje existuje malá pravděpodobnost uvolnění dalšího náboje nárazovou ionizací (šum) • vytvoří se série hlubších potenciálových jam (multiplikační registr) – zesílení až 1000x

  43. Zisk a dynamický rozsah

  44. Čítání fotonů s EM-CCD • nelze rozlišit počty fotonů • zesilovací registr zvyšuje šum • při aplikaci vysokého zesílení (>30x) a odečítání nad hladinou šumu lze pro slabý signál čítat jednotlivé fotony

  45. Šum EM-CCD • Vedle všech šumů jako u CCD ještě další zdroj šumu: šum indukovaný přesunem náboje (CIC – clock induced charge) • vyskytuje se i v běžné CCD, ale tam je zanedbatelný (menší než odečítací šum), typicky řádu 5x10-2 e-/pix • v EM-CCD se ale násobí zesílením ~103

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

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

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

  49. iCCD kamera

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

More Related