co je CCD senzor?

chlazené CCD kamery jsou již dlouho v popředí Astrofotografie. Ale co je skutečně technologie senzorů CCD a jak ji používáme k vytváření ohromujících obrazů noční oblohy?

mysleli jsme si, že by mohlo být užitečné podívat se na některé z různých aspektů CCD senzorů, které vám pomohou lépe porozumět tomu, co se děje na povrchu fotoaparátu, když jste zaneprázdněni zobrazováním vesmíru.,

v této sérii jsme sestavili několik videí, která v následujících týdnech zveřejníme, včetně pohledu na různé typy šumu spojené s CCD senzory a na to, jak je minimalizujeme. Ale začněme na začátku a podívejme se, co je vlastně CCD – nebo nabíjecí zařízení.

co je to CCD? – Přepis

Dobrý den.

to, co bych dnes chtěl udělat, je mluvit trochu o samotných CCDs., CCDs samozřejmě byly opravdu důležité pro astrofotografii za posledních deset nebo dvacet let-většina opravdu skvělých snímků noční oblohy byla pořízena pomocí technologie senzorů CCD. Takže to, co tady budeme dělat, je využít příležitosti, abychom si trochu promluvili o samotných senzorech. Doufejme, že to bude informativní, může to být zábavné. Asi to nebude zvlášť užitečné, pokud jde o pomoc vás vyfotit noční oblohu, ale pokud chcete mít představu o tom, co se vlastně děje na samotném fotoaparátu, to může být užitečné.,

dobře, takže tohle je senzor. Je to vlastně jeden z Kodak eleven megapixelových senzorů, a vypadá to podobně jako u některých senzorů Sony, stejně jako že máme jasný kus krycího skla pokrývající kus samotného křemíkového čipu a máme řadu kolíků podél boku – nebo to může být pole mřížky pin – skutečně komunikovat s elektronikou venku.

první věc, kterou si skutečně všimnete, je to kus křemíku., Tak proč tam proboha máme kousek křemíkového čipu? Proč jsme se rozhodli použít to, proč jsme se rozhodli použít kus oceli, nebo kus uhlí – nebo plast-proč křemík? A odpověď opravdu přijde na velmi zajímavou vlastnost křemíku a trochu s tebou přes to, že je užitečné mluvit o několika různých typů sloučenin a jejich elektronické vlastnosti.,

Druhy Směsi a Jejich Elektronické Vlastnosti

izolant je materiál, kde jsou všechny elektrony ve valenčním pásmu, takže jsou vázány úzce na mateřské atomy a nemohou se pohybovat materiálu. Elektrony, které jsou delokalizovány, které se mohou pohybovat, jsou to, co se nazývá v pásmu vodivosti. Izolátory mají vodivost kapela, ale jejich energie je mnohem vyšší než valenční pásmo, že je to velmi, velmi zřídka, že elektron bude povýšen do vodivost kapela, a pak to bude mají tendenci klesat přímo zpět do svého mateřského atomu a být vázán., Takže izolátory – Velmi špatné při vedení elektřiny.

u kovů máme konverzační situaci, kdy se energie valenčního pásma a vodivého pásma skutečně překrývají. Takže máme toto moře delokalizovaných elektronů uvnitř kovu a to mu pomáhá vést elektřinu, a to může udělat, aniž by do samotného kovu skutečně přidal jakoukoli energii.,

náš třetí typ materiálu, polovodič, má tuto zajímavou vlastnost, kde je vodivost pouze mírně nad valenčním pásmem, takže musíme přidat relativně malé množství energie, abychom podpořili elektrony do vodivého pásma. Pro křemík je tato energie 1, 14 elektronových voltů a zajímavá vlastnost, která odpovídá množství energie, kterou má foton mezi 300-1000 nanometry., Tato energie může být použita, pokud foton spadne na křemík, pak může být použita k podpoře elektronu do vodivého pásma a tam, jakmile je v vodivém pásmu, pak ho můžeme přesunout kolem křemíku a změřit ho.

Vytvoření Silicon Sensor

Dobře, takže teď bych rád, aby zvážila, jak jsme vlastně design obrazového snímače kolem kus křemíku čip. Takže tady mám tohle na obrazovce představující čtvercový kus křemíku. Rozdělím to na devět oblastí, které se stanou devíti pixely., První věc, kterou musíte udělat, je oddělit sloupce, tak jsme se dát tyto zastávky mezi sloupy a ty jsou v podstatě malé elektrody, které běží po povrchu čipu a nesou negativní náboj, nebo jsme jim dát negativní potenciál, a to zastaví všechny elektrony, které spadly do těchto tří různých oblastí, nyní přechod doleva a doprava přes snímač.

takže je to omezilo vlevo a vpravo., Musíme je také omezit nahoru a dolů a k tomu používáme tyto vertikální hodiny. Takže tady běží ve skupinách po třech, takže tři hodiny na pixel, a v tuto chvíli mám prostřední s pozitivním potenciálem a dva vnější s negativním potenciálem.

takže to, co se teď stane, je, že když foton spadne na jeden z těchto pixelů, bude generovat a uvolňovat elektron a ten elektron se bude chtít pohybovat, takže je pod pozitivním potenciálem pozitivních hodin., Takto se hromadí obraz, takže během doby expozice máme fotony dopadající na obrazový senzor a jsou omezeny v pixelu svislými elektrodami a těmito horizontálně běžícími vertikálními hodinami.

čtení obrázku

pak chceme tento obrázek přečíst. Způsob, jakým to děláme, je ve skutečnosti taktování těchto vertikálních hodin.,

Pokud posuneme potenciál hodin dolů o jednu, takže pozitivní potenciál se posunul o jednu hodinu dolů, to, co má tendenci dělat, je přesunout, nebo se zeptat, elektron migrovat jeden stupeň najednou. A opět to děláme pohybem pozitivní fáze dolů a elektrony pomalu migrují dolů po samotném CCD.

pokračujeme v tom, dokud se elektrony nebo pixel nepřenesou do spodní fáze, což je tento horizontální registr odečtů., To je přesně stejný druh věci, ale tentokrát hodiny samy běží svisle, a tak umožňují pohybovat elektrony zleva doprava. Takže v tomto případě je přesouváme doleva a do poslední fáze. A jakmile jsou v této fázi, používáme zesilovač a zesilovač v podstatě měří počet fotonů, které byly uvolněné v pixelu, a převádí je na napětí, a toto napětí se pak objeví na jednom z kolíků na tomto čipu samotném. Na tomto si myslím, že je to jeden z konce – takže vertikální hodiny na jedné straně a horizontální hodiny na jedné straně.,

Pak, když jsme dokončili měření, nebo digitalizace, že určité napětí z toho pixelu, můžeme použít přepínač v výstupní fázi jasné, všechny starosti pryč od toho a pixel clock jedna horizontální registruje do výstupní brány.

velmi typický systém pro odečet CCD je v první řadě, jeden řádek najednou do horizontální odečet zaregistrovat, pak se pohybuje, že jeden pixel v době do výstupní fázi. A to popisuje opravdu to, co je velmi klasický area senzor pro CCDs., Je to docela stará technologie, docela starý způsob manipulace nebo použití křemíku, aby se stal imagerem. Potřebuje mechanickou závěrku, takže během fáze čtení je celá věc stále citlivá na světlo, takže když začnete pohybovat obrazem dolů po senzoru, nedostanete se za ním, musíte použít mechanickou závěrku.

všechny senzory na tomto konkrétním zásobníku nejsou plošné senzory, jsou to vlastně všechny Interline senzory. Mnoho našich produktů v rámci řady Atik používá Interline senzory, které nepotřebují mechanické žaluzie., Takže asi stojí za to se jen dotknout toho, jak je používáme.

Interline CCD senzory

takže pokud začneme znovu s přesně stejným kusem křemíku a tentokrát se dostaneme do Interline senzoru, první věc, kterou musíte udělat, je začít tím, že vytvoříte stejný snímač typu area. Takže jsem je zde neukázal, ale představíme tyto vertikální sloupcové zastávky, abychom zastavili elektrony migrující doleva a doprava a budeme mít i vertikální hodiny, které nám umožní pohybovat se po samotném pixelu nahoru a dolů.,

kde se věci liší, je to, že tyto pásy hliníku položíme na horní část samotného senzoru. Díky nim je oblast pod hliníkovým světelným štítem necitlivá na světlo, takže během fáze odečtu, pokud jsou v této části registru odečtů nějaké elektrony, pak když se pohybují dolů po sloupci, nemusíme se obávat, že část senzoru vyzvedne další fotony a přemění je na elektrony – na nich je tento světelný štít.,

nyní také potřebujeme něco, co by bylo skutečně citlivé na světlo. V tomto případě se to nazývá fotodioda, přesně stejný nápad, je to kus křemíku, kromě toho, že máme několik dalších hodin, které můžeme nyní použít k ovládání této fotodiody. Jeden z nich můžeme použít k vymazání náboje ze všech fotodiod najednou, a to se obvykle používá na začátku expozice, a druhý je hodiny, které posunují náboj ze všech fotodiod směrem doleva., To je pak v podstatě přesune pod hliníkové světelné štíty a účinně ukončí expozici.

toto je v podstatě diagram, co interline sensor vypadá, protože máme fotodiody a máme vertikální výstup CCD pod hliníkové stínítko.

kde to není moc dobré, je to, co jsme udělali, že jsme vytvořili oblast samotného senzoru, která je citlivá na světlo, které je jen asi 25% povrchu čipu., Popisovali bychom to jako faktor výplně kolem 25%, což je docela špatné, pokud se díváme na nízký světelný zdroj, protože 75% fotonů dopadajících na tento senzor nebude přeměněno na elektrony.

přidání Microlenses

zde je místo, kde se věci znovu chytí. Výrobci čipů zavádějí tuto technologii microlens, takže na každou fotodiodu umístíme tento objektiv, nebo položí objektiv na vrchol, což znamená, že všechny fotony, které nyní padají na horní část objektivu, se koncentrují na samotnou fotodiodu, a to pak zlepší faktor naplnění nad 80%.,

technologie, kterou používají k výrobě těchto velmi, velmi malých čoček, prošla velkým vývojem a je sama o sobě relativně zajímavá. Je to obvykle proces inkoustového typu, kde jsou tyto malé čočky spatřeny jeden po druhém na povrchu senzoru., Ale pak zabírají více kulatého kulového tvaru, když to uděláte, takže pak je skutečně dostanete zpět do tvaru čočky, čip je řízen některými velmi pečlivými teplotními gradienty, aby se tyto koule dostaly do tvaru čočky. Jakmile to udělají, pak faktory výplně účinně stoupají kvůli mikročipu.

dobře, myslím, že je to dáno tolik, o čem bych pravděpodobně chtěl mluvit v této malé sekci O CCDs., Doufám, že to bylo zajímavé, a možná až příště budete mimo zobrazování oblohy, stejně jako přemýšlet o složitosti galaxií a mlhovin, můžeme také začít přemýšlet o tom, co se děje ve skutečnosti na povrchu senzoru.

Děkuji.