afkølede CCD-kameraer har længe været i spidsen for astrofotografi. Men hvad er virkelig CCD-sensorteknologi, og hvordan bruger vi den til at skabe fantastiske billeder af nattehimlen?
Vi tænkte det kunne være nyttigt at tage et kig på nogle af de forskellige aspekter af CCD-sensorer til at hjælpe med at give en bedre forståelse af, hvad der sker på overfladen af dit kamera, mens du har travlt imaging universet.,
Vi har sammensat et par videoer i denne serie, som vi frigiver i de kommende uger, herunder et kig på de forskellige typer støj, der er forbundet med CCD-sensorer, og hvordan vi går i gang med at minimere det. Men lad os starte i begyndelsen og se på, hvad en CCD – eller opladningskoblet enhed – faktisk er.
Hvad er en CCD? – Udskrift
Hej.
hvad jeg gerne vil gøre i dag er at tale lidt om CCD ‘ er selv., CCD ‘ er har naturligvis været virkelig vigtige for astrofotografi i de sidste ti eller tyve år – de fleste af de virkelig gode billeder af nattehimlen er taget med CCD-sensorteknologi. Så hvad vi skal gøre her er at benytte lejligheden til at tale lidt om sensorerne selv. Forhåbentlig vil dette være informativt, det kan være underholdende. Det vil sandsynligvis ikke være særlig nyttigt med hensyn til at hjælpe dig med at tage et billede af nattehimlen, men når du vil have en ID.om, hvad der faktisk sker på selve kameraet, kan det være nyttigt.,
Okay, så dette er en sensor. Det er faktisk en af de Kodak elleve megapixel sensorer, og det ligner nogle af Sony sensorer, i så meget som, at vi har en klar stykke dække glas, der dækker et stykke silicium chip i sig selv, og vi har en række pins langs side – eller det kan være en pin grid array – til rent faktisk at kommunikere med elektronik udenfor.
Kodak 11MP sensor 
Pin Grid Array Den første ting til rent faktisk at bemærke, er, at det er et stykke silicium., Så hvorfor i alverden har vi et stykke silicium chip under der? Hvorfor har vi valgt at bruge det, hvorfor har vi ikke valgt at bruge et stykke stål eller et stykke kul eller plast-hvorfor silicium? Og svaret kommer virkelig ned på en meget interessant egenskab af silicium og til at tale dig igennem det, det er nyttigt at tale om en række forskellige typer forbindelser og deres elektroniske egenskaber.,
Typer af Sammensatte og Deres Elektroniske Egenskaber
En isolator er et materiale, hvor alle elektroner er i valence band, så de er bundet tæt til den forælder, atomer og de kan ikke bevæge sig rundt i materialet til alle. Elektroner, der er delokaliseret, der kan bevæge sig, er det, der kaldes i konduktansbåndet. Isolatorer har et konduktansbånd, men deres energi er så meget højere end valensbåndet, at det er meget, meget sjældent, at en elektron bliver forfremmet til konduktansbåndet, og så vil det have tendens til at falde lige tilbage til dets moderatom og være bundet., Så isolatorer – meget dårlig til at lede elektricitet.
i metaller har vi den omvendte situation, hvor valensbåndet og konduktansbåndets energier faktisk overlapper hinanden. Så vi har dette hav af delokaliserede elektroner i metallet, og det hjælper det med at lede elektricitet, og det kan gøre det uden faktisk at tilføje nogen energi i selve metallet.,
Vores tredje type af materiale, halvleder -, har denne interessante ejendom, hvor konduktans band er kun lidt over valence band, så vi er nødt til at tilføje en relativt lille mængde energi for at fremme elektroner i konduktans band. For silicium er denne energi 1,14 elektronvolt, og den interessante egenskab der er, der svarer til den mængde energi, som en foton har mellem 300-1000 nanometer., Denne energi kan bruges, hvis en foton falder ned på silicium, så kan den bruges til faktisk at fremme en elektron i konduktansbåndet, og der, når den først er i konduktansbåndet, kan vi derefter flytte den rundt om silicium og måle den.
Oprettelse af en Silicium-Sensor
Okay, så nu vil jeg gerne overveje, hvordan vi rent faktisk at designe et billede sensor rundt et stykke silicium chip. Så her har jeg lige fået dette på skærmen, der repræsenterer et firkantet stykke silicium. Jeg har tænkt mig at hugge dette op i ni områder, der bliver ni pi .els., Den første ting at gøre, er at adskille kolonner, så kan vi sætte disse stopper i mellem søjler og disse er dybest set små elektroder, der kører på tværs af overfladen af den chip, og de bærer en negativ ladning, eller vi giver dem et negativt potentiale, og det stopper enhver elektroner, der er faldet inden for disse tre forskellige områder, der nu flytter til venstre og højre på tværs af sensoren.
Stykke Silicium 
Tilføj pixels 
Tilføj elektroder Så det er begrænset dem til venstre og højre., Vi er også nødt til at begrænse dem op og ned, og vi bruger disse lodrette ure for at gøre dette. Pi piel, og i øjeblikket har jeg den midterste med et positivt potentiale og de to udvendige med et negativt potentiale.
Så hvad der sker nu er, hvis en foton skulle falde på en af disse pi .els, vil den generere og befri en elektron, og at elektronen vil flytte, så det er under det positive potentiale i det positive ur., Det er sådan, det akkumulerer et billede, så i løbet af eksponeringstiden har vi fotoner, der falder på billedsensoren, og de er begrænset inden for PI .el af de lodrette elektroder og disse horisontale løbende lodrette ure.
lodrette ure læsning af et billede
så vil vi læse det billede. Den måde, vi gør det på, er ved faktisk at slå de lodrette ure.,
Hvis vi flytter klokkernes potentiale ned, så er det positive potentiale flyttet ned et ur, hvad det har tendens til at gøre, er at flytte eller spørge elektronen til at migrere et trin ad gangen. Og igen gør vi det ved at flytte den positive fase ned ad en, og elektronerne migrerer langsomt ned ad CCD ‘ en selv.
Vi fortsætter med at gøre dette, indtil elektronerne eller PI .elen overføres til det nederste trin, som er dette vandrette udlæsningsregister., Dette er nøjagtigt den samme slags ting, men denne gang kører urene selv lodret, og så tillader de at flytte elektronerne fra venstre mod højre. Så i dette tilfælde flytter vi dem over mod venstre og ind i sidste etape. Og når de først er i det stadium, bruger vi en forstærker, og forstærkeren måler dybest set antallet af fotoner, der var løse i Pi .elen og konverterer det til en spænding, og den spænding vises derefter på en af stifterne på denne chip selv. På denne ene tror jeg, det er en fra slutningen – så den ene sides lodrette Ure og den ene sides vandrette ure.,
Så når vi er færdige med at måle det, eller digitalisere det bestemt spænding fra, at pixel, vi bruger kontakten i output fase til at klare alle de ansvaret væk fra den pågældende pixel, og uret én mere af den horisontale registre i output-porten.
Læsning ud af en CCD Så en meget typisk systemet til udlæsning af en CCD er først og fremmest, en linje ad gangen i den horisontale udlæsning register, så bevægende, at én pixel ad gangen til udgang. Og dette beskriver virkelig, hvad der er en meget klassisk områdesensor til CCD ‘ er., Det er en ganske gammel teknologi, en ganske gammel måde at håndtere eller bruge silicium til at blive et billede. Det har brug for en mekanisk lukker, så i aflæsningsfasen er det hele stadig følsomt for lys, så for at når du begynder at flytte et billede ned i sensoren, får du ikke efterfølgende, skal du bruge en mekanisk lukker.
alle sensorer på denne bakke er ikke områdesensorer, de er faktisk alle interlinesensorer. Mange af vores produkter inden for Atik-serien bruger interlinesensorer, der ikke har brug for mekaniske skodder., Så det er nok værd at bare røre ved, hvordan vi går om at bruge dem.
Interline CCD-Sensorer
Så, hvis vi starter med nøjagtig det samme stykke silicium igen, og denne gang vil vi gøre det til en interline-sensor, den første ting at gøre, er virkelig at starte med at gøre det samme område-type sensor. Så jeg har ikke vist dem her, men vi introducerer disse lodrette kolonnestop for at stoppe elektronerne, der migrerer til venstre og højre, og vi har også de lodrette ure, der giver os mulighed for at flytte ladning op og ned pi .el selv.,
hvor tingene bliver anderledes, lægger vi disse bånd af aluminium oven på selve sensoren. Disse dybest set gør området under aluminium lys skjold ufølsomme over for lys, så i løbet af udlæsning fase, hvis der er nogen elektroner inden for den del af udlæsning register, så som de bliver flyttet ned i kolonnen, vi behøver ikke at bekymre dig om, at en del af sensor picking up yderligere fotoner og konvertere dem til elektroner – der er i dette lys skjold på toppen af dem.,
Sensor med Aluminiumslysskærme Vi har nu også brug for noget, der faktisk er følsomt over for lys. I dette tilfælde kaldes det en fotodiode, nøjagtigt den samme ID., det er et stykke silicium, bortset fra at vi har et par andre ure, vi nu kan bruge til at kontrollere denne fotodiode. En af dem kan vi bruge til at rydde opladningen fra alle fotodioder på onen gang, og det bruges typisk i starten af en eksponering, og det andet er et ur, der flytter ladningen fra alle fotodioder over mod venstre her., Det vil så dybest set flytte dem under aluminiumslysskærme og effektivt derefter afslutte eksponeringen.
så dette er dybest set et diagram over, hvordan en interlinesensor ser ud, fordi vi har en fotodiode, og vi har den lodrette udlæsning CCD under et aluminiumslysskærm.
hvor dette ikke er meget godt, er det nu, hvad vi har gjort, at vi har lavet det område af sensoren selv, der er følsomt over for lys, der kun er omkring 25% af overfladen af chippen., Vi vil beskrive det som at have en fyldningsfaktor på omkring 25%, hvilket er ret dårligt, hvis vi ser på en lav lyskilde, fordi 75% af fotonerne, der falder på den sensor, ikke vil blive omdannet til elektroner.
tilføjelse af mikrolinser
Her bliver tingene kloge igen. Chipproducenterne introducerer denne microlens-teknologi, så oven på hver fotodiode sætter vi denne linse, eller de sætter linsen på toppen, hvilket betyder, at eventuelle fotoner, der nu falder oven på linsen, bliver koncentreret på selve fotodioden, og det vil derefter forbedre fyldfaktoren op over 80%.,
Interline-Sensor med Microlenses Den teknologi, de bruger til rent faktisk at producere disse meget, meget små linser har været igennem en masse udvikling og er relativt interessant i sig selv. Det er normalt en inkjet type proces, hvor disse små linser er spottet en ad gangen på sensoren overflade., Men så tager de mere af en rund sfærisk form, når du gør det, så for faktisk at få dem tilbage i en linseform, styres chippen med nogle meget omhyggelige temperaturgradienter for at få disse bolde til at falde i form af en linse. Når de har gjort det, går fyldfaktorerne effektivt op på grund af mikrolinsen.
Okay, jeg tror, det er givet så meget som jeg sandsynligvis vil tale om i dette lille afsnit om CCD ‘ er., Jeg håber det har været interessant, og måske når næste gang du er ude imaging himlen, såvel som grundede de snørklede af galakser og tåger, kan vi også begynde at tænke over, hvad der foregår faktisk på sensoren overflade.
Tak.