las cámaras CCD refrigeradas han estado durante mucho tiempo a la vanguardia de la astrofotografía. Pero, ¿qué es realmente la tecnología de sensores CCD y cómo la usamos para crear imágenes impresionantes del cielo nocturno?
pensamos que podría ser útil echar un vistazo a algunos de los diferentes aspectos de los sensores CCD para ayudar a proporcionar una mejor comprensión de lo que está sucediendo en la superficie de su cámara mientras está ocupado imaginando el universo.,
hemos reunido algunos videos de esta serie que publicaremos en las próximas semanas, incluyendo un vistazo a los diferentes tipos de ruido asociados con los sensores CCD y cómo lo minimizamos. Pero comencemos por el principio y echemos un vistazo a lo que es en realidad un CCD, o dispositivo de carga acoplada.
¿qué es un CCD? – Transcripción
Hola.
lo que me gustaría hacer hoy es hablar un poco sobre los CCDs mismos., Los CCD obviamente han sido muy importantes para la astrofotografía en los últimos diez o veinte años-la mayoría de las imágenes realmente geniales del cielo nocturno se han tomado con tecnología de sensores CCD. Así que lo que vamos a hacer aquí es aprovechar la oportunidad para hablar un poco sobre los sensores mismos. Esperemos que esto sea informativo, puede ser entretenido. Probablemente no va a ser particularmente útil en términos de ayudarte a tomar una foto del cielo nocturno, pero cuando quieres tener una idea de lo que realmente está sucediendo en la cámara, puede ser útil.,
bien, así que esto es un sensor. En realidad es uno de los sensores de megapíxeles Kodak eleven, y se parece a algunos de los sensores Sony, en la medida en que tenemos una pieza transparente de vidrio de cubierta que cubre una pieza de chip de silicio en sí y tenemos una serie de pines a lo largo del lado, o puede ser una matriz de cuadrícula de pines, para comunicarse realmente con la electrónica exterior.
Kodak 11MP sensor 
Pin Grid Array La primera cosa de la que realmente se nota es que es una pieza de silicio., Entonces, ¿por qué tenemos un pedazo de chip de silicio ahí abajo? ¿Por qué hemos elegido usar eso, por qué no hemos elegido usar un pedazo de acero, o un pedazo de carbón, o plástico – por qué silicio? Y la respuesta realmente se reduce a una propiedad muy interesante de silicio y tipo de hablar a través de eso, es útil hablar de un número de diferentes tipos de compuestos y sus propiedades electrónicas.,
tipos de compuestos y sus propiedades electrónicas
un aislante es un material donde todos los electrones están en la banda de Valencia, por lo que están estrechamente vinculados a los átomos padres y no pueden moverse alrededor del material en absoluto. Los electrones deslocalizados que pueden moverse son lo que se llama en la banda de conductancia. Los aisladores tienen una banda de conductancia, pero su energía es mucho más alta que la banda de Valencia que es muy, muy rara vez que un electrón será promovido a la banda de conductancia, y luego tenderá a caer directamente a su átomo padre y ser atado., Así que los aisladores – muy pobres en la conducción de la electricidad.
en metales Tenemos la situación inversa donde la banda de Valencia y las energías de la banda de conductancia realmente se superponen. Así que tenemos este mar de electrones deslocalizados dentro del metal y eso lo ayuda a conducir electricidad, y eso puede hacer eso sin realmente agregar ninguna energía al metal mismo.,
nuestro tercer tipo de material, el semiconductor, tiene esta interesante propiedad donde la banda de conductancia está solo ligeramente por encima de la banda de Valencia, por lo que tenemos que agregar una cantidad relativamente pequeña de energía para promover electrones en la banda de conductancia. Para el silicio, esa energía es de 1,14 electrón voltios y la propiedad interesante es que corresponde a la cantidad de energía que un fotón tiene entre 300-1000 nanómetros., Esa energía se puede usar si un fotón cae sobre el silicio, entonces se puede usar para promover un electrón en la banda de conductancia y allí, una vez que está en la banda de conductancia, podemos moverlo alrededor del silicio y medirlo.
crear un Sensor de silicio
bien, así que ahora me gustaría considerar cómo diseñamos realmente un sensor de imagen alrededor de una pieza de chip de silicio. Así que aquí tengo esto en la pantalla que representa una pieza cuadrada de silicio. Voy a cortar esto en nueve áreas que se convierten en nueve píxeles., Lo primero que hay que hacer es separar las columnas, así que ponemos estas paradas entre las columnas y estos son básicamente pequeños electrodos que corren a través de la superficie del chip y llevan una carga negativa, o les damos un potencial negativo y se detiene cualquier electrones que han caído dentro de estas tres áreas diferentes que ahora migran a la izquierda y a la derecha a través del sensor.
Pieza de Silicio 
Añadir píxeles 
Agregar electrodos de Modo que, con limitaciones a la izquierda y a la derecha., También necesitamos restringirlos hacia arriba y hacia abajo y usamos estos relojes verticales para hacer esto. Así que aquí están funcionando en grupos de tres, así que tres relojes por píxel, y en este momento tengo el medio con un potencial positivo, y los dos fuera con un potencial negativo.
así que lo que pasa ahora es que si un fotón fuera a caer sobre uno de estos píxeles, va a generar y liberar un electrón y ese electrón va a querer moverse por lo que está por debajo del potencial positivo del reloj positivo., Esta es la forma en que acumula una imagen, por lo que durante el tiempo de exposición tenemos fotones cayendo en el sensor de imagen y están limitados dentro del píxel por los electrodos verticales y estos relojes verticales de funcionamiento horizontal.
Vertical Relojes la Lectura de una Imagen
a Continuación, queremos hacer una lectura de la imagen. La forma en que lo hacemos es cronometrando esos relojes verticales.,
si movemos el potencial de los relojes hacia abajo uno, por lo que el potencial positivo se ha movido hacia abajo un reloj, lo que tiende a hacer entonces es mover, o pedir, el electrón para migrar una etapa a la vez. Y otra vez, lo hacemos moviendo la fase positiva hacia abajo uno y los electrones migran lentamente hacia abajo el CCD sí mismo.
seguimos haciendo esto hasta que los electrones, o el píxel, se transfieren a la etapa inferior que es este registro de lectura horizontal., Esto es exactamente el mismo tipo de cosas, pero esta vez los relojes se ejecutan verticalmente y permiten mover los electrones de izquierda a derecha. Así que en este caso los estamos moviendo hacia la izquierda y en la etapa final. Y una vez que están en esa etapa, estamos usando un amplificador y el amplificador básicamente mide el número de fotones que estaban sueltos en el píxel y lo convierte en un voltaje, y ese voltaje aparece en uno de los pines de este chip. En este Creo que es uno desde el extremo, así que los relojes verticales de un lado y los relojes horizontales de un lado.,
luego, cuando hayamos terminado de medir eso, o digitalizar ese voltaje particular de ese píxel, usamos el interruptor en la etapa de salida para borrar toda la carga de ese píxel y clock uno más de los registros horizontales en la puerta de salida.
leyendo un CCD así que un sistema muy típico para leer un CCD es, en primer lugar, una línea a la vez en el registro de lectura horizontal, y luego mover ese píxel a la vez en la etapa de salida. Y esto describe realmente lo que es un sensor de área muy clásico para CCDs., Es una tecnología bastante antigua, una forma bastante antigua de manejar, o usar silicio, para convertirse en un generador de imágenes. Necesita un obturador mecánico, por lo que durante la etapa de lectura, todo sigue siendo sensible a la luz, por lo que para que cuando comience a mover una imagen por el sensor no se quede atrás, necesita usar un obturador mecánico.
Todos los sensores de esta bandeja en particular no son sensores de área, en realidad son todos sensores interlínea. Muchos de nuestros productos dentro de la gama Atik utilizan sensores interlínea que no necesitan persianas mecánicas., Así que probablemente vale la pena simplemente tocar en cómo vamos sobre el uso de los.
sensores CCD interlínea
así que, si empezamos con exactamente la misma pieza de silicio de nuevo y esta vez lo convertiremos en un sensor interlínea, lo primero que debemos hacer realmente es comenzar haciendo el mismo sensor de tipo de área. Así que no los he mostrado aquí, pero introduciremos estas paradas de columna vertical para detener la migración de electrones a izquierda y derecha y tendremos los relojes verticales también que nos permiten mover la carga hacia arriba y hacia abajo del píxel en sí.,
donde las cosas se ponen diferentes es que ponemos estas bandas de aluminio en la parte superior del propio sensor. Estos básicamente hacen que el área debajo del Escudo de luz de aluminio sea insensible a la luz, por lo que durante la fase de lectura, si hay electrones dentro de esa parte del registro de lectura, a medida que se mueven hacia abajo en la columna, no tenemos que preocuparnos de que esa parte del sensor capte más fotones y los convierta en electrones, hay este escudo de luz encima de ellos.,
Sensor con escudos de luz de aluminio ahora también necesitamos algo para ser realmente sensibles a la luz. En este caso se llama fotodiodo, exactamente la misma idea, es una pieza de silicio, excepto que tenemos un par de Otros relojes que ahora podemos usar para controlar este fotodiodo. Uno de ellos podemos usar para borrar la carga de todos los fotodiodos de una sola vez, y eso se usa típicamente al comienzo de una exposición, y el segundo es un reloj que moverá la carga de todos los fotodiodos hacia la izquierda aquí., Eso entonces básicamente los moverá debajo de los escudos de luz de aluminio y efectivamente terminará la exposición.
esto es básicamente un diagrama de cómo se ve un sensor interlínea, porque tenemos un fotodiodo y tenemos el CCD de lectura vertical debajo de un escudo de luz de aluminio.
donde esto no es muy bueno es ahora lo que hemos hecho es que hemos hecho el área del sensor en sí que es sensible a la luz que es solo alrededor del 25% de la superficie del chip., Describiríamos eso como tener un factor de relleno de alrededor del 25%, lo cual es bastante malo si estamos viendo una fuente de luz baja porque el 75% de los fotones que caen en ese sensor no se convertirán en electrones.
agregar microlentes
Aquí es donde las cosas se vuelven inteligentes de nuevo. Los fabricantes de chips introducen esta tecnología de microlentes, por lo que en la parte superior de cada fotodiodo ponemos esta lente, o ponen la lente en la parte superior, lo que significa que cualquier fotón que caiga ahora en la parte superior de la lente se concentra en ese fotodiodo en sí, y eso mejorará el factor de relleno más allá del 80%.,
Sensor interlínea con microlentes la tecnología que utilizan para producir realmente estas lentes muy, muy pequeñas ha pasado por mucho desarrollo y es relativamente interesante en sí misma. Por lo general, es un proceso de inyección de tinta, donde estas pequeñas lentes se ven una a la vez en la superficie del sensor., Pero luego toman más de una forma esférica redonda cuando lo haces, así que para volver a ponerlos en forma de lente, el chip se controla con algunos gradientes de temperatura muy cuidadosos para que estas bolas se hundan en la forma de una lente. Una vez que han hecho eso, entonces los factores de relleno efectivamente suben debido a la microlente.
bien, creo que eso se da tanto como probablemente quiero hablar en esta pequeña sección Sobre CCDs., Espero que haya sido interesante, y tal vez la próxima vez que estén imaginando los cielos, así como reflexionando sobre las complejidades de las galaxias y nebulosas, también podamos empezar a pensar en lo que está pasando realmente en la superficie del sensor.
Gracias.