Le telecamere CCD raffreddate sono state a lungo all’avanguardia nell’astrofotografia. Ma che cosa è veramente la tecnologia dei sensori CCD, e come lo usiamo per creare immagini mozzafiato del cielo notturno?
Abbiamo pensato che potrebbe essere utile dare un’occhiata ad alcuni dei diversi aspetti dei sensori CCD per aiutare a fornire una migliore comprensione di ciò che sta accadendo sulla superficie della tua fotocamera mentre sei impegnato a immaginare l’universo.,
Abbiamo messo insieme alcuni video di questa serie che pubblicheremo nelle prossime settimane, tra cui uno sguardo ai diversi tipi di rumore associati ai sensori CCD e come facciamo a ridurlo al minimo. Ma cominciamo dall’inizio e dare un’occhiata a ciò che un CCD – o carica accoppiato dispositivo – è in realtà.
Che cos’è un CCD? – Trascrizione
Ciao.
Quello che mi piacerebbe fare oggi è parlare un po ‘ dei CCD stessi., CCDs ovviamente sono stati molto importanti per l’astrofotografia nel corso degli ultimi dieci o venti anni – la maggior parte delle veramente grandi immagini del cielo notturno sono state scattate con la tecnologia dei sensori CCD. Quindi quello che faremo qui è cogliere l’occasione per parlare un po ‘ dei sensori stessi. Speriamo che questo sarà informativo, può essere divertente. Probabilmente non sarà particolarmente utile in termini di aiuto per scattare una foto del cielo notturno, ma quando vuoi avere un’idea di cosa sta realmente accadendo sulla fotocamera stessa, potrebbe essere utile.,
Ok, quindi questo è un sensore. In realtà è uno dei sensori Kodak undici megapixel, e sembra simile ad alcuni dei sensori Sony, in quanto abbiamo un chiaro pezzo di vetro di copertura che copre un pezzo di chip di silicio stesso e abbiamo un numero di pin lungo il lato – o può essere un pin grid array – per comunicare effettivamente con l’elettronica esterna.
Sensore Kodak 11MP 
Pin Grid Array La prima cosa da notare è che si tratta di un pezzo di silicio., Allora perche ‘mai abbiamo un pezzo di chip di silicio li’ sotto? Perché abbiamo scelto di usarlo, perché non abbiamo scelto di usare un pezzo di acciaio, o un pezzo di carbone, o di plastica – perché il silicio? E la risposta si riduce a una proprietà molto interessante del silicio e per parlarvi di questo, è utile parlare di diversi tipi di composti e delle loro proprietà elettroniche.,
Tipi di composti e loro proprietà elettroniche
Un isolante è un materiale in cui tutti gli elettroni sono nella banda di valenza, quindi sono legati strettamente agli atomi genitori e non possono muoversi intorno al materiale. Gli elettroni che sono delocalizzati che possono muoversi sono ciò che viene chiamato nella banda di conduttanza. Gli isolanti hanno una banda di conduttanza, ma la loro energia è molto più alta della banda di valenza che è molto, molto raramente che un elettrone venga promosso nella banda di conduttanza, e quindi tenderà a cadere direttamente al suo atomo genitore ed essere legato., Quindi isolanti – molto poveri nel condurre l’elettricità.
Nei metalli abbiamo la situazione inversa in cui le energie della banda di valenza e della banda di conduttanza si sovrappongono effettivamente. Quindi abbiamo questo mare di elettroni delocalizzati all’interno del metallo e questo lo aiuta a condurre elettricità, e questo può farlo senza aggiungere energia nel metallo stesso.,
Il nostro terzo tipo di materiale, il semiconduttore, ha questa interessante proprietà in cui la banda di conduttanza è solo leggermente al di sopra della banda di valenza, quindi dobbiamo aggiungere una quantità relativamente piccola di energia per promuovere gli elettroni nella banda di conduttanza. Per il silicio, quell’energia è di 1,14 elettronvolt e la proprietà interessante è che corrisponde alla quantità di energia che un fotone ha tra 300-1000 nanometri., Quell’energia può essere usata se un fotone cade sul silicio, quindi può essere usata per promuovere effettivamente un elettrone nella banda di conduttanza e lì, una volta che è nella banda di conduttanza, possiamo quindi spostarlo intorno al silicio e misurarlo.
Creazione di un sensore di silicio
Ok, quindi ora vorrei considerare come effettivamente progettiamo un sensore di immagine attorno a un pezzo di chip di silicio. Così qui ho appena ottenuto questo sullo schermo che rappresenta un pezzo quadrato di silicio. Ho intenzione di tagliare questo in nove aree che diventano nove pixel., La prima cosa da fare è separare le colonne, così abbiamo messo questi si ferma tra le colonne e questi sono fondamentalmente piccoli elettrodi che attraversano la superficie del chip e portano una carica negativa, o diamo loro un potenziale negativo e interrompe qualsiasi elettroni che sono caduti all’interno di queste tre aree diverse, ora la migrazione di destra e di sinistra in tutto il sensore.
Pezzo di Silicio 
Aggiungi pixel 
Aggiungi elettrodi in Modo che vincolata di loro, di destra e di sinistra., Abbiamo anche bisogno di vincolarli su e giù e usiamo questi orologi verticali per fare questo. Quindi qui stanno correndo in gruppi di tre, quindi tre orologi per pixel, e al momento ho quello centrale con un potenziale positivo, e i due esterni con un potenziale negativo.
Quindi quello che succede ora è che se un fotone dovesse cadere su uno di questi pixel, genererà e libererà un elettrone e quell’elettrone vorrà muoversi in modo che sia al di sotto del potenziale positivo dell’orologio positivo., Questo è il modo in cui accumula un’immagine, quindi durante il tempo di esposizione abbiamo fotoni che cadono sul sensore di immagine e sono vincolati all’interno del pixel dagli elettrodi verticali e da questi orologi verticali orizzontali.
Orologi verticali Leggendo un’immagine
Allora vogliamo leggere quell’immagine. Il modo in cui lo facciamo è in realtà cronometrando quegli orologi verticali.,
Se spostiamo il potenziale degli orologi verso il basso, quindi il potenziale positivo si è spostato verso il basso di un orologio, ciò che tende a fare è spostare o chiedere all’elettrone di migrare uno stadio alla volta. E ancora, lo facciamo spostando la fase positiva verso il basso e gli elettroni migrano lentamente verso il CCD stesso.
Continuiamo a farlo fino a quando gli elettroni, o il pixel, si trasferiranno nello stadio inferiore che è questo registro di lettura orizzontale., Questo è esattamente lo stesso tipo di cosa, ma questa volta gli orologi stessi funzionano verticalmente e quindi permettono di spostare gli elettroni da sinistra a destra. Quindi in questo caso li stiamo spostando verso sinistra e nella fase finale. E una volta che sono in quello stadio, stiamo usando un amplificatore e l’amplificatore misura fondamentalmente il numero di fotoni che erano sciolti nel pixel e lo converte in una tensione, e quella tensione appare su uno dei pin di questo chip stesso. Su questo penso che sia uno dalla fine – quindi gli orologi verticali di un lato e gli orologi orizzontali di un lato.,
Quindi quando abbiamo finito di misurarlo, o digitalizzando quella particolare tensione da quel pixel, usiamo l’interruttore nello stadio di uscita per cancellare tutta la carica da quel pixel e clock un altro dei registri orizzontali nel gate di uscita.
Lettura di un CCD Quindi un sistema molto tipico per la lettura di un CCD è prima di tutto, una riga alla volta nel registro di lettura orizzontale, quindi spostando quel pixel alla volta nello stadio di uscita. E questo descrive davvero quello che è un sensore di area molto classico per i CCD., È una tecnologia piuttosto vecchia, un modo piuttosto vecchio di maneggiare, o usare il silicio, per diventare un imager. Ha bisogno di un otturatore meccanico, quindi durante la fase di lettura, il tutto è ancora sensibile alla luce, quindi in modo che quando si inizia a spostare un’immagine verso il basso il sensore non si ottiene trailing, è necessario utilizzare un otturatore meccanico.
Tutti i sensori su questo particolare vassoio non sono sensori di area, sono in realtà tutti i sensori interline. Molti dei nostri prodotti della gamma Atik utilizzano sensori interline che non necessitano di tapparelle meccaniche., Quindi probabilmente vale la pena di toccare come usiamo quelli.
Sensori CCD interline
Quindi, se iniziamo con esattamente lo stesso pezzo di silicio e questa volta lo trasformeremo in un sensore interline, la prima cosa da fare è iniziare creando lo stesso sensore di tipo area. Quindi non li ho mostrati qui, ma introdurremo queste colonne verticali per fermare gli elettroni che migrano a sinistra ea destra e avremo anche gli orologi verticali che ci permettono di spostare la carica su e giù per il pixel stesso.,
Dove le cose si fanno diverse è che mettiamo queste bande di alluminio sopra il sensore stesso. Questi fondamentalmente rendono l’area sotto lo scudo luminoso in alluminio insensibile alla luce, quindi durante la fase di lettura, se ci sono degli elettroni all’interno di quella parte del registro di lettura, mentre vengono spostati lungo la colonna, non dobbiamo preoccuparci che quella parte del sensore raccolga altri fotoni e li trasformi in elettroni – c’è questo scudo luminoso sopra di loro.,
Sensore con schermi luminosi in alluminio Ora abbiamo anche bisogno di qualcosa per essere realmente sensibili alla luce. In questo caso si chiama fotodiodo, esattamente la stessa idea, è un pezzo di silicio, tranne che abbiamo un paio di altri orologi che possiamo ora usare per controllare questo fotodiodo. Uno di questi possiamo usare per cancellare la carica da tutti i fotodiodi in una volta sola, e questo è tipicamente usato all’inizio di un’esposizione, e il secondo è un orologio che sposterà la carica da tutti i fotodiodi verso sinistra qui., Ciò li sposterà fondamentalmente sotto gli schermi luminosi in alluminio e terminerà efficacemente l’esposizione.
Quindi questo è fondamentalmente un diagramma di come appare un sensore interlinea, perché abbiamo un fotodiodo e abbiamo il CCD di lettura verticale sotto uno scudo luminoso in alluminio.
Dove questo non è molto buono è ora quello che abbiamo fatto è che abbiamo fatto l’area del sensore stesso che è sensibile alla luce che è solo circa il 25% della superficie del chip., Lo descriveremmo come un fattore di riempimento di circa il 25% che è piuttosto negativo se stiamo guardando una sorgente di luce scarsa perché il 75% dei fotoni che cadono su quel sensore non verranno convertiti in elettroni.
Aggiunta di microlenti
Ecco dove le cose si fanno di nuovo intelligenti. I produttori di chip introducono questa tecnologia microlens, quindi sopra ogni fotodiodo mettiamo questa lente, o mettono la lente sopra il che significa che tutti i fotoni che ora cadono sopra la lente si concentrano su quel fotodiodo stesso, e questo migliorerà il fattore di riempimento oltre l ‘ 80%.,
Sensore interline con microlenti La tecnologia che usano per produrre effettivamente questi obiettivi molto, molto piccoli ha attraversato un sacco di sviluppo ed è relativamente interessante di per sé. Di solito è un processo di tipo a getto d’inchiostro, in cui questi piccoli obiettivi vengono individuati uno alla volta sulla superficie del sensore., Ma poi prendono più di una forma sferica rotonda quando lo fai, quindi per riportarli effettivamente in una forma di lente, il chip è controllato con alcuni gradienti di temperatura molto attenti per far sì che queste palle si abbassino nella forma di una lente. Una volta che lo hanno fatto, i fattori di riempimento aumentano efficacemente a causa del microlensing.
Ok, penso che sia dato tanto quanto probabilmente voglio parlare in questa piccola sezione sui CCD., Spero che sia stato interessante, e forse quando la prossima volta che sei fuori a fotografare i cieli, oltre a riflettere sulla complessità delle galassie e delle nebulose, possiamo anche iniziare a pensare a cosa sta succedendo effettivamente sulla superficie del sensore.
Grazie.