Avkjølt CCD kameraer har lenge vært i forkant av astrofotografering. Men hva som egentlig er CCD-sensor teknologi, og hvordan kan vi bruke det til å lage flotte bilder av nattehimmelen?
Vi trodde det kunne være nyttig å ta en titt på noen av de ulike aspekter av CCD-sensorer for å bidra til å gi en bedre forståelse av hva som skjer på overflaten av kameraet mens du er opptatt med bildebehandling universet.,
Vi har satt sammen et par videoer i denne serien at vi skal slippe i løpet av de kommende uker, inkludert en titt på de forskjellige typer av støy forbundet med CCD-sensorer og hvordan vi går om å minimere det. Men la oss starte på begynnelsen og ta en titt på hva en CCD – eller charge coupled device – faktisk er.
Hva er en CCD? – Avskrift
Hei.
Hva jeg ønsker å gjøre i dag er å snakke litt om CCDs seg selv., CCDs åpenbart har vært veldig viktig for astrofotografering i løpet av de siste ti eller tjue år – de fleste av de virkelig flotte bilder av nattehimmelen har blitt tatt med CCD-sensor teknologi. Så hva vi skal gjøre her er å benytte anledningen til å snakke litt om sensorer seg selv. Forhåpentligvis vil dette være informative, det kan være underholdende. Det er sannsynligvis ikke kommer til å være spesielt nyttig i forhold til å hjelpe deg å ta et bilde av nattehimmelen, men når du ønsker å ha en idé om hva som faktisk skjer på selve kameraet, kan det være nyttig.,
Ok, så dette er en sensor. Det er faktisk en av de Kodak elleve megapiksler sensorer, og det ligner på noen av Sony sensorer, i så mye som at vi har en tydelig del av glasset som dekker et stykke silisium chip i seg selv, og vi har en rekke pinner langs siden eller det kan være en pin-grid array – å faktisk kommunisere med elektronikk utenfor.
Kodak 11MP sensor 
Pin-Grid Array Den første til å faktisk oppmerksom på er at det er et stykke silisium., Så hvorfor i all verden har vi fikk et stykke silisium chip under det? Hvorfor har vi valgt å bruke det, hvorfor har vi ikke valgt å bruke en del av stål, eller et stykke kull, eller plast – hvorfor silisium? Og svaret virkelig kommer ned til et svært interessant egenskap av silisium og å på en måte å snakke deg gjennom det, det er nyttig å snakke om en rekke ulike typer sammensatte og deres elektroniske egenskaper.,
Typer Sammensatte og Deres Elektroniske Egenskaper
En isolator er et materiale hvor alle elektronene er i valence band, så de er bundet tett til den overordnede atomer, og de kan ikke bevege seg rundt i materialet i det hele tatt. Elektroner som er delocalised som kan flytte er det som er kalt i konduktans band. Isolatorer har en konduktans band, men deres energi er så mye høyere enn valence band som det er veldig, veldig sjelden at et elektron vil bli fremmet i konduktans band, og så vil det en tendens til å falle rett tilbake til sin forelder atom og bli bundet., Så isolatorer – veldig dårlig på å gjennomføre elektrisitet.
I metaller har vi snakke situasjon der valence band og konduktans band energier faktisk overlapper hverandre. Så har vi dette havet av delocalised elektronene i metallet og som hjelper den til å lede strøm, og som kan gjøre det uten å faktisk legge all energi i metall selv.,
Vår tredje type materiale, halvledere, har dette interessant eiendom der konduktans bandet er bare litt over valence band, så har vi for å legge til en relativt liten mengde energi for å fremme elektroner i konduktans band. For silisium, som energi er 1.14 elektron volt og interessant eiendom det er som tilsvarer den mengden energi som et foton har mellom 300-1000 nanometres., At energi kan brukes hvis et foton faller ned på silisium, så den kan brukes til å faktisk fremme et elektron i konduktans band og der, når det er i konduktans bandet, så kan vi flytte det rundt på silisium og måle den.
Opprette en Silisium-Sensor
Okay, så nå ønsker jeg å se på hvordan vi faktisk designe en bildesensor rundt et stykke silisium chip. Så her har jeg bare fikk denne på skjermen som representerer en firkantet stykke silisium. Jeg kommer til å hogge opp dette inn i ni områder som blir ni punkter., Den første tingen å gjøre er å skille kolonnene, så setter vi disse stopper i mellom kolonnene og disse er i utgangspunktet små elektroder som kjører over overflaten av chip og de bærer en negativ ladning, eller vi gir dem et negativt potensial og det stopper noen elektroner som har falt innenfor disse tre ulike områder nå migrere til venstre og til høyre over sensoren.
Brikke av Silisium 
Legg til punkter 
Legg til elektroder Så det er begrenset dem venstre og høyre., Vi trenger også å begrense dem opp og ned, og vi bruker disse vertikale klokker for å gjøre dette. Så her kjører i grupper på tre, så tre klokker per piksel, og i øyeblikket har jeg fått den midterste med et positivt potensial, og to utenfor de med en negativ potensial.
Så hva skjer nå er at hvis et foton var å falle ned på en av disse punkter, det kommer til å produsere og frigjøre et elektron, og at elektronet kommer til å ønske å flytte slik at det er under det positive potensialet i positiv klokke., Dette er måten det akkumuleres et bilde, så i løpet av eksponeringstiden vi har fotoner som faller på bildesensoren, og de er begrenset i pixel ved den vertikale elektroder og disse horisontal-kjører vertikal klokker.
Vertikal Klokker Lese Ut et Bilde
Da vil vi lese ut som bilde. Måten vi gjør det på er ved å faktisk klokkes de vertikale klokker.,
Hvis vi flytter potensialet av klokker og nedover, slik at den positive potensiale har flyttet ned en klokke, hva det har en tendens til å gjøre da er å flytte, eller for å be, elektron til å overføre ett trinn av gangen. Og igjen, vi gjør det ved å flytte den positive fasen ned en og elektroner sakte overføre ned CCD seg selv.
Vi bærer på å gjøre dette til elektroner, eller pixel, vil overføre til den nederste trinn som er dette horisontale avlesing registrere deg., Dette er nøyaktig det samme, men denne gangen klokker selv kjører vertikalt og så kan de brukes til å flytte elektroner fra venstre til høyre. Så i dette tilfellet er vi flytter dem over mot venstre og inn i den siste fasen. Og når de er i det stadiet, vi bruker en forsterker og forsterker i utgangspunktet måler antall fotoner som var løs i pixel, og konverterer den til en spenning, og at spenningen vises deretter på en av pinnene på denne brikken selv. På dette tror jeg det er en fra slutten – slik at den ene siden er vertikal klokker og en side som er horisontal klokker.,
Så når vi er ferdig med å måle det, eller digitising som bestemt spenning fra at pixel, vi bruker bryteren i utgangstrinn for å fjerne alle kostnader bort fra at pixel og klokke en mer horisontal registrerer inn i utgang gate.
å Lese ut en CCD Så en veldig typisk system for avlesing en CCD er først av alt, en linje om gangen i den horisontale avlesing registrere, deretter går det med én piksel om gangen i den utgangstrinn. Og dette beskriver egentlig det er en veldig klassisk området sensor for CCDs., Det er ganske en gammel teknologi, ganske en gammel metode for håndtering, eller ved hjelp av silisium, til å bli en imager. Det trenger en mekanisk lukker, så under avlesing scenen, det hele er fortsatt følsom for lys, så for at når du begynner å flytte et bilde ned den sensoren du ikke får etterfølgende, du trenger å bruke en mekanisk lukker.
Alle av sensorer på denne spesielle skuffen er ikke området sensorer, de er faktisk alle interline-sensorer. Mange av våre produkter innen Atik utvalg bruke interline sensorer som ikke trenger mekanisk skodder., Så det er nok verdt å bare berøre på hvordan vi går om å bruke dem.
Interline CCD-Sensorer
Så, hvis vi starter med nøyaktig samme stykke silisium igjen, og denne gang vil vi gjøre det til en interline-sensor, den første tingen å gjøre er egentlig å starte ved å gjøre de samme område-type sensor. Så jeg har ikke vist dem her, men vi vil introdusere disse vertikale kolonnen slutter å stoppe elektroner migrere venstre og høyre, og vi vil ha den vertikale klokker, så vel som tillater oss å flytte lade opp og ned pixel selv.,
Hvor ting blir forskjellige er vi sette disse band av aluminium på toppen av sensoren selv. Disse i utgangspunktet gjøre området under aluminium lys skjold ufølsom for lys, så under avlesing fase, hvis det er noen elektroner i at en del av den viste registrere, så som de blir flyttet ned kolonnen, vi trenger ikke å bekymre deg for at en del av sensoren plukker opp ytterligere fotoner og konvertere dem til elektroner – det er dette lys skjold på toppen av dem.,
Sensor med Aluminium Lys Skjold Vi også nå trenger noe å faktisk være følsom for lys. I dette tilfellet er det som kalles en fotodiode, akkurat den samme ideen, det er et stykke silisium, bortsett fra at vi har fått et par andre klokker, kan vi nå bruke til å kontrollere dette fotodiode. En av dem vi kan bruke for å fjerne ansvaret fra alle fotodioder på en gang, og det er vanligvis brukt på starten av en eksponering, og den andre er en klokke som vil flytte ansvaret fra alle fotodioder over mot venstre her., Det vil da i utgangspunktet flytte dem under aluminium lys skjold og vil effektivt deretter avslutte eksponeringen.
Så dette er i utgangspunktet et diagram av hva en interline-sensor ser ut som, fordi vi har fått en fotodiode og vi har fått den vertikale avlesing CCD under en aluminium lys skjold.
Der dette er ikke veldig bra er nå det vi har gjort er at vi har gjort det området av sensor seg selv som er sensitive for lys som er bare ca 25% av overflaten av chip., Vi vil beskrive det som å ha en fylle faktor på rundt 25%, noe som er ganske dårlig hvis vi ser på et lite lys kilde fordi 75% av fotoner som faller på at sensoren ikke kommer til å bli omgjort til elektroner.
Legge til Microlenses
Her er der ting blir flink igjen. Chip-produsenter introdusere denne microlens teknologi, så på toppen av hver fotodiode vi sette dette objektivet, eller de setter objektivet på toppen som betyr at alle fotoner nå å falle på toppen av linsen få konsentrert på at fotodiode seg selv, og som vil forbedre fylle faktor opp utover 80%.,
Interline-Sensor med Microlenses Den teknologien de bruker til å faktisk produsere disse veldig, veldig små objektiver har vært gjennom mye av utviklingen, og er relativt interessant i seg selv. Det er vanligvis en inkjet type prosess, hvor disse små linser er oppdaget en av gangen på sensoren overflaten., Men da de tar opp mer av en rund rund slags form når du gjør det, så da å faktisk få dem tilbake i en objektiv form, chip er kontrollert med noen veldig forsiktig temperaturgradienter å få disse ballene til å synke, i form av et objektiv. Når de har gjort det, så fyll faktorer som effektivt kan gå opp på grunn av microlensing.
Okay, jeg tror det er gitt så mye som jeg sannsynligvis vil snakke om i denne lille delen på CCDs., Jeg håper det har vært interessant, og kanskje når du neste gang du er ute imaging himmelen, så vel som grunner over vanskelighetene med galakser og stjernetåker, kan vi også begynne å tenke på hva er det som skjer egentlig på sensor overflate.
Takk skal du ha.