gekoelde CCD-camera ‘ s staan al lang voorop in de astrofotografie. Maar wat is echt CCD-sensortechnologie, en hoe gebruiken we die om verbluffende beelden van de nachtelijke hemel te maken?
We dachten dat het nuttig zou kunnen zijn om een kijkje te nemen op een aantal van de verschillende aspecten van CCD-sensoren om een beter begrip te bieden van wat er gebeurt op het oppervlak van uw camera terwijl u bezig bent met het afbeelden van het universum.,
we hebben een paar video ‘ s in deze serie samengesteld die we de komende weken zullen uitbrengen, inclusief een blik op de verschillende soorten ruis geassocieerd met CCD-sensoren en hoe we het minimaliseren. Maar laten we bij het begin beginnen en eens kijken naar wat een CCD – of charge coupled device – eigenlijk is.
Wat is een CCD? – Transcript
Hallo.
wat ik vandaag zou willen doen is een beetje praten over CCD ‘ s zelf., CCD ‘ s zijn duidelijk heel belangrijk voor astrofotografie in de afgelopen tien of twintig jaar – de meeste van de echt grote beelden van de nachtelijke hemel zijn gemaakt met CCD sensortechnologie. Wat we hier gaan doen is van de gelegenheid gebruik maken om een beetje over de sensoren zelf te praten. Hopelijk zal dit informatief zijn, het kan onderhoudend zijn. Het zal waarschijnlijk niet bijzonder nuttig zijn om je te helpen een foto te maken van de nachtelijke hemel, maar als je een idee wilt hebben van wat er werkelijk gebeurt op de camera zelf, kan het nuttig zijn.,
Oké, dus dit is een sensor. Het is eigenlijk een van de Kodak Elf megapixelsensoren, en het lijkt op sommige van de Sony-sensoren, in zoverre dat we een helder stuk afdekglas hebben dat een stuk siliconenchip zelf bedekt en we een aantal pinnen langs de zijkant hebben – of het kan een pin grid array zijn-om daadwerkelijk te communiceren met de elektronica buiten.
Kodak 11MP sensor 
Pin Grid Array het eerste wat echt opvalt is dat het een stuk silicium is., Dus waarom hebben we in hemelsnaam een stuk silicium chip eronder? Waarom hebben we ervoor gekozen om dat te gebruiken, waarom hebben we niet gekozen voor een stuk staal, of een stuk steenkool, of plastic – waarom silicium? Het antwoord komt neer op een zeer interessante eigenschap van silicium en om je daar doorheen te praten, is het nuttig om te praten over een aantal verschillende soorten verbindingen en hun elektronische eigenschappen.,
soorten verbindingen en hun elektronische eigenschappen
een isolator is een materiaal waarbij alle elektronen zich in de valentieband bevinden, dus ze zijn nauw verbonden met de ouderatomen en ze kunnen helemaal niet rond het materiaal bewegen. Elektronen die gedelokaliseerd zijn en kunnen bewegen, worden genoemd in de geleidingsband. Isolatoren hebben wel een geleidingsband, maar hun energie is zo veel hoger dan de valentieband dat het zeer, zeer zelden is dat een elektron in de geleidingsband wordt gepromoveerd, en dan zal het de neiging hebben om recht terug te vallen naar zijn ouderatoom en gebonden te zijn., Dus isolatoren-zeer slecht in het leiden van elektriciteit.
in metalen hebben we de omgekeerde situatie waar de valentieband en geleidingsband energieën elkaar eigenlijk overlappen. We hebben dus een zee van gedelokaliseerde elektronen in het metaal en dat helpt het om elektriciteit te geleiden, en dat kan doen zonder daadwerkelijk energie toe te voegen aan het metaal zelf.,
ons derde type materiaal, de halfgeleider, heeft deze interessante eigenschap waar de geleidingsband slechts iets boven de valentieband ligt, dus moeten we een relatief kleine hoeveelheid energie toevoegen om elektronen in de geleidingsband te bevorderen. Voor silicium is die energie 1,14 elektronvolt en de interessante eigenschap daar is dat overeenkomt met de hoeveelheid energie die een foton heeft tussen 300-1000 nanometer., Die energie kan worden gebruikt als een foton op het silicium valt, dan kan het worden gebruikt om een elektron in de geleidingsband te promoten en daar, eenmaal in de geleidingsband, kunnen we het rond het silicium bewegen en meten.
het creëren van een silicium Sensor
Oke, dus nu wil ik graag overwegen hoe we eigenlijk een beeldsensor rond een stuk silicium chip ontwerpen. Hier heb ik dit op het scherm dat een vierkant stuk silicium voorstelt. Ik hak dit in negen gebieden die negen pixels worden., Het eerste wat we moeten doen is de kolommen scheiden. we stoppen deze stops tussen de kolommen. dit zijn kleine elektroden die over het oppervlak van de chip lopen en een negatieve lading dragen, of we geven ze een negatieve potentiaal en het stopt alle elektronen die binnen deze drie verschillende gebieden zijn gevallen en nu links en rechts over de sensor migreren.
stuk silicium 
pixels toevoegen 
elektroden toevoegen zodat ze links en rechts beperkt zijn., We moeten ze ook op en neer beperken en we gebruiken deze verticale klokken om dit te doen. Hier lopen ze in groepen van drie, dus drie klokken per pixel, en op dit moment heb ik de middelste met een positief potentieel, en de twee buitenste met een negatief potentieel.
wat er nu gebeurt is dat als een foton op een van deze pixels valt, het een elektron gaat genereren en bevrijden en dat elektron zal willen bewegen, dus het is onder het positieve potentieel van de positieve klok., Dit is de manier waarop het een beeld accumuleert, dus tijdens de belichtingstijd vallen fotonen op de beeldsensor en ze worden binnen de pixel beperkt door de verticale elektroden en deze horizontaal lopende verticale klokken.
verticale Klokken een afbeelding uitlezen
dan willen we die afbeelding uitlezen. We doen het door die verticale klokken te klokken.,
als we de potentiaal van de klokken één keer naar beneden verplaatsen, zodat de positieve potentiaal één keer naar beneden is gegaan, dan is het de neiging om het elektron te bewegen of te vragen om stap voor stap te migreren. En nogmaals, we doen het door de positieve fase naar beneden te bewegen en de elektronen migreren langzaam naar beneden de CCD zelf.
We gaan hiermee door totdat de elektronen, of de pixel, overgaan naar de onderste fase, dit horizontale uitlezingsregister., Dit is precies hetzelfde, maar deze keer lopen de klokken zelf verticaal en dus kunnen ze de elektronen van links naar rechts bewegen. In dit geval verplaatsen we ze naar links en naar de laatste fase. Als ze eenmaal in dat stadium zijn, gebruiken we een versterker.de versterker meet het aantal fotonen dat los zat in de pixel en zet het om in een spanning. die spanning verschijnt dan op een van de pinnen op deze chip zelf. Op deze denk ik dat het een van het einde – dus een kant van de verticale klokken en een kant van de horizontale klokken.,
als we dan klaar zijn met het meten van dat, of het digitaliseren van die specifieke spanning van die pixel, gebruiken we de schakelaar in de uitgangstrap om alle lading van die pixel weg te halen en nog een van de horizontale registers in de uitgangspoort te klokken.
het uitlezen van een CCD een typisch systeem voor het uitlezen van een CCD is dus allereerst één regel per keer in het horizontale uitlezingsregister, waarna die ene pixel per keer in de uitvoerfase wordt verplaatst. Dit beschrijft wat een zeer klassieke oppervlaktesensor is voor CCD ‘ s., Het is een vrij oude technologie, een vrij oude manier om silicium te gebruiken om een imager te worden. Het heeft wel een mechanische sluiter nodig, dus tijdens de uitlezing is het hele ding nog steeds gevoelig voor licht, dus om ervoor te zorgen dat wanneer je een beeld door de sensor begint te bewegen je geen trailing krijgt, moet je wel een mechanische sluiter gebruiken.
alle sensoren op deze speciale lade zijn geen gebiedssensoren, het zijn eigenlijk allemaal interline sensoren. Veel van onze producten binnen het Atik assortiment gebruiken interline sensoren die geen mechanische rolluiken nodig hebben., Het is waarschijnlijk de moeite waard om aan te geven hoe we die gebruiken.
Interline CCD sensoren
dus, als we opnieuw beginnen met precies hetzelfde stuk silicium en deze keer maken we er een interline sensor van, het eerste wat we echt moeten doen is om te beginnen met het maken van dezelfde area-type sensor. Dus ik heb ze hier niet laten zien, maar we introduceren deze verticale kolom stops om de elektronen te stoppen migreren links en rechts en we hebben ook de verticale klokken die ons in staat stellen om lading te verplaatsen op en neer de pixel zelf.,
waar dingen anders worden, is dat we deze banden aluminium op de sensor zelf leggen. Deze maken het gebied onder het aluminium lichtschild ongevoelig voor licht, dus tijdens de uitlezing fase, als er elektronen zijn in dat deel van het uitlezingsregister, dan als ze naar beneden worden verplaatst, hoeven we ons geen zorgen te maken dat dat deel van de sensor nog meer fotonen oppikt en omzet in elektronen – er is dit lichtschild bovenop.,
Sensor met Aluminium Lichtschilden we hebben nu ook iets nodig om echt gevoelig te zijn voor licht. In dit geval heet het een fotodiode, precies hetzelfde idee, het is een stuk silicium, behalve dat we een paar andere klokken hebben die we nu kunnen gebruiken om deze fotodiode te besturen. Eén ervan kunnen we gebruiken om de lading van alle fotodiodes in één keer te verwijderen, en dat wordt meestal gebruikt bij het begin van een belichting, en de tweede is een klok die de lading van alle fotodiodes naar links verplaatst., Dat zal ze dan in principe onder de aluminium lichtschilden verplaatsen en effectief de belichting beëindigen.
Dit is in principe een diagram van hoe een interline sensor eruit ziet, want we hebben een fotodiode en we hebben de verticale uitlezing CCD onder een aluminium lichtscherm.
waar dit niet erg goed is, hebben we nu het oppervlak van de sensor zelf gemaakt dat gevoelig is voor licht dat slechts ongeveer 25% van het oppervlak van de chip is., We beschrijven dat als een vullingsfactor van ongeveer 25% , wat vrij slecht is als we kijken naar een lage lichtbron omdat 75% van de fotonen die op die sensor vallen niet zullen worden omgezet in elektronen.
Microlenses toevoegen
Hier wordt het weer slim. De chipfabrikanten introduceren deze microlens-technologie, dus bovenop elke fotodiode zetten we deze lens, of ze zetten de lens er bovenop, wat betekent dat alle fotonen die nu bovenop de lens vallen, geconcentreerd worden op die fotodiode zelf, en dat zal dan de opvulfactor tot meer dan 80% verbeteren.,
Interline Sensor with Microlenses de technologie die zij gebruiken om deze zeer, zeer kleine lenzen te produceren, heeft veel ontwikkeling doorgemaakt en is op zichzelf relatief interessant. Het is meestal een inkjet-type proces, waarbij deze kleine lenzen één voor één op het sensoroppervlak worden Gespot., Maar dan nemen ze meer een ronde bolvormige vorm aan als je dat doet, dus om ze terug in de lensvorm te krijgen, wordt de chip bestuurd met een aantal zeer zorgvuldige temperatuurgradiënten om deze ballen in de vorm van een lens te laten zakken. Zodra ze dat gedaan hebben, dan gaan de vulfactoren effectief omhoog door de microlensing.
Oké, ik denk dat dat net zoveel gegeven is als waar ik waarschijnlijk over wil praten in deze kleine sectie over CCD ‘ s., Ik hoop dat het interessant is geweest, en misschien als je de volgende keer de lucht in beeld brengt, en je nadenkt over de fijne kneepjes van sterrenstelsels en nevels, kunnen we ook beginnen na te denken over wat er eigenlijk aan de hand is op het sensoroppervlak.
Dank u.