co to jest matryca CCD?

chłodzone kamery CCD od dawna są w czołówce astrofotografii. Ale czym tak naprawdę jest technologia czujników CCD i jak ją wykorzystujemy do tworzenia oszałamiających obrazów nocnego nieba?

uznaliśmy, że warto przyjrzeć się różnym aspektom czujników CCD, aby lepiej zrozumieć, co dzieje się na powierzchni kamery, gdy jesteś zajęty obrazowaniem wszechświata.,

przygotowaliśmy kilka filmów z tej serii, które opublikujemy w nadchodzących tygodniach, w tym spojrzenie na różne rodzaje szumów związanych z czujnikami CCD i sposób, w jaki go minimalizujemy. Zacznijmy jednak od początku i przyjrzyjmy się, czym właściwie jest CCD – czyli urządzenie sprzężone z ładowaniem.

Co to jest CCD? – Transkrypcja

Witam.

chciałbym dzisiaj porozmawiać trochę o samych CCD., CCD były oczywiście bardzo ważne dla astrofotografii w ciągu ostatnich dziesięciu lub dwudziestu lat – większość naprawdę wspaniałych zdjęć nocnego nieba została wykonana za pomocą technologii czujników CCD. Skorzystamy z okazji, by porozmawiać trochę o samych czujnikach. Mam nadzieję, że będzie to pouczające, może być zabawne. Prawdopodobnie nie będzie to szczególnie przydatne, jeśli chodzi o pomoc w zrobieniu zdjęcia nocnego nieba, ale jeśli chcesz mieć pojęcie o tym, co naprawdę dzieje się na samym aparacie, może to być przydatne.,

ok, to jest czujnik. Jest to w rzeczywistości jeden z megapikselowych czujników Kodak eleven, i wygląda podobnie do niektórych czujników Sony, w takim stopniu, w jakim mamy przezroczysty kawałek szkła pokrywającego kawałek silikonu i mamy szereg pinów wzdłuż boku-lub może to być pin Grid array – aby faktycznie komunikować się z elektroniką Na Zewnątrz.

pierwszą rzeczą do zauważenia jest to, że jest to kawałek krzemu., Więc dlaczego mamy kawałek silikonowego Chipa pod spodem? Dlaczego zdecydowaliśmy się tego użyć, dlaczego nie zdecydowaliśmy się użyć kawałka stali, kawałka węgla lub plastiku-dlaczego krzemu? A odpowiedź naprawdę sprowadza się do bardzo interesującej właściwości krzemu i aby Cię o tym przekonać, warto porozmawiać o wielu różnych rodzajach związków i ich właściwościach elektronicznych.,

rodzaje związków i ich właściwości elektroniczne

izolator jest materiałem, w którym wszystkie elektrony znajdują się w paśmie walencyjnym, więc są ściśle związane z atomami macierzystymi i nie mogą poruszać się po materiale w ogóle. Elektrony, które są zdelokalizowane, które mogą się poruszać, to tzw. pasmo przewodności. Izolatory mają pasmo przewodności, ale ich energia jest o wiele wyższa niż pasmo walencyjne, że bardzo, bardzo rzadko elektron awansuje do pasma przewodności, a następnie będzie miał tendencję do spadania prosto z powrotem do macierzystego atomu i będzie związany., Tak więc izolatory-bardzo słabe w przewodzeniu energii elektrycznej.

w metalach mamy sytuację odwrotną, w której Energie pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa faktycznie nakładają się na siebie. Mamy więc morze zdelokalizowanych elektronów w metalu, które pomaga przewodzić elektryczność, i które może to zrobić bez dodawania żadnej energii do samego metalu.,

nasz trzeci rodzaj materiału, półprzewodnik, ma tę interesującą właściwość, gdzie pasmo przewodności jest tylko nieco powyżej pasma walencyjnego, więc musimy dodać stosunkowo niewielką ilość energii, aby promować elektrony w paśmie przewodności. W przypadku krzemu energia ta wynosi 1,14 elektronowolta, a interesująca tam Właściwość odpowiada ilości energii, jaką Foton ma między 300-1000 nanometrów., Energia ta może być użyta, jeśli Foton spadnie na krzem, to może być użyta do promowania elektronu w paśmie przewodności i tam, gdy znajdzie się on w paśmie przewodności, możemy przenieść go wokół krzemu i zmierzyć go.

Tworzenie matrycy silikonowej

ok, więc teraz chciałbym rozważyć, jak właściwie zaprojektujemy matrycę wokół kawałka Chipa silikonowego. Mam to na ekranie, przedstawiające kwadratowy kawałek krzemu. Podzielę to na dziewięć obszarów, które staną się dziewięcioma pikselami., Pierwszą rzeczą do zrobienia jest oddzielenie kolumn, więc umieszczamy te przystanki między kolumnami i są to w zasadzie małe elektrody, które biegną po powierzchni chipa i niosą ujemny ładunek, lub dajemy im ujemny potencjał i zatrzymuje wszelkie elektrony, które spadły w tych trzech różnych obszarach, które teraz migrują w lewo iw prawo przez czujnik.

aby ograniczyć je w lewo i w prawo., Musimy również ograniczyć je w górę iw dół i używamy tych pionowych zegarów, aby to zrobić. Więc tutaj działają w grupach po trzy, więc trzy zegary na piksel, i w tej chwili mam środkowy z pozytywnym potencjałem, i dwa zewnętrzne z negatywnym potencjałem.

więc jeśli Foton spadnie na jeden z tych pikseli, wytworzy i uwolni elektron, a ten elektron będzie chciał się poruszać, więc będzie pod pozytywnym potencjałem zegara dodatniego., W ten sposób gromadzi obraz, więc w czasie ekspozycji mamy fotony spadające na matrycę obrazu i są one ograniczone w pikselu przez pionowe elektrody i te poziome Zegary pionowe.

odczyt obrazu

następnie chcemy odczytać ten obraz. Sposób, w jaki to robimy, polega na taktowaniu pionowych zegarów.,

Jeśli przesuniemy potencjał zegarów w dół o jeden, więc pozytywny potencjał przesunie się w dół o jeden zegar, to to, co ma tendencję do zrobienia, to poruszenie lub poproszenie elektronu o migrację jeden etap na raz. I znowu, robimy to przesuwając fazę dodatnią w dół i elektrony powoli migrują w dół samego CCD.

robimy to, dopóki elektrony, lub piksel, Nie przeniosą się do dolnego etapu, który jest tym poziomym rejestrem odczytu., To jest dokładnie ten sam rodzaj rzeczy, ale tym razem same Zegary biegną pionowo i tak pozwalają przenieść elektrony z lewej do prawej. Więc w tym przypadku przesuwamy je w lewo i do ostatniego etapu. A gdy są na tym etapie, używamy wzmacniacza i wzmacniacz w zasadzie mierzy liczbę fotonów, które były luźne w pikselu i zamienia je na napięcie, a to napięcie pojawia się na jednym z pinów na samym chipie. Na tym myślę, że to jeden z końca – więc z jednej strony Zegary pionowe, a z drugiej Zegary poziome.,

Po zakończeniu pomiaru lub digitalizacji danego napięcia z tego piksela, używamy przełącznika w stopniu wyjściowym, aby wyczyścić cały ładunek z dala od tego piksela i zegar jeszcze jeden poziomych rejestrów do bramki wyjściowej.

tak więc bardzo typowym systemem do odczytu CCD jest przede wszystkim jedna linia na raz do rejestru odczytu poziomego, a następnie przenoszenie tego jednego piksela na raz do stopnia wyjściowego. I to naprawdę opisuje, co jest bardzo klasycznym czujnikiem obszaru dla CCD., To dość stara technologia, dość stary sposób obchodzenia się lub używania krzemu, aby stać się imagerem. Potrzebuje mechanicznej migawki, więc podczas etapu odczytu całość jest nadal wrażliwa na światło, więc aby kiedy zaczniesz przesuwać obraz w dół czujnika, nie będziesz się ciągnął, musisz użyć mechanicznej migawki.

wszystkie czujniki na tej konkretnej tacy nie są czujnikami obszaru, są właściwie wszystkimi czujnikami interline. Wiele naszych produktów z gamy Atik wykorzystuje czujniki interline, które nie wymagają mechanicznych żaluzji., Więc prawdopodobnie warto po prostu dotknąć, jak je wykorzystujemy.

Interline CCD Sensors

Tak więc, jeśli zaczniemy z dokładnie tym samym kawałkiem krzemu ponownie i tym razem przekształcimy go w czujnik interline, pierwszą rzeczą do zrobienia naprawdę jest rozpoczęcie od wykonania tego samego czujnika typu area. Więc nie pokazałem ich tutaj, ale wprowadzimy te pionowe przystanki kolumnowe, aby zatrzymać elektrony migrujące w lewo iw prawo, a także będziemy mieli pionowe zegary, które pozwalają nam przesuwać ładunek w górę iw dół samego piksela.,

gdzie wszystko się zmienia, to umieszczamy te paski z aluminium na samym czujniku. To w zasadzie sprawia, że obszar pod aluminiową osłoną świetlną jest niewrażliwy na światło, więc podczas fazy odczytu, jeśli w tej części rejestru odczytu znajdują się jakieś elektrony, to gdy są przesuwane w dół kolumny, nie musimy się martwić o to, że ta część czujnika odbierze kolejne fotony i zamieni je w elektrony – na nich znajduje się Ta osłona świetlna.,

również teraz potrzebujemy czegoś, aby rzeczywiście być wrażliwym na światło. W tym przypadku nazywa się to fotodiodą, dokładnie ten sam pomysł, to kawałek krzemu, tyle że mamy kilka innych zegarów, których możemy użyć do sterowania tą fotodiodą. Jeden z nich możemy użyć do oczyszczenia ładunku ze wszystkich fotodiod za jednym zamachem, i to jest zwykle używane na początku ekspozycji, a drugi to zegar, który przesunie ładunek ze wszystkich fotodiod w lewo tutaj., To w zasadzie przesunie je pod aluminiowymi osłonami świetlnymi i skutecznie zakończy ekspozycję.

więc to jest w zasadzie schemat jak wygląda czujnik interline, bo mamy fotodiodę i mamy pionowy odczyt CCD pod aluminiową osłoną świetlną.

Gdzie nie jest to bardzo dobre jest teraz to, co zrobiliśmy, zrobiliśmy obszar samego czujnika, który jest wrażliwy na światło, które jest tylko około 25% powierzchni chipa., Opisalibyśmy to jako współczynnik wypełnienia około 25%, co jest dość złe, jeśli patrzymy na słabe źródło światła, ponieważ 75% fotonów padających na ten czujnik nie zostanie przekształcone w elektrony.

dodawanie Mikrolensów

tu znowu zaczyna się robić ciekawie. Producenci chipów wprowadzają tę technologię mikrolenów, więc na każdej fotodiodzie umieszczamy ten obiektyw lub umieszczamy obiektyw na górze, co oznacza, że wszelkie fotony spadające na obiektyw skupiają się na samej fotodiodzie, a to poprawi współczynnik wypełnienia ponad 80%.,

technologia, której używają do produkcji tych bardzo, bardzo małych soczewek, przeszła wiele rozwoju i jest stosunkowo interesująca sama w sobie. Zwykle jest to proces typu atramentowego, w którym te małe soczewki są zauważane pojedynczo na powierzchni czujnika., Ale potem przyjmują bardziej okrągły sferyczny kształt, kiedy to robisz, więc aby przywrócić je do kształtu soczewki, chip jest kontrolowany za pomocą bardzo ostrożnych gradientów temperatury, aby te kulki ugięły się w kształcie soczewki. Gdy już to zrobią, współczynniki wypełnienia skutecznie rosną z powodu mikrosoczewkowania.

ok, myślę, że to tyle, o czym chciałbym porozmawiać w tym małym dziale O CCD., Mam nadzieję, że było ciekawie, i może kiedy następnym razem będziecie oglądać niebo, jak również zastanawiać się nad zawiłościami galaktyk i mgławic, będziemy mogli również zacząć myśleć o tym, co dzieje się na powierzchni czujnika.

Dziękuję.