Vad är en CCD-sensor?

kylda CCD-kameror har länge varit i spetsen för astrofotografi. Men vad är egentligen CCD-sensorteknik, och hur använder vi den för att skapa fantastiska bilder av natthimlen?

vi trodde att det kunde vara bra att ta en titt på några av de olika aspekterna av CCD-sensorer för att ge en bättre förståelse för vad som händer på ytan av din kamera medan du är upptagen med att avbilda universum.,

Vi har sammanställt några videor i den här serien som vi kommer att släppa under de kommande veckorna, inklusive en titt på de olika typerna av buller i samband med CCD-sensorer och hur vi går om att minimera det. Men låt oss börja i början och ta en titt på vad en CCD – eller laddningskopplad enhet – faktiskt är.

Vad är en CCD? – Transcript

Hej.

vad jag skulle vilja göra idag är att prata lite om CCDs själva., CCDs har uppenbarligen varit väldigt viktigt för astrofotografi under de senaste tio eller tjugo åren-de flesta av de riktigt bra bilderna på natthimlen har tagits med CCD-sensorteknik. Så vad vi ska göra här är att passa på att prata lite om sensorerna själva. Förhoppningsvis kommer det att vara informativt, det kan vara underhållande. Det kommer förmodligen inte att vara särskilt användbart när det gäller att hjälpa dig att ta en bild av natthimlen, men när du vill ha en uppfattning om vad som faktiskt händer på kameran själv kan det vara användbart.,

Okej, så det här är en sensor. Det är faktiskt en av Kodak Elva megapixelsensorerna, och det ser ut som några av Sony-sensorerna, i så mycket som att vi har en klar Bit täckglas som täcker en bit av kiselchip själv och vi har ett antal stift längs sidan – eller det kan vara en stiftnät – att faktiskt kommunicera med elektroniken utanför.

Kodak 11mp sensor Pin Grid Array

det första att faktiskt notera är att det är en bit kisel., Så varför i hela friden har vi ett kiselchip där under? Varför har vi valt att använda det, varför har vi inte valt att använda en bit stål eller en bit kol eller plast-varför kisel? Och svaret kommer verkligen ner till en mycket intressant egenskap av kisel och för att prata dig igenom det är det användbart att prata om ett antal olika typer av föreningar och deras elektroniska egenskaper.,

typer av föreningar och deras elektroniska egenskaper

en isolator är ett material där alla elektroner är i valensbandet, så de är bundna nära moderatomerna och de kan inte flytta runt materialet alls. Elektroner som delokaliseras som kan röra sig är vad som kallas i conductance bandet. Isolatorer har ett ledande band, men deras energi är så mycket högre än valensbandet att det är väldigt, mycket sällan att en elektron kommer att bli befordrad till ledningsbandet, och då tenderar det att falla rakt tillbaka till sin föräldraatom och vara bunden., Så isolatorer – mycket dålig på att leda El.

i metaller har vi den omvända situationen där valensbandet och conductance bandenergierna faktiskt överlappar varandra. Så vi har detta hav av avlokaliserade elektroner inom metallen och som hjälper det att leda elektricitet, och det kan göra det utan att faktiskt lägga till någon energi i själva metallen.,

vår tredje typ av material, halvledaren, har denna intressanta egenskap där ledningsbandet bara ligger något över valensbandet, så vi måste lägga till en relativt liten mängd energi för att främja elektroner i ledningsbandet. För kisel är den energin 1,14 elektronvolt och den intressanta egenskapen finns det som motsvarar den mängd energi som en foton har mellan 300-1000 nanometer., Den energin kan användas om en foton faller på kisel, då kan den användas för att faktiskt främja en elektron i ledningsbandet och där, när det är i ledningsbandet, kan vi sedan flytta det runt kiselet och mäta det.

skapa en Kiselsensor

Okej, så nu vill jag överväga hur vi faktiskt designar en bildsensor runt en bit kiselchip. Så här har jag det här på skärmen som representerar en fyrkantig bit kisel. Jag ska hugga upp det i nio områden som blir nio pixlar., Det första du behöver göra är att separera kolumnerna, så vi lägger dessa stopp mellan kolumnerna och det här är i grunden små elektroder som löper över chipets yta och de bär en negativ laddning, eller vi ger dem en negativ potential och det stoppar alla elektroner som har fallit inom dessa tre olika områden som nu migrerar vänster och höger över sensorn.

bit av kisel Lägg till pixlar Lägg till elektroder

så det begränsas dem åt vänster och höger., Vi måste också begränsa dem upp och ner och vi använder dessa vertikala klockor för att göra detta. Så här kör de i grupper om tre, så tre klockor per pixel, och just nu har jag den mellersta med en positiv potential, och de två utanför med en negativ potential.

Så vad som händer nu är om en foton skulle falla på en av dessa pixlar, det kommer att generera och befria en elektron och att elektron kommer att vilja flytta så det är under den positiva potentialen hos den positiva klockan., Det här är hur det ackumulerar en bild, så under exponeringstiden har vi fotoner som faller på bildsensorn och de begränsas inom pixeln av de vertikala elektroderna och dessa horisontella vertikala klockor.

vertikala klockor

läsa ut en bild

då vill vi läsa upp den bilden. Det sätt vi gör det är genom att faktiskt klocka de vertikala klockorna.,

om vi flyttar klockans potential ner en, så den positiva potentialen har flyttat ner en klocka, vad den tenderar att göra då är att flytta, eller att fråga, elektronen att migrera ett steg i taget. Och igen gör vi det genom att flytta den positiva fasen ner en och elektronerna migrerar långsamt ner CCD själv.

vi fortsätter att göra detta tills elektronerna, eller pixeln, kommer att överföras till det nedre steget vilket är detta horisontella avläsningsregister., Det här är exakt samma typ av sak, men den här gången går klockorna själva vertikalt och så tillåter de att flytta elektronerna från vänster till höger. Så i det här fallet flyttar vi dem över till vänster och in i slutskedet. Och när de är i det skedet använder vi en förstärkare och förstärkaren mäter i princip antalet fotoner som var lösa i pixeln och omvandlar den till en spänning, och den spänningen visas sedan på en av stiften på detta chip själv. På den här tror jag att det är en från slutet – så den ena sidans vertikala klockor och den ena sidans horisontella klockor.,

sedan när vi är klara med att mäta det, eller digitalisera den specifika spänningen från den pixeln, använder vi omkopplaren i utgångssteget för att rensa all laddning bort från den pixeln och klockan ytterligare en av de horisontella registren i utgångsporten.

läsa ut en CCD

så ett mycket typiskt system för att läsa ut en CCD är först och främst en rad i taget i det horisontella avläsningsregistret och sedan flytta den en pixel i taget in i utmatningssteget. Och det här beskriver verkligen vad som är en mycket klassisk områdessensor för CCDs., Det är en ganska gammal teknik, ett ganska gammalt sätt att hantera, eller använda kisel, för att bli en imager. Det behöver en mekanisk slutare, så under avläsningsfasen är det hela fortfarande känsligt för ljus, så för att när du börjar flytta en bild ner sensorn behöver du inte släpa, du behöver använda en mekanisk slutare.

alla sensorer på det här facket är inte områdessensorer, de är faktiskt alla interline-sensorer. Många av våra produkter inom atik-sortimentet använder interline-sensorer som inte behöver mekaniska fönsterluckor., Så det är nog värt att bara röra på hur vi går om att använda dem.

Interline CCD-sensorer

Så, om vi börjar med exakt samma bit av kisel igen och den här gången kommer vi att göra det till en Interline-sensor, är det första att göra verkligen att börja med att göra samma områdestyp sensor. Så jag har inte visat dem här men vi introducerar dessa vertikala kolumnstopp för att stoppa elektronerna som migrerar åt vänster och höger och vi har de vertikala klockorna också som tillåter oss att flytta Ladda upp och ner själva pixeln.,

där saker blir annorlunda sätter vi dessa band av aluminium ovanpå sensorn själv. Dessa gör i grunden området under aluminiumljusskölden okänslig för ljus, så under avläsningsfasen, om det finns några elektroner inom den delen av avläsningsregistret, då när de flyttas ner i kolumnen behöver vi inte oroa oss för den del av sensorn som hämtar ytterligare fotoner och omvandlar dem till elektroner – det finns den här ljusskölden ovanpå dem.,

Sensor med Aluminiumljussköldar

vi behöver nu också något som faktiskt är känsligt för ljus. I det här fallet kallas det en fotodiod, exakt samma idé, det är en bit kisel, förutom att vi har ett par andra klockor som vi nu kan använda för att styra denna fotodiod. En av dem vi kan använda för att rensa laddningen från alla fotodioder på en gång, och det används vanligtvis i början av en exponering, och den andra är en klocka som flyttar laddningen från alla fotodioder över till vänster här., Det kommer då i grunden att flytta dem under aluminiumljussköldarna och kommer effektivt att avsluta exponeringen.

så det här är i grunden ett diagram över hur en Interline-sensor ser ut, eftersom vi har en fotodiod och vi har den vertikala avläsningen CCD under en aluminiumljussköld.

där detta inte är så bra är nu vad vi har gjort är att vi har gjort området för sensorn själv som är känslig för ljus som bara handlar om 25% av chipets yta., Vi skulle beskriva det som att ha en fyllningsfaktor på cirka 25% vilket är ganska dåligt om vi tittar på en låg ljuskälla eftersom 75% av fotonerna som faller på den sensorn inte kommer att omvandlas till elektroner.

lägga till mikrolinser

här är där saker blir smart igen. Chiptillverkarna introducerar denna mikrolens-teknik, så ovanpå varje fotodiod sätter vi denna lins, eller de lägger linsen på toppen vilket innebär att alla fotoner som nu faller ovanpå linsen koncentreras på den fotodioden själv, och det kommer då att förbättra fyllfaktorn upp över 80%.,

Interline Sensor med mikrolinser

den teknik de använder för att faktiskt producera dessa mycket, mycket små linser har gått igenom mycket utveckling och är relativt intressant i sig. Det är vanligtvis en bläckstråletyp, där dessa små linser ses en i taget på sensorytan., Men då tar de upp mer av en rund sfärisk form när du gör det, så för att faktiskt få dem tillbaka i en linsform, styrs chipet med några mycket försiktiga temperaturgradienter för att få dessa bollar att sakta in i formen av en lins. När de har gjort det, går fyllningsfaktorerna effektivt upp på grund av mikrolensing.

Okej, Jag tror att det ges så mycket som jag förmodligen vill prata om i den här lilla delen om CCDs., Jag hoppas att det har varit intressant, och kanske när nästa gång du är ute och avbildar himlen, och funderar på invecklingarna av galaxer och nebulosor, kan vi också börja tänka på vad som händer faktiskt på sensorytan.

Tack.