Gekühlte CCD-Kameras sind seit langem an der Spitze der Astrofotografie. Aber was ist wirklich CCD-Sensortechnologie und wie verwenden wir sie, um atemberaubende Bilder des Nachthimmels zu erstellen?
Wir dachten, es könnte nützlich sein, einen Blick auf einige der verschiedenen Aspekte von CCD-Sensoren zu werfen, um ein besseres Verständnis dessen zu erhalten, was auf der Oberfläche Ihrer Kamera passiert, während Sie mit der Abbildung des Universums beschäftigt sind.,
Wir haben in dieser Serie einige Videos zusammengestellt, die wir in den kommenden Wochen veröffentlichen werden, darunter einen Blick auf die verschiedenen Arten von Rauschen, die mit CCD-Sensoren verbunden sind und wie wir diese minimieren. Aber fangen wir am Anfang an und schauen uns an, was ein CCD – oder Charge Coupled Device – eigentlich ist.
Was ist ein CCD? – Transkript
Hallo.
Was ich heute tun möchte, ist ein bisschen über CCDs selbst zu sprechen., CCDs waren offensichtlich in den letzten zehn oder zwanzig Jahren für die Astrofotografie sehr wichtig – die meisten der wirklich großartigen Bilder des Nachthimmels wurden mit CCD-Sensortechnologie aufgenommen. Wir werden hier also die Gelegenheit nutzen, ein wenig über die Sensoren selbst zu sprechen. Hoffentlich wird dies informativ sein, es kann unterhaltsam sein. Es wird wahrscheinlich nicht besonders nützlich sein, wenn es Ihnen hilft, ein Bild vom Nachthimmel zu machen, aber wenn Sie eine Vorstellung davon haben möchten, was tatsächlich auf der Kamera selbst passiert, kann es nützlich sein.,
Okay, das ist also ein Sensor. Es ist eigentlich einer der Kodak Eleven Megapixel-Sensoren, und es sieht ähnlich aus wie einige der Sony – Sensoren, in so viel wie, dass wir ein klares Stück Abdeckglas haben ein Stück Silizium – Chip bedeckt selbst und wir haben eine Reihe von Stiften entlang der Seite-oder es kann ein Pin-Grid-Array sein-tatsächlich mit der Elektronik außerhalb zu kommunizieren.
Kodak 11MP sensor 
Pin Grid Array Als erstes ist es ein Stück Silizium., Warum also um alles in der Welt haben wir ein Stück Silizium-Chip darunter? Warum haben wir uns dafür entschieden, warum haben wir uns nicht für ein Stück Stahl oder ein Stück Kohle oder Kunststoff entschieden – warum Silizium? Und die Antwort kommt wirklich auf eine sehr interessante Eigenschaft von Silizium und um Sie irgendwie durch das zu sprechen, ist es nützlich, über eine Reihe von verschiedenen Arten von Verbindungen und ihre elektronischen Eigenschaften zu sprechen.,
Arten von Verbindungen und ihre elektronischen Eigenschaften
Ein Isolator ist ein Material, bei dem sich alle Elektronen im Valenzband befinden, sodass sie eng an die Elternatome gebunden sind und sich überhaupt nicht bewegen können das Material. Elektronen, die delokalisiert sind und sich bewegen können, werden im Leitfähigkeitsband genannt. Isolatoren haben ein Leitfähigkeitsband, aber ihre Energie ist so viel höher als das Valenzband, dass es sehr, sehr selten ist, dass ein Elektron in das Leitfähigkeitsband befördert wird, und dann wird es dazu neigen, direkt zu seinem Elternatom zurückzukehren und gebunden zu sein., Also Isolatoren-sehr schlecht in der Leitung von Strom.
In Metallen haben wir die umgekehrte Situation, in der sich die Valenzband-und Leitbandenergien tatsächlich überlappen. Wir haben also dieses Meer von delokalisierten Elektronen im Metall und das hilft ihm, Elektrizität zu leiten, und das kann, ohne tatsächlich Energie in das Metall selbst zu geben.,
Unser dritter Materialtyp, der Halbleiter, hat diese interessante Eigenschaft, bei der das Leitfähigkeitsband nur geringfügig über dem Valenzband liegt, so dass wir relativ wenig Energie hinzufügen müssen, um Elektronen in das Leitfähigkeitsband zu fördern. Für Silizium beträgt diese Energie 1,14 Elektronenvolt und die interessante Eigenschaft dort entspricht der Energiemenge, die ein Photon zwischen 300-1000 Nanometern hat., Diese Energie kann verwendet werden, wenn ein Photon auf das Silizium fällt, dann kann es verwendet werden, um tatsächlich ein Elektron in das Leitfähigkeitsband zu fördern und dort, sobald es im Leitfähigkeitsband ist, können wir es dann um das Silizium bewegen und messen es.
Erstellen eines Siliziumsensors
Okay, jetzt möchte ich überlegen, wie wir tatsächlich einen Bildsensor um ein Stück Siliziumchip entwerfen. Hier habe ich das gerade auf dem Bildschirm, das ein quadratisches Stück Silizium darstellt. Ich werde dies in neun Bereiche zerlegen, die zu neun Pixeln werden., Das erste, was zu tun ist, ist, die Spalten zu trennen, also setzen wir diese Anschläge zwischen die Säulen und das sind im Grunde kleine Elektroden, die über die Oberfläche des Chips laufen und sie tragen eine negative Ladung, oder wir geben ihnen ein negatives Potential und es stoppt alle Elektronen, die innerhalb dieser drei verschiedenen Bereiche gefallen sind, die jetzt links und rechts über den Sensor wandern.
Stück Silizium 
Pixel hinzufügen 
Pixel hinzufügen Das hat sie links und rechts eingeschränkt., Wir müssen sie auch auf und ab einschränken und wir verwenden diese vertikalen Uhren, um dies zu tun. Hier laufen sie also in Dreiergruppen, also drei Uhren pro Pixel, und im Moment habe ich den mittleren mit einem positiven Potenzial und die beiden äußeren mit einem negativen Potenzial.
Was jetzt passiert, ist, wenn ein Photon auf eines dieser Pixel fallen würde, es wird ein Elektron erzeugen und freisetzen und dieses Elektron wird sich bewegen wollen, so dass es unter dem positiven Potential der positiven Uhr ist., Auf diese Weise sammelt es ein Bild an, sodass während der Belichtungszeit Photonen auf den Bildsensor fallen und diese durch die vertikalen Elektroden und diese horizontal laufenden vertikalen Uhren innerhalb des Pixels eingeschränkt werden.
Vertikale Uhren Auslesen eines Bildes
Dann möchten wir dieses Bild auslesen. Die Art, wie wir es tun, ist, indem wir diese vertikalen Uhren tatsächlich taktet.,
Wenn wir das Potential der Uhren um eine Uhr nach unten bewegen, also das positive Potential um eine Uhr nach unten bewegt hat, neigt es dazu, das Elektron zu bewegen oder zu bitten, eine Stufe nach der anderen zu migrieren. Und wieder tun wir es, indem wir die positive Phase nach unten bewegen und die Elektronen langsam die CCD selbst hinunterwandern.
Wir machen so lange weiter, bis die Elektronen oder das Pixel in die untere Stufe dieses horizontalen Ausleseregisters übergehen., Dies ist genau das Gleiche, aber diesmal laufen die Uhren selbst vertikal und ermöglichen es Ihnen, die Elektronen von links nach rechts zu bewegen. In diesem Fall bewegen wir sie also nach links und in die letzte Phase. Und sobald sie sich in diesem Stadium befinden, verwenden wir einen Verstärker, und der Verstärker misst im Grunde die Anzahl der Photonen, die sich im Pixel gelöst haben, und wandelt sie in eine Spannung um, und diese Spannung erscheint dann auf einem der Pins auf diesem Chip selbst. Auf diesem denke ich, dass es eines vom Ende ist-also die vertikalen Uhren einer Seite und die horizontalen Uhren einer Seite.,
Wenn wir dann mit dem Messen oder Digitalisieren dieser bestimmten Spannung von diesem Pixel fertig sind, verwenden wir den Schalter in der Ausgangsstufe, um die gesamte Ladung von diesem Pixel zu entfernen und ein weiteres der horizontalen Register in das Ausgangstor zu takten.
Auslesen eines CCD Daher ist ein sehr typisches System zum Auslesen eines CCD zunächst eine Zeile nach der anderen in das horizontale Ausleseregister und bewegt dann jeweils ein Pixel in die Ausgabestufe. Und das beschreibt wirklich, was ein sehr klassischer Bereichssensor für CCDs ist., Es ist eine ziemlich alte Technologie, eine ziemlich alte Art der Handhabung oder Verwendung von Silizium, um ein Imager zu werden. Es braucht einen mechanischen Verschluss, also während der Auslesephase, Das Ganze ist immer noch lichtempfindlich, Damit Sie beim Verschieben eines Bildes über den Sensor nicht nachlaufen, Sie müssen einen mechanischen Verschluss verwenden.
Alle Sensoren auf dieser speziellen Schale sind keine Bereichssensoren, sie sind eigentlich alle Interline-Sensoren. Viele unserer Produkte innerhalb der Atik-Reihe verwenden Interline-Sensoren, die keine mechanischen Rollläden benötigen., Es lohnt sich also wahrscheinlich, nur darauf einzugehen, wie wir diese verwenden.
Interline-CCD-Sensoren
Wenn wir also wieder mit genau demselben Stück Silizium beginnen und dieses Mal zu einem Interline-Sensor werden, müssen wir als Erstes den gleichen Bereichssensor herstellen. Ich habe sie hier nicht gezeigt, aber wir werden diese vertikalen Spaltenstopps einführen, um die Migration der Elektronen nach links und rechts zu stoppen, und wir werden auch die vertikalen Uhren haben, mit denen wir die Ladung auf und ab bewegen können das Pixel selbst.,
Wo die Dinge anders werden, legen wir diese Bänder aus Aluminium auf den Sensor selbst. Diese machen im Grunde den Bereich unter dem Aluminiumlichtschild unempfindlich gegen Licht, also während der Auslesephase, wenn es irgendwelche Elektronen in diesem Teil des Ausleseregisters gibt, dann, wenn sie die Säule hinunter bewegt werden, müssen wir uns keine Sorgen machen, dass dieser Teil des Sensors weitere Photonen aufnimmt und sie in Elektronen umwandelt – da ist diese Lichtabschirmung oben drauf.,
Sensor mit Aluminium-Lichtschildern Wir brauchen jetzt auch etwas, um tatsächlich lichtempfindlich zu sein. In diesem Fall heißt es eine Fotodiode, genau die gleiche Idee, es ist ein Stück Silizium, außer wir haben ein paar andere Uhren, die wir jetzt verwenden können, um diese Fotodiode zu steuern. Eine davon können wir verwenden, um die Ladung von allen Fotodioden auf einmal zu löschen, und das wird normalerweise zu Beginn einer Belichtung verwendet, und die zweite ist eine Uhr, die die Ladung von allen Fotodioden nach links bewegt hier., Das wird sie dann im Grunde unter den Aluminium-Lichtschildern bewegen und effektiv dann die Belichtung beenden.
Dies ist also im Grunde ein Diagramm, wie ein Interline-Sensor aussieht, denn wir haben eine Fotodiode und wir haben die vertikale Anzeige CCD unter einem Aluminium-Lichtschild.
Wo das nicht sehr gut ist, haben wir jetzt den Bereich des Sensors selbst gemacht, der lichtempfindlich ist und nur etwa 25% der Oberfläche des Chips ausmacht., Wir würden das mit einem Füllfaktor von etwa 25% beschreiben, was ziemlich schlecht ist, wenn wir eine niedrige Lichtquelle betrachten, da 75% der Photonen, die auf diesen Sensor fallen, nicht in Elektronen umgewandelt werden.
Hinzufügen von Mikrolinsen
Hier wird es wieder schlau. Die Chiphersteller führen diese Microlens-Technologie ein, also setzen wir auf jede Fotodiode diese Linse, oder sie setzen die Linse auf die Oberseite, was bedeutet, dass alle Photonen, die jetzt auf die Linse fallen, sich auf diese Fotodiode selbst konzentrieren, und das verbessert dann den Füllfaktor über 80% hinaus.,
Interline Sensor mit Microlenses Die Technologie, mit der sie diese sehr, sehr kleinen Linsen tatsächlich herstellen, hat eine Menge Entwicklung durchlaufen und ist an sich relativ interessant. Es ist normalerweise ein Inkjet-Prozess, bei dem diese kleinen Linsen einzeln auf der Sensoroberfläche entdeckt werden., Aber dann nehmen sie eher eine runde sphärische Form an, wenn Sie das tun, um sie dann tatsächlich wieder in eine Linsenform zu bringen, wird der Chip mit einigen sehr sorgfältigen Temperaturgradienten gesteuert, damit diese Kugeln durchhängen die Form einer Linse. Sobald sie das getan haben, steigen die Füllfaktoren aufgrund der Mikrolensing effektiv an.
Okay, ich denke, das ist so viel gegeben, wie ich wahrscheinlich in diesem kleinen Abschnitt über CCDs sprechen möchte., Ich hoffe, es war interessant, und wenn Sie das nächste Mal nicht am Himmel sind und über die Feinheiten von Galaxien und Nebeln nachdenken, können wir auch darüber nachdenken, was tatsächlich auf der Sensoroberfläche vor sich geht.
Danke.