CCD sensörü

CCD sensörleri , dahili fotoğraf efektine dayalı ışığa duyarlı elektronik bileşenlerdir . "CCD" burada kısaltma ve İngiliz yükle-birleştirilmiş cihaz ( dt. CCD sensör kullanılır, yükle-birleştirilmiş cihaz).

Başlangıçta, 1969'da, veri depolama için CCD'ler geliştirildi. Ancak, bu bileşenlerin ışığa duyarlı olduğu ve iki boyutlu bir görüntü elde etmenin nispeten kolay olduğu hemen fark edildi. Böyle bir CCD sensörü 1970 gibi erken bir tarihte inşa edildi ve elektronikte müteakip minyatürleştirme nedeniyle , televizyon kameraları için yeterli sayıda piksele sahip ilk CCD'ler 1975 gibi erken bir tarihte üretildi. CCD sensörleri, 1983'ten beri astronomi ve uydu uzaktan algılamada görüntü sensörleri olarak kullanılmaktadır .

Video kameralarda ve dijital kameralarda iki boyutlu CCD dizi sensörleri, faks makinelerinde , spektrometrelerde ve tarayıcılarda tek boyutlu CCD hat sensörleri kullanılır . Buna karşılık, CMOS sensörleri genellikle akıllı telefonların ve tabletlerin kameralarında bulunur .

CCD sensörünü icat ettikleri için Willard Boyle ve George E. Smith , fiber optik alanındaki temel çalışmalarıyla tanınan Charles Kuen Kao ile paylaşılan 2009 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü . Smith ve Michael Tompsett , CCD geliştirme alanında 2017 Queen Elizabeth Mühendislik Ödülü'nü aldı .

Astronomide görüntü elde etmek için CCD sensörü
Bir web kamerasındaki CCD sensörü

Teknik yapı ve işlev

Bir CCD'deki yük kaymasının animasyonu

CCD görüntü sensörleri (Charge Coupled Device - görüntü sensörü) bir dizi ışığa duyarlı fotodiyottan oluşur . Bunlar, kenar uzunlukları 1,4 µm'den 20 µm'ye kadar olan dikdörtgen, kare veya çokgen olabilir. Piksellerin alanı ne kadar büyük olursa, CCD sensörünün ışık hassasiyeti ve dinamik aralığı o kadar yüksek olur, ancak aynı sensör boyutuna sahip görüntü çözünürlüğü o kadar küçük olur .

Çoğu CCD, MIS yapılarıdır : Katkılı bir yarı iletken üzerinde, optik olarak şeffaf elektrik iletkenlerinin (elektrotların) bağlı olduğu bir yalıtkan tabaka bulunur. Yük taşıyıcılar (çoğunlukla elektronlar , bazen de “ delikler ”) bunun altında toplanır . Diğer ince elektrik hatları genellikle pikseller arasında uzanır ve bunlar aşırı pozlanmış pikselleri okumaya ve korumaya hizmet eder.

Gelen ışık , enerjisini dahili fotoelektrik etki yoluyla yarı iletkenin elektronlarına aktarır . Aynı zamanda, uygulanan bir voltaj nedeniyle birbirinden ayrılan negatif yüklü serbest elektronlar ve pozitif yüklü “delikler” oluşturulur. Bununla birlikte, yükler bir fotodiyot gibi hemen dışarıya akmazlar , ancak depolama hücresinin kendisinde, bir kapasitör gibi yükleri depolayan potansiyel kuyusunda toplanırlar . Fotodiyotun açık devre voltajına ulaşılmadan önce zamanında okunursa, şarj miktarı ışınlanan ışık miktarıyla orantılıdır .

Aşırı maruz kalma durumunda, bir hücrenin potansiyel kuyusundan gelen yükler komşu hücrelere geçebilir; bu etki çiçeklenme olarak bilinir . Öte yandan, bir taşma gibi çalışan, yani fazla yükleri dağıtan bir "çiçeklenme önleyici kapı" yardımcı olur. Ancak bu , özellikle uzun pozlama sürelerinde , ışık miktarı ile çıkış sinyali arasında doğrusal olmayan bir duruma yol açar ; bu nedenle, bilimsel uygulamalar için CCD sensörleri genellikle onlarsız çalışır.

Maruz bırakıldıktan sonra, ücretleri (Engl. Şarj nihayet şarj paketlerinin birbiri ardına olarak, okuma üzerinden bir amplifikatör ulaşana kadar benzer bir kepçenin), (bu nedenle dönem kepçe itfaiye cihazı), yavaş yavaş değişir. Yüke ve dolayısıyla ışık miktarına bağlı bir elektrik voltajı çıktı.

Bu nedenle sensörün çıkış sinyali seridir . Tek tek piksellerin yükleri birbiri ardına çıktılanırken, orijinal görüntü tüm pikselleri aynı anda pozlayarak paralel olarak oluşturuldu. Çoğu CCD için video kameralar için yalnızca alanlar sırasıyla (d. H. Tüm tek ve ardından tüm çift çizgilere kadar) çıktı alınır ( interlaced , Eng. Interlaced ). Diğer tüm amaçlar için, hatların birbiri ardına doğal sıralarında çıktılandığı aşamalı tarama CCD'leri yaygındır.

fizik

Optik olarak şeffaf, elektriksel olarak yalıtkan bir katman, katkılı bir yarı iletken üzerinde bulunur . İletken ve aynı zamanda optik olarak şeffaf malzemeden yapılmış birçok elektrot ona uygulanır. Görünür aralıktaki ışığın tespiti için silikon, yarı iletken bir malzeme olarak en uygun olanıdır. Silikon dioksit daha sonra yalıtım katmanı olarak kullanılır . Elektrotlar için çoğunlukla polikristal silikon (“polisilikon”) ve son zamanlarda indiyum kalay oksit de kullanılmaktadır . Elektrotların MOSFET'lerinkilerle benzerliğinden dolayı elektrotlara kapı elektrotları da denir. Ancak MOSFET'lerde kapılar 10 µm yerine  10  nm'dir ve şarj, 40 MHz'den daha yüksek saat hızlarını mümkün kılan 1 V potansiyel seviyesi yerine 1 V ila 3,3 V ile sürülür. Elektrotlar, alüminyum kontaklar aracılığıyla harici olarak kontrol edilebilir.

Potansiyel kuyusunda elektronları olan bir "yüzey kanalı" CCD'sinin şerit modeli

Bir elektrota bir voltaj uygulanırsa (p katkılı yarı iletken durumunda pozitif , n-doping durumunda negatif), yarı iletken yüzeyinde yalıtkan tabakanın altında potansiyel kuyusu adı verilen bir alan oluşur . Bu alanda çoğunluk taşıyıcıların taşıyıcı konsantrasyonu çok düşüktür.

Fotonlar daha büyük olan enerji, bunlardan bir bant boşluğu yarı iletken, fırlatıldıktan elektronlar valans için iletim bandı ; böylece yarı iletkende elektron deliği çiftleri oluşturulur. Bu sözde dahili fotoelektrik etkidir . İşlemde üretilen ek azınlık yük taşıyıcıları , yani elektronlar veya "delikler" potansiyel kuyuda toplanırken, aynı zamanda üretilen çoğunluk yük taşıyıcıları yarı iletkenin içine doğru akar.

Bitişik elektrotlarda uygulanan voltajı değiştirerek, potansiyel kuyusu, içinde bulunan yük taşıyıcıları okuma için istenen yönde hareket edecek şekilde şekillendirilebilir.

Bir CCD'nin temel yapısı daha da geliştirilebilir. Önemli bir ilave, yarı iletkende, doğrudan yalıtkanın altında, zıt katkılı bir katmandır. Bu, fotonlar tarafından üretilen azınlık yük taşıyıcılarının artık doğrudan yalıtkan ile yarı iletken arasındaki arayüzde değil, yarı iletken içinde toplandığı anlamına gelen "gömülü kanal" oluşturur. Azınlık yük taşıyıcıları artık yalıtkan ile yarı iletken arasındaki arayüze ulaşmaz, burada her zaman mevcut olan kristal kusurları karışır (bu sınırda daha fazla yük "yakalanamaz" veya "sıkışamaz"). "Gömülü kanal" CCD'leri (ilk önce açıklanan "yüzey kanalı" CCD'lerinin aksine) daha düşük gürültüye ve önemli ölçüde iyileştirilmiş yük aktarımı verimliliğine sahiptir, ancak piksel başına daha az yük taşıyıcı depolanabilir.

Türler

Geometri: dizi, çizgi ve nokta

Bir faks makinesinden CCD hat sensörü

Çoğu CCD sensörü, görüntüleri kaydetmek için alan sensörleridir. Orada, sensörün okunması için, fotodiyotların geçici olarak depolanan yükü dikey CCD'ye (dikey kaydırma yazmacı) aktarılır, ardından hat frekansında dikey olarak kaydırılır. Her CCD sütunundan düşen yük, hızla kaydırılan (video bant genişliğini belirleyen piksel frekansı) yatay CCD'ye girer. Bu kaydırma yazmacının çıkışındaki sinyal, okuma yükselticisine (şarj-gerilim dönüştürücü ve empedans dönüştürücü) beslenir.

Ortaya çıkan çıkış sinyali, geleneksel görüntü kayıt tüplerinden gelen sinyalle pek çok benzerliğe sahiptir . Bu benzerlikler, görüntü kayıt tüplerini CCD sensörleriyle değiştirmeyi teknik olarak kolaylaştırdı.

Bu temel ilke değiştirilebilir:

  • Hızı artırmak için birkaç okuma amplifikatörü kullanılabilir. İki okuma amplifikatörü ile z. B. Çift sayılı sütunlar yukarı itilir ve tek sayılı sütunlar ışık-aktif alanın dışına itilir. Bunlar daha sonra iki akım-voltaj dönüştürücüsü ve iki çıkışı olan iki yatay kaydırma yazmacına beslenir.
  • Yatay kaydırma kaydı tamamen atlanabilir ve CCD ilkesi yalnızca dikey yük kaydırma için kullanılır. Her kolon için çok daha yavaş çalıştırılabilen ayrı bir akım-voltaj dönüştürücüsü bulunmaktadır.
  • Bu paralelleştirmeyi tek tek piksellerin düzeyine kadar genişletirseniz, artık bir CCD sensörünüz olmaz çünkü yük aktarımı artık gerekli değildir. Bu sensörlere aktif piksel sensörleri denir .
  • Yalnızca tek boyutlu bir sensöre ihtiyacınız varsa (diğer boyut gerekli olmadığından veya mekanik olarak oluşturulduğundan), yatay kaydırma kaydı gerektirmeyen bir çizgi sensörü elde edersiniz .
  • CCD'lerin özel bir formu ( Electron Multiplying CCD , EMCCD), okuma amplifikatörünün önünde sinyal amplifikasyonu için özel kaydırma yazmaçları kullanır ve bu nedenle çok düşük ışık yoğunlukları için uygundur. EMCCD'ler durumunda, sırayla CCD'ler olan nokta dedektörleri de bu nedenle mümkündür. Çoğu EMCCD, görüntü sensörleridir ve ayrıca yük aktarımı için "normal" kaydırma yazmaçları kullanır.

Birkaç akım-voltaj ve analogdan dijitale dönüştürücü ile hassas ölçümler için, doğrusallık, ofset ve gürültü davranışlarındaki göreli değişimleri telafi etmek için her birinin kesin olarak karakterize edilmesi gerekebileceği belirtilmelidir. Aksi takdirde, örneğin spektroskopideki uygulamalarda bu, sorunlara yol açabilir.

Şarj transferi: FF, FT, IT, FIT CCD'ler

Ücretlerin kaydırılması sırasında, görüntü bilgisini tahrif etmemek için pozlama yoluyla başka bir ücret eklenmemelidir. Bu sorunu çözmek için çeşitli düzenlemeler yapılmıştır:

CCD türleri.
L - ışığa duyarlı pikseller,
T - transfer kaydı,
A - okuma amplifikatörü.

Tam kare CCD (FF-CCD)

Okuma işlemi sırasında ışığın CCD sensörünün üzerine düşmesini önlemenin en basit çözümü mekanik bir kilittir .

Perdeli CCD sensörlerde görüntü bilgilerini elde etmek için çipin tüm yüzeyi kullanıldığından, bu çözüm aynı zamanda “ tam çerçeve CCD ” (“tam görüntü” olarak tercüme edilir) veya “ tam çerçeve transfer CCD ” olarak da adlandırılır.

Bu ilkeye sahip CCD sensörleri, esas olarak bilimsel ve astronomik amaçlar için kullanılır, ancak mekanik kilit karmaşıktır ve arızalanmaya eğilimlidir.

Tam çerçeve CCD terimi yalnızca CCD sensörlerinin iç yapısı için değil, aynı zamanda 35 mm filmin "tam" 24 mm × 36 mm görüntü boyutuna karşılık gelen tam formatlı CCD'ler için de kullanılır . Bu makalede, terim, görüntü formatına veya sensörün boyutuna değil, yalnızca sensörün iç yapısına ve okuma işleminin türüne atıfta bulunur.

Çerçeve Aktarımı CCD (FT-CCD)

FT-CCD'ler ile yükler, yani depolanan görüntü, maruz kaldıktan sonra çok hızlı bir şekilde CCD çipinin karanlık bir alanına kaydırılır. Depolanan görüntü daha sonra bir sonraki maruz kalma süresi boyunca şarj paketi tarafından şarj paketinden okunabilir. Hızlı değiştirme süresi, maruz kalma süresinden çok daha kısa olmalıdır, aksi takdirde yayma etkisi çok güçlü olacaktır. Bu nedenle, mekanik deklanşörsüz FT-CCD'ler (normalde kullanıldıkları gibi) çok kısa pozlama süreleri için uygun değildir. Bazı profesyonel video kameralar, bu sorunu önlemek için döner bir deklanşör kullanır. Karanlık alan nedeniyle, bir FT-CCD piksellerin iki katı kadar hücreye (potansiyel kuyulara) ihtiyaç duyar ve ayrıca görüntü boyutunun iki katı büyüklüğünde olmalıdır.

Hatlar Arası Transfer CCD (IT CCD)

IT-CCD'ler ile her pikselin yükü, kapalı bir arabellek hücresinin yanına aktarılır; bu aynı anda tüm pikseller için olur. Ancak o zaman yükler karartılmış şeride (transfer yazmacı olarak adlandırılır) ve oradan okuma amplifikatörü yönünde kaydırılır. Mekanik kilit gerekli değildir; pozlama süresi elektronik olarak kontrol edilebilir, böylece pikseller boşaltılır ve transfer kaydına ( elektronik obtüratör , İngiliz elektronik obtüratör ) pozlamaya aktarılır . Bu çok kısa maruz kalma süreleri sağlar.

Tasarımla ilgili daha küçük ışığa duyarlı yüzey (tam çerçeve CCD'lere kıyasla) ve dolayısıyla daha düşük ışık hassasiyeti, küçük yakınsak lensler tarafından daha yeni CCD'lerle telafi edilir. Bunlar, her pikselin üzerinde yer alır ve ışığı odaklar, bu da sensörün ışık hassasiyetini yeniden artırır (“çipte lens” teknolojisi).

IT-CCD'lerin dezavantajı, FT-CCD'lere kıyasla yavaş okuma nedeniyle, ışığa duyarlı piksellerin yanındaki bellek hücrelerinde şarjların nispeten uzun kalma süresinden kaynaklanır. Aktarım yazmacının bellek hücreleri örtülüdür, ancak yine de ışığa duyarlıdırlar. By kırılmasıyla ışık dalgaları , fotonlar bu hücrelerin ulaşmak ve yıkıcı ücretleri neden olabilir. Bu sözde smear etkisini yaratır.

Çerçeve Hatlar Arası Transfer CCD (FIT-CCD)

FIT sensörleri , leke etkisini atlamak için bir çözüm sunar: Bu tipte, tampon hücrelerde depolanan yükler, mümkün olduğunca hızlı bir şekilde karanlık bir alana kaydırılır. Bu nedenle, FT çipinin ve IT çipinin ilkesini birleştirir. Bir yandan tampon hücreler, piksellerin gereğinden uzun süre doğrudan ışığa maruz kalmamasını sağlarken, diğer yandan çipin “açık” alanından nispeten hızlı bir şekilde okunurlar. Dezavantajı ise etkin piksel başına artık üç bellek hücresinin gerekli olması, bu da bu yongaları nispeten pahalı hale getiriyor. Ancak yüklerin hızlı kaldırılması z'dir. B. Yüksek hızlı kameralarla kaçınılmazdır. Pozlama kontrolü de burada elektronik olarak yapılır.

Aydınlatma: önden aydınlatmalı vs. arkadan aydınlatmalı

Çoğu CCD yongasında, silikon levhanın üst tarafı, yani yarı iletken yapıların üretildiği taraf ( ön taraf aydınlatmalı CCD ) aydınlatılır . Yüzeyde ışığa duyarlı olmayan yapılar vardır (örneğin polikristal silikondan yapılmış elektrotlar). Her şeyden önce, kısa dalgalı (mavi, mor ve ultraviyole) ışık zaten orada kısmen emilir. Bu kayıplar sözde arkadan aydınlatmalı CCD'lerde meydana gelmez . Bunu yapmak için, silikon plakanın arkası 10 ila 20 µm kalınlığa kadar taşlanır, ardından kazınır ve ışığa duyarlı "arka" yukarı bakacak şekilde kurulur. Bu üretim süreci çok pahalıdır, bu nedenle arkadan aydınlatmalı CCD'ler yalnızca kısa dalgalı ışık için yüksek hassasiyetin (kuantum verimi) önemli olduğu durumlarda, örneğin spektroskopi veya astronomide kullanılır. Arkadan aydınlatmalı CCD'lerin bir dezavantajı, daha uzun dalga boyları için eşit olmayan bir spektral hassasiyettir, çünkü Fabry- Perot interferometresinde ( etaloning ) olduğu gibi yüzeyler arasında ileri geri yansıyan ışık parazite neden olur .

Renk sensörleri, filtreler ve piksel düzenlemesi

Tek çipli renkli CCD'ler için kullanılan renk örnekleri
Bayer sensörü

Renkli görüntülerin tespiti için farklı spektral hassasiyete sahip piksellere sahip sensörler gereklidir. Aynı veya komşu konumlardaki piksellerin (her zaman gerekli) hesaplanmasından sonra, parlaklık ve renk bilgisi elde edilir.

Şu anda iki prosedür oluşturulmuştur:

  • Bir dikroik prizma kullanarak spektrumu bölen ve üç ayrı CCD sensörünü (üç çipli CCD sensörü) besleyen sistemler,
  • Emici bir renk maskesi (genellikle Bayer matrisi şeklinde ) ile sağlanan bir sensör kullanan sistemler ,

Silikonda kırmızı ve mavi ışığın farklı penetrasyon derinliklerini kullanan sistemler (Foveon X3 sensörü) CCD sensörlerinde yaygın değildir.

Üç çipli CCD sensörleri

Orta fiyat aralığındaki video kameralarda üç çipli CCD sensörler kullanılmaktadır. Nispeten küçük sensörlü kameralarda kullanılırlar (amatör sektörde 1/6 ″, profesyonel sektörde 2/3 ″). Dikroik prizma için alana sahip olmak için yaklaşık 1,6 sensör diyagonalinden büyük bir odak uzaklığına sahip optikler gerektirirler . Bunu yapmak için, yakalanan ışığı en iyi şekilde kullanırlar ve küçük sensör köşegenlerinde bile iyi bir sinyal-gürültü oranı ve iyi renk kalitesi sunarlar.

Dikroik prizma merceğin arkasında bulunur ve renk ayrımlarının ortaya çıktığı yüzeylerin her birine bir CCD sensörü yapıştırılır. CCD sensörlerle donatılmış bu prizma bloğunun üretimi, renk ayrımlarının kapatılabilmesi için yüksek hassasiyet gerektirmektedir.

Bayer sensörü

Tek çipli Bayer CCD sensörleri , tüm fiyat aralıklarındaki video kameralarda kullanılır (1/4 ″ amatör sektörde 20 mm × 36 mm'ye kadar, amatör sektörde ve profesyonel ortamda). Buna ek olarak, hemen hemen tüm (hareketsiz) tüm boyutlardaki (1/3 ″ ila orta format ) kameralar ve fiyat aralıkları (cep telefonlarından kameralara birkaç 10.000 € için) bu prensibe dayanıyordu - aşağıdaki, daha yaygın kullanıma sahip alternatif teknoloji o CMOS Sensörler . Flanş odak gereksinimleri yoktur, ancak üç çipli CCD'lerden daha büyük olma eğilimindedirler. Mevcut ışığı daha az kullanırlar ve aynı boyutta görüntüleri daha zayıf sinyal-gürültü oranıyla sunarlar. Öte yandan, kendileri çok daha kompakttırlar ve üç çipli CCD sensörlerinden daha kompakt optiklere izin verirler.

Kızılötesi kesme filtresi ve kenar yumuşatma filtresi

Tüm renk sensörlerinin ortak özelliği, sensörün önünde kızılötesi engelleme filtresi (genellikle doğrudan) olarak adlandırılan bir filtre bulunmasıdır. Ancak bu filtrenin daha birçok işlevi vardır:

  • 700 nm'den uzak kırmızı ve kızılötesi radyasyonun tamamen engellenmesi (bu nedenle adı; neredeyse tüm CCD sensörleri yakın kızılötesinde hassastır),
  • 580 nm'nin üzerinde hala görülebilen kırmızı spektral aralıkta absorpsiyonu artırarak gözün spektral duyarlılığının (bu filtrelerin camgöbeği görünmesinin nedeni budur) hissedilmesi,
  • Sensör bu dalga boylarında hala hassassa, mor ve ultraviyole ışığı 420 nm'nin altında engeller.

Bu filtre olmadan, koyu mavi ve koyu kırmızı alanlar, insan gözlemci için çok parlak görüntülenir. Sıcak, ancak parlamayan nesneler (havyalar) da çok parlak ve doğal olmayan renklerde görüntüleniyor. Kızılötesi veya ultraviyole ışığı yansıtan veya yayan nesneler yanlış renklerde görüntüleniyor.

Bir anti-aliasing filtre komşu farklı renk duyarlı piksellerin ışık dağıtmak için Bayer sensörler ve diğer tek CCD renkli sensörler için gereklidir. Bu filtre olmadan, örneğin, beyaz parlak bir nokta veya beyaz parlak bir çizgi, çok keskin bir görüntüye sahip yalnızca tek renkli piksellerle eşlenebilir; bu nesneler daha sonra görüntüde renkli olarak gösterilecektir. Ayrıca, kenar yumuşatma filtreleri piksel sıralarına küçük bir açıyla uzanan çizgilerin veya kenarların merdiven gibi görünmesini engeller. Kenar yumuşatma filtresi, görüntü netliğinde hafif bir azalma ile ilişkilidir.

Kenar yumuşatma ve kızılötesi engelleme filtreleri genellikle birbirleriyle birleştirilir veya yapıştırılır.

Tek renkli ve renkli sensörlerin piksel düzeni

Farklı piksel geometrilerinin karşılaştırılması

Şimdiye kadarki en büyük pazar payı, RGGB renk filtreleriyle (Bayer deseni) sağlanan kare pikselli sensörlere sahiptir. Ancak, diğer piksel şekilleri (dikdörtgen, altıgen, üçgen, eşkenar dörtgen, sekizgen + kare) ve diğer renk filtresi desenleri (tek renkli, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, Super-CCD-EXR düzenlemesi) de mümkündür. Bu tasarımlardan biri, birbirine daha yakın olan ve böylece belirli bir alana daha fazla sayıda piksel getiren, birbirine göre dengelenmiş sekizgen piksellerin petek şeklinde bir düzenlemesine sahip Süper CCD sensördür (Fuji patenti). Sensör yüzeylerinin üzerinde bulunan lenslerin boyutu heterojen olabilir, böylece fark edilir şekilde artan bir dinamik elde edilebilir.

Algılama hatası

Sistematik hatalar ve kalibrasyon

parlaklıktaki farklılıklar

CCD çipindeki kirlilik ( toz ), piksellerin eşit olmayan hassasiyeti veya kullanılan optikler ( vinyet , yansımalar ) nedeniyle görüntüdeki parlaklık farklılıklarını telafi edebilmek için, kaydedilen görüntü bir beyaz görüntü (beyaz görüntü veya düz Alan düzeltme) ve beyaz görüntünün ortalama değeri ile çarpılır. Gürültü karanlık akımı elde edilen görüntü ortadan kaldırmak için, bir karanlık görüntü olup çıkarılır önce (koyu görüntü veya koyu çerçeve düzeltmesi) (örneğin uzun süreli kaydı için astro ). Sonuç, kalibre edilmiş bir görüntüdür.

Resimler, astronomik bir kayıt örneği kullanılarak yapılan kalibrasyonu göstermektedir:

  • Ham görüntü, çok gürültülü bir görüntüye yol açan çok sayıda “ sıcak piksel ” gösterir . Bu gürültüde sönük yıldızlar kaybolur. Ham görüntüdeki koyu noktalar, CCD kameradaki tozdan kaynaklanır.
  • Karanlık görüntü, ham görüntüyle aynı pozlama süresi ve çalışma sıcaklığında , ancak kamera kapağı kapalıyken çekildi . Böylece ilgili maruz kalma süresi boyunca biriken karanlık akımı kaydeder .
  • Beyaz görüntü, cihaz eşit şekilde aydınlatılmış bir alana yönelik olarak çekilmiştir. Görüntünün aydınlatmasındaki (örneğin toz nedeniyle) ve tek tek piksellerin hassasiyetindeki düzensizlikleri algılar.
  • Bu kusurlar kalibre edilmiş görüntüde düzeltilmiştir. Burada sönük yıldızlar da görülebilir. Kalibre edilmiş görüntü, örneğin yıldızların görünen parlaklığını ölçmek için nicel analiz için kullanılabilir . Kalibrasyon olmadan, böyle bir ölçüm yanlış ölçülen değerlere yol açacaktır.

CCD penceresindeki düzensizlikler

Özellikle tutarlı ışıkta, sensörü tozdan koruyan CCD penceresinin yanlış işlenmesi istenmeyen parazit modellerine yol açabilir. Bu sorun, pencere düzlemine paralel değil, pencerenin bir tarafını diğer tarafa göre belirli bir açıyla yatırarak çözülebilir . Bir ışın pencerenin önüne çarparsa, arkadaki sensöre doğru hafifçe eğimli olarak çıkar, bu sayede Snellius ile tam çıkış açısı hesaplanabilir. Ancak ışın pencere içinde önden ve arkadan da dönüşümlü olarak yansır ve diğer noktalarda sensör yönünde tekrar pencereden çıkar. Basitlik adına, pencereden çıkan sadece iki kısmi ışın gözlenirse, ışınların dalga cepheleri bir hareli deseni oluşturur. Eğim açısı uygunsa, desenin maksimum şeritleri birbirine o kadar yakın hareket eder ki artık tek tek pikseller tarafından çözülemezler.

İstatistiksel hatalar ve gürültü

CCD çiplerinin kalitesini karakterize etmek için en önemli parametreler şunlardır:

  • Kuantum verimi , bir olay olduğunu, yani olasılık foton olacak bir elektron tetikler. CCD'lerin kuantum verimi, ışığın dalga boyuna bağlıdır ve %90'ın üzerinde olabilir ( karşılaştırma için fotoğraf filmi : %5 ila %10).
  • Karanlık akımı ışığa duyarlı hücreler. Karanlık akım büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır ve istatistiksel özelliklerinden dolayı karanlık akım gürültüsüne yol açar. Tüm pikseller için ayrı ayrı farklıdır ve bir görüntü paraziti kaynağıdır . Bireysel “ sıcak pikseller ”, yani özellikle yüksek karanlık akıma sahip pikseller de oluşabilir.
  • Bir pikselde saklanabilen şarj sayısı ( tam kuyu kapasitesi veya kuyu derinliği ).
  • Aşırı pozlama, tek tek piksellerde depolanabilecekten daha fazla yük oluşturduğunda davranış. Yük komşu piksellere aktarılırsa buna " çiçeklenme " denir . Çoğu CCD kamera, fazla yükleri yönlendirerek ("anti-blooming gate") bu etkiden kaçınır, ancak bu aynı zamanda bir piksel gerçekten dolmadan önce şarjın kaybolmasına neden olabilir. Işık miktarı ile yük arasındaki ilişki artık doğrusal değildir ve kesin ölçümler artık mümkün değildir.
  • Okuma amplifikatörüne yük transferinin verimliliği ( Charge Transfer Efficiency ).
  • Gürültü okuma amplifikatör (okuma gürültü ).

Son derece hassas kameralarla, CCD çipi soğutularak karanlık akım ve gürültü azaltılır. Örneğin karanlık akım gürültüsü, sıvı nitrojen ile soğutma yoluyla piksel ve saat başına üç elektronun altına düşürülebilir.

Beden bilgisi

Çip üzerindeki ışığa duyarlı alanın boyutu görüntü kalitesi için çok önemlidir. Aynı çözünürlükte (piksel sayısı) hücrelerin alanı çip alanıyla orantılıdır. Hücreler ne kadar büyükse, hücre başına düşen foton sayısı o kadar fazla olur ve bu da ışığa duyarlılığı artırır. Tüm parazit sinyalleri bir hücrenin alanı ile artmadığından, daha büyük bir çip daha iyi bir sinyal-gürültü oranına sahiptir . Ek olarak, daha büyük hücreler daha fazla elektron toplayabilir ve dolayısıyla daha büyük bir dinamik aralığa sahip olabilir.

Aktif alan (örneğin, 16 mm x 24 mm), zaman geleneksel direkt metrik tarifnamede ek olarak görüntü alma tüpleri olan korunmuş olan cam ampulün dış çapı inç (örneğin 2 / 3 ″) boyutun kullanıldığını belirtmek için kullanılır. Bununla birlikte, tüplerin ışığa duyarlı alanı, tüplerin dış çapından önemli ölçüde daha küçüktü: Örneğin, 1 inçlik bir tüp, yaklaşık 16 mm diyagonal görüntüye sahip aktif bir alana sahipti. Tanım olarak, 1 ″ CCD çipi 1 ″ tüp ile aynı ekran diyagonaline sahiptir.

CCD video sensörlerinde olduğu gibi klasik kamera tüpleri için ortak boyutlar profesyonel video kameralar için 2/3" (11 mm diyagonal) ve 1/2" (8 mm diyagonal), prosumer cihazları için 1/3" (ca 5,5 mm diyagonal) ve tüketici cihazları veya cep telefonu kameraları için daha küçük sensörler (1/4 "veya 1/6"). Küçük dijital kameralar genellikle 1 / 2.3 ″ sensörler (yaklaşık 7 mm diyagonal) kullanır, dijital SLR kameralar genellikle APS-C'ye benzer bir format (yaklaşık 28 mm diyagonal) veya daha yüksek fiyat aralığında benzer bir format kullanır o kadar 35mm formatında film üzerinde fotoğraf.

Uygulamalar

Esnek bir devre kartı üzerindeki kompakt bir kameranın CCD renk sensörü

Görüntü edinme

CCD sensörleri, görünür dalga boylarının yanı sıra yakın kızılötesi , UV ve X-ışını aralıkları için üretilebilir . Bu, özel uygulamalar için spektrumu 0,1 pm'den yaklaşık 1100 nm'ye kadar genişletir.Uzun dalga boylarının sınırı , yarı iletken malzemenin bant aralığı ile sınırlıdır (Si için yaklaşık 1,1 eV ve Ge için 0,66 eV). Bu nedenle doğa bilimlerinde ve teknolojide çeşitli şekillerde kullanılabilirler. Özellikle astronomide , yüksek hassasiyetleri aynı zamanda çok soluk nesnelerin gözlemlenmesini sağladığından, erken bir aşamada fotoğraf plakaları gibi diğer görüntü alıcılarının yerini büyük ölçüde aldılar . Diğer avantajları, geniş spektral duyarlılığı, yüksek dinamik aralığı (yani bir görüntünün çok zayıf ve çok parlak alanlarını aynı anda yakalama yeteneği) ve görüntü bilgisinin örneğin fotometride (parlaklık ölçümü) dijital olarak elde edilmesidir. ) ve gelişmiş görüntü işleme yöntemlerinin uygulanması bir avantajdır.

CCD dijital kameralar da genel fotoğrafçılıkta bir devrime neden oldu. Piksel sayısındaki artışla birlikte, CCD görüntü sensörlerinin olası kullanımları, neredeyse tüm fotoğraf uygulamalarını içerecek şekilde genişledi. Profesyonel analog fotoğraf kameralarının yerini birçok alanda 5 ila 18 megapiksel CCD sensörleri almıştır , bu durum orta formattaki dijital (tek lensli refleks) kameralar için daha da doğrudur ve giderek daha küçük formatta 30 ve daha fazla megapiksele sahiptir.

CMOS ve CCD

In fotoğraf teknolojisi , CMOS sensörler sadece ucuz "düşük seviye" cihazlar daha önce 2005 yılından sonra, yüksek kaliteli sektöründe yerini CCD sensörler donanımlı edildiği ile. Başlıca CMOS dezavantajları (gürültü, düşük hassasiyet) büyük ölçüde en aza indirildi veya karşılaştırılabilir bir seviyeye düşürüldü, böylece CMOS sensörleri, dijital tek lensli refleks kameralar (örneğin Canon EOS-1Ds 2002, Nikon) alanındaki CCD sensörlerinin yerini tamamen aldı. D2X 2004, Nikon D300 2007). (Uygulama alanı için) karşılaştırılabilir görüntü kalitesiyle, burada CMOS sensör teknolojisinin avantajları baskındır (daha hızlı ve alan kontrollü okuma, neredeyse hiç çiçeklenme vb.). CCD sensörler ise, çok yüksek çözünürlüklü (40 megapiksel ve daha büyük) dijital arka ve orta format kameralarda bulunur ve buradaki avantajlarından tam olarak yararlanabilir. Yüksek kaliteli dijital kompakt ve köprü kameralarda bile CCD sensörleri 2010 yılına kadar neredeyse yalnızca kullanıldı ( 2011'de CMOS'lu Canon Powershot S100 , Powershot G1X 2012).

video teknolojisi

Olarak , video kameralar , CCD sensör eski değiştirirken boru prensibi ( ikonoskop , Vidicon ). Video kameraların PAL - veya NTSC - standardına göre klasik çözünürlüğü 440.000 piksel (CCIR / PAL) veya 380.000 piksel (EIA / NTSC) ve 25 Hz (CCIR / PAL) veya 30 Hz (EIA / NTSC) kare hızlarıdır.

Yoğunlaştırılmış CCD, Kapılı CCD

CCD'ler önlerinde bir görüntü yoğunlaştırıcı ile çalıştırılabilir ve daha sonra yoğunlaştırılmış CCD (iCCD) olarak adlandırılır . Bunu yapmak için, ışık önce bir fotokatoda çarpar; serbest bırakılan elektron akımı, örneğin bir mikro kanal plakasında (MCP) çarpılır ve bir floresan ekrana çarpar. Oradan ışık, örneğin fiber optik aracılığıyla CCD'ye yönlendirilir. Günümüzün CCD'lerinin yüksek hassasiyeti nedeniyle, yoğunlaştırılmış CCD'ler, uzun pozlama süreleriyle hassasiyette herhangi bir kazanç sağlamaz (fotokatotların kuantum verimi, en iyi CCD'lerinkinden bile daha düşüktür). En hassas CCD'ler nispeten yavaş bir okuma hızına sahip olduğundan, iCCD'ler yüksek kare hızlarında (örneğin video) avantajlı olabilir. Yoğunlaştırılmış CCD'ler ayrıca 0,2 ns'ye kadar çok kısa maruz kalma sürelerine de olanak tanır ve bu süreler  hiçbir şekilde tek başına bir CCD ile elde edilemez. Bunu yapmak için mikro kanal plakasına kısa bir voltaj darbesi uygulanır. Bu düzenleme kapılı CCD olarak bilinir .

EBCCD

CCD'ler sadece elektromanyetik radyasyona değil, aynı zamanda elektron-boşluk çiftleri ürettikleri için iyonlaştırıcı parçacık radyasyonuna da duyarlıdır. " Geri-aydınlatmalı olay elektronlar için sensör olarak kullanılan" CCD, aynı zamanda şu şekilde bilinmektedir ebCCD ( elektron CCD bombardıman ). Bu sensörlerin bir uygulaması artık ışık yükselticisidir: Elektronlar bir foto katottan gelir ve uygulanan voltaj vasıtasıyla bir ebCCD sensörüne hızlandırılır, böylece gelen her elektron için birkaç elektron deliği çifti üretilir.

Edebiyat

  • Gerald C. Holst: CCD dizileri, kameralar ve ekranlar. JCD Yayıncılık, Winter Park 1996, ISBN 0-9640000-2-4 .

İnternet linkleri

Commons : Şarj bağlantılı cihazlar  - resim, video ve ses dosyalarının toplanması

Bireysel kanıt

  1. ^ WS Boyle, GE Smith: Şarj bağlantılı yarı iletken ölü cihazlar . İçinde: Bell sistem teknik günlüğü (BSTJ) . Cilt 49, 1970, ISSN  0005-8580 , s. 587-593 ( PDF ).
  2. GF Amelio, MF Tompsett, GE Smith: Yük Bağlantılı Cihaz Konseptinin Deneysel Doğrulaması . İçinde: Bell sistem teknik günlüğü (BSTJ) . bant 49 , 1970, ISSN  0005-8580 , s. 593-600 .
  3. ^ 2009 Nobel Fizik Ödülü. Erişim tarihi: 18 Nisan 2018 .
  4. DF Barbe: Şarj bağlantılı konsepti kullanan görüntüleme cihazları . İçinde: IEEE Bildirileri . Cilt 63, hayır. 1 . New York 1975, s. 38-67 . ISSN 0018-9219  
  5. CCD Görüntü Sensörü, Thomson-CSF Division Silicon, DTE-145 uygulama broşürü