CCD-anturi

CCD-anturit ovat valoherkkiä elektronisia komponentteja, jotka perustuvat sisäiseen valokuvatehosteeseen . "CCD" tässä on lyhenne on Englanti charge-coupled device ( dt. , Charge-Coupled Device), jota käytetään CCD-sensorin.

Alun perin vuonna 1969 CCD: t kehitettiin tietojen tallentamista varten. Nopeasti huomattiin kuitenkin, että nämä komponentit ovat herkkiä valolle ja että kaksiulotteisen kuvan saaminen on suhteellisen helppoa. Tällainen CCD-kenno rakennettiin jo vuonna 1970, ja elektroniikan myöhemmän pienentämisen vuoksi ensimmäiset CCD-kamerat, joissa oli televisiokameroille riittävä pikselimäärä, tuotettiin jo vuonna 1975. CCD-antureita on käytetty kuvan anturit tähtitiede ja satelliitti kauko tunnistava koska noin 1983 .

Kaksiulotteinen CCD-ryhmän antureita käytetään videokamerat ja digikamerat , yksiulotteinen CCD linjan anturit vuonna telekopiolaitteet , spektrometrit ja skannerit . Sen sijaan CMOS-anturit löytyvät yleensä älypuhelinten ja tablettien kameroista .

CCD-kennon keksinnöstään Willard Boyle ja George E.Smithille myönnettiin vuonna 2009 fysiikan Nobel-palkinto , joka jaettiin Charles Kuen Kaon kanssa , joka on tunnustettu valokuitujen perustyöstä . Smith ja Michael Tompsett saivat vuonna 2017 Queen Elizabeth -palkinnon tekniikasta CCD-kehityksessä .

CCD-kenno kuvankäsittelyyn tähtitieteessä
CCD-kenno verkkokamerassa

Tekninen rakenne ja toiminta

Animaatio varauksensiirrosta CCD: ssä

CCD-kuva-antureita (Charge Coupled Device - kuva-anturi) koostuvat joukon valoherkkiä valodiodeja . Ne voivat olla suorakaiteen, neliön tai monikulmion muotoisia, reunan pituudeltaan 1,4 um - yli 20 um. Mitä suurempi pikselien pinta-ala, sitä korkeampi valoherkkyys ja dynaaminen alue CCD-kennossa, mutta sitä pienempi kuvan resoluutio samalla kennokoolla .

Useimmat CCD: t ovat MIS-rakenteita : Seostetun puolijohteen päällä on eristävä kerros, johon optisesti läpinäkyvät sähköjohtimet (elektrodit) on kiinnitetty. Latauskantajat (enimmäkseen elektroneja , joskus myös " reikiä ") kerääntyvät tämän alle . Muita hienoja sähkö linjoja usein ajaa välillä pikseleitä , jotka toimivat lukea ja suojaamaan ylivalotuksella pikseliä.

Tuleva valo siirtää energiansa puolijohteen elektroneihin sisäisen valosähköisen vaikutuksen kautta . Samanaikaisesti syntyy negatiivisesti varautuneita vapaita elektroneja ja positiivisesti varautuneita "reikiä", jotka erottuvat toisistaan ​​sovelletun jännitteen vuoksi. Lataukset eivät kuitenkaan virtaa välittömästi ulkopuolelle kuin fotodiodilla , vaan ne kerätään itse varastokennoon, niin kutsuttuun potentiaalikaivoon , joka varaa varauksia kuin kondensaattori. Latauksen määrä on verrannollinen säteilytetyn valon määrään, jos se luetaan hyvissä ajoin ennen fotodiodin avoimen piirin jännitteen saavuttamista.

Ylialtistuksen sattuessa varaukset solun potentiaalikaivosta voivat siirtyä naapurisoluihin; tämä vaikutus tunnetaan kukkivana . Toisaalta auttaa "kukinnan estävä portti", joka toimii kuin ylivuoto, eli haihduttaa ylimääräiset kulut. Tämä johtaa kuitenkin epälineaarisuuteen valon määrän ja lähtösignaalin välillä, erityisesti pitkillä valotusajoilla ; siksi tieteellisiin sovelluksiin tarkoitetut CCD-anturit tekevät usein ilman niitä.

Altistuksen jälkeen varaukset (engl. Charge of a bucket), vastaavat (tästä johtuen termi bucket brigade device), siirtyvät vähitellen, kunnes ne lopulta latauspaketteina peräkkäin saavuttavat lukuvahvistimen. Sähköjännite riippuu varauksesta ja siten valon määrästä.

Anturin lähtösignaali on siis sarja . Yksittäisten pikselien varaukset tuotetaan peräkkäin, kun taas alkuperäinen kuva luotiin rinnakkain altistamalla kaikki pikselit samanaikaisesti. Suurimmalle osalle videokameroiden CCD-kennoista lähetetään vastaavasti vain kentät (d. H. Kunnes kaikki parittomat ja sitten kaikki parilliset viivat) ( lomitettu , eng. Lomitettu ). Kaikissa muissa tarkoituksissa progressiivisen skannauksen CCD: t ovat yleisiä, joissa linjat lähetetään peräkkäin luonnollisessa järjestyksessään.

fysiikka

Optisesti läpinäkyvä, sähköä eristävä kerros piilee on seostettu puolijohde. Sille levitetään monia johtavasta ja samalla optisesti läpinäkyvästä materiaalista valmistettuja elektrodeja. Valon havaitsemiseksi näkyvällä alueella pii soveltuu parhaiten puolijohdemateriaaliksi. Piidioksidia käytetään sitten eristekerroksena . Elektrodeissa käytetään enimmäkseen monikiteistä piitä ("monikiteistä piitä") ja viime aikoina myös indiumtinaoksidia . Elektrodien samankaltaisuuden vuoksi MOSFET- elektrodien kanssa elektrodeihin viitataan myös hilaelektrodeina. MOSFET-laitteilla portit ovat kuitenkin 10  nm 10 um: n sijasta  , ja varausta ohjataan 1 V - 3,3 V potentiaalisen 1 V: n sijasta, mikä mahdollistaa yli 40 MHz: n kellotaajuuden. Elektrodeja voidaan ohjata ulkoisesti alumiinikontaktien kautta.

Nauhamalli “pintakanavan” CCD: stä, jossa elektronit ovat potentiaalikaivossa

Jos elektrodiin kohdistetaan jännite (positiivinen p- seostetun puolijohteen tapauksessa, negatiivinen n-seostuksen tapauksessa), puolijohdepinnan eristävän kerroksen alle muodostuu potentiaalikaivoksi kutsuttu alue . Tällä alueella valtaosan kantajien kantajapitoisuus on hyvin pieni.

Fotonit , jonka energia on suurempi kuin nauhan aukko puolijohde, hissi elektroneja valenssivyön että johtuminen bändi ; niin puolijohteeseen luodaan elektronireikäparit. Tämä on niin kutsuttu sisäinen valosähköinen vaikutus . Prosessissa syntyvät ylimääräiset vähemmistövarauksen kantajat , eli elektronit tai "reiät", kerääntyvät potentiaalikaivoon, kun taas suurin osa samanaikaisesti syntyvistä varauksen kantajista virtaa pois puolijohteen sisätilaan.

Vaihtamalla vierekkäisissä elektrodeissa olevaa jännitettä potentiaalikaivo voidaan muotoilla siten, että siinä olevat varauksen kantoaineet liikkuvat haluttuun suuntaan lukemista varten.

CCD: n perusrakennetta voitaisiin edelleen parantaa. Tärkeä lisäys on puolijohdekerros suoraan eristimen alla vastakkaisen dopingin kanssa. Tämä luo niin sanotun "hautautuneen kanavan", mikä tarkoittaa, että fotonien tuottamat vähemmistövarauskantajat eivät enää kerää suoraan eristimen ja puolijohteen välisellä rajapinnalla, vaan puolijohteen sisällä. Tällöin vähemmistövarauskantajat eivät enää saavuta eristimen ja puolijohteen välistä rajapintaa, jossa siellä aina olevat kristalliviat häiritsevät (enempää varauksia ei voida "kaapata" tai "juuttua" tällä rajalla). ”Haudatun kanavan” CCD: t (toisin kuin ensin kuvatut “pintakanavan” CCD: t) ovat kohinaa matalampia ja huomattavasti parantunutta latauksen siirron tehokkuutta, mutta vähemmän latauskantajia voidaan tallentaa pikseliä kohti.

Tyypit

Geometria: taulukko, viiva ja piste

CCD-linjasensori faksista

Useimmat CCD-anturit ovat aluetunnistimia kuvien tallentamiseen. Siellä anturin lukemiseksi väliaikaisesti tallennettu fotodiodien varaus siirretään pystysuoraan CCD: hen (pystysuuntainen siirtorekisteri), sitten siirretään pystysuunnassa linjataajuudella. Jokaisesta CCD-sarakkeesta putoava varaus pääsee vaakasuoraan CCD: hen, joka siirtyy nopeasti (pikselitaajuus, joka määrittää videon kaistanleveyden). Tämän siirtorekisterin lähdössä oleva signaali syötetään lukuvahvistimeen (latausjännitemuuntaja ja impedanssimuunnin).

Tuloksena olevalla lähtösignaalilla on monia yhtäläisyyksiä tavanomaisten kuvantallennusputkien signaaliin . Nämä yhtäläisyydet tekivät kuvan tallennusputkien korvaamisen teknisesti helpommaksi CCD-antureilla.

Tätä perusperiaatetta voidaan muuttaa:

  • Nopeuden lisäämiseksi voidaan käyttää useita lukuvahvistimia. Kaksi lukuvahvistinta z. B. parilliset sarakkeet työnnetään ylöspäin ja parittomat sarakkeet työnnetään pois valoa aktiiviselta alueelta. Nämä syötetään sitten kahteen vaakasuuntaiseen siirtorekisteriin, joissa on kaksi virta-jännitemuuntajaa ja kaksi lähtöä.
  • Vaakasuuntainen siirtorekisteri voidaan jättää kokonaan pois ja CCD-periaatetta käytetään vain pystysuoraan varauksensiirtoon. Jokaiselle sarakkeelle on erillinen virtajännitemuuntaja, jota voidaan käyttää paljon hitaammin.
  • Jos laajennat tämän rinnakkaistamisen yksittäisten pikselien tasolle, sinulla ei ole enää CCD-anturia, koska latauksen siirtäminen ei ole enää tarpeen. Näitä antureita kutsutaan aktiivisiksi pikseliantureiksi .
  • Jos tarvitset vain yksiulotteisen anturin (koska toista mittaa ei vaadita tai se luodaan mekaanisesti), saat linjasensorin, joka ei vaadi vaakasuuntaista siirtorekisteriä.
  • Erityinen CCD-muoto ( Electron Multiplying CCD , EMCCD) käyttää erityisiä siirtorekistereitä signaalivahvistukseen lukuvahvistimen edessä ja soveltuu siksi hyvin matalalle valovoimalle. EMCCD-levyjen tapauksessa myös pisteilmaisimet, jotka puolestaan ​​ovat CCD: itä, ovat mahdollisia. Suurin osa EMCCD-levyistä on kuvakennoja ja käyttää myös "normaaleja" siirtorekistereitä latauskuljetuksiin.

On huomattava, että tarkkoja mittauksia varten useilla nykyisillä jännite- ja analogia-digitaalimuuntimilla kukin niistä on ehkä karakterisoitava tarkasti kompensoimaan niiden lineaarisuuden, siirtymän ja melukäyttäytymisen suhteelliset vaihtelut. Muuten, esimerkiksi spektroskooppisovelluksissa, tämä voi johtaa ongelmiin.

Latauksen siirto: FF, FT, IT, FIT CCD

Latausten siirtämisen aikana valotusta ei tulisi lisätä, jotta kuvan tietoja ei väärennettäisi. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on suunniteltu erilaisia ​​järjestelyjä:

CCD-tyypit.
L - valoherkät pikselit,
T - siirtorekisteri,
A - lukuvahvistin.

Täysikokoinen CCD (FF-CCD)

Yksinkertaisin ratkaisu estää valon putoamisen CCD-anturiin lukuprosessin aikana on mekaaninen lukko .

Koska suljinnesteisillä CCD-antureilla sirun koko pintaa käytetään kuvainformaation saamiseen, tätä ratkaisua kutsutaan myös ” täysikokoiseksi CCD: ksi ” (käännettynä ”koko kuvaksi”) tai “ täysikokoiseksi siirron CCD: ksi ”.

Tämän periaatteen mukaisia ​​CCD-antureita käytetään pääasiassa tieteellisiin ja tähtitieteellisiin tarkoituksiin, mutta mekaaninen lukko on monimutkainen ja altis vikaantumiselle.

Termiä täysikokoinen CCD ei käytetä vain CCD-antureiden sisäiseen rakenteeseen, vaan myös ns. Täysikokoisiin CCD: iin , jotka vastaavat 35 mm: n elokuvan "täyttä" 24 mm × 36 mm: n kuvakokoa . Tässä artikkelissa termi viittaa vain anturin sisäiseen rakenteeseen ja lukuprosessin tyyppiin, ei kuvamuotoon tai anturin kokoon.

Kehyksensiirto CCD (FT-CCD)

FT-CCD: n avulla varaukset, ts. Tallennettu kuva, siirtyvät hyvin nopeasti CCD-sirun tummennetulle alueelle valotuksen jälkeen. Tallennettu kuva voidaan sitten lukea latauspaketista latauspaketista seuraavan valotusajan aikana. Nopean siirtymisen on oltava paljon lyhyempi kuin valotusaika, muuten tahrovaikutus on liian voimakas. Siksi FT-CCD: t ilman mekaanista suljinta (kuten niitä normaalisti käytetään) eivät sovellu hyvin lyhyille valotusajoille. Jotkut ammattikäyttöön tarkoitetut videokamerat käyttävät pyörivää suljinta tämän ongelman välttämiseksi. Pimenneen alueen takia FT-CCD tarvitsee kaksi kertaa niin monta solua (potentiaalikaivoa) kuin pikseliä, ja sen on myös oltava kaksi kertaa suurempi kuin kuvan koko.

Interline Transfer CCD (IT CCD)

IT-CCD: llä jokaisen pikselin varaus siirretään peitetyn puskurisolun sivulle; tämä tapahtuu kaikille pikseleille samanaikaisesti. Vasta sitten varat siirretään pimenneelle nauhalle (ns. Siirtorekisteri) ja sieltä lukuvahvistimen suuntaan. Mekaanista lukitusta ei tarvita; valotusaikaa voidaan hallita elektronisesti, joten pikselit tyhjennetään ja siirretään valotussiirtorekisteriin ( elektroninen suljin , englanninkielinen suljin ). Tämä mahdollistaa hyvin lyhyet valotusajat.

Suunnitteluun liittyvä pienempi valoherkkä pinta (verrattuna täysikokoisiin CCD-kennoihin) ja siten huonompi valoherkkyys kompensoidaan uudemmilla CCD-laitteilla pienillä konvergoituvilla linsseillä. Nämä ovat kunkin pikselin yläpuolella ja tarkentavat valoa, mikä lisää sensorin valoherkkyyttä uudelleen ("linssi sirulle" -tekniikka).

IT-CCD: n haittapuoli johtuu muistisolujen varausten suhteellisen pitkästä viiveestä valoherkkien pikselien vieressä johtuen hitaasta lukemisesta verrattuna FT-CCD: iin. Siirtorekisterin muistisolut ovat peitossa, mutta ne ovat silti herkkiä valolle. Vuoteen diffraktion valonsäteet , fotonit voi saavuttaa näitä soluja ja aiheuttaa häiritsevää maksuja. Tämä luo ns. Tahrovaikutuksen .

Frame Interline Transfer CCD (FIT-CCD) -kehys

FIT-anturit tarjoavat ratkaisun tahra- ilmiön ohittamiseen: Tämän tyyppisellä tavalla puskurikennoihin tallennetut varaukset siirtyvät mahdollisimman nopeasti pimeälle alueelle. Siksi se yhdistää FT-sirun ja IT-sirun periaatteen. Toisaalta puskurisolut varmistavat, että pikselit eivät ole suoraan alttiina valolle pidempään kuin on tarpeen, ja toisaalta ne luetaan suhteellisen nopeasti sirun "avoimelta" alueelta. Haittana on, että nyt tarvitaan kolme muistisolua yhtä tehokasta pikseliä kohti, mikä tekee näistä siruista suhteellisen kalliita. Kuormien nopea poistaminen on kuitenkin z. B. väistämätöntä suurten nopeuksien kameroiden kanssa. Valotuksen säätö tapahtuu täällä myös sähköisesti.

Valaistus: etupuolella valaistu vs. takapuolella valaistu

Suurimmalla osalla CCD-siruja piikiekon yläpuoli valaistaan, ts. Se puoli, jolle puolijohderakenteet tuotettiin ( etupuolella valaistu CCD ) . Pinnalla on rakenteita, jotka eivät ole herkkiä valolle (esim. Monikiteisestä piistä valmistetut elektrodit). Ennen kaikkea lyhytaaltoinen (sininen, violetti ja ultravioletti) valo on jo osittain absorboitunut sinne. Näitä häviöitä ei tapahdu niin kutsuttujen takapuolella valaistujen CCD - laitteiden kanssa . Tätä varten piilevyn takaosa jauhetaan 10 - 20 pm: n paksuuteen, syövytetään sitten ja asennetaan valoherkälle "selälle" ylöspäin. Tämä valmistusprosessi on erittäin kallista, minkä vuoksi takapuolella valaistuja CCD: itä käytetään vain silloin, kun lyhytaaltoisen valon korkea herkkyys (kvanttisato) on tärkeää, esimerkiksi spektroskopiassa tai tähtitieteessä. Takapuolella valaistujen CCD-laitteiden haittana on epätasainen spektriherkkyys pidemmillä aallonpituuksilla, koska pintojen välillä edestakaisin heijastunut valo aiheuttaa häiriöitä, kuten Fabry- Perot- interferometrissä ( etalonointi ).

Värianturit, suodattimet ja pikselijärjestely

Värinäytteet, joita käytetään yhden sirun värillisiin CCD-tiedostoihin
Bayer-anturi

Värikuvien havaitsemiseksi tarvitaan antureita, joiden pikselit ovat eri spektriherkkyyksiä. Laskettuaan (aina välttämätön) pikselit samasta tai vierekkäisestä sijainnista saadaan kirkkaus- ja väritiedot.

Tällä hetkellä on vahvistettu kaksi menettelyä:

  • Järjestelmät, jotka jakavat spektrin käyttämällä dikroottista prismaa ja syöttävät kolme erillistä CCD-anturia (kolmen sirun CCD-anturi),
  • Järjestelmät, jotka käyttävät anturia, joka on varustettu absorboivalla värimaskillä (yleensä Bayer-matriisin muodossa ),

Järjestelmät, joissa käytetään punaisen ja sinisen valon eri tunkeutumissyvyyksiä piissä (Foveon X3 -anturi), eivät ole yleisiä CCD-antureiden kanssa.

Kolmisiruiset CCD-anturit

Kolmisiruisia CCD-antureita käytetään videokameroissa keskihintaisesta hintaluokasta. Niitä käytetään kameroissa, joissa on suhteellisen pienet anturit (1/6 "amatöörialalla ja 2/3" ammattialalla). Ne tarvitsevat optiikkaa, jolla on suuri polttoväli noin 1,6 anturin lävistäjältä, jotta niillä olisi tilaa dikroiselle prismalle . Tätä varten he käyttävät kaapattua valoa optimaalisesti ja tuottavat hyvän signaali-kohinasuhteen ja hyvän värinlaadun myös pienillä anturin lävistäjillä.

Dikroottinen prisma sijaitsee linssin takana, ja CCD-anturi on liimattu jokaiselle pinnalle, jolle värierot syntyvät. Tämän CCD-antureilla varustetun prismalohkon tuotanto vaatii suurta tarkkuutta, jotta voidaan varmistaa, että värierot on peitetty.

Bayer-anturi

Yhden sirun Bayer CCD -antureita käytetään videokameroissa kaikilla hintaluokilla (1/4 tuumaa amatöörialalla aina 20 mm × 36 mm asti, sekä amatööri- että ammattiympäristössä). Lisäksi melkein kaikki kaikenkokoiset (1/3 tuuman - keskikokoiset ) ja hintaluokan (matkapuhelimet - kamerat hintaan 10000 euroa) kamerat perustuivat tähän periaatteeseen - seuraava, vaihtoehtoisempi tekniikka, jota käytetään enemmän että CMOS-anturit . Niillä ei ole laippapolttovaatimuksia, mutta ne ovat yleensä suurempia kuin kolmen sirun CCD: t. He käyttävät vähemmän käytettävissä olevaa valoa ja tuottavat samankokoisia kuvia huonommalla signaali-kohinasuhteella. Toisaalta ne ovat itse paljon pienempiä ja mahdollistavat pienemmän optiikan kuin kolmen sirun CCD-anturit.

Infrapunasuodatin ja aliasing-suodatin

Kaikilla väriantureilla on yhteistä se, että anturin edessä on ns. Infrapunasuojaussuodatin (yleensä suoraan). Mutta tällä suodattimella on paljon enemmän toimintoja:

  • Etäisen punaisen esto 700 nm: n etäisyydeltä ja infrapunasäteily (tästä nimi; melkein kaikki CCD-anturit ovat herkkiä lähi-infrapunalle),
  • Silmän spektriherkkyyden tunne (tämän vuoksi nämä suodattimet näyttävät sinisiltä) lisäämällä absorptiota edelleen näkyvällä punaisella spektrialueella yli 580 nm,
  • Violetin ja ultraviolettivalon estäminen alle 420 nm: ssä, jos anturi on edelleen herkkä näillä aallonpituuksilla.

Ilman tätä suodatinta syvän sininen ja syvä punainen alue näytetään liian kirkkaasti ihmisen tarkkailijalle. Kuumat, mutta ei hehkuvat esineet (juotosraudat) näytetään myös liian kirkkaina ja luonnottomilla väreillä. Infrapuna- tai ultraviolettivaloa heijastavat tai säteilevät objektit näytetään väärillä väreillä.

Valetoiston suodatin tarvitaan Bayer anturit ja muut yhden CCD-väri anturit jotta jakaa valon viereisen, eri väri-herkkiä pikseleitä. Ilman tätä suodatinta esimerkiksi valkoinen kirkas piste tai valkoinen kirkas viiva voitaisiin kartoittaa vain yhden värin pikseleihin, joissa on erittäin terävä kuva; nämä objektit näytetään sitten kuvassa värillisinä. Lisäksi anti-aliasing-suodattimet estävät pienessä kulmassa pikseliriveihin kulkevien viivojen tai reunojen näyttämisen portaiden muodossa. Aliasing-suodatin liittyy kuvan terävyyden vähäiseen vähenemiseen.

Antialiasing- ja infrapunasuojaussuodattimet yhdistetään tai sementoidaan usein toisiinsa.

Pikselijärjestelmä mustavalko- ja väriantureita

Eri pikseligeometrioiden vertailu

Ylivoimaisesti suurimmalla markkinaosuudella on neliöpikseliset anturit, jotka on varustettu RGGB-värisuodattimilla (Bayer-kuvio). Muut pikselimuodot (suorakulmainen, kuusikulmainen, kolmionmuotoinen, rombinen, kahdeksankulmainen + neliö) ja muut värisuodatinkuviot (yksivärinen, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, Super-CCD-EXR-järjestely) ovat kuitenkin myös mahdollisia. Yksi näistä malleista on Super-CCD-kenno (Fuji-patentti), jossa on hunajakennojärjestelmä kahdeksankulmaisia ​​pikseleitä, jotka ovat siirtyneet toisistaan, jotka ovat lähempänä toisiaan ja tuovat siten suuremman määrän pikseleitä tietylle alueelle. Anturipintojen yläpuolella olevien linssien koko voi olla heterogeeninen, jotta voidaan saavuttaa huomattavasti lisääntynyt dynamiikka.

Tunnistamisvirhe

Systemaattiset virheet ja kalibrointi

Kirkkauden erot

Jotta pystytään kompensoimaan kuvan kirkkauserot, jotka johtuvat CCD-sirun saastumisesta ( pöly ), pikselien epätasaisesta herkkyydestä tai käytetystä optiikasta ( vinjetointi , heijastukset ), tallennettu kuva jaetaan valkoinen kuva (valkoinen kuva tai tasainen kenttäkorjaus) ja kerrottuna valkoisen kuvan keskiarvolla. Pimeästä virrasta johtuvan kuvakohinan eliminoimiseksi tumma kuva vähennetään etukäteen (tumma kuva tai tumman kehyksen korjaus) pitkäaikaista tallennusta varten (esim. Astrofotografiassa ). Tuloksena on kalibroitu kuva.

Kuvissa näkyy kalibrointi tähtitieteellisen tallennuksen esimerkillä:

  • Raakakuvassa näkyy lukuisia " kuumia pikseleitä ", jotka johtavat erittäin meluisaan kuvaan. Heikot tähdet ovat kadonneet tästä melusta. Raakakuvan tummat täplät johtuvat CCD-kameran pölystä.
  • Tumma kuva otettiin samalla valotusajalla ja käyttölämpötilassa kuin raakakuva, mutta kameran suljin oli suljettu . Se tallentaa siten pimeän virran, joka on kertynyt vastaavan valotusajan aikana .
  • Valkoinen kuva otettiin instrumentilla, joka oli suunnattu tasaisesti valaistulle alueelle. Se havaitsee epäsäännöllisyydet kuvan valaistuksessa (esimerkiksi pölystä) ja yksittäisten pikselien herkkyydessä.
  • Nämä viat on korjattu kalibroidussa kuvassa. Heikkoja tähtiä voi nähdä myös täällä. Kalibroitua kuvaa voidaan käyttää kvantitatiiviseen analyysiin, esimerkiksi tähtien näennäisen kirkkauden mittaamiseen . Ilman kalibrointia tällainen mittaus johtaisi virheellisiin mittausarvoihin.

  • Raaka kuva

  • Tumma kuva

  • Valkoinen näyttö

  • Kalibroitu kuva

CCD-ikkunan epäsäännöllisyydet

Erityisesti koherentin valon kohdalla voi tapahtua, että CCD-ikkunan virheellinen käsittely, joka suojaa anturia pölyltä, johtaa ei-toivottuihin häiriökuvioihin. Tämä ongelma voidaan korjata rakentamatta ikkunaa tasaiseksi , vaan kallistamalla ikkunan toista puolta tietyssä kulmassa toisen puolen suhteen. Jos palkki osuu ikkunan etuosaan, se nousee hieman kallistettuna kohti takana olevaa anturia, jolloin tarkka poistumiskulma voidaan laskea Snellius-sovelluksella . Säde heijastuu kuitenkin vuorotellen myös ikkunan edessä ja takana ja poistuu ikkunasta uudelleen anturin suuntaan muissa kohdissa. Jos yksinkertaisuuden vuoksi havaitaan vain kaksi ikkunasta tulevaa osittaista sädettä, säteiden aaltorintamat muodostavat moirekuvion . Jos kaltevuuskulma on sopiva, kuvion maksimiliuskat liikkuvat niin lähellä toisiaan, että yksittäiset pikselit eivät enää pysty erottamaan niitä.

Tilastovirheet ja melu

Tärkeimmät parametrit CCD-sirujen laadun kuvaamiseksi ovat:

  • Kvanttihyötysuhde , eli todennäköisyys, että tapaus fotoni aiheuttaa elektroneja. CCD: n kvanttisaanto riippuu valon aallonpituudesta ja voi olla yli 90% ( valokuvaelokuva vertailun vuoksi: 5% - 10%).
  • Tumma virta valoherkkä soluja. Pimeä virta on voimakkaasti lämpötilariippuvainen ja johtaa tilastollisten ominaisuuksiensa vuoksi pimeään nykyiseen meluun. Se on erikseen erilainen kaikissa pikseleissä ja on kuvakohinan lähde . Yksittäisiä " kuumia pikseleitä ", eli pikseleitä, joilla on erityisen suuri tumma virta, voi myös esiintyä.
  • Pikseliin tallennettavien latausten määrä ( täysi kaivokapasiteetti tai syvyys ).
  • Käyttäytyminen ylivalotuksessa tuottaa enemmän varauksia yksittäisissä pikseleissä kuin voidaan tallentaa. Jos varaus siirtyy naapurikuvapisteisiin, sitä kutsutaan " kukkivaksi ". Monet CCD-kamerat välttävät tämän vaikutuksen siirtämällä ylimääräiset varaukset ("kukinnan estävä portti"), mutta tämä voi myös johtaa latauksen menetykseen ennen kuin pikseli on todella täynnä. Valon määrän ja varauksen suhde ei silloin ole enää lineaarinen, eikä tarkkoja mittauksia voida enää suorittaa.
  • Latausvahvistimen latauksensiirron tehokkuus ( Charge Transfer Efficiency ).
  • Melu lukeman vahvistimen (lukema melu ).

Erittäin herkissä kameroissa tummaa virtaa ja kohinaa vähennetään jäähdyttämällä CCD-sirua. Pimeän virran kohina voidaan esimerkiksi vähentää alle kolme elektronia per pikseli ja tunti jäähdyttämällä nestetypellä.

Kokotiedot

Sirun valoherkän alueen koko on erittäin tärkeä kuvan laadun kannalta. Samalla resoluutiolla (pikselien lukumäärä) solujen pinta-ala on verrannollinen sirun pinta-alaan. Mitä suuremmat solut, sitä enemmän fotoneja osuu solua kohden, mikä lisää valoherkkyyttä. Koska kaikki häiritsevät signaalit eivät kasva solun pinta-alasta, suuremmalla sirulla on parempi signaali-kohinasuhde . Lisäksi suuremmat solut voivat kerätä enemmän elektroneja ja siten olla suurempi dynaaminen alue.

Aktiivisen alueen suoran metrisen määrittelyn (esim. 16 mm × 24 mm) lisäksi on säilytetty kuvanottoputkien aikaan käytetty perinne , jossa lasikupun ulkohalkaisija tuumina (esim. 2 / 3 ″) käytetään osoittamaan käytetyn koon. Putkien valoherkkä pinta-ala oli kuitenkin huomattavasti pienempi kuin putkien ulkohalkaisija: Esimerkiksi 1 tuuman putken aktiivinen alue oli kuvan lävistäjä noin 16 mm. Määritelmän mukaan 1 tuuman CCD-sirulla on sama näytön lävistäjä kuin 1 tuuman putkella.

Klassisten kameraputkien tavalliset koot, kuten CCD-videotunnistimille, ovat ammattimaisille videokameroille 2/3 "(lävistäjä 11 mm) ja 1/2" (lävistäjä 8 mm), prosumer- laitteille 1/3 "(n. 5,5 mm: n lävistäjä) ja jopa pienemmät anturit (1/4 "tai 1/6") kuluttajalaitteille tai matkapuhelinkameroille. Pienissä digikameroissa käytetään usein 1 / 2,3 tuuman antureita (lävistäjä noin 7 mm), digitaaliset järjestelmäkamerat käyttävät yleensä APS-C: n (noin 28 mm lävistäjä) kaltaista muotoa tai korkeammassa hintaluokassa vastaavaa muotoa siihen on 35mm valokuvauksen filmille.

Sovellukset

Kompaktikameran CCD-värikenno joustavalla piirilevyllä

Kuvan hankinta

CCD-antureita voidaan valmistaa näkyville aallonpituuksille sekä lähi- infrapuna- , UV- ja röntgenalueille . Tämä pidentää spektri erityisiin sovelluksiin 12:01 noin 1100 nm. Raja on pitkillä aallonpituuksilla on rajoitettu , että kaistan aukko puolijohdemateriaalin (n. 1,1 eV Si ja 0,66 eV Ge). Siksi niitä voidaan käyttää monin tavoin luonnontieteissä ja tekniikassa. Varsinkin tähtitieteessä ne syrjäyttivät suurelta osin muut kuvavastaanottimet, kuten valokuvalevyt , varhaisessa vaiheessa, koska niiden suuri herkkyys mahdollistaa myös hyvin heikkojen esineiden havaitsemisen. Muita etuja ovat sen laaja spektriherkkyys, korkea dynaaminen alue (ts. Kyky kaapata kuvan erittäin heikkoja ja erittäin kirkkaita alueita samanaikaisesti) ja se, että kuvatiedot saadaan digitaalisesti, esimerkiksi fotometrisesti (kirkkauden mittaus) ) ja sovellusten edistykselliset kuvankäsittelymenetelmät ovat etu.

CCD- digitaalikamerat ovat myös aiheuttaneet vallankumouksen yleisessä valokuvauksessa . Pikselien määrän kasvaessa CCD-kuvakennojen mahdollinen käyttö laajeni kattamaan käytännöllisesti katsoen kaikki valokuvasovellukset. Ammattimaiset analogiset valokuvakamerat on jo korvattu monilla alueilla 5–18 megapikselin CCD-antureilla , mikä pätee ennen kaikkea digitaalisiin (yhden objektiivin heijastuskamerat) keskikokoisiin ja yhä enemmän pienikokoisiin kameroihin, joissa on vähintään 30 megapikseliä.

CMOS vs. CCD

In kuva tekniikka , CMOS-antureita , joiden kanssa vain halpoja "low-end" laitteita oli aikaisemmin varustettu, korvattu CCD-anturit laadukas sektorin jälkeen 2005. Suurimmat CMOS-haitat (melu, matalampi herkkyys) vähennettiin suurimmaksi osaksi tai alitettiin vertailukelpoiselle tasolle, joten CMOS-kennot ovat syrjäyttäneet CCD-kennot kokonaan digitaalisten yksiobjektiivisten refleksikameroiden alueella (esim. Canon EOS-1Ds 2002, Nikon D2X 2004, Nikon D300 2007). (Soveltamisalaan nähden) vertailukelpoisella kuvanlaadulla CMOS-kennotekniikan edut ovat tässä vallitsevia (nopeampi ja alueohjattu lukeminen, tuskin kukkii jne.). CCD-antureita puolestaan ​​löytyy digitaalisista takapuolista ja keskikokoisista kameroista, joiden resoluutio on erittäin korkea (40 megapikseliä ja suurempi), mikä voi hyödyntää tässä täysin niiden etuja. Jopa korkealaatuisissa digitaalisissa kompaktikameroissa ja silta-kameroissa CCD-antureita käytettiin melkein yksinomaan vuoteen 2010 asti ( Canon Powershot S100 CMOS: lla vuonna 2011, Powershot G1X 2012).

Videotekniikka

Vuonna videokamerat , CCD-anturit korvaavat vanhempia putken periaate ( Ikonoskop , vidicon ). Videokameroiden klassinen resoluutio PAL - tai NTSC - standardin mukaan on 440 000 pikseliä (CCIR / PAL) tai 380 000 pikseliä (EIA / NTSC) ja kuvataajuus 25 Hz (CCIR / PAL) tai 30 Hz (EIA / NTSC).

Tehostettu CCD, aidattu CCD

CCD: itä voidaan käyttää kuvanvahvistimella edessään, ja niitä kutsutaan sitten tehostetuksi CCD: ksi (iCCD). Tätä varten valo osuu ensin valokatodiin; vapautunut elektronivirta kerrotaan esimerkiksi mikrokanavalevyllä (MCP) ja osuu fluoresoivaan näyttöön. Sieltä valo ohjataan CCD: hen esimerkiksi kuituoptiikan kautta . Nykypäivän CCD: n suuren herkkyyden takia tehostetut CCD: t eivät tarjoa herkkyyden kasvua pitkillä valotusajoilla (fotokatodien kvanttisaanto on jopa pienempi kuin parhaiden CCD: n). Koska herkimmillä CCD-levyillä on suhteellisen hidas lukunopeus, iCCD-levyt voivat olla edullisia suurilla kuvataajuuksilla (esim. Video). Tehostetut CCD: t mahdollistavat myös hyvin lyhyet, jopa 0,2 ns: n valotusajat  , joita ei missään tapauksessa voida saavuttaa pelkästään CCD: n avulla. Tätä varten mikrokanavalevylle kohdistetaan lyhyt jännitepulssi. Tämä järjestely tunnetaan aidatulla CCD: llä.

EBCCD

CCD: t eivät ole vain herkkiä sähkömagneettiselle säteilylle, vaan myös ionisoivalle hiukkassäteilylle, koska ne tuottavat myös elektronireikäpareja. " Taustavalaistetut " CCD: t, joita käytetään tulevien elektronien antureina, tunnetaan myös nimellä ebCCD ( elektronipommitettu CCD ). Yksi näiden antureiden käyttökohteista on jäännösvalovahvistin: Elektronit tulevat valokatodista ja kiihdytetään ebCCD-anturiksi käytetyn jännitteen avulla siten, että kutakin tulevaa elektronia varten syntyy useita elektronireikäpareja.

kirjallisuus

  • Gerald C.Holst: CCD-ryhmät, kamerat ja näytöt. JCD Publishing, Winter Park 1996, ISBN 0-9640000-2-4 .

nettilinkit

Commons : Latauskytketyt laitteet  - kokoelma kuvia, videoita ja äänitiedostoja

Yksittäiset todisteet

  1. ^ WS Boyle, GE Smith: Lataa kytkettyjä puolijohdekatkaisijoita . Julkaisussa: The Bell system technical journal (BSTJ) . Vuosikerta 49, 1970, ISSN  0005-8580 , s. 587-593 ( PDF ).
  2. ↑ GF Amelio, MF Tompsett, GE Smith: Charge Coupled Device Conceptin kokeellinen todentaminen . Julkaisussa: The Bell system technical journal (BSTJ) . nauha 49 , 1970, ISSN  0005-8580 , s. 593-600 .
  3. ^ Fysiikan Nobel-palkinto 2009. Haettu 18. huhtikuuta 2018 .
  4. ↑ DF Barbe: Kuvalaitteet, jotka käyttävät latauskytkentäistä konseptia . In: Proceedings of the IEEE . Nide 63, ei. 1 . New York 1975, s. 38-67 . ISSN 0018-9219  
  5. ↑ CCD-kuvakenno, Thomson-CSF Division Silicon, sovellusesite DTE-145