CCD-sensor

CCD-sensorer er lysfølsomme elektroniske komponenter basert på den interne fotoeffekten . "CCD" her er forkortelsen til den engelske ladekoblede enheten ( dt. , Charge-coupled device), som brukes i CCD-sensoren.

Opprinnelig, i 1969, ble CCD-er utviklet for datalagring. Imidlertid ble det raskt lagt merke til at disse komponentene er følsomme for lys og at det er relativt enkelt å skaffe seg et todimensjonalt bilde. En slik CCD-sensor ble bygget så tidlig som i 1970, og på grunn av den påfølgende miniatyriseringen innen elektronikk ble de første CCD-ene med et antall piksler tilstrekkelig for fjernsynskameraer produsert allerede i 1975. CCD-sensorer har blitt brukt som bildesensorer i astronomi og satelitt ekstern sensing siden rundt 1983 .

To-dimensjonale CCD-array-sensorer brukes i videokameraer og digitale kameraer , endimensjonale CCD -linjesensorer i faksmaskiner , spektrometre og skannere . Derimot finnes CMOS-sensorer vanligvis i kameraene til smarttelefoner og nettbrett .

For oppfinnelsen av CCD-sensoren ble Willard Boyle og George E. Smith tildelt 2009 Nobelprisen i fysikk , delt med Charles Kuen Kao , som ble anerkjent for grunnleggende arbeid innen fiberoptikk . Smith og Michael Tompsett mottok 2017 Queen Elizabeth Prize for Engineering for CCD-utvikling .

Teknisk struktur og funksjon

CCD-bildesensorer (Charge Coupled Device - image sensor) består av en rekke lysfølsomme fotodioder . Disse kan være rektangulære, firkantede eller polygonale, med kantlengder fra 1,4 µm til over 20 µm. Jo større arealet til piksler er, jo høyere er lysfølsomheten og det dynamiske området til CCD-sensoren, men jo mindre er bildeoppløsningen med samme sensorstørrelse .

De fleste CCD-er er MIS-strukturer : Over en dopet halvleder ligger et isolerende lag som optisk gjennomsiktige elektriske ledere (elektroder) er festet på. Ladebærerne (for det meste elektroner , noen ganger også " hull ") samles under dette . Andre fine elektriske linjer går ofte mellom pikslene , som tjener til å lese opp og beskytte overeksponerte piksler.

Det innfallende lyset overfører sin energi til elektronene til halvlederen gjennom den interne fotoelektriske effekten . Samtidig opprettes negativt ladede frie elektroner og positivt ladede “hull” som skiller seg fra hverandre på grunn av en påført spenning. Ladningene strømmer imidlertid ikke umiddelbart til utsiden som med en fotodiode , men samles i selve lagringscellen, i en såkalt potensiell brønn , som lagrer ladninger som en kondensator. Lademengden er proporsjonal med mengden lys som bestråles hvis den leses ut i god tid før den åpne kretsspenningen til fotodioden er nådd.

I tilfelle overeksponering kan ladninger fra den potensielle brønnen i en celle passere inn i nabocellene; denne effekten er kjent som blomstrende . På den annen side hjelper en “anti-blomstrende gate” som fungerer som et overløp, dvs. forsvinner overflødige ladninger. Dette fører imidlertid til en ikke-linearitet mellom lysmengden og utgangssignalet, spesielt med lange eksponeringstider ; Derfor gjør CCD-sensorer for vitenskapelige applikasjoner ofte uten dem.

Etter eksponering flyttes ladningene (engl. Charge of a bucket), lignende (derav begrepet bucket brigade device) gradvis, til de endelig som ladepakker, den ene etter den andre, når utlesningsforsterkeren. En elektrisk spenning avhengig av ladningen og dermed lysmengden.

Utgangssignalet til sensoren er derfor serielt . Ladningene til de enkelte pikslene sendes ut etter hverandre, mens originalbildet ble opprettet parallelt ved å eksponere alle piksler samtidig. For de fleste CCD-er for videokameraer utføres kun felt henholdsvis (d. H. Inntil alle de ulige og deretter alle jevne linjene) sendes ut ( interlaced , Eng. Interlaced ). For alle andre formål er progressive scan CCD-er vanlige, der linjene sendes ut etter hverandre i sin naturlige rekkefølge.

fysikk

Et optisk gjennomsiktig, elektrisk isolerende lag ligger på en dopet halvleder. Mange elektroder er laget av et ledende og samtidig optisk gjennomsiktig materiale påført den. For påvisning av lys i det synlige området er silisium best egnet som halvledermateriale. Silisiumdioksid blir deretter brukt som isolasjonslag . For det meste brukes polykrystallinsk silisium ("polysilisium") til elektrodene, og nylig også indiumtinnoksid . På grunn av likheten mellom elektrodene og de fra MOSFET , blir elektrodene også referert til som portelektroder. Med MOSFET-er er imidlertid portene 10  nm i stedet for 10  µm , og ladningen drives med 1 V til 3,3 V i stedet for et potensielt nivå på 1 V, som muliggjør klokkehastigheter høyere enn 40 MHz. Elektrodene kan styres eksternt via aluminiumskontakter.

Hvis en spenning påføres en elektrode (positiv i tilfelle p- dopet halvleder, negativ i tilfelle n-doping), dannes et område som kalles en potensiell brønn under det isolerende laget på overflaten av halvlederen . I dette området er transportørkonsentrasjonen av de fleste bærere veldig lav.

Fotoner , hvis energi er større enn båndgapet til halvlederen, løfter elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet ; så det skapes elektronhullspar i halvlederen. Dette er den såkalte interne fotoelektriske effekten . De ekstra minoritetsladebærerne som genereres i prosessen , det vil si elektroner eller "hull", samles i den potensielle brønnen, mens de fleste ladningsbærere som genereres samtidig strømmer bort i det indre av halvlederen.

Ved å variere den påførte spenningen i tilstøtende elektroder, kan den potensielle brønnen formes på en slik måte at ladebærerne plassert deri beveger seg i ønsket retning for avlesning.

Den grunnleggende strukturen til en CCD kan forbedres ytterligere. Et viktig tillegg er et lag i halvlederen rett under isolatoren med motsatt doping. Dette skaper en såkalt "nedgravd kanal", som betyr at minoritetsladningsbærerne som genereres av fotonene, ikke lenger samler seg direkte ved grensesnittet mellom isolatoren og halvlederen, men inne i halvlederen. Minoritetsladningsbærerne når ikke lenger grensesnittet mellom isolatoren og halvlederen, der krystalldefektene som alltid er tilstede der forstyrrer (ingen flere ladninger kan "fanges" eller "fast" ved denne grensen). "Begravd kanal" CCD-er (i motsetning til "overflatekanal" CCD-er som er beskrevet først) har lavere støy og en betydelig forbedret effektivitet av ladeoverføringen, men færre ladningsbærere kan lagres per piksel.

Typer

Geometri: matrise, linje og punkt

De fleste CCD-sensorer er områdesensorer for opptak av bilder. Der, for å lese av sensoren, overføres den midlertidig lagrede ladningen til fotodiodene til den vertikale CCD (vertikalt skiftregister), og skyves deretter vertikalt ved linjefrekvensen. Ladningen som faller ut av hver CCD-kolonne kommer inn i den horisontale CCD, som raskt forskyves (pikselfrekvens, som bestemmer videobåndbredden). Signalet ved utgangen fra dette skiftregisteret mates til avlesningsforsterkeren (ladningsspenningsomformer og impedansomformer).

Det resulterende utgangssignalet har mange likheter med signalet fra konvensjonelle bildeopptaksrør . Disse likhetene gjorde det teknisk lettere å erstatte bilder med opptak med CCD-sensorer.

Dette grunnleggende prinsippet kan endres:

• Flere avlesningsforsterkere kan brukes til å øke hastigheten. Med to avlesningsforsterkere z. B. kolonnene med like nummer skyves opp og oddetalls kolonnene skyves ut av det lysaktive området. Disse mates deretter til to horisontale skiftregistre med to strøm-til-spenningsomformere og to utganger.
• Det horisontale skiftregisteret kan utelates helt, og CCD-prinsippet brukes bare til vertikal ladningsskift. Det er en egen strømspenningsomformer for hver kolonne, som kan betjenes mye saktere.
• Hvis du utvider denne parallelliseringen til nivået på individuelle piksler, har du ikke lenger en CCD-sensor fordi ladetransport ikke lenger er nødvendig. Disse sensorene kalles aktive pikselsensorer .
• Hvis du bare trenger en endimensjonal sensor (fordi den andre dimensjonen ikke er nødvendig eller genereres mekanisk), får du en linjesensor som ikke krever et horisontalt skiftregister.
• En spesiell form for CCD-er ( Electron Multipifying CCD , EMCCD) bruker spesielle skiftregistre for signalforsterkning foran avlesningsforsterkeren og er derfor egnet for svært lave lysintensiteter. Når det gjelder EMCCD-er, er det derfor også mulig med punktdetektorer, som igjen er CCD-er. De fleste EMCCD-er er bildesensorer og bruker også "normale" skiftregistre for ladetransport.

Det skal bemerkes at for nøyaktige målinger med flere strømspenninger og analog-til-digitale omformere, kan hver av dem måtte karakteriseres nøyaktig for å kompensere for relative variasjoner i deres linearitet, forskyvning og støyadferd. Ellers, for eksempel i applikasjoner i spektroskopi, kan dette føre til problemer.

Charge transfer: FF, FT, IT, FIT CCDs

Under forskyvningen av anklagene, bør ingen ytterligere kostnader legges til ved eksponering for ikke å forfalske bildeinformasjonen. For å løse dette problemet er det laget forskjellige ordninger:

• Fullramme (FF) (med ekstra mekanisk lås),
• Rammeoverføring (FT) ,
• Interline Transfer (IT) og
• Frame Interline Transfer CCDs (FIT) .

Fullformat CCD (FF-CCD)

Den enkleste løsningen for å forhindre at lys faller på CCD-sensoren under avlesningsprosessen, er en mekanisk lås .

Siden med CCD-sensorer med lukker brukes hele overflaten på brikken for å skaffe bildeinformasjonen, kalles denne løsningen også “ full-frame CCD ” (oversatt som “fullbilde”) eller “ full frame transfer CCD ”.

CCD-sensorer med dette prinsippet brukes hovedsakelig til vitenskapelige og astronomiske formål, men den mekaniske låsen er kompleks og utsatt for svikt.

Begrepet fullformat CCD brukes ikke bare for den interne strukturen til CCD-sensorer, men også for såkalte fullformat-CCD-er , som tilsvarer den "fulle" bildestørrelsen på 24 mm × 36 mm på 35 mm-filmen . I denne artikkelen refererer begrepet bare til den interne strukturen til sensoren og typen avlesingsprosess, ikke til bildeformatet eller størrelsen på sensoren.

Frame Transfer CCD (FT-CCD)

Med FT-CCD-er flyttes ladningene, dvs. det lagrede bildet, veldig raskt inn i et mørkt område av CCD-brikken etter eksponering. Det lagrede bildet kan deretter leses ut ladepakke for ladepakke i løpet av neste eksponeringstid. Tiden for rask skifting må være mye kortere enn eksponeringstiden, ellers vil smøreeffekten være for sterk. Derfor er FT-CCD uten mekanisk lukker (som de vanligvis brukes) ikke egnet for veldig korte eksponeringstider. Noen profesjonelle videokameraer bruker en roterende lukker for å unngå dette problemet. På grunn av det mørkede området trenger en FT-CCD dobbelt så mange celler (potensielle brønner) som piksler og må også være dobbelt så stor som bildestørrelsen.

Interline Transfer CCD (IT CCD)

Med IT-CCD-er overføres ladningen til hver piksel til siden av en dekket buffercelle; dette skjer for alle piksler samtidig. Først da flyttes ladningene til den mørkede stripen (det såkalte overføringsregisteret) og derfra i retning av avlesningsforsterkeren. Ingen mekanisk lås er nødvendig; eksponeringstiden kan kontrolleres elektronisk, slik at pikslene tømmes og overføres til eksponeringen til overføringsregisteret ( elektronisk lukker , engelsk elektronisk lukker ). Dette muliggjør veldig korte eksponeringstider.

Den designrelaterte mindre lysfølsomme overflaten (sammenlignet med fullformat-CCD-er) og dermed dårligere lysfølsomhet kompenseres for med nyere CCD-er av små konvergerende linser. Disse ligger over hver piksel og fokuserer lyset, noe som øker lysfølsomheten til sensoren igjen (“lens-on-chip” -teknologi).

Ulempen med IT-CCD-er skyldes den relativt lange oppholdstiden for ladningene i minnecellene ved siden av lysfølsomme piksler på grunn av den langsomme avlesningen sammenlignet med FT-CCD-er. Overføringsregisterets hukommelsesceller er dekket, men de er fortsatt følsomme for lys. Ved diffraksjon av de lysbølger , kan fotonene nå disse celler og forårsake forstyrrende kostnader. Dette skaper den såkalte smøreeffekten .

Frame Interline Transfer CCD (FIT-CCD)

FIT-sensorene tilbyr en løsning for å omgå smøreeffekten : Med denne typen forskyves ladningene som er lagret i buffercellene så raskt som mulig i et mørkt område. Den kombinerer derfor prinsippet til FT-brikken og IT-brikken. På den ene siden sørger buffercellene for at pikslene ikke utsettes for lys lenger enn nødvendig, på den andre siden blir de avlest relativt raskt fra det "åpne" området til brikken. Ulempen er at det nå kreves tre minneceller per effektiv piksel, noe som gjør disse sjetongene relativt dyre. Den raske fjerningen av lastene er imidlertid z. B. uunngåelig med høyhastighetskameraer. Eksponeringskontrollen gjøres også elektronisk her.

Belysning: front-side-belyst vs bak-side-belyst

Med de fleste CCD-chips er den øverste siden av silisiumskiven opplyst, dvs. den siden halvlederstrukturene ble produsert på ( front-side-illuminated CCD ) . På overflaten er det strukturer som ikke er følsomme for lys (f.eks. Elektroder laget av polykrystallinsk silisium). Fremfor alt er kortbølget (blått, fiolett og ultrafiolett) lys allerede delvis absorbert der. Disse tapene ikke oppstår med såkalte back-side-belyst CCD . For å gjøre dette, blir baksiden av silisiumplaten malt ned til en tykkelse på 10 til 20 µm, deretter etset av og installert med den lysfølsomme "ryggen" vendt opp. Denne produksjonsprosessen er veldig kostbar, og det er derfor baksidesbelyste CCD-er bare brukes der høy følsomhet (kvanteutbytte) for kortbølget lys er viktig, for eksempel i spektroskopi eller astronomi. En ulempe med baksideopplyste CCD-er er en ujevn spektral følsomhet for lengre bølgelengder, fordi lyset som reflekteres frem og tilbake mellom overflatene forårsaker interferens, som i Fabry- Perot- interferometeret ( etaloning ).

Fargesensorer, filtre og pikseloppsett

For påvisning av fargebilder kreves sensorer med piksler med forskjellig spektral følsomhet. Etter en (alltid nødvendig) beregning av piksler med samme eller nærliggende posisjoner, oppnås informasjon om lysstyrke og farge.

To prosedyrer er for tiden etablert:

• Systemer som deler spekteret ved hjelp av et dikroisk prisme og mater tre separate CCD-sensorer (tre-chip CCD-sensor),
• Systemer som bruker en sensor som er utstyrt med en absorberende fargemaske (vanligvis i form av Bayer-matrisen ),

Systemer som bruker forskjellige dybder av penetrasjon av rødt og blått lys i silisium (Foveon X3-sensor) er ikke vanlig med CCD-sensorer.

Tre-chip CCD-sensorer

Tre-chip CCD-sensorer brukes i videokameraer fra middels prisklasse. De brukes i kameraer med relativt små sensorer (1/6 ″ i amatørsektoren til 2/3 ″ i profesjonell sektor). De krever optikk med stor brennvidde fra ca. 1,6 sensordiagonaler for å ha plass til det dikroiske prismen . For å gjøre dette bruker de fanget lys optimalt og leverer et godt signal / støy-forhold og god fargekvalitet selv med små sensordiagonaler.

Dikroisk prisme er plassert bak linsen, og en CCD-sensor limes til hver av overflatene som fargeseparasjonene kommer frem på. Produksjonen av denne prisme-blokken utstyrt med CCD-sensorer krever høy presisjon for å sikre at fargeseparasjonene blir dekket.

Bayer-sensor

En-chip Bayer CCD-sensorer brukes i videokameraer i alle prisklasser (1/4 ″ i amatørsektoren opp til 20 mm × 36 mm, i amatørsektoren så vel som i det profesjonelle miljøet). I tillegg var nesten alle (stillbilder) kameraer i alle størrelser (1/3 ″ til middels format ) og prisklasser (mobiltelefoner til kameraer for flere 10 000 €) basert på dette prinsippet - den følgende alternative teknologien med mer utbredt bruk er det av CMOS-sensorer . De har ingen krav til flensfokus, men har en tendens til å være større enn tre-brikke CCD-er. De bruker mindre tilgjengelig lys og leverer bilder av samme størrelse med et dårligere signal / støy-forhold. På den annen side er de mye mer kompakte selv og tillater mer kompakt optikk enn tre-chip CCD-sensorer.

Infrarødt kuttfilter og utjevningsfilter

Felles for alle fargesensorer er at det er et såkalt infrarødt blokkeringsfilter (vanligvis direkte) foran sensoren. Men dette filteret har mange flere funksjoner:

• Komplett blokkering av fjernt rødt fra 700 nm og infrarød stråling (derav navnet; nesten alle CCD-sensorer er følsomme i nær infrarød),
• Følelse av den spektrale følsomheten i øyet (dette er hvorfor disse filtrene ser cyan ut) ved å øke absorpsjonen i det fortsatt synlige røde spektralområdet over 580 nm,
• Blokkerer fiolett og ultrafiolett lys under 420 nm hvis sensoren fremdeles er følsom på disse bølgelengdene.

Uten dette filteret vises dypblå og dype røde områder for sterkt for den menneskelige observatøren. Varme, men ikke glødende gjenstander (loddejern) vises også for sterkt og i unaturlige farger. Objekter som reflekterer eller avgir infrarødt eller ultrafiolett lys vises i feil farger.

Et anti-aliasing- filter kreves for Bayer-sensorer og andre enkelt-CCD fargesensorer for å distribuere lyset til nærliggende, forskjellige fargefølsomme piksler. Uten dette filteret, for eksempel, kunne et hvitt lyspunkt eller en hvit lys linje bli kartlagt til piksler med bare en farge med et veldig skarpt bilde; disse objektene vil da vises i bildet som farget. I tillegg forhindrer anti-aliasing-filtre at linjer eller kanter som løper i en liten vinkel mot pikselradene, ser ut som trapper. Anti-aliasing-filteret er assosiert med en liten reduksjon i bildeskarphet.

Antialiasing og infrarøde blokkeringsfiltre kombineres ofte eller sementeres med hverandre.

Pikseloppsett av monokrome og fargesensorer

Den desidert største markedsandelen har sensorer med firkantede piksler som er utstyrt med RGGB-fargefiltre (Bayer-mønster). Imidlertid er andre pikselformer (rektangulære, sekskantede, trekantede, rombiske, åttekantede + firkantede) og andre fargefiltermønstre (monokrom, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, Super-CCD-EXR-arrangement) også mulig. En av disse designene er Super-CCD-sensoren (Fuji-patent) med et honningkakearrangement av åttekantede piksler forskjøvet fra hverandre, som er nærmere hverandre og dermed bringer et større antall piksler på et gitt område. Størrelsen på linsene som ligger over sensoroverflatene kan være heterogene, slik at en merkbart økt dynamikk kan oppnås.

Deteksjonsfeil

Systematiske feil og kalibrering

Forskjeller i lysstyrke

For å være i stand til å kompensere for forskjeller i lysstyrke i bildet som skyldes forurensning på CCD-brikken ( støv ), ujevn følsomhet for pikslene eller den brukte optikken ( vignettering , refleksjoner ), deles det innspilte bildet med en hvitt bilde (hvitt bilde eller flat feltkorreksjon) og multiplisert med gjennomsnittsverdien for det hvite bildet. For å eliminere bildestøyen som følge av den mørke strømmen, trekkes et mørkt bilde på forhånd (mørkt bilde eller mørk rammekorrigering) for langvarige opptak (f.eks. I astrofotografering ). Resultatet er et kalibrert bilde.

Bildene viser kalibreringen ved hjelp av eksemplet på et astronomisk opptak:

• Det rå bildet viser mange “ varme piksler ”, noe som fører til et veldig støyende bilde. Svake stjerner går tapt i denne støyen. Mørke flekker i det rå bildet er forårsaket av støv i CCD-kameraet.
• Det mørke bildet ble tatt med samme eksponeringstid og driftstemperatur som det rå bildet, men med lukkingen på kameraet . Den registrerer dermed den mørke strømmen som har akkumulert i løpet av tilsvarende eksponeringstid .
• Det hvite bildet ble tatt med instrumentet rettet mot et jevnt opplyst område. Den oppdager uregelmessigheter i belysningen av bildet (for eksempel på grunn av støv) og i følsomheten til de enkelte pikslene.
• Disse feilene er blitt rettet i det kalibrerte bildet. Svake stjerner kan også sees her. Det kalibrerte bildet kan brukes til kvantitativ analyse, for eksempel for å måle den tilsynelatende lysstyrken til stjernene. Uten kalibrering vil en slik måling føre til feil måleverdier.

• 

  Rått bilde

• 

  Mørkt bilde

• 

  Hvit skjerm

• 

  Kalibrert bilde

Ujevnheter i CCD-vinduet

Spesielt med sammenhengende lys kan det skje at feil behandling av CCD-vinduet, som beskytter sensoren mot støv, fører til uønskede interferensmønstre. Dette problemet kan løses ved ikke å bygge vinduet parallelt , men ved å vippe den ene siden av vinduet i en viss vinkel i forhold til den andre siden. Hvis en bjelke treffer fronten av vinduet, kommer den litt skrå mot sensoren på baksiden, hvorved den eksakte utgangsvinkelen kan beregnes med Snellius . Imidlertid reflekteres bjelken vekselvis foran og bak i vinduet og kommer ut av vinduet igjen i retning av sensoren på andre punkter. Hvis det for enkelhets skyld bare blir observert to delstråler som kommer ut av vinduet, danner strålenes bølgefronter et moiré- mønster. Hvis hellingsvinkelen er passende, beveger mønstrets maksimale striper seg så tett sammen at de ikke lenger kan løses av de enkelte pikslene.

Statistiske feil og støy

De viktigste parametrene for å karakterisere kvaliteten på CCD-brikker er:

• Den kvanteutbytte , dvs. sannsynligheten for at en innfallende foton vil utløse et elektron. Kvanteutbyttet av CCD avhenger av lysets bølgelengde og kan være over 90% ( fotografisk film til sammenligning: 5% til 10%).
• Den mørke strømmen til de lysfølsomme cellene. Den mørke strømmen er sterkt temperaturavhengig og fører på grunn av dens statistiske egenskaper til mørk strømstøy. Det er forskjellig fra hverandre for alle piksler og er en kilde til bildestøy . Individuelle " varme piksler ", dvs. piksler med spesielt høy mørk strøm, kan også forekomme.
• Antall ladninger som kan lagres i en piksel ( full brønnkapasitet eller brønndybde ).
• Atferden når overeksponering genererer mer ladning i individuelle piksler enn det som kan lagres. Hvis ladningen overføres til nabopiksler, kalles den " blomstrende ". Mange CCD-kameraer unngår denne effekten ved å avlede overflødige ladninger ("anti-blomstrende gate"), men dette kan også føre til at ladningen går tapt før en piksel virkelig er full. Forholdet mellom lysmengden og ladningen er da ikke lenger lineær, og presise målinger er ikke lenger mulig.
• Effektiviteten til ladeoverføringen til avlesningsforsterkeren ( Charge Transfer Efficiency ).
• Den støy fra avlesningsforsterkeren (utlesning støy ).

Med høysensitive kameraer reduseres mørk strøm og støy ved å kjøle CCD-brikken. Den mørke strømstøyen kan for eksempel reduseres til under tre elektroner per piksel og time ved avkjøling med flytende nitrogen.

Informasjon om størrelse

Størrelsen på det lysfølsomme området på brikken er veldig viktig for bildekvaliteten. Med samme oppløsning (antall piksler) er cellens areal proporsjonal med chipområdet. Jo større celler, jo flere fotoner treffer per celle, noe som øker følsomheten for lys. Siden ikke alle forstyrrende signaler øker med celleområdet, har en større chip et bedre signal / støy-forhold . I tillegg kan større celler samle flere elektroner og dermed ha et større dynamisk område.

I tillegg til den direkte metriske spesifikasjonen av det aktive området (f.eks. 16 mm × 24 mm), har tradisjonen fra tidspunktet for bildesamlerørene blitt bevart der den ytre diameteren av glasspæren i tommer (f.eks. 2 / 3 ″) brukes til å indikere størrelsen som ble brukt. Imidlertid var det lysfølsomme området av rørene betydelig mindre enn den ytre diameteren på rørene: For eksempel hadde et 1 ″ rør et aktivt område med en bildediagonal på ca. 16 mm. Per definisjon har en 1 ″ CCD-brikke samme skjermdiagonal som et 1 ″-rør.

Vanlige størrelser for klassiske kamerarør som for CCD-videosensorer er for profesjonelle videokameraer 2/3 "(11 mm diagonalt) og 1/2" (8 mm diagonalt), for prosumer- enheter 1/3 "(ca. 5,5 mm diagonalt) og enda mindre sensorer (1/4 "eller 1/6") for forbruksenheter eller mobiltelefonkameraer. Små digitale kameraer bruker ofte 1 / 2.3 ″ sensorer (ca. 7 mm diagonalt), digitale speilreflekskameraer bruker vanligvis et format som ligner på APS-C (ca. 28 mm diagonalt), eller, i det høyere prisklassen, et format lignende til det med 35 mm-formatet for fotografering på film.

applikasjoner

Bildeanskaffelse

CCD-sensorer kan produseres for synlige bølgelengder så vel som for nær infrarøde , UV- og røntgenområder . Dette utvider spekteret for spesielle applikasjoner fra 0.1 pm til rundt 1100 nm. Grensen til lange bølgelengder er begrenset av båndgapet til halvledermaterialet (ca. 1,1 eV for Si og 0,66 eV for Ge). De kan derfor brukes på en rekke måter innen naturvitenskap og teknologi. I astronomi i særdeleshet at de fortrengt andre bilde mottakere, som fotoplater , på et tidlig stadium, da deres høye følsomhet gjør det også meget lyssvake objekter som skal observeres. Ytterligere fordeler er dens brede spektralfølsomhet, dets høye dynamiske område (dvs. evnen til å fange veldig svake og veldig lyse områder av et bilde samtidig) og det faktum at bildeinformasjonen blir innhentet digitalt, for eksempel i fotometri (lysstyrkemåling ) og applikasjonsavanserte bildebehandlingsmetoder er en fordel.

CCD digitale kameraer har også forårsaket en revolusjon innen generell fotografering . Med en økning i antall piksler utvidet den mulige bruken av CCD-bildesensorene til å omfatte praktisk talt alle fotografiske applikasjoner. Profesjonelle analoge fotokameraer har allerede blitt erstattet i mange områder av CCD-sensorer med 5 til 18 megapiksler , noe som er desto mer sant for digitale kameraer (en linse refleks) i mediumformat og stadig i lite format med 30 og flere megapiksler.

CMOS vs. CCD

I fototeknologi , CMOS-sensorer , som bare de billige "low-end" enhetene ble tidligere utstyrt, erstattet CCD-sensorer i høy kvalitet sektor etter 2005. Store CMOS-ulemper (støy, lavere følsomhet) ble i stor grad minimert eller underbukket til et sammenlignbart nivå, slik at CMOS-sensorer helt har fortrengt CCD-sensorene i området for digitale speilreflekskameraer med en linse (f.eks. Canon EOS-1Ds 2002, Nikon D2X 2004, Nikon D300 2007). Med (for bruksområdet) sammenlignbar bildekvalitet, dominerer fordelene med CMOS-sensorteknologi her (raskere og områdekontrollert lesing, knapt noen blomstring osv.). CCD-sensorer, derimot, finnes i digitale rygger og mellomformatkameraer med svært høye oppløsninger (40 megapiksler og større), som fullt ut kan utnytte fordelene her. Selv i høykvalitets digitale kompakt- og brokameraer ble CCD-sensorer nesten utelukkende brukt frem til 2010 ( Canon Powershot S100 med CMOS i 2011, Powershot G1X 2012).

Videoteknologi

I videokameraer , er CCD-sensorer erstatte eldre rør-prinsippet ( Ikonoskop , Vidicon ). Den klassiske oppløsningen til videokameraene til PAL - eller NTSC - standard er 440 000 piksler (CCIR / PAL) eller 380 000 piksler (EIA / NTSC) og bildefrekvens på 25 Hz (CCIR / PAL) eller 30 Hz (EIA / NTSC).

Intensivert CCD, Gated CCD

CCD-er kan betjenes med en bildeforsterker foran seg og blir deretter referert til som intensifisert CCD (iCCD). For å gjøre dette treffer lyset først en fotokatode; elektronstrømmen som frigjøres multipliseres for eksempel i en mikrokanalplate (MCP) og treffer en fluorescerende skjerm. Derfra ledes lyset til CCD via fiberoptikk, for eksempel . På grunn av den høye følsomheten til dagens CCD-er, gir ikke intensiverte CCD-er noen følsomhetsgevinst med lange eksponeringstider (kvanteutbyttet av fotokatodene er enda lavere enn for de beste CCD-ene). Siden de mest følsomme CCD-ene har relativt lang avlesningshastighet, kan iCCDer være fordelaktige ved høye bildefrekvenser (f.eks. Video). Intensiverte CCD-er muliggjør også svært korte eksponeringstider på opptil 0,2  ns , som på ingen måte er oppnåelige med en CCD alene. For å gjøre dette påføres en kort spenningspuls på mikrokanalplaten. Denne ordningen er kjent som en inngjerdet CCD.

EBCCD

CCD er ikke bare følsomme for elektromagnetisk stråling, men også for ioniserende partikkelstråling, siden de også genererer elektronhullpar. " Back-belyste " CCD, som blir brukt som sensorer for innfallende elektroner, er også kjent som ebCCD ( elektron bombardert CCD ). En anvendelse av disse sensorene er som en restforsterker: Elektronene kommer fra en fotokatode og blir akselerert til en ebCCD-sensor ved hjelp av en påført spenning, slik at det genereres flere elektronhullpar for hvert innfallende elektron.

litteratur

• Gerald C. Holst: CCD-arrays, kameraer og skjermer. JCD Publishing, Winter Park 1996, ISBN 0-9640000-2-4 .

weblenker

• (Digital Photography Review) ( Memento fra 5. februar 2013 i Internet Archive )
• Mer detaljert beskrivelse av halvlederfysikken til MOS-CCD (Ulm University)
• Moderne CCD-teknikker (engelsk), utarbeidet av Andor
• Riktig målestokkoversikt over sensorstørrelsene til digitale kameraer ( Memento fra 21. november 2013 i Internet Archive )
• CCD-simulator fra Nebraska-Lincoln University (engelsk)
• Nobelpris i fysikk for oppfinneren av CCD-sensoren
• Detaljert nettsted om tidlig bruk av CCD-sensorer i digitale kameraer og stillkameraer (engelsk)

Individuelle bevis

1. ^ WS Boyle, GE Smith: Ladekoblede dødledede enheter med halvleder . I: The Bell system Technical Journal (BSTJ) . Vol. 49, 1970, ISSN  0005-8580 , s. 587-593 ( PDF ). 
2. ↑ GF Amelio, MF Tompsett, GE Smith: eksperimentell verifikasjon av Charge Coupled Device Concept . I: The Bell system Technical Journal (BSTJ) . teip 49 , 1970, ISSN  0005-8580 , s. 593-600 . 
3. ^ Nobelprisen i fysikk 2009. Hentet 18. april 2018 . 
4. ↑ DF Barbe: Imaging-enheter som bruker det ladekoblede konseptet . I: Proceedings of the IEEE . Bind 63, nr. 1 . New York 1975, s. 38-67 . ISSN 0018-9219   
5. ↑ CCD bildesensor, Thomson-CSF Division Silicon, søknad brosjyre DTE-145