CCD

Speciálně vyvinul CCD použitý pro ultrafialové záření imaging v drátu spojený balíček.

Poplatek-spojené zařízení (CCD) je snímací prvek, sestávat z integrovaného obvodu obsahovat sadu spojený, nebo spojený, capacitors citlivý na světlo. Pod kontrolou nad vnějším obvodem, každý capacitor moci přenést jeho elektrický náboj k jednomu nebo jiný jeho sousedů. CCDs je používán v digitálním fotografování a astronomii (zvláště v photometry, optický a UV spektroskopie a techniky vysoké rychlosti takový jak šťastný imaging).

Historie

CCD byl vynalezen v roce 1969 Willard Boyle a George Smith u u a T; Bell laboratoře. Laboratoř pracovala na videotelefonu a na vývoji polovodiče paměť bubliny. Slučovat tyto dvě iniciativy, Boyle a Smith si představil návrh čeho oni nazvali ' účtovat “bublinu” zařízení . Esence designu byla schopnost k převodnímu poplatku podél povrchu polovodiče. Jak CCD začal jeho život jako zařízení paměti, jeden mohl jen “vstřikovat” vrazit do zařízení u registru vstupu. Nicméně, to bylo okamžitě jasné, že CCD mohl přijmout poplatek přes photoelectric účinek a elektronické obrazy mohly být vytvořeny. 1970 Bell výzkumníků bylo schopné zachytit obrazy s jednoduchými lineárními zařízeními; tak CCD byl narozen. Několik společností, včetně Fairchild polovodiče, RCA a Texas nástroje, navázal na vynález a začal plány rozvoje. Fairchild byl první se zařízeními reklamy a 1974 měl lineární 500 zařízení elementu a 2-D 100 x 100 zařízení obrazového bodu.

V lednu 2006, Boyle a Smith přijal Charlese Starka Draper cena, která je uvedena národní akademií inženýrství pro jejich práci na CCD.

Architektura

CCD snímací prvky mohou být realizovány v několika různých architekturách. Nejvíce obyčejný být plný-rám, rám-přenášet a interline. Rozlišování charakteristické pro každého těchto architektur je jejich přístup problém shuttering.

V plný-formovat zařízení, všichni obrazu oblast je aktivní a není tam žádná elektronická clona. Mechanická clona musí být přidána k tomuto druh senzoru nebo obraz rozmažou, zatímco zařízení je dosáhnuto nebo četl ven.

S rámem přenést CCD, polovina oblasti křemíku je pokryta neprůhlednou maskou (typicky hliník). Obraz může být rychle přenesl se z oblasti obrazu k neprůhledné oblasti nebo ukládací oblasti s přijatelnou skvrnou nemnoho procenta. Ten obraz může pak být čten ven pomalu od ukládací oblastní chvíle nový obraz začleňuje nebo exponuje na aktivní plochu. Frame-přenést zařízení typicky nevyžadují mechanickou clonu a byl obyčejná architektura pro časné pevné vysílací kamery. Stinná stránka k rámu-architektura převodu je že to vyžaduje dvakrát křemíková nemovitost ekvivalentu plný-formovat zařízení; proto, to stojí zhruba dvakrát jak hodně.

Architektura interline poskytne tomuto pojetí jeden krok dále a maskuje každý jiný sloup snímacího prvku pro ukládání. V tomto zařízení, jen jeden posun obrazového bodu musí napadnout převod z oblasti obrazu ke skladu; tak, časy clony mohou být méně než mikrosekunda a skvrna je nezbytně odklizena. Výhoda není volná, nicméně, jak zobrazovací oblast je nyní krytá neprůhlednými pásy svržení “vyplnit faktor” k přibližně 50 % a efektivní kvantová účinnost množstvím ekvivalentu. Moderní návrhy oslovily tuto škodlivou charakteristiku microlenses sčítání na povrchu zařízení k přímému světlu pryč od neprůhledných oblastí a na aktivní oblasti. Microlenses může přinášet vyplnit záda faktoru až 90 % nebo více spoléhat se na velikost pixelu a celkový systém je optický design.

Výběr architektury sestoupí k jednomu z pomůcky. Jestliže aplikace nemůže tolerovat drahý, porucha prone, pohánět hladovou mechanickou clonu pak interline zařízení je správná volba. Snímek spotřebitele-kamery výstřelu použily interline přístroje. Na druhé straně, pro ty aplikace, které vyžadují nejlepší možné světlo sbírka a výtisky peněz, síly a času jsou méně důležití, plný-rámcové zařízení bude správná volba. Astronomové inklinují preferovat plný-formovat zařízení. Rám-převod padá mezitím a byl obyčejný výběr předtím se plnit-záležitost faktoru interline zařízení byla oslovena. Dnes, volba rámce-převod je obvykle dělán, když interline architektura není dostupná, takový jak v zádech-iluminované zařízení.

Aplikace

CCDs obsahovat mřížky obrazových bodů být použit v digitálních fotoaparátech, čtecích přístrojích a videokamerách jako světlo-snímací zařízení. Oni obyčejně reagují na 70 % dopadajícího světla (znamenat kvantovou účinnost asi 70 %) dělat je účinnější než fotografický film, který zachytí jen o 2 % dopadajícího světla. Jako výsledek CCDs byl rychle adoptovaný astronomy.

Jednorozměrný CCD od stroje faxu.

Obraz je projektován čočkou na capacitor sada, působit každého capacitor hromadit elektrický náboj úměrný svítivosti na tom místě. Jednorozměrná sada, použitý v řadě-kamery prohlédnutí, zachytí jediný plátek obrazu, zatímco dvojrozměrná sada, použitý ve videu a ještě kamery, zachytí celý obraz nebo obdelníkovou část toho. Jednou sada byla vystavena obrazu, regulační obvod způsobí každého capacitor přenést jeho obsah do jeho souseda. Poslední capacitor v sadě kopíruje jeho poplatek na zesilovač, který přemění poplatek na napětí. Tím, že opakuje tento proces, regulační obvod změní celý obsah sady k rozlišnému napětí, který to ochutná, digitalizuje a skladuje v paměti. Uložené obrazy mohou být přenesené do tiskárny, paměťového zařízení nebo video obrazovky. CCDs je také široce použitý jako senzory pro hvězdářské dalekohledy a noční představová zařízení.

Zajímavá astronomická aplikace má používat CCD dělat fixovaný dalekohled se chovat jako dalekohled stopování a následovat pohyb oblohy. Poplatky v CCD jsou převedené a načítají směr souběžný s pohybem oblohy, a při stejné rychlosti. Tímto způsobem, dalekohled může obraz větší oblast oblohy než jeho normální pole pohledu.

CCDs je typicky citlivý na infračervené světlo, který dovolí infračervené fotografování, noc-zařízení vize a nula lux (nebo se blížit k nulovému lux) video-nahrávka/fotografování. Protože jejich citlivosti k infračervený, CCDs používal v astronomii být obvykle zchlazen k kapalným dusičným teplotám, protože infračervená černá tělesná radiace je vydávána od místnosti-zdroje teploty. Jeden jiný důsledek jejich citlivosti k infračervený je to infračervené od vzdálených kontrol často se objeví na CCD-založil digitální kamery nebo videokamery jestliže oni nemají infračervené blockers. Chlazení také redukuje sadový proud za temna, zlepšovat citlivost CCD k nízkým svítivostem, dokonce pro ultrafialové a viditelné vlnové délky.

Tepelný šum, proud za temna a kosmické paprsky mohou měnit obrazové body v CCD sadě. To čelí takových efektů, astronomové vezmou průměr několika projevů s CCD clona se zavřela a se otevřela. Průměr obrazů zaujatých clonou se zavřel je nutný snížit nahodilý šum. Jednou se vyvíjel, “tmavý rám” průměrný obraz je pak odečten od otevřený-obraz clony odstranit proud za temna a jiné systematické vady v CCD (mrtvé obrazové body, horké obrazové body, etc).

CCD kamery používané v astrophotography často vyžadují velmi silné hory si poradit s chvěními a vánky, spolu s hroznou váhou to většina zobrazovacích platforem neodmyslitelně příčina. To vezme dlouhé CCD projevy galaxií a mlhovin, mnozí astronomové použijí techniku známou jako auto-vůdčí. Nejvíce autoguiders použití pryč-osové CCD čipy sledovat nějakou odchylku od imaging, nicméně, někteří mají autoguider CCD a imaging CCD za stejnými zavřenýma dveřmi. Auto-rozváděče používají druhý CCD čip, který může rychle odhalit dobové chyby ve stopování a příkaz hora má motory korigovat pro je.

Kamery barvy

Digitální barevné kamery obecně používají Bayer masku přes CCD. Každý čtverec čtyř pixelů jeden filtroval červenou, jeden modrý, a dva zelený (lidské oko je více citlivé na zelenou než jedna červená nebo modrý). Výsledek tohoto je ty luminance informace jsou sbírány u každého pixelu, ale rozhodnutí barvy je nižší než luminance rozhodnutí.

Lepší separace barev může být podávána tři-CCD zařízení (3CCD) a paprsek dichroic splitter prism, to rozdělí obraz do červené, zelené a modrých komponent. Každý tři CCDs je zařídil, aby reagoval na zvláštní barvu. Některé poloprofesionální digitální video videokamery (a všichni profesionálové) použít tuto techniku.

Protože velmi-vysoce-rozlišovací CCD čip je velmi drahý jak 2005, 3CCD vysoce-rozhodnutí ještě kamera byla by za cenovým rozpětím dokonce mnoho profesionálních fotografů. Tam jsou někteří high-end ještě kamery, které použijí točivou barvu prosakují dosáhnout obou barva-věrnost a vysoce-rozhodnutí. Tito multi-kamery výstřelu jsou vzácné a mohou jen fotografovat objekty, které se nepohybují.

Soupeřící technologie

Nedávno to stalo se praktické vytvořit Active senzor obrazového bodu (APS) používání CMOS výrobní proces. Protože toto je dominantní technologie pro celý čip-výroba, CMOS snímací prvky jsou laciné dělat a signalizovat předurčení circuitry mohou být včleněny do stejného zařízení. Druhá výhoda pomůže snížit jejich větší citlivost na hluk, který je ještě záležitost, ačkoli nějaký klesající. Toto je kvůli použití zesilovačů nízké úrovně v každém obrazovém bodu namísto jednoho vysoce-klasifikovat zesilovač pro celou sadu v CCD. CMOS senzory také mají výhodu nižší spotřeby energie než CCDs. V současnosti čas tam je nicméně ne jednoznačný vítěz soupeřících technologií. CCDs ještě honosí vyšší citlivost a vyšší dynamický rozsah než CMOS senzory a pro tyto důvody CCDs je přednostní v astronomický imaging kde tyto faktory jsou hlavní důležitosti.

CCD prodavači

• Dalsa
• e2v technologie
• Fairchild Imaging
• Kodak
• Panasonic
• Sony
• Texas Instruments
• Toshiba