Ein ladungsgekoppelter Halbleiterbaustein (CCD) ist ein Gerät für die Bewegung der elektrischen Anklage gewöhnlich aus dem Gerät zu einem Gebiet, wo die Anklage, zum Beispiel Konvertierung in einen Digitalwert manipuliert werden kann. Das wird durch "die Verschiebung" der Signale zwischen Stufen innerhalb des Geräts einer nach dem anderen erreicht. CCDs bewegen Anklage zwischen kapazitiven Behältern im Gerät mit der Verschiebung, die Übertragung der Anklage zwischen Behältern berücksichtigend.

Der CCD ist eine Haupttechnologie für die Digitalbildaufbereitung. In einem CCD Bildsensor werden Pixel durch p-doped MOS Kondensatoren vertreten. Diese Kondensatoren werden über der Schwelle für die Inversion beeinflusst, wenn Bilderwerb beginnt, die Konvertierung von eingehenden Fotonen in Elektronanklagen an der mit dem Halbleiteroxydschnittstelle erlaubend; der CCD wird dann verwendet, um diese Anklagen vorzulesen. Obwohl CCDs nicht die einzige Technologie sind, um leichte Entdeckung zu berücksichtigen, werden CCD Bildsensoren in beruflichen, medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen weit verwendet, wo Qualitätsbilddaten erforderlich sind. In Anwendungen, wo eine etwas niedrigere Qualität wie Netzkameras geduldet werden kann, werden preiswertere aktive Pixel-Sensoren allgemein verwendet.

Geschichte

Der ladungsgekoppelte Halbleiterbaustein wurde 1969 an AT&T Glockenlaboratorien von Willard Boyle und George E. Smith erfunden. Das Laboratorium arbeitete am Halbleiter-Luftblase-Gedächtnis, als Boyle und Smith das Design dessen empfangen haben, was sie, in ihrem Notizbuch, "Anklage-'Luftblase'-Geräte genannt haben".

Eine Beschreibung dessen, wie das Gerät als ein Verschiebungsregister und als ein geradliniger und Bereichsbildaufbereitungsgeräte verwendet werden konnte, wurde in diesem ersten Zugang beschrieben. Die Essenz des Designs war die Fähigkeit, Anklage entlang der Oberfläche eines Halbleiters von einem Lagerungskondensator bis das folgende zu übertragen. Das Konzept war im Prinzip dem Gerät der Eimer-Brigade (BBD) ähnlich, das an Philips Research Labs während des Endes der 1960er Jahre entwickelt wurde.

Das anfängliche Papier, das das Konzept beschreibt, hat möglichen Gebrauch als ein Gedächtnis, eine Verzögerungslinie und ein Bildaufbereitungsgerät verzeichnet. Das erste experimentelle Gerät, das den Grundsatz demonstriert, war eine Reihe nah Metallquadrate unter Drogeneinfluss auf einer oxidierten durch Drahtanschlüsse elektrisch zugegriffenen Silikonoberfläche.

Das erste Arbeiten mit der einheitlichen Schaltungstechnik gemachter CCD war ein einfaches 8-Bit-Verschiebungsregister. Dieses Gerät hatte eingegeben und Produktionsstromkreise und wurde verwendet, um seinen Gebrauch als ein Verschiebungsregister und als ein grobes acht Pixel geradliniges Bildaufbereitungsgerät zu demonstrieren.

Die Entwicklung des Geräts ist an einer schnellen Rate fortgeschritten. Vor 1971 sind Glockenforscher Michael F. Tompsett. im Stande gewesen, Images mit einfachen geradlinigen Geräten zu gewinnen.

Mehrere Gesellschaften, einschließlich Halbleiters von Fairchild, RCA und Instrumente von Texas, die auf der Erfindung aufgenommen sind, und haben Entwicklungsprogramme begonnen. Die Anstrengung von Fairchild, die vom Ex-Glockenforscher Gil Amelio geführt ist, war mit kommerziellen Geräten erst, und vor 1974 hatte ein geradliniges 500-Elemente-Gerät und 2. 100 x 100 Pixel-Gerät. Steven Sasson, ein Elektroingenieur, der für Kodak arbeitet, hat die erste stille Digitalkamera mit einem Fairchild CCD 1975 erfunden. Der erste KH-11 KENNAN Aufklärungssatellit, der mit der Reihe-Technologie des ladungsgekoppelten Halbleiterbausteins für die Bildaufbereitung ausgestattet ist, wurde im Dezember 1976 gestartet. Unter Führung Kazuo Iwama hat Sony auch einen großen Entwicklungsaufwand auf CCDs das Beteiligen einer bedeutenden Investition angefangen. Schließlich erzeugt zur Masse geführte Sony CCDs für ihre Kameras. Davor zufällig ist Iwama im August 1982 gestorben; nachher wurde ein CCD Span auf seinem Grabstein gelegt, um seinen Beitrag anzuerkennen.

Im Januar 2006 wurden Boyle und Smith der Nationalen Akademie der Technik Charles Stark Draper Prize zuerkannt, und 2009 wurden sie dem Nobelpreis für die Physik für ihre Arbeit am CCD zuerkannt.

Grundlagen der Operation

In einem CCD, um Images zu gewinnen, gibt es ein photoaktives Gebiet (eine epitaxiale Schicht von Silikon) und ein Übertragungsgebiet, das aus einem Verschiebungsregister (der CCD gemacht ist, richtig sprechend).

Ein Image wird durch eine Linse auf die Kondensatorreihe (das photoaktive Gebiet) geplant, jeden Kondensator veranlassend, eine elektrische Anklage anzusammeln, die zur leichten Intensität an dieser Position proportional ist. Eine eindimensionale Reihe, die in Linienansehen-Kameras verwendet ist, gewinnt eine einzelne Scheibe des Images, während eine zweidimensionale Reihe, die im Video und noch den Kameras verwendet ist, ein zweidimensionales Bild entsprechend der auf das im Brennpunkt stehende Flugzeug des Sensors geplanten Szene gewinnt. Sobald die Reihe zum Image ausgestellt worden ist, veranlasst ein Kontrollstromkreis jeden Kondensator, seinen Inhalt seinem Nachbar zu übertragen (als ein Verschiebungsregister funktionierend). Der letzte Kondensator in der Reihe lädt seine Anklage in einen Anklage-Verstärker ab, der die Anklage in eine Stromspannung umwandelt. Durch das Wiederholen dieses Prozesses wandelt der Steuern-Stromkreis den kompletten Inhalt der Reihe im Halbleiter zu einer Folge von Stromspannungen um. In einem Digitalgerät werden diese Stromspannungen dann probiert, digitalisiert, und gewöhnlich im Gedächtnis versorgt; in einem Analoggerät (wie eine analoge Videokamera) werden sie in ein dauerndes analoges Signal bearbeitet (z.B durch die Fütterung der Produktion des Anklage-Verstärkers in einen Filter des niedrigen Passes), der dann bearbeitet und zu anderen Stromkreisen für die Übertragung, Aufnahme oder andere Verarbeitung gefüttert wird.

Ausführliche Physik der Operation

Anklage-Generation

Bevor die MOS Kondensatoren ausgestellt werden, um sich zu entzünden, werden sie ins Erschöpfungsregime beeinflusst; im N-Kanal CCDs ist das Silikon unter dem Neigungstor ein bisschen p-doped oder inner. Das Tor wird dann an einem positiven Potenzial über der Schwelle für die starke Inversion beeinflusst, die schließlich auf die Entwicklung eines n Kanals unter dem Tor als in einem MOSFET hinauslaufen wird. Jedoch nimmt es Zeit in Anspruch, um dieses Thermalgleichgewicht zu erreichen: Bis zu Stunden am hohen Ende sind wissenschaftliche Kameras bei der niedrigen Temperatur kühl geworden. Am Anfang nach dem Beeinflussen werden die Löcher weit ins Substrat gestoßen, und keine beweglichen Elektronen sind an oder in der Nähe von der Oberfläche; der CCD funktioniert so in der genannten tiefen Erschöpfung eines Staates des Nichtgleichgewichts.

Dann, wenn Elektronloch-Paare im Erschöpfungsgebiet erzeugt werden, werden sie durch das elektrische Feld, die Elektronbewegung zur Oberfläche und die Loch-Bewegung zum Substrat getrennt. Vier Prozesse der Paar-Generation können identifiziert werden:

• Photogeneration (bis zu 95 % der Quant-Leistungsfähigkeit),
• Generation im Erschöpfungsgebiet,
• Generation an der Oberfläche und
• Generation im neutralen Hauptteil.

Die letzten drei Prozesse sind als dunkel-aktuelle Generation bekannt, und fügen Geräusch zum Image hinzu; sie können die verwendbare Gesamtintegrationszeit beschränken. Die Anhäufung von Elektronen an oder in der Nähe von der Oberfläche kann weitergehen, entweder bis Bildintegration zu Ende ist und Anklage beginnt, übertragen zu werden, oder Thermalgleichgewicht wird erreicht. In diesem Fall, wird gut gesagt (entsprechend normalerweise ungefähr 10 Elektronen pro Pixel) voll zu sein.

Design und Herstellung

Das photoaktive Gebiet eines CCD, ist allgemein, eine epitaxiale Schicht von Silikon. Es ist leicht p lackiert (gewöhnlich mit Bor) und wird auf ein Substrat-Material, häufig p ++ angebaut. In Geräten des begrabenen Kanals, dem Typ des in modernstem CCDs verwerteten Designs, sind bestimmte Gebiete der Oberfläche des Silikons Ion implanted mit Phosphor, ihnen eine n-doped Benennung gebend. Dieses Gebiet definiert den Kanal, in dem die photoerzeugten Anklage-Pakete reisen werden. Simon Sze berichtet über die Vorteile eines Geräts des begrabenen Kanals ausführlich:

Das Tor-Oxyd, d. h. das Kondensatordielektrikum, wird oben auf der epitaxialen Schicht und dem Substrat angebaut.

Später dabei werden Polysilikontore durch die chemische Dampf-Absetzung abgelegt, haben mit der Fotolithographie gestaltet, und haben auf solche Art und Weise geätzt, dass die getrennt aufeinander abgestimmten Tore Senkrechte zu den Kanälen liegen. Die Kanäle werden weiter durch die Anwendung des LOK-Prozesses definiert, um das Kanalhalt-Gebiet zu erzeugen.

Kanalhalt ist thermisch angebaute Oxyde, die dienen, um die Anklage-Pakete in einer Säule von denjenigen in einem anderen zu isolieren. Dieser Kanalhalt wird erzeugt, bevor die Polysilikontore sind, weil der LOK-Prozess einen Hoch-Temperaturschritt verwertet, der das Tor-Material zerstören würde. Der Kanalhalt ist dazu parallel, und von, der Kanal, oder "das Anklage-Tragen", die Gebiete exklusiv.

Kanalhalt hat häufig einen p + lackiertes Gebiet, das ihnen unterliegt, eine weitere Barriere für die Elektronen in den Anklage-Paketen zur Verfügung stellend (nimmt diese Diskussion der Physik von CCD Geräten ein Elektronübertragungsgerät an, obwohl Loch-Übertragung möglich ist).

Das Abstoppen der Tore, abwechselnd hoch und niedrig, wird nachschicken und umkehren beeinflussen die Diode, die durch den begrabenen Kanal (n-doped) und die epitaxiale Schicht (p-doped) zur Verfügung gestellt wird. Das wird den CCD veranlassen, in der Nähe vom p-n Verbindungspunkt zu entleeren, und wird sammeln und die Anklage-Pakete unter den Toren — und innerhalb der Kanäle — des Geräts bewegen.

CCD Herstellung und Operation können für den verschiedenen Gebrauch optimiert werden. Der oben erwähnte Prozess beschreibt eine Rahmenübertragung CCD. Während CCDs auf einem schwer lackierten p ++ Oblate verfertigt werden kann, ist es auch möglich, ein Gerät innerhalb von P-Bohrlöchern zu verfertigen, die auf einer N-Oblate gelegt worden sind. Diese zweite Methode reduziert wie verlautet Schmiere, dunklen Strom und infrarote und rote Antwort. Diese Methode der Fertigung wird im Aufbau von Zwischenlinienübertragungsgeräten verwendet.

Eine andere Version von CCD wird einen peristaltic CCD genannt. In einem peristaltic ladungsgekoppelten Halbleiterbaustein ist die Übertragungsoperation des Anklage-Pakets der peristaltic Zusammenziehung und Ausdehnung des Verdauungssystems analog. Der peristaltic CCD hat einen zusätzlichen implant, der die Anklage weg von der Silikon/Silikon Dioxyd-Schnittstelle behält und ein großes seitliches elektrisches Feld von einem Tor bis das folgende erzeugt. Das stellt eine zusätzliche treibende Kraft zur Verfügung, um in der Übertragung der Anklage-Pakete zu helfen.

Architektur

Die CCD Bildsensoren können in mehreren verschiedenen Architekturen durchgeführt werden. Die allgemeinsten sind voller Rahmen, Rahmenübertragung und Zwischenlinie. Die unterscheidende Eigenschaft von jeder dieser Architekturen ist ihre Annäherung an das Problem von shuttering.

In einem Gerät des vollen Rahmens ist das ganze Bildgebiet aktiv, und es gibt keinen elektronischen Verschluss. Ein mechanischer Verschluss muss zu diesem Typ des Sensors oder der Bildschmieren hinzugefügt werden, weil das Gerät abgestoppt oder vorgelesen wird.

Mit einer Rahmenübertragung CCD wird die Hälfte des Silikongebiets durch eine undurchsichtige Maske (normalerweise Aluminium) bedeckt. Das Image kann vom Bildgebiet bis das undurchsichtige Gebiet oder Lagerungsgebiet mit der annehmbaren Schmiere von einigem Prozent schnell übertragen werden. Dieses Image kann dann langsam vom Lagerungsgebiet vorgelesen werden, während ein neues Image integriert oder im aktiven Gebiet ausstellt. Rahmenübertragungsgeräte verlangen normalerweise keinen mechanischen Verschluss und waren eine allgemeine Architektur für frühe Halbleitersendungskameras. Die Kehrseite zur Rahmenübertragungsarchitektur ist, dass sie zweimal die Silikonimmobilien eines gleichwertigen Geräts des vollen Rahmens verlangt; folglich kostet es grob doppelt so viel.

Die Zwischenlinienarchitektur erweitert dieses Konzept ein Schritt weiter und maskiert jede andere Säule des Bildsensors für die Lagerung. In diesem Gerät muss nur eine Pixel-Verschiebung vorkommen, um vom Bildgebiet bis Speicherbereich überzuwechseln; so können Verschlusszeiten weniger als eine Mikrosekunde sein, und Schmiere wird im Wesentlichen beseitigt. Der Vorteil ist jedoch nicht frei, weil das Bildaufbereitungsgebiet jetzt durch undurchsichtige Streifen bedeckt wird, die den füllen Faktor zu etwa 50 Prozent und die wirksame Quant-Leistungsfähigkeit durch einen gleichwertigen Betrag fallen lassen. Moderne Designs haben diese schädliche Eigenschaft durch das Hinzufügen von Mikrolinsen auf der Oberfläche des Geräts gerichtet, um Licht weg von den undurchsichtigen Gebieten und auf dem aktiven Gebiet zu leiten. Mikrolinsen können dem füllen Faktor zurück bis zu 90 Prozent oder mehr abhängig von der Pixel-Größe und dem optischen Design des gesamten Systems bringen.

Die Wahl der Architektur läuft auf eines des Dienstprogrammes hinaus. Wenn die Anwendung keinen teuren, für den Misserfolg anfälligen, mit der Macht intensiven mechanischen Verschluss dulden kann, ist ein Zwischenliniengerät die richtige Wahl. Verbraucherschnellschuss-Kameras haben Zwischenliniengeräte verwendet. Andererseits für jene Anwendungen, die die bestmögliche leichte Sammlung und Probleme des Geldes verlangen, ist Macht und Zeit weniger wichtig, das Gerät des vollen Rahmens ist die richtige Wahl. Astronomen neigen dazu, Geräte des vollen Rahmens zu bevorzugen. Die Rahmenübertragung fällt zwischen und war eine allgemeine Wahl, bevor das Füllen-Faktor-Problem von Zwischenliniengeräten gerichtet wurde. Heute wird Rahmenübertragung gewöhnlich gewählt, wenn eine Zwischenlinienarchitektur, solcher als in einem zurückbeleuchteten Gerät nicht verfügbar ist.

CCDs, die Bratrost von Pixeln enthalten, werden in Digitalkameras, optischen Scannern und Videokameras als Licht fühlende Geräte verwendet. Sie antworten allgemein auf 70 Prozent des Lichtes (Bedeutung einer Quant-Leistungsfähigkeit von ungefähr 70 Prozent) das Bilden von ihnen viel effizienter als fotografischer Film, der nur ungefähr 2 Prozent des Ereignis-Lichtes gewinnt.

Allgemeinste Typen von CCDs sind zum Nah-Infrarotlicht empfindlich, das Infrarotfotografie, Nachtvisionsgeräte und Nulllux (oder in der Nähe vom Nulllux) video-recording/photography erlaubt. Für normale silikonbasierte Entdecker wird die Empfindlichkeit auf 1.1 μm beschränkt. Eine andere Folge ihrer Empfindlichkeit zu infrarot ist, dass infrarot von Fernbedienungen häufig auf CCD-basierten Digitalkameras oder Kameras erscheint, wenn sie infraroten blockers nicht haben.

Das Abkühlen reduziert den dunklen Strom der Reihe, die Empfindlichkeit des CCD zu niedrigen leichten Intensitäten sogar für ultraviolette und sichtbare Wellenlängen verbessernd. Berufssternwarten kühlen häufig ihre Entdecker mit dem flüssigen Stickstoff ab, um den dunklen Strom, und deshalb das Thermalgeräusch zu unwesentlichen Niveaus zu reduzieren.

Verwenden Sie in der Astronomie

Wegen der hohen Quant-Wirksamkeit von CCDs, Linearität ihrer Produktionen (ein Zählen für ein Foton des Lichtes), Bequemlichkeit des Gebrauches im Vergleich zu fotografischen Tellern und eine Vielfalt anderer Gründe, wurden CCDs von Astronomen für fast alle UV-infrared Anwendungen sehr schnell angenommen.

Und kosmische Thermalgeräuschstrahlen können die Pixel in der CCD-Reihe verändern. Um solche Effekten zu entgegnen, nehmen Astronomen mehrere Aussetzungen mit dem CCD Verschluss geschlossen und geöffnet. Der Durchschnitt von Images, die mit dem geschlossenen Verschluss genommen sind, ist notwendig, um das zufällige Geräusch zu senken. Einmal entwickelt wird das dunkle Rahmendurchschnitt-Image dann vom Image des offenen Verschlusses abgezogen, um den dunklen Strom und die anderen systematischen Defekte (tote Pixel, heiße Pixel, usw.) im CCD zu entfernen.

Das Hubble Raumfernrohr hat insbesondere eine hoch entwickelte Reihe von Schritten ("Datenverminderungsrohrleitung"), um die CCD rohen Daten zu nützlichen Images umzuwandeln. Sieh die Verweisungen für eine mehr eingehende Beschreibung der Schritte in der astronomischen CCD Bilddaten-Korrektur und Verarbeitung.

CCD Kameras, die in astrophotography häufig verwendet sind, verlangen, dass kräftige Gestelle mit Vibrationen vom Wind und den anderen Quellen zusammen mit dem enormen Gewicht von den meisten Bildaufbereitungsplattformen fertig werden. Um lange Aussetzungen von Milchstraßen und Nebelflecken zu nehmen, verwenden viele Astronomen eine als das Autoführen bekannte Technik. Die meisten Autolenker verwenden einen zweiten CCD Span, um Abweichungen während der Bildaufbereitung zu kontrollieren. Dieser Span kann Fehler im Verfolgen schnell entdecken und den Gestell-Motoren befehlen, für sie zu korrigieren.

Eine interessante ungewöhnliche astronomische Anwendung von CCDs, genannt Antrieb-Abtastung, verwendet einen CCD, um sich ein festes Fernrohr wie ein Verfolgen-Fernrohr benehmen und der Bewegung des Himmels folgen zu lassen. Die Anklagen im CCD werden übertragen und in einer Richtungsparallele zur Bewegung des Himmels, und mit derselben Geschwindigkeit gelesen. Auf diese Weise kann das Fernrohr ein größeres Gebiet des Himmels darstellen als sein normales Feld der Ansicht. Der Sloan Digitalhimmel-Überblick ist das berühmteste Beispiel davon mit der Technik, um den größten gleichförmigen Überblick über den noch vollbrachten Himmel zu erzeugen.

Zusätzlich zur Astronomie werden CCDs auch in der analytischen Laborinstrumentierung wie monochromators, Spektrometer und N-Schlitz-Laser interferometers verwendet.

Farbenkameras

Digitalfarbenkameras verwenden allgemein eine Maske von Bayer über den CCD. Jedes Quadrat von vier Pixeln hat dasjenige gefiltert rot, ein blauer, und zwei grüne (ist das menschliche Auge zum Grün empfindlicher entweder als rot oder als blau). Das Ergebnis davon besteht darin, dass Klarheitsinformation an jedem Pixel gesammelt wird, aber die Farbenentschlossenheit ist niedriger als die Klarheitsentschlossenheit.

Bessere Farbentrennung kann durch drei-CCD Geräte (3CCD) und ein dichroic Balken splitter Prisma erreicht werden, das das Image in rote, grüne und blaue Bestandteile spaltet. Jeder der drei CCDs wird eingeordnet, um auf eine besondere Farbe zu antworten. Die meisten Berufsvideokameras und einige semiprofessionelle Kameras, verwenden diese Technik. Ein anderer Vorteil 3CCD über ein Maske-Gerät von Bayer ist höhere Quant-Leistungsfähigkeit (und deshalb höhere leichte Empfindlichkeit für eine gegebene Öffnungsgröße). Das ist, weil in 3CCD Gerät der grösste Teil des Lichtes, das in die Öffnung eingeht, durch einen Sensor gewonnen wird, während eine Maske von Bayer ein hohes Verhältnis (über 2/3) des Lichtes absorbiert, das auf jedem CCD Pixel fällt.

Für noch Szenen, zum Beispiel in der Mikroskopie, kann die Entschlossenheit eines Maske-Geräts von Bayer durch die Mikroabtastung der Technologie erhöht werden. Während des Prozesses der Farbenco-Seite-Stichprobenerhebung werden mehrere Rahmen der Szene erzeugt. Zwischen Anschaffungen wird der Sensor in Pixel-Dimensionen bewegt, so dass jeder Punkt im Gesichtsfeld aufeinander folgend durch Elemente der Maske erworben wird, die zu den roten, grünen und blauen Bestandteilen seiner Farbe empfindlich sind. Schließlich ist jedes Pixel im Image mindestens gescannt worden, sobald in jeder Farbe und der Entschlossenheit der drei Kanäle gleichwertig werden (die Entschlossenheiten von roten und blauen Kanälen werden vervierfacht, während der grüne Kanal verdoppelt wird).

Sensorgrößen

Sensoren (CCD / CMOS) kommen in verschiedenen Größen oder Bildsensorformaten. Auf diese Größen wird häufig mit einer zölligen Bruchteil-Benennung wie 1/1.8  verwiesen, oder 2/3 hat  das optische Format genannt. Dieses Maß entsteht wirklich zurück in den 1950er Jahren und die Zeit von Vidikon-Tuben.

Elektronmultiplizierender CCD

Ein elektronmultiplizierender CCD (EMCCD, auch bekannt als ein L3Vision CCD, L3CCD oder Impactron CCD) ist ein ladungsgekoppelter Halbleiterbaustein, in den ein Gewinn-Register zwischen dem Verschiebungsregister und dem Produktionsverstärker gelegt wird. Das Gewinn-Register wird in eine Vielzahl von Stufen aufgeteilt. In jeder Bühne werden die Elektronen mit der Einfluss-Ionisation auf eine ähnliche Weise zu einer Lawine-Diode multipliziert. Die Gewinn-Wahrscheinlichkeit in jeder Bühne des Registers ist klein (P

EMCCDs zeigen eine ähnliche Empfindlichkeit zu Verstärktem CCDs (ICCDs). Jedoch, als mit ICCDs, ist der Gewinn, der im Gewinn-Register angewandt wird, stochastisch und der genaue Gewinn, der auf eine Anklage eines Pixels angewandt worden ist, ist unmöglich zu wissen. An hohen Gewinnen (> 30) hat diese Unklarheit dieselbe Wirkung auf das Verhältnis des Signals zum Geräusch (SNR) wie das Halbieren der Quant-Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Operation mit einem Gewinn der Einheit. Jedoch an sehr niedrigen leichten Niveaus (wo die Quant-Leistungsfähigkeit am wichtigsten ist) kann es angenommen werden, dass ein Pixel entweder ein Elektron enthält - oder nicht. Das entfernt das Geräusch, das mit der stochastischen Multiplikation auf Kosten des Zählens vielfacher Elektronen in demselben Pixel wie ein einzelnes Elektron vereinigt ist. Die Streuung im Gewinn wird im Graphen rechts gezeigt. Weil sich Multiplikation mit vielen Elementen und großen Gewinnen einschreibt, wird sie durch die Gleichung gut modelliert:

(n-m+1\right) ist ^ {m-1}} {\\(m-1 \right) abgereist! \left

(g-1 +\frac {1} {M }\\Recht) ^ {M} }\\exp \left (-

\frac {n-m+1} {g-1 +\frac {1} {M} }\\Recht) </Mathematik> wenn

wo P die Wahrscheinlichkeit ist zu kommen, geben n Produktionselektronen gegeben M Elektronen und einen Gesamtmittelmultiplikationsregister-Gewinn von g ein.

Wegen der niedrigeren Kosten und der etwas besseren Entschlossenheit sind EMCCDs dazu fähig, ICCDs in vielen Anwendungen zu ersetzen. ICCDs haben noch den Vorteil, dass sie gated sehr schnell sein können und so in Anwendungen wie Bildaufbereitung der Reihe-gated nützlich sind. EMCCD Kameras brauchen unentbehrlich ein Kühlsystem, um den Span zu Temperaturen ungefähr 170 K abzukühlen. Dieses Kühlsystem fügt leider zusätzliche Kosten zum EMCCD Bildaufbereitung des Systems hinzu und gibt häufig schwere Kondensationsprobleme in der Anwendung nach.

Die Fähigkeiten des niedrigen Lichtes zu L3CCDs fangen an, Gebrauch in der Astronomie zu finden. Insbesondere macht ihr niedriges Geräusch mit hohen Ausgabe-Geschwindigkeiten sie sehr nützlich für die glückliche Bildaufbereitung von schwachen Sternen und hohe Geschwindigkeitsfoton-Zählen-Fotometrie.

Kommerzielle EMCCD Kameras haben normalerweise Anklage und dunklen Strom Uhr-veranlasst (Abhängiger auf dem Ausmaß des Abkühlens), der zu einem wirksamen Ausgabe-Geräusch im Intervall von 0.01 zu 1 Elektronen pro gelesenes Pixel führt. Einzeln angefertigte tief abgekühlte Nichtumkehren-Weise EMCCD Kameras hat wirksames Ausgabe-Geräusch tiefer zur Verfügung gestellt als 0.1 Elektronen pro Pixel gelesen http://www.ing.iac.es/~smt/LLLCCD/L3Poster.pdf für glückliche Bildaufbereitungsbeobachtungen.

Rahmenübertragung CCD

Eine Rahmenübertragung CCD ist ein spezialisierter CCD, der häufig in der Astronomie und einigen Berufsvideokameras verwendet ist, die für die hohe Aussetzungsleistungsfähigkeit und Genauigkeit entworfen sind.

Die normale Wirkung eines CCD, astronomisch oder sonst, kann in zwei Phasen geteilt werden: Aussetzung und Ausgabe. Während der ersten Phase sammelt der CCD passiv eingehende Fotonen, Elektronen in seinen Zellen versorgend. Nachdem die Belichtungszeit passiert wird, werden die Zellen eine Linie auf einmal vorgelesen. Während der Ausgabe-Phase werden Zellen unten das komplette Gebiet des CCD ausgewechselt. Während sie ausgewechselt werden, setzen sie fort, Licht zu sammeln. So, wenn die Verschiebung nicht schnell genug ist, können sich Fehler aus Licht ergeben, das auf einer Zelle fällt, die Anklage während der Übertragung hält. Diese Fehler werden "vertikale Schmiere" genannt und veranlassen eine starke leichte Quelle, eine vertikale Linie oben und unter seiner genauen Position zu schaffen. Außerdem kann der CCD nicht verwendet werden, um Licht zu sammeln, während es vorgelesen wird. Leider verlangt eine schnellere Verschiebung eine schnellere Ausgabe, und eine schnellere Ausgabe kann Fehler im Zellanklage-Maß einführen, zu einem höheren Geräuschniveau führend.

Eine Rahmenübertragung CCD behebt beide Probleme: Es hat einen beschirmten, nicht leicht empfindlich, Gebiet, das so viele Zellen enthält, wie das Gebiet ausgestellt hat sich zu entzünden. Gewöhnlich wird dieses Gebiet durch ein reflektierendes Material wie Aluminium bedeckt. Wenn die Belichtungszeit ist, werden die Zellen sehr schnell dem verborgenen Gebiet übertragen. Hier, sicher vor jedem eingehenden Licht, können Zellen mit jeder Geschwindigkeit vorgelesen werden, die man für notwendig hält, um die Anklage der Zellen richtig zu messen. Zur gleichen Zeit sammelt der ausgestellte Teil des CCD Licht wieder, so kommt keine Verzögerung zwischen aufeinander folgenden Aussetzungen vor.

Der Nachteil solch eines CCD ist die höher Kosten: Das Zellgebiet wird grundsätzlich verdoppelt, und kompliziertere Kontrollelektronik ist erforderlich.

Verstärkter ladungsgekoppelter Halbleiterbaustein

Ein verstärkter ladungsgekoppelter Halbleiterbaustein (ICCD) ist ein CCD, der mit einem intensivierenden Bildwort optisch verbunden wird, das vor dem CCD bestiegen wird.

Ein intensivierendes Bildwort schließt drei funktionelle Elemente ein: eine Photokathode, ein Mikrokanalteller (MCP) und ein Phosphorschirm. Diese drei Elemente werden ein Ende hinter anderem in der erwähnten Folge bestiegen. Die Fotonen, die aus dem leichten Quellfall auf die Photokathode kommen, dadurch Photoelektronen erzeugend. Die Photoelektronen werden zum MCP durch eine elektrische Kontrollstromspannung beschleunigt, die zwischen Photokathode und MCP angewandt ist. Die Elektronen werden innerhalb des MCP multipliziert und danach zum Phosphorschirm beschleunigt. Der Phosphorschirm wandelt schließlich die multiplizierten Elektronen zurück zu Fotonen um, die zum CCD durch eine Faser Seh- oder eine Linse geführt werden.

Ein intensivierendes Bildwort schließt von Natur aus eine Verschluss-Funktionalität ein: Wenn die Kontrollstromspannung zwischen der Photokathode und dem MCP umgekehrt wird, werden die ausgestrahlten Photoelektronen zum MCP nicht beschleunigt, aber kehren zur Photokathode zurück. So werden keine Elektronen multipliziert und durch den MCP ausgestrahlt, keine Elektronen gehen zum Phosphorschirm, und kein Licht wird vom intensivierenden Bildwort ausgestrahlt. In diesem Fall fällt kein Licht auf den CCD, was bedeutet, dass der Verschluss geschlossen wird. Der Prozess, die Kontrollstromspannung an der Photokathode umzukehren, wird gating genannt, und deshalb werden ICCDs auch gateable CCD Kameras genannt.

Außer der äußerst hohen Empfindlichkeit von ICCD Kameras, die einzelne Foton-Entdeckung ermöglichen, ist der gateability einer der Hauptvorteile des ICCD über die EMCCD Kameras. Das höchste Durchführen ICCD Kameras ermöglicht Verschlusszeiten mindestens 200 picoseconds.

ICCD Kameras sind im Allgemeinen im Preis etwas höher als EMCCD Kameras, weil sie das teure intensivierende Bildwort brauchen. Andererseits brauchen EMCCD Kameras ein Kühlsystem, um den EMCCD Span zu Temperaturen ungefähr 170 K abzukühlen. Dieses Kühlsystem fügt zusätzliche Kosten zur EMCCD Kamera hinzu und gibt häufig schwere Kondensationsprobleme in der Anwendung nach.

ICCDs werden in Nachtvisionsgeräten und in einer großen Vielfalt von wissenschaftlichen Anwendungen verwendet.

Siehe auch

• Bildsensor
• Fotodiode
• CMOS Sensor
• Gerät der Eimer-Brigade
• Filter von Bayer
• 3CCD
• Das Drehen der Linienkamera
• Das Superleiten der Kamera
• Fantastischer CCD
• Breite dynamische Reihe
• Sensor von Foveon X3
• Hole Accumulation Diode (HAD)
• Kamera
• Andor Technology - Hersteller von EMCCD Kameras
• PI/Acton - Hersteller von EMCCD Kameras
• Computeroptik von Stanford - Hersteller von ICCD Kameras

Links

• Zeitschriftenartikel auf Grundlagen von CCDs
• CCD gegen CMOS. Leistungsvergleich
• Mikroskopie-Einführung von Nikon in CCDs
• Konzepte in der Digitalbildaufbereitungstechnologie
• CCDs für materielle Wissenschaftler
• Mikrograph der Photosensorreihe einer Netzkamera.
• Eine allgemeine L3CCD Seite mit vielen Verbindungen
• Papier, die Leistung von L3CCDs besprechend
• Statistische Eigenschaften von Multiplikationsregistern einschließlich der Abstammung der Gleichung über
• Mehr statistische Eigenschaften
• L3CCDs, der in der Astronomie verwendet ist