_for_Ultra-Violet_and_Visible_Detection.jpg/1280px-Delta-Doped_Charged_Coupled_Devices_(CCD)_for_Ultra-Violet_and_Visible_Detection.jpg)
Прибор с зарядовой связью ( ПЗС ) — это интегральная схема, содержащая массив связанных или связанных конденсаторов . Под управлением внешней цепи каждый конденсатор может передавать свой электрический заряд соседнему конденсатору. Датчики ПЗС являются основной технологией, используемой в цифровой обработке изображений .
В датчике изображения ПЗС пиксели представлены p-легированными металл-оксид-полупроводниковыми (МОП) конденсаторами . Эти МОП-конденсаторы , основные строительные блоки ПЗС, [1] смещены выше порога инверсии, когда начинается получение изображения, что позволяет преобразовывать входящие фотоны в электронные заряды на границе полупроводник-оксид; затем ПЗС используется для считывания этих зарядов.
Хотя ПЗС-матрицы — не единственная технология, позволяющая обнаруживать свет, датчики изображений ПЗС широко используются в профессиональных, медицинских и научных приложениях, где требуются высококачественные данные изображения.
В приложениях с менее высокими требованиями к качеству, таких как потребительские и профессиональные цифровые камеры , обычно используются датчики с активными пикселями , также известные как датчики КМОП (комплементарные МОП-датчики).
Однако значительное преимущество ПЗС-матриц в качестве, которым они обладали на начальном этапе, со временем сошло на нет, и с конца 2010-х годов доминирующей технологией стали КМОП-матрицы, которые в значительной степени, если не полностью, заменили ПЗС-матрицы.
Основой ПЗС является структура металл-оксид-полупроводник (МОП) [2], при этом МОП-конденсаторы являются основными строительными блоками ПЗС, [1] [3] а обедненная МОП-структура использовалась в качестве фотодетектора в ранних устройствах ПЗС. [2] [4]
В конце 1960-х годов Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит из Bell Labs исследовали технологию МОП, работая над полупроводниковой пузырьковой памятью . Они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку было довольно просто изготовить ряд МОП-конденсаторов в ряд, они подключили к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог передаваться от одного к другому. [3] Это привело к изобретению Бойлом и Смитом в 1969 году устройства с зарядовой связью. Они задумали конструкцию того, что они назвали в своей записной книжке «устройствами с зарядовым „пузырем“». [5] [6]
Первоначальная статья, описывающая концепцию в апреле 1970 года, перечисляла возможные применения в качестве памяти , линии задержки и устройства формирования изображений. [7] Устройство также могло использоваться в качестве сдвигового регистра . Суть конструкции заключалась в возможности переноса заряда по поверхности полупроводника от одного накопительного конденсатора к другому. Концепция была в принципе похожа на устройство ковшовой бригады (BBD), которое было разработано в исследовательских лабораториях Philips в конце 1960-х годов.
Первым экспериментальным устройством, демонстрирующим принцип, был ряд близко расположенных металлических квадратов на окисленной кремниевой поверхности, электрически доступных посредством проволочных связей. Это было продемонстрировано Джилом Амелио , Майклом Фрэнсисом Томпсеттом и Джорджем Смитом в апреле 1970 года. [8] Это было первое экспериментальное применение ПЗС в технологии датчиков изображений , и в качестве фотодетектора использовалась обедненная структура МОП. [2] Первый патент ( патент США 4,085,456 ) на применение ПЗС для формирования изображений был выдан Томпсетту, который подал заявку в 1971 году. [9]
Первая рабочая ПЗС, изготовленная с использованием технологии интегральных схем , была простым 8-битным сдвиговым регистром, о котором сообщили Томпсетт, Амелио и Смит в августе 1970 года. [10] Это устройство имело входные и выходные цепи и использовалось для демонстрации его использования в качестве сдвигового регистра и грубого восьмипиксельного линейного устройства формирования изображений. Разработка устройства продвигалась быстрыми темпами. К 1971 году исследователи Bell во главе с Майклом Томпсеттом смогли захватывать изображения с помощью простых линейных устройств. [11] Несколько компаний, включая Fairchild Semiconductor , RCA и Texas Instruments , подхватили изобретение и начали программы разработки. Усилия Fairchild, возглавляемые бывшим исследователем Bell Джилом Амелио, были первыми с коммерческими устройствами, и к 1974 году имели линейное устройство на 500 элементов и двумерное устройство размером 100 × 100 пикселей. Питер Диллон, ученый из Kodak Research Labs, изобрел первый цветной ПЗС-датчик изображения, наложив матрицу цветных фильтров на эту ПЗС-матрицу Fairchild Interline размером 100 x 100 пикселей, начиная с 1974 года. [12] Стивен Сассон , инженер-электрик, работавший в Kodak Apparatus Division, изобрел цифровую фотокамеру, использующую ту же ПЗС-матрицу Fairchild размером 100 × 100 , в 1975 году. [13]
Устройство ПЗС с построчным переносом (ILT) было предложено Л. Уолшем и Р. Дайком в Fairchild в 1973 году для уменьшения размытия и устранения механического затвора . Для дальнейшего уменьшения размытия от ярких источников света в 1981 году в Matsushita (теперь Panasonic) была разработана архитектура ПЗС с построчным переносом (FIT). [2]
Первый разведывательный спутник KH-11 KENNEN, оснащенный массивом приборов с зарядовой связью ( 800 × 800 пикселей) [ требуется ссылка ] для получения изображений, был запущен в декабре 1976 года. [14] Под руководством Казуо Ивамы Sony начала масштабную разработку ПЗС, вложив значительные инвестиции. В конце концов, Sony удалось наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер . До того, как это произошло, Ивама умер в августе 1982 года. Впоследствии на его надгробии был помещен чип ПЗС в знак признания его вклада. [15] Первая серийная потребительская видеокамера ПЗС , CCD-G5, была выпущена Sony в 1983 году на основе прототипа, разработанного Ёсиаки Хагиварой в 1981 году. [16]
Ранние ПЗС-датчики страдали от задержки затвора . Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [2] Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихарой в NEC в 1980 году. [2] [17] Они поняли, что задержку можно устранить, если переносчики сигнала можно будет переносить с фотодиода на ПЗС. Это привело к изобретению ими закрепленного фотодиода, структуры фотодетектора с малой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [2] Впервые об этом публично сообщили Тераниши и Исихара совместно с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением антиблюминговой структуры. [2] [18] Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, была названа «штыревым фотодиодом» (PPD) BC Burkey из Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали включать в большинство устройств CCD, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем и цифровых фотокамер . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем и в датчиках CMOS . [2]
В январе 2006 года Бойл и Смит были награждены Национальной академией инженерии премией Чарльза Старка Дрейпера [19] , а в 2009 году им была присуждена Нобелевская премия по физике [20] за изобретение концепции ПЗС. Майкл Томпсетт был награжден Национальной медалью за технологии и инновации 2010 года за новаторскую работу и электронные технологии, включая проектирование и разработку первых ПЗС-датчиков изображения. Он также был награжден медалью Эдисона IEEE 2012 года за «новаторский вклад в устройства формирования изображений, включая ПЗС-датчики изображения, камеры и тепловизоры».
В ПЗС для захвата изображений имеется фотоактивная область ( эпитаксиальный слой кремния) и область пропускания, выполненная в виде сдвигового регистра (собственно ПЗС).
Изображение проецируется через линзу на матрицу конденсаторов (фотоактивную область), в результате чего каждый конденсатор накапливает электрический заряд, пропорциональный интенсивности света в этом месте. Одномерная матрица, используемая в камерах с линейным сканированием, захватывает один срез изображения, тогда как двумерная матрица, используемая в видеокамерах и фотокамерах, захватывает двумерную картинку, соответствующую сцене, проецируемой на фокальную плоскость датчика. После того, как матрица подверглась воздействию изображения, схема управления заставляет каждый конденсатор передавать свое содержимое соседнему (работая как сдвиговый регистр). Последний конденсатор в матрице сбрасывает свой заряд в усилитель заряда , который преобразует заряд в напряжение . Повторяя этот процесс, схема управления преобразует все содержимое матрицы в полупроводнике в последовательность напряжений. В цифровом устройстве эти напряжения затем дискретизируются, оцифровываются и обычно сохраняются в памяти; В аналоговом устройстве (например, аналоговой видеокамере) они преобразуются в непрерывный аналоговый сигнал (например, путем подачи выходного сигнала усилителя заряда на фильтр нижних частот), который затем обрабатывается и подается в другие схемы для передачи, записи или другой обработки. [21]
Перед тем, как конденсаторы MOS подвергаются воздействию света, они смещаются в область обеднения; в n-канальных ПЗС кремний под затвором смещения слегка p -легирован или является собственным. Затем затвор смещается при положительном потенциале, выше порога для сильной инверсии, что в конечном итоге приведет к созданию n -канала под затвором, как в МОП-транзисторе . Однако для достижения этого теплового равновесия требуется время: до часов в высококлассных научных камерах, охлажденных при низкой температуре. [22] Первоначально после смещения дырки выталкиваются далеко в подложку, и на поверхности или вблизи нее нет подвижных электронов; таким образом, ПЗС работает в неравновесном состоянии, называемом глубоким обеднением. [23] Затем, когда в области обеднения генерируются пары электрон-дырка , они разделяются электрическим полем, электроны движутся к поверхности, а дырки движутся к подложке. Можно выделить четыре процесса генерации пар:
Последние три процесса известны как генерация темнового тока и добавляют шум к изображению; они могут ограничивать общее полезное время интеграции. Накопление электронов на поверхности или вблизи нее может продолжаться либо до тех пор, пока интеграция изображения не закончится и заряд не начнет передаваться, либо пока не будет достигнуто тепловое равновесие. В этом случае говорят, что яма заполнена. Максимальная емкость каждой ямы известна как глубина ямы, [24] обычно около 10 5 электронов на пиксель. [23] ПЗС обычно восприимчивы к ионизирующему излучению и энергичным частицам, что вызывает шум на выходе ПЗС, и это необходимо учитывать в спутниках, использующих ПЗС. [25] [26]
Фотоактивная область ПЗС, как правило, представляет собой эпитаксиальный слой кремния . Он слегка легирован p- примесью (обычно бором ) и выращен на материале подложки , часто p++. В устройствах со скрытым каналом, тип конструкции, используемый в большинстве современных ПЗС, определенные области поверхности кремния имплантированы ионами фосфора , что дает им обозначение n-легированного. Эта область определяет канал, по которому будут перемещаться фотогенерированные зарядовые пакеты. Саймон Сзе подробно описывает преимущества устройства со скрытым каналом: [23]
Этот тонкий слой (= 0,2–0,3 мкм) полностью истощен, и накопленный фотогенерированный заряд удерживается вдали от поверхности. Эта структура имеет преимущества более высокой эффективности переноса и более низкого темнового тока из-за сниженной поверхностной рекомбинации. Штрафом является меньшая зарядная емкость, в 2–3 раза по сравнению с поверхностно-канальным ПЗС.
Оксид затвора, т.е. диэлектрик конденсатора , выращивается поверх эпитаксиального слоя и подложки.
Позже в этом процессе поликремниевые затворы наносятся методом химического осаждения из паровой фазы , шаблонизируются фотолитографией и протравливаются таким образом, чтобы отдельно фазированные затворы лежали перпендикулярно каналам. Каналы далее определяются с использованием процесса LOCOS для создания области остановки канала .
Канальные стопоры — это термически выращенные оксиды , которые служат для изоляции зарядовых пакетов в одном столбце от пакетов в другом. Эти канальные стопоры производятся до поликремниевых затворов, поскольку процесс LOCOS использует высокотемпературный этап, который разрушил бы материал затвора. Канальные стопоры параллельны и исключают канальные или «несущие заряд» области.
Канальные ограничители часто имеют под собой легированную p+ область, что создает дополнительный барьер для электронов в зарядовых пакетах (это обсуждение физики устройств ПЗС предполагает наличие устройства переноса электронов , хотя перенос дырок возможен).
Синхронизация затворов, попеременно высокая и низкая, будет смещать вперед и назад диод, который обеспечивается скрытым каналом (n-легированным) и эпитаксиальным слоем (p-легированным). Это приведет к истощению ПЗС вблизи p–n-перехода и будет собирать и перемещать зарядовые пакеты под затворами — и внутри каналов — устройства.
Производство и эксплуатация ПЗС могут быть оптимизированы для различных целей. Вышеуказанный процесс описывает ПЗС с кадровым переносом. Хотя ПЗС могут быть изготовлены на сильно легированной пластине p++, также возможно изготовление устройства внутри p-wells, которые были помещены на n-пластину. Этот второй метод, как сообщается, уменьшает размытие, темновой ток , а также инфракрасный и красный отклик. Этот метод производства используется при создании устройств с межстрочным переносом.
Другая версия ПЗС называется перистальтической ПЗС. В перистальтическом устройстве с зарядовой связью операция переноса зарядовых пакетов аналогична перистальтическому сокращению и расширению пищеварительной системы . Перистальтическая ПЗС имеет дополнительный имплантат, который удерживает заряд вдали от интерфейса кремний/ диоксид кремния и генерирует большое боковое электрическое поле от одного затвора к другому. Это обеспечивает дополнительную движущую силу, помогающую переносу зарядовых пакетов.
Датчики изображения CCD могут быть реализованы в нескольких различных архитектурах. Наиболее распространенными являются полнокадровые, покадровые и построчные. Отличительной чертой каждой из этих архитектур является их подход к проблеме затвора.
В полнокадровом устройстве вся область изображения активна, и нет электронного затвора. К этому типу сенсора необходимо добавить механический затвор, иначе изображение будет размазываться при синхронизации или считывании устройства.
При использовании ПЗС с кадровой передачей половина кремниевой области покрыта непрозрачной маской (обычно алюминиевой). Изображение можно быстро перенести из области изображения в непрозрачную область или область хранения с приемлемым размытием в несколько процентов. Затем это изображение можно медленно считывать из области хранения, пока новое изображение интегрируется или экспонируется в активной области. Устройства с кадровой передачей обычно не требуют механического затвора и были распространенной архитектурой для ранних твердотельных вещательных камер. Недостатком архитектуры с кадровой передачей является то, что она требует вдвое больше кремниевой площади, чем эквивалентное полнокадровое устройство; следовательно, она стоит примерно вдвое дороже.
Архитектура interline расширяет эту концепцию на один шаг и маскирует каждый второй столбец датчика изображения для хранения. В этом устройстве для переноса из области изображения в область хранения требуется только один сдвиг пикселя; таким образом, время затвора может быть меньше микросекунды, а размытие по существу устраняется. Однако преимущество не бесплатное, поскольку область изображения теперь покрыта непрозрачными полосами, снижающими коэффициент заполнения примерно до 50 процентов, а эффективную квантовую эффективность — на эквивалентную величину. Современные разработки устранили эту пагубную характеристику, добавив микролинзы на поверхность устройства, чтобы направлять свет от непрозрачных областей на активную область. Микролинзы могут вернуть коэффициент заполнения до 90 процентов и более в зависимости от размера пикселя и общей оптической конструкции системы.
Выбор архитектуры сводится к одному из соображений полезности. Если приложение не может выдержать дорогой, подверженный отказам, энергоемкий механический затвор, правильным выбором будет построчное устройство. Потребительские камеры моментальных снимков использовали построчные устройства. С другой стороны, для тех приложений, которые требуют наилучшего сбора света и вопросы денег, мощности и времени не так важны, правильным выбором будет полнокадровое устройство. Астрономы, как правило, предпочитают полнокадровые устройства. Покадровый перенос находится посередине и был распространенным выбором до того, как была решена проблема коэффициента заполнения построчных устройств. Сегодня построчный перенос обычно выбирают, когда построчная архитектура недоступна, например, в устройстве с задней подсветкой.
ПЗС, содержащие сетки пикселей, используются в цифровых камерах , оптических сканерах и видеокамерах в качестве светочувствительных устройств. Обычно они реагируют на 70 процентов падающего света (что означает квантовую эффективность около 70 процентов), что делает их намного более эффективными, чем фотопленка , которая улавливает только около 2 процентов падающего света.
Наиболее распространенные типы ПЗС чувствительны к ближнему инфракрасному свету, что позволяет использовать инфракрасную фотографию , приборы ночного видения и видеозапись/фотосъемку при нулевом (или близком к нулевому) уровне освещенности . Для обычных детекторов на основе кремния чувствительность ограничена 1,1 мкм. Еще одним следствием их чувствительности к инфракрасному излучению является то, что инфракрасное излучение от пультов дистанционного управления часто появляется на цифровых фотоаппаратах или камкордерах на основе ПЗС, если у них нет инфракрасных блокираторов.
Охлаждение снижает темновой ток массива , улучшая чувствительность ПЗС к низкой интенсивности света, даже для ультрафиолетовых и видимых длин волн. Профессиональные обсерватории часто охлаждают свои детекторы жидким азотом , чтобы снизить темновой ток, а следовательно, и тепловой шум , до пренебрежимо малых уровней.
Кадровый ПЗС-датчик изображения был первой структурой формирования изображений, предложенной для ПЗС-визуализации Майклом Томпсеттом из Bell Laboratories. Кадровый ПЗС-датчик изображения — это специализированный ПЗС, часто используемый в астрономии и некоторых профессиональных видеокамерах , разработанный для высокой эффективности и корректности экспозиции.
Нормальное функционирование ПЗС, астрономического или иного, можно разделить на две фазы: экспозиция и считывание. Во время первой фазы ПЗС пассивно собирает входящие фотоны , сохраняя электроны в своих ячейках. После того, как время экспозиции прошло, ячейки считываются по одной строке за раз. Во время фазы считывания ячейки смещаются вниз по всей площади ПЗС. Пока они смещаются, они продолжают собирать свет. Таким образом, если смещение недостаточно быстрое, могут возникнуть ошибки из-за света, который падает на ячейку, удерживающую заряд во время переноса. Эти ошибки называются «вертикальным размытием» и приводят к тому, что сильный источник света создает вертикальную линию выше и ниже своего точного местоположения. Кроме того, ПЗС нельзя использовать для сбора света во время считывания. Более быстрое смещение требует более быстрого считывания, а более быстрое считывание может вносить ошибки в измерение заряда ячейки, что приводит к более высокому уровню шума.
ПЗС с кадровым переносом решает обе проблемы: у него есть экранированная, не светочувствительная область, содержащая столько же ячеек, сколько и область, подвергаемая воздействию света. Обычно эта область покрыта отражающим материалом, например алюминием. Когда время экспозиции истекает, ячейки очень быстро переносятся в скрытую область. Здесь, защищенные от любого входящего света, ячейки могут считываться с любой скоростью, которая считается необходимой для правильного измерения заряда ячеек. В то же время, экспонированная часть ПЗС снова собирает свет, поэтому задержки между последовательными экспозициями не происходит.
Недостатком такой ПЗС является более высокая стоимость: площадь ячейки фактически удваивается, и требуется более сложная управляющая электроника.
Прибор с усиленной зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ПЗС, оптически соединенный с усилителем изображения, установленным перед ПЗС.
Усилитель изображения включает в себя три функциональных элемента: фотокатод , микроканальную пластину (МКП) и фосфорный экран. Эти три элемента устанавливаются один за другим в указанной последовательности. Фотоны, поступающие от источника света, попадают на фотокатод, тем самым генерируя фотоэлектроны. Фотоэлектроны ускоряются по направлению к МКП с помощью электрического управляющего напряжения, приложенного между фотокатодом и МКП. Электроны умножаются внутри МКП и затем ускоряются по направлению к фосфорному экрану. фосфорный экран в конечном итоге преобразует умноженные электроны обратно в фотоны, которые направляются на ПЗС с помощью оптоволокна или линзы.
Усилитель изображения по своей сути включает в себя функциональность затвора : если управляющее напряжение между фотокатодом и МКП меняется на противоположное, испускаемые фотоэлектроны не ускоряются по направлению к МКП, а возвращаются к фотокатоду. Таким образом, электроны не умножаются и не испускаются МКП, электроны не попадают на фосфорный экран, и усилитель изображения не испускает свет. В этом случае свет не падает на ПЗС, что означает, что затвор закрыт. Процесс изменения управляющего напряжения на фотокатоде называется стробированием , и поэтому ICCD также называются стробируемыми ПЗС-камерами.
Помимо чрезвычайно высокой чувствительности камер ICCD, которые позволяют обнаруживать отдельные фотоны, стробируемость является одним из основных преимуществ камер ICCD по сравнению с камерами EMCCD. Самые производительные камеры ICCD позволяют использовать время затвора всего 200 пикосекунд .
Камеры ICCD в целом несколько дороже камер EMCCD, поскольку им требуется дорогостоящий усилитель изображения. С другой стороны, камерам EMCCD нужна система охлаждения для охлаждения чипа EMCCD до температур около 170 К (−103 °C ). Эта система охлаждения увеличивает стоимость камеры EMCCD и часто приводит к серьезным проблемам с конденсацией в приложении.
ICCD используются в приборах ночного видения и в различных научных приложениях.
Электронно-умножающая ПЗС (EMCCD, также известная как L3Vision CCD, продукт, коммерциализируемый e2v Ltd., GB, L3CCD или Impactron CCD, в настоящее время снятый с производства продукт, предлагавшийся в прошлом Texas Instruments) представляет собой устройство с зарядовой связью, в котором регистр усиления размещен между регистром сдвига и выходным усилителем. Регистр усиления разделен на большое количество каскадов. На каждом каскаде электроны умножаются путем ударной ионизации аналогично лавинному диоду . Вероятность усиления на каждом каскаде регистра мала ( P < 2%), но поскольку количество элементов велико (N > 500), общий коэффициент усиления может быть очень высоким ( ), при этом одиночные входные электроны дают много тысяч выходных электронов. Считывание сигнала с ПЗС дает шумовой фон, обычно несколько электронов. В EMCCD этот шум накладывается на многие тысячи электронов, а не на один электрон; Таким образом, основным преимуществом этих устройств является их незначительный шум считывания. Использование лавинного пробоя для усиления фотозарядов уже было описано в патенте США 3,761,744 в 1973 году Джорджем Э. Смитом/Bell Telephone Laboratories.
EMCCD демонстрируют схожую чувствительность с усиленными ПЗС (ICCD). Однако, как и в случае с ICCD, усиление, применяемое в регистре усиления, является стохастическим, и точное усиление, применяемое к заряду пикселя, узнать невозможно. При высоких усилениях (> 30) эта неопределенность оказывает такое же влияние на отношение сигнал/шум (SNR), как и уменьшение вдвое квантовой эффективности (QE) по отношению к работе с усилением, равным единице. Этот эффект называется избыточным шумовым фактором (ENF). Однако при очень низких уровнях освещенности (где квантовая эффективность наиболее важна) можно предположить, что пиксель либо содержит электрон, либо нет. Это устраняет шум, связанный со стохастическим умножением, при риске подсчета нескольких электронов в одном пикселе как одного электрона. Чтобы избежать множественных подсчетов в одном пикселе из-за совпадающих фотонов в этом режиме работы, необходимы высокие частоты кадров. Дисперсия усиления показана на графике справа. Для регистров умножения с большим количеством элементов и большими коэффициентами усиления это хорошо моделируется уравнением:
где P — вероятность получения n выходных электронов при m входных электронах и общем среднем коэффициенте усиления регистра умножения g . Для очень большого числа входных электронов эта сложная функция распределения сходится к гауссовой.
Благодаря более низкой стоимости и лучшему разрешению EMCCD способны заменить ICCD во многих приложениях. ICCD по-прежнему имеют то преимущество, что они могут быть стробированы очень быстро и, таким образом, полезны в таких приложениях, как получение изображений с диапазоном стробирования . Камерам EMCCD обязательно нужна система охлаждения — с использованием либо термоэлектрического охлаждения , либо жидкого азота — для охлаждения чипа до температур в диапазоне от −65 до −95 °C (от −85 до −139 °F). Эта система охлаждения добавляет дополнительные затраты на систему формирования изображений EMCCD и может привести к проблемам с конденсацией в приложении. Однако высококлассные камеры EMCCD оснащены постоянной герметичной вакуумной системой, ограничивающей чип, чтобы избежать проблем с конденсацией.
Возможности EMCCD в условиях слабого освещения находят применение в астрономии и биомедицинских исследованиях, среди прочих областей. В частности, их низкий уровень шума при высоких скоростях считывания делает их очень полезными для различных астрономических приложений, включающих источники слабого освещения и кратковременные события, такие как удачная визуализация слабых звезд, высокоскоростная фотометрия с подсчетом фотонов , спектроскопия Фабри-Перо и спектроскопия высокого разрешения. Совсем недавно эти типы ПЗС ворвались в область биомедицинских исследований в условиях слабого освещения, включая визуализацию мелких животных , визуализацию отдельных молекул , рамановскую спектроскопию , микроскопию сверхвысокого разрешения , а также широкий спектр современных методов флуоресцентной микроскопии благодаря большему SNR в условиях слабого освещения по сравнению с традиционными ПЗС и ICCD.
Что касается шума, то коммерческие камеры EMCCD обычно имеют заряд, индуцированный тактовой частотой (CIC), и темновой ток (в зависимости от степени охлаждения), которые вместе приводят к эффективному шуму считывания в диапазоне от 0,01 до 1 электронов на пиксель считывания. Однако недавние усовершенствования технологии EMCCD привели к появлению нового поколения камер, способных производить значительно меньше CIC, более высокую эффективность переноса заряда и усиление ЭМ в 5 раз выше, чем было доступно ранее. Эти достижения в обнаружении при слабом освещении приводят к эффективному общему фоновому шуму в 0,001 электронов на пиксель считывания, уровень шума не имеет себе равных ни у одного другого устройства для визуализации при слабом освещении. [27]
Благодаря высокой квантовой эффективности приборов с зарядовой связью (ПЗС) (идеальная квантовая эффективность составляет 100%, один генерируемый электрон на каждый падающий фотон), линейности их выходных сигналов, простоте использования по сравнению с фотопластинками и ряду других причин, ПЗС были очень быстро приняты астрономами практически для всех применений в УФ- и инфракрасном диапазонах.
Тепловой шум и космические лучи могут изменять пиксели в ПЗС-матрице. Чтобы противостоять таким эффектам, астрономы делают несколько экспозиций с закрытым и открытым затвором ПЗС. Среднее значение изображений, полученных с закрытым затвором, необходимо для снижения случайного шума. После проявления среднее изображение темного кадра затем вычитается из изображения с открытым затвором, чтобы удалить темный ток и другие систематические дефекты ( мертвые пиксели , горячие пиксели и т. д.) в ПЗС. Более новые ПЗС Skipper противостоят шуму, собирая данные с тем же собранным зарядом несколько раз и имеют применение в точных поисках темной материи и измерениях нейтрино . [28] [29] [30]
В частности, космический телескоп Хаббл имеет тщательно разработанную серию шагов («конвейер обработки данных») для преобразования необработанных данных ПЗС в полезные изображения. [31]
Камеры CCD, используемые в астрофотографии, часто требуют прочных креплений, чтобы выдерживать вибрации от ветра и других источников, а также огромный вес большинства платформ для съемки. Чтобы делать длительные выдержки галактик и туманностей, многие астрономы используют технику, известную как автогидирование . Большинство автогидов используют второй чип CCD для отслеживания отклонений во время съемки. Этот чип может быстро обнаруживать ошибки в отслеживании и управлять двигателями монтировки для их исправления.
Необычное астрономическое применение ПЗС, называемое дрейфовым сканированием, использует ПЗС, чтобы заставить фиксированный телескоп вести себя как следящий телескоп и следить за движением неба. Заряды в ПЗС переносятся и считываются в направлении, параллельном движению неба, и с той же скоростью. Таким образом, телескоп может отображать большую область неба, чем его обычное поле зрения. Sloan Digital Sky Survey является самым известным примером этого, использующим эту технику для получения обзора более четверти неба. Космический телескоп Gaia является еще одним инструментом, работающим в этом режиме, вращаясь вокруг своей оси с постоянной скоростью 1 оборот за 6 часов и сканируя полосу 360° на 0,5° на небе за это время; звезда пересекает всю фокальную плоскость примерно за 40 секунд (эффективное время экспозиции).
Помимо устройств формирования изображений, ПЗС-матрицы также используются в ряде аналитических приборов, включая спектрометры [32] и интерферометры [33] .
Цифровые цветные камеры, включая цифровые цветные камеры в смартфонах, обычно используют интегральный датчик цветного изображения, [34] который имеет матрицу цветных фильтров, изготовленную поверх монохромных пикселей ПЗС. Самый популярный шаблон CFA известен как фильтр Байера , который назван в честь его изобретателя, ученого Kodak Брайса Байера . В шаблоне Байера каждый квадрат из четырех пикселей имеет один отфильтрованный красный, один синий и два зеленых пикселя ( человеческий глаз имеет большую остроту для яркости, которая больше весит в зеленом, чем в красном или синем). В результате информация о яркости собирается в каждой строке и столбце с использованием шахматного шаблона, а цветовое разрешение ниже, чем разрешение яркости.
Лучшее разделение цветов может быть достигнуто с помощью трех ПЗС-устройств ( 3ПЗС ) и дихроичной призмы светоделителя , которая разделяет изображение на красный , зеленый и синий компоненты. Каждая из трех ПЗС настроена на реакцию на определенный цвет. Многие профессиональные видеокамеры и некоторые полупрофессиональные видеокамеры используют эту технику, хотя разработки в конкурирующей технологии КМОП сделали датчики КМОП, как с расщепителями луча, так и с фильтрами Байера, все более популярными в высококачественных видеокамерах и цифровых кинокамерах. Еще одним преимуществом 3ПЗС перед устройством с маской Байера является более высокая квантовая эффективность (более высокая светочувствительность), поскольку большая часть света от объектива попадает в один из кремниевых датчиков, в то время как маска Байера поглощает большую долю (более 2/3) света, падающего на каждое местоположение пикселя.
Для неподвижных сцен, например, в микроскопии, разрешение устройства маски Байера может быть улучшено с помощью технологии микросканирования . В процессе цветной выборки совместного участка создается несколько кадров сцены. Между захватами датчик перемещается в пиксельных измерениях, так что каждая точка в поле зрения последовательно захватывается элементами маски, которые чувствительны к красному, зеленому и синему компонентам ее цвета. В конечном итоге каждый пиксель изображения сканируется по крайней мере один раз в каждом цвете, и разрешение трех каналов становится эквивалентным (разрешение красного и синего каналов учетверяется, а зеленого канала удваивается).
Датчики (ПЗС/КМОП) бывают разных размеров или форматов датчиков изображения. Эти размеры часто обозначаются дробной частью дюйма, например 1/1,8″ или 2/3″, называемой оптическим форматом . Это измерение берет свое начало в 1950-х годах и во времена видиконовых трубок .
Когда экспозиция ПЗС достаточно длительна, в конечном итоге электроны, которые собираются в "корзинах" в самой яркой части изображения, переполняют корзину, что приводит к засветке. Структура ПЗС позволяет электронам течь легче в одном направлении, чем в другом, что приводит к вертикальным полосам. [35] [36] [37]
Некоторые антиблюминговые функции, которые можно встроить в ПЗС, снижают ее чувствительность к свету, используя часть площади пикселя для дренажной структуры. [38] Джеймс М. Эрли разработал вертикальный антиблюминговый дренаж, который не уменьшал площадь сбора света и, таким образом, не снижал светочувствительность.
