1 Detektor CCD. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

Transkrypt

1 Wykład IX CCD 1

2 1 Detektor CCD. Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy CCD w r (61 calowy teleskop w górach Santa Catalina w pobliżu Tucson - Arizona). Zdjęcie zrobione zostało przy 0.89mm. Ciemny obszar absorpcja przez chmury metanu w pobliżu bieguna południowego planety. Obecnie amator z kamerą CCD i 15 cm teleskopem może zebrać tyle samo światła, co w r astronom wyposażony w płytkę światłoczułą i 1 m teleskop. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne 2

3 CCD, Charge-coupled Device urządzenie na ładunku związanym foton powierzchnia fotoczuła = piksel kondensator Fotony uwalniają elektrony z powierzchni fotoczułej. Kondensatory ładują się ładunkiem proporcjonalnym do ilości padającego światła 3

4 Zasada działania CCD 5 kroków 1. oświetlić CCD 3. zgromadzić nośniki 2. wygenerować nośniki E g pasmo przew. pasmo walenc. 4. przetransportować nośniki 5. wzmocnić 4

5 rosnąca energia Krok 1 i 2. Efekt fotoelektryczny. 1. Generacja par elektron dziura dla h E g 2. Rozdzielenie ładunków polem elektrostatycznym pasmo przewodnictwa 1.12eV pasmo walencyjne dziura elektron Elektrony generowane termicznie są nierozróżnialne od tych generowanych światłem.stąd potrzeba chłodzenia CCD. 1.12eV odpowiada długości fali 1mm. Si jest przezroczysty dla fal dłuższych. 5

6 Złącze MOS Krok 3. Zgromadzić nośniki 6

7 Złącze MOS Krok 3. Zgromadzić nośniki akumulacja zubożenie inwersja 7

8 MOS Akumulacja Krok 3. Zgromadzić nośniki bramka SiO 2 Si typu p akumulacja dziur n ~ exp( E E ) F C p ~ exp( E E ) V F 8

9 Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS Zubożenie bramka SiO 2 Si typu p obszar ładunku przestrzennego n ~ exp( E E ) F C p ~ exp( E E ) V F 9

10 Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS Inversja warstwa inwersyjna elektronów bramka SiO 2 Si typu p n ~ exp( E E ) F C p ~ exp( E E ) V F 10

11 MOS Krok 3. Zgromadzić nośniki 11

12 Krok4. Przetransportować nośniki p-si p-si Ruch ładunku jest związany 12

13 animacja CCD_charge_transfer_animation.gif 13

14 Krok4. Przetransportować nośnikic Piksel rejestrator wyjściowy (a) (b) Elektrody Elektrony do wzmacniacza Rozważmy CCD złożony z 9 pikseli, rejestratora wyjściowego i wzmacniacza. Każdy piksel jest podzielony na 3 obszary (elektrody wytwarzające odpowiednią studnię potencjału). Co trzecia elektroda jest na tym samym potencjale. (a) Podczas oświetlania centralna elektroda (żółte pola) jest na wyższym potencjale niż pozostałe (zielone pola) ładunek gromadzi się w studni potencjału. (b) Po ekspozycji świetlnej potencjał elektrod ulega zmianie i ładunki są przenoszone 14 z jednej elektrody na drugą.

15 Krok4. Przetransportować nośniki (a) (b) Si:Be (kanały stopujące, definiujące kolumny obrazu) (a) Poprzez synchroniczną zmianę potencjału elektrod elektrony są przenoszone z piksela do piksela. Ładunki z prawej są prowadzone do wyjściowego rejestratora. (b) Horyzontalny transfer ładunków jest wyłączany. Pakiety ładunków z rejestratora wyjściowego są przenoszone wertykalnie, jeden za drugim do wzmacniacza wyjściowego i odczytywane jeden za drugim. Cykl rozpoczyna się ponownie po odczytaniu wszystkich ładunków ( czas odczytu dla dużego CCD ok. 1 min). 15

16 Krok4. Przetransportować nośniki płaszczyzna obrazowa Metalowa, ceramiczna lub plastikowa obudowa piny połączeń złote druciki kontakty krzemowy chip wzmacniacz Rejestrator wyjściowy 16

17 Struktura CCD CCDs są wykonywane na kawałkach krzemu za pomocą techniki fotolitografii. 3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si. Don Groom LBNL 17

18 Detektor CCD wydajność kwantowa 18

19 Detektor CCD Mozaika 4 CCD (kwadrat 6cm x 6 cm), z których każda zawiera 2040 x 2048 pikseli. Razem ok.16 millionów pikseli (Kitt Peak National Observatory, Arizona). 19

20 Detekcja kolorów przy pomocy CCD maska Bayera Odpowiednie piksele CCD mierzą ilość światła czerwonego, zielonego i niebieskiego padającego na powierzchnię Zawsze są dwa zielone piksele, ponieważ oko jest bardziej czułe na ten kolor. 20