Sensor CCD

Os sensores CCD são componentes eletrônicos sensíveis à luz com base no efeito de foto interno . "CCD" aqui é a abreviatura do inglês charge-coupled device ( dt. , Charge-coupled device), que é usado no sensor CCD.

Originalmente, em 1969, os CCDs foram desenvolvidos para armazenamento de dados. No entanto, percebeu-se rapidamente que esses componentes são sensíveis à luz e que é relativamente fácil adquirir uma imagem bidimensional. Esse sensor CCD foi construído já em 1970 e, devido à subsequente miniaturização na eletrônica, os primeiros CCDs com um número de pixels suficiente para câmeras de televisão foram produzidos já em 1975. Os sensores CCD têm sido usados ​​como sensores de imagem em astronomia e sensoriamento remoto por satélite desde cerca de 1983 .

Sensores de matriz CCD bidimensionais são usados ​​em câmeras de vídeo e câmeras digitais , sensores de linha CCD unidimensionais em máquinas de fax , espectrômetros e scanners . Em contraste, os sensores CMOS são normalmente encontrados em câmeras de smartphones e tablets .

Por sua invenção do sensor CCD, Willard Boyle e George E. Smith receberam o Prêmio Nobel de Física de 2009 , compartilhado com Charles Kuen Kao , que foi reconhecido por um trabalho fundamental na área de fibra óptica . Smith e Michael Tompsett receberam o Prêmio Rainha Elizabeth 2017 de Engenharia para o desenvolvimento de CCD .

Sensor CCD para aquisição de imagens em astronomia
Sensor CCD em uma webcam

Estrutura técnica e função

Animação da mudança de carga em um CCD

Os sensores de imagem CCD (Charge Coupled Device - image sensor) consistem em uma série de fotodiodos sensíveis à luz . Eles podem ser retangulares, quadrados ou poligonais, com comprimentos de borda de 1,4 µm a mais de 20 µm. Quanto maior a área dos pixels, maior a sensibilidade à luz e a faixa dinâmica do sensor CCD, mas menor será a resolução da imagem com o mesmo tamanho de sensor .

A maioria dos CCDs são estruturas MIS : Sobre um semicondutor dopado existe uma camada isolante na qual condutores elétricos opticamente transparentes (eletrodos) são fixados. Os portadores de carga (principalmente elétrons , às vezes também “ buracos ”) se acumulam abaixo disso . Outras linhas elétricas finas geralmente correm entre os pixels , que servem para ler e proteger os pixels superexpostos.

A luz incidente transfere sua energia para os elétrons do semicondutor por meio do efeito fotoelétrico interno . Ao mesmo tempo, são criados elétrons livres com carga negativa e “buracos” com carga positiva, que se separam devido a uma voltagem aplicada. No entanto, as cargas não fluem imediatamente para o exterior como com um fotodiodo , mas são coletadas na própria célula de armazenamento, em um chamado poço de potencial , que armazena as cargas como um capacitor. A quantidade de carga é proporcional à quantidade de luz irradiada se lida em tempo hábil antes que a tensão de circuito aberto do fotodiodo seja atingida.

No caso de superexposição, as cargas do poço de potencial de uma célula podem passar para as células vizinhas; esse efeito é conhecido como floração . Por outro lado, um “portão anti-florescimento” ajuda, que funciona como um estouro, ou seja, dissipa o excesso de carga. No entanto, isso leva a uma não linearidade entre a quantidade de luz e o sinal de saída, especialmente com longos tempos de exposição ; portanto, os sensores CCD para aplicações científicas geralmente funcionam sem eles.

Após a exposição, as cargas (engl. Carga de um balde), semelhantes (daí o termo dispositivo de brigada de balde) são deslocadas gradualmente, até que finalmente como pacotes de carga, um após o outro, chegam ao amplificador de leitura. Uma tensão elétrica dependente da carga e, portanto, da quantidade de luz produzida.

O sinal de saída do sensor é, portanto, serial . As cargas dos pixels individuais são geradas uma após a outra, enquanto a imagem original foi criada em paralelo expondo todos os pixels ao mesmo tempo. Para a maioria dos CCDs para câmeras de vídeo, apenas os campos, respectivamente (d. H. Até que todas as linhas ímpares e pares) são emitidos ( entrelaçado , Eng. Entrelaçado ). Para todos os outros propósitos, CCDs de varredura progressiva são comuns, nos quais as linhas são reproduzidas uma após a outra em sua ordem natural.

física

Uma camada opticamente transparente e eletricamente isolante repousa sobre um semicondutor dopado . Muitos eletrodos feitos de um material condutor e ao mesmo tempo opticamente transparente são aplicados a ele. Para a detecção de luz na faixa visível, o silício é mais adequado como material semicondutor. O dióxido de silício é então usado como camada isolante . Principalmente o silício policristalino (“polissilício”) é usado para os eletrodos e, recentemente, também o óxido de índio e estanho . Devido à semelhança dos eletrodos com os dos MOSFETs , os eletrodos também são chamados de eletrodos de porta. Com os MOSFETs, no entanto, as portas são de 10  nm em vez de 10  µm , e a carga é acionada com 1 V a 3,3 V em vez de um nível potencial de 1 V, o que permite taxas de clock superiores a 40 MHz. Os eletrodos podem ser controlados externamente por meio de contatos de alumínio.

Modelo de fita de um CCD de "canal de superfície" com elétrons no poço de potencial

Se uma tensão é aplicada a um eletrodo (positiva no caso do semicondutor dopado com p , negativa no caso do n-dopagem), uma área chamada poço de potencial é formada abaixo da camada isolante na superfície do semicondutor . Nesta área, a concentração de portadores da maioria dos portadores é muito baixa.

Os fótons , cuja energia é maior do que o gap do semicondutor, elevam os elétrons da banda de valência para a banda de condução ; assim, pares de elétron-buraco são criados no semicondutor. Este é o chamado efeito fotoelétrico interno . Os portadores de carga minoritários adicionais gerados no processo , ou seja, elétrons ou “buracos”, são coletados no poço de potencial, enquanto os portadores de carga majoritários gerados ao mesmo tempo fluem para o interior do semicondutor.

Variando a voltagem aplicada em eletrodos adjacentes, o poço de potencial pode ser moldado de tal forma que os portadores de carga localizados nele se movam na direção desejada para leitura.

A estrutura básica de um CCD pode ser melhorada. Uma adição importante é uma camada no semicondutor diretamente sob o isolador com dopagem oposta. Isso cria um chamado “canal enterrado”, o que significa que os portadores de carga minoritários gerados pelos fótons não são mais coletados diretamente na interface entre o isolador e o semicondutor, mas dentro do semicondutor. Os portadores de carga minoritários não alcançam mais a interface entre o isolador e o semicondutor, onde os defeitos do cristal que estão sempre presentes ali interferem (nenhuma carga pode ser “capturada” ou “presa” neste limite). CCDs de “canal enterrado” (em contraste com os CCDs de “canal de superfície” descritos primeiro) têm ruído mais baixo e uma eficiência significativamente melhorada de transferência de carga, mas menos portadores de carga podem ser armazenados por pixel.

Tipos

Geometria: matriz, linha e ponto

Sensor de linha CCD de uma máquina de fax

A maioria dos sensores CCD são sensores de área para gravação de imagens. Lá, para a leitura do sensor, a carga temporariamente armazenada dos fotodiodos é transferida para o CCD vertical (registrador de deslocamento vertical) e, em seguida, deslocada verticalmente na frequência da linha. A carga que sai de cada coluna CCD chega ao CCD horizontal, que é rapidamente deslocado (frequência de pixel, que determina a largura de banda do vídeo). O sinal na saída deste registrador de deslocamento é alimentado para o amplificador de leitura (conversor de carga-tensão e conversor de impedância).

O sinal de saída resultante tem muitas semelhanças com o sinal dos tubos convencionais de gravação de imagem . Essas semelhanças tornaram tecnicamente mais fácil substituir os tubos de gravação de imagem por sensores CCD.

Este princípio básico pode ser modificado:

  • Vários amplificadores de leitura podem ser usados ​​para aumentar a velocidade. Com dois amplificadores de leitura z. B. as colunas de números pares são empurradas para cima e as colunas de números ímpares são empurradas para fora da área ativa de luz. Em seguida, eles são alimentados para dois registradores de deslocamento horizontal com dois conversores de corrente para tensão e duas saídas.
  • O registro de deslocamento horizontal pode ser totalmente omitido e o princípio CCD é usado apenas para o deslocamento vertical de carga. Há um conversor de corrente-tensão separado para cada coluna, que pode operar muito mais lentamente.
  • Se você estender essa paralelização até o nível de pixels individuais, não terá mais um sensor CCD porque o transporte de carga não é mais necessário. Esses sensores são chamados de sensores de pixel ativos .
  • Se você só precisa de um sensor unidimensional (porque a outra dimensão não é necessária ou é gerada mecanicamente), você obtém um sensor de linha que não requer um registro de deslocamento horizontal.
  • Uma forma especial de CCDs ( Electron Multiplying CCD , EMCCD) usa registradores de deslocamento especiais para amplificação de sinal na frente do amplificador de leitura e é, portanto, adequada para intensidades de luz muito baixas. No caso de EMCCDs, detectores pontuais, que por sua vez são CCDs, também são possíveis. A maioria dos EMCCDs são sensores de imagem e também usam registradores de deslocamento "normais" para transporte de carga.

Deve-se notar que para medições precisas com vários conversores de corrente-tensão e analógico-digital, cada um deles pode ter que ser precisamente caracterizado a fim de compensar as variações relativas em sua linearidade, deslocamento e comportamento de ruído. Caso contrário, por exemplo, em aplicações em espectroscopia, isso pode levar a problemas.

Transferência de carga: CCDs FF, FT, IT, FIT

Durante o deslocamento das cobranças, nenhuma cobrança adicional deve ser adicionada pela exposição, a fim de não falsificar as informações da imagem. Vários arranjos foram elaborados para resolver este problema:

Tipos de CCD.
L - pixels sensíveis à luz,
T - registro de transferência,
A - amplificador de leitura.

CCD de quadro completo (FF-CCD)

A solução mais simples para evitar que a luz incida sobre o sensor CCD durante o processo de leitura é uma trava mecânica .

Como com sensores CCD com obturador, toda a superfície do chip é usada para obter as informações da imagem, essa solução também é chamada de “ CCD full-frame ” (traduzido como “imagem completa”) ou “ CCD de transferência full-frame ”.

Os sensores CCD com este princípio são usados ​​principalmente para fins científicos e astronômicos, mas a fechadura mecânica é complexa e sujeita a falhas.

O termo CCD de quadro completo não é usado apenas para a estrutura interna dos sensores CCD, mas também para os chamados CCDs de formato completo , que correspondem ao tamanho de imagem "completo" de 24 mm × 36 mm do filme de 35 mm . Neste artigo, o termo se refere apenas à estrutura interna do sensor e ao tipo de processo de leitura, não ao formato da imagem ou ao tamanho do sensor.

CCD de transferência de quadros (FT-CCD)

Com FT-CCDs, as cargas, ou seja, a imagem armazenada, são deslocadas muito rapidamente para uma área escurecida do chip CCD após a exposição. A imagem armazenada pode então ser lida pacote de cobrança por pacote de cobrança durante o próximo tempo de exposição. O tempo de mudança rápida deve ser muito menor do que o tempo de exposição, caso contrário, o efeito de mancha será muito forte. Portanto, os FT-CCDs sem obturador mecânico (como são normalmente usados) não são adequados para tempos de exposição muito curtos. Algumas câmeras de vídeo profissionais usam um obturador giratório para evitar esse problema. Por causa da área escurecida, um FT-CCD precisa de duas vezes mais células (poços potenciais) do que pixels e também deve ser duas vezes maior que o tamanho da imagem.

Interline Transfer CCD (IT CCD)

Com IT-CCDs, a carga de cada pixel é transferida para o lado de uma célula tampão coberta; isso acontece para todos os pixels ao mesmo tempo. Só então as cargas são deslocadas para a faixa escurecida (o chamado registrador de transferência) e de lá na direção do amplificador de leitura. Nenhum bloqueio mecânico é necessário; o tempo de exposição pode ser controlado eletronicamente para que os pixels sejam esvaziados e transferidos para a exposição para o registro de transferência ( obturador eletrônico , obturador eletrônico inglês ). Isso permite tempos de exposição muito curtos.

A menor superfície sensível à luz relacionada ao design (em comparação com CCDs de quadro completo) e, portanto, a sensibilidade à luz mais pobre é compensada com CCDs mais novos por pequenas lentes convergentes. Eles ficam acima de cada pixel e focalizam a luz, o que aumenta a sensibilidade à luz do sensor novamente (tecnologia “lente no chip”).

A desvantagem dos IT-CCDs resulta do tempo de permanência relativamente longo das cargas nas células de memória ao lado dos pixels sensíveis à luz, devido à leitura lenta em comparação com os FT-CCDs. As células de memória do registro de transferência são cobertas, mas ainda são sensíveis à luz. Por difração das ondas de luz , fotões pode chegar a estas células e provocar cargas de ruptura. Isso cria o chamado efeito de mancha .

Frame Interline Transfer CCD (FIT-CCD)

Os sensores FIT oferecem uma solução para contornar o efeito de mancha : Com este tipo, as cargas armazenadas nas células tampão são deslocadas o mais rápido possível para uma área escurecida. Portanto, ele combina o princípio do chip FT e o do chip IT. Por um lado, as células tampão garantem que os pixels não sejam expostos diretamente à luz por mais tempo do que o necessário, por outro lado, eles são lidos de forma relativamente rápida a partir da área “aberta” do chip. A desvantagem é que agora são necessárias três células de memória por pixel efetivo, o que torna esses chips relativamente caros. No entanto, a remoção rápida das cargas é z. B. inevitável com câmeras de alta velocidade. O controle de exposição também é feito eletronicamente aqui.

Iluminação: iluminada na parte frontal vs. iluminada na parte traseira

Com a maioria dos chips CCD, o lado superior da pastilha de silício é iluminado, ou seja, o lado no qual as estruturas semicondutoras foram produzidas ( CCD iluminado na parte frontal ) . Na superfície existem estruturas que não são sensíveis à luz (por exemplo, eletrodos feitos de silício policristalino). Acima de tudo, a luz de ondas curtas (azul, violeta e ultravioleta) já é parcialmente absorvida por lá. Essas perdas não ocorrem com os chamados CCDs iluminados do lado posterior . Para fazer isso, a parte posterior da placa de silício é esmerilhada até uma espessura de 10 a 20 µm, então decapada e instalada com a "parte posterior" sensível à luz voltada para cima. Este processo de fabricação é muito caro, razão pela qual os CCDs iluminados no verso são usados ​​apenas onde a alta sensibilidade (rendimento quântico) para a luz de ondas curtas é importante, por exemplo, em espectroscopia ou astronomia. Uma desvantagem dos CCDs iluminados do lado posterior é uma sensibilidade espectral desigual para comprimentos de onda mais longos, porque a luz refletida para frente e para trás entre as superfícies causa interferência, como no interferômetro de Fabry- Perot ( etaloning ).

Sensores de cor, filtros e arranjo de pixels

Amostras de cores usadas para CCDs de cores de um chip
Sensor bayer

Para a detecção de imagens coloridas, são necessários sensores com pixels de diferentes sensibilidades espectrais. Após um cálculo (sempre necessário) de pixels da mesma posição ou de posições vizinhas, são obtidas informações de brilho e cor.

Dois procedimentos foram estabelecidos atualmente:

  • Sistemas que dividem o espectro usando um prisma dicróico e alimentam três sensores CCD separados (sensor CCD de três chips),
  • Sistemas que usam um sensor fornecido com uma máscara de cor absorvente (geralmente na forma de matriz Bayer ),

Sistemas que utilizam as diferentes profundidades de penetração da luz vermelha e azul em silício (sensor Foveon X3) não são comuns com sensores CCD.

Sensores CCD de três chips

Sensores CCD de três chips são usados ​​em câmeras de vídeo de preço médio. Eles são usados ​​em câmeras com sensores comparativamente pequenos (1/6 ″ no setor amador a 2/3 ″ no setor profissional). Eles requerem óticas com uma grande distância focal de aproximadamente 1,6 diagonais do sensor para ter espaço para o prisma dicróico . Para fazer isso, eles usam a luz capturada de forma otimizada e fornecem uma boa relação sinal-ruído e boa qualidade de cor, mesmo com sensores diagonais pequenos.

O prisma dicróico está localizado atrás da lente e um sensor CCD é colado em cada uma das superfícies nas quais emergem as separações de cores. A produção deste bloco prisma equipado com sensores CCD requer alta precisão para garantir que as separações de cores sejam cobertas.

Sensor bayer

Os sensores CCD Bayer de um chip são usados ​​em câmeras de vídeo de todas as faixas de preço (1/4 ″ no setor amador até 20 mm × 36 mm, tanto no setor amador quanto no ambiente profissional). Além disso, quase todas as câmeras (estáticas) de todos os tamanhos (1/3 ″ a médio formato ) e faixas de preços (telefones celulares a câmeras por vários 10.000 €) foram baseadas neste princípio - a seguir, a tecnologia alternativa com uso mais difundido é aquele dos sensores CMOS . Eles não têm requisitos focais de flange, mas tendem a ser maiores do que os CCDs de três chips. Eles usam menos a luz disponível e fornecem imagens do mesmo tamanho com uma relação sinal-ruído mais baixa. Por outro lado, eles próprios são muito mais compactos e permitem uma óptica mais compacta do que os sensores CCD de três chips.

Filtro de corte infravermelho e filtro anti-aliasing

O que todos os sensores de cores têm em comum é que existe um filtro de bloqueio infravermelho (geralmente diretamente) na frente do sensor. Mas este filtro tem muito mais funções:

  • Bloqueio completo de vermelho distante de 700 nm e radiação infravermelha (daí o nome; quase todos os sensores CCD são sensíveis no infravermelho próximo),
  • Sensação da sensibilidade espectral do olho (é por isso que esses filtros parecem ciano), aumentando a absorção na faixa espectral do vermelho ainda visível acima de 580 nm,
  • Bloqueio de luz violeta e ultravioleta abaixo de 420 nm se o sensor ainda for sensível a esses comprimentos de onda.

Sem esse filtro, as áreas de um azul profundo e um vermelho profundo são exibidas com muito brilho para o observador humano. Objetos quentes, mas não brilhantes (ferros de soldar) também são exibidos com muito brilho e em cores não naturais. Objetos que refletem ou emitem luz infravermelha ou ultravioleta são exibidos em cores incorretas.

Um filtro anti-aliasing é necessário para sensores Bayer e outros sensores de cor de CCD único a fim de distribuir a luz para pixels vizinhos de cores diferentes. Sem este filtro, por exemplo, um ponto brilhante branco ou uma linha brilhante branca poderia ser mapeado para pixels de apenas uma cor com uma imagem muito nítida; esses objetos seriam então mostrados na imagem como coloridos. Além disso, os filtros de suavização evitam que as linhas ou arestas que correm em um pequeno ângulo em relação às linhas de pixels apareçam como escadas. O filtro anti-aliasing está associado a uma ligeira redução na nitidez da imagem.

Os filtros de anti-serrilhamento e de bloqueio infravermelho costumam ser combinados ou cimentados entre si.

Arranjo de pixels de sensores monocromáticos e coloridos

Comparação de diferentes geometrias de pixel

De longe, a maior fatia de mercado tem sensores com pixels quadrados que são fornecidos com filtros de cores RGGB (padrão Bayer). No entanto, outras formas de pixel (retangular, hexagonal, triangular, rômbico, octogonal + quadrado) e outros padrões de filtro de cor (monocromático, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, arranjo Super-CCD-EXR) também são possíveis. Um desses designs é o sensor Super-CCD (patente Fuji) com um arranjo em favo de mel de pixels octogonais deslocados uns dos outros, que estão mais próximos e, portanto, trazem um número maior de pixels para uma determinada área. O tamanho das lentes localizadas acima das superfícies do sensor pode ser heterogêneo, de modo que uma dinâmica visivelmente aumentada pode ser alcançada.

Falha de detecção

Erros sistemáticos e calibração

Diferenças de brilho

A fim de ser capaz de compensar as diferenças de brilho na imagem que são devidas à contaminação no chip CCD ( poeira ), sensibilidade desigual dos pixels ou ótica usada ( vinheta , reflexos ), a imagem gravada é dividida por um imagem branca ( imagem branca ou correção de campo plana) e multiplicada pelo valor médio da imagem branca. Para eliminar o ruído da imagem resultante da corrente escura, uma imagem escura é subtraída de antemão (imagem escura ou correção de quadro escuro) para gravações de longo prazo (por exemplo, em astrofotografia ). O resultado é uma imagem calibrada .

As fotos mostram a calibração usando o exemplo de um registro astronômico:

  • A imagem crua mostra vários “ pixels quentes ”, que levam a uma imagem muito barulhenta. Estrelas fracas se perdem neste ruído. Pontos escuros na imagem raw são causados ​​por poeira na câmera CCD.
  • A imagem escura foi tirada com o mesmo tempo de exposição e temperatura de operação da imagem original, mas com o obturador da câmera fechado . Assim, ele registra a corrente escura que se acumulou durante o tempo de exposição correspondente .
  • A imagem branca foi tirada com o instrumento voltado para uma área uniformemente iluminada. Ele detecta irregularidades na iluminação da imagem (por exemplo, devido à poeira) e na sensibilidade dos pixels individuais.
  • Esses defeitos foram corrigidos na imagem calibrada. Estrelas fracas também podem ser vistas aqui. A imagem calibrada pode ser usada para análises quantitativas , por exemplo, para medir o brilho aparente das estrelas. Sem a calibração, tal medição levaria a valores medidos incorretos.

Irregularidades na janela CCD

Particularmente com a luz coerente, pode acontecer que o processamento impróprio da janela CCD, que protege o sensor da poeira, leve a padrões de interferência indesejados. Este problema pode ser remediado não construindo a janela paralela ao plano , mas inclinando um lado da janela em um certo ângulo em relação ao outro lado. Se um feixe atinge a frente da janela, ele emerge ligeiramente inclinado em direção ao sensor na parte traseira, pelo que o ângulo de saída exato pode ser calculado com Snellius . No entanto, o feixe também é refletido alternadamente na frente e atrás dentro da janela e sai da janela novamente na direção do sensor em outros pontos. Se, por uma questão de simplicidade, apenas dois raios parciais emergindo da janela são observados, as frentes de onda dos raios formam um padrão moiré . Se o ângulo de inclinação for adequado, as faixas máximas do padrão se movem tão juntas que não podem mais ser resolvidas pelos pixels individuais.

Erros estatísticos e ruído

Os parâmetros mais importantes para caracterizar a qualidade dos chips CCD são:

  • O rendimento quântico , ou seja, a probabilidade de que um fóton incidente acione um elétron. O rendimento quântico dos CCDs depende do comprimento de onda da luz e pode ser superior a 90% ( filme fotográfico para comparação: 5% a 10%).
  • A corrente escura das células sensíveis à luz. A corrente escura é fortemente dependente da temperatura e, devido às suas propriedades estatísticas, leva ao ruído da corrente escura. É individualmente diferente para todos os pixels e é uma fonte de ruído na imagem . Também podem ocorrer “ pixels quentes ” individuais , ou seja, pixels com uma corrente escura particularmente alta.
  • O número de cargas que podem ser armazenadas em um pixel ( capacidade total do poço ou profundidade do poço ).
  • O comportamento quando a superexposição gera mais carga em pixels individuais do que pode ser armazenado. Se a carga for transferida para pixels vizinhos, ela é chamada de " florescimento ". Muitas câmeras CCD evitam esse efeito desviando as cargas em excesso (“porta anti-florescimento”), mas isso também pode fazer com que a carga seja perdida antes que um pixel esteja realmente cheio. A relação entre a quantidade de luz e a carga não é mais linear e as medições precisas não são mais possíveis.
  • A eficiência da transferência de carga para o amplificador de leitura ( Eficiência de transferência de carga ).
  • O ruído do amplificador de leitura ( ruído de leitura ).

Com câmeras altamente sensíveis, a corrente escura e o ruído são reduzidos pelo resfriamento do chip CCD. O ruído da corrente escura pode, por exemplo, ser reduzido para menos de três elétrons por pixel e hora por resfriamento com nitrogênio líquido.

Informação de tamanho

O tamanho da área fotossensível no chip é muito importante para a qualidade da imagem. Com a mesma resolução (número de pixels), a área das células é proporcional à área do chip. Quanto maiores as células, mais fótons atingem por célula, o que aumenta a sensibilidade à luz. Como nem todos os sinais de interferência aumentam com a área de uma célula, um chip maior tem uma relação sinal / ruído melhor . Além disso, células maiores podem coletar mais elétrons e, portanto, ter uma faixa dinâmica maior.

Além da especificação métrica direta da área ativa (por exemplo, 16 mm × 24 mm), a tradição da época dos tubos de captação de imagem foi preservada em que o diâmetro externo do bulbo de vidro em polegadas (por exemplo, 2 / 3 ″) é usado para indicar o tamanho usado. No entanto, a área sensível à luz dos tubos era significativamente menor do que o diâmetro externo dos tubos: por exemplo, um tubo de 1 ″ tinha uma área ativa com uma diagonal de imagem de aproximadamente 16 mm. Por definição, um chip CCD de 1 ″ tem a mesma diagonal de tela de um tubo de 1 ″.

Os tamanhos comuns para tubos de câmera clássicos e sensores de vídeo CCD são para câmeras de vídeo profissionais 2/3 "(11 mm na diagonal) e 1/2" (8 mm na diagonal), para dispositivos prosumer 1/3 "(ca 5,5 mm na diagonal) e sensores ainda menores (1/4 "ou 1/6") para dispositivos de consumo ou câmeras de telefones celulares. As câmeras digitais pequenas costumam usar sensores de 1 / 2,3 ″ (aprox. 7 mm na diagonal), as câmeras SLR digitais geralmente usam um formato semelhante ao APS-C (aproximadamente 28 mm na diagonal) ou, na faixa de preço mais alta, um formato semelhante ao formato 35mm da fotografia em filme.

Formulários

Sensor CCD de cores de uma câmera compacta em uma placa de circuito flexível

Aquisição de imagem

Os sensores CCD podem ser fabricados para comprimentos de onda visíveis , bem como para faixas de infravermelho próximo , UV e raios-X . Isso estende o espectro para aplicações especiais de 0,1 pm a cerca de 1100 nm. O limite para comprimentos de onda longos é limitado pelo gap do material semicondutor (aprox. 1,1 eV para Si e 0,66 eV para Ge). Eles podem, portanto, ser usados ​​de várias maneiras nas ciências naturais e na tecnologia. Em astronomia em particular, eles deslocaram em grande parte outros receptores de imagens, como placas de fotos , em um estágio inicial, pois sua alta sensibilidade também permite que objetos muito fracos sejam observados. Outras vantagens são sua ampla sensibilidade espectral, sua alta faixa dinâmica (ou seja, a capacidade de capturar áreas muito fracas e muito brilhantes de uma imagem ao mesmo tempo) e o fato de que as informações da imagem são obtidas digitalmente, por exemplo em fotometria (medição de brilho ) e a aplicação de métodos sofisticados de processamento de imagem é uma vantagem.

As câmeras digitais CCD também causaram uma revolução na fotografia em geral . Com o aumento do número de pixels, as possibilidades de uso dos sensores de imagem CCD se expandiram para incluir praticamente todas as aplicações fotográficas. As câmeras fotográficas analógicas profissionais já foram substituídas em muitas áreas por sensores CCD com 5 a 18 megapixels , o que é ainda mais verdadeiro para câmeras digitais (single-lens reflex) de médio formato e cada vez mais em pequeno formato com 30 e mais megapixels.

CMOS vs. CCD

Na tecnologia de foto , os sensores CMOS , com os quais apenas os dispositivos "low-end" baratos eram anteriormente equipados, substituíram os sensores CCD no setor de alta qualidade após 2005. As principais desvantagens do CMOS (ruído, sensibilidade mais baixa) foram amplamente minimizadas ou reduzidas a um nível comparável, de modo que os sensores CMOS deslocaram completamente os sensores CCD na área das câmeras digitais reflex de lente única (por exemplo, Canon EOS-1Ds 2002, Nikon D2X 2004, Nikon D300 2007). Com (para a área de aplicação) qualidade de imagem comparável, as vantagens da tecnologia do sensor CMOS predominam aqui (leitura mais rápida e controlada por área, quase nenhuma floração, etc.). Os sensores CCD, por outro lado, são encontrados em backs digitais e câmeras de médio formato com resoluções muito altas (40 megapixels e maiores), que podem explorar plenamente suas vantagens aqui. Mesmo em câmeras digitais compactas e de ponte de alta qualidade , os sensores CCD foram usados ​​quase exclusivamente até 2010 ( Canon Powershot S100 com CMOS em 2011, Powershot G1X 2012).

Tecnologia de vídeo

Em câmeras de vídeo , os sensores CCD estão substituindo o princípio de tubo mais antigo ( Ikonoskop , Vidicon ). A resolução clássica das câmeras de vídeo no padrão PAL - ou NTSC - é de 440.000 pixels (CCIR / PAL) ou 380.000 pixels (EIA / NTSC) e taxas de quadros de 25 Hz (CCIR / PAL) ou 30 Hz (EIA / NTSC).

CCD intensificado, CCD bloqueado

Os CCDs podem ser operados com um intensificador de imagem na frente deles e são então chamados de CCDs intensificados (iCCD). Para fazer isso, a luz primeiro atinge um fotocátodo; o fluxo de elétrons liberado é multiplicado em uma placa de microcanais (MCP) , por exemplo , e atinge uma tela fluorescente. A partir daí, a luz é direcionada para o CCD via fibra ótica, por exemplo . Devido à alta sensibilidade dos CCDs atuais, os CCDs intensificados não oferecem nenhum ganho de sensibilidade com longos tempos de exposição (o rendimento quântico dos fotocátodos é ainda menor do que o dos melhores CCDs). Uma vez que os CCDs mais sensíveis têm uma velocidade de leitura relativamente lenta, os iCCDs podem ser vantajosos em altas taxas de quadros (por exemplo, vídeo). Os CCDs intensificados também permitem tempos de exposição muito curtos de até 0,2  ns , que não são de forma alguma alcançáveis ​​com um CCD sozinho. Para fazer isso, um pulso de tensão curto é aplicado à placa de microcanal. Esse arranjo é conhecido como CCD fechado .

EBCCD

Os CCDs não são apenas sensíveis à radiação eletromagnética, mas também à radiação de partículas ionizantes, uma vez que também geram pares elétron-buraco. " Back-iluminadas " CCDs, que são usados como sensores de electrões incidente, também são conhecidos como ebCCD ( electrões bombardeados CCD ). Uma aplicação desses sensores é como amplificador de luz residual: os elétrons vêm de um fotocátodo e são acelerados para um sensor ebCCD por meio de uma tensão aplicada, de modo que vários pares elétron-buraco são gerados para cada elétron incidente.

literatura

  • Gerald C. Holst: Matrizes CCD, câmeras e monitores. JCD Publishing, Winter Park 1996, ISBN 0-9640000-2-4 .

Links da web

Commons : dispositivos acoplados por carga  - coleção de imagens, vídeos e arquivos de áudio

Evidência individual

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