Dispositivo de carga acoplada - Charge-coupled device

Un CCD especialmente desarrollado en un paquete unido por cable utilizado para imágenes ultravioleta

Un dispositivo de carga acoplada ( CCD ) es un circuito integrado que contiene una matriz de condensadores enlazados o acoplados . Bajo el control de un circuito externo, cada capacitor puede transferir su carga eléctrica a un capacitor vecino. Los sensores CCD son una de las principales tecnologías que se utilizan en las imágenes digitales .

En un sensor de imagen CCD , los píxeles están representados por condensadores de semiconductores de óxido metálico (MOS) dopados con p . Estos condensadores MOS , los bloques de construcción básicos de un CCD, están polarizados por encima del umbral de inversión cuando comienza la adquisición de imágenes, lo que permite la conversión de fotones entrantes en cargas de electrones en la interfaz semiconductor-óxido; luego, el CCD se utiliza para leer estos cargos. Aunque los CCD no son la única tecnología que permite la detección de luz, los sensores de imagen CCD se utilizan ampliamente en aplicaciones profesionales, médicas y científicas donde se requieren datos de imagen de alta calidad. En aplicaciones con menos exigentes demandas de calidad, tales como los consumidores y profesionales cámaras digitales , sensores de píxeles activos , también conocido como sensores CMOS (sensores MOS complementarios), se utilizan generalmente. Sin embargo, la gran ventaja de calidad que disfrutaban los CCD desde el principio se ha reducido con el tiempo y, desde finales de la década de 2010, los sensores CMOS son la tecnología dominante, y han reemplazado en gran medida, si no por completo, a los sensores de imagen CCD.

Historia

La base del CCD es la estructura semiconductora de óxido de metal (MOS), siendo los capacitores MOS los componentes básicos de un CCD y una estructura MOS agotada utilizada como fotodetector en los primeros dispositivos CCD.

A finales de la década de 1960, Willard Boyle y George E. Smith de Bell Labs investigaban la tecnología MOS mientras trabajaban en la memoria de burbujas de semiconductores . Se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un minúsculo condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. Esto llevó a la invención del dispositivo de carga acoplada por Boyle y Smith en 1969. Concibieron el diseño de lo que denominaron, en su portátil, "Dispositivos de carga de 'burbujas'".

El artículo inicial que describe el concepto en abril de 1970 enumeró posibles usos como memoria , una línea de retardo y un dispositivo de imágenes. El dispositivo también podría usarse como registro de desplazamiento . La esencia del diseño fue la capacidad de transferir carga a lo largo de la superficie de un semiconductor de un condensador de almacenamiento al siguiente. El concepto era similar en principio al dispositivo de brigada de cubos (BBD), que fue desarrollado en Philips Research Labs a fines de la década de 1960.

El primer dispositivo experimental que demostró el principio fue una hilera de cuadrados metálicos estrechamente espaciados sobre una superficie de silicio oxidado a la que se accede eléctricamente mediante uniones de alambre. Fue demostrado por Gil Amelio , Michael Francis Tompsett y George Smith en abril de 1970. Esta fue la primera aplicación experimental del CCD en tecnología de sensores de imagen , y utilizó una estructura MOS agotada como fotodetector. La primera patente ( Patente de Estados Unidos 4.085.456 ) sobre la aplicación de CCD a la formación de imágenes se asignó a Tompsett, quien presentó la solicitud en 1971.

El primer CCD en funcionamiento fabricado con tecnología de circuito integrado fue un registro de desplazamiento simple de 8 bits, informado por Tompsett, Amelio y Smith en agosto de 1970. Este dispositivo tenía circuitos de entrada y salida y se utilizó para demostrar su uso como registro de desplazamiento y como dispositivo de imagen lineal de ocho píxeles en bruto . El desarrollo del dispositivo avanzó a un ritmo rápido. En 1971, los investigadores de Bell dirigidos por Michael Tompsett pudieron capturar imágenes con dispositivos lineales simples. Varias empresas, incluidas Fairchild Semiconductor , RCA y Texas Instruments , tomaron la invención y comenzaron programas de desarrollo. El esfuerzo de Fairchild, dirigido por el ex investigador de Bell Gil Amelio, fue el primero con dispositivos comerciales, y en 1974 tenía un dispositivo lineal de 500 elementos y un dispositivo 2-D de 100 × 100 píxeles. Steven Sasson , un ingeniero eléctrico que trabaja para Kodak , inventó la primera cámara fotográfica digital con un CCD Fairchild 100 × 100 en 1975.

El dispositivo CCD de transferencia interlínea (ILT) fue propuesto por L. Walsh y R. Dyck en Fairchild en 1973 para reducir las manchas y eliminar un obturador mecánico . Para reducir aún más las manchas de fuentes de luz brillante, K. Horii, T. Kuroda y T. Kunii en Matsushita (ahora Panasonic) desarrollaron la arquitectura CCD de transferencia entre líneas (FIT ) en 1981.

El primer satélite de reconocimiento KH-11 KENNEN equipado con tecnología de matriz de dispositivos de carga acoplada ( 800 × 800 píxeles) para imágenes se lanzó en diciembre de 1976. Bajo el liderazgo de Kazuo Iwama , Sony inició un gran esfuerzo de desarrollo de CCD que implicó una inversión significativa. Finalmente, Sony logró producir CCD en masa para sus videocámaras . Antes de que esto sucediera, Iwama murió en agosto de 1982; posteriormente, se colocó un chip CCD en su lápida para reconocer su contribución. La primera cámara de video CCD de consumo producida en masa , la CCD-G5, fue lanzada por Sony en 1983, basada en un prototipo desarrollado por Yoshiaki Hagiwara en 1981.

Los primeros sensores CCD sufrían de retraso del obturador . Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo fijo (PPD). Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. Reconocieron que el retardo puede eliminarse si los portadores de señal se pueden transferir del fotodiodo al CCD. Esto llevó a su invención del fotodiodo fijo, una estructura de fotodetector con bajo retraso, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . Fue informado públicamente por primera vez por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti-floración. La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijo" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un accesorio en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego cámaras fotográficas digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS .

En enero de 2006, Boyle y Smith recibieron el premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería , y en 2009 recibieron el Premio Nobel de Física por su invención del concepto CCD. Michael Tompsett fue galardonado con la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación 2010 , por su trabajo pionero y tecnologías electrónicas, incluido el diseño y desarrollo de los primeros lectores de imágenes CCD. También fue galardonado con la Medalla IEEE Edison 2012 por "contribuciones pioneras a los dispositivos de imágenes, incluidos los CCD Imagers, cámaras y termográficos".

Fundamentos de funcionamiento

Los paquetes de carga (electrones, azul) se recogen en pozos de potencial (amarillo) creados mediante la aplicación de voltaje positivo en los electrodos de puerta (G). La aplicación de voltaje positivo al electrodo de puerta en la secuencia correcta transfiere los paquetes de carga.

En un CCD para capturar imágenes, hay una región fotoactiva (una capa epitaxial de silicio) y una región de transmisión hecha de un registro de desplazamiento (el CCD, propiamente hablando).

Se proyecta una imagen a través de una lente sobre la matriz de condensadores (la región fotoactiva), lo que hace que cada condensador acumule una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz en esa ubicación. Una matriz unidimensional, utilizada en cámaras de escaneo de líneas, captura una sola porción de la imagen, mientras que una matriz bidimensional, utilizada en cámaras de video y fijas, captura una imagen bidimensional correspondiente a la escena proyectada en el plano focal. del sensor. Una vez que la matriz ha sido expuesta a la imagen, un circuito de control hace que cada capacitor transfiera su contenido a su vecino (operando como un registro de desplazamiento). El último condensador de la matriz descarga su carga en un amplificador de carga , que convierte la carga en voltaje . Al repetir este proceso, el circuito de control convierte todo el contenido de la matriz en el semiconductor en una secuencia de voltajes. En un dispositivo digital, estos voltajes se muestrean, digitalizan y, por lo general, se almacenan en la memoria; en un dispositivo analógico (como una cámara de video analógica), se procesan en una señal analógica continua (por ejemplo, alimentando la salida del amplificador de carga en un filtro de paso bajo), que luego se procesa y se envía a otros circuitos para transmisión, grabación u otro procesamiento.

Física detallada de funcionamiento

Sony ICX493AQA CCD APS-C (23,4 × 15,6 mm) de 10,14 megapíxeles de la cámara digital Sony α DSLR-A200 o DSLR-A300 , lado del sensor

Generación de carga

Antes de que los condensadores MOS se expongan a la luz, se polarizan en la región de agotamiento; en CCDs de canal n, el silicio bajo la puerta sesgo es ligeramente p dopado o intrínseca. Luego, la puerta se polariza a un potencial positivo, por encima del umbral para una fuerte inversión, lo que eventualmente dará como resultado la creación de un canal n debajo de la puerta como en un MOSFET . Sin embargo, se necesita tiempo para alcanzar este equilibrio térmico: hasta horas en cámaras científicas de alta gama refrigeradas a baja temperatura. Inicialmente, después de la polarización, los orificios se introducen en el sustrato y no hay electrones móviles en la superficie o cerca de ella; Por tanto, el CCD opera en un estado de no equilibrio llamado agotamiento profundo. Luego, cuando se generan pares de electrones y huecos en la región de agotamiento, son separados por el campo eléctrico, los electrones se mueven hacia la superficie y los huecos se mueven hacia el sustrato. Se pueden identificar cuatro procesos de generación de pares:

  • fotogeneración (hasta el 95% de la eficiencia cuántica ),
  • generación en la región de agotamiento,
  • generación en la superficie, y
  • generación en masa neutra.

Los últimos tres procesos se conocen como generación de corriente oscura y agregan ruido a la imagen; pueden limitar el tiempo total de integración utilizable. La acumulación de electrones en o cerca de la superficie puede continuar hasta que la integración de la imagen termine y la carga comience a transferirse, o hasta que se alcance el equilibrio térmico. En este caso, se dice que el pozo está lleno. La capacidad máxima de cada pozo se conoce como profundidad del pozo, típicamente alrededor de 105 electrones por píxel.

Diseño y fabricación

La región fotoactiva de un CCD es, generalmente, una capa epitaxial de silicio . Está ligeramente dopado con p (generalmente con boro ) y se cultiva sobre un material de sustrato , a menudo p ++. En los dispositivos de canal enterrado, el tipo de diseño utilizado en la mayoría de los CCD modernos, ciertas áreas de la superficie del silicio se implantan con iones de fósforo , lo que les otorga una designación dopada con n. Esta región define el canal en el que viajarán los paquetes de carga fotogenerados. Simon Sze detalla las ventajas de un dispositivo de canal enterrado:

Esta capa delgada (= 0,2-0,3 micrones) se agota por completo y la carga fotogenerada acumulada se mantiene alejada de la superficie. Esta estructura tiene las ventajas de una mayor eficiencia de transferencia y una menor corriente oscura, debido a la reducción de la recombinación de la superficie. La penalización es una capacidad de carga menor, en un factor de 2-3 en comparación con el CCD de canal de superficie.

El óxido de la puerta, es decir, el dieléctrico del condensador , crece sobre la capa epitaxial y el sustrato.

Más adelante en el proceso, las compuertas de polisilicio se depositan mediante deposición de vapor químico , se modelan con fotolitografía y se graban de tal manera que las compuertas en fases separadas se encuentran perpendiculares a los canales. Los canales se definen además mediante la utilización del proceso LOCOS para producir la región de parada del canal .

Las paradas de canal son óxidos crecidos térmicamente que sirven para aislar los paquetes de carga en una columna de los de otra. Estas paradas de canal se producen antes que las puertas de polisilicio, ya que el proceso LOCOS utiliza un paso de alta temperatura que destruiría el material de la puerta. Las paradas de canal son paralelas y exclusivas del canal, o regiones de "carga".

Las paradas de canal a menudo tienen una región dopada p + subyacente, lo que proporciona una barrera adicional para los electrones en los paquetes de carga (esta discusión sobre la física de los dispositivos CCD supone un dispositivo de transferencia de electrones , aunque la transferencia de huecos es posible).

El reloj de las puertas, alternativamente alto y bajo, desviará hacia adelante y hacia atrás el diodo proporcionado por el canal enterrado (n-dopado) y la capa epitaxial (p-dopado). Esto hará que el CCD se agote, cerca de la unión p – n y recolectará y moverá los paquetes de carga debajo de las puertas, y dentro de los canales, del dispositivo.

La fabricación y el funcionamiento de CCD se pueden optimizar para diferentes usos. El proceso anterior describe un CCD de transferencia de tramas. Si bien los CCD pueden fabricarse en una oblea p ++ muy dopada, también es posible fabricar un dispositivo dentro de pozos p que se han colocado en una oblea n. Este segundo método, según se informa, reduce frotis, corriente oscura , y de infrarrojos respuesta y rojo. Este método de fabricación se utiliza en la construcción de dispositivos de transferencia entre líneas.

Otra versión de CCD se llama CCD peristáltico. En un dispositivo de carga acoplada peristáltica, la operación de transferencia de paquetes de carga es análoga a la contracción y dilatación peristálticas del sistema digestivo . El CCD peristáltico tiene un implante adicional que mantiene la carga alejada de la interfaz silicio / dióxido de silicio y genera un gran campo eléctrico lateral de una puerta a la siguiente. Esto proporciona una fuerza impulsora adicional para ayudar en la transferencia de los paquetes de carga.

Arquitectura

CCD de una cámara digital Argus de 2,1 megapíxeles
Sensor de imagen CCD unidimensional de una máquina de fax

Los sensores de imagen CCD se pueden implementar en varias arquitecturas diferentes. Los más comunes son fotograma completo, transferencia de fotogramas e interlínea. La característica distintiva de cada una de estas arquitecturas es su enfoque del problema del encofrado.

En un dispositivo de fotograma completo, toda el área de la imagen está activa y no hay obturador electrónico. Se debe agregar un obturador mecánico a este tipo de sensor o la imagen se borrará cuando el dispositivo esté cronometrado o leído.

Con un CCD de transferencia de fotogramas, la mitad del área de silicio está cubierta por una máscara opaca (típicamente de aluminio). La imagen se puede transferir rápidamente desde el área de la imagen al área opaca o región de almacenamiento con una mancha aceptable de un pequeño porcentaje. Luego, esa imagen se puede leer lentamente desde la región de almacenamiento mientras se integra o se expone una nueva imagen en el área activa. Los dispositivos de transferencia de fotogramas por lo general no requieren un obturador mecánico y eran una arquitectura común para las primeras cámaras de transmisión de estado sólido. La desventaja de la arquitectura de transferencia de fotogramas es que requiere el doble de espacio de silicio que un dispositivo de fotograma completo equivalente; por lo tanto, cuesta aproximadamente el doble.

La arquitectura interline amplía este concepto un paso más allá y enmascara todas las demás columnas del sensor de imagen para su almacenamiento. En este dispositivo, sólo debe producirse un desplazamiento de píxel para transferir del área de la imagen al área de almacenamiento; por lo tanto, los tiempos de obturación pueden ser inferiores a un microsegundo y la mancha se elimina esencialmente. Sin embargo, la ventaja no es gratuita, ya que el área de imagen ahora está cubierta por tiras opacas que reducen el factor de relleno a aproximadamente el 50 por ciento y la eficiencia cuántica efectiva en una cantidad equivalente. Los diseños modernos han abordado esta característica deletérea agregando microlentes en la superficie del dispositivo para dirigir la luz lejos de las regiones opacas y en el área activa. Las microlentes pueden devolver el factor de relleno al 90 por ciento o más, según el tamaño de píxel y el diseño óptico general del sistema.

La elección de la arquitectura se reduce a la utilidad. Si la aplicación no puede tolerar un obturador mecánico caro, propenso a fallas y que consume mucha energía, un dispositivo interlínea es la elección correcta. Las cámaras instantáneas de consumo han utilizado dispositivos interlínea. Por otro lado, para aquellas aplicaciones que requieren la mejor recolección de luz posible y las cuestiones de dinero, energía y tiempo son menos importantes, el dispositivo de fotograma completo es la elección correcta. Los astrónomos tienden a preferir los dispositivos de fotograma completo. La transferencia de tramas se encuentra en el medio y era una opción común antes de que se abordara el problema del factor de relleno de los dispositivos interlínea. En la actualidad, la transferencia de tramas se suele elegir cuando no se dispone de una arquitectura interlínea, como en un dispositivo retroiluminado.

Los CCD que contienen cuadrículas de píxeles se utilizan en cámaras digitales , escáneres ópticos y cámaras de video como dispositivos de detección de luz. Por lo general, responden al 70 por ciento de la luz incidente (lo que significa una eficiencia cuántica de aproximadamente el 70 por ciento), lo que los hace mucho más eficientes que la película fotográfica , que captura solo alrededor del 2 por ciento de la luz incidente.

Los tipos más comunes de CCD son sensibles a la luz del infrarrojo cercano, lo que permite la fotografía infrarroja , los dispositivos de visión nocturna y la grabación de video / fotografía con cero lux (o casi cero lux). Para los detectores de silicio normales, la sensibilidad está limitada a 1,1 μm. Otra consecuencia de su sensibilidad a los infrarrojos es que los infrarrojos de los controles remotos suelen aparecer en cámaras digitales o videocámaras con CCD si no tienen bloqueadores de infrarrojos.

El enfriamiento reduce la corriente oscura de la matriz , mejorando la sensibilidad del CCD a bajas intensidades de luz, incluso para longitudes de onda ultravioleta y visible. Los observatorios profesionales a menudo enfrían sus detectores con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y, por lo tanto, el ruido térmico a niveles insignificantes.

CCD de transferencia de fotogramas

Un sensor CCD de transferencia de cuadros

El generador de imágenes CCD de transferencia de fotogramas fue la primera estructura de imagen propuesta para la obtención de imágenes CCD por Michael Tompsett en Bell Laboratories. Un CCD de transferencia de fotogramas es un CCD especializado, a menudo utilizado en astronomía y en algunas cámaras de video profesionales , diseñado para una alta eficiencia y precisión de exposición.

El funcionamiento normal de un CCD, astronómico o no, se puede dividir en dos fases: exposición y lectura. Durante la primera fase, el CCD recolecta pasivamente los fotones entrantes , almacenando electrones en sus células. Una vez transcurrido el tiempo de exposición, las células se leen una línea a la vez. Durante la fase de lectura, las celdas se desplazan hacia abajo en toda el área del CCD. Mientras se mueven, continúan recolectando luz. Por lo tanto, si el cambio no es lo suficientemente rápido, pueden producirse errores debido a la luz que incide sobre la carga de retención de una celda durante la transferencia. Estos errores se denominan "manchas verticales" y hacen que una fuente de luz intensa cree una línea vertical por encima y por debajo de su ubicación exacta. Además, el CCD no se puede utilizar para recoger luz mientras se lee. Desafortunadamente, un cambio más rápido requiere una lectura más rápida, y una lectura más rápida puede introducir errores en la medición de la carga de la celda, lo que lleva a un nivel de ruido más alto.

Un CCD de transferencia de fotogramas resuelve ambos problemas: tiene un área protegida, no sensible a la luz, que contiene tantas células como el área expuesta a la luz. Normalmente, esta zona está cubierta por un material reflectante como el aluminio. Cuando se agota el tiempo de exposición, las células se transfieren muy rápidamente al área oculta. Aquí, a salvo de cualquier luz entrante, las células se pueden leer a cualquier velocidad que se considere necesaria para medir correctamente la carga de las células. Al mismo tiempo, la parte expuesta del CCD vuelve a recoger luz, por lo que no se produce ningún retraso entre exposiciones sucesivas.

La desventaja de un CCD de este tipo es el mayor costo: el área de la celda básicamente se duplica y se necesitan dispositivos electrónicos de control más complejos.

Dispositivo de carga acoplada intensificada

Un dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD) es un CCD que está conectado ópticamente a un intensificador de imágenes que está montado frente al CCD.

Un intensificador de imágenes incluye tres elementos funcionales: un fotocátodo , una placa de microcanales (MCP) y una pantalla de fósforo . Estos tres elementos se montan uno muy cerca del otro en la secuencia mencionada. Los fotones que provienen de la fuente de luz caen sobre el fotocátodo, generando fotoelectrones. Los fotoelectrones se aceleran hacia el MCP mediante un voltaje de control eléctrico, aplicado entre el fotocátodo y el MCP. Los electrones se multiplican dentro del MCP y luego se aceleran hacia la pantalla de fósforo. La pantalla de fósforo finalmente convierte los electrones multiplicados de nuevo en fotones que son guiados al CCD por una fibra óptica o una lente.

Un intensificador de imagen incluye inherentemente una función de obturador : si se invierte el voltaje de control entre el fotocátodo y el MCP, los fotoelectrones emitidos no se aceleran hacia el MCP sino que regresan al fotocátodo. Por lo tanto, el MCP no multiplica ni emite electrones, no hay electrones que vayan a la pantalla de fósforo y no se emite luz desde el intensificador de imágenes. En este caso, no incide ninguna luz sobre el CCD, lo que significa que el obturador está cerrado. El proceso de invertir el voltaje de control en el fotocátodo se denomina activación y, por lo tanto, los ICCD también se denominan cámaras CCD activables.

Además de la sensibilidad extremadamente alta de las cámaras ICCD, que permiten la detección de un solo fotón, la capacidad de acceso es una de las principales ventajas del ICCD sobre las cámaras EMCCD . Las cámaras ICCD de mayor rendimiento permiten tiempos de obturación tan cortos como 200 picosegundos .

En general, las cámaras ICCD tienen un precio algo más alto que las cámaras EMCCD porque necesitan el costoso intensificador de imágenes. Por otro lado, las cámaras EMCCD necesitan un sistema de refrigeración para enfriar el chip EMCCD a temperaturas de alrededor de 170  K (−103  ° C ). Este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales a la cámara EMCCD y, a menudo, genera grandes problemas de condensación en la aplicación.

Los ICCD se utilizan en dispositivos de visión nocturna y en diversas aplicaciones científicas.

CCD multiplicador de electrones

Los electrones se transfieren en serie a través de las etapas de ganancia que forman el registro de multiplicación de un EMCCD . Los altos voltajes utilizados en estas transferencias en serie inducen la creación de portadores de carga adicionales a través de la ionización por impacto.
en un EMCCD hay una dispersión (variación) en el número de electrones emitidos por el registro de multiplicación para un número determinado (fijo) de electrones de entrada (que se muestra en la leyenda de la derecha). La distribución de probabilidad para el número de electrones de salida se traza logarítmicamente en el eje vertical para una simulación de un registro de multiplicación. También se muestran los resultados de la ecuación de ajuste empírico que se muestra en esta página.

Un CCD multiplicador de electrones (EMCCD, también conocido como L3Vision CCD, un producto comercializado por e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un producto ahora descontinuado ofrecido en el pasado por Texas Instruments) es un dispositivo de carga acoplada en en el que se coloca un registro de ganancia entre el registro de desplazamiento y el amplificador de salida. El registro de ganancia se divide en un gran número de etapas. En cada etapa, los electrones se multiplican por ionización por impacto de manera similar a un diodo de avalancha . La probabilidad de ganancia en cada etapa del registro es pequeña ( P <2%), pero como el número de elementos es grande (N> 500), la ganancia general puede ser muy alta ( ), con electrones de entrada únicos que dan muchos miles de electrones de salida. La lectura de una señal de un CCD genera un ruido de fondo, normalmente unos pocos electrones. En un EMCCD, este ruido se superpone a muchos miles de electrones en lugar de a un solo electrón; La principal ventaja de los dispositivos es, por tanto, su ruido de lectura insignificante. El uso de la degradación por avalancha para la amplificación de cargas fotográficas ya había sido descrito en la patente de EE.UU. 3.761.744 en 1973 por George E. Smith / Bell Telephone Laboratories.

Los EMCCD muestran una sensibilidad similar a los CCD intensificados (ICCD). Sin embargo, al igual que con los ICCD, la ganancia que se aplica en el registro de ganancia es estocástica y es imposible saber la ganancia exacta que se ha aplicado a la carga de un píxel. Con ganancias altas (> 30), esta incertidumbre tiene el mismo efecto en la relación señal / ruido (SNR) que reducir a la mitad la eficiencia cuántica (QE) con respecto al funcionamiento con una ganancia de unidad. Sin embargo, a niveles de luz muy bajos (donde la eficiencia cuántica es más importante), se puede suponer que un píxel contiene un electrón o no. Esto elimina el ruido asociado con la multiplicación estocástica con el riesgo de contar varios electrones en el mismo píxel como un solo electrón. Para evitar múltiples recuentos en un píxel debido a la coincidencia de fotones en este modo de operación, son esenciales altas velocidades de cuadro. La dispersión en la ganancia se muestra en el gráfico de la derecha. Para registros de multiplicación con muchos elementos y grandes ganancias, está bien modelado por la ecuación:

Si

donde P es la probabilidad de obtener n electrones de salida dados m electrones de entrada y una ganancia media total del registro de multiplicación de g .

Debido a los costos más bajos y la mejor resolución, los EMCCD son capaces de reemplazar los ICCD en muchas aplicaciones. Los ICCD todavía tienen la ventaja de que pueden activarse muy rápidamente y, por lo tanto, son útiles en aplicaciones como la obtención de imágenes por rango . Las cámaras EMCCD necesitan indispensable un sistema de enfriamiento, que utilice enfriamiento termoeléctrico o nitrógeno líquido, para enfriar el chip a temperaturas en el rango de -65 a -95 ° C (-85 a -139 ° F). Desafortunadamente, este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales al sistema de imágenes EMCCD y puede producir problemas de condensación en la aplicación. Sin embargo, las cámaras EMCCD de gama alta están equipadas con un sistema de vacío hermético permanente que confina el chip para evitar problemas de condensación.

Las capacidades de poca luz de los EMCCD encuentran uso en astronomía e investigación biomédica, entre otros campos. En particular, su bajo nivel de ruido a altas velocidades de lectura los hace muy útiles para una variedad de aplicaciones astronómicas que involucran fuentes de poca luz y eventos transitorios como imágenes afortunadas de estrellas débiles, fotometría de conteo de fotones de alta velocidad , espectroscopía Fabry-Pérot y espectroscopía de alta resolución. . Más recientemente, estos tipos de CCD han irrumpido en el campo de la investigación biomédica en aplicaciones con poca luz, incluidas imágenes de animales pequeños , imágenes de una sola molécula , espectroscopía Raman , microscopía de superresolución , así como una amplia variedad de técnicas modernas de microscopía de fluorescencia gracias a una mayor SNR en condiciones de poca luz en comparación con los CCD y los ICCD tradicionales.

En términos de ruido, las cámaras EMCCD comerciales generalmente tienen carga inducida por reloj (CIC) y corriente oscura (dependiendo del grado de enfriamiento) que juntas conducen a un ruido de lectura efectivo que varía de 0.01 a 1 electrones por píxel leído. Sin embargo, las mejoras recientes en la tecnología EMCCD han llevado a una nueva generación de cámaras capaces de producir significativamente menos CIC, mayor eficiencia de transferencia de carga y una ganancia de EM 5 veces mayor que la que estaba disponible anteriormente. Estos avances en la detección de poca luz conducen a un ruido de fondo total efectivo de 0,001 electrones por píxel leído, un piso de ruido incomparable con cualquier otro dispositivo de imágenes con poca luz.

Uso en astronomía

Matriz de 30 CCD utilizados en la cámara de imágenes del telescopio Sloan Digital Sky Survey , un ejemplo de "exploración por deriva".

Debido a las altas eficiencias cuánticas del dispositivo de carga acoplada (CCD) (la eficiencia cuántica ideal es del 100%, un electrón generado por fotón incidente), la linealidad de sus salidas, la facilidad de uso en comparación con las placas fotográficas y una variedad de otras razones , Los CCD fueron adoptados muy rápidamente por los astrónomos para casi todas las aplicaciones de UV a infrarrojos.

El ruido térmico y los rayos cósmicos pueden alterar los píxeles de la matriz CCD. Para contrarrestar estos efectos, los astrónomos toman varias exposiciones con el obturador CCD cerrado y abierto. El promedio de imágenes tomadas con el obturador cerrado es necesario para reducir el ruido aleatorio. Una vez revelada, la imagen promedio de fotogramas oscuros se resta de la imagen de obturador abierto para eliminar la corriente oscura y otros defectos sistemáticos ( píxeles muertos , píxeles calientes, etc.) en el CCD. Los nuevos CCD Skipper contrarrestan el ruido al recopilar datos con la misma carga recopilada varias veces y tienen aplicaciones en búsquedas de luz de precisión de materia oscura y mediciones de neutrinos .

El telescopio espacial Hubble , en particular, tiene una serie de pasos altamente desarrollados ("tubería de reducción de datos") para convertir los datos CCD sin procesar en imágenes útiles.

Las cámaras CCD utilizadas en astrofotografía a menudo requieren soportes resistentes para hacer frente a las vibraciones del viento y otras fuentes, junto con el tremendo peso de la mayoría de las plataformas de imágenes. Para tomar exposiciones prolongadas de galaxias y nebulosas, muchos astrónomos utilizan una técnica conocida como autoguiado . La mayoría de los guías automáticos utilizan un segundo chip CCD para monitorear las desviaciones durante la toma de imágenes. Este chip puede detectar rápidamente errores en el seguimiento y ordenar a los motores de montaje que los corrijan.

Una aplicación astronómica inusual de los CCD, llamada exploración de deriva, utiliza un CCD para hacer que un telescopio fijo se comporte como un telescopio de rastreo y siga el movimiento del cielo. Las cargas en el CCD se transfieren y leen en una dirección paralela al movimiento del cielo y a la misma velocidad. De esta manera, el telescopio puede obtener imágenes de una región del cielo más grande que su campo de visión normal. El Sloan Digital Sky Survey es el ejemplo más famoso de esto, utilizando la técnica para producir un levantamiento de más de una cuarta parte del cielo.

Además de los generadores de imágenes, los CCD también se utilizan en una serie de instrumentación analítica que incluye espectrómetros e interferómetros .

Cámaras a color

Un filtro Bayer en un CCD
Vista de microscopio x80 de un filtro RGGB Bayer en un sensor CCD de videocámara CCD PAL Sony de 240 líneas

Las cámaras digitales en color generalmente usan una máscara Bayer sobre el CCD. Cada cuadrado de cuatro píxeles tiene un rojo filtrado, uno azul y dos verdes (el ojo humano es más sensible al verde que al rojo o al azul). El resultado de esto es que la información de luminancia se recopila en cada píxel, pero la resolución de color es menor que la resolución de luminancia.

Se puede lograr una mejor separación de colores mediante dispositivos de tres CCD ( 3CCD ) y un prisma divisor de haz dicroico , que divide la imagen en componentes rojo , verde y azul . Cada uno de los tres CCD está dispuesto para responder a un color particular. Muchas videocámaras profesionales y algunas semiprofesionales utilizan esta técnica, aunque los avances en la tecnología CMOS de la competencia han hecho que los sensores CMOS, tanto con divisores de haz como con filtros bayer, sean cada vez más populares en las cámaras de cine digital y de vídeo de alta gama. Otra ventaja de 3CCD sobre un dispositivo de máscara de Bayer es una mayor eficiencia cuántica (mayor sensibilidad a la luz), porque la mayor parte de la luz de la lente ingresa a uno de los sensores de silicio, mientras que una máscara de Bayer absorbe una alta proporción (más de 2/3) de la luz que incide en la ubicación de cada píxel.

Para escenas fijas, por ejemplo en microscopía, la resolución de un dispositivo de máscara de Bayer se puede mejorar mediante la tecnología de microescaneo . Durante el proceso de muestreo de co-sitio de color , se producen varios fotogramas de la escena. Entre adquisiciones, el sensor se mueve en píxeles, de modo que cada punto del campo visual sea adquirido consecutivamente por elementos de la máscara que son sensibles a los componentes rojo, verde y azul de su color. Finalmente, cada píxel de la imagen se ha escaneado al menos una vez en cada color y la resolución de los tres canales se vuelve equivalente (las resoluciones de los canales rojo y azul se cuadriplican mientras que el canal verde se duplica).

Tamaños de sensor

Los sensores (CCD / CMOS) vienen en varios tamaños o formatos de sensor de imagen. Estos tamaños a menudo se denominan con una designación de fracción de pulgada como 1 / 1.8 ″ o 2/3 ″ llamado formato óptico . Esta medida se remonta a la década de 1950 y en la época de los tubos Vidicon .

Floreciente

Frotis vertical

Cuando una exposición CCD es lo suficientemente larga, eventualmente los electrones que se acumulan en los "contenedores" en la parte más brillante de la imagen desbordarán el contenedor, lo que provocará una floración. La estructura del CCD permite que los electrones fluyan más fácilmente en una dirección que en otra, lo que resulta en rayas verticales.

Algunas funciones anti-floración que se pueden integrar en un CCD reducen su sensibilidad a la luz utilizando parte del área de píxeles para una estructura de drenaje. James M. Early desarrolló un drenaje vertical anti-floración que no quitaba valor al área de recolección de luz y, por lo tanto, no reducía la sensibilidad a la luz.

Ver también

Referencias

enlaces externos