Řádkové snímače CCD. ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer přednáška A3M38VBM Jan Fischer, 2011

Řádkové snímače CCD

ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer přednáška A3M38VBM © Jan Fischer, 2011

1 A0M38OSE_2013, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

Náplň přednášky Základní struktury řádkových snímačů CCD Typická uspořádání řádkových snímačů Příklady struktur snímačů CCD 111, CCD 133, CCD 191 Význam a funkce bloků řádkových snímačů Snímače SONY ILX 551 a ILX 751


Řádkové snímače CCD Řádkový snímač CCD – modelový příklad jedna řada fotoelementů, jeden registr CCD,

přenosové hradlo

fotoelementy

"černé pixely" UOUT

CCD transportní registr

nábojový detektor výst. zesilovač


Řádkové snímače CCD - bloky Fotoelementy - MOS kapacitory nebo fotodiody Fotoelementy – MOS kapacitory – příznak – v obvodu vyveden vstup „fotohradla“ - Photogate , (polykrystalická elektroda, pod níž jsou fotoelementy) - VPG – ss. napětí (typ. 6 až 15 V - v závislosti na typu snímače), používána též kombinace fotodioda + zastíněný akumulační MOS kapacitor Fotoelemety – fotodiody – s PN přechodem (katody fotodiod nejsou vyvedeny ale navázány prostřednictvím přenosového hradla na registr CCD), Rozměr fotoelementů – čtvercové (např. 14 x 14 um, 10 x 10 um, 5 x 5 um,) - obdélníkové ( např. 14 x 200 um, 8 x 200 um – pro spektrometrii - citlivost) Přenosové hradlo – transfer gate – ovládání přenosu náboje z fotoelementů do registru CCD, impulsní řídicí signál (označ. např. Φx) Posuvný registr CCD ( jeden nebo dva) obvykle dvoufázový Výstupní stupeň s jedním, nebo dvěma nábojovými detektory 4 A0M38OSE_2013, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

Řádkové snímače CCD Řádkový snímač CCD, jedna řada fotoelementů, dva posuvné registry, jeden společný výstup UOUT

Příklad, viz. CCD 111, Loral Fairchild, jeden z prvních sériově vyráběných snímačů CCD Pozn.: Senzor CCD111 ( resp. jeho analog L110) je použit v řádkové kameře na cvičení – demonstrace funkce řádkového senzoru CCD

Dvoufázové registry CCD, kanál pod OG – output gate – přívod náboje ke společnému nábojovému detektorou registry CCD – řízení v protifázi 5 A0M38OSE_2013, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

CCD 111 -


CCD 111 -


CCD 111 - časování -

ΦXA , ΦXB ovládání přenosových hradel, přesun náboje z fotoelementu do pos. registru ( může se využít shodný společný signál ΦX ) Φ1A , Φ2A - ovládání pos. reg. A , (dvoufázové řízení) Φ1B , Φ2B - ovládání pos. reg. B , (dvoufázové řízení) reset výstupního nábojového detektoru ΦR doba akumulace – perioda ΦX (snímač neobsahuje elektronickou závěrku) 8 A0M38OSE_2013, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

CCD 111 -


CCD 111 Photogate – SI polykrystalická elektroda vývod – PG (MOS kapacitor - fotoelemet) „serpentine channel stop“ – oddělení jednotlivých fotoelementů stop difuzí ve tvaru „meandru“ hliníková vrstva nad posuvnými registry CCD stíní před světlem


CCD 111 - stejnosměrné parametry -


CCD 111 -


CCD 111 -


CCD 111 -


CCD 111 – nehomogenita fotocitlivosti PRNU – Photoresponse non-uniformity


Řádkové snímače CCD s dvěma výstupy jedna řada fotoelementů, dva posuvné registry CCD, dva výstupy společné nebo oddělené řízení přenosových hradel (transfer gate) UOUT1

UOUT2

Příklad Loral Fairchild CCD 133 (cvičení), CCD191 Způsob řízení – signál na výstupech z registrů A a B v „protifázi“ VPG – polykryst. el,


Řádkový snímač Fairchild CCD 133 -


CCD 111 -


CCD 133 Čtení signálu Dark reference isolation cells – impulsy – bez významu (oddělení fotoelementů a zakrytých „fotoelementů“ - dark) Dark reference - zakryté elementy se shodnou strukturou jako fotoelementy – pouze pro informaci o signálu za tmy. Použití – pro upínání, příp. korekci aditivní chyby působením proudů za tmy Pozn.: Senzor CCD133 je použit v řádkové kameře na cvičení – demonstrace optických výpočtů


CCD 133 - výstup Vnitřní generace Φ - signál RESET - vzorkovací signály ΦSHCA, ΦSHCB, vstupy ΦSHGA, ΦSHGB, odvozeny z ΦT, Signál na výstupech A, B

Obvod vzorkovače (může, ale se nemusí být využit)


CCD 133 – vysvětlení -CCD 133 – zjednodušené řízení vnější říd. sig. – pouze ΦX a ΦT ΦX – přesun náb. z fotoelementů do posuvného registru ( transfer) ΦT – řízení pos. reg. CCD ( transport náb. svazků v CCD ) ?, kde – ostatní signály? dvoufázový CCD, řízené elektrody ΦT, neřízené elektrody – pevné napětí VT (transport register DC electrode)


Registr CCD s jednofázovým řízením -CCD 133 na řízené fázi ΦT , rozkmit od 0 do + 12 V ΦTH = UH = + 11,5 V ΦTL= UL =0 V ( 0 až 0,7 V) V katalogu – doporučení VT – pevné ss. napětí, přibl. polovina rozkmitu u CCD 133 VT jako „virtuální fáze“ VT = typ. + 6 V


Idea registru CCD s jednofázovým řízením VT – pevné ss. napětí, přibl. polovina rozkmitu na řízené fázi ΦT VT jako „virtuální fáze“

aktivní potenc. jáma pod VT ΦT = UL VT =0,5 UH

u2

u1

poly Si SiO2 P -Si

ΦTH= UH = + 11,5 V ΦTL= UL =0 V ( 0 až 0,7 V) VT = typ. + 6 V (řešení dvoufáz. CCD nesymetrie potenciálové jámy i implantací pod část elektrody)

aktivní potenc. jáma pod ΦT ΦT = UH VT =0,5 UH

u1

u2


Idea registru CCD s jednofázovým řízením Jiné způsoby řešení jednofázového řízení: Virtuální fází – dotací polovodiče v oblasti virtuální fázové elektrody (firma Texas Instruments) Řádkové snímače s jednofázovým řízením (SONY) vnitřní generátor dvoufázového řídicího signálu ? Identifikace – přímý vstup obvody na řízení pos. registr – kapacity řádu 100 pF, (CCD 133 kapacita vstupu ΦT CΦT = 350 pF ) kapacita vstupu ΦX u CCD 133 CΦX = 80 pF snímač s interními budiči – kapacity vstupů řídicích signálů - řádu jednotek pF


Snímač CCD 191 firmy Fairchild 6000 x 1, délka fotocitl. oblasti - 6 cm dva reg. CCD s nezávislými výstupy

katalog: • 6000 x 1 photosite array • 10 µm x 10µm photosites on 10µm pitch • Anti-blooming and integration control


Snímač CCD 191 firmy Fairchild - 6000 x 1, délka fotocitl. oblasti - 6 cm


Snímač CCD 191 firmy Fairchild fotoelement - PN akumulace- MOS kapacitor VPG – napětí – MOS kapacitor el. závěrka, ΦiC - integration control antiblooming. hradlo Vsink antiblooming drain


Funkce el. závěrky U řádkových snímačů CCD, - laterální uspořádání el. závěrky – vedle sebe funkce elektronické závěrky i antibloomingu – podle nastavení napětí na ΦABG, (Anti-Blooming-Gate)

el. závěrka ΦAB +U

fotodioda

ABD

ABD

uABG

N+ - Si

ΦX

N+ - Si UFOT

CFOT P - Si


CCD 191 - časování -


CCD 191 -


CCD 191 - řízení doby el. závěrky - Elektronická závěrka u CCD 191 – řízení „antibloomingového hradla“


Řádkové snímače CCD s jedním registrem CCD Řádkový snímač CCD – jedna řada fotoelementů, jeden dvoufázový registr CCD, Forma fotoelementů nejčastěji fotodiody - přechody PN (příklad Sony ILX 503, ILX 551, kamera, cvičení)

přenosové hradlo

fotoelementy

"černé pixely" UOUT

CCD transportní registr

nábojový detektor výst. zesilovač


Řádkový snímač CCD Sony ILX551 –


CCD Sony ILX551 časování –


CCD Sony ILX551 –v parametry –Optical black – signál zakrytých fotoelementů ( jako u u CCD 133 dark) Dummy – prázdné („nepravé“ ) nábojové svazky


CCD Sony ILX551 –v parametry – Co hledat v katalogu


CCD Sony ILX551 –v parametry – Co hledat v katalogu Malé vstupní kapacity – interní budiče CCD na čipu vstupy kompatibilní s výstupem CMOS s Ucc = + 5 V


CCD Sony ILX551 – Spektrální charakt. citlivosti -– maximum citlivosti – pro 550 mn - shodné s citlivostí lidského oka. funkce možná v blízké oblasti infra


CCD Sony ILX551 – zapojení v obvodu Pozor na opačnou relativní velikost napětí + 9V, +5 V ( při náběhu, vypínání).


Řádkový snímač CCD Sony ILX551 – ILX 551 signály (bez využití vzorkovače) vnitřní generace signálu RESET


Řádkový snímač CCD Sony ILX551 – Interní reset – vždy, možnost použití interního vzorkovače


Řádkový snímač CCD Sony ILX751 – ILX751 , podobné jako ILX 551 + elektronická závěrka


Řádkový snímač CCD Sony ILX751 –aktivací el. závěrky – „vynulování“ náboje ve fotoelementech


Trilineární snímač Trilineární snímač – shodné struktury těsně vedle sebe, odstup řad fotoelementů – 20 až 60 um obvykle využíváno v barevných řádkových snímačích

UOUT1

UOUT2

UOUT3


Řádkový snímač s třemi registry Řada snímacích fotoelementů – počet 3n 3 posuvné registry CCD, každý o délce n postupný posun náboj. svazků z fotoel. v příčném směru do registrů posun náboj. svazků v podélně v registrech

UOUT1 UOUT2 UOUT3


Snímače CCD pro režim typu TDI TDI Time Delay and Integration struktura jako FF (full frame sensor), provoz jako řádkový snímač postupná expozice ( průběžné zpracování – analogie – výrobní pás) OUT 8

OUT 7

OUT 6

OUT 5 VCCD

pohyb obrazu UOUT OUT 1

OUT 2

OUT 3

OUT 4 HCCD

VCCD 3- nebo 4- fázové, možnost změny směru podle směru posunu, využití horních (5- 8 HCCD) nebo dolních (1 - 4 HCCD) více paralelních výstupů, více HCCD


Snímače CCD pro režim typu TDI TDI Time Delay and Integration struktura jako FF (full frame sensor), provoz jako řádkový snímač postupná expozice (průběžné zpracování – analogie – výrobní pás) OUT 8

OUT 7

OUT 6

OUT 5 VCCD

pohyb obrazu UOUT OUT 1

OUT 2

OUT 3

OUT 4 HCCD

Režimy provozu, posun nábojů synchronně s posunem obrazu,….. posun obrazu nahoru, nebo dolu,.. více paralelních výstupů použití – rychlé řádkové kamery 47 A0M38OSE_2013, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

Řádkové snímače CCD. ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer přednáška A3M38VBM Jan Fischer, 2011

Recommend Documents