Optoelektronické snímače fotodiodová pole, obrazové senzory CMOS

Optoelektronické snímače – fotodiodová pole, obrazové senzory CMOS Podkladový materiál k přednáškám A0M38OSE – Obrazové senzory ČVUT- FEL, katedra měření, © Jan Fischer, 2014 Materiál je pouze grafickým podkladem k přednášce a nenahrazuje výklad na vlastní přednášce

A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

1

Náplň

• •

MOS kapacitor MOS tranzistor Fotodiodová pole PMOS, NMOS

•

Obrazové senzory CMOS


2

MOS kapacitor – vytvoření OPN Elektroda polykristalický křemík Poly – Si, dopanty , vodivé – jako kov M (Metal), izolant SiO2 oxid (Si3N4) , polovodič S (semiconductor) Působením el. pole kladně nabité elektrody – UG > U p vyprázdněná oblast

poly - Si

substrát

G

P - Si

vytvoření vyprázdněné oblasti OPN oblast prostorového náboje – (na krátkou dobu) - jedná se o nevyvážený stav. A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

3

MOS kapacitor – vytvoření inverzní vrstvy Pohyb elektronů pod elektrodu –vytvoření inverzní vrstvy koncentrace volných elektronů je větší než koncentrace děr UG > U p poly - Si inverzní vrstva

substrát

G

P - Si

zdánlivá změna typu polovodiče z P na N


4

MOS tranzistor Doplnění dvou oblastí N+

Source (analogie emitor) zdroj nosičů náboje Drain (analogie kolektor) odtok nosičů ´´ tranzistor MOS s indukovaným kanálem N (NMOS)

UGS = UG - US > UT > 0 S - source

poly - Si N+ - Si

UG G

D - drain N+

- Si

US

substrát


P - Si

5

MOS tranzistor

UGS = UG - US > UT > 0 S - source

poly - Si +

N - Si

G - Gate

UG G

D - drain N+ - Si

US D -Drain (?source)

S- Source (?drain) SUB

substrát

P - Si

symetrická struktura funkce D a S podle polarity napětí a následně směru proudu proud může podle polarity protékat oběma směry


6

MOS tranzistor - diody ve struktuře Oblasti N+ ve spolu se substrátem vodivosti P tvoří ve struktuře NMOS tranzistoru PN přechody, - diody UGS = UG - US > UT > 0 S - source

poly - Si +

N - Si

UG G

D - drain N+ - Si

US

substrát


P - Si

7

Fotodioda s NMOS tranzistorem Zvětšení (ideově) PN přechodu Source – Substrát - možná funkce jako fotodioda

UG

S fotodioda

G

N+ - Si

G

D - drain N+ - Si

D

substrát

P - Si

SUB


8

MOS tranzistor jako spínač fotodiody MOS tranzistor – jako integrovaný spínač pro řízení fotodiody UG

G S fotodioda

D

G

+

N - Si

SUB

substrát

D - drain N+ - Si

P - Si

Sp


9

Fotodiodové řady Řada fotodiod vytvořena na N substrátu, přechod P+ N PMOS ( P- kanál indukovaný) tranzistor - pro připojení fotodiod doplnění obvodu pro periodické řízení jednotlivých fotodiod Photodiode self scanned array první fotodiodové řady – PMOS ( substrát N) rozměry fotodiody např. 25 um x 2500 um pro optické spektrální analyzátory Plošné snímače fotodiodová pole r. 1990 i později NMOS struktura, firma EG & G Reticon (změny vlastníků,…),


10

Fotodioda ve snímačích typu fotodiodové pole Fotodioda – funkce ve 3. kvadrantu (schéma pro NMOS a CMOS, PMOS opačná polarita)

Sp fotodioda iFOT

• • • •

(přednabití – „reset“) akumulace náboje – vybíjení destruktivní čtení, velikost náboje dodaného při novém reset ~ expozice akumulace náboje – vybíjení

UD

uC

CFD

I

UD

Doba akumulace = perioda čtení

U Ee

c

El. náboj, který se musí dodat při opětovném nabití, je úměrný dávce optického záření A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

11

Fotodioda ve snímačích CMOS – pasivní prvek sloupcové čtecí vodiče

Zapojení do matice – jako DRAM, FLASH Technologie – standardní CMOS Pasivní prvek – vyhodnocení velikosti náboje potřebného pro opětovné nabití dané fotodiody Pasivní snímací prvek - již se nepoužívá v senzorech CMOS ( pouze ve fotodiodových řadách) zde – pouze pro vysvětlení principu

výběr řádku 1

výběr řádku 2 hν

a)

v senzorech CMOS – vždy aktivní prvek


12

Fotodioda v aktivním elementu - APS

reset

T1

sloupcový čtecí vodič

Sledovač s tranzistorem MOS - čtení nedestruktivní • oddělena fáze reset a fáze nedestruktivního čtení • čtení po řádcích • výběr jednotlivých sloupců • reset po řádcích reset řádku Udd • možnost globálního resetu T2

UD T1

T2

reset iFOT FD

UDD

FD

uvýst CFD USS


výběr čtení řádku

T3

13

Struktura CMOS s APS

dekodér adresy - čtení řádku

Konfigurace – IIC Interní ADC

matice fotoelementů

dekodér adresy -reset řádku

Programovatelný

čítač adresy -pro reset řádku

sloupcové čtecí vodiče

čítač adresy čtení řádku

Samostatná adresace řádku pro čtení a pro reset Interní ADC

čítač, adresace, výběr sloupce + zesilovače data

clk IIC Bus

řídicí logika přednastavení. čít. gener.říd.impulsů

výstupní obvod převodník A/D clk_o H sync, V sync, ...


14

El. závěrka typu „rolling shutter“ Standardní, snímače CMOS – typu tzv. „Rolling Shutter“ Analogie funkce pohybující se štěrbinové závěrky ve fotoaparátu (film) dolní lamela ~ reset, začátek akumulace • horní lamela ~ konec akumulace – čtení Doba akumulace = interval mezi „reset“ – „čtení“ (ukázka fotoaparátu Practica– stěrbinová závěrka, lamely, funkce s bleskem – otevřené okénko, snímání při umělém osvětlení (žárovka) – spec. nód )

snímací okénko

horní lameta

dolní lameta


15

Vlastnosti el. závěrky „rolling shutter“ Vlastnosti, možnosti a nevýhody závěrky „rolling. shutter“ • regulace doby expozice – velikostí časového okénka – jednoduché řešení (web kamery, mobilní telefony,…) • nevýhoda – různé části snímku exponovány v jiném časovém intervalu Důsledky závěrky rolling shutter: • „kácení“ pohybujících se předmětů • „blikání“ v rámci snímku při intenzivním proměnném osvětlení

snímací okénko

horní lamela

dolní lamela A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

16

Vymezení oblasti zájmu - ROI Funkce ROI – „region of interest“ v senzoru CMOS: • vymezení oblasti zájmu vybraného pole (u CCD není možné) • možnost volby pouze jedné oblasti (zatím?) • zvýšení snímkové frekvence • snížení datového toku • virtuální zmenšení snímacího čipu X

x2 x1 y1

Y y2 aktivní čtené pole


17

Snížení rozlišení senzoru CMOS

Snímač CMOS – programovatelné chování • modifikace činnosti čítačů řádku a sloupce • přeskakování vždy jednoho sloupce a jednoho řádku • virtuální zmenšení počtu elementů na stejné ploše • zvýšení rychlosti – vyšší snímková frekvence •

virtuální zvětšení pixelu – součet signálu sousedních pixelů

Snímač – 1280 x 960 –režimy 640 x 480, 320 x 240, 160 x120


18

Snímače CMOS typu Global shutter

Nevýhoda snímačů typu Rolling Shutter – deformace obrazu pohybujícího objektu Výhoda – jednoduchost konstrukce zcela kompatibilní s technologií CMOS pro výrobu pamětí Řešení – snímač s pomocnou pamětí – kapacitorem u každého fotoelementu – naráz uložení informace a pak postupné čtení. náročnější technologie ( podoba , jako u CCD – interline sensor – viz další.) Označení – typ Global shutter


19

Orientace snímacího pole při promítání obrazu Promítání obrazu objektivem na fotocitlivou – přivrácenou – stranu snímače. X 0,0 Implicitní mód čtení v CMOS – Y po resetu -

m

n obrazový senzor přední -fotocitlivá strana

objektiv

n Y m 0,0

X

0,0


20

Uspořádání snímacích bodů z hlediska pořadí čtení

Uspořádání snímacích bodů snímače CMOS, CCD z hlediska pořadí čtení a) pořadí na snímači b) pořadí v obrazu 0 n

m

0

Y

Y

0

a)

X

0

X

n

m

b)


21

Postup akumulace v senzoru CMOS rolling shutter

Maximální doba akumulace senzoru CMOS– určena periodou čtení

interval akumulace

řádek n

Y poloha řádku řádek 0 perioda čtení


čas t

22

Funkce el. závěrky typu rolling shutter -

čtení čtení Y

texp

reset

reset čas

a)

b)

Zkrácení doby akumulace- menší expozice reset čtení texp reset

čtení čtení reset

a)

texp

b)

čas texp


c)

23

Zkrácení doby expozice ve snímači – rolling shutter Zkrácení doby akumulace (doby expozice) – pro přizpůsobení světelným podmínkám interval akumulace Y

s t+ e s re

t tar sto

ní čte + p

e res

rt sta + t

perioda čtení

• • •

p sto

í ten č +

t

různý časový úsek expozice jednotlivých řádků limitně – např. doba 0,1 ms, perioda 20 ms posun okamžiku expozice horní a dolní části snímku o 20 ms


24

Působení proměnného osvětlení na senzor CMOS Zvlnění časového průběhu intenzity ozáření umělého osvětlení periody – typ. 10 ms ( 100 Hz) žárovka, u zářivek i menší složka 50 Hz expozice ry2 expozice ry1

Ee Eemax Eemin 10 ms

t expozice ry1 Ee

expozice ry2

Eemax

krátká doba akumulace – odlišná expozice jednotlivých řádek

Eemin 10 ms


t

25

Degradace obrazu proměnným osvětlením

Optimální volit dobu expozice – násobek periody zvlnění nedodržení – u snímače CCD a CMOS typu global shutter – kolísání expozice jednotlivých snímků, zachování jasových proporcí ve snímku Rolling- shutter – možné ovlivnění proporce snímku, Zkreslení obrazu - (typ „roleta“ nebo „žaluzie“ přes obraz), horizontálně orientované světlé a tmavé části snímku !!!


26

Degradace obrazu objektu v pohybu (rolling. –shut.) Horizontální pohyb snímaného objektu při dlouhé době akumulace – „rozmazání“ krátká doba akumulace- změna tvaru předloha

obraz

předloha

pohyb

a)

obraz

pohyb

b)

c)

a), b) pohyb konstantní rychlostí, b) zrychlení – kmitavý pohyb Degradace obrazu pruhové struktury, Je možno určit smět pohybu (otáčení)

obraz pohyb doprava

předloha

a)

b)


obraz pohyb doleva

c) 27

Snímání pohybu optického rozhraní Horizontální pohyb vertikálně orientovaného černo – bílého rozhraní (tmavý papír na světlém pozadí) ve směru doprava předloha

obraz, v = konst

obraz, zrychlení

obraz, zákmity

pohyb

a)

b)

c)

d)

a) objekt v klidu b) pohyb konstantní rychlostí c) zrychlení – pohyb konstatntním zrychlením d) proměnná rychlost- zákmity


28

Perspektivy snímačů CMOS Snímače CMOS – původně levná alternativa ke snímačům CCD Zlepšování technologie, snižování šumu, proudů za tmy Nyní – senzory CMOS – i pro vědecké aplikace, Fairchild Imaging sCMOS - Scientific CMOS Technology


29

Snímače CMOS – přehled vlastností • • • • • • • •

Snímače CMOS – výrobní technologie CMOS LSI Není problém „megapixely“ Nízké napájecí napětí 3,3 V a méně Menší odběr než CCD Programovatelnost, možnost integrovat na čip převodník A/D Možnost integrovat bloky zpracování obrazu Standardní snímače CMOS - typu Rolling Shutter - nevýhoda Použití mobilních telefonech, USB kamerách – CMOS senzor typu Rolling Shutter). • Větší šum, nehomogenity fotocitlivosti, proudy za tmy • Počty fotoel.: 0,3 Mpx, 1,3 MPx, 2 Mpx, 3Mpx, 5 Mpx, (9Mpx) • Snímače CMOS typu „Global shutter“, analogový paměťový prvek pro každý pixel, podoba CCD, dražší, složitější, zatím netypické A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

30

Další vývoj senzorů CMOS ? Kam se bude ubírat vývoj obrazových senzorů CMOS ? SONY – jeden z největších výrobců snímačů CCD pro komerční sférukamery CCTV, videokamery, dig. fotoaparáty – nyní masivní nástup do oblasti obrazových senzorů CMOS Vývoj senzoru pro formát 35 mm , 28, 8 Mpx Samostatný 12 bit A/D na každý sloupec rychlý výstup dat -12 kanálů LVDS


31

MOS kapacitor – základ snímačů CCD MOS struktura M – metal – poly Si O – oxid SiO2 S – Si vodivosti P (děrová) Působení kladného UG - „zapuzení“ děr od elektrody • vznik OPN - oblast prostorového náboje • kladný náboj na elektrodě kompenzován záporným nábojem ionizovaných akceptorů •

nevyvážený stav

poly - Si

SiO2 OPN

Si P

UG > 0

x UG

ϕ

E x log Q QSi

xd

x Qd


32

MOS kapacitor Působení kladného UG - „zapuzení“ děr od elektrody ? hloubka OPN ? NA - koncentrace příměsí akceptorů v polovodiči P q - elementární kladný náboj ionizovaného atomu akceptoru. xd - hloubka ochuzené oblasti závisí na UG a koncentraci NA. QSI - plošná hustota náboje na Si elektrodě Qd – plošná hustota náboje představovaného ionizovanými akceptory Qn – plošná hustota náboje volných elektronů pod elektrodou rovnost hustoty náboje na el. QSI a kompenz. náboje ion. akcept. Qd

Qd = QSi

Qd = q N A xd

xd - řádově v jednotky um


33

MOS kapacitor Příchod elektronů- kompenzace pole, zvýšení Qn , pokles Qd

Qn + Qd = QSi

poly - Si

SiO2 OPN

UG > 0

SiO2

Si P UG > 0

x

Protože

Qd = q N A xd

UG

x

(1)

UG

ϕ

ϕ

E

(2)

E

bude klesat xd dle obr. b)

OPN

Si P

x

x

log Q QSi

log Q (3)

xd Qd

a)


QSi

x b)

xd

x

Qn Qd

34

Elementární přenos náboje Těsně navázané kapacitory MOS (částečné překrytí elektrod) Postupná relativní změna UG1, UG2 , změna rozložení OPN potenciálová jáma - kapalinová analogie = „přelévání“ nábojů

U G1 >0

U G2 =0

U G1 >0

Φ2

Φ1 G1

Φ1 G2

U G1 =0

G2

Φ2 G2

G1

OPN

P - Si

U G2 >0

Φ1

Φ2 G1

OPN

a)

U G2 >0

OPN P - Si

b)


P - Si c)

35

Posuvný registr CCD Přesun náboje ve směru posunu potenciálové jámy, předávání náboje CCD = Charge Coupled Device, nábojově vázané obvody Registry CCD dvou-, tří-, čtyřfázové

Φ1 Φ2 poly Si

Φ3

elektrostat. potenciál

SiO 2

implantace N potenciálová vlna


přenesené elektrony

P - Si

36

Dvoufázový posuvný registr CCD

Φ1 Φ2 u2

u1 poly Si SiO2

P - Si Φ1 Φ2 poly Si

u1

u2

SiO2

N implantace


P - Si

37

Účinnost přenosu nábojů Činitel účinnosti přenosu nábojů CTE (Charge Transport Efficiency - CTE) nebo η, - poměr náboje Q´ přeneseného pod sousední elektrodu vůči náboji Q, který byl pod elektrodou před začátkem přenosu. Q′ CTE = η = Q Q − Q′ ε= činitel neúčinnosti přenosu Q

Velikost nábojového svazku po n přenosech v CCD reg. Q0( n ) = Q0η n = Q0 (1 − ε ) n

Q0( n ) = Q0 (1 − ε )n ≅ Q0 (1 − nε )


38

Změna velikosti náboje při přenosu CCD Velikost jednoho svazku po n přenosech

Zjednodušený výpočet

Q5

Q0( n ) = Q0 (1 − ε )n ≅ Q0 (1 − nε )

Q5(n)

Q0 Q6(n)

Q6

Q0( n ) = Q0η n = Q0 (1 − ε ) n

Q0(n)

Q5(n)

Q0(n)

(1-nε)Q0

nεQ0 a)

b)


c)

39

Detekce náboje, převod Q - U URD Φ1

UDD

ΦR

+ UOG

Φ2

T1 T2

OG

potenciál

N+ UOUT QSIG

potenciálová jáma

Si -P

Nábojový detektor

FD- plovoucí difuze

– PN přechod (plovoucí difuze) Φ2 ΦR

B

A

A

C

B

C

UOUT UVide o

UREF

průnik reset

USIG t1

t2


t3

t4

t5

t6

40


UDD

ΦR

+ UOG

Φ2

T1 T2

OG

potenciál

N+

Nábojový detektor – PN přechod (plovoucí difuze) fáze činnosti: • reset – přednabití diody

UOUT QSIG


Si -P FD- plovoucí difuze

Φ2 ΦR

B

A

A

C

B

C

UOUT UVide o

UREF

průnik reset

USIG t1

t2


t3

t4

t5

t6

41


UDD

ΦR

+ UOG

Φ2

T1 T2

OG

Nábojový detektor – PN přechod (plovoucí difuze) fáze činnosti: • reset – přednabití diody • referenční

UOUT QSIG



Φ2 ΦR

B

A

A

C

B

C

UOUT průnik reset

UVide o

UREF

potenciál

N+

USIG t1

t2


t3

t4

t5

t6

42


UDD

ΦR

+ UOG

Φ2

T1 T2

OG

Nábojový detektor – PN přechod (plovoucí difuze) fáze činnosti: • reset – přednabití diody • referenční •

UOUT QSIG



Φ2 ΦR

B

A

A

C

B

C

UOUT

video – přivedení Qsig

průnik reset

UVide o

UREF

potenciál

N+

USIG t1

t2


t3

t4

t5

t6

43

Šumy při detekci náboje

Omezení citlivosti detekce ?

QSIG UV = CFD

ΦR

CGS1 (T1)

URD ROFF

SW 1 RON

UnkTC = efektivní hodnota šumového napětí – resetovacího šumu

U nkTC

kT = CFD

UDD T2

CFD QSIG

FD RL

UOUT USS

počet šumových elektronů způsobených resetovacím šumem

nkTC

kTCFD = e

(detailně – viz v přednáška „šumy CCD“) A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

44

Obvod CDS

Snížení resetovacího šumu dvojím korelovaným vzorkováním (double correlated sampling). video hold - C

reset hold - B

S/H1

resetovací úroveň UR

UOUT

video UV S/H2

+ rozdílový zesilovač

Obvod pro CDS obsažen v každé kameře, fotoaparátu se snímačem CCD není v některých řádkových kamerách


45

Elektrický vstup signálu do registru CCD

Elektrický vstup naplnění potenciálové jámy nábojem úměrným velikosti vstupního napětí UID – vstupní napětí Φi – vzorkovací vstup Φ Φ Φ zpožď. linky,.. Φ osciloskopy ( dříve),.. u i

1

2

3

iD

N+

P - Si


46

MOS kapacitor jako fotoel. převodník

• • •

absorpce v fotonu v OPN, generace párů elektron -díra, akumulace elektronů

hν poly Si SiO2

P -Si

hν2

UPG >0

OPN

• nezakrytý posuvný registr CCD - virtuální řádkový snímač CCD posuvný registr CCD

výstupní nábojový detektor + zesilovač UOUT


47

Odvození struktury CCD - FF Funkce vertikálních registrů CCD: • detekce záření • transport nábojů Horizontální registr - transportní funkce

Vymezení oblasti snímacího „pixelu“


UOUT

horizontální CCD

stop dif. elektrody pos.registrů

Časové rozdělení funkce : • fáze akumulace nábojů (při osvětlení) • fáze transportu nábojů (za tmy) Nutná elektromechanická, příp. elektrooptická závěrka

vertikální CCD

48

Vymezení oblasti snímacího pixelu CCD UG >0

Qd = q N A xd P+

P+

P+

P+

OPN P - Si

při použití vysoké koncentrace NA příměsí – akceptorů v oblasti P+ se nevytvoří ochuzená oblast a následně kanál, kterým by se mohly pohybovat elektrony. Oblasti P+ ( stop difuse, nebo stop implantace) slouží jako izolace jednotlivých sloupců fotoelementů A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

stop dif. elektrody pos.registrů

Nepřímá úměra Na a xd

P+

49

Snímač CCD typu Full Frame transfer

Full Frame Transfer, nebo Full Frame senzor – pozor na záměnu - velikost + maximální využití plochy čipu - nutné řízení osvětlení senzoru CCD FF - největší snímače, plochou i počtem pixelů ~ 30 Mpix ! Plocha čipu

VCCD vertikální CCD registry

fotocitlivá část

UOUT


50

CCD typu Full Frame se sekcemi Velké CCD - FF rozdělení na sekce

Φ1HD , Φ2HD , Φ3HD ,

Φ1HC , Φ2HC , Φ3HC ,

UOUTD

• • •

zrychlení čtení zrcadlení převracení obr.

UOUTC

sekce D

sekce C

Φ1VD , Φ2VD , Φ3VD ( Φ4VD )

Φ1VC, Φ2VC , Φ3VC , (Φ4VC )

sekce B

sekce A Φ1VA , Φ2VA , Φ3VA , (Φ4VA )

Φ1VB , Φ2VB , Φ3VB , (Φ4VB )

UOUTA

UOUTB

Φ1HA, Φ2HA, Φ3HA,


Φ1HB , Φ2HB , Φ3HB ,

51

CCD typu Full Frame se sekcemi Φ1HD , Φ2HD , Φ3HD ,

Standardní čtení

Φ1HC, Φ2HC , Φ3HC ,

UOUTD

UOUTC

sekce D

sekce C



sekce B



UOUTA

UOUTB



Φ1HB, Φ2HB , Φ3HB ,

52


Standardní čtení Zrcadlové čtení


UOUTD

UOUTC

sekce D

sekce C



sekce B



UOUTA

UOUTB




53


Standardní čtení Zrcadlové čtení Paralelní čtení po sekcích


UOUTD

UOUTC

sekce D

sekce C



sekce B



UOUTA

UOUTB




54

Snímače CCD se zadním osvětlením Snímače se zadním osvětlením – Back Side Illuminated Sensor

vyloučení optického působení elektrod a dalších vrstev Snímače CCD typu FF se zadním osvětlením – leptáním ztenčené až pod 10 um, velmi drahé, ? výtěžnost, ( snímač o rozměru např. 20 x 20 mm a větší, ale tenký 10 um)


55

Snímač Dalsa CCD FF FTF4052M 22 Mpix „monochromatický“ Full – Frame Image sensor 36 x 48 mm, 4008H x 5344V FTF4052C 22 Mpix barevný snímač RGB Bayerův filtr


56

Snímač FTF4052C ve foto Fotoaparát Mymiya 645ZDb (18 Mpix, 22 Mpix, 31 Mpix) stav 4/2009 Se snímačem 22M – 11 000 USD Filtr RGB podle Bayera (Bryce E. Bayer, Eastman Kodak Comp,. US patent. R.1976) 11 M zelených pixelů 5,5 M červených pixelů 5,5 M modrých pixelů


57

Snímače CCD FF - aspekty výroby Snímače CCD FF s velkou plochou čipu - náročná technologie

Senzor CCD485, 16M, 61 x 61 mm

Wafer o průměru 150 mm s čipem CCD486 senzoru firmy Fairchild Imaging


58

Snímače CCD FF – oblasti použití Specializované kamery: • • • • • •

dálkový průzkum astronomie (Hubbleův teleskop) lékařství biologie speciální fotografie krystalografie

• CCD FF při hlubokém chlazení – expozice 1- až 10 – ky minut – vysoká citlivost, snímání záření s velmi malou intenzitou


59

Snímače CCD FF – oblasti použití

Obrazový senzor CCD – FF pro Hubbleův teleskop


60

Snímač CCD - Frame Transfer Oddělení snímací a paměťové funkce vert. transp. CCD registry

snímací fotocitlivá část

stíněná paměťová část

UOUT horizontální CCD registr


61

Fotodioda jako detektor ve snímači CCD PN přechod – fotodioda • dopad fotonu • generace párů elektron – díra • jejich rozdělení v OPN • akumulace elektronů v N+ Varianty fotodiody: • N+ P, standardní • P++ N+ P - HAD „Hole accumulation diode“, SONY

hν N+

OPN

substrát P - Si

hν P+ N+ OPN P - Si

substrát N - Si


62

Elektronická závěrka Laterální uspořádání el. závěrky – používané u řádkových snímačů CCD a některých plošných antiblooming. – hradlo vysvětlení – otevření MOS tranzistoru + UABD

el. závěrka ΦAB +U

+ UABG

ABD

S D

fotodioda

fotodioda

ABD

uABG

N+ - Si

ΦX

N+ - Si UFOT SUB

+UABD

CFOT P - Si

Sp


63

Fotodioda ve snímači CCD Vazba PN přechod - registr CCD Režimy řízení registru CCD: • standardní rozkmit napětí na CCD – posun nábojů v CCD • zvýšené napětí na CCD – přesun nábojů do CCD UF1 > U TX

registr CCD přenosové hradlo

Φ1

přenosové hradlo

SiO2 P+ N+ P

P+ N+ P

substrát N

substrát N a)


Φ1

b) 64

Snímač CCD - IL- interline transfer Snímač Interline Transfer - fotoelementy – PN přechody • • • •

akumulace nábojů - PN přesun do CCD funkce global shutter elektronická závěrka zkrácení doby expozice

zastíněné vert. transp. registry CCD

fotodiody

UOUT

horizontální registr CCD

Transportní CCD registry - zakryty, není potřeba clonit snímač – jednoduchá mechanická konstrukce A0M38OSE, 2014, Před. 1, 2 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

65

Snímač CCD - Frame - interline transfer Snímač Interline Transfer – fotoelementy – PN přechody kombinace IL a frame transfer snížení – smear Používá firma Panasonic – (Matsushita)

fotodiody zastíněné vert. transp. CCD registry

snímací část

zastíněná paměťová část

UOUT


66

Formáty snímačů CCD, CMOS Formáty snímačů odvozeny od. tzv. 1 " vidikonu ( průměr trubky) 25,4 mm další formáty (1/2.5 ",...) Formát snímače ovlivňuje velikost snímaného pole a potřebné vlastnosti použitého objektivu Objektiv musí být navržen pro daný formát snímače, pro menší snímač lze použít, pro větší ne, Objektiv CS typicky pro snímač 1/3 " 1/3 ´´

3,2

4,8

1 ´´ 2/3 ´´

16

8

6,4

4,8

11

8,8


6,6

1/2 ´´

9,6

6

2,4

4,0

3,6

1/4 ´´

12,8

67

Snímače CCD IL – oblasti použití

Varianty senzorů CCD – Interline Transfer: • prokládané řádkování – interlaced (televize) • progressive scan – prosté čtení Snímače monochromatické, barevné – obvykle Bayerův filtr Řešení kamer: • standardní kamery – výstup - kompozitní videosignál • „videokamery“ • digitální kamery – rozhraní fire wire, USB 2.0, Camera Link….. • digitální fotoaparáty • specializované kamery (endoskopie, mikroskopie,…).


68

Optoelektronické snímače fotodiodová pole, obrazové senzory CMOS

Recommend Documents