Optoelektronické snímače fotodiodová pole, obrazové senzory CMOS

Transkript

1 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 1

2 Náplň MOS kapacitor MOS tranzistor Fotodiodová pole PMOS, NMOS Obrazové senzory CMOS 2

3 MOS kapacitor vytvoření OPN Elektroda polykristalický křemík Poly Si, dopanty, vodivé jako kov M (Metal), izolant SiO 2 oxid (Si 3 N 4 ), polovodič S (semiconductor) Působením el. pole kladně nabité elektrody vyprázdněná oblast poly - Si U G > U p G substrát P - Si vytvoření vyprázdněné oblasti OPN oblast prostorového náboje (na krátkou dobu) - jedná se o nevyvážený stav. 3

4 MOS kapacitor vytvoření inverzní vrstvy Pohyb elektronů pod elektrodu vytvoření inverzní vrstvy koncentrace volných elektronů je větší než koncentrace děr inverzní vrstva poly - Si U G > U p G substrát P - Si zdánlivá změna typu polovodiče z P na N 4

5 MOS tranzistor Doplnění dvou oblastí N+ Source (analogie emitor) zdroj nosičů náboje Drain (analogie kolektor) odtok nosičů tranzistor MOS s indukovaným kanálem N (NMOS) U GS = U G - U S > U T > 0 U G S - source N + - Si poly - Si G N + - Si D - drain U S substrát P - Si 5

6 MOS tranzistor U GS = U G - U S > U T > 0 U G G - Gate S - source N + - Si poly - Si G N + - Si D - drain U S S- Source (?drain) SUB D -Drain (?source) substrát P - Si symetrická struktura funkce D a S podle polarity napětí a následně směru proudu proud může podle polarity protékat oběma směry 6

7 MOS tranzistor - diody ve struktuře Oblasti N+ ve spolu se substrátem vodivosti P tvoří ve struktuře NMOS tranzistoru PN přechody, - diody U GS = U G - U S > U T > 0 U G S - source N + - Si poly - Si G N + - Si D - drain U S substrát P - Si 7

8 Fotodioda s NMOS tranzistorem Zvětšení (ideově) PN přechodu Source Substrát - možná funkce jako fotodioda S fotodioda G D N + - Si U G G D - drain N + - Si substrát P - Si SUB 8

9 MOS tranzistor jako spínač fotodiody MOS tranzistor jako integrovaný spínač pro řízení fotodiody S fotodioda G D N + - Si U G G D - drain N + - Si SUB Sp substrát P - Si 9

10 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 i později NMOS struktura, firma EG & G Reticon (změny vlastníků, ), 10

11 Fotodioda ve snímačích typu fotodiodové pole Fotodioda funkce ve 3. kvadrantu (schéma pro NMOS a CMOS, PMOS opačná polarita) fotodioda Sp (přednabití reset ) akumulace náboje vybíjení destruktivní čtení, velikost náboje dodaného při novém reset ~ expozice akumulace náboje vybíjení i FOT C FD I u C U D Doba akumulace = perioda čtení U D U El. náboj, který se musí dodat při opětovném nabití, je úměrný dávce optického záření E e c 11

12 Fotodioda ve snímačích CMOS pasivní prvek Zapojení do matice jako DRAM, FLASH Technologie standardní CMOS výběr řádku 1 sloupcové čtecí vodiče 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 2 hν a) v senzorech CMOS vždy aktivní prvek 12

13 Fotodioda v aktivním elementu - APS Sledovač s tranzistorem MOS - čtení nedestruktivní oddělena fáze reset a fáze nedestruktivního čtení čtení po řádcích výběr jednotlivých sloupců reset po řádcích možnost globálního resetu reset i FOT FD T 1 T 2 U D U DD C FD U SS u výst reset reset řádku U dd T 1 T 2 FD výběr čtení řádku T 3 sloupcový čtecí vodič 13

14 Struktura CMOS s APS Samostatná adresace řádku pro čtení a pro reset Interní ADC sloupcové čtecí vodiče matice fotoelementů Programovatelný Konfigurace IIC Interní ADC čítač adresy -pro reset řádku dekodér adresy -reset řádku dekodér adresy - čtení řádku čítač adresy čtení řádku čítač, adresace, výběr sloupce + zesilovače clk IIC Bus řídicí logika přednastavení. čít. gener.říd.impulsů výstupní obvod převodník A/D data clk_o H sync, V sync,... 14

15 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

16 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 16

17 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 x 1 x 2 Y y 1 y 2 aktivní čtené pole 17

18 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

19 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

20 Orientace snímacího pole při promítání obrazu Promítání obrazu objektivem na fotocitlivou přivrácenou stranu snímače. Implicitní mód čtení v CMOS po resetu - Y 0,0 X m n obrazový senzor přední -fotocitlivá strana objektiv n Y 0,0 X m 0,0 20

21 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 n 0 0 X m Y Y a) 0 0 X m b) n 21

22 Postup akumulace v senzoru CMOS rolling shutter Maximální doba akumulace senzoru CMOS určena periodou čtení Y interval akumulace řádek n poloha řádku řádek 0 perioda čtení čas t 22

23 Funkce el. závěrky typu rolling shutter - čtení čtení Y reset čas t exp reset a) b) Zkrácení doby akumulace- menší expozice reset čtení reset čas čtení čtení reset t exp a) t exp b) t exp c) 23

24 Zkrácení doby expozice ve snímači rolling shutter Zkrácení doby akumulace (doby expozice) pro přizpůsobení světelným podmínkám Y reset + start stop + čtení interval akumulace reset + start stop + čtení perioda čtení 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

25 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 r y2 E e expozice r y1 E emax E emin 10 ms t expozice r y1 expozice r y2 E e krátká doba akumulace odlišná expozice jednotlivých řádek E emax E emin 10 ms t 25

26 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

27 Degradace obrazu objektu v pohybu (rolling. shut.) Horizontální pohyb snímaného objektu při dlouhé době akumulace rozmazání krátká doba akumulace- změna tvaru předloha obraz předloha obraz pohyb pohyb a) b) a), b) pohyb konstantní rychlostí, b) zrychlení kmitavý pohyb c) Degradace obrazu pruhové struktury, Je možno určit smět pohybu (otáčení) předloha obraz pohyb doprava a) b) c) obraz pohyb doleva 27

28 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

29 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

30 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 30

31 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

32 MOS kapacitor základ snímačů CCD MOS struktura poly - Si SiO 2 M metal poly Si O oxid SiO 2 S Si vodivosti P (děrová) U G > 0 OPN Si P Působení kladného U G - zapuzení děr od elektrody x vznik OPN - oblast prostorového náboje U G ϕ kladný náboj na elektrodě kompenzován záporným nábojem ionizovaných akceptorů E x nevyvážený stav log Q Q Si x d x Q d 32

33 MOS kapacitor Působení kladného U G - zapuzení děr od elektrody? hloubka OPN? N A - koncentrace příměsí akceptorů v polovodiči P q - elementární kladný náboj ionizovaného atomu akceptoru. x d - hloubka ochuzené oblasti závisí na U G a koncentraci N A. Q SI - plošná hustota náboje na Si elektrodě Q d plošná hustota náboje představovaného ionizovanými akceptory Q n plošná hustota náboje volných elektronů pod elektrodou rovnost hustoty náboje na el. Q SI a kompenz. náboje ion. akcept. Q d Q d = Q Si Q =qn d A x d x d - řádově v jednotky um 33

34 MOS kapacitor Příchod elektronů- kompenzace pole, zvýšení Q n, pokles Q d Q + Q = n d Q Si poly - Si U G > 0 SiO 2 OPN Si P SiO 2 U G > 0 OPN Si P Protože Q =qn d A x d U G ϕ x (1) U G ϕ x bude klesat x d dle obr. b) E x (2) E x log Q log Q Q Si x d x (3) Q Si x d x a) Q d b) Q n Q d 34

35 Elementární přenos náboje Těsně navázané kapacitory MOS (částečné překrytí elektrod) Postupná relativní změna U G1, U G2, změna rozložení OPN potenciálová jáma - kapalinová analogie = přelévání nábojů U G1 >0 U G2 =0 U G1 >0 U G2 >0 U G1 =0 U G2 >0 Φ 1 Φ 2 Φ 1 Φ 2 Φ 1 Φ 2 G 1 G 2 G 1 G 2 G 1 G 2 OPN OPN OPN P - Si P - Si a) b) c) P - Si 35

36 Posuvný registr CCD Přesun náboje ve směru posunu potenciálové jámy, předávání náboje CCD = Charge Coupled Device, nábojově vázané obvody Registry CCD dvou-, tří-, čtyřfázové Φ 1 Φ 2 poly Si Φ 3 SiO 2 elektrostat. potenciál potenciálová vlna implantace N P - Si přenesené elektrony 36

37 Dvoufázový posuvný registr CCD Φ 1 Φ 2 poly Si u 1 u 2 SiO 2 P - Si Φ 1 Φ 2 poly Si u 1 u 2 SiO 2 N implantace P - Si 37

38 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 činitel neúčinnosti přenosu ε = Q Velikost nábojového svazku po n přenosech v CCD reg. Q = Q = Q0(1 ) ( n) n n 0 0η ε Q n = Q0( 1 ε) Q0(1 n ( n) 0 ε ) 38

39 Změna velikosti náboje při přenosu CCD Velikost jednoho svazku po n přenosech Q = Q = Q0(1 ) ( n) n n 0 0η ε Zjednodušený výpočet Q n = Q0( 1 ε) Q0(1 n ( n) 0 ε ) Q 5 Q 0 Q 5 (n) Q 0 (n) Q 5 (n) Q 0 (n) Q 6 Q 6 (n) (1-nε)Q 0 nεq 0 a) b) c) 39

40 Detekce náboje, převod Q - U U RD U DD Φ 1 + U OG Φ R T 1 T 2 Φ 2 OG Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) potenciál potenciálová jáma Φ 2 N + Q SIG Si -P FD- plovoucí difuze U OUT Φ R A B C A B C U OUT průnik reset U REF U Video U SIG t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 40

41 Detekce náboje, převod Q - U U RD U DD Φ 1 + U OG Φ R T 1 T 2 Φ 2 OG N + U OUT Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) potenciál potenciálová jáma Q SIG Si -P FD- plovoucí difuze fáze činnosti: Φ 2 reset přednabití diody Φ R A B C A B C U OUT průnik reset U REF U Video U SIG t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 41

42 Detekce náboje, převod Q - U U RD U DD Φ 1 + U OG Φ R T 1 T 2 Φ 2 OG N + U OUT Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) potenciál potenciálová jáma Q SIG Si -P FD- plovoucí difuze fáze činnosti: Φ 2 reset přednabití diody Φ R A B C A B C referenční U OUT průnik reset U REF U Video U SIG t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 42

43 Detekce náboje, převod Q - U U RD U DD Φ 1 + U OG Φ R T 1 T 2 Φ 2 OG N + U OUT Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) potenciál potenciálová jáma Q SIG Si -P FD- plovoucí difuze fáze činnosti: Φ 2 reset přednabití diody Φ R A B C A B C referenční U OUT video přivedení Qsig průnik reset U REF U Video U SIG t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 43

44 Šumy při detekci náboje Omezení citlivosti detekce? U = V Q C SIG FD Φ R C GS1 (T 1 ) R OFF SW 1 U RD U nktc = efektivní hodnota šumového napětí resetovacího šumu U = nktc kt C FD Q SIG C FD R ON FD R L U DD T 2 U OUT U SS počet šumových elektronů způsobených resetovacím šumem n ktc = ktc e FD (detailně viz v přednáška šumy CCD ) 44

45 Obvod CDS Snížení resetovacího šumu dvojím korelovaným vzorkováním (double correlated sampling). reset hold - B video hold - C resetovací úroveň U R S/H 1 S/H 2 video U V U OUT + - rozdílový zesilovač Obvod pro CDS obsažen v každé kameře, fotoaparátu se snímačem CCD není v některých řádkových kamerách 45

46 Elektrický vstup signálu do registru CCD Elektrický vstup - naplnění potenciálové jámy nábojem úměrným velikosti vstupního napětí U ID vstupní napětí Φ i vzorkovací vstup zpožď. linky,.. osciloskopy ( dříve),.. u id Φ 1 Φ i Φ 2 Φ 3 N + P - Si 46

47 MOS kapacitor jako fotoel. převodník absorpce v fotonu v OPN, generace párů elektron -díra, akumulace elektronů poly Si SiO 2 hν U PG >0 hν 2 P -Si OPN nezakrytý posuvný registr CCD - virtuální řádkový snímač CCD posuvný registr CCD výstupní nábojový detektor + zesilovač U OUT 47

48 Odvození struktury CCD - FF Funkce vertikálních registrů CCD: detekce záření vertikální CCD transport nábojů Horizontální registr - transportní funkce Časové rozdělení funkce : U OUT fáze akumulace nábojů (při osvětlení) fáze transportu nábojů (za tmy) horizontální CCD Nutná elektromechanická, příp. elektrooptická závěrka Vymezení oblasti snímacího pixelu stop dif. elektrody pos.registrů 48

49 Vymezení oblasti snímacího pixelu CCD U G >0 Q =qn d A x d P + P + P + P + P + Nepřímá úměra N a a x d OPN P - Si při použití vysoké koncentrace N A 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 stop dif. elektrody pos.registrů 49

50 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 VCCD vertikální CCD registry CCD FF - největší snímače, plochou i počtem pixelů ~ 30 Mpix! Plocha čipu fotocitlivá část U OUT 50

51 CCD typu Full Frame se sekcemi Velké CCD - FF rozdělení na sekce Φ 1HD, Φ 2HD, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ 2HC, Φ 3HC, zrychlení čtení zrcadlení převracení obr. U OUTD sekce D Φ 1VD, Φ 2VD, Φ 3VD ( Φ 4VD ) sekce A U OUTC sekce C Φ 1VC, Φ 2VC, Φ 3VC, (Φ 4VC ) sekce B Φ 1VA, Φ 2VA, Φ 3VA, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ 2VB, Φ 3VB, (Φ 4VB ) U OUTA U OUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 51

52 CCD typu Full Frame se sekcemi Φ 1HD, Φ 2HD, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ 2HC, Φ 3HC, Standardní čtení U OUTD sekce D Φ 1VD, Φ 2VD, Φ 3VD ( Φ 4VD ) U OUTC sekce C Φ 1VC, Φ 2VC, Φ 3VC, (Φ 4VC ) sekce A sekce B Φ 1VA, Φ 2VA, Φ 3VA, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ 2VB, Φ 3VB, (Φ 4VB ) U OUTA U OUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 52

53 CCD typu Full Frame se sekcemi Φ 1HD, Φ 2HD, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ 2HC, Φ 3HC, Standardní čtení Zrcadlové čtení U OUTD sekce D Φ 1VD, Φ 2VD, Φ 3VD ( Φ 4VD ) U OUTC sekce C Φ 1VC, Φ 2VC, Φ 3VC, (Φ 4VC ) sekce A sekce B Φ 1VA, Φ 2VA, Φ 3VA, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ 2VB, Φ 3VB, (Φ 4VB ) U OUTA U OUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 53

54 CCD typu Full Frame se sekcemi Φ 1HD, Φ 2HD, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ 2HC, Φ 3HC, Standardní čtení Zrcadlové čtení Paralelní čtení po sekcích U OUTD sekce D Φ 1VD, Φ 2VD, Φ 3VD ( Φ 4VD ) sekce A U OUTC sekce C Φ 1VC, Φ 2VC, Φ 3VC, (Φ 4VC ) sekce B Φ 1VA, Φ 2VA, Φ 3VA, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ 2VB, Φ 3VB, (Φ 4VB ) U OUTA U OUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 54

55 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

56 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

57 Snímač FTF4052C ve foto Fotoaparát Mymiya 645ZDb (18 Mpix, 22 Mpix, 31 Mpix) stav 4/2009 Se snímačem 22M 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

58 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

59 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

60 Snímače CCD FF oblasti použití Obrazový senzor CCD FF pro Hubbleův teleskop 60

61 Snímač CCD - Frame Transfer Oddělení snímací a paměťové funkce vert. transp. CCD registry snímací fotocitlivá část stíněná paměťová část U OUT horizontální CCD registr 61

62 Fotodioda jako detektor ve snímači CCD PN přechod fotodioda dopad fotonu generace párů elektron díra jejich rozdělení v OPN akumulace elektronů v N + OPN hν N + substrát P - Si Varianty fotodiody: N + P, standardní P ++ N + P - HAD Hole accumulation diode, SONY OPN h ν P + N + P - Si substrát N - Si 62

63 Elektronická závěrka Laterální uspořádání el. závěrky používané u řádkových snímačů CCD a některých plošných antiblooming. hradlo vysvětlení otevření MOS tranzistoru el. závěrka fotodioda + U ABD + U ABG D S fotodioda ABD Φ AB +U ABD N + - Si u ABG Φ X N + - Si SUB U FOT C FOT P - Si +U ABD Sp 63

64 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 přenosové hradlo registr CCD U F1 > U TX přenosové SiO hradlo Φ 1 2 Φ 1 P + N + P substrát N P + N + P substrát N a) b) 64

65 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 U OUT horizontální registr CCD Transportní CCD registry - zakryty, není potřeba clonit snímač jednoduchá mechanická konstrukce 65

66 Snímač CCD - Frame - interline transfer Snímač Interline Transfer fotoelementy PN přechody kombinace IL a frame transfer snížení smear Používá firma Panasonic (Matsushita) zastíněné vert. transp. CCD registry snímací část fotodiody zastíněná paměťová část U OUT 66

67 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 " 1/4 1/3 4,0 2,4 6 3,6 1 3,2 4,8 1/2 2/ ,8 6,6 9,6 8 6,4 8,8 12,8 67

68 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