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

Transkript

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

2 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 2

3 Řádkové snímače CCD Řádkový snímač CCD modelový příklad jedna řada fotoelementů, jeden registr CCD, přenosové hradlo fotoelementy "černé pixely" U OUT CCD transportní registr nábojový detektor výst. zesilovač 3

4 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) - V PG 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. Φ x ) Posuvný registr CCD ( jeden nebo dva) obvykle dvoufázový Výstupní stupeň s jedním, nebo dvěma nábojovými detektory 4

5 Řádkové snímače CCD Řádkový snímač CCD, jedna řada fotoelementů, dva posuvné registry, jeden společný výstup U OUT 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

6 CCD 111-6

7 CCD 111-7

8 CCD časování - Φ XA, Φ XB ovládání přenosových hradel, přesun náboje z fotoelementu do pos. registru ( může se využít shodný společný signál Φ X ) Φ 1A, Φ 2A - ovládání pos. reg. A, (dvoufázové řízení) Φ 1B, Φ 2B - ovládání pos. reg. B, (dvoufázové řízení) Φ R - reset výstupního nábojového detektoru doba akumulace perioda Φ X (snímač neobsahuje elektronickou závěrku) 8

9 CCD 111-9

10 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 10

11 CCD stejnosměrné parametry - 11

12 CCD

13 CCD

14 CCD

15 CCD 111 nehomogenita fotocitlivosti PRNU Photoresponse non-uniformity 15

16 Řádkové snímače CCD s dvěma výstupy jedna řada fotoelementů, dva posuvné registry CCD, dva výstupy společné nebo oddělené řízení přenosových hradel (transfer gate) U OUT1 U OUT2 Příklad Loral Fairchild CCD 133 (cvičení), CCD191 Způsob řízení signál na výstupech z registrů A a B v protifázi V PG polykryst. el, 16

17 Řádkový snímač Fairchild CCD

18 CCD

19 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 19

20 CCD výstup Vnitřní generace Φ - signál RESET - vzorkovací signály Φ SHCA, Φ SHCB, vstupy Φ SHGA, Φ SHGB, odvozeny z Φ T, Signál na výstupech A, B Obvod vzorkovače (může, ale se nemusí být využit) 20

21 CCD 133 vysvětlení -CCD 133 zjednodušené řízení vnější říd. sig. pouze Φ X a Φ T Φ X přesun náb. z fotoelementů do posuvného registru ( transfer) Φ T řízení pos. reg. CCD ( transport náb. svazků v CCD )?, kde ostatní signály? dvoufázový CCD, řízené elektrody Φ T, neřízené elektrody pevné napětí V T (transport register DC electrode) 21

22 Registr CCD s jednofázovým řízením -CCD 133 na řízené fázi Φ T, rozkmit od 0 do + 12 V Φ TH = U H = + 11,5 V Φ TL = U L =0 V ( 0 až 0,7 V) V katalogu doporučení V T pevné ss. napětí, přibl. polovina rozkmitu u CCD 133 V T jako virtuální fáze V T = typ. + 6 V 22

23 Idea registru CCD s jednofázovým řízením V T pevné ss. napětí, přibl. polovina rozkmitu na řízené fázi Φ T V T jako virtuální fáze Φ T = U L V T =0,5 U H poly Si SiO 2 aktivní potenc. jáma pod V T u 1 u 2 Φ TH = U H = + 11,5 V Φ TL = U L =0 V ( 0 až 0,7 V) V T = typ. + 6 V (řešení dvoufáz. CCD nesymetrie potenciálové jámy i implantací pod část elektrody) Φ T = U H aktivní potenc. jáma pod Φ T V T =0,5 U H u 1 u 2 P -Si 23

24 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 Φ T C ΦT = 350 pf ) kapacita vstupu Φ X u CCD 133 C ΦX = 80 pf snímač s interními budiči kapacity vstupů řídicích signálů - řádu jednotek pf 24

25 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 25

26 Snímač CCD 191 firmy Fairchild x 1, délka fotocitl. oblasti - 6 cm 26

27 Snímač CCD 191 firmy Fairchild fotoelement - PN akumulace- MOS kapacitor V PG napětí MOS kapacitor el. závěrka, Φ ic - integration control antiblooming. hradlo V sink - antiblooming drain 27

28 Funkce el. závěrky U řádkových snímačů CCD, - laterální uspořádání el. závěrky vedle sebe funkce elektronické závěrky i antibloomingu podle nastavení napětí na Φ ABG, (Anti-Blooming-Gate) el. závěrka fotodioda ABD Φ AB +U ABD N + - Si u ABG Φ X N + - Si U FOT C FOT P - Si 28

29 CCD časování - 29

30 CCD

31 CCD řízení doby el. závěrky - Elektronická závěrka u CCD 191 řízení antibloomingového hradla 31

32 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" U OUT CCD transportní registr nábojový detektor výst. zesilovač 32

33 Řádkový snímač CCD Sony ILX551 33

34 CCD Sony ILX551 časování 34

35 CCD Sony ILX551 v parametry Optical black signál zakrytých fotoelementů ( jako u u CCD 133 dark) Dummy prázdné ( nepravé ) nábojové svazky 35

36 CCD Sony ILX551 v parametry Co hledat v katalogu 36

37 CCD Sony ILX551 v parametry Co hledat v katalogu Malé vstupní kapacity interní budiče CCD na čipu vstupy kompatibilní s výstupem CMOS s U cc = + 5 V 37

38 CCD Sony ILX551 Spektrální charakt. citlivosti - maximum citlivosti pro 550 mn - shodné s citlivostí lidského oka. funkce možná v blízké oblasti infra 38

39 CCD Sony ILX551 zapojení v obvodu Pozor na opačnou relativní velikost napětí + 9V, +5 V ( při náběhu, vypínání). 39

40 Řádkový snímač CCD Sony ILX551 ILX 551 signály (bez využití vzorkovače) vnitřní generace signálu RESET 40

41 Řádkový snímač CCD Sony ILX551 Interní reset vždy, možnost použití interního vzorkovače 41

42 Řádkový snímač CCD Sony ILX751 ILX751, podobné jako ILX elektronická závěrka 42

43 Řádkový snímač CCD Sony ILX751 aktivací el. závěrky vynulování náboje ve fotoelementech 43

44 Trilineární snímač Trilineární snímač shodné struktury těsně vedle sebe, odstup řad fotoelementů 20 až 60 um obvykle využíváno v barevných řádkových snímačích U OUT1 U OUT2 U OUT3 44

45 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 U OUT1 U OUT2 U OUT3 45

46 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 pohyb obrazu VCCD U OUT 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 46

47 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 pohyb obrazu VCCD U OUT 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