|
|
Budowa kamery CCD
Zasadniczą częścią kamery jest światłoczuły detektor CCD, który stanowi krzemowa płytka. Składa się ona z trzech warstw: krzemowego podłoża, izolatora i metalowych elektrod. Całość podzielona jest na niewielkie, niezależne elementy zwane pikselami (rys. 2.2). Stanowią one najmniejszą jednostkę zbierającą fotony. Ich rozmiar wynosi zazwyczaj od kilku do kilkudziesięciu . Do każdego piksela doprowadzona jest elektroda. Pod wpływem przyłożonego do niej napięcia powstaje studnia potencjału, w której może zgromadzić się pewien ładunek. Padający w tym miejscu foton dzięki efektowi fotoelektrycznemu wewnętrznemu przekazuje swoją energię elektronowi, który przemieszcza się w kierunku dodatnio naładowanej elektrody i zostaje tam zatrzymany. Na końcu każdego rzędu pikseli znajdują się elektrody, przez które po zakończeniu ekspozycji zgromadzony sygnał (w postaci elektronów) trafia do wyjściowego wzmacniacza i opuszcza chip. Kolejnym elementem jest przetwornik analogowo-cyfrowy. Jego zadaniem jest zamiana wzmocnionego wcześniej sygnału na postać cyfrową, która po wyprowadzeniu z kamery może być przetwarzana przez urządzenia zewnętrzne np. komputer z odpowiednim oprogramowaniem.
Nieodłącznym elementem kamery jest podzespół chłodzący detektor CCD i odprowadzający ciepło na zewnątrz. Dzięki temu istnieje możliwość obniżenia temperatury chipa nawet o kilkadziesiąt stopni poniżej temperatury otoczenia, co wpływa na zmniejszenie się ilości negatywnych czynników takich jak szumy. Najefektywniejsze metody opierają się na zastosowaniu ciekłego azotu, choć obecnie coraz powszechniej stosuje się chłodzenie termoelektryczne (radiator chłodzony powietrzem lub cieczą płynącą w rurkach).
Zasada działania kamery CCD
Proces rejestracji obrazu przez kamerę CCD można podzielić na cztery etapy (Newberry, 1995):
Wygenerowanie ładunku.
Jest ono zależne od wydajności kwantowej (QE), która określa jaka część padających na detektor fotonów zostanie zarejestrowana. W idealnym przypadku wydajność ta powinna wynosić 100%, co na razie jest nieosiągalne (np. ze względu na to, że QE jest zależne od długości fali). Kiedy na płytkę krzemową pada foton, w wyniku efektu fotoelektrycznego wewnętrznego następuje przekazanie jego energii elektronom. Jeżeli foton ma wystarczająco dużą energię, wynoszącą przynajmniej 1,13 elektronowolta, powstaje jeden lub kilka wolnych elektronów. Energia ta z kolei jest ściśle związana z długością fali co powoduje, że czułość CCD jest różna dla różnych częstotliwości padającego światła. Zakres czułości kamery CCD mieści się na ogół w przedziale od 330 nm do 1100 nm, osiągając swoje maksimum w okolicach 650 nm. Fale krótsze niż 650 nm zaczynają być pochłaniane przez elektrody na powierzchni płytki krzemowej, zmniejszając tym samym wydajność detektora w zakresie krótkofalowym (w okolicach 400 nm QE na ogół nie przekracza kilku procent). Stosuje się różne techniki, aby podnieść wydajność kwantową. Jedna z nich polega na oświetlaniu płytki krzemu od tyłu, gdzie jej powierzchnia nie jest przesłonięta przez siatkę elektrod. Pozwala to przekroczyć 80% próg rejestracji fotonów, ale jest bardzo kosztowne.
Zbieranie ładunku.
Wydajność tego procesu jest zależna od trzech parametrów:
Ilości pikseli w detektorze.
Im większa płytka i mniejsze piksele tym większa rozdzielczość i zdjęcie. Jednak wadą jest dłuższy czas odczytywania detektora i trudności z obsłużeniem tak dłużej matrycy. Optymalnym rozmiarem piksela jest 15 mogące zgromadzić do 500 tys. elektronów.
Ilości elektronów, które mogą być zgromadzone w jednym pikselu.
Wielkość ta zazwyczaj mieści się w przedziale od 50 tys. do 1 mln. Im większa wartość tym lepiej (można uzyskać większy kontrast). Poza tym większe piksele pozwalają zebrać więcej ładunku.
Zdolność do utrzymania ładunku zanim zostanie on zmierzony.
Wiąże się z tym możliwość rozlewania ładunku na inne piksele, co daje wrażenie jakby zdjęcie nie było dobrze zogniskowane. W idealnej sytuacji elektrony zgromadzone przez piksel powinny w nim pozostać do czasu dokonania odczytu.
Transfer ładunku.
Po zgromadzeniu ładunku, musi on zostać przesłany do wyjściowego wzmacniacza poprzez cały rząd oddzielających go elementów. W tym celu przykłada się do wejścia napięcie, które zmusza elektrony do ruchu od jednego piksela do następnego. Jeden ze sposobów transferu to tzw. transfer liniowy, gdzie najpierw odczytuje się pionowe piksele a następnie sprawdza się do którego rzędu należą. Drugi to transfer klatkowy polegający na skopiowaniu całej klatki do innej, która służy jako pamięć do chwili odczytu. W czasie tych operacji ważne jest aby stracić jak najmniejszą część tego ładunku. Współczesne kamery CCD mają wydajność transferu przekraczającą 99,9999%.
Pomiar zgromadzonego ładunku.
Pomiar dokonywany jest w małym kondensatorze (o pojemności ok. 50 fF), podłączonym do wyjściowego tranzystora. Tranzystor działa jak wzmacniacz, generując napięcie proporcjonalne do ładunku. Ostatecznie sygnał trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego.
|
|
|
