CCD (Charged coupled device) senzori. (U okviru ovog teksta vrši će se pozivanje na pojedine strane iz fajle CCDpredavanja i folije.

Transcript

1 CCD (Charged coupled device) senzori (U okviru ovog teksta vrši će se pozivanje na pojedine strane iz fajle CCDpredavanja i folije.pdf ) CCD senzori imaju mnogo primena, a najvažnja je u prijemu i prenosu slike. Skraćenica CCD potiče od engleskog naziva chargecoupled device ili, u prevodu,uredjaj koji koristi vezana, odnosno zarobljena naelektrisanja. CCD detektor ima izgled integrisanog elektronskog kola. Sastoji se od (sivog) keramičkog kućišta sa pinovima koji predstavljaju električne konekcije (Slika 1). CCD kamere su se pojavile u obliku zatvorenog kućišta na kome postoji stakleni prozor sa čije se unutrašnje strane nalazi CCD čip. Na CCD čipu postoji matrica fotoosetljivih elektronskih mikroćelija. Te mikroćelije se još nazivaju fotodiode ili pikseli. One imaju pravougaoni ili kvadratni oblik dimenzija stranice oko 10 mikrometara. Slika 1. Izgled CCD čipa Kao i kod ostalih poluprovodničkih detektora svetlosti ovde se svetlosna energija pretvara u odgovarajuću količinu naelektrisanja. Količina stvorenog naelektrisanja zavisi od intenziteta i talasne dužine svetlosti kao i od trajanja izlaganja svetlosti pri merenju, koje se naziva i vreme integracije. CCD senzor ima mnogo ćelija i svaka prima svetlost sa malog dela slike. Ovo se može uporediti sa merenjem količine padavina na nekom prostoru pomoću kofica postavljnih u redove (Slika 2). U svaku koficu za odredjeno vreme padne neka količina kiše. Kada se kofice napune do odredjenog nivoa, ali maksimalno do vrha, tj. granice koja se zove fullwell (puna jama) one moraju da se isprazne da bi ponovo mogle da primaju novu kišu. Da bi se stalno odredjivala količina padavina na Slika 2. Analogija CCD senzora sa merenjem količine mestu svake kofice potrebno ih je padavina velikim brojem rasporedjenih kofica prazniti u regularnim intervalima. Zbog toga se jedan po jedan red kofica prazni u prazne paralelno postavljene kofice, a sadržaj jedne po jedne se zatim presipa u

2 sud u kome se svakoj meri zapremina vode. Zatim se sledeći red prazni u ovaj pomoćni red kofica i proces se ponavlja dok se ne očita zapremina svih. (U fajli CCDpredavanja i folije.pdf pogledati od stranice koje grafički opisuju proces punjenja kofica, prebacivanje sadržaja pojedinih kolona kofica i očitavanje) Tako rade i CCD senzori. Oni pretvaraju intenzitet svetlosti koji pada na svaki senzor (mikroćeliju) u odredjenu srazmernu količinu naelektrisanja. Ali kako svaka ćelija može da primi samo ograničenu količinu naelektrisanja, ove ćelije moraju da se regularno prazne, a to se vrši pomoću CCD registra. Električni ekvivalent kofici predstavljaju MOS (MetalOxideSemiconductor ) ili MIS (Metal InsulatorSemiconductor) kondenzatori. MOS struktura se koristi kada se CCD senzori izradjuju na bazi silicijuma. Sastoji od jako provodnog sloja polikristalnog silicijuma (ovo je Metal), tankog sloja silicijum dioksida (Oxide) i podloge od silicijuma (Semiconductor) koja se naziva i baza. Struktura MOS kondenzatora je prikazana na Slici 3. hν 100 nm SiO 2, oblast bez šupljuna 10V polikristalni silicijum (metal) M silicijum dioksid (oksid) O poluprovodnik (semiconductor)s Ptip poluprovodnika Slika 3. MOS kondenzator (Struktura MOS kondenzatora je prikazana i na stranama 5 i 6 CCDpredavanja i folije.pdf ) Sloj polikristalnog silicijuma je prozračan, na njega se dovodi napon i on se naziva gejt.. Kada se na gejt dovede pozitivan napon on preko sloja izolatora potiskuje šupljine duboko ispod površine, dok su neposredno ispod sloja oksida privučeni elektroni. Kada je gejt izložen svetlosnom zračenju u poluprovodniku ispod SiO 2 dolazi do generisanja para elektronšupljina. Tako stvoreni elektroni se skupljaju uz sloj izolatora, a šupljine se potiskuju dalje od izolatora duboko u osnovni poluprovodnik. Broj elektrona je srazmeran broju upadnih fotona na dati piksel u toku integracionog vremena. Veličina CCD piksela zavisi od

3 quskladišteno naelektrisanje (elektroni) p Slika 4. Generisanje naelektrisanja u ćelijama položaj namene i okvirno se kreće od 6.5X6.5 µm sve do 27X27µm. Postoji maksimalan broj elektrona koji može da se sakupi u okviru jednog piksela i ta velična se naziva kapacitet piksela. Ona uglavnom zavisi od veličine piksela i kreće se od do oko milion elektrona. Da bi se sprečilo širenje elektrona horizontalno, tj. prelivanje elektrona iz jedog piksela u drugi usled prepunjenosti nekog piksela ( pojava koja se na engleskom naziva bloomingcvetanje), oblasti za skladištenje elektrona su bočno ogranične. Svaki red je izolovan potecijalnom barijerom od visoko dopiranog tipa poluprovodnika ispod ivice gejta kao na slici 4. Ta visoko dopirana oblast zahteva mnogo veći napon od ostalih p oblasti da bi moglo ispod gejta u njima doći do skladištenja elektrona. Ako je gejt povezan na napon i osvetljen ispod njega se generišu elektroni čiji je broj srazmeran broju upadnih fotona na taj piksel što je takodje prikazano na Slici 4.(pogledati CCDpredavanja i folije.pdf strane 7 i 11) SiO 2 a) b) Izlazni čvor Digitalizacija i obrada slike Po isteku vremena integracije, tj. merenja, kada je naelektrisanje generisano potrebno je dovesti naelektrisanje iz svake ćelije na merni detektor koji će izmeriti ovu količinu naelektrisanja tj. na takozvani merni čvor. Ovo se vrši kroz više postupaka horizontalnog i vertikalnog pomeranja sadržaja ćelija. Prvo se sadržaj jednog reda ćelija premešta u paralelno postavljene prazne ćelije koje čine horizontalni pomerački registar (koji se naziva i CCD registar), a zatim se sadržaj tog registra pomera ka mernom čvoru i vrši se očitavanje jedne po jedne ćelije. Na slici 5a) ćelije su predstavljene šematski, a na slici 5b) je Slika 5 Način premeštanja sadržaja ćelija

4 prikazano kako se sadržaj jednog po jednog reda ćelija prebacuje u horizontalni registar iz koga se jedna po jedna ćelija očitava. Kako je prethodno objašnjeno, sadržaj svakog piksela u horizontalnom registru se sukcesivno dovodi na mesto očitavanja i pretvara u odgovarajući napon u izlaznom nodu ili čvoru i pomoću A/D konvertora u odgovarjući brojni podatak. Po završetku očitavanja svih ćelija CCD se resetuje i počinje novo merenje. Slika 6. Raspodela napona na tri susedna gejta koji čine jedan piksel, pri čemu se nagomilavanje naelektrisanja vrši ispod onog na najvećem naponu 0 V 5 V 10 V Prebacivanje sadržaja piksela se vrši cikličnim menjanjem napona na gejtovima i upravljanje ovim naponima vrši se komjuterskim programom. Svaki piksel u praktičnoj izvedbi ima 2, 3 ili četiri gejta koji se i delimično preklapaju (CCDpredavanja i folije.pdf strana 12 ) Ako na primer svaki ima tri gejta onda se oni nalaze na tri različita napona, na primer 0, 5 i 10 V, kako je prikazano na slici 6 i u CCDpredavanja i folije.pdf na stranici 48. Samo ispod gejta koji ima napon 10 V se sakupljaju elektroni, gejt na 5V ih delimično privlači, a na 0 V se ne mogu skladištiti elektroni. Naponi na gejtovima nisu konstantni već se ciklično menjaju izmedju ove tri vrednosti, tako onaj gejt koji je bio na 10V i ispod koga je sakupljena količina naelektrisanja prelazi na 5 V, a susedni dobija napon 10V, tako da se naelektrisanje premešta ispod susednog i tako redom. Na taj način ceo red dolazi na horizontalni pomerački (šift) registar odakle se pomeranjem na sličan način jedan po jedan piksel dovodi na detector koji daje izlazni napon proporcionalan uskladištenom naelektrisanju. Ovo ciklično menjanje napona koje dovodi do horizontalnog pomeranja naelektrisanja je predstavljeno na slici 7. (Proces pomeranja naelektrisanja je veoma ilustrativno predstavljen u CCDpredavanja i folije.pdf na stranicama 4956 i horizontalim pomeranjem po ekranu na mestu grafika napona u desnom gornjem delu slike sinhronizovano se pomera količina uskladištenog naelektrisanja). Kada se kolona prebaci u horizontalni registar onda se slicnim cikličnim dovodjenjem napona na gejtove u horizontalnom registru sadržaj jedne po jedne ćelije dovodi na izlazni merni čvor, i dobijeni signal se zatim digitalizuje i skladišti da bi se posle naknadno obradjivao. Kada se naelektrisanje pomeri u poslednju ćeliju horizontalnog registra, onda počinje proces očitavanja

5 0 V 5 V 10 V 0 V 5 V 10 V 0 V 5 V 10 V Slika 7 Pomeranje naelektrisanja cikličnim menjanjem napona na gejtovima

6 pomoću pojačavača za očitavanje ili readout pojačavača. Pomeranje sadržaja iz najbliže ćelije horizontalnog registra preko ćelije za skladištenje (summing well) do izlaznog čvora i očitavanje napona V out izlaznog čvora je prikazano u CCDpredavanja i folije.pdf na stranicama Postupak se vrši iz nekoliko koraka Prvo se isprazni sadržaj izlaznog čvora strana 58, dovodjenjem impulsa na ØR elektrodu pri čemu je izlazni čvor kondenzator male kapacitivnosti manje od 1 pf. Zatim se ispod gejta koji služi za prikupljanje naelektrisanja koje treba izmeriti prenese naelektrisanja iz najbliže ćelije horizontalnog registra dovodjenjem napona na SW eklektrodu i istovremeno se meri napon na izlaznom čvoru V out i ovaj napon je referentni napon kada je izlazni čvor prazan strana 59. Referentni napon se izmeri pomoću ostalog dela kola i to traje nekoliko desetina mikrosekundi ). Posle ovoga se na izlazni čvor dovodi naelektrisanje i ono za svaki elektron koji je uskladišten promeni izlazni napon za nekoliko µv strana 60 i zatim se vrši odabiranje i merenje izlaznog signala strana 61,. Kada je ovo merenje završeno ponovno se vrši resetovanje izlaznog čvora. Šetanje izmedju ovih stranica može se vršiti i pomeranjem pomoću horizontalnog levo desno kursora na ekranu. Osobine CCD detektora Kao i svaki fotodetektor i senzor i CCD senzor ima svoje optičke, električne i merne karakteristike, koje je važno poznavati pri odabiru odgovarajućeg senzora za željenu primenu. 1. Osetljivost CCD senzora Kvantna efikasnost i spektralna karakteristika Osetljivost CCDa odredjena je količinom naelektrisanja koje se sakupi po jedinici primljene svetlosne energije. Stvoreno naelektrisanje se može meriti brojem generisanih elektrona, a primljena svetlosna energija preko broja upadnih fotona, pa se u tom slučaju kao mera osetljivosti uvodi kvantna efikasnost QE detektora. Ona predstavlja verovatnoću da upadni foton stvori par elektronšupljina Kada bi CCD bio idealan detektor on bi stvarao jedan elektron svaki put kad bi primio jedan foton, ali to se ne dešava kod realnih fotodetektora. Kvantna efikasnost se izražava preko izraza N e QE = N f gde je N e broj detektovanih elektrona, a N f broj upadnih fotona. Kvantna efikasnost je povezana sa debljinom polikristalnog sloja, sa tim sa koje strane se vrši osvetljavanje i slično Vrednosti QE su od 0,50,9. Na grafiku na slici 8 je prikazana zavisnost kvantne efikasnosti QE detektora u zavisnosti od talasne dužine upadnih fotona. Na slici 8 se vidi se da su CCD senzori osetljivi u oblasti od 400nm (ljubičasti limit vidljivesvetlosti) do 1μm (bliska infracrvena oblast). Ovaj grafik ujedno ukazuje i na drugu osobinu CCD detektora povezanu sa ovom, a to je spektralna karakteristika fotodetektora, tako da data zavisnost predstavlja ujedno i spektralnu karaktiristiku tj. osetljivost SSD senzora za pojedine talasne dužine upadne svetlosti.. i u

7 CCDpredavanja i folije.pdf na stranama 69, 70 i 73 se može detaljnije videti razlikovanje spektralnih karakteristika za različite senzore, kao i vrednosti QE) Slika 8. Kvantna efikasnost u zavisnosti od talasne dužine upadne svetlosti 2. Struja mraka (dark current) ili izlazni signal neosvetljenog senzora Generisanje elektrona se vrši i u potpunom mraku tj. i u slučaju da površina CCDa nije izložena svetlosti elektroni će biti spontano generisani u fotosenzorima, najčešće pod dejsvom temperature, pa izlazni signal nije jednak nuli u mraku. Ova struja postoji i u toku ekspozicije i ona kvari kvalitet informacije od interesa za nas jer je nemoguće razlikovati one elektrone koji su nastali osvetljavanjem od onih koji nisu. Struja mraka jako zavisi od temperature. Njen intenzitet se smanjuje dva puta pri snižavanju temperature CCD senzora za 6 0 C. Smanjenje vrednosti struje mraka se postiže korišćenjem CCD senzora na nižim temperaturama. Pre snimanja željenog objekta je potrebno izvršiti snimanje bez skidanja zaštitnog poklopca sa senzora i onda se te vrednosti napona koriste kao referentne. Snimanjem u mraku usrednjava se pored vrednosti struje mraka i vrednost šuma koji postoji na detektoru. 3. Linearnost CCD senzora Osim za svetlosne signale izuzetno malog intenziteta (zbog struje mraka) i izuzetno velikog intenzitete (kada se generiše više naelektrisanja od kapaciteta piksela pa dolazi do zasićenja), izlazni signal je srazmeran broju upadnih fotona, pa ovi senzori imaju dobru linearnost. Kapacitet piksela je broj elektrona koji jedan piksel može da primi. To nije neograničena veličina. Ona uglavnom zavisi od veličine piksela i kreće se od do oko milion elektrona po jednom pikselu. Važno je primetiti da kod nekih ekspozicija broj generisanih elektrona može prevazići kapacitet jednog piksela. Tada piksel biva u stanju saturacije i dolazi do izlivanja elektrona na susedne piksele većinom na one u istoj koloni i ova pojava se naziva izlivanje, prelivanje, engleski blooming. Pored toga povišavaju se i vrednosti očitanih piksela čija

8 naelektrisanja prolaze u procesu čitanja kroz saturisane piksele, posto se saturisani pikseli ne mogu lako isprazniti. Ova pojava se manifestuje u tome da je lik svetle tačke razmazan duž jedne kolone. Ovaj problem se rešava pravljenjem specijalnih kanala koji pihvataju višak elektrona iz saturisanih piksela, medjutim na taj način se povećava i neosetljiva zona piksela, tj. smanjuje se osetljiva površina CCD senzora. Zavisnost izlaznog napona od osvetljenosti je data u CCDpredavanja i folije.pdf na strani 75 i tu je data osetljivost za obične CCD senzore i za one kod kojih postoji zaštita od prelivanja. Na strani 76, je opisana pojava prelivanje (blooming). Jedan problem koji se tiče linearnosti može da nastane i zbog nejednake osetljivosti svih ćelija. Razlike u osetljivosti pojedinačnih piksela i zona čipa prouzrokovani su greškama u procesu izrade čipa, česticama prašine na senzoru i elementima optike i sl. Da bi se ovo eliminisalo, vrši se snimanje tačno odredjene standarne slike i na osnovu dobijenog snimka se utvrdjuje se da li su neki pikseli manje osetljivi. Na osnovu ovoga se uvede softverska korekcija očitanih podataka..

9 .