전하 결합 장치

Charge-coupled device
자외선 촬영에 사용되는 와이어 본드 패키지로 특수 개발된 CCD

전하결합소자(CCD)는 연결된 또는 결합된 콘덴서의 배열을 포함하는 집적회로이다.외부회로의 제어 하에 각 캐패시터는 인접 캐패시터에 전하를 전송할 수 있습니다.CCD 센서는 디지털 이미징에 사용되는 주요 기술이다.

CCD 이미지 센서에서 픽셀은 p-도프된 금속산화물반도체(MOS) 캐패시터로 나타난다.CCD의 [1]기본 구성 요소인 이러한 MOS 캐패시터는 이미지 수집이 시작될 때 반전 임계값 이상으로 편향되어 반도체 산화물 인터페이스에서 들어오는 광자를 전자 전하로 변환할 수 있습니다. 그런 다음 CCD를 사용하여 이러한 전하를 읽습니다.광검출이 가능한 기술은 CCD뿐만이 아니지만 CCD 이미지 센서는 고품질 영상 데이터가 필요한 전문, 의료, 과학 분야에서 널리 사용되고 있다.소비자용 및 전문가용 디지털 카메라와 같이 품질 요구가 덜 까다로운 애플리케이션에서는 일반적으로 CMOS 센서(보완 MOS 센서)라고도 하는 액티브 픽셀 센서가 사용됩니다.그러나 CCD가 초기에 누렸던 큰 품질상의 이점은 시간이 지남에 따라 축소되었고 2010년대 후반부터 CMOS 센서는 CCD 이미지 센서를 완전히 대체하지는 않더라도 대부분 대체되는 지배적인 기술이 되었습니다.

역사

조지 E. 스미스와 윌러드 보일, 2009년

CCD의 기초는 금속산화물반도체([2]MOS) 구조이며, MOS 캐패시터는 CCD의 [1][3]기본 구성 요소이며, 초기 CCD [2][4]디바이스에서 광검출기로 사용된 고갈된 MOS 구조입니다.

1960년대 후반, 윌러드 보일과 조지 E. 벨연구소의 스미스는 반도체 버블메모리를 연구하면서 MOS 기술을 연구하고 있었다.그들은 전하가 자기 기포와 유사하며 작은 MOS 콘덴서에 저장될 수 있다는 것을 깨달았다.일련의 MOS 캐패시터를 일렬로 조립하는 것은 매우 간단했기 때문에, 적절한 전압을 콘덴서에 접속해, 전하를 다른 [3]콘덴서로 전환할 수 있었습니다.이것은 1969년 보일과 스미스에 의해 전하 결합 장치의 발명으로 이어졌다.그들은 노트북에 "거품 충전 장치"[5][6]라고 적힌 디자인을 구상했습니다.

1970년 4월에 이 개념을 설명한 첫 번째 문서에는 메모리, 지연선 및 이미징 [7]디바이스로서 사용 가능한 용도가 나열되어 있습니다.장치는 시프트 레지스터로도 사용할 수 있습니다.설계의 본질은 반도체 표면을 따라 한 스토리지 캐패시터에서 다른 스토리지 캐패시터로 전하를 전달하는 것이었습니다.이 개념은 1960년대 후반 필립스 연구소에서 개발된 버킷브레이드 장치(BBD)와 원칙적으로 유사했다.

이 원리를 입증하는 첫 번째 실험 장치는 와이어 본드를 통해 전기적으로 접근되는 산화 실리콘 표면에 촘촘히 간격을 둔 금속 정사각형 열이었습니다.그것은 [8]1970년 4월 길 아멜리오, 마이클 프란시스 톰셋, 조지 스미스에 의해 입증되었다.이는 이미지 센서 기술에 CCD를 최초로 실험적으로 적용한 것으로 광검출기로서 [2]고갈된 MOS 구조를 사용했다.이미징에 대한 CCD 출원에 관한 최초의 특허(미국 특허 408만5456)는 1971년에 [9]출원한 톰셋에게 할당되었다.

집적회로 기술로 만들어진 최초의 작동 CCD는 1970년 [10]8월 톰셋, 아멜리오 및 스미스에 의해 보고된 단순한 8비트 시프트 레지스터였다.이 소자는 입력 및 출력 회로를 가지고 있으며 시프트 레지스터 및 조잡한 8픽셀 선형 이미징 소자로서의 사용을 시연하는 데 사용되었습니다.그 장치의 개발은 빠른 속도로 진행되었다.1971년까지, 마이클 톰셋이 이끄는 벨 연구원들은 간단한 선형 [11]장치로 이미지를 캡처할 수 있었다.Fairchild Semiconductor, RCA, Texas Instruments를 포함한 여러 회사가 이 발명에 착수하여 개발 프로그램을 시작했다.Fairchild의 노력은 Bell의 전 연구원인 Gil Amelio가 주도했으며, 1974년에는 선형의 500 요소 장치와 2D 100 x 100 픽셀 장치를 개발했습니다.코닥에서 일하는 전기 기술자인 Steven Sasson은 [12]1975년 Fairchild 100 x 100 CCD를 사용하여 최초의 디지털 스틸 카메라를 발명했습니다.

인터라인 전송(ILT) CCD 장치는 L. Walsh와 R에 의해 제안되었다.1973년 Fairchild의 Dyck는 얼룩을 줄이고 기계 셔터를 제거했습니다.밝은 광원의 스미어를 더욱 줄이기 위해 프레임-인터라인-전송(FIT) CCD 아키텍처는 K에 의해 개발되었습니다.호리이, T. 쿠로다, T.1981년 [2]마쓰시타(현 파나소닉)의 쿠니이.

KH-11 KENEN 정찰위성은 1976년 [14]12월 영상촬영용 전하결합소자 배열(800×[13]800픽셀) 기술을 탑재한 최초의 KH-11 정찰위성을 발사했다.이와마 가즈오의 지도하에, 소니는 대규모 투자를 수반하는 CCD의 개발에 착수했다.결국 소니는 캠코더용 CCD를 양산했다.그 전에 이와마는 1982년 8월에 사망했다.그 후 그의 묘비에는 그의 [15]공로를 인정하기 위해 CCD칩이 설치되었다.최초의 소비자용 CCD 비디오 카메라인 CCD-G5는 1981년 [16]하기와라 요시아키가 개발한 시제품을 바탕으로 1983년에 소니에 의해 출시되었습니다.

초기 CCD 센서는 셔터 지연에 시달렸다.이는 핀형 포토다이오드(PPD)[2]의 발명으로 대부분 해결되었습니다.그것은 [2][17]1980년 NEC에서 테라니시 노부카즈, 시라키 히로미츠, 이시하라 야스오에 의해 발명되었다.그들은 신호 캐리어가 포토다이오드에서 CCD로 전송될 수 있다면 지연을 제거할 수 있다는 것을 인식했습니다.이로 인해 그들은 낮은 지연, 낮은 노이즈, 높은 양자 효율 및 낮은 [2]암전류를 가진 광검출기 구조인 핀형 포토다이오드를 발명하게 되었다.데라니시씨와 이시하라씨가 A씨와 함께 처음으로 공개 보고했습니다.코호노, E. 오다, K.1982년 아라이에 방화 구조물이 [2][18]추가되었다.NEC에서 발명된 새로운 광검출기 구조는 B.C.에 의해 "핀형 포토다이오드(PPD)"라는 이름을 얻었다.1984년 코닥에서 버키.1987년, PPD는 대부분의 CCD 장치에 통합되기 시작했고, 소비자 전자 비디오 카메라와 디지털 스틸 카메라의 고정 장치가 되었습니다.그 후 PPD는 거의 모든 CCD 센서와 CMOS [2]센서에서 사용되고 있습니다.

2006년 1월, 보일과 스미스는 국립공학아카데미 찰스 스타크 [19]드레이퍼상을 수상했고, 2009년에는 CCD 개념을 발명한 공로로 노벨 물리학상을[20] 수상했다.Michael Tompsett은 최초의 CCD 이미지 작성자의 설계와 개발을 포함한 선구적인 작업과 전자 기술을 인정받아 2010년 National Medal of Technology and Innovation을 수상했습니다.그는 또한 "CCD Imager, 카메라 및 열 이미저를 포함한 영상 장치에 대한 선구적인 공헌"으로 2012 IEEE Edison 메달을 수상했습니다.

조작의 기본

충전 패킷(전자, 파란색)은 게이트 전극(G)에 양의 전압을 인가하여 생성된 전위 웰(노란색)에 수집됩니다.게이트 전극에 올바른 순서로 양의 전압을 인가하면 충전 패킷이 전송됩니다.

촬상용 CCD에서 광활성영역(실리콘 에피택셜층)과 시프트 레지스터(CCD, 적절히 말하면)로 이루어진 투과영역이 있다.

화상을 렌즈를 개입시켜 캐패시터 어레이(광활성 영역)에 투사해, 각 캐패시터가 그 위치의 광강도에 비례하는 전하를 축적한다.라인 스캔 카메라에 사용되는 1차원 어레이는 화상의 단일 슬라이스를 캡처하고, 비디오 및 스틸 카메라에 사용되는 2차원 어레이는 센서의 초점면에 투영된 장면에 대응하는 2차원 화상을 캡처한다.어레이가 이미지에 노출되면 제어 회로가 각 캐패시터를 인접 캐패시터로 전송합니다(시프트 레지스터로 동작).어레이의 마지막 콘덴서는 전하를 전하 증폭기에 덤프하고, 전하 증폭기는 전하를 전압으로 변환합니다.제어회로는 이 처리를 반복함으로써 반도체 내의 어레이 내용 전체를 일련의 전압으로 변환한다.디지털 디바이스에서 이들 전압은 샘플링, 디지털화 및 통상 메모리에 저장된다.아날로그 디바이스(아날로그 비디오 카메라 등)에서는 연속 아날로그 신호(예를 들어 차지앰프의 출력을 로우패스 필터에 공급함으로써)로 처리되며, 다음으로 처리되어 전송을 위해 다른 회로에 공급된다.기록 또는 기타 처리.[21]

상세한 조작 물리학

Sony ICX493AQA 10.14 메가픽셀 APS-C (23.4 × 15.6 mm) CCD (Sony αDSLR-A200 또는 DSLR-A300, 센서 측)

전하발생

MOS 캐패시터는 빛에 노출되기 전에 공핍 영역으로 바이어스됩니다.n채널 CCD에서는 바이어스 게이트 아래의 실리콘이 약간 p도핑되거나 내성이 있습니다.그런 다음 게이트는 강력한 반전 임계값보다 높은 양의 전위로 바이어스되며, 결과적으로 MOSFET에서처럼 게이트 아래에 n개의 채널이 생성됩니다.하지만, 이 열적 균형에 도달하는 데는 시간이 걸립니다. 즉, [22]저온에서 냉각된 고급 과학 카메라에서는 최대 몇 시간이 걸립니다.처음에 바이어스 후 구멍은 기판 안으로 깊숙이 밀어넣어지고 이동 전자는 표면이나 표면 근처에 있지 않습니다.따라서 CCD는 딥 [23]디플리케이션이라고 불리는 비평형 상태에서 작동합니다.그런 다음, 고갈 영역에서 전자-공 쌍이 생성되면 전계에 의해 분리되고 전자는 표면으로 이동하며, 홀은 기판 쪽으로 이동한다.4개의 페어 생성 프로세스를 식별할 수 있습니다.

  • 광생성(양자 효율의 최대 95%),
  • 고갈된 지역에서 발생하며,
  • 표면에서의 생성 및
  • 중성 벌크에서의 발전.

마지막 3가지 프로세스는 암전류 생성이라고 하며 이미지에 노이즈를 더해 총 사용 가능한 통합 시간을 제한할 수 있습니다.표면 또는 표면 근처의 전자 축적은 이미지 통합이 끝나고 전하가 전송되기 시작하거나 열 평형에 도달할 때까지 진행될 수 있습니다.이 경우 우물이 꽉 찼다고 합니다.각 유정의 최대 용량은 유정의 [24]깊이로 알려져 있으며,[23] 일반적으로 픽셀당 약 10개의5 전자입니다.

설계 및 제조

CCD의 광활성 영역은 일반적으로 실리콘의 에피택셜 층입니다.이것은 (보통 붕소와 함께) 가볍게 p 도프되어 있으며, 종종 p++의 기판 재료에서 재배됩니다.대부분의 최신 CCD에 사용되는 설계 유형인 매립형 채널 디바이스에서 실리콘 표면의 특정 영역에 인이 주입되어 n도프된 명칭이 부여됩니다.이 영역은 광생성 과금 패킷이 전송되는 채널을 정의합니다.Simon Sze는 매립형 채널 [23]장치의 장점을 자세히 설명합니다.

이 얇은 층(= 0.2–0.3 마이크론)은 완전히 고갈되어 축적된 광생성 전하가 표면으로부터 멀리 떨어져 있습니다.이 구조는 표면 재조합을 줄임으로써 전달 효율이 높고 암전류가 낮다는 장점이 있습니다.패널티는 표면 채널 CCD에 비해 2-3배 적은 충전 용량입니다.

게이트 산화물, 즉 캐패시터 유전체는 에피택셜 층과 기판 위에 성장합니다.

이후 폴리실리콘 게이트는 화학증착에 의해 퇴적되고 포토리소그래피로 패턴화되어 분리상 게이트가 채널에 대해 수직으로 위치하도록 식각된다.채널은 LOCOS 프로세스를 사용하여 채널 정지 영역을 생성함으로써 더욱 정의됩니다.

채널 스톱은 열적으로 성장한 산화물로, 한 열의 충전 패킷을 다른 열의 충전 패킷과 분리하는 역할을 합니다.이러한 채널 스톱은 LOCOS 프로세스가 게이트 재료를 파괴하는 고온 단계를 이용하기 때문에 폴리실리콘 게이트보다 먼저 생성됩니다.채널 스톱은 채널 영역과 평행하며 채널 영역 또는 "충전 반송"에서 제외됩니다.

채널 스톱은 종종 p+ 도프 영역을 기반으로 하여 전하 패킷의 전자에 대한 추가적인 장벽을 제공합니다(CCD 소자의 물리학에 대한 논의는 홀 전송이 가능하지만 전자 전송 장치를 가정합니다).

게이트 클럭킹은 하이와 로우로 번갈아가며 매립형 채널(n도프)과 에피택셜 레이어(p도프)에 의해 제공되는 다이오드를 전진 및 후진 바이어스합니다.이로 인해 CCD는 p-n 접점 근처에서 고갈되어 디바이스의 게이트 아래 및 채널 내에서 과금 패킷을 수집 및 이동합니다.

CCD의 제조와 운용은 다양한 용도에 맞게 최적화할 수 있습니다.위의 프로세스에서는 프레임 전송 CCD에 대해 설명합니다.CCD는 도핑이 심한 p++ 웨이퍼로 제조할 수 있지만, n 웨이퍼에 배치된 p웰 내부에 장치를 제조할 수도 있습니다.보도에 따르면 이 두 번째 방법은 도말, 암전류, 적외선과 적색 응답을 감소시킵니다.이 제조 방법은 라인 간 전송 장치 구축에 사용됩니다.

CCD의 다른 버전은 연동형 CCD라고 불립니다.연동전하결합디바이스에서 전하패킷전송동작은 소화계통의 연동수축 및 팽창과 유사하다.연동형 CCD에는 추가 삽입물이 있어 실리콘/이산화실리콘 계면에서 전하를 멀리하고 게이트 간에 큰 가로 방향 전계를 생성합니다.이것에 의해, 과금 패킷의 전송에 도움이 되는, 한층 더 추진력을 얻을 수 있습니다.

아키텍처

210만 화소의 CCD Argus 디지털 카메라
팩스기로부터의 1차원 CCD 이미지 센서

CCD 이미지 센서는 몇 가지 다른 아키텍처로 구현할 수 있습니다.가장 일반적인 것은 풀프레임, 프레임 전송 및 인터라인입니다.이들 아키텍처의 구별되는 특징은 셔터링 문제에 대한 접근법입니다.

풀프레임 장치에서는, 모든 화상 영역이 액티브하고, 전자 셔터가 없다.이러한 유형의 센서에는 기계식 셔터를 추가해야 합니다. 그렇지 않으면 장치가 클럭 또는 판독될 때 이미지가 얼룩집니다.

프레임 전송 CCD에서는 실리콘 영역의 절반이 불투명한 마스크(일반적으로 알루미늄)로 덮여 있습니다.허용 가능한 몇 %의 스미어를 사용하여 이미지를 이미지 영역에서 불투명 영역 또는 저장 영역으로 빠르게 전송할 수 있습니다.그러면 새로운 이미지가 활성 영역에 통합되거나 노출되는 동안 스토리지 영역에서 해당 이미지를 천천히 읽을 수 있습니다.프레임 전송 장치는 일반적으로 기계식 셔터가 필요하지 않으며 초기 솔리드 스테이트 방송 카메라의 일반적인 아키텍처였습니다.프레임 전송 아키텍처의 단점은 동등한 풀프레임 디바이스의 2배의 실리콘 자산을 필요로 하기 때문에 대략 2배의 비용이 든다는 것입니다.

인터라인 아키텍처는 이 개념을 한 단계 더 확장하여 이미지 센서의 다른 모든 열을 저장하기 위해 마스킹합니다.이 장치에서는, 화상 영역으로부터 기억 영역으로의 전송에 1 픽셀의 시프트만이 필요하기 때문에, 셔터 타임이 1 마이크로초 미만이 되어, 기본적으로 스미어가 배제됩니다.그러나 이미지 영역이 불투명한 스트립으로 덮여 채우기 계수를 약 50%까지 떨어뜨리고 유효 양자 효율이 동등한 양만큼 떨어지기 때문에 이점은 무료가 아닙니다.최신 설계는 불투명한 영역과 활성 영역에 빛을 보내기 위해 장치 표면에 마이크로렌즈를 추가함으로써 이러한 유해한 특성을 해결했다.마이크로렌즈는 픽셀 크기 및 시스템 전체의 광학 설계에 따라 충전율을 최대 90%까지 되돌릴 수 있습니다.

아키텍처의 선택은 유틸리티 중 하나로 귀결됩니다.응용 프로그램이 고가의 고장 가능성이 높고 전력 집약적인 기계식 셔터를 견딜 수 없다면 인터라인 장치를 선택하는 것이 좋습니다.소비자용 스냅샷 카메라는 인터라인 장치를 사용해 왔다.한편, 최대한의 광 채집이 필요하고, 돈, 전력, 시간의 문제가 그다지 중요하지 않은 어플리케이션에서는, 풀 프레임 디바이스가 적절한 선택입니다.천문학자들은 풀프레임 장치를 선호하는 경향이 있다.프레임 전송은 중간이며, 회선간 디바이스의 충진율 문제에 대처하기 전에는 일반적인 선택이었습니다.현재 프레임 전송은 보통 백라이트 장치 등 인터라인 아키텍처를 사용할 수 없는 경우에 선택됩니다.

픽셀 그리드를 포함한 CCD는 디지털 카메라, 광학 스캐너, 비디오 카메라에서 광감지 장치로 사용됩니다.일반적으로 입사광의 70%(양자 효율 약 70%)에 반응하기 때문에 입사광의 약 2%만 포착하는 사진 필름보다 훨씬 효율적입니다.

대부분의 일반적인 유형의 CCD는 근적외선에 민감하여 적외선 촬영, 야간 투시 장치 및 제로 럭스(또는 제로 럭스) 비디오 녹화/사진 촬영이 가능합니다.일반 실리콘 기반 검출기의 경우 감도는 1.1μm로 제한됩니다.적외선 감도의 또 다른 결과는 리모컨의 적외선이 CCD 기반 디지털 카메라나 캠코더에 적외선 차단기가 없을 경우 자주 나타난다는 것입니다.

냉각에 의해 어레이의 암전류가 감소해, 자외선이나 가시 파장에서도 낮은 광강도에 대한 CCD의 감도가 향상됩니다.전문 관측소는 종종 어두운 전류와 열 소음을 무시할 수 있는 수준으로 줄이기 위해 액체 질소로 검출기를 냉각시킨다.

프레임 전송 CCD

프레임 전송 CCD 센서

프레임 전송 CCD 이미저는 Bell Laboraties의 Michael Tompsett이 CCD 이미징을 위해 제안한 첫 번째 이미지 구조입니다.프레임 전송 CCD는 천문학과 일부 프로페셔널 비디오 카메라에서 자주 사용되는 특수 CCD로 높은 노출 효율성과 정확성을 위해 설계되었습니다.

CCD의 정상 기능은 천문학적 또는 기타 두 단계로 나눌 수 있습니다. 노출과 판독입니다.첫 번째 단계에서 CCD는 들어오는 광자를 수동적으로 수집하여 전자를 세포에 저장합니다.노광 시간이 경과한 후 셀을 한 번에 한 줄씩 읽어낸다.판독 단계에서는 셀이 CCD 영역 전체로 이동합니다.이동 중에도 빛을 계속 모읍니다.따라서 이행이 충분히 빠르지 않으면 전송 중에 전하를 유지하는 셀에 빛이 떨어지면서 오류가 발생할 수 있습니다.이러한 에러는 「수직 스메어」라고 불리며, 강한 광원이 정확한 위치의 위아래에 수직선을 형성합니다.또한 CCD를 사용하여 판독 중에는 빛을 수집할 수 없습니다.안타깝게도, 빠른 전환은 더 빠른 판독을 요구하며, 빠른 판독은 셀 충전 측정에서 오류를 일으켜 더 높은 노이즈 레벨을 초래할 수 있습니다.

프레임 전송 CCD는 두 가지 문제를 해결합니다.CCD에는 빛에 노출되는 영역과 같은 수의 셀이 포함된 차폐된 영역이 있습니다.일반적으로 이 영역은 알루미늄과 같은 반사 물질로 덮여 있습니다.노출 시간이 되면 세포는 숨겨진 영역으로 매우 빠르게 전달됩니다.여기서, 들어오는 빛으로부터 안전하기 때문에, 셀의 전하를 올바르게 측정하기 위해서 필요하다고 생각되는 속도로 셀을 읽어낼 수 있다.동시에, CCD의 노출된 부분은 다시 빛을 모으기 때문에 연속적인 노출 사이에 지연이 발생하지 않습니다.

이러한 CCD의 단점은 비용이 높다는 것입니다. 즉, 셀 면적이 기본적으로 두 배로 증가하고 보다 복잡한 제어 전자 장치가 필요합니다.

인핸스드 전하 결합 장치

주요 기사:이미지 인텐시파이어

인핸스드 차지 커플링 디바이스(ICCD)는 CCD 전면에 장착된 이미지 인텐시파이어에 광학적으로 연결된 CCD입니다.

화상증강기는 광음극, 마이크로채널플레이트(MCP) 및 형광스크린의 3가지 기능요소를 포함한다.이들 3개의 요소는 전술한 순서로 다른 요소보다 더 가까이 장착되어 있습니다.광원에서 나오는 광자가 광전극에 떨어지면서 광전자가 발생한다.광전자는 광전극과 MCP 사이에 인가되는 전기적 제어 전압에 의해 MCP 쪽으로 가속됩니다.전자는 MCP 내부에서 증배된 후 인광 스크린을 향해 가속됩니다.인광 스크린은 마침내 증식된 전자를 광자로 변환하고 광섬유 또는 렌즈를 통해 CCD로 유도합니다.

화상 인텐시파이어는 본질적으로 셔터 기능을 포함한다.광전극과 MCP 사이의 제어전압이 역전되면 방출된 광전자는 MCP를 향해 가속되지 않고 광전극으로 돌아간다.따라서 MCP에 의해 전자가 증배 및 방출되지 않으며, 인광 스크린으로 가는 전자도 없으며, 영상 증폭기에서 빛이 방출되지 않습니다.이 경우 CCD에 빛이 들어오지 않으므로 셔터가 닫혀 있습니다.광음극에서 제어 전압을 반전시키는 과정을 게이트라고 하며, 따라서 ICCD는 게이트 가능한 CCD 카메라라고도 합니다.

단일 광자 검출을 가능하게 하는 ICCD 카메라의 극도로 높은 감도 외에도, 게이트 가능성은 EMCCD 카메라에 비해 ICCD의 주요 장점 중 하나이다.최고 성능의 ICCD 카메라는 200피코초의 짧은 셔터 시간을 가능하게 합니다.

ICCD 카메라는 일반적으로 EMCCD 카메라보다 가격이 다소 높은데, 이는 고가의 영상 증폭기가 필요하기 때문이다.한편 EMCCD 카메라는 EMCCD 칩을 약 170 K(-103 °C)의 온도로 냉각하기 위한 냉각 시스템이 필요합니다.이 냉각 시스템은 EMCCD 카메라에 추가 비용을 추가하며 애플리케이션에서 종종 큰 응축 문제를 일으킵니다.

ICCD는 야간 시력 장치 및 다양한 과학 애플리케이션에 사용됩니다.

전자 증배 CCD

전자는 EMCCD의 증배 레지스터를 구성하는 이득 단계를 통해 직렬로 전달된다.이러한 직렬 전송에 사용되는 고전압은 충격 이온화를 통해 추가 전하 캐리어를 생성하도록 유도합니다.
EMCCD에서는 (오른쪽 범례에 표시된) 입력 전자 수에 대해 곱셈 레지스터에 의해 출력되는 전자 수의 분산(변화)이 있습니다.출력 전자 수에 대한 확률 분포는 곱셈 레지스터의 시뮬레이션을 위해 수직 축에 로그로 표시됩니다.또한 이 페이지에 표시된 경험적 적합 방정식의 결과도 나와 있습니다.

전자 곱셈 CCD(EMCCD, L3Vision CCD, e2v Ltd, GB, L3CCD 또는 Impactron CCD에 의해 상용화된 제품, Texas Instruments가 과거에 제공한 제품)는 레지스터 장치 사이에 배치된 전하 결합 장치입니다.게인 레지스터는 여러 단계로 분할됩니다.각 단계에서 전자는 눈사태 다이오드와 마찬가지로 충격이온화에 의해 증배된다.레지스터의 모든 단계에서 이득 확률은 작지만(P < 2%), 소자 수가 많으면(N > 500), 단일 입력 전자가 수천 개의 출력 전자를 생성하는 경우 전체 이득이 매우 높을 수 있습니다( (+ ) {\ g=(+ PCCD에서 신호를 읽으면 노이즈 배경(일반적으로 몇 개의 전자)이 생성됩니다.EMCCD에서 이 노이즈는 단일 전자 대신 수천 개의 전자에 중첩됩니다. 따라서 이 소자의 주요 장점은 무시해도 될 정도의 읽기 노이즈입니다.사진 요금 증폭을 위한 눈사태 파괴의 사용은 1973년 조지 E에 의해 미국 특허 3761,744에 이미 기술되어 있었다.Smith/Bell 전화 연구소.

EMCCD는 강화된 CCD(ICCD)에 대해 유사한 민감도를 보인다.그러나 ICCD와 마찬가지로 게인 레지스터에 적용되는 게인은 확률적이며 픽셀의 전하에 적용된 정확한 게인을 알 수 없다.높은 게인(> 30)에서 이 불확실성은 신호 대 잡음비(SNR)에 대해 통일성의 게인으로 운용에 관한 양자효율(QE)을 절반으로 하는 것과 같은 영향을 미칩니다.이 효과를 초과 소음 계수(ENF)라고 합니다.그러나 (양자 효율이 가장 중요한) 매우 낮은 조도 수준에서는 픽셀에 전자가 포함되거나 포함되지 않은 것으로 가정할 수 있다.이것은 단일 전자와 같은 픽셀의 여러 전자를 셀 위험을 감수하면서 확률적 증배와 관련된 노이즈를 제거합니다.이 동작 모드에서 광자가 일치하기 때문에 1픽셀에 여러 카운트가 발생하는 것을 피하기 위해서는 높은 프레임 레이트가 필수적입니다.게인의 분산은 오른쪽 그래프에 표시됩니다.요소가 많고 이득이 큰 곱셈 레지스터의 경우 다음 방정식으로 잘 모델링됩니다.

여기서 P는 m개의 입력 전자와 g의 총 평균 곱셈 레지스터 게인이 주어진 n개의 출력 전자를 얻을 확률입니다.매우 많은 입력 전자의 경우, 이 복잡한 분포 함수는 가우스 쪽으로 수렴합니다.

낮은 비용과 더 나은 해상도로 인해 EMCCD는 많은 애플리케이션에서 ICCD를 대체할 수 있습니다.ICCD는 매우 빠르게 게이트될 수 있기 때문에 범위 게이트 이미징과 같은 애플리케이션에서 유용합니다.EMCCD 카메라는 칩을 -65~-95°C(-85~-139°F)의 온도까지 냉각하기 위해 열전 냉각 또는 액체 질소를 사용하는 냉각 시스템이 반드시 필요합니다.이 냉각 시스템은 EMCCD 이미징 시스템에 추가 비용이 추가되어 애플리케이션에서 응축 문제가 발생할 수 있습니다.그러나 고급 EMCCD 카메라는 결로 문제를 피하기 위해 칩을 고정하는 영구 밀폐 진공 시스템을 갖추고 있습니다.

EMCCD의 저조도 능력은 천문학 및 생물의학 연구 등에서도 활용되고 있다.특히 고속 판독 속도에서 노이즈가 낮기 때문에 희미한 별의 행운 영상 촬영, 고속 광자 계수 광도 측정, 파브리-페로 분광학 및 고해상도 스펙트럼 분석과 같은 저광원 및 일시적인 이벤트와 관련된 다양한 천문학 애플리케이션에 매우 유용하다.보다 최근에는 이러한 유형의 CCD가 저조도 환경에서 SNR이 높기 때문에 저조도 응용 분야에서 생물의학 연구 분야로 진입하고 있다.기존 CCD와 ICCD를 사용합니다.

노이즈에 관해서는 일반적으로 시판 EMCCD 카메라에는 클럭 유도 전하(CIC)와 암전류(냉각 정도에 따라 다름)가 있어 픽셀 판독당 0.01 ~1 전자까지의 유효 판독 노이즈를 발생시킵니다.그러나 최근 EMCCD 기술이 개선됨에 따라 CIC 생산량이 대폭 감소하고 전하 전송 효율이 높아졌으며 전자파 이득이 기존보다 5배나 높아졌습니다.이러한 저조도 검출의 진보에 의해, 유효 총배경 노이즈는 픽셀 판독당 0.001 전자로, 다른 저조도 이미징 [25]디바이스와는 비교할 수 없는 노이즈 플로어입니다.

천문학에서 사용

Sloan Digital Sky Survey 망원경 이미징 카메라에 사용되는 30개의 CCD 배열로, "드리프트 스캔"의 예입니다.

CCD(Charge-Coupled Device)의 높은 양자 효율성(이상적인 양자 효율은 입사 광자당 1개의 생성된 전자), 출력의 선형성, 사진 판과 비교한 사용 편의성 및 기타 다양한 이유로 인해 CCD는 거의 모든 UV 대 적외선 애플리케이션에 대해 천문학자에 의해 매우 빠르게 채택되었다.

열 노이즈와 우주선에 의해, CCD 어레이내의 픽셀이 변화할 가능성이 있습니다.이러한 효과에 대항하기 위해 천문학자들은 CCD 셔터를 닫았다 폈다 하면서 여러 번 노출을 한다.무작위 노이즈를 줄이려면 셔터를 닫은 상태에서 촬영한 영상의 평균이 필요합니다.전개되면, 오픈 셔터 화상으로부터 다크 프레임 평균 화상을 감산해, CCD내의 다크 전류나 그 외의 계통적인 결함(데드 픽셀, 핫 픽셀 등)을 제거합니다.신형 Skipper CCD는 동일한 전하의 데이터를 여러 번 수집하여 노이즈를 방지하며, 정밀 조명 암흑 물질 검색 및 중성미자 측정에 [26][27][28]응용된다.

특히 허블 우주 망원경은 원시 CCD 데이터를 유용한 [29]이미지로 변환하기 위해 고도로 개발된 일련의 단계("데이터 감소 파이프라인")를 가지고 있습니다.

천체 사진에 사용되는 CCD 카메라는 대부분의 영상 플랫폼의 엄청난 무게와 함께 바람과 다른 원천으로부터의 진동에 대처하기 위해 튼튼한 마운트를 필요로 한다.은하와 성운의 장시간 노출을 위해, 많은 천문학자들은 자동 안내라고 알려진 기술을 사용한다.대부분의 오토게이더는 두 번째 CCD 칩을 사용하여 이미지 처리 중 편차를 감시합니다.이 칩은 추적 오류를 빠르게 감지하고 마운트 모터에 오류를 시정하도록 명령할 수 있습니다.

드리프트 스캔이라고 불리는 CCD의 특이한 천문학적인 응용은 고정 망원경이 추적 망원경처럼 작동하고 하늘의 움직임을 따르도록 만들기 위해 CCD를 사용합니다.CCD의 전하들은 하늘의 움직임과 평행한 방향으로 같은 속도로 전달되고 읽힌다.이런 방식으로, 망원경은 정상 시야보다 더 넓은 하늘의 영역을 촬영할 수 있다.Sloan Digital Sky Survey는 이 기술을 사용하여 하늘의 1/4 이상을 조사하는 가장 유명한 예입니다.

CCD는 이미저 외에 분광계[30] [31]및 간섭계를 포함한 일련의 분석 기기에 사용됩니다.

컬러 카메라

CCD의 바이엘 필터
240라인 Sony CCD PAL 캠코더 CCD 센서 상의 RGGB Bayer 필터의 x80 현미경 뷰

디지털 컬러 카메라는 일반적으로 CCD 위에 바이엘 마스크를 사용합니다.4픽셀의 각 사각형에는 필터링된 빨간색, 파란색 및 녹색이 각각 하나씩 있습니다(인간의 눈은 빨간색 또는 파란색보다 녹색에 더 민감합니다).그 결과, 픽셀 마다 휘도 정보가 수집되지만, 색 해상도는 휘도 해상도보다 낮아집니다.

3개의 CCD 디바이스(3CCD)와 이미지를 빨강, 초록, 파랑의 각 컴포넌트로 분할하는 이분법 빔 스플리터 프리즘을 사용하면, 보다 뛰어난 색분할을 실현할 수 있습니다.3개의 CCD 각각은 특정 색상에 응답하도록 배치되어 있다.많은 전문 비디오 캠코더와 일부 준전문 캠코더는 이 기술을 사용하고 있지만, 경쟁하는 CMOS 기술의 발전으로 빔 스플리터 및 바이어 필터가 장착된 CMOS 센서가 하이엔드 비디오 및 디지털 시네마 카메라에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다.Bayer 마스크 장치에 비해 3CCD의 또 다른 장점은 렌즈에서 나오는 빛의 대부분이 실리콘 센서 중 하나에 들어가는 반면, Bayer 마스크는 각 픽셀 위치에 떨어지는 빛의 높은 비율(2/3 이상)을 흡수하기 때문에 양자 효율성이 높다는 것입니다.

예를 들어 현미경 검사에서 정지 장면의 경우, 바이엘 마스크 장치의 분해능을 현미경 검사 기술로 높일 수 있습니다.컬러 공동 사이트 샘플링 프로세스 중에 씬의 여러 프레임이 생성됩니다.수집 사이에 센서는 픽셀 치수로 이동되므로 색상의 빨간색, 녹색 및 파란색 구성요소에 민감한 마스크 요소에 의해 시야의 각 포인트가 연속적으로 수집됩니다.최종적으로, 화상의 모든 픽셀이 각 색상에서 적어도 1회 스캔 되어 3채널의 해상도가 같아집니다(빨간색 및 푸른색 채널의 해상도는 4배, 녹색 채널은 2배).

센서 크기

주요 기사:이미지 센서 형식

센서(CCD/CMOS)는 다양한 크기 또는 이미지 센서 형식으로 제공됩니다.이러한 사이즈는, 광학 형식이라고 불리는 1/1.8 인치나 2/3 인치등의 인치 분수 지정에 의해서 참조되는 경우가 많습니다.이 측정은 1950년대 Vidicon 튜브에서 시작되었습니다.

만발한

수직 도말

CCD 노출이 충분히 길면, 결국 이미지의 가장 밝은 부분의 "빈"에 모인 전자가 빈에 넘쳐 흐르면서 꽃을 피웁니다.CCD의 구조는 전자가 다른 방향보다 한 방향으로 더 쉽게 흐를 수 있도록 하여 수직 줄무늬를 [32][33][34]발생시킵니다.

CCD에 내장할 수 있는 일부 블러밍 방지 기능은 일부 픽셀 영역을 드레인 [35]구조로 사용함으로써 CCD의 감도를 낮춥니다.James M. Early는 광 채집 영역을 손상시키지 않는 수직 방류 배수관을 개발하여 광 감도를 낮추지 않았습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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