4. Przetworniki CCD
4.1. Budowa i zasada działania przetworników CCD
Przetwornik CCD (Charge Coupled Device) to rodzaj wielokanałowego przetwornika wizyjnego o sprzężeniu ładunkowym. Ma postać matrycy składającej się z regularnego układu fotodetektorów (niezależnych światłoczułych komórek), których rolę pełnią kondensatory MOS (Metal Oxide Silicon) [6,7,51,92,119,122].
VG
SiO2 SiO2
Ładunek
VS
Studnia potencjału
Elektroda (bramka)
p-Si
Rys. 4.1. Struktura kondensatora MOS na podłożu krzemowym [6,51,121]
Pojedynczy kondensator MOS (rys. 4.1) jest zbudowany z trzech warstw: przewodnika (metal), izolatora (tlenek krzemu SiO2) i półprzewodnika (silnie domieszkowany monokryształ krzemu). Strukturę MOS uzyskuje się poprzez pasywację podłoża krzemowego czyli wytworzenie warstwy izolatora SiO2 na warstwie półprzewodnika, następnie na warstwę dielektryka zostaje napylona cienka warstwa metalu, która pełni funkcję elektrody (bramki).
W przypadku, gdy półprzewodnik będący bazą kondensatora jest domieszkowany dodatnio, to elektroda również musi być spolaryzowana dodatnio [6,7,42,51,57,92,120,122].
W wyniku przyłożenia dodatniego potencjału do przewodzącej elektrody, dziury z obszaru na granicy dielektryk – półprzewodnik odpływają w głąb podłoża, przez co w cienkiej warstwie półprzewodnika (położonej bezpośrednio pod powierzchnią styku obu materiałów) wytwarza się zubożony obszar o powierzchni zbliżonej do powierzchni bramki.
Dalsze zwiększanie napięcia na elektrodzie powoduje odpływ dziur i gromadzenie się elektronów na granicy z izolatorem, a charakter przewodnictwa ulega inwersji. Pod bramką
Przetworniki CCD 40
powstaje tzw. studnia potencjału, czyli obszar o najmniejszej energii potencjalnej.
Powierzchnia przez nią zajmowana jest zdeterminowana rozmiarami elektrody (studnia nieznacznie wykracza poza obrys bramki), jej głębokość zależy od wartości przyłożonego napięcia, a objętość studni potencjału określa ładunek, jaki może być zakumulowany w kondensatorze MOS [6,7,42,51,122].
Światło absorbowane przez wieloelementową matrycę CCD powoduje uwolnienie nośników na skutek przekazania przez fotony energii do elektronów, które gromadzą się w studni potencjału (zachodzi wewnętrzny efekt fotoelektryczny). Wielkość zakumulowanego ładunku przestrzennego jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania oraz do czasu ekspozycji (czasu gromadzenia ładunku). Tak więc, każdy taki obszar pełni rolę pojedynczego elementu przetwarzająco-akumulującego i może być traktowany jako kondensator.
Podczas detekcji (zbierania ładunku), do elektrody przyłożone jest dodatnie napięcie, a więc elektrony uwolnione w efekcie fotoelektrycznym gromadzą się pod nią. Zamknięcie migawki (odcięcie dostępu promieniowania do matrycy) kończy proces detekcji i „zamraża”
obraz w postaci ładunku objętościowego pod bramką [6,42,51].
Po generacji i akumulacji nośników następuje trzeci etap: transfer „zamrożonego”
ładunku z jednego elementu pojemnościowego do kolejnego, aż do komórki pamięci znajdującej się w rejestrze przesuwającym (rejestrze odczytu). Proces ten polega na przyłożeniu potencjału o odpowiedniej wartości do elektrody sąsiadującej z bramką, pod którą znajduje się studnia potencjału, co powoduje przesunięcie pod nią ładunku w wyniku działania mechanizmów unoszenia i dyfuzji. Sekwencyjne powtarzanie tego procesu pozwala na transfer ładunku na zewnątrz matrycy CCD, aż do elektrody zbierającej, która ma postać silnie domieszkowanego półprzewodnika typu n – kondensator MOS znajdujący się pod tą elektrodą pełni rolę elementarnej komórki pamięci. Obraz uzyskuje się przez odczyt sygnałów ze wszystkich komórek pamięci w matrycy CCD, które następnie są wzmacniane i konwertowane do postaci cyfrowej przy użyciu przetworników analogowo-cyfrowych [6,7,42,51,122].
Transport ładunku może zachodzić na kilka sposobów: w cyklu dwufazowym, trójfazowym lub czterofazowym (rys. 4.2). Cykle te różni liczba przykładanych jednocześnie potencjałów (liczba faz przykładania potencjałów) oraz liczba bramek składających się na pojedynczy piksel czyli najmniejszy element obrazu dwuwymiarowego. Przykładowo, w przypadku cyklu trójfazowego pojedynczy piksel stanowi obszar pod trzema elektrodami.
W celu zmniejszenia wymiarów piksela konstruuje się również kondensatory MOS,
Przetworniki CCD 41
w których przenoszenie ładunku zachodzi w cyklu pseudofazowym lub jednofazowym [6,42,51,122].
f1f2 f1 f2f1 f2 f1 f1 f2 f3f1f2 f3f1 f1 f2 f1f2 f1 f2f1 Cykl czterofazowy Cykl trójfazowy Cykl dwufazowy
Cykle zegarowe
Czas 1
3 2
5 4
t0 t1 t2
Rys. 4.2. Schemat ilustrujący transport ładunku w cyklu: dwufazowym, trójfazowym i czterofazowym [6,51,122]
Z obrazu otrzymanego z przetwornika CCD można uzyskać jedynie te dane o jakości rejestrowanego obiektu, które są związane z natężeniem promieniowania, lecz nie daje to informacji na temat kolorów. Aby otrzymać obraz kolorowy, należy użyć barwnych filtrów zawierających trzy podstawowe kolory: czerwony, zielony i niebieski (tzw. dyskretny filtr optyczny DFO, typu addytywnego). Stosuje się trzy techniki uzyskiwania kolorowego obrazu [42]:
rejestrację obrazu przez trzy przetworniki, z których każdy zawiera filtr w jednej z trzech barw; każdy piksel matrycy dostarcza informacji o trzech kolorach, rozwiązanie to zapewnia dużą rozdzielczość, ale jest najbardziej skomplikowane technicznie i kosztowne,
wirujący zestaw filtrów przesuwany nad kolejnymi pikselami jednego przetwornika CCD; każdy piksel przekazuje informację o trzech kolorach, metoda ta stosowana jest głównie do rejestracji obrazów statycznych lub wolnozmiennych ze względu na niską efektywną częstotliwość przetwarzania,
filtry napylone w trakcie procesu produkcji na elementy światłoczułe lub umieszczone nad nimi; każdy piksel ma przypisany jeden filtr o danym kolorze, a więc informacja
Przetworniki CCD 42
pochodząca z niego dotyczy tylko jednej barwy, ale dzięki interpolacji danych o składowych koloru z sąsiednich pikseli można wystarczająco dokładnie określić barwę danego elementu światłoczułego.
Na rysunku 4.3 przedstawiono jeden z najczęściej wykorzystywanych filtrów: filtr Bayera oraz przekrój przez matrycę CCD z nałożonym filtrem Bayera. W filtrach tego typu w każdym wierszu występuje kolor zielony naprzemiennie z barwą czerwoną lub niebieską, które pojawiają się co drugi wiersz. Taki układ jest stosowany ze względu na dużą czułość oka ludzkiego na barwę zieloną. Dzięki temu sygnał luminancji (rekonstruowany na bazie koloru zielonego) ma dużą rozdzielczość, a sygnał chrominancji, mimo zmniejszenia swojej rozdzielczości, nie wpływa na obniżenie ostrości obrazu [42,103].
a) b)
Element filtru Bayera
Fotodioda Piksel
Mikrosoczewka
Widok piksela z góry
Przekrój poprzeczny matrycy Rysunek uproszczony
Rys. 4.3. Układ barw w filtrze Bayera (a) oraz schemat matrycy CCD z nałożonym filtrem [130]
Przetworniki CCD można podzielić ze względu na [6,7,42,51,120,122]:
1) położenie kanału, w którym zachodzi transport ładunku objętościowego:
przetworniki CCD powierzchniowe SCCD (Surface Channel CCD), w których gromadzenie i transfer ładunku odbywa się w obszarze przypowierzchniowym, w którym przepływ nośników może zostać zakłócony. Z jednej strony zakłócenia wywołują defekty występujące w podłożu (najwięcej ich znajduje się przy powierzchni materiału), powodujące pojawianie się lokalnych studni potencjału głębszych od studni potencjału wytwarzanych za pomocą napięcia, które mogą pułapkować „paczki” ładunku. Z drugiej strony, zbyt duża częstotliwość zmian potencjałów sterujących przepływem w połączeniu z defektami materiałowymi zmniejszającymi prędkość przenoszenia ładunku może spowodować rozdzielenie
„paczek” ładunku. W wyniku obu tych mechanizmów, końcowy obraz może ulec
Przetworniki CCD 43
zafałszowaniu: zmniejszenie lub zwiększenie sygnału bądź tzw. przesłuchy, gdy „zagubiona” część ładunku pojawia się w następnych „paczkach”;
przetworniki CCD z kanałem zagrzebanym BCCD (Buried Chanel CCD), w których zbieranie i przepływ nośników zachodzi w głębszych warstwach półprzewodnika, gdzie defekty materiałowe występują zdecydowanie rzadziej niż przy powierzchni. Z tego względu przetworniki te są w dużym stopniu pozbawione opisanych wcześniej zakłóceń, a w efekcie zwiększa się sprawność i prędkość przesuwu ładunku;
2) sekwencję zmian potencjału:
przetworniki CCD z cyklem czterofazowym,
przetworniki CCD z cyklem trójfazowym,
przetworniki CCD z cyklem dwufazowym,
przetworniki CCD z cyklem pseododwufazowym,
przetworniki CCD z cyklem jednofazowym;
3) architekturę odczytu ładunku z rejestru (rys. 4.4) [57,120]:
przetworniki z przesuwem ramki FT (Frame Transfer Sensor) – matryca CCD jest podzielona na dwie sekcje tworzone przez pionowe rejestry: obrazową (obszar naświetlany) oraz odpowiedzialną za detekcję i kumulację pamięciową, która odpowiada za przechowywanie ładunku. Na każdy rejestr z obszaru obrazowego przypada jeden rejestr pamięciowy. Odczyt następuje w wyniku szybkiego jednoczesnego przesuwu ładunków z całego obszaru sekcji obrazowej do pionowych rejestrów sekcji pamięciowej (przesuwana jest cała ramka na raz);
przetworniki z przesuwem międzykolumnowym IL (Interline Transfer Sensor) – rejestry obrazowe i rejestry przesuwające są rozmieszczone naprzemiennie w kolumnach, a każdy element CCD w pojedynczej kolumnie ma odpowiadający sobie element w rejestrze przesuwającym. Po zgromadzeniu ładunków następuje ich przemieszczenie do pionowych rejestrów przesuwających, skąd są sukcesywnie przenoszone linia po linii do rejestru poziomego i dalej na wyjście przetwornika CCD;
przetworniki FIT (Frame Interline Transfer Sensor) – połączenie obu powyższych rozwiązań. Matryca CCD jest podzielona na sekcje obrazową i pamięciową, ale jednocześnie zawiera pionowe rejestry przesuwające pomiędzy kolumnami sekcji obrazowej.
Przetworniki CCD 44 a)
T T T T T T T T T T T T
T T T T T T T T T T T T Izolacja między rejestrami
(bateria potencjałowa - kanał nadmiarowy) Scalony analizator linii typu SR
Ogniwo rejestru pionowego
Obszar naświetlony
Obszar zaciemniony (maska AL)
V (t)s
ZBT1
ZBT2
Vo
Rejestr wyjściowy
Sterowanie ogólne Sterowanie sekcji obrazowej Sekcja pamięci
Sterowanie sekcji pamięci Sekcja obrazowa
Ogniwo rejestru wyjściowego
b) c)
Bramka transferowa
Detektor
Rejestr CCD
FPA Rejestr CCD
Bramka transferowa
Detektor
Rejestr CCD FPA Rejestr CCD
Sekcja obrazowa
Sekcja pamięci Dren
Rys. 4.4. Architektura odczytu ładunku: w przetworniku FT (a), w przetworniku IL (b) i w przetworniku FIT (c) [6]
Przetworniki CCD 45
Ponadto można rozróżnić przetworniki CCD ze względu na [6,42]:
zastosowaną w matrycy CCD metodę odczytu sygnału: układy z tzw. pływającą dyfuzją (floating diffusion), układy z podwójnym skorelowanym próbkowaniem (correlated double sampling) i układy przedwzmacniacza z tzw. pływającą bramką (floating gate),
wykorzystaną technikę otrzymywania koloru: rejestracja przy użyciu trzech przetworników, wirujący zestaw filtrów, statyczny zestaw filtrów,
oraz z uwagi na to, z której strony jest oświetlany przetwornik CCD: Back-thinned CCD (promieniowanie pada bezpośrednio na półprzewodnik) i Front-Side CCD (światło pada najpierw na elektrody).
Najważniejszymi metrologicznymi parametrami przetworników CCD są [6,7,42,51,57, 120,122]:
Czułość bezwzględna R (Responsivity), będąca ilorazem wejściowego napięcia U lub natężenia prądu I i iloczynu mocy PS promieniowania przypadającego na 1cm2 i powierzchni A, na którą pada:
Im większa czułość bezwzględna, tym większa zdolność przetwornika do rejestracji padającego promieniowania.
Moc równoważna szumów NEP (Noise Equivalent Power) to iloraz dwóch iloczynów: mocy PS promieniowania przypadającego na 1cm2 i powierzchni A, na którą pada oraz stosunku sygnału do szumu S/N i pierwiastka kwadratowego z szerokości widmowej szumu przypadającej na 1 cm2 powierzchni:
rejestrowany sygnał wyróżnia się spośród szumów. Im większa wartość NEP, tym mniejszą wartość natężenia może mieć sygnał rejestrowany przez przetwornik.
Zdolność detekcji D (Detectivity) jest odwrotnością mocy równoważnej szumom:
Przetworniki CCD 46
Im większa zdolność detekcji, tym mniejszą moc promieniowania padającego można zmierzyć za pomocą przetwornika.
Znormalizowana zdolność detekcji D* (Normalized Detectivity) uwzględnia również wielkość powierzchni A, na którą pada promieniowanie:
ta zależy od domieszkowania podłoża, rozmiarów elementu światłoczułego i architektury matrycy CCD, przybiera wartości z przedziału od 50 000 do 1 mln pikseli, a jej granice wyznaczają: szumy detektora (dolna granica) i maksymalna wartość sygnału, jaka może zostać zmierzona przez detektor (górna granica);
liczba pikseli w detektorze (Total Electron Capacity) – im większa matryca i im mniejsze rozmiary pikseli, tym większa rozdzielczość przetwornika, ale i dłuższy czas odczytu;
zdolność utrzymania ładunku do momentu pomiaru jego wartości – istnieje możliwość rozpraszania się ładunku na sąsiednie piksele, co wywołuje wrażenie złego zogniskowania obrazu z powodu samoistnego rozładowywania się kondensatorów;
Zakres dynamiczny (Dynamic Range) jest to iloraz sygnałów: maksymalnego i minimalnego, jakie mogą zostać zmierzone przy użyciu przetwornika.
Jest on zdeterminowany przez właściwości przetwornika A/C i decyduje o wielkości
S odróżnialnej przez detektor, czyli dla jakich wartości S, S i S+S są traktowane jako sygnały o różnych wartościach;
Sprawność przesuwu ładunku (Charge Transfer Efficiency) jest definiowana jako iloraz ilości ładunku przesuniętego między sąsiednimi elektrodami i ilości ładunku pierwotnie zgromadzonego pod jedną z tych elektrod lub jako różnica jedności i współczynnika strat przenoszenia określającego niesprawność transferu:
1 . (4.5)
Przetworniki CCD 47
Stosunek sygnału do szumu SNR (Signal to Noise Ratio), który zależy od:
liczby fotonów Ns padających na detektor;
szumu ciemnego Id1/2
SNR wzrasta wykładniczo wraz ze zwiększaniem pojemności studni potencjału.
Czułość świetlna SL to iloraz współczynnika SNR oraz wydajności kwantowej, określa czułość detektora na światło o danej długości fali:
QE
SL SNR. (4.7)
Prąd ciemny Id – prąd generowany w wyniku zbierania przez piksele sygnału nawet przy braku oświetlenia. Powstaje on w efekcie generacji termicznej w naturalnej masie krzemowej, w studni potencjału oraz w obszarach przypowierzchniowych na styku izolator – półprzewodnik: oraz od temperatury detektora (charakterystyka prądu ciemnego w funkcji czasu ekspozycji jest liniowa w zakresie temperatury pracy danego detektora);
Współczynnik wypełnienia piksela określa wielkość obszaru aktywnego piksela, biorącego udział w konwersji padającego promieniowania;
Liniowość odpowiedzi świadczy o tym, że sygnał rejestrowany przez przetwornik CCD jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania (odpowiedź detektora na sygnał wejściowy jest wprost proporcjonalna do tego sygnału);
Czas odpowiedzi – jest ważnym parametrem w badaniach dynamiki procesów szybkozmiennych przeprowadzanych w czasie rzeczywistym;
Gorące piksele: ponieważ jednakowa czułość wszystkich pikseli na padające promieniowanie jest trudna do uzyskania w procesie technologicznym, dlatego w matrycy CCD mogą występować tzw. gorące piksele, w których nawet przy braku oświetlenia mogą być generowane nośniki.
Przetworniki CCD 48
Na dokładność pomiaru sygnału za pomocą przetwornika CCD mają również wpływ szumy pochodzące z różnych źródeł, w tym [6,9,28,42,51,57,69,70,120,122]:
szum fotonowy (Shot Noise) – wynika z losowej fluktuacji fotonów w wiązce padającego światła i jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z natężenia absorbowanego promieniowania;
szum termiczny (Thermal Noise) – jest związany ze statystycznymi fluktuacjami podczas tworzenia termicznego sygnału wywołanego obecnością elektronów termicznych; powyżej +25C każdy wzrost temperatury o 10C powoduje podwojenie wartości szumu termicznego;
szum odczytu (Read-out Noise) – powstaje przy odczycie zawartości poszczególnych pikseli i zależy od jakości zczytującego układu elektronicznego;
szum różowy (Pink Noise) – proporcjonalny do odwrotności częstotliwości padającego promieniowania; występuje przy małych wartościach częstotliwości;
szum generacyjno-rekombinacyjny (White Noise) – wynika ze statystycznego charakteru dyfuzji ładunków, a tym samym statystycznych fluktuacji liczby generacji i rekombinacji par elektron-dziura; pojawia się przy wyższej częstotliwości;
kwantyzacja szumu (Quantum Noise) – błędy wprowadzane w trakcie konwersji w przetworniku analogowo-cyfrowym.
A
A
A
A A A
A A A A
A
Idealny sygnał
Szum fotonowy
Szum związany z prądem ciemnym
Szum 1/f
Kwantyzacja szumu a)
b)
c)
d)
e)
Rys. 4.5. Wpływ szumu na sygnał transportowany w przetworniku CCD: a) idealny sygnał; b), c), d) i e) sygnały zaszumione odpowiednio: szumem fotonowym (b), szumem związanym z prądem ciemnym (c),
szumem różowym (d), szumem kwantowym (e) [42]
Przetworniki CCD 49
Wymienione szumy powodują pogorszenie jakości sygnału, zmniejszają jego czytelność oraz wprowadzają przekłamania do końcowej informacji. Rysunek 4.5 ilustruje wpływ wybranych rodzajów szumów na sygnał końcowy.