Współczesne fotodetektory obrazujące - półprzewodnikowe układy o sprzężeniu ładunkowym CCD Na podstawie wykladu prof. Pokrzywki.

Prezentacja na temat: "Współczesne fotodetektory obrazujące - półprzewodnikowe układy o sprzężeniu ładunkowym CCD Na podstawie wykladu prof. Pokrzywki."— Zapis prezentacji:

1 Współczesne fotodetektory obrazujące - półprzewodnikowe układy o sprzężeniu ładunkowym CCD Na podstawie wykladu prof. Pokrzywki

2 2 zbiór punktów czułych na światło tzw. "piksli" odpowiedź proporcjonalna do oświetlenia możliwość przechowania informacji o oświetleniu każdego piksla pożądana możliwość konwersji na postać cyfrową  Detektory obrazujące pracują w trybie integracji czasowej. Czas ten może być krótki ~50ns lub bardzo długi ~ godzin. TV - 50 półobrazów/s  Otrzymanie informacji o dwuwymiarowym rozkładzie oświetlenia. Gęstość próbkowania określa liczba piksli.  Odczyt sekwencyjny  Zapisanie informacji o oświetleniu piksla w postaci cyfrowej Detektor obrazujący

3 3 Efekt fotoelektryczny wewnętrzny Detekcja fotonów Efekt fotoelektryczny wewnętrzny -Urządzenia z Transferem Ładunku - CTEUrządzenia z Transferem Ładunku - CTE Fotodioda FotoMOS A) Padające na półprzewodnik fotony tworzą pary e-h. Separacja przestrzenna elektronów (e) i dziur (h). B) Zgromadzenie i przechowanie wytworzonego ładunku. C) Dostarczenie ładunku do stopnia konwertującego Q-V D)konwersja Q-V Szeregowy przekaz ładunku przez sprzężenie ładunkowe, (Charge Coupled Device)

4 4 Model "cieczowy" +V g V studnia potencjału VgVg x zgromadzony ładunek Foto MOS Studnia potencjału, w której osadzone są poziomy energetyczne jest reprezentowana schematy- cznie jako „zbiornik” na ciecz reprezentującą ładunek (elektrony). Kondensator MOS  px 3  m d G  0.1  m, d SiO2  0.1  m d p  10  m, d p+  250  m x y z 

5 5 Fotodioda a fotoMOS Elektrony są zbierane w warstwie inwersyjnej (przy powierzchni) Fotony dostają się do obszaru opróżnionego przez bramkę Pojemność ładunkowa większa niż fotodiody Dioda soplaryzowana zaporowo, odcieta Elektrony są zbierane w strefie ładunku przestrzennego warstwy n + ( - dodatni ładunek przestrz.) Fotony łatwo dostają się do wnętrza diody V -Q S +V g V -Q S Foto MOS Fotodioda Zgromadzony Ładunek =Fotoelektrony + Ładunek ciemny VDVD V D0 +Q P

6 6 Fotodioda a fotoMOS Porównanie wydajności kwantowej detektorów fotodiodowych i fotoMOS KAI 2001 (fotodiod.) KAF 1680 (fotoMOS)  Przekrój czynny na kreację pary e-h  Straty na odbicie od powierzchni  Absorpcja w elekrodach (bramka!), warstwie SiO 2,...  Straty rekombinacyjne w substracie Wydajność kwantowa QE Fotodiody mają większe QE ale mają mniejszą pojemność ładunkową KAI 2001M 40×10 3 e 40e/pix/s KAF 1680L 100×10 3 e 18e/pix/s pojemność sygnał ciemny

7 7 Różne typy oświetlenia fotoMOS-a Oświetlenie przednie grubość podkładu~250  m Oświetlenie tylne grubość podkładu~15  m

8

9 9 Urządzenia z kanałem zagrzebanym Obszar opróżniony jest złożeniem obszaru opróżnionego diody i MOS. Maksimum potencjału elektrycznego wewnątrz obszaru n. Obszar, w którym gromadzone są elektrony odsunięty od powierzchni SiO 2 Elektrony są gromadzone przy powierzchni granicznej. Nieciągłość materiałowa i struktury krystalicznej -> pułapkujące stany powierzchniowe Duża liczba elektronów uwięziona w tych stanach V(0)= V g ; V(z D )=0 ; ρ<0 V(0)= V g ; V(z D )=0 ; ρ p 0

10 10 Schemat trójfazowy przesuwu ładunku V X ee ee ee elektrony ładunek przestrzenny piksel n,m piksel n,m+1 p komórka 3 bramki HHLLL kolumna n kolumna n-1

11 11 Schemat trójfazowy przesuwu ładunku V X ee ee ee p HHLLL

12 12 Schemat trójfazowy przesuwu ładunku V X p e e e e ee HHHLH

13 13 Schemat trójfazowy przesuwu ładunku V X p e e e e ee H/L LLH

14 14 Schemat trójfazowy przesuwu ładunku V X p HHLLL ee ee ee

15 15 Wydajność przekazu ładunku Wydajność przekazu ładunku CTE Charge Transfer Efficiency [%] Po N transferach dociera (1-CTE) N ×Q. Dla matrycy 2048×2048 CTE =99.99% (1-CTE) N =0.66 CTE=99.999% (1-CTE) N =0.96 Q Wy (1,1)=(1-CTE) N × Q (1,1) L K N=L+ K 1,1 rejestry przesuwu pionowego rejestr przesuwu poziomego KAF 1680L min. 99.997% KAI 2001 min. 99.999% THX7898 min. 99.996% SIT ST033A min. 99.995%

16 16 Inne schematy przesuwu ładunku Oprócz schematu trójfazowego występują również: Schemat czterofazowy (Thomson CSF) Schemat z fazą wirtualną (Texas Instruments) Schemat dwufazowy (Kodak) Oprócz schematu trójfazowego występują również: Schemat czterofazowy (Thomson CSF) Schemat z fazą wirtualną (Texas Instruments) Schemat dwufazowy (Kodak) piksel n,m piksel n,m+1 komórka 2 bramki L kolumna n kolumna n-1 L LL L kanał implant jonowy

17 17 Schemat dwufazowy przesuwu ładunku LHLH V

18 18 Schemat dwufazowy przesuwu ładunku H/L V

19 19 Schemat dwufazowy przesuwu ładunku HLHL V

20 20 Schemat dwufazowy przesuwu ładunku HLHL V 2121

21 21 Układ z przesuwem międzyliniowym układ wyjściowy Przesunięcie ładunku z fotoelementów do rejestrów CCD Naświetlanie następnej klatki Przesuw ładunku w rejestrach CCD Naświetlanie fotoelementów i gromadzenie ładunku bramki transferu fotoelementy Układy z przesuwem międzyliniowym rozdzielaja przestrzennie fazę zbierania ładunku (całkowania) w fotoelementach od fazy przesuwu ładunku.  Tylko część powierzchni jest światłoczuła rejestry CCD

22 Soczewki przed CCD

23 23 CCD pracujace w trybie przesuniecia obrazu do czesci przechowujacej (frame transfer). Tylko polowa CCD jest swiatloczula, druga polowa jest przyslonieta i przeznaczona do przechowywanie ladunku. Zaleta: odczyt (podczas naswietlania) => ciaglosc obserwacji. Dlaczego to jest wazne? Przerwy w obserwacjach zmniejszaja sygnal, tracimy fotony i informacje o zachodzacym procesie bo nie obserwujemy 10s -------| 1 0s |-------| |-------| |-------... czekamy 10s ! 19.5s 0.5s --------------||--------------||---------------||--------------...

24 24 Aktualnie stosowane rozwiązania-podsumowanie  Współczesne detektory CCD mogą jako detektora używać elementu fotoMOS lub fotodiody.  Różnią się stosowanym schematem przesuwu ładunku ładunku. Wszystkie używają kanału zagrzebanego.  Przez odpowiednie domieszkowanie różnych obszarów płytki krzemowej oraz odpowiednie taktowanie można dowolnie operować położeniem ładunku. Rozwiązanie zależy od zastosowania: 1) Matryce pełnoobrazowe CCD. ( Jako elementy światłoczułe -fotoMOS, które również służą do przesuwu ładunku)  Wymagają zewnętrznej migawki. Cała powierzchnia matrycy jest fotoczuła. Mogą być przystosowane do naświetlania "od tyłu". 2) Matryce z przesuwem międzyliniowym CCD. (Element fotoczuły - fotodioda lub fotoMOS, przesuw ładunku następuje w zamaskowanych rejestrach CCD - separacja przestrzenna i czasowa fazy naświetlania i przesuwu ładunku.) Odczyt następuje w czasie ekspozycji następnego obrazka  Tylko 30%-50% powierzchni detektora jest fotoczułe Możliwość regulowania czasu ekspozycji (t min ~1  s). Maksymalne rozmiary to 2048×2048 piksli. Szybkość odczytu  50MHz

25 Liniowość

26 Parametry charakteryzujace CCD QE w zaleznosci od dl. fali Glebokosc studni potencjalu [e] 100000 Szum odczytu [e] 7.3 Liczba e na ADU, wzmocnienie (gain) [e/ADU] 1.8 prad ciemny [e/piksel/sek, przy okreslonej tem. np. 0 C] 40 CTE0.9998 Rozmiar CCD [w pikselach i/lub mm]1024x1024, 15x15mm Wielkosc pojedynczego piksela [um] 15 Poziom saturacji [ADU] 50000

27 CCD Observing Full Well, Noise, ADUs, and Dynamic Range Wzmocnienie (gain): Kazdy piksel po naswietleniu zawiera ladunek (wyrazany w liczbie elektronow). Zeby odczytac wartosc tego ladunku, przesuwamy go do kondensatora gdzie widziany jest w postaci napiecia. Napiecie odczytywane jest przez kowerter analogowo cyfrowy A/D (Analog to Digital), ktory nadaje wartosc liczbowa mierzonego napiecia w tzw. jednostkach zliczen ADU (Analog to Digital Units). Zliczenia nie sa zywczajnie rowne liczbie elektronow odczytanych z piksela. Zeby ja przeliczyc na rzeczywista liczbe elektronow trzeba skorzystac z tzw. wspolczynnika wzmocnienia czyli gainu, ktory pokazuje ile elektronow przypada na 1 ADU. Dla 16 bitowego konwertera (na wyjsciu mamy liczby od 0 do 65535) i studni potencjalu powiedzmy 40000 e wzmocnienie bedzie rowne 65535 ADU/40000e ~ 1.6 ADU/e.

28 Zakres dynamiczny mozna przedstawic jako stosunek glebokosci studni potencjalu do szumu odczytu w ADU. Np. ccd ktorej glebokosc studni potencjalu dla pojedynczego piksela wynosi 35000 elektronow i szumie odczytu 15 elektronow ma zakres dynamiczny = 2333. Taki zakres dynamiczny moze byc bez problemu rozdzielony przy pomocy 12 bitowego A/D konwertera. Gdy sudnia potencjalu ma 350000 e szum odczytu 15 e wtedy zakres dynamiczny wynosi 23333, a w tym wypadku A/D konwerter musi byc 16 bitowy (maksymalna liczba jaka da sie zakodowac w 16 bitach to 65536 czyli 2^16) 15 bitowy bylby za maly. Dlaczego zakres dynamiczny zalezny jest od szumu odczytu? Dlatego, ze najmniejsze zliczenie jakie mozna danym CCD odczytac bedzie ograniczone szumem odczytu. Przy szumie odczytu 10 e, nawet jezeli odczytamy nienaswietlona matryce CCD, zliczenia nie beda zerowe ale beda fluktuowac w poblizu 10 e. Bo taki jest szum odczytu. Zakres dynamiczny, konwerter A/D

29 Przy tym samym rozmiarze CCD, w zaleznosci od rozmiarow pikseli mozemy uzyskac niedoprobkowanie (undersampling) obrazu lub zbyt duza liczbe pikseli na obraz (oversampling): Mniejsze piksele => mniejsze CCD => mniejsze pole widzenia... Jakie CCD? obraz gwiazdy, dyfrakcja, seeing

30 Zdjecie albo ekspozycja bias - 0 sekundowa, zamknieta migawka dark - bias + termiczne elektrony, zamk. migawka ekspozycja - bias+dark+fotoelektrony, migawka otwarta

31 Wstepna redukcja zdjec CCD Zdjecia zrobione kamera CCD nalezy zredukowac na bias i dark. Nastepnie trzeba wyrownac w nich roznice w czulosci miedzy pojedynczymi pikselami. Sluzy do tego tzw. zdjecie kalibracyjne (flat field) rowno oswietlonej powierzchni w tym zakresie spektralnym (filtrze) w jakim robilismy obserwacje. W rezultacie zredukowana wstepnie ekspozycja jest rowna: ekspozycja skalibrowana= (ekspozycja(t) – bias – dark(t) )/flat gdzie t jest czasem integracji (czastem otwarcia migawki). Calibration (or PRE-PROCESSING) of an astronomical CCD deep- sky image consists of removing the bias and thermal contribution (DARK FRAME) and dividing the resultant image by the FLAT- FIELD in order to standardize the response of each image pixel. Calibrated = (Raw - Bias - Thermal) / Flat = (Raw - Dark) / Flat The DARK frame should be removed firstly from the RAW image then the result should be divided by the FLAT-FIELD. DARK FRAME A dark frame is an integration in which no light strikes the CCD. It records the BIAS noise and THERMAL noise for a specific CCD temperature and integration time: DARK FRAME = BIAS FRAME + THERMAL FRAME To take a dark frame you can simply cap your telescope and integrate using the same time that you are using for acquiring the raw image. If you are not able to control the chip temperature (+/- 0.1 °C), dark frames should be taken immediately before or after taking a raw image. For better results shoot lots of dark frames and AVERAGE or MEDIAN SUM them. Averaging frames reduces the random components by the square root of the number of frames averaged: although it takes more time, you will obtain better images. BIAS FRAME The bias frame is an image made with an integration of zero seconds and shutter closed. It contains the amplifier zero-point offset, the random readout noise from the amplifier and the noise from camera electronics. CCD cameras made for scientific imaging usually include the ability to read out a bias frame but for the simple purpose of subtracting THERMAL FRAME and BIAS, a DARK FRAME serves equally well (DARK FRAME = BIAS + THERMAL FRAME). The examination of a bias frame tells you if your camera is working properly: if you see wavy lines or patterns, your camera may not be functioning well. FLAT-FIELD The FLAT-FIELD frame is a photosite-by-photosite map of a CCD's sensitivity to light. It is an image of a uniform object such as twilight sky or a sheet of opal glass attached to the inside of the observatory dome. Chip sensitivity, vignetting and dust all appear as variations in the sensitivity of the CCD itself: division by FLAT-FIELD will remove these defects. When you make a raw FLAT-FIELD, then you must subtract the THERMAL and the BIAS frame from it (or the DARK). For the lowest possible noise, AVERAGE more then one FLAT-FIELD to obtain a Master Flat-Field.

32

33 Flat field roznice czulosci miedzy pikselami wynikaja z fizycznej roznicy miedzy QE pikseli, a takze roznej przejrzystosci filtru nad danym pikselem, pylkow, kondensacji pary, cieni (winietowania) przez elementy konstrukcyjne teleskopu lub zamontowanych w nim urzadzen. Zdjecia flat fieldu robi sie przy wylaczonym prowadzeniu teleskopu lub wlaczonym ale przesuwa sie teleskop po kazdej ekspozycji. Madiana: bias, dark, flat

34 Problemy ze zdjeciami flatfieldowymi : Smieci na filtrach (duze obwazanki) i na oknie CCD (male)

35 Problemy ze zdjeciami flatfieldowymi: Smieci na filtrach (duze obwazanki) i oknie CCD (male)... + poruszajace sie smieci...

36 Flat field moze zepsuc redukowane obrazy jezeli nie zostal zrobiony tej samej nocy, lub jesli pylki przemiescily sie na oknie CCD albo filtrach (moga tez osiasc nowe w ciagu nocy).

37

38

39

40 P Seeing, ogniskowanie prowadzenie teleskopu

41 Zly seeing

42 Dobry seeing

43 Zle zogniskowany teleskop...

44 Bledy w ustawieniu matrycy CCD zle ustawione zwierciadla albo astygmatyzm moga powodowac, ze obraz gwiazd wyglada jak ten

45 Fringing... interferencyjne wady obrazu...

46 Smugi refleksyjne

47

48 Wewnetrzne odbicia zdjecia ccd sa czarnobiale, zeby uzyskac kolorowe trzeba zlozyc zdjecia w roznych filtrach

49 Satelita

50 Dyfrakcja na zwierciadle i smugi dyfrakcyjne widoczne przy obrazach jasnych obiektow

51 Zle prowadzenie teleskopu powoduje, ze obrazy gwiazd sa rozciagniete. Dlatego najczesciej polozenie teleskopu korygowane jest przez sygnaly z tzw. guidera.

52 Bardziej drastyczne bledy prowadzenia teleskopu: skoki

53 Niedzialajaca migawka

54 Promieniowanie kosmiczne: