Wykład XI CCD

1 Detektor CCD. Uran - pierwszy obiekt sfotografowany przy pomocy CCD w r. 1975. (61 – calowy teleskop w górach Santa Catalina w pobliżu Tucson - Arizona). Zdjęcie zrobione zostało przy 0.89mm. Ciemny obszar – absorpcja przez chmury metanu w pobliżu bieguna południowego planety. Obecnie amator z kamerą CCD i 15 cm teleskopem może zebrać tyle samo światła, co w r. 1960 astronom wyposażony w płytkę światłoczułą i 1 m teleskop. 1 The CCD detector 1.1 Introduction The majority of today telecopes are not much larger than those used in the few past decades. However, today astronomers can study objects that are hundred of times if not thousand and more fainter than the faintest objects studied in the 30‘s. The reason for this is quite simple: Very important improvements of photon detectors sensibility has been achieved in the past decades. Those improvements have been as important as the improvements made to the first telescopes built in the XVII th century or to photographic plates in the XIXth century. Today, the best photon detectors are CCDs ( “charge-coupled device”). It has the reputation of enabling the detection of a large fraction (typically 50) of the photons whose wavelenght range between soft X rays and the near Infrared. In comparaison, the most sensible classical photographic devices enable the detection of only 2 to 3 of the incoming photons they recieve, and only in a much more limited wavelenght domain. 1.2 History CCDs were first devlopped at the end of the sixties when two researchers of the “Bell Telephone Laboratories”, Williard S. Boyle and George E. Smith, were trying to build a new type of electronic circuits with high memory capacity for computers. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

CCD, Charge-coupled Device – urządzenie na ładunku związanym foton powierzchnia fotoczuła = piksel kondensator Fotony uwalniają elektrony z powierzchni fotoczułej. Kondensatory ładują się ładunkiem proporcjonalnym do ilości padającego światła

Zasada działania CCD 5 kroków CCD 1. oświetlić 3. zgromadzić nośniki pasmo przew. pasmo walenc. Eg 2. wygenerować nośniki 4. przetransportować nośniki 5. wzmocnić

Krok 1 i 2. Efekt fotoelektryczny. Generacja par elektron – dziura dla Rozdzielenie ładunków polem elektrostatycznym foton dziura elektron rosnąca energia pasmo walencyjne pasmo przewodnictwa 1.12eV Elektrony generowane termicznie są nierozróżnialne od tych generowanych światłem.Stąd potrzeba chłodzenia CCD. 1.12eV odpowiada długości fali 1mm. Si jest przezroczysty dla fal dłuższych.

Krok 3. Zgromadzić nośniki MOS

Tranzystor polowy MOS Zubożenie Akumulacja Inwersja

2DEG w krzemowym MOSFET S: źródło, D: dren, VG: napięcie bramki (kontroluje koncentrację elektronów) Struktura pasmowa 2DEG w warstwie inersyjnej Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS > VT 500 Å

Tranzystor MOSFET ID Prąd źródło - dren zaczyna płynąć dopiero gdy wytworzy się warstwa inwersyjna, tzn. gdy VGS > VT VGS > VT zero gdy VGS < VT VDS

MOS Akumulacja Krok 3. Zgromadzić nośniki bramka SiO2 Si typu p akumulacja dziur SiO2 Si typu p

MOS Zubożenie Krok 3. Zgromadzić nośniki bramka SiO2 Si typu p obszar ładunku przestrzennego SiO2

MOS Inversja Krok 3. Zgromadzić nośniki warstwa inwersyjna elektronów bramka Si typu p warstwa inwersyjna elektronów SiO2

Krok4. Przetransportować nośniki Analog CCD – pomiar intensywności opadów deszczu Padający deszcz (fotony) zbiera się we wiadrach (piksele) ustawionych na przenośnikach taśmowych (płaszczyzna ogniskowa teleskopu). - Przenośniki są nieruchome, padający deszcz (ekspozycja światła) napełnia wiadra. Deszcz przestaje padać (migawka kamery zamyka się) i przenośniki taśmowe zostają uruchomione. Wiadra transportują wodę do zbiornika (wzmacniacz) ustawionego w rogu pola ( róg CCD).

Krok4. Przetransportować nośniki Analog CCD WERTYKALNY przenośnik taśmowy (kolumny CCD) DESZCZ(fotony) WIADRA (piksele) ZBIORNIK (Wzmacniacz wyjściowy) HORYZONTALNY przenośnik taśmowy (Rejestrator wyjściowy)

Analog CCD Deszcz ustał – wiadra zawierają próbki deszczu.

Analog CCD Przenośniki taśmowe zostają uruchomione. Woda z wiader umieszczonych na wertykalnych przenośnikach jest przelewana do wiader znajdujących się na horyzontalnym przenośniku.

Analog CCD Wertykalne przenośniki zatrzymują się. Rozpoczyna się ruch horyzontalnego przenośnika. Woda przelewa się do zbiornika.

Analog CCD `

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD Nowy zestaw pustych wiader jest ustawiany na horyzontalnym przenośniku i proces powtarza się.

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD

Analog CCD Wszystkie wiadra zostały opróżnione. ( CCD zostało odczytane).

Krok4. Przetransportować nośniki Piksel rejestrator wyjściowy (a) (b) Elektrody do wzmacniacza Elektrony Rozważmy CCD złożony z 9 pikseli, rejestratora wyjściowego i wzmacniacza. Każdy piksel jest podzielony na 3 obszary (elektrody wytwarzające odpowiednią studnię potencjału). Co trzecia elektroda jest na tym samym potencjale. (a) Podczas oświetlania centralna elektroda (żółte pola) jest na wyższym potencjale niż pozostałe (zielone pola) – ładunek gromadzi się w studni potencjału. (b) Po ekspozycji świetlnej potencjał elektrod ulega zmianie i ładunki są przenoszone z jednej elektrody na drugą. 1 The CCD detector Not only it becomes possible to know the overall quantity of rain which fell on the farm but also to know it‘s spatial distribution. A CCD detector works with the same principles, where rain drops are replaced by photons, the buckets by pixels, etc. (see above and next figure). 1.3 How does a CCD work ? In order to produce an image, a CCD must accomplish four functions: 1) generate photoelectrons (cf. rain drops), 2) collect electrons (cf. the buckets), 3) transfer the collected charges (cf. the conveyor belts), 4) read the charges (cf. weighting device). The first function is based on the photoelectric effect. The light absorption in the silicate network of the CCD generates these photoelectrons, in proportion to the number of incident photons. The latter are immedialtly collected at some specific locations, the closest to where the photons fell on the chip. Those sites (cf. the buckets) are called pixels (cf. “picture elements”). Those pixels are defined by means of an electrode network which covers the CCDs surface. The electrodes form some potential wells, to prevent the collected charges of escaping. When collecting the charges is finished, their transfer (cf. displacement of buckets on the conveyor belt) is realized by changing in a synchronized manner the potentiels at the limit of each electrode in such a way that electrons can moove horizontally from one pixel to the other. At the end of each horizontal line of pixels sits a couting device (output register).

Krok4. Przetransportować nośniki (b) (a) Si:Be (kanały stopujące, definiujące kolumny obrazu) Poprzez synchroniczną zmianę potencjału elektrod elektrony są przenoszone z piksela do piksela. Ładunki z prawej są prowadzone do wyjściowego rejestratora. (b) Horyzontalny transfer ładunków jest wyłączany. Pakiety ładunków z rejestratora wyjściowego są przenoszone wertykalnie, jeden za drugim do wzmacniacza wyjściowego i odczytywane jeden za drugim. Cykl rozpoczyna się ponownie po odczytaniu wszystkich ładunków ( czas odczytu dla dużego CCD – ok. 1 min). 1 The CCD detector : Which is a serie of electrodes which lies outside the photosensible zone of the CCD and disposed in a perpendicular way to it. This output register sends one by one the charge packages to an output amplifier where, at the end of this chain, charges are digitalized and stocked into a computer harddisk. The registered signal can be afterwards calibrated, analysed ..ect. We can restitute in the form of a numerical image the brillance distribution of the observed astronomical object. 1.4 Advantages of CCDs In order to understand why CCDs are so useful and powerful, it is worth enumerating the essential characteristic of this detector. These characteristics are: 1) A good spatial resolution which allows astronomers to see the details at the surface of the studied object. 2) A very good quantum efficiency, which enables the detection of very faint objects. We require that the fraction of detected photons to be very high. 3) A efficient reponse in a very large spectral window. The detector should be sensible to the radiation in a large wavelenght domain. 4) A very low noise. The noise should remain very small compared to the weak signal emitted by faint objects. 5) A large domain for the strenght of detected signals (dynamical domain). The ratio of the fluxes of the faintest detected objects to the fluxes of the brightest one, should be as large as possible.

Krok4. Przetransportować nośniki Ruch ładunku jest “związany” CCD

Zasada działania CCD p-Si p-Si Ruch ładunku jest “związany”

animacja http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/CCD_charge_transfer_animation.gif

Krok4. Przetransportować nośniki płaszczyzna obrazowa Metalowa, ceramiczna lub plastikowa obudowa piny połączeń złote druciki kontakty krzemowy chip wzmacniacz Rejestrator wyjściowy

3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si. Struktura CCD CCDs są wykonywane na kawałkach krzemu za pomocą techniki fotolitografii. 3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si. Don Groom LBNL

Fragment ( kilka pikseli) powierzchni obrazowej CCD. Struktura CCD Fragment ( kilka pikseli) powierzchni obrazowej CCD. kanały stopujące; Si:Be widok z góry przezroczyste elektrody jeden piksel Elektroda tlenek Si typu n Si typu p przekrój poprzeczny Każda co trzecia elektroda są połączone ze sobą.

Struktura CCD Obszar obrazowy wzmacniacz Rejestrator wyjściowy (na chipie) Rejestrator wyjściowy Przekrój przez rejestrator

Krok 5. Wzmocnić. Image Area Mikrofotografia fragmentu CCD Edge of 160mm Edge of Silicon Image Area Serial Register Read Out Amplifier Bus wires

Detektor CCD – wydajność kwantowa 1 The CCD detector However, CCDs possess advantages which clearly distinguish them from photographic plates, and from all other detectors in general. 2) The above figure compares the quantum efficiency of a CCD with the one of other types of detectors. The eye- the first astronomical detector- possesses at visible wavelenght a quantum efficienty of around one percent. In other words, we can only detect one single photon among one hundred who hit our eye. In contrast, more than 50 ( 80 at certain wavlenghts) of photons falling on the surface of a CCD are detected. 3) Additionnaly, the domain of spectral response of our eye is much more narrower compared to the one of the CCD. This limiation affects also other detectors as photocatods, photographic plates, ... It is noticable that when a CCD is illuminated from above, it is rather insensitive to ultraviolet light and X rays, the electrodes surrounding each individal pixel beeing opaque to these types of photons. We can improve by about 20 the quantum efficiency of CCDs in the ultraviolet by covering the upper surface by a thin layer of phosphore which main task is to convert ultrviolet photons to photons who have a higher wavelenght. A much more performant method consists in making the CCD very thin and illuminating it from the bottom. The incident photons can then enter in contact with the photosensible area of the CCD, without beeing absorbed by electrodes. However, at this face of the CCD (bottom) appears a potential well who tends to trap the photoelectrons at the bottom surface. Ingeneers have found two solutions to deal with this problem. The first method ( called “back side charging”) consists in flashing the CCD by means of an ultraviolet light before using it. In this way, an excess of photoelectrons is produced which destroys the potential well at the bottom surface of the CCD.

Detektor CCD – liniowość 12 The CCD detector For example, the 15 microns pixels of the Texas CCD (800  800) pixels in the WFPC2 camera on board of the Huble Space Telescope can each one accept about 75 000 electrons. Two times larger pixels possess a larger capacity of about 1 million electrons. If the readout noise is of the order of 10 electrons, the dynamics of such a CCD is close to 100 000 (= 1 million electrons / 10 electrons). This characteristic is very important for most of the astronomical applications. Each stellar field contains indeed very faint stars and others who are very bright. It is important to be able to detect such objects with a difference in magnitude as high as possible. A dynamical range of 100 000 corresponds to about 12,5 magnitudes. For comparaison , the dynamical range of a photographical plate is only of the order of 100, which correponds to a range of only 5 magnitudes. 6) Some very sensible detectors are not very helpful for astronomers because they are not very stable. From one night to another, and sometimes in the same night ,a detector can have a different sensitivity. Given the fact that CCDs are made of solid elements, they are very stable. Once a CCD is calibrated for photometry by observing a standard star, it is possible to reproduce photometric measurements of the same stars all night long with precisions of the order of half a percent (corresponding to a magnitude fluctuation of 0,005 magnitude). 7) CCDs are also very linear devices. In other words the number of collected electrons in a pixel is proportionnal to the number of incident photons (se above figure). Because of the non-linearity effect, , it is very dificult by means of photographic plates to achieve a photometric accuracy better than 5.

Detektor CCD Mozaika 4 CCD (kwadrat 6cm x 6 cm), z których każda zawiera 2040 x 2048 pikseli. Razem ok.16 millionów pikseli (Kitt Peak National Observatory, Arizona). 1 The CCD detector Since it is not possible to build larger and larger CCD chips ( because of the costs), the remedy to this problem was to put side by side a number of smaller chips in a kind of a CCD mosaïc (cf. Above figure). The pixels size is of the order of 15  15 or 25  25 microns. As much as these numbers may look enormous, in fact the size of CCD chips remains quite small , especially when we compare CCDs to classical photographic plate images. A CCD which has 2048  2048 pixels, for which the pixel individual size is 15 microns, measures only 3  3 cm. A photographic plate for a Schmidt telecope could be as big as 30  30 cm, which means 100 times larger than the CCD, or equivalently to a CCD chip with 400 millions pixels ! .

Detekcja kolorów przy pomocy CCD maska Bayera Odpowiednie piksele CCD mierzą ilość światła czerwonego, zielonego i niebieskiego padającego na powierzchnię Zawsze są dwa zielone piksele, ponieważ oko jest bardziej czułe na ten kolor.