Dispositivo de carga acoplada
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Um dispositivo de carga acoplada (CCD) é um circuito integrado que contém uma matriz de capacitores vinculados ou acoplados. Sob o controle de um circuito externo, cada capacitor pode transferir sua carga elétrica para um capacitor vizinho. Os sensores CCD são uma tecnologia importante usada em imagens digitais.
Em um sensor de imagem CCD, os pixels são representados por capacitores de óxido de metal semicondutor (MOS) dopados com p. Esses capacitores MOS, os blocos básicos de construção de um CCD, são polarizados acima do limite de inversão quando a aquisição da imagem começa, permitindo a conversão de fótons recebidos em cargas de elétrons na interface semicondutor-óxido; o CCD é então usado para ler essas cargas.
Embora os CCDs não sejam a única tecnologia que permite a detecção de luz, os sensores de imagem CCD são amplamente usados em aplicações profissionais, médicas e científicas onde são necessários dados de imagem de alta qualidade.
Em aplicações com demandas de qualidade menos exigentes, como câmeras digitais profissionais e de consumo, geralmente são usados sensores de pixel ativos, também conhecidos como sensores CMOS (sensores MOS complementares).
No entanto, a grande vantagem de qualidade que os CCDs desfrutavam desde o início diminuiu com o tempo e, desde o final da década de 2010, os sensores CMOS são a tecnologia dominante, tendo substituído em grande parte, se não completamente, os sensores de imagem CCD.
História
A base para o CCD é a estrutura de metal-óxido-semicondutor (MOS), com capacitores MOS sendo os blocos básicos de construção de um CCD, e uma estrutura MOS empobrecida usada como fotodetector nos primeiros dispositivos CCD.
No final da década de 1960, Willard Boyle e George E. Smith, da Bell Labs, pesquisavam a tecnologia MOS enquanto trabalhavam na memória de bolhas de semicondutores. Eles perceberam que uma carga elétrica era a analogia da bolha magnética e que poderia ser armazenada em um minúsculo capacitor MOS. Como era bastante simples fabricar uma série de capacitores MOS em sequência, eles conectaram uma voltagem adequada a eles para que a carga pudesse ser escalonada de um para o outro. Isso levou à invenção do dispositivo de carga acoplada por Boyle e Smith em 1969. Eles conceberam o design do que denominaram, em seu notebook, "Charge 'Bubble' Dispositivos".
O artigo inicial descrevendo o conceito em abril de 1970 listou possíveis usos como memória, uma linha de atraso e um dispositivo de imagem. O dispositivo também pode ser usado como um registrador de deslocamento. A essência do projeto era a capacidade de transferir carga ao longo da superfície de um semicondutor de um capacitor de armazenamento para o outro. O conceito era semelhante em princípio ao dispositivo de brigada de balde (BBD), desenvolvido nos laboratórios de pesquisa da Philips no final dos anos 1960.
O primeiro dispositivo experimental que demonstrou o princípio foi uma fileira de quadrados de metal espaçados em uma superfície de silício oxidado acessado eletricamente por ligações de arame. Foi demonstrado por Gil Amelio, Michael Francis Tompsett e George Smith em abril de 1970. Esta foi a primeira aplicação experimental do CCD em tecnologia de sensor de imagem e usou uma estrutura MOS esgotada como fotodetector. A primeira patente (Patente dos EUA 4.085.456) sobre a aplicação de CCDs para geração de imagens foi atribuída a Tompsett, que apresentou o pedido em 1971.
O primeiro CCD funcional feito com tecnologia de circuito integrado foi um registrador de deslocamento simples de 8 bits, relatado por Tompsett, Amelio e Smith em agosto de 1970. Este dispositivo tinha circuitos de entrada e saída e foi usado para demonstrar seu uso como registrador de deslocamento e como um dispositivo de imagem linear bruto de oito pixels. O desenvolvimento do dispositivo progrediu em um ritmo rápido. Em 1971, os pesquisadores da Bell liderados por Michael Tompsett conseguiram capturar imagens com dispositivos lineares simples. Várias empresas, incluindo Fairchild Semiconductor, RCA e Texas Instruments, adotaram a invenção e iniciaram programas de desenvolvimento. O esforço de Fairchild, liderado pelo ex-pesquisador da Bell Gil Amelio, foi o primeiro com dispositivos comerciais e, em 1974, tinha um dispositivo linear de 500 elementos e um dispositivo 2D de 100 × 100 pixels. Steven Sasson, um engenheiro elétrico que trabalhava para a Kodak, inventou a primeira câmera fotográfica digital usando um Fairchild 100 × 100 CCD em 1975.
O dispositivo CCD de transferência entre linhas (ILT) foi proposto por L. Walsh e R. Dyck em Fairchild em 1973 para reduzir manchas e eliminar um obturador mecânico. Para reduzir ainda mais a mancha de fontes de luz brilhante, a arquitetura CCD de transferência entre linhas de quadros (FIT) foi desenvolvida por K. Horii, T. Kuroda e T. Kunii na Matsushita (agora Panasonic) em 1981.
O primeiro satélite de reconhecimento KH-11 KENNEN equipado com tecnologia de matriz de dispositivos de carga acoplada (800 × 800 pixels) para geração de imagens foi lançado em dezembro de 1976. Sob a liderança de Kazuo Iwama, a Sony iniciou um grande esforço de desenvolvimento em CCDs envolvendo um investimento significativo. Eventualmente, a Sony conseguiu produzir CCDs em massa para suas filmadoras. Antes que isso acontecesse, Iwama morreu em agosto de 1982. Posteriormente, um chip CCD foi colocado em sua lápide para reconhecer sua contribuição. A primeira câmera de vídeo CCD produzida em massa, a CCD-G5, foi lançada pela Sony em 1983, baseada em um protótipo desenvolvido por Yoshiaki Hagiwara em 1981.
Os primeiros sensores CCD sofriam com o atraso do obturador. Isso foi amplamente resolvido com a invenção do fotodiodo fixado (PPD). Foi inventado por Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki e Yasuo Ishihara na NEC em 1980. Eles reconheceram que o atraso pode ser eliminado se os portadores de sinal puderem ser transferidos do fotodiodo para o CCD. Isso levou à invenção do fotodiodo fixado, uma estrutura fotodetectora com baixo atraso, baixo ruído, alta eficiência quântica e baixa corrente escura. Foi relatado pela primeira vez publicamente por Teranishi e Ishihara com A. Kohono, E. Oda e K. Arai em 1982, com a adição de uma estrutura anti-blooming. A nova estrutura do fotodetector inventada na NEC recebeu o nome de "fotodiodo fixado" (PPD) por B.C. Burkey na Kodak em 1984. Em 1987, o PPD começou a ser incorporado na maioria dos dispositivos CCD, tornando-se um acessório em câmeras de vídeo eletrônicas de consumo e depois em câmeras fotográficas digitais. Desde então, o PPD tem sido usado em quase todos os sensores CCD e depois nos sensores CMOS.
Em janeiro de 2006, Boyle e Smith receberam o Prêmio Charles Stark Draper da Academia Nacional de Engenharia e, em 2009, receberam o Prêmio Nobel de Física pela invenção do conceito CCD. Michael Tompsett foi premiado com a Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação de 2010, por trabalho pioneiro e tecnologias eletrônicas, incluindo o design e desenvolvimento dos primeiros geradores de imagens CCD. Ele também foi premiado com a Medalha IEEE Edison 2012 por "contribuições pioneiras para dispositivos de imagem, incluindo CCD Imagers, câmeras e termovisores".
Noções básicas de operação
Em um CCD para captação de imagens, existe uma região fotoativa (uma camada epitaxial de silício), e uma região de transmissão formada por um registrador de deslocamento (o CCD propriamente dito).
Uma imagem é projetada através de uma lente na matriz de capacitores (a região fotoativa), fazendo com que cada capacitor acumule uma carga elétrica proporcional à intensidade da luz naquele local. Uma matriz unidimensional, usada em câmeras de varredura de linha, captura uma única fatia da imagem, enquanto uma matriz bidimensional, usada em câmeras de vídeo e fotográficas, captura uma imagem bidimensional correspondente à cena projetada no plano focal do sensor. Uma vez que a matriz foi exposta à imagem, um circuito de controle faz com que cada capacitor transfira seu conteúdo para seu vizinho (operando como um registrador de deslocamento). O último capacitor na matriz despeja sua carga em um amplificador de carga, que converte a carga em uma tensão. Ao repetir esse processo, o circuito de controle converte todo o conteúdo da matriz no semicondutor em uma sequência de tensões. Em um dispositivo digital, essas tensões são então amostradas, digitalizadas e geralmente armazenadas na memória; em um dispositivo analógico (como uma câmera de vídeo analógica), eles são processados em um sinal analógico contínuo (por exemplo, alimentando a saída do amplificador de carga em um filtro passa-baixo), que é então processado e enviado para outros circuitos para transmissão, gravação ou outro processamento.
Física detalhada da operação
Geração de carga
Antes que os capacitores MOS sejam expostos à luz, eles são polarizados na região de depleção; em CCDs de canal n, o silício sob o portão de polarização é ligeiramente dopado com p ou intrínseco. A porta é então polarizada em um potencial positivo, acima do limite para inversão forte, o que eventualmente resultará na criação de um canal n abaixo da porta como em um MOSFET. No entanto, leva tempo para atingir esse equilíbrio térmico: até horas em câmeras científicas de ponta resfriadas em baixa temperatura. Inicialmente, após a polarização, os buracos são empurrados para dentro do substrato e nenhum elétron móvel está na superfície ou perto dela; o CCD, portanto, opera em um estado de não equilíbrio chamado depleção profunda. Então, quando os pares elétron-buraco são gerados na região de depleção, eles são separados pelo campo elétrico, os elétrons se movem em direção à superfície e os buracos se movem em direção ao substrato. Quatro processos de geração de pares podem ser identificados:
- fotogeração (até 95% da eficiência quântica),
- geração na região de esgotamento,
- geração na superfície, e
- geração no volume neutro.
Os últimos três processos são conhecidos como geração de corrente escura e adicionam ruído à imagem; eles podem limitar o tempo total de integração utilizável. O acúmulo de elétrons na superfície ou perto dela pode ocorrer até que a integração da imagem termine e a carga comece a ser transferida, ou o equilíbrio térmico seja alcançado. Neste caso, diz-se que o poço está cheio. A capacidade máxima de cada poço é conhecida como profundidade do poço, normalmente cerca de 105 elétrons por pixel.
Projeto e fabricação
A região fotoativa de um CCD é, geralmente, uma camada epitaxial de silício. É levemente dopado com p (geralmente com boro) e é cultivado sobre um material de substrato, geralmente p++. Em dispositivos de canal enterrado, o tipo de projeto utilizado na maioria dos CCDs modernos, certas áreas da superfície do silício são implantadas com íons de fósforo, dando a eles uma designação n-dopada. Esta região define o canal no qual os pacotes de carga fotogerados trafegarão. Simon Sze detalha as vantagens de um dispositivo de canal enterrado:
Esta camada fina (= 0,2–0,3 micron) é totalmente esgotada e a carga fotogenerada acumulada é mantida longe da superfície. Esta estrutura tem as vantagens de maior eficiência de transferência e menor corrente escura, de recombinação de superfície reduzida. A pena é menor capacidade de carga, por um fator de 2-3 em comparação com o CCD de canal de superfície.
O óxido de porta, ou seja, o dielétrico do capacitor, cresce no topo da camada epitaxial e do substrato.
Mais tarde no processo, as comportas de polissilício são depositadas por deposição de vapor químico, padronizadas com fotolitografia e gravadas de forma que as comportas de fases separadas fiquem perpendiculares aos canais. Os canais são ainda definidos pela utilização do processo LOCOS para produzir a região de parada de canal.
Paradas de canal são óxidos termicamente crescidos que servem para isolar os pacotes de carga em uma coluna daqueles em outra. Essas paradas de canal são produzidas antes das comportas de polissilício, pois o processo LOCOS utiliza uma etapa de alta temperatura que destruiria o material da comporta. As paradas do canal são paralelas e exclusivas do canal, ou regiões de "transporte de carga".
As paradas de canal geralmente têm uma região dopada p+ subjacente a elas, fornecendo uma barreira adicional aos elétrons nos pacotes de carga (esta discussão da física dos dispositivos CCD assume um dispositivo de transferência de elétrons, embora a transferência de lacunas seja possível).
O clock das portas, alternadamente alto e baixo, irá direcionar e inverter a polarização do diodo que é fornecido pelo canal enterrado (n-dopado) e a camada epitaxial (p-dopado). Isso fará com que o CCD se esgote, perto da junção p-n e irá coletar e mover os pacotes de carga abaixo dos portões – e dentro dos canais – do dispositivo.
A fabricação e a operação do CCD podem ser otimizadas para diferentes usos. O processo acima descreve um CCD de transferência de quadros. Embora os CCDs possam ser fabricados em um wafer p++ altamente dopado, também é possível fabricar um dispositivo dentro de poços p que foram colocados em um wafer n. Este segundo método, supostamente, reduz manchas, corrente escura e resposta de infravermelho e vermelho. Este método de fabricação é usado na construção de dispositivos de transferência entre linhas.
Outra versão do CCD é chamada de CCD peristáltico. Em um dispositivo peristáltico de carga acoplada, a operação de transferência de pacotes de carga é análoga à contração e dilatação peristáltica do sistema digestivo. O CCD peristáltico tem um implante adicional que mantém a carga longe da interface silício/dióxido de silício e gera um grande campo elétrico lateral de um portão para o outro. Isso fornece uma força motriz adicional para auxiliar na transferência dos pacotes de carga.
Arquitetura
Os sensores de imagem CCD podem ser implementados em várias arquiteturas diferentes. Os mais comuns são full-frame, frame-transfer e interline. A característica distintiva de cada uma dessas arquiteturas é a abordagem ao problema da cofragem.
Em um dispositivo full-frame, toda a área da imagem está ativa e não há obturador eletrônico. Um obturador mecânico deve ser adicionado a este tipo de sensor ou a imagem mancha conforme o dispositivo é cronometrado ou lido.
Com um CCD de transferência de quadro, metade da área de silício é coberta por uma máscara opaca (normalmente de alumínio). A imagem pode ser rapidamente transferida da área de imagem para a área opaca ou região de armazenamento com manchas aceitáveis de alguns por cento. Essa imagem pode então ser lida lentamente da região de armazenamento enquanto uma nova imagem é integrada ou exposta na área ativa. Os dispositivos de transferência de quadros geralmente não requerem um obturador mecânico e eram uma arquitetura comum para as primeiras câmeras de transmissão de estado sólido. A desvantagem da arquitetura de transferência de quadros é que ela requer o dobro do espaço de silício de um dispositivo full-frame equivalente; portanto, custa aproximadamente o dobro.
A arquitetura interline estende esse conceito um passo adiante e mascara todas as outras colunas do sensor de imagem para armazenamento. Neste dispositivo, apenas um deslocamento de pixel deve ocorrer para transferir da área de imagem para a área de armazenamento; assim, os tempos de obturador podem ser inferiores a um microssegundo e a mancha é essencialmente eliminada. A vantagem não é gratuita, no entanto, já que a área de imagem agora é coberta por tiras opacas, reduzindo o fator de preenchimento para aproximadamente 50% e a eficiência quântica efetiva em uma quantidade equivalente. Os designs modernos abordaram essa característica deletéria adicionando microlentes na superfície do dispositivo para direcionar a luz para longe das regiões opacas e na área ativa. As microlentes podem trazer o fator de preenchimento de volta para 90% ou mais, dependendo do tamanho do pixel e do design óptico geral do sistema.
A escolha da arquitetura se resume a uma utilidade. Se a aplicação não puder tolerar um obturador mecânico caro, sujeito a falhas e que consome muita energia, um dispositivo interline é a escolha certa. As câmeras instantâneas do consumidor usaram dispositivos interline. Por outro lado, para aquelas aplicações que exigem a melhor captação de luz possível e questões de dinheiro, energia e tempo são menos importantes, o dispositivo full-frame é a escolha certa. Os astrônomos tendem a preferir dispositivos full-frame. A transferência de quadros fica no meio e era uma escolha comum antes que o problema do fator de preenchimento dos dispositivos interline fosse resolvido. Hoje, a transferência de quadro é geralmente escolhida quando uma arquitetura interline não está disponível, como em um dispositivo retroiluminado.
Os CCDs contendo grades de pixels são usados em câmeras digitais, scanners ópticos e câmeras de vídeo como dispositivos de detecção de luz. Eles geralmente respondem a 70 por cento da luz incidente (o que significa uma eficiência quântica de cerca de 70 por cento), tornando-os muito mais eficientes do que o filme fotográfico, que captura apenas cerca de 2 por cento da luz incidente.
Os tipos mais comuns de CCDs são sensíveis à luz infravermelha próxima, o que permite fotografia infravermelha, dispositivos de visão noturna e gravação/fotografia de vídeo com zero lux (ou quase zero lux). Para detectores normais baseados em silício, a sensibilidade é limitada a 1,1 μm. Uma outra consequência de sua sensibilidade ao infravermelho é que o infravermelho dos controles remotos geralmente aparece em câmeras digitais ou filmadoras baseadas em CCD se elas não tiverem bloqueadores de infravermelho.
O resfriamento reduz a corrente escura do array, melhorando a sensibilidade do CCD a baixas intensidades de luz, mesmo para comprimentos de onda ultravioleta e visível. Observatórios profissionais geralmente resfriam seus detectores com nitrogênio líquido para reduzir a corrente escura e, portanto, o ruído térmico a níveis insignificantes.
CCD de transferência de quadro
O gerador de imagens CCD de transferência de quadros foi a primeira estrutura de imagem proposta para imagens CCD por Michael Tompsett nos Laboratórios Bell. Um CCD de transferência de quadro é um CCD especializado, freqüentemente usado em astronomia e algumas câmeras de vídeo profissionais, projetado para alta eficiência e correção de exposição.
O funcionamento normal de um CCD, astronômico ou não, pode ser dividido em duas fases: exposição e leitura. Durante a primeira fase, o CCD coleta passivamente os fótons que chegam, armazenando os elétrons em suas células. Depois de passado o tempo de exposição, as células são lidas uma linha de cada vez. Durante a fase de leitura, as células são deslocadas para baixo em toda a área do CCD. Enquanto eles são deslocados, eles continuam a coletar luz. Assim, se o deslocamento não for rápido o suficiente, erros podem resultar da luz que incide sobre uma carga de retenção de célula durante a transferência. Esses erros são chamados de "mancha vertical" e fazer com que uma fonte de luz forte crie uma linha vertical acima e abaixo de sua localização exata. Além disso, o CCD não pode ser usado para coletar luz enquanto está sendo lido. Infelizmente, uma mudança mais rápida requer uma leitura mais rápida, e uma leitura mais rápida pode introduzir erros na medição da carga da célula, levando a um nível de ruído mais alto.
Um CCD de transferência de quadro resolve ambos os problemas: ele tem uma área protegida, não sensível à luz, contendo tantas células quanto a área exposta à luz. Normalmente, essa área é coberta por um material refletivo, como o alumínio. Quando o tempo de exposição termina, as células são transferidas muito rapidamente para a área oculta. Aqui, a salvo de qualquer entrada de luz, as células podem ser lidas em qualquer velocidade que se considere necessária para medir corretamente o tamanho das células. cobrar. Ao mesmo tempo, a parte exposta do CCD está coletando luz novamente, de modo que não ocorre nenhum atraso entre exposições sucessivas.
A desvantagem de tal CCD é o custo mais alto: a área da célula é basicamente duplicada e são necessários componentes eletrônicos de controle mais complexos.
Dispositivo de carga acoplada intensificada
Um dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD) é um CCD conectado opticamente a um intensificador de imagem montado na frente do CCD.
Um intensificador de imagem inclui três elementos funcionais: um fotocátodo, uma placa de microcanal (MCP) e uma tela de fósforo. Esses três elementos são montados um atrás do outro na sequência mencionada. Os fótons que vêm da fonte de luz caem no fotocátodo, gerando assim fotoelétrons. Os fotoelétrons são acelerados em direção ao MCP por uma tensão de controle elétrico, aplicada entre o fotocatodo e o MCP. Os elétrons são multiplicados dentro do MCP e depois acelerados em direção à tela de fósforo. A tela de fósforo finalmente converte os elétrons multiplicados de volta em fótons que são guiados para o CCD por uma fibra ótica ou uma lente.
Um intensificador de imagem inclui inerentemente uma funcionalidade de obturador: Se a tensão de controle entre o fotocátodo e o MCP for invertida, os fotoelétrons emitidos não são acelerados em direção ao MCP, mas retornam ao fotocátodo. Assim, nenhum elétron é multiplicado e emitido pelo MCP, nenhum elétron vai para a tela de fósforo e nenhuma luz é emitida pelo intensificador de imagem. Neste caso, nenhuma luz incide sobre o CCD, o que significa que o obturador está fechado. O processo de inverter a tensão de controle no fotocátodo é chamado de gating e, portanto, os ICCDs também são chamados de câmeras CCD com gate.
Além da sensibilidade extremamente alta das câmeras ICCD, que permitem a detecção de um único fóton, a portabilidade é uma das principais vantagens do ICCD sobre as câmeras EMCCD. As câmeras ICCD de maior desempenho permitem tempos de obturador tão curtos quanto 200 picossegundos.
As câmeras ICCD geralmente têm um preço um pouco mais alto do que as câmeras EMCCD porque precisam do intensificador de imagem caro. Por outro lado, as câmeras EMCCD precisam de um sistema de resfriamento para resfriar o chip EMCCD a temperaturas em torno de 170 K (-103 °C). Esse sistema de resfriamento adiciona custos adicionais à câmera EMCCD e geralmente gera problemas de condensação pesados na aplicação.
Os ICCDs são usados em dispositivos de visão noturna e em várias aplicações científicas.
CCD de multiplicação de elétrons
Um CCD multiplicador de elétrons (EMCCD, também conhecido como L3Vision CCD, um produto comercializado pela e2v Ltd., GB, L3CCD ou Impactron CCD, um produto agora descontinuado oferecido no passado pela Texas Instruments) é um dispositivo montado por carga no qual um registro de ganho é colocado entre o registro de deslocamento e o amplificador de saída. O registro de ganho é dividido em um grande número de etapas. Em cada etapa, os elétrons são multiplicados pela ionização de impacto de forma semelhante a um diodo de avalanche. A probabilidade de ganho em cada etapa do registro é pequena (P 500), o ganho global pode ser muito elevado (g= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(1+P)N{displaystyle g=(1+P)^{N}}), com elétrons de entrada única dando muitos milhares de elétrons de saída. Ler um sinal de um CCD dá um fundo de ruído, tipicamente alguns elétrons. Em um EMCCD, este ruído é sobreposto em muitos milhares de elétrons em vez de um único elétron; a principal vantagem dos dispositivos é, portanto, seu ruído de leitura negligenciável. O uso de avalanche para amplificação de cargas de foto já havia sido descrito na EUA Patente 3,761,744 em 1973 por George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.
Os EMCCDs apresentam uma sensibilidade semelhante aos CCDs intensificados (ICCDs). No entanto, como nos ICCDs, o ganho aplicado no registro de ganho é estocástico e o ganho exato aplicado à carga de um pixel é impossível de saber. Em ganhos altos (> 30), essa incerteza tem o mesmo efeito na relação sinal-ruído (SNR) que reduz pela metade a eficiência quântica (QE) em relação à operação com um ganho de unidade. Este efeito é conhecido como Fator de Ruído Excessivo (ENF). No entanto, em níveis de luz muito baixos (onde a eficiência quântica é mais importante), pode-se supor que um pixel contém um elétron ou não. Isso remove o ruído associado à multiplicação estocástica com o risco de contar vários elétrons no mesmo pixel como um único elétron. Para evitar contagens múltiplas em um pixel devido a fótons coincidentes neste modo de operação, altas taxas de quadros são essenciais. A dispersão no ganho é mostrada no gráfico à direita. Para registradores de multiplicação com muitos elementos e grandes ganhos é bem modelado pela equação:
Devido aos custos mais baixos e à melhor resolução, os EMCCDs são capazes de substituir os ICCDs em muitas aplicações. Os ICCDs ainda têm a vantagem de poderem ser controlados muito rapidamente e, portanto, são úteis em aplicações como geração de imagens com variação de faixa. As câmeras EMCCD precisam indispensavelmente de um sistema de resfriamento - usando resfriamento termoelétrico ou nitrogênio líquido - para resfriar o chip a temperaturas na faixa de -65 a -95 °C (-85 a -139 °F). Infelizmente, esse sistema de resfriamento adiciona custos adicionais ao sistema de imagem EMCCD e pode gerar problemas de condensação na aplicação. No entanto, as câmeras EMCCD de última geração são equipadas com um sistema de vácuo hermético permanente que confina o chip para evitar problemas de condensação.
As capacidades de pouca luz dos EMCCDs encontram uso em astronomia e pesquisa biomédica, entre outros campos. Em particular, seu baixo ruído em altas velocidades de leitura os torna muito úteis para uma variedade de aplicações astronômicas envolvendo fontes de pouca luz e eventos transitórios, como imagens de estrelas fracas, fotometria de contagem de fótons de alta velocidade, espectroscopia de Fabry-Pérot e espectroscopia de alta resolução. Mais recentemente, esses tipos de CCDs entraram no campo da pesquisa biomédica em aplicações de baixa luminosidade, incluindo imagens de pequenos animais, imagens de moléculas únicas, espectroscopia Raman, microscopia de super resolução, bem como uma ampla variedade de técnicas modernas de microscopia de fluorescência, graças a maior SNR em condições de pouca luz em comparação com CCDs e ICCDs tradicionais.
Em termos de ruído, as câmeras EMCCD comerciais normalmente têm carga induzida por relógio (CIC) e corrente escura (dependente da extensão do resfriamento) que, juntas, levam a um ruído de leitura efetivo que varia de 0,01 a 1 elétron por pixel lido. No entanto, melhorias recentes na tecnologia EMCCD levaram a uma nova geração de câmeras capazes de produzir significativamente menos CIC, maior eficiência de transferência de carga e um ganho EM 5 vezes maior do que o anteriormente disponível. Esses avanços na detecção de pouca luz levam a um ruído de fundo total efetivo de 0,001 elétrons por pixel lido, um nível de ruído inigualável por qualquer outro dispositivo de imagem de baixa luz.
Uso em astronomia
Devido às altas eficiências quânticas do dispositivo de carga acoplada (CCD) (a eficiência quântica ideal é 100%, um elétron gerado por fóton incidente), linearidade de suas saídas, facilidade de uso em comparação com chapas fotográficas e uma variedade Por outras razões, os CCDs foram rapidamente adotados pelos astrônomos para quase todas as aplicações de UV para infravermelho.
O ruído térmico e os raios cósmicos podem alterar os pixels na matriz CCD. Para combater esses efeitos, os astrônomos fazem várias exposições com o obturador CCD fechado e aberto. A média das imagens tiradas com o obturador fechado é necessária para diminuir o ruído aleatório. Uma vez revelada, a imagem média do quadro escuro é então subtraída da imagem do obturador aberto para remover a corrente escura e outros defeitos sistemáticos (pixels mortos, pixels quentes, etc.) no CCD. Os CCDs Skipper mais recentes combatem o ruído coletando dados com a mesma carga coletada várias vezes e têm aplicações em pesquisas de precisão de matéria escura e medições de neutrinos.
O Telescópio Espacial Hubble, em particular, possui uma série altamente desenvolvida de etapas (“canal de redução de dados”) para converter os dados CCD brutos em imagens úteis.
Câmeras CCD usadas em astrofotografia geralmente requerem montagens robustas para lidar com vibrações do vento e outras fontes, juntamente com o peso tremendo da maioria das plataformas de imagem. Para tirar longas exposições de galáxias e nebulosas, muitos astrônomos usam uma técnica conhecida como auto-guia. A maioria dos guias automáticos usa um segundo chip CCD para monitorar desvios durante a geração de imagens. Este chip pode detectar rapidamente erros no rastreamento e comandar os motores de montagem para corrigi-los.
Uma aplicação astronômica incomum de CCDs, chamada varredura de deriva, usa um CCD para fazer um telescópio fixo se comportar como um telescópio de rastreamento e seguir o movimento do céu. As cargas no CCD são transferidas e lidas em uma direção paralela ao movimento do céu e na mesma velocidade. Desta forma, o telescópio pode obter imagens de uma região maior do céu do que seu campo de visão normal. O Sloan Digital Sky Survey é o exemplo mais famoso disso, usando a técnica para produzir um levantamento de mais de um quarto do céu.
Além dos geradores de imagens, os CCDs também são usados em uma variedade de instrumentação analítica, incluindo espectrômetros e interferômetros.
Câmeras coloridas
Câmeras digitais coloridas geralmente usam uma máscara Bayer sobre o CCD. Cada quadrado de quatro pixels tem um vermelho filtrado, um azul e dois verdes (o olho humano é mais sensível ao verde do que ao vermelho ou ao azul). O resultado disso é que as informações de luminância são coletadas em cada pixel, mas a resolução de cor é menor que a resolução de luminância.
Uma melhor separação de cores pode ser alcançada por dispositivos de três CCDs (3CCD) e um prisma divisor de feixe dicróico, que divide a imagem em componentes vermelho, verde e azul. Cada um dos três CCDs é organizado para responder a uma cor específica. Muitas filmadoras profissionais e algumas semiprofissionais usam essa técnica, embora os desenvolvimentos na tecnologia CMOS concorrentes tenham tornado os sensores CMOS, com divisores de feixe e filtros bayer, cada vez mais populares em câmeras de vídeo e cinema digital de ponta. Outra vantagem do 3CCD sobre um dispositivo de máscara Bayer é a maior eficiência quântica (maior sensibilidade à luz), porque a maior parte da luz da lente entra em um dos sensores de silício, enquanto uma máscara Bayer absorve uma alta proporção (mais de 2/3) de a luz que incide sobre cada local de pixel.
Para cenas estáticas, por exemplo em microscopia, a resolução de um dispositivo de máscara Bayer pode ser aprimorada pela tecnologia de microvarredura. Durante o processo de amostragem co-site de cores, vários quadros da cena são produzidos. Entre as aquisições, o sensor é movido em dimensões de pixel, de modo que cada ponto no campo visual seja adquirido consecutivamente por elementos da máscara sensíveis aos componentes vermelho, verde e azul de sua cor. Eventualmente, cada pixel da imagem foi digitalizado pelo menos uma vez em cada cor e a resolução dos três canais torna-se equivalente (as resoluções dos canais vermelho e azul são quadruplicadas enquanto o canal verde é dobrado).
Tamanhos do sensor
Sensores (CCD / CMOS) vêm em vários tamanhos ou formatos de sensor de imagem. Esses tamanhos são frequentemente referidos com uma designação de fração de polegada, como 1/1,8″ ou 2/3″, chamada de formato óptico. Esta medição se origina na década de 1950 e na época dos tubos Vidicon.
Florescente
Quando uma exposição CCD é longa o suficiente, eventualmente os elétrons que se acumulam nas "caixas" na parte mais brilhante da imagem irá transbordar a lixeira, resultando em blooming. A estrutura do CCD permite que os elétrons fluam mais facilmente em uma direção do que em outra, resultando em estrias verticais.
Alguns recursos antiblooming que podem ser incorporados em um CCD reduzem sua sensibilidade à luz usando parte da área de pixel para uma estrutura de drenagem. James M. Early desenvolveu um dreno antiblooming vertical que não prejudicaria a área de coleta de luz e, portanto, não reduziria a sensibilidade à luz.