CCD: dispositivi elettronici in grado di registrare un’immagine

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CCD: dispositivi elettronici in grado di registrare un’immagine

Pixel:

In ogni pixel si accumula una carica elettrica proporzionale al numero dei fotoni che hanno colpito il pixel

matrice

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bottleneck Lettura di un CCD

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… l’esempio dei secchi

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Sezione della struttura MOS del singolo pixel di un CCD

(1 µm)

(SiO₂0.1 µm) (or polysilicon gate)

Come avviene che un fotone produce una carica nel pixel ? Ce lo spiega la fisica dei semiconduttori…

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Spessore totale

dell’ordine di 100 µ^m

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Buried Channel

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Struttura del singolo pixel

Vista in sezione

Vista dall’alto

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Meccanismo di Readout di una colonna

Al termine di un ciclo di clock la carica si è

spostata di un pixel

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Esistono anche altri modi: ma il principio è lo stesso

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SMEARING

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QE = numero di elettroni rivelati numero di fotoni incidenti

QUANTUM EFFICIENCY

(QE)

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La rivoluzione del CCD

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La forma di QE(λ) dipende dalla lunghezza di assorbimento della radiazione nel Si (ma anche da altri parametri dello specifico chip)

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E(eV) ≈ 1240 λ(nm)

QE va a zero per E pari all’energy gap del Si

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Tipica Efficienza Quantica di un CCD per uso astronomico

La QE dipende dalla lunghezza d’onda e in questo caso ha il suo picco (85%) in prossimità della riga rossa di emissione dell’idrogeno dove è

massima l’emissione di alcuni oggetti astronomici

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QE

Dipende soprattutto dal rapporto tra l’area sensibile e l’area totale del chip

Full Frame Interlinea

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Antiblooming - ~ 30%

NABG

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QE nei CCD Back-illuminated

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Front-illuminated

Back-illuminated

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FULL WELL CAPACITY (FWC)

FWC tipiche: 10⁴-10⁵ elettroni

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GUADAGNO (Gain, G)

è dato in elettroni/ADU (es: 1.8 e^-/ADU)

Con un Convertitore Analogico/Digitale (ADC) a 16 bit abbiamo 2¹⁶ = 65536 livelli disponibili (conteggi)

ultimo pixel ADC

(carica:

elettroni)

Amplificatore (tensione)

Numero (conteggi)

65536/G = Numero massimo di elettroni contabile (<FWC) Conteggi di SATURAZIONE:

FWC G

Lo misureremo per il nostro

CCD

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LINEARITA’: quasi sempre il CCD esce dalla linearità prima del valore di saturazione

La linearità del CCD va SEMPRE misurata

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Valore di saturazione per questo CCD

Limite degli ADU

La misureremo per il nostro

CCD

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Read Noise (Rumore di Lettura)

Dipende dall’elettronica (pre-Amp di uscita) e dalla velocità di lettura del CCD

Si misura in e^- rms (ENC)

Insieme alla FWC determina il Range Dinamico Lo

misureremo per il nostro

CCD

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In genere: maggiore è la velocità di lettura maggiore è il rumore (elettronico)

V_oN² = AC_D² C²_f

A₁

t_p + A_f C_D²

C_f² A₂ + B

C²_f A₃t_p

Per minimizzarlo si lavora in slow scan (100 – 20 kHz), con shaping time

dell’ordine di 10 µs

Sopratutto a causa della piccola capacità di uscita (C_f ≈ 0.2 pF) è in

genere piccolo (fino a 2-3 e^-) In alcuni dispositivi scientifici è possibile variarlo agendo sulla velocità

di lettura

(si usano scan rate fino a 1 MHz)

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Il RN si può misurare a partire da un frame di bias:

Otturatore chiuso e tempo di esposizione ≈ 0

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RANGE DINAMICO (Dynamic Range, DR)

Spesso si misura in dB = 20 log FWC RN

Determina il numero di livelli/gradazioni (di intensità) effettivamente misurabili.

Nel caso di una immagine è il numero dei livelli di grigio

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Dark Current (Corrente Termica o “di buio”)

Si misura in elettroni per pixel al secondo (e^-/p/s)

Dipende dalla temperatura i CCD vanno raffreddati (aria, acqua, peltier, azoto liquido…)

La Dark Current produce nel tempo il Dark Frame, le cui fluttuazioni statistiche generano il Dark Noise (DN)

La misureremo per il nostro

CCD

p(T ) = CT ³² exp(− E_g 2kT )

Accumulo di carica nel tempo

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IS(arcsec/ pixel) ≈ 205⋅ P_S(µm) F(mm)

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Sottocampionamento

Criterio di Nyquist

Sovracampionamento

Non

risolviamo

L’immagine è distribuita su troppi pixel

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Sottocampionamento (undersampling, immagine in “pochi” pixel) Limita la risoluzione

Impedisce di ricostruire la PSF (nei casi peggiori la stella è UN pixel) Limita la dinamica del segnale

Rischiamo le “patologie” di un singolo pixel

Sovracampionamento (oversampling, immagine in “troppi” pixel) Peggiora il rapporto S/N (a parità di tempo di esposizione):

I contributi strumentali al rumore per pixel (RN, DN e rumore da

fondo-cielo) restano invariati mentre il segnale per pixel diminuisce.

Cosa succede se non campioniamo correttamente?

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BINNING

2 X 2

8 X 8

Il Binning consente di modificare il pixel size

1. Può essere utile se stiamo sovracampionando 2. Aumenta la sensibilità

(può essere utile per “vedere” oggetti deboli con brevi tempi di esposizione)

3. Diminuisce il tempo di download

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Numero di pixel: da alcune centinaia di migliaia a molti Mpixel

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Il n° di pixel e la scala dell’immagine determinano il FOV (field of view)

(IS x n° pix. Hor.) X (IS x n° pix. Vert.) Es.:

5’x 7’

12’x 18’

24’x 36’

Molti Mpixel  grande FOV,… ma anche maggiori tempi di download, difficoltà realizzative del chip e rischi di maggiori

disomogeneità

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CHARGE TRANSFER EFFICIENCY (CTE)

Con Buried Channel CTE = 0.99999

Senza Buried Channel: CTE = 0.98… Un disastro!

Può peggiorare nel tempo (danno da radiazioni)

CTE = 1 – frazione di elettroni persi nel passaggio tra due pixel adiacenti

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Qualità dei CCD:

… non tutti i pixel riescono uguali

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Parametri che caratterizzano un CCD (specifiche)

► Numero di pixel

► Dimensione del pixel

► Efficienza quantica QE (Quantum Efficiency)

► Read Noise (Rumore di Lettura)

► Dark Current (Corrente Termica o “di buio”)

► Range Dinamico

► Efficienza di trasferimento di carica CTE (Charge Transfer Efficiency)

► Numero massimo di elettroni per pixel FWC (Full Well Capacity)

► Anti Blooming o non Anti Blooming (ABG o NABG)

► Qualità del chip (Classe)

► Guadagno

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CCD

CCD Kodak KAF-1603ME + TI TC-237

Pixel Array 1530 x 1020 pixels CCD Size 13.8 x 9.2 mm Total Pixels 1.6 million

Pixel Size 9 x 9 microns square Full Well Capacity ~100,000 e-

Dark Current 1e-/pixel/sec at 0 degrees C.

Antiblooming Optional (KAF-1601LE) Readout Specifications

Shutter Electromechanical

Exposure 0.12 to 3600 seconds, 10ms resolution

Correlated Double

Sampling Yes A/D Converter 16 bits

A/D Gain 2.3e-/ADU Read Noise 15e¯ RMS Binning Modes 1 x 1, 2 x 2, 3 x 3 Pixel Digitization Rate

Up to 420.000 pixels per

second Full Frame Download ~3.7 seconds

System Specifications

Cooling - standard

Single Stage Thermoelectric, Active Fan, Water Assist

-45 C from Ambient Typical

with water, -35 C w/

air only Temperature

Regulation ±0.1°C

Power

5VDC at 1.5 amps, +/-12VDC at 0.5 amps,

power supply included Computer Interface USB 1.1

Computer Compatibility

Windows 98/2000/

Me/XP

Mac OS-X / Vista 32 bit

Guiding

Dual CCD Self- Guiding with built-in TC-237 CC