Detekce sv ˇ etla Ondˇ rej Haderka Anton´ ın ˇ Cernoch Region ´ aln´ ı Centrum Pokroˇ cil´ ych Technologi´ ı a Materi´ al˚ u Spoleˇ cn´ a Laboratoˇ r Optiky UP a FZ ´ U AV ˇ CR CZ.1.07/2.3.00/09.0042 Haderka, ˇ Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce sv ˇ etla 1 / 168
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Detekce svetla
Ondrej Haderka Antonın Cernoch
Regionalnı Centrum Pokrocilych Technologiı a MaterialuSpolecna Laborator Optiky UP a FZU AV CR
CZ.1.07/2.3.00/09.0042
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 1 / 168
Obsah I1 Uvod
Radiometricke (fotometricke) velicinyZakony vyzarovanıPolovodiceZakladnı obecne vlastnosti detektoru
2 Zdroje svetlaRozdelenı zdroju svetlaElektromagneticke spektrumLaseryElektroluminiscence v polovodicıch
3 Rozdelenı typu detektoru svetlaRozdelenıLidske okoFotografie
Radiometrie absolutnı, v jednotkach SIFotometrie relativnı vzhledem k citlivosti lidskeho oka popr. jineho
receptoru, ve vedlejsıch jednotkach
Zdroj zarenı Radiant source
Svetelny zdroj Light sourceobjekt, ktery na zaklade ruznych fyzikalnıch principu emitujeelektromagneticke zarenıBodovy zdroj plosnou velikost lze zanedbat vzhledem k vzdalenostemPlosny zdroj plosnou velikost nelze zanedbat
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 7 / 168
Uvod Radiometricke (fotometricke) veliciny
Veliciny I
Spektralnı zavislost velicin na frekvenci νresp. vlnove delce λpreintegrovanı pres cele spektrum→spektralne nezavisle veliciny
Zariva energie – Q [J=m2kg/s2] Radiant energy
– energie vyslana, prenesena nebo prijataSvetelne mnozstvı – Qv [lm s] Quantity of light
Example (Energie jednoho fotonu)
E = hν = hcλ , h = 6.626 · 10−34 Js; c = 2.998 · 108 m/s
⇒ E555 nm = 3.58 · 10−19 J = 2.2 eV
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 8 / 168
Uvod Radiometricke (fotometricke) veliciny
Veliciny II
Hustota zarive energie – w [J/m3]Radiant energy density
– mnozstvı zarive energie v jednotkovem objemu
Zarivy tok – Φ = dQdt [W] Radiant power
– vykon (energie za cas) vyslany, preneseny nebo prijatySvetelny tok – Φv = dQv
dt [lm] Luminous flux1 W = 683 lm pro λ = 555 nm (maximum zrakoveho vjemu)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 9 / 168
Uvod Radiometricke (fotometricke) veliciny
Veliciny III
Intenzita vyzarovanı – M = dΦdS [W/m2] Radiant excitance
– zarivy tok emitovany z jednotkove plochy zdrojeSvetlenı – Mv = dΦv
dS [lm/m2] Luminous excitance
Zarivost – I = dΦdω [W/ster] Radiant intensity
– zarivy tok emitovany do jednotkoveho prostoroveho uhluSvıtivost – Iv = dΦv
dω [cd = lm/ster] Luminous intensity
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 10 / 168
Uvod Radiometricke (fotometricke) veliciny
Veliciny IV
Zar – L = IdS cos θ [W/ster·m2] Radiance
– zarivost jednotkoveho povrchu videneho poduhlem θJas – Lv = Iv
dS cos θ [nit = cd/m2] Luminance
pozorovatel
dS
dS cos
Example (Zdroje jasu v nitech)
Slunce v zenitu 1.6 · 109 plamen svıcky 5 000modra obloha 8 000 rubınovy laser 1018
zamracena obloha 40 atomova bomba 1012
Mesıc 2 500 hvezda Sirius 1.5 · 1010
nocnı obloha 5 · 10−5
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 11 / 168
Uvod Radiometricke (fotometricke) veliciny
Veliciny V
Intenzita ozarenı – E = dΦdS , [W/m2] Irradiance
– mnozstvı zariveho toku dopadajıcıho na jednotkovou plochuOsvetlenı – Ev = dΦv
dS , [lx = lm/m2] Illuminance
Example (Zdroje osvetlenı v luxech)
Slunce v zenitu 100 000 Mesıc v uplnku 0.2poledne ve stınu 10 000 bezmesıcna noc 0.001zamracena obloha 100 az 1 000 tmava noc 0.0001
Expozice – H =∫ t
0 E(t)dt , [J/m2] Radiance exposure
– ozarenı jednotkove plochy za dany casovy intervalOsvit – Hv =
∫ t0 Ev (t)dt , [lx·s] Light exposure
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 12 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
Pojmy
Lambertovsky (kosinovy) zaric
zarivost je konstantnı pro vsechny uhly pohledu, M = π · L,
1893, vlnova delka maxima vyzarovacı krivky, pyrometry k urcenı tzv.barevne teploty svetla
Rayleighuv-Jeansuv zakon – Mλ = 2π3ckTλ4
1900, Boltzmannova konst. k = 1.380662 · 10−23 J/K, ultrafialovakatastrofa
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 14 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
Spektralnı intenzita vyzarovanı cerneho telesa
Planckuv zakon1900, kvanta elektromagnetickeho pole hν
Mλ =2πhc2
λ5(
ehc
λkT − 1)
Mν =2πhν3
c2(
ehνkT − 1
)0
20
40
60
M[M
Wm
-2m
-1]
1 2 3 4 5
Vlnová délka [ m]
Rayleigh-JeansPlanck
= 5 500 KT
T4
max
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 15 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
Geometrie
plocha zdroje
plocha zdrojev zorném poli
poloúhel zorného poleoptické soustavy
plochaoptickésoustavy
detektor
prostorový úhel
S
Sz
Sa
d
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 16 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
Spektralnı propustnost
Propustnost
TP prostredıTO opticke soustavyTF filtru
Opticky vykon na detektoru:
P(λ) =SzSaTP(λ)TO(λ)TF (λ)Lλ(λ)
d2
uzka oblast spektra ∆λ okolo λ0
P ≈ SzSaTP(λ0)TO(λ0)TF (λ0)Lλ(λ0)∆λ
d20
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pro
pust
nost
[%]
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100
Vlnova delka [nm]
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 17 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
Example (Zarovka)
Vypoctete opticky vykon Pd dopadajıcı na kruhovou plochu r = 2 mm(zornice oka) vzdalenou d = 1 m od svetelneho zdroje o zarivem tokuΦ = 2 W (100 W zarovka).Predpoklad: Zdroj je Lambertovsky zaric, tedy Φ = 4πI.
Resenı
I = Φ4π , S = πr2, Ω = S
d2 ⇒ Pd = ΩI = Φr2
4d2
Vysledek: Pd = 2·4·10−6
4·1 W = 2 µW.
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 18 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
Example (Cerne teleso)
Kulove cerne teleso polomeru R = 1 m a teploty T = 1000 K jesledovano detektorem ze vzdalenosti d = 1000 m.
Detekcnı system vstupnı apertura o polomeru 5 cmpolouhel zorneho pole ζ = 0.1
ucinnost optickeho systemu TO = 50%λ0 = 1µm s sırkou pasma 1% (∆λ = 10−8 m)
Vypoctete 1 zar Lλ a Lν v rovine detektoru2 energii dopadajıcı na detektor3 pocet fotonu dopadajıcıch na detektor za
sekundu4 Co se zmenı, jestlize bude cerne teleso mıt
polomer 10 m mısto 1 m?
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 19 / 168
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 20 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
2. Energie dopadajıcı na detektor
P = SzΩTOLλ∆λ
= SzΩTOLν∆ν
TO = 0.5∆λ = 10−8 m∆ν = 2.998 · 1012 HzS < Sz ⇒ S
P = 8.32 · 10−9 W
Sa = πr2 = 7.85 · 10−3 m2
Ω = Sa/d2 = 7.85 · 10−9 sterS = πR2 = 3.14 m2
Sz = πd2 tan2 ζ = 9.57 m2
plocha zdroje
plocha zdrojev zorném poli
poloúhel zorného poleoptické soustavy
plochaoptickésoustavy
detektor
prostorový úhel
S
Sz
Sa
d
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 21 / 168
Uvod Zakony vyzarovanı
3. Pocet fotonu dopadajıcıch na detektor za sekundu
Efotonu =hcλ
= hν E1µm = 1.99 · 10−19J
→ 4.19 · 1011 fotonu/s
4. Cerne teleso polomeru 10 m
S = 314 m2, Sz = 9.57 m2, Sz < S ⇒ Sz
L se nezmenıP = 2.53 · 10−8 W1.28 · 1012 fotonu/s
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 22 / 168
Uvod Polovodice
Vlastnosti polovodicu
meziclanek mezi vodici a izolantyenergeticke hladiny atomu urcujı hladiny materialuenergeticke hladiny zdruzeny do pasu – vodivostnı a valencnı,mezi nimi pas zakazanych energiı s sırkou EgPauliho vylucovacı principnosice naboje – elektron ve vodivostnım pasu, dıra (absenceelektronu) ve valencnım pasuexcitace elektron-deroveho paru vnejsım zdrojem (napr. dopadfotonu hν > Eg), rekombinace→ vyzarenı fotonuv termalnı rovnovaze izolant, tepelne excitace, vodivost vzrusta spoctem excitovanych nosicu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 23 / 168
Uvod Polovodice
Prımy a neprımy prechod
Prımy excitace a rekombinace bez zmeny hybnosti hk → vhodnymaterial pro zdroje zarenı
Neprımy u rekombinace nutna zmena hybnosti→ detektory
E1
Ev
Ec
E2
hEg
E
k
h
k
E
Relaxace
a) Přímý přechod b) Nepřímý přechod
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 24 / 168
Uvod Polovodice
Polovodicove slitiny
Elementarnı IV skupina, nejcasteji Si a Ge, neprımy prechodBinarnı III+V, napr. GaN (mala Eg → detekce v IC)
p-i-n dioda – sirsı ochuzena oblastheteroprechod – napr. p-p-n, skoky v potencialnı energii – barierynebo jamy (narazova ionizace)material s velkou Eg – transparentnı pro svetlo (okenko)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 27 / 168
Uvod Zakladnı obecne vlastnosti detektoru
Kvantova ucinnost η Quantum efficiency
Pravdepodobnost, ze jeden foton da vzniknout nosici naboje, kteryprispeje k proudu v detektoru.
η = (1− R)ξ(1− e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1
p
(1-R)
Foto
nov
ýto
k
0 d x
Odražený
1/Prošlý
Dopadající
Fotocitliváoblast
1
10
102
103
104
105
106
Abs
orpč
níko
efici
ent[
1/cm
]
0.02 0.1 0.2 0.5 1 2 5Energie [eV]
50 10 1 0.5 0.2g [ m]
GaAsSi
FononyVolné nosičeMezipásové přechody
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 28 / 168
Uvod Zakladnı obecne vlastnosti detektoru
η = (1− R)ξ(1− e−αd ), 0 ≤ η ≤ 1
R odraz na vstupnım rozhranı, antireflexnı vrstvy, ciste materialy,dobry povrch→ mala rekombinacepro kolmy dopad svetla ze vzduchu
R =(n − 1)2 + (α(λ)λ/4π)2
(n + 1)2 + (α(λ)λ/4π)2
ξ podıl nosicu, ktere prispıvajı k proudu detektoremd tloust’ka materialu, rezonator
Pro velka λ pokles S kvuli η(λ), pro velka P – saturaceDetektory s vnitrnım ziskem G = q
e → S = Gηehν = Gη λ0
1.24
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 31 / 168
Uvod Zakladnı obecne vlastnosti detektoru
Doba odezvy Response time
Minimalnı casovy interval, po kterem detektor zaznamena zmenu vdopadajıcı intenzite.
Rozsırenı doby pruchodu TTS (Transition Time Spread)Driftova rychlost – urychlovanı el. polem × narazy v atomovemrızce
v = τcola = τcoleE/m = µE
a zrychlenı a = eE/mm efektivnı hmotnost elektronu resp. dıryτcol strednı doba mezi dvemi kolizemiµ pohyblivost elektronu resp. dıry
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 32 / 168
Uvod Zakladnı obecne vlastnosti detektoru
Ramouv vztah – i(t) = −Qv(t)/w , v polovodicıch ve > vh
Prenos naboje 1e: q = e vhw
xvh
+ e vew
w−xve
= eRC konstanta – prodlozenı doby odezvy, odpor R a kapacitance Cobvodu detektoru, τRC = RC
(w-x)/ve
x/vh
0 x wx
t
Díra Elektron
+vh -
ve
V i(t)
ie(t)
ih(t)
evhw
evew
t
i(Nevh)/w
(Neve)/w
Ne(ve+vh)/w
0 w/ve w/vht
i(t)a) b) c)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 33 / 168
Uvod Zakladnı obecne vlastnosti detektoru
Vyber vhodneho detektoru
SNR Pomer signalu k sumu (Signal to noise ratio),oscilace vystupnıho signalu (idealne jen statistickefluktuace vstupnıch fotonu)
Linearita (Linearity), odchylka od linearnı zavislosti mezivstupem a vystupem
Dynamicky rozsah (Dynamical range), tez spektralnı sırka pasma,pomer mezi minimalnı a maximalnı intenzitousignalu, kterou lze zmerit beze ztraty informace
Spektralnı odezva (Spectral response), zavislost na vlnove delcedopadajıcıho zarenı
Sırka pasma (Spectral range) rozsah vlnovych delek, pro kterema detektor nenulovou citlivost, maximum citlivostipro λp
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 34 / 168
Zdroje svetla
Obsah
1 Uvod
2 Zdroje svetlaRozdelenı zdroju svetlaElektromagneticke spektrumLaseryElektroluminiscence v polovodicıch
3 Rozdelenı typu detektoru svetla
4 Vnitrnı fotoelektricky jev
5 Vnejsı fotoelektricky jev
6 Maticove detektory CCD a CMOSHaderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 35 / 168
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 49 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Rozdelenı
Ostatnı typy detektoru
Termalnı detektory
absorbce fotonu→ zmena teploty→ zmena vlastnostı materialu(vetsinou elektrickych)pomala odezva (10−3 s)bolometry a spol.
Koherentnı detektory
reakce na zmenu velikosti elektrickeho pole signalu, moznosturcenı faze dopadajıcıch fotonuIC po radiohomodynnı detekce
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 50 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Lidske oko
Lidske oko
Viditelna oblast– 400-700 nm (VIS)– 100-315 nm se absorbuje vrohovce a komorove vode– blızka IC do 1400 nm projde nasıtnici (mozne poskozenı)– delsı λ asborbovany v rohovce
Proces detekcedopad fotonu excituje elektron vbarvivu bunky – nervovy vzruch
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 51 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Lidske oko
Sıtnice
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 52 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Lidske oko
Tycinkybarvivo rodopsinmaximum citlivosti 510 nm120 mil., neostre videnı za sera
Cıpky
barviva B, G a R v pomeru 1:16:32spolu max. citlivosti na 555 nm7 mil., vetsina ve zlute skvrne
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 53 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Lidske oko
lokalnı maximum R okolo 400 nm→ fialova mısto modresubjektivnı vjem oka ∼ log(Φ)adaptace pro rozdıl 11 radu v intenzitepupila – r = 2 mm pro 10000 lx, r = 6 mm pro 1 lx
400 500 600 700 [nm]
Inte
nzit
ní odezva
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 54 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Fotografie
Princip fotografie
Zaznamdopad fotonu na halid strıbra (AgBr, AgCl, AgBrI)→ Ag + Bruvolnenı Ag z kryst. mrızky, stabilnı cerne zarodecne centrum Ag2ucinnost 1-5%
Vyvolanıchemicky procesredukce AgBr na Ag3Ag katalyzatoremzesılenı 108 - 1011
odstranenı AgBr10-20 fotonu/zrno –50% ze zcernabinarnı zaznam
sklo nebo plast
izolární vrstva
dělící vrstva
zrna halidu stříbrav želatinovém pojivu
ochranný želatinový povrch
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 55 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Fotografie
Spektralnı odezva
pro AgBr je W = 2.81 eV,→ λg = 440 nm
Detekce UVzelatina absorbuje pod 300 nm→zrna na povrchu
3. Linearnı oblastkontrast γ = tan θ klesa s velikostizrn
4. Preexpozicesaturace
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 57 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Fotografie
Vlastnosti fotografickeho zaznamu
Rychlost
doba expozice potrebna pro urcitou hustotu zcernalych zrnhola zrna – cım vetsı tım rychlejsızrna zcitlivela barvivem – reakce jen na povrchu→ zplostenıvelikost zrna ∼ λ → difrakce→ zpomalenıpro zrychlenı – zchladit, predexpozice nebo lazen s ionty Ag
Rozlisenıv carach na mmumerny velikosti zrn, x10 az 100 kvuli rozptylu
Sumneroste s delkou expozice ani s teplotou (vyhoda oproti CCD)chemicky sum pri vyvolavanı je zanedbatelny
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 58 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Fotografie
Barevna fotografie
Zrna citlivána červenou
Zrna citlivána zelenou
Holá zrna citlivájen na modrou
exponováno neexponováno
Neexponovanázrna nahrazenabarvivem:
žlutým
purpurovým
azurovým
Žlutý filtr Žlutý filtr odstraňen
Barevné složky obrazu Osvětlení bílým světlem
vıce vrstev pro zvetsenı dynamickeho rozsahu (az 1:106),jednorazove fotoaparaty s fixnı zaverkouvrstva navıc citliva na modrou, pri vyvolanı nahrazena azurovymbarvivem, zaznam vıce odpovıda vjemu oka
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 59 / 168
Rozdelenı typu detektoru svetla Fotografie
Dokonaly zaznam barevne informace
Gabriel Lippmann
1894 – prvnı metoda zaznamu barevne fotografie1908 – Nobelova cena za fyzikufotograficka emulze s rozlisenım 2-3 tis. car/mmstojate vlnenı→ periodicka expozice, perida umerna λ
Tekutá rtuť
Obraz nebo bílé osvětlení
ZrcadloFot. emulzeSkleněná deska
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 60 / 168
6 Maticove detektory CCD a CMOSHaderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 61 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev
Vnitrnı fotoefekt
detekce v polovodicovem materialu v oblasti bez volnych nosicu(velky odpor)dopad fotonu (hν > Eg) excituje elektron (−e) do vodivostnıhopasu, na jeho mıste zustava dıra (+e)
zmena vodivosti materialu nebopohyb nosicu vlivem elektrickehopole→ elektricky proud v obvodu +
-
hEg
Vodivostní pás
Valenční pás polovodiče
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 62 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
Fotoodpory Photoconductors
za tmy pocet volnych nosicu umerny teplote→ nenulova vodivostdopadajıcı fotonovy tok Φ→ zvysenı vodivosti materialu σ
Material polovodicoveho detektoru
Vlastnı intristicke, cisty polovodic bez prımesı, jenmezipasove prechody
Nevlastnı extrinsicke, dopovany polovodic, prechody z donorovenebo akceptorove hladiny
Heterostruptury vrstvy ruzne dopovanych polovodicu, kvantovebariery a jamy
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 63 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
Vlastnı fotoodpory Intrinsic photoconductors
absorpce fotonu jen dıky mezipasmovym prechodum, hν > Eg
tvar a vzdalenost elektrod – minimalizace doby pruchodupruhledny substrat osvetleny zezadu, beze ztrat na kontaktech
h
h
Izolátor
Polovodič
Elektrody
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 64 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
w
V
ipA
h
+-
Rychlost generace R
R =ηΦ
wA=
∆nτ
∆n koncentrace a τ doba zivota
Zmena vodivosti ∆σ
∆σ =ηeτ(µe + µh)
wAΦ
µe,h - pohyblivosti elektronu a dıry
Ohmuv zakonJp = ∆σE , ip = AJp → ip = ηeτ(µe + µh)ΦE/wve,h = µe,hE – strednı rychlost nosicuτe,h = w/ve,h – strednı doba pruchodu nosicuvetsinou vh ve → ip ≈ ηeΦτ/τe
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 65 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
Zisk G = τ/τe → ip ≈ ηeΦG
pokud τ < τe je G < 1 – jen cast nosicu prispeje k proudu, zbytekzrekombinuje, konstrukce – mala vzdalenost kontaktu × velikostsvetlocitlive plochy
Zakon zachovanı kontinuity proudu
je-li vh ve dojde elektron na kontakt drıv nez dıra→ novy elektron zdruheho kontaktu, pruchod polovodicem, opakovanı dokud nedojde krekombinaci nebo dıra nedojde na kontakt, zisk umerny poctupruchodu elektronu polovodicem
Example (Zisk fotoodporu)
w=1 mm, ve = 107 cm/s→ τe ≈ 10−8 s, τ podle materialu od 10−13 spo nekolik sekund. Volbou materialu velky rozsah zisku 10−5–109,maximalne ale jen 106 – omezenı hustotou proudu, narazovou ionizacıa prurazem dielektrika
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 66 / 168
slitina HgxCd1−xTe ma Eg ∈ [1.55,0] eV→ λc ∈ [800,∞] nm(HgTe je kov)posun λc podle teploty o 5 az 10%, nad 2 µm chlazenı
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 67 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
Vlastnosti materialu II
Citlivostumerna G a η, tvar a velikost kontaktu, predpetı az po prurazne(potom fluktuace vodivosti, narust sumu, destrukce)materialy s velkou τ (neprımy prechod, vysoka cistota bezrekombinacnıch center)
Doba odezvy
zavisı na τe,h a RC konstante
R =w2
ηeΦτ(µe + µh), C =
Aκ0ε0
w, ε0 = 8.854 · 10−12 F/m
τ ∼ G ale τ ∼ 1/B, B – sırka pasma (rychlost odezvy), GB ≈ 109
meznı frekvence 12πτ
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 68 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
Nevlastnı fotoodpory Extrinsic photoconductors
excitace elektronu z donorove hladiny do vodivostnıho pasu,vazana dıraexcitace dıry z akceptorove hladiny do valencnıho pasu, vazanyelektron
vetsı pravdepodobnost termalnı excitace – chlazenı az na 4 K
Absorbcnı koeficient α(λ) = σi(λ)N1
σi(λ) – fotoionizacnı prurez, N1 – koncentrace dopantukoncentrace N1 limitovana rozpustnostı (1016–1021/cm3) anezadoucım narustem vodivosti (1015–1016/cm3)absorpcnı koeficient mensı cca o tri rady oproti vlastnımpolovodicum→ zvetsenı objemu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 69 / 168
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
1.0
Nor
mov
aná
citli
vost
[A/W
]
2 5 10 20 50 100 150 200
Vlnová délka [ m]
Ge:Hg Ge:Cu
Ge:Zn
Ge:Ga
Ga:Gastressed
Dopant Typ Ge Siλc [µm] σi [10−15cm2] λc [µm] σi [10−15cm2]
Al p 18.5 0.8B p 119 10 28 1.4Be p 52 8.3 0.005Ga p 115 10 17.2 0.5In p 111 7.9 0.033As n 98 11 23 2.2Cu p 31 1 5.2 0.005P n 103 15 27 1.7Sb n 129 16 29 6.2
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotoodpory
Heterostruktury
vrstvenı ruzne dotovanych polovodicu→ potencialove jamy(GaAs) a bariery (AlGaAs)QWIP Quantum-well a QDIP quantum-dot infrared photodetectorstlaceny material (stressed) – narusenı krystalove mrızky, snızenıexcitacnı energie
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 71 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Fotodiody Photodiodes
Princip
materialy s velkou vodivostı nelze pouzıt jako fotoodporyp-n rozhranı – selektivnı presun termalne excitovanych majoritnıchnosicu, elektrony do n a dıry do p-typu, kde rekombinujıvnitrnı elektricke pole (kontaktnı potencial Vb)ochuzena oblast bez volnych nosicumimo ochuzenou oblast zanedbatelny potencialovy rozdıl(relativne velka vodivost dotovaneho materialu)jen mezipasmove prechody majoritnıho cisteho polovodiceexcitovany elektron a dıra se pohybujı opacnym smerem dıkyvnitrnımu elektrickemu polizmena vodivosti prechodu s dopadajıcım zarenım
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 72 / 168
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 73 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Oblasti absorpce podle transportu nosicu
1 ochuzena oblast, transport vlivem vnitrnıho elektrickeho pole2 v bezprostrednı blızkosti ochuzene oblasti muze nosic naboje
nahodne dodriftovat do oblasti s elektrickym polem, koeficientdifuze De,h [cm2/s], difuznı delka Le,h =
√De,hτe,h [cm]
3 ve vzdalenosti vetsı jak Le,h neprispejı nosice k proudu ve vnejsımobvodu
Elektrické pole
3 2 1 2 3
Fotony
0 +-
+-
+-
+-
+-
E
U
ip
p n
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 74 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Doba odezvy
zavisı na τe,h a RC konstante stejne jako u fotoodporunavıc doba difuze nosicu vzniklych mimo ochuzenou oblast
Materialy fotodiod s meznı vlnovou delkou
diamantove vrstvy 230 nm AlxGa1−xN 200-370 nmGaN 370 nm GaP 520 nmAlxGa1−xAsSb 0.75-1.7 µm Si 1.1µmGaInAs 1.65 µm Ge 1.8 µmInAs 3.4 µm InSb 6.8 µmHg1−xCdxTe 1-15 µm
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 75 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Elektricke zapojenı I
1 na prazdno – zvysenı elektrickeho pole (napetı na kontaktech), vsolarnıch clancıch, citlivost ve V/W
2 na kratko – prıme spojenı, merı se fotoproud ip
0
=0
1
2
U
i
Up1 Up2is
Up
0
=0
1
2
U
i
-ip1
-ip2
is
ip
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 76 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Elektricke zapojenı II
3 se zavernym napetım4 se zavernym napetım s odporem v serii
U
i
-UB
iUB
U
i
-UB
-UB/RL
i UB
RL
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 77 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
p-i-n fotodiody
vlastnı nebo slabe dotovanypolovodic mezi p a n-typ→ sirsıochuzena vrstva
vetsı svetlocitliva oblastsnızenı C ale prodlouzenı τe,h
mensı pomer mezi difuznı adriftove vzdalenosti→rychlejsı odezva
Ele
ktric
képo
leH
usto
tavá
zané
honá
boje
Ene
rgie
elek
tron
u Elektrické pole
Ochuzená vrstva
+
---
+++
-
x
x
Ev
Ec
p i n
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 78 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Vlastnosti p-i-n
Citlivostneprımy zakazany pas – maximum Spro λ < λg
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Citl
ivos
t[A
/W]
0 200 400 600 800 1000
Vlnová délka [nm]
Ideální Si fotodiodaTypické Sifotodiody
g
Heterostruktury
vrstva s vetsı sırkou zakazaneho pasu – pruhledne okenkoAlGaAs/GaAs – 700-780 nmInxGa1−xAs/InP – 1.3-1.6 µm, η ∼ 75%, S ∼ 0.9 A/WHgxCd1−xTe/CdTe – 3-17 µm, nocnı videnı, komunikace
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 79 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Fotodiody s Schottkyho barierou
heteroprechod kovu a polovodice, majoritnı nosicetenka ochuzena oblast poblız povrchu – detekce kratkych λrychla odezva (ps), mala RC konstanta (maly odpor kovu)
Pol
ovod
ič
Kov
+
-
-
+
Kov PolovodičEv
EcEf
W-
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 80 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Technicke parametry komercnıch fotodiod
λp pro maximum citlivostiRSH odporovy bocnık
CJ kapacitance prechoduVBIAS predpetı
fBW sırka pasma fBW = 12πRLOADCJ
Vout napetı na zatezovem odporuVout = PoptS(λ)RLOAD
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 81 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Lavinove fotodiody APD – Avelanche photodiodes
zaverne napetı na p-nprechodu velike→narazova ionizace, lavinovenasobenı nosicu naboje +
-
+
--
+
-
+
1
2
3Urychlení elektronu
Excitace
Urychlení díry
Excitace
h
Eg
Ev
Ec
x
n
p
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 82 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Koeficient ionizace a ionizacnı pomer
αe,h koeficient ionizace elektronu a der [1/cm]roste s elektrickym polemklesa s teplotou
K ionizacnı pomer K = αhαe
αh αe, K 1, excitujı jen elektrony, lavina z p do nαh αe, K 1, excitujı jen dıry, lavina z n do pαh ≈ αe, K ≈ 1, excitujı oba nosice, zvysenı zisku ale delsıodezva (mensı sırka pasma), vıce sumovy, nestabilnı,moznost lokalnıho prurazu a poskozenı detektoru
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 83 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
SAM APD Separate Absorption-Multiplication APD
u APD velikosti svetlocitlive plochy × multiplikacnı oblastiz materialu s malym Kve velke slabe dotovane oblasti (π) elektricke pole male nanarazovou ionizaci – detekceuzka multiplikacnı oblast s velkym elektrickym polem – lavinezesılenı
Elektrické pole
Hustota náboje+
-- x
p+
p n+
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 84 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Zisk APD
K = 0 → Je(x) = Je(0)eαex
G = eαew
multiplikace elektronu i der,potom Je(x) + Jh(x) = konst .a
G =1−K
e−(1−K)αew −K
K = 1 → G = 11−αew
pro αew = 1 je G =∞→ nestabilnı situace, moznostznicenı detektoru
0 w x
Je(0)
Je(w)
Je(x)
Jh(x)
0
10
20
30
G
0 1 2 3
ew
= 1 = 0.5 = 0
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 85 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Citlivost APD
S =ηGehν
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
Pro
ud[A
]
10 15 20 25 30
Závěrné napětí [V]
Temný proudFotoproud
Průraznénapětí
Destrukčnínapětí
Oblast zisku
Materialy
podobne jako u p-i-n fotodiodSi 700-900 nm, K mezi 0.1 a 0.2 ale i 0.006
InGaAs 1.3-1.6 µm, vetsı K i citlivost, strednı sum,pracovnı napetı 105 V/cm
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 86 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Fotodiody
Doba odezvy APD
1 doba pruchodu ochuzenou vrstvou sırky wd
2 doba driftu poblız ochuzene vrstvy3 RC konstanta4 charakteristicka doba lavinoveho nasobenı τm
τ =wd
ve+
wd
vh+ τm
pro K = 0 je hornı limit τm = wmve
+ wmvh
, kde wm je sırkamultiplikacnı oblasti0 < K < 1 a G 1, potom τm ≈ GKwm
ve+ wm
vh
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 87 / 168
Ge a Si-Ge pro telekomunikacnı oblast 1.3-1.6 µmpro IC do 4 µm detektor s absorbcnı oblastı z InAsSb,multiplikacnı oblast z AlGaAsSb na substratu z GaSbGaN a SiC pro UV, SiC odolny velkym teplotam a nehostinnemuprostredılepsı kvantova ucinnost na ukor sırky pasma
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 89 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Sum fotodetektoru
Generovany elektricky proud i je nahodna velicina
ip = ηeΦ = SP, σ2i = 〈(i − ip)2〉
Zdroje sumu1 Fotonovy sum – dopadajıcı fotony, vetsinou Poissonovo rozdelenı2 Fotoelektronovy sum – vzdy pro η < 13 Sum zisku – u fotoodporu a APD zisk nahodny4 Sum vnejsıho obvodu – odpory, kapacitory atd.5 Sum pozadı – neodstınene svetlo z nesledovanych zdroju,
termalnı zarenı objektu6 Temny sum – nahodna generace nosicu tepelne nebo
tunelovanım
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 90 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Vstupní optickýsignál
Fotonový šum
Detekovanýsignál
Fotoelek. šum
Obvodový šum
Vstupní optickýsignál
Fotonový šum
ZiskDetekovaný
signál
Fotoelek. šum
Šum zisku
Obvodový šum
Fot
oefe
kta
sběr
prou
du
Fot
oefe
kt
Sbě
rpr
oudu
Veliciny pomerujıcı sum
SNR Pomer signalu k sumu, SNR = i2p/σ2i SNR = n2
p/σ2n, minimalnı
detekovany signal ma SNR = 1F Faktor zvysenı sumu (Excess noise factor), F = 〈G2〉/〈G〉2
BER Chybovost na bit informace (Bit errorr rate)Citlivost prijımace (Receiver sensitivity) minimalnı Φ pro urcitou
hodnotu SNR0 (10-103) popr. BER (109)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 91 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Fotonovy sum
neodstranitelny, charakteristika dopadajıcıho zarenıLaserove zarenı nebo termalnı s sırkou spektra > 1/T –Poissonova statistika
m = SNR = mp = ηnp)fotoelektronovy a fotonovy sum nejsou aditivnı
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 93 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Sum fotoproudu I
fluktuace elektrickeho proudu i(t) v obvodu fotodetektoru vzavislosti na dopadajıcım fotonovem tokuzahrnuje fotonovy a fotoelektronovy sum, charakteristickou dobuodezvy a elektricke zapojenı detektoru
ipt
i t
it
t
pPlochae
Fotony
Fotoelektrony
Proudovépulzy
Elektrickýproud
(výstřelovýšum)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 94 / 168
organizace materialu, jen pro wm < 400 nm a maly ziskuprava energie injektovanych nosicu gradientnım polem – redukceprvnı mrtve oblastiheterostruktury – skoky v energetickych pasech
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 98 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Obvodovy sum
tepelny pohyb nosicu naboje v odporech a fluktuace v tranzistorechzesilovace
Tepelny sum (Johnsonuv, Nyquistuv)
nahodne fluktuace proudu pro T > 0je-li frekvence zmen kT/h = 6.24 THz (T = 300 K) a B kT/h,potom σ2
i ≈ 4kTB/R
parametr sumu obvodu σq
σq = σr tre = σr
2Be , σr/e - variance elektronoveho toku
obvod limitovan odporem – σq =√
kTe2RLB
obvod limitovany zesılenım – σq ≈√
B100
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 99 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Pomer signalu k sumu SNR
SNR =ip
2eGpipBF + σ2r
=(eGpηΦ)2
2e2G2pηBΦF + σ2
r=
G2pm2
p
G2pFmp + σ2
q
detektor bez zisku→ SNR = m2p/(mp + σ2
q)
minimalnı pocet fotoelektronu mp0 pro urcitou hodnotu SNR0 –
mp0 = 1/2[SNR0 +
√SNR2
0 + 4σ2qSNR0
]
10
102
103
104
105
SNR
10 102
103
104
105
mp
q
Gp
F
mp = q2
Gp = F = 1
= 100
= 100
= 2
APD
Fotodioda
1
10
100
SNR
1 10 100 1000
Gp
=0
0.1
1
mp
q
= 1000
= 500
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 100 / 168
Vnitrnı fotoelektricky jev Sum fotodetektoru
Chybovost BER
”1” – detekce np fotonu × ”0” – bez detekce (0 fotonu)prumerny pocet fotonu na bit→ npa = np/2Poissonovo rozdelenı – BER = e−np/2 = e−2npa/2
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 101 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev
Obsah
1 Uvod
2 Zdroje svetla
3 Rozdelenı typu detektoru svetla
4 Vnitrnı fotoelektricky jev
5 Vnejsı fotoelektricky jevSoucasti fotonasobiceUzitı fotonasobicuFyzikalnı vlastnosti fotonasobicuKonstrukce fotonasobicu
6 Maticove detektory CCD a CMOSHaderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 102 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev
Vnejsı fotoefekt (fotoelektronova emise)
Foton doda elektronu takovou energii, ze prekona vystupnı praci kovuW popr. energii zakazaneho pasu Eg a elektronovou afinitu χpolovodice a unikne do vakua.
a) b)c)
-
hW
Volný elektron
Nejbližší vyšší pásVakuum
Vodivostní pás kovu
+
-
+
-
h h
W
Eg
Volný elektron
Vodivostní pás
Vakuum
Fermihohladina
Valenční pás polovodiče
fotonasobic = fotokatoda + dynody + anodadobra citlivost a η v UV a VIS, rychly cas odezvy, nızky sum
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 103 / 168
1929 Koller a Campbell,fotokatoda z Ag-O-Cs, 100xcitlivejsı
pozdeji bialkalicke fotokatody proVIS, multialkalicke pro IC,alkalihalidove pro UV,polovodicove s NEA
Fotonasobic1902 Austin, povrch pro
sekundarnı emisi1935 Iams a kol., trioda
(fotokatoda+dynoda) prozesilovac zvuku filmu
1936 Zworykin a kol., dalsıdynody, transport elektronuelektrickym a magnetickympolem
1939 Zworykin a Rajchman,elektrostaticky fokuzacnıfotonasobic z Ag-O-Cs apozdeji z Sb-Cs
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 104 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Konstrukce fotonasobice
FotokatodaAnoda
DynodyUK U1 U2 U3 Un
vakuum pro zamezenı ztrat a ionizacepropustnost okenka a ucinnost fotokatodysekundarnı emise na dynodachsber elektronu na anode, proudovy impulz
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 105 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Okenko
pruhledna cast krytu, neprodysny spoj, pokud je kryt z jineho materialu
MgF2 od 115 nm, nenı tolikhydrofilnı
Safır (Al2O3) od 150 nmSynteticky Si od 160 nm, mensı
absorpce nez taveny Si,penetrace He
UV sklo od 185 nm 0.05
0.10
0.20
0.30
0.50
0.70
1.00
Pro
pust
nost
120 140 160 200 240 300 400 500
Vlnová délka [nm]
MgF
2
Syn
tetic
kýkř
emík
Bor
osili
káto
vésk
lo
Saf
ír
UV
sklo
Borosilikatove (Kovarove) sklo od 300 nm, teplotnı roztaznost blızkakovarovym slitinam (vodice), malo 40K (K-free), scintilacnı cıtanı
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 106 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Fotokatoda
Delenı fotokatod podle smeru elektronove emise
Transmisnı head on, tenka vrstva aktivnıho materialu na sklenenedesticce
Reflexnı side on, na kovovem substrate
h
h
ee
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 107 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Kvantova ucinnost fotokatody
η(ν) = (1− R)Pνk
11 + 1/kL
Ps = (1− R)PνL
kL + 1Ps
R odrazivost materaluk plny absorbcnı koeficient fotonu
Pν pravdepodobnost excitace elektronu do vyssı hladiny nez vakuoveL strednı unikova rychlost elektronu
Ps pravdepodobnost uniku elektronu do vakua
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 108 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Materialy fotokatod
CsI a CsTe od 200 resp. 300 nm, solar blind, s okenky z MgF2,syntetickeho Si nebo bez
Sb-Cs UV a VIS, pro vetsı intenzity, maly odpor, jen reflexnıBialkalicke Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, UV a VIS, vysoka citlivost, maly
temny proudVysokoteplotnı bialkalicke Sb-Na-K, UV a VIS, mensı citlivost,
pracovnı teplota az 175C (normal 50C)Multialkalicke Sb-Na-K-Cs, od UV po 900 nmAg-O-Cs od 300 po 1 200 nm transmisnı, po 1 100 nm reflexnı, mala
citlivost ve VISGaAsP(Cs) transmisnı ve VIS, velka citlivost, degraduje pro velke
intenzityGaAs(Cs) transmisnı od UV po 900 nm, plocha zavislost citlivosti,
degraduje pro velke intenzity
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 109 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Zarive citlivosti fotokatod
Reflexnı fotokatoda Transmisnı fotokatoda
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 110 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Infracervene fotokatody
InGaAs(Cs) posunuta do IC, vyborny SNR mezi 900 a 1 000 nmInP/InAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs) polovodicovy p-n prechod, az do 1
700 nm, nutne chlazenı az na -80C kvuli sumu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 111 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Dynody
nasobenı poctu elektronu sekundarnıemisıspojita (MCP) × oddelene, stupnovitenapetı 100-200 V, pocet 1-19zisk 10-100, pomer sekundarnı emise δzavisı na materialu a napetızisk na n dynodach – δn
materialy – alkalicko antimonove slitinyBeO, MgO, GaP, GaAsP na elektrodach zNi, oceli a CuBe slitin
elektroda substrátu
povrch sekundární emise
primárníelektron
sekundárníelektrony
1
2
5
10
20
50
100
Pom
ěrse
kund
ární
emis
e50 100 200 500 1000 2000
Urychlovací napětí [V]
GaP:Cs
Cu-BeO-Cs
K-Cs-Sb
Cs3Sb
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 112 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Trajektorie elektronu
draha elektronu optimalizovana numerickou analyzoufokuzace elektronu na dynodyminimalnı rozdıl casu pruchodu elektronuzamezenı zpetne vazby (iontova, svetelna)
Sberna ucinnost αpocet elektronu na pvnı dynode / emitovanych z fotokadodyhodnota mezi 60 az 90%
Konstrukcezavisı na pouzitıkruhova, box&grid, linearnı fokuzovany typ a jine viz dale
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 113 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Soucasti fotonasobice
Anodatvar tyce, desky nebo sıteoptimalizece napetı pro omezenı prostoroveho naboje amaximalizaci zisku
Periferie (elektronika a kryt)
stabilizovany zdroj vysokeho napetı 1-2 kV ± 0.1%obvody rozdelujıcı napetı na dynody, anodu a smerovacı elektrodykryt stını elektricke a magneticke pole, nechtene svetlozmena charakteristik fotonasobice podle vnejsıch vlivu (teplota,vlhkost, mechanicke napetı, elemag. pole)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 114 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Uzitı fotonasobicu
Vyber fotonasobice podle vlastnostı svetla
Vlnova delka material okenka, maximum citlivosti fotokatodyIntenzita pocet dynod a napetı mezi nimi, analogove nebo
digitalnı zpracovanı signaluRozmer svazku velikost okenka a efektivnı prumer fotokatody,
transmisnı nebo reflexnı fotokatodaRychlost deju rychlost odezvy fotonasobice rychlejsı nez zmena
intenzity signalu, sırka pasma elektroniky
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 115 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Uzitı fotonasobicu
Rezim cinnosti
DC kontinualnı, pomala zmena intenzity signaluAC pulznı, rychle zmeny intenzity signaluPC cıtanı fotonu, binarnı odezva, nastavenı diskriminatoru
.PMT DC npF A/D PCRL
.PMT DC vr A/D PCRL
.PMT AC Discr PČ PCRL
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 116 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Uzitı fotonasobicu
Fotonove cıtanı
Signál:silný slabý velmi slabý
SNR =Ns√
2Ns + 4Nd
Ns – signalnı detekceNd – detekce pozadı, nezavisına sumovem faktorutemny sum a sum zesilovaceorezan diskriminatoremvykyvy napetı na dynodach anizesılenı nema vliv na funkci
Poč
etde
tekc
í
Velikost pulzu
signál + temný proudtemný proud
S(L)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 117 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu I
Zariva citlivost
Sk (λ) = Ik/Lp [A/W]
Kvantova ucinnost
η =hcλe
Sk ≈1240λ[µm]
Sk
porovnanı s kalibrovanou fotodiodounebo fotonasobicem
Rozsah spektralnı odezvy
kratkovlnny limit – material okenkadlouhovlnny limit – material fotokatody– pokles na 1% z maxima pro bialkalicke a Ag-O-Cs– pokles na 0.1% z maxima pro multialkalicke
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 118 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu II
Svetelna odezva– zavislost vystupnıho proudu na svıtivem toku (v lumenech) zwolframove lampy teploty 2856 K– katodova a anodova (vlastnosti po multiplikaci)
Ik- pocet sekundarnıch elektronu ku fotoelektrickemu
proudu, δn = IdnId(n−1)
celkovy zisk µ = αδ1 · δ2 · · · δn, stejny zisk na vsech dynodach→µ = α(aUk)n – velka citlivost na zmenu napetı
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 119 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu III
Casova odezvazpozdenı zpusobone prvky odkatody po anoduTTS ∼ U−2
minimalnı pro linearnıfokuzovany typ a kovovekanalky
0.50.7
1
2
3
5
7
10
20
Čas
[ns]
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Přiložené napětí [kV]
TTS
Náběžnáhrana
Úběžnáhrana
Náběžnáhrana
Dobaprůchodu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 120 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu IV
Linearitahornı mez intenzity pro katodu 0.1 az 10 µA, pro anodu 10 mAAC – limituje efekt prostoroveho nabojeDC – limitujı obvody napet’oveho zesilovacelepsı u reflexnıch fotokatod – maly odpor substraturoste s napetım a poctem dynod
Uniformitazmena vlastnostı fotonasobice na poloze a uhlu dopadu fotonu
Stabilitazmena vlastnostı v case, kratkodobe drift (zahrıvanı) 30 az 60 minut,dlouhodobe zivotnost fotokatody 103 az 104 hodin
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 121 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu V
Histerezezavislost vystupnıho proudu na predchozı hodnote
I i Imax I i ImaxImin Imin
0 zahřívání 5 6 7 8 9 (minuty) 5 6 7 8 9
NEBO
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 122 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Temny proud (temny sum)
anodovy proud se zakrytym detektorem
a pronikly proud z dynod na anodunebo patici (spatna izolace)
b tepelna emise fotokatody a dynod∼ T 4/5e
−eWkT
c scintilace na skle a drzacıchelektrod, elektrony vytrzene polem
ostatnı ionizace na zbylem plynu(vakuum 10−6 az 10−5 Pa),kosmicke zarenı (Cerenkovovozarenı z muonu), radioizotopyobsazene ve skle (betazarenı z 40K)
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
Pro
udna
anod
ě[A
]200 300 500 700 1000 1500 2000
Přiložené napětí [V]
Temný proudVýstupní signálTepelná emise
a
b
c
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 123 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Zavislost temneho proudu a detekcı na teplote
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
Ano
dový
tem
nýpr
oud
[A]
-40 -20 0 20 40
Teplota [oC]
R316R374R6248R3550
1
10
102
103
104
105
106
107
Tem
néde
tekc
e[H
z]
-60 -40 -20 0 20 40
Teplota [oC]
T,Ag-O-CsGaAsT,baT,maT,ba,nšR,maR,ba,nš
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 124 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Fyzikalnı vlastnosti fotonasobicu
Pomer sigbalu k sumu SNR
SNR =Ip
Ip+d=
Ip+d − IdIp+d
SNR =Ip√
2eB δδ−1(Ip + 2Id ) + N2
A
ip+d
idip+d
id
ip
Zlepsenı SNR
maximalnı ucinnost pro dane λ, optimalizace prenosu elektronu,maximalnı zachycenı svetla, rozsırenı B
podle Fresnelovych vztahu, ztraty na rozhranıch okenka a fotokatodypodle uhlu dopadu a typu polarizace
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 126 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Konstrukce fotonasobicu
Konstrukce fotonasobicu
Kruhovy typ
kompaktnı, reflexnı i transmisnı, rychlaodezva
Box&grid
jen transmisnı, vyborna sbernaucinnost elektronu
he
anodyfotokatoda
mřížka1 až 9 - dynody
1
2
3
45
6
7
8
9
h
e
fotokatoda dynody
poslednídynoda
anoda
kontakty patice
fokuzační elektroda vakuum~10-4
Pa
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 127 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Konstrukce fotonasobicu
Linearnı fokuzovany typ
jen transmisnı, rychla odezva, dobre casove rozlisenı a linearita
h
e
fotokatoda dynody
poslednídynoda
anoda
kontakty patice
fokuzační elektroda
Zaluziovy typ
jen transmisnı, velka fotokatoda, jednoduchy sber elektronu
h
fotokatodadynody
poslednídynoda
anoda
kontakty patice
fokuzační elektroda
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 128 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Konstrukce fotonasobicu
Mikrokanalektrubicka s vnitrnım ∅ 5 az 45 µm adelkou cca 40x vetsınapetı spojite podel kanalkuvelky sum (o 5 radu oproti dynodam -10−11 A)
Mikrokanalkova desticka MCPsvazek mikrokanalku az do ∅ 10 cmvyborne casove rozlisenıstabilnı zisk (104 az 106) v mag. polis multianodou urcenı mısta dopadupouzitı v intenzifikatorech obrazu
V1
V2
e
h
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 129 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Konstrukce fotonasobicu
Sıt’ovy typ
dobra linearitanecitlivy na magneticke poles multianodou urcenı mısta dopadu
Kovove kanalky
podobne vlastnosti jako MCP
Elektronove bombardovanıurychlenı e− vysokym napetımpo dopadu na polovodic excitace sprskyelektronu→ dalsı zesılenıvelky zisk s malym sumem
h
AD
e
h
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 130 / 168
Vnejsı fotoelektricky jev Konstrukce fotonasobicu
Porovnanı konstrukcı fotonasobicu
Typ Nabezna Linearita Imunita mag. Uniformita Kolekcnı Kladykonstrukce hrana [ns] [mA] pole [mT] ucinnostKruhovy 0.9 - 0.3 1 - 10 0.1 slaba dobra kompaktnı, rychlyBox&grid 6 - 20 1 - 10 0.1 dobra vyborna velka kolekcnı ucinnostLin. fok. 0.7 - 3 10 - 250 0.1 slaba dobra rychly, vysoka linearitaZaluziovy 6 - 18 10 - 40 0.1 dobra slaba velky prumerSıt’ovy 1.5 - 5.5 300 - 1000 500 - 1500 dobra slaba vysoka linearitaMCP 0.1 - 0.3 700 1500 dobra dobra rychlyKovove kan. 0.65 - 1.5 30 5 dobra dobra kompaktnı, rychlyElek. bomb. zavisı na polovodici - vyborny vyborny vysoke elek. rozlisenı
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 131 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS
Obsah
1 Uvod
2 Zdroje svetla
3 Rozdelenı typu detektoru svetla
4 Vnitrnı fotoelektricky jev
5 Vnejsı fotoelektricky jev
6 Maticove detektory CCD a CMOSUvodProces detekceVlastnosti CCDSnımanı obrazu CCDBarevne snımanıPorovnanı CCD a CMOSScientific CCD iKon
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 132 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Uvod
Historie
CCD Charged Coupled Device
vyvyjeny od 60. let 20. stol. v Bellovych laboratorıch jako novy typpocıtacove pametina bazi MOS (Metal Oxid Semiconductor)
CMOS Complementary MOS
vyvyjeny prımo jako detektor svetla (narocny vyvoj)zvladnute od 90. let 20. stol.
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 133 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Uvod
Princip
fotoelektronybariéra bariéra
jámaSi substrát
polySiSiO2
U1 U2 U1
polykremık – vodic, SiO2 – izolantvznik elektron-deroveho paru po dopadu fotonuzachycenı elektronu v potencialovych jamachpocet fotoelektronu umerny poctu dopadlych fotonu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 134 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Uvod
Zpracovanı obrazu u CCD
zmenou napetı na kontaktech prenos naboje po radcıch zparalelnıho do serioveho registru, potom po pixelech k jedinemuprevodnıku – prevod na napetıvystupnı zesilovac, zpracovanı a rızenı mimo cip
... ... ... ... ... ...
...
...
...
...
...
...
h
e-
e/U-zesi-lovač A/D přenos
generacečasování
ataktování
řízenítaktování
generátornapětí
oscilátor
CCD obrazový senzor tištěný obvod kameryparalelní registr
sériový registr
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 135 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Uvod
Zpracovanı obrazu u CMOS
prevodnık na napetı u kazdeho pixelu (mensı aktivnı plocha)zpracovanı a rızenı na stejnem cipu
CMOS obrazový senzor kamera
tištěnýobvod
e-
e/U-
sloupcový slučovač
sloupcový zesilovač
zesilovač A/D přenos
řádk
ový
přís
tup
řádk
ový
ovla
dač
oscilátor
generátorčasování
a
taktování
gene
ráto
rna
pětí
rozd
ělov
ačna
pětí
kone
ktor
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 136 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Uvod
Vyhody kamer
dlouha akumulace signalu – elektronu v potencialovych jamachη od 20 do 95 % (fotofilm 3-5 %)vysoka linearitadobra rozmerova stalost, rozlisenı az 1/10 pixelu (vypocetnıalgoritmy)vysledny obraz ihned k dispozici v podobe datoveho souboru –softwarova upravau CCD zdruzovanı pixelu – zvysenı kapacity, zrychlenı vycıtanıu CMOS windowing – vycıtanı jen casti matice
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 137 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Proces detekce
Detekce – elektronova excitace
Eν = hν = hc/λ ≥ Eg
Kriticka vlnova delka λc
λc =hcEg≈ 1.24
Eg[eV ][µm]
pro Si je Eg=1.12 eV, tedy λc=1.11 µmdetekce delsıch vlnovych delek – nevlastnı polovodic
Kvantova ucinnost ηzavisı na λpro Si pod 400 nm muze byt η > 100 % (elektronovy mrak)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 138 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Proces detekce
Vlastnosti kamer
Citlivost S
S = eληhc [A/W] nebo S =
ληAphc
[e−
µJcm2
], kde Ap - plocha pixelu
Absorbcnı koeficient αpro Si je 1/α400 nm = 0.2µm, 1/α650 nm = 3.33µm
Rekombinacnı cas τmimo ochuzenou oblast velice kratkyzavisı na cistote a prımesıchpovrchove rekombinace v dusledku poruch a necistot na rozhranı
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 139 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Proces detekce
Ztraty × signal
odraz na povrchu (Fresnelovyvztahy)absorbce krycımi materialy –ochrana CCD proti degradaci,barevne filtry, elektrodyexcitace elektronu v nebopoblız ochuzene oblastiexcitace a naslednarekombinace mimo ochuzenouoblast, pruchod
e
e e
odrazabsorpce
signálrekombinace
průchod
substrát
ochuzená vrstva
sběrná oblast
elektrody
krycí vrstva
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 140 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Proces detekce
Tenceny CCD cip osvetleny zezadu
Thinned back-illuminated CCDbeze ztrat na kontaktech a krycımfilmuzvysenı citlivosti, posun kekratsım vlnovym delkamsubstrat vylesten na tloust’ku 10az 15 µmnarocna a draha technologie
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
Rel
ativ
níkv
anto
váúč
inno
st
200 400 600 800 1000
Vlnová délka [nm]
ZadníPřední
osvětlení
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 141 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Vlastnosti CCD
Sum CCD
δreadout Odecıtacı sum, dusledek zesılenı a konverze naboje na napetı,roste s rychlostı CCD (slow scan CCD)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 142 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Vlastnosti CCD
Kapacita pixelu Qw Full well capacity
Qw = C0(Vg − VT ), C0 = Aκ0ε0/χ0
A plocha pixelu (typicky 15x15 µm2)κ0 pro SiO2 hodnota 4.5χ0 tloust’ka SiO2 (typicky 0.1 µm)Vg napetı na elektrodeVT meznı napetı pro vytvorenı potencialove jamy
Vg − VT ≈ 3 V
C0 ≈ 10−13 F→ Qw je v radu milionu elektronu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 143 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Vlastnosti CCD
Prostorove rozlisenı
velikost pixeluprostorove rozlozenı (oblast mezi pixely neprizpıvajıcı k signalu)kvalita zobrazovacı soustavymısto dopadu a velikost svetelneho signalumatematicky popis: funkce prenosu modulace (MTF) a kontrastu(CTF)software korigujıcı doostrenı, kompenzace rozlozenı bodoveudalosti ve vıce pixelech
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 144 / 168
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 147 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
FF Full-Frame transfermala operacnı i vyrobnı narocnostzaclonenı paralelnıho registru po dobuvycıtanı (mechanicka uzaverka nebosynchronne pulznı osvetlenı), jinakrozmazanı (smearing)
FT Frame transferdva identicke paralelnı registry, jedenzaclonenypo expozici rychly presun (ms) do ukladacısekce, potom pomale vycıtanı zaroven sdalsı expozicı
... ... ... ... ... ... ... ...
...
...
...
...
...
...paralelní registr
sériový registr
para
leln
ítak
tová
ní
sériové taktovánívýstupnízesilovač
... ... ... ... ... ... ... ...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...obrazová část
ukládací sekce
čtecí registr
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 148 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
IL Interline transferkryte ukladacı sloupce mezisvetlocitlivymi pixelypresun naboje v ukladacımsloupci metodou FF zaroven snacıtanım dalsıho snımkueliminace rozmazanı, rychlaelektronicka uzaverkamensı svetlocitliva plocha→matice mikrococek (jen pro kolmeosvetlenı)
... ... ... ... ... ... ... ...
...
...
...
...
...
...obrazová část
ukládací sloupce
čtecí registr
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 149 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Zpusoby vycıtanı IL CCD
progresivnı vsechny radky matice poporadeprokladany vycıtanı zvlast’ sudych a lichych radku, potreba jen
polovina ukladacıch pixelu, televiznı prenos
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 150 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Techniky prenosu naboje na cipu CCD
pixel tvorı kontakty (dopovany Si) na polovodici (Si) oddeleneizolantem (SiO2)napetı na kontaktech tvorı potencialove jamy (vyssı napetı) abariery (nizsı napetı)excitovane elektrony jsou zachycovany v potencialovych jamachzmenou napetı prepınanı mezi potencialovou jamou a barierou→pohyb naboje na ciputechniky: ctyrfazova (4Φ), trıfazova (3Φ), pseudo-dvoufazova(P2Φ), prava dvoufazova (T2Φ), virtualnı faze (VΦ)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 151 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
4Φ – ctyrfazova4 kontakty na pixeldva tvorı jamu, dva barieruob jeden kontakt preklopenınapetıpresun o pixel ve ctyrechkrocıch
3Φ – trıfazova3 kontakty na pixel2+1 strıdave jama a bariera(housenka)mene kontaktu→ vetsıhustota pixelu a rozlisenıslozitejsı casovanı, presun opixel v sesti krocıch
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 152 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
P2Φ – pseudo-dvoufazova4 kontakty na pixel, po dvoustejne napetıob jeden kontakt podsazenmaterial snizujıcı potencial→naklonena jamajednodussı casovanı aleslozitejsı konstrukce
T2Φ – prava dvoufazova1 kontakt na pixelmaterial snizujıcı potencialjen pod castı elektrodyvelka hustota pixelupresun o pixel ve dvou krocıch
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 153 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
VΦ – virtualnı fazepixel tvorı jeden kontakt a mezera (velka hustota)3 ruzne materialy postupne snizujıcı potencialvetsı propustnost svetla (citlivost v UV)presun o pixel ve dvou krocıch zmenou vysokeho napetı(problemy s casovou stalostı)
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 154 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Konverze naboje na napetı
1 vynulovanı plovoucıho difuznıho senzoru resetovacı elektrodou→referencnı hodnota napetı
2 prenesenı naboje z poslednıho pixelu serioveho registru3 dochazı ke zmene potencialu, po odectenı reference→ signal
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 155 / 168
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 156 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Vertikalnı obvod pretecenı
– predpetı na substrat– odvedenı prebytecneho nabojedo hloubky
VO
Lateralnı obvod pretecenı
– OD vedle sloupce pixelu– zmensenı aktivnı plochy
odtok hradlo U
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 157 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Detekce kratsıch vlnovych delek
tencene cipy osvetlene zezadu (FF a FT, nelze VOD)pokrytı CCD cipu fosforem – pruhledny nad 450 nm, osvetlen UVemituje ve VIS, snızene rozlisenı v dusledku rozptylu
Vysokorychlostnı CCD
rychlost CCD omezena zesilovacem na cipu, zrychlenı→ vetsıenergie→ lokalnı ohrevy, snızenı uniformityresenım je rozdelit cip na vıce bloku s paralelnım vycıtanım→slozitejsı zpracovanıdalsı zrychlenı limitovano casovacem na cipu, sum v dusledkukapacitnıho chovanı CCD
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 158 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Vady CCD cipu
znecistenı povrchu nebo vady ve strukture (prımesy)Tmave pixely horsı odezva jak 75% prumeruHorke pixely preexponovany v dusledku temneho
proudu (vıc jak 50x)Pasti zachycujı posouvane elektrony, tezko
odhalitelne (az od 200 elektronu)Flat field nehomogennı odezva v ruznych
mıstech cipu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 159 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Snımanı obrazu CCD
Skladanı expozic Stretching
– softwarove sectenı vıce expozic s kratsı expozicı– kompenzace nedostatecneho dynamickeho rozsahu CCD
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 160 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Barevne snımanı
Barevne snımanı
Si CCD cipy jsou monochromaticke, zmenu podle vlnove delkynelze odlisit od zmeny v intenzitepouzitı filtru pro zaznam informace o barve (VIS)RGB Red, Green, Blue, nekdy navıc L (Light)
celkova propustnost 1/3CMY Cyan, Magenta, Yellow
celkova propustnost 2/3, M je obtızne vyrobitkompenzace na spektralnı ciltivost oka
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 161 / 168
– chromaticky hranol rozdelı svetlo nabarevne slozky nebo achromaticky hranol abarevne filtry (zrata 2/3 intenzity)– softwarove zpracovanı– cipy mohou mıt ruzne vlastnosti→zhorsenı vernosti obrazu
.G
B R
obrazbarevné
filtry
CCD
.G
R
B
obrazdělič
svazků
CCDG
CCDR
CCDB
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 162 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Barevne snımanı
Integrovane filtry na cipu – Bayerova maska
– na pixely pri vyrobe naneseny RGB nebo CMY filtry– zachovanı rozlisenı v jasove slozce, prostorove klesne na 1/4– interpolace barevne informace ze sousednıch pixelu– filtry nelze odstranit, nelze snımat za uzkopasmovymi filtry, nelzezdruzovat pixely
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 163 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Barevne snımanı
Foveon X3
zaznam barevne informace podle hloubky, ve ktere foton excitujeelektronodecet poctu fotonu v ruznych hloubkachzachovano rozlisenı ale mensı kapacita pixelu
Haderka, Cernoch (RCPTM/SLO) Detekce svetla 164 / 168
Maticove detektory CCD a CMOS Porovnanı CCD a CMOS
Porovnanı CCD a CMOS
Kvantova ucinnost CCD lepsı pokrytı svetlocitlivou plochouCitlivost CMOS zesılenı prımo na cipuSum CCD u CMOS prispıva elektronika na cipuUniformita za svetla – obe platformy srovnatelneUniformita za tmy CCD u CMOS ruzne zesılenı u pixeluRychlost CMOS zpracovanı na cipu, paralelita
CCDdynamicky rozsah, elektronickauzaverka (IL), zmena rychlosti adynamickeho rozsahu, zdruzovanıpixelu, nelinearnı analogovezpracovanı, moznost pretecenı