Sterne (9) Elektrooptische Detektoren
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- Kristian Franke
- vor 6 Jahren
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1 Sterne (9) Elektrooptische Detektoren
2 Elektrooptische Bildgebungsverfahren Der technologische Fortschritt in der Halbleiter- und Computerbranche hat zu völlig neuen Sensorarten geführt, welche diffizile Effekte der Festkörperelektronik ausnutzen und auf diese Weise die Empfindlichkeit und Handhabbarkeit bildgebender Meßverfahren im Vergleich zur Fotografie revolutionierten. 1947: Erster Halbleitertransisor (Shockley, Bardeen, Brattain, Nobelpreis 1956) 1970: Erster Mikroprozessor (Texas Instruments) 1970: Erster CCD-Sensor (Bell Laboratories, W. Boyle, G.E. Smith Nobelpreis 2009) 1983: Erste Anwendung von CCD-Sensoren in der Astronomie und Erdfernerkundung 2000: CCD s ersetzen zu 100% die Fotografie in der Fachastronomie
3 Aufbau und Funktionsweise von Charge Coupled Devices (CCD s) Grundlagen: Leiter, Halbleiter, Isolatoren Aufgrund der Wechselwirkung der Atome in einem Festkörper werden die Energieniveaus des Bohrschen Atommodells in viele, dicht übereinander liegende Einzelniveaus den Energiebändern aufgespalten
4 Innerer Photoeffekt Übersteigt die Energie eines Photons die Breite der Bandlücke (gap) zwischen Valenzund Leitungsband eines Halbleiters, dann kann dieses Photon ein Elektron aus dem Valenzband lösen und in das Leitungsband übertragen. Anwendung: Photodiode
5 Charge Coupled Devices Grundidee: Einzelne Photodioden hintereinander oder flächig anordnen CCD-Zeile Es muß dazu eine Möglichkeit geschaffen werden, die durch ein auf ein Flächenelement (Pixel) von Licht herausgelösten Elektronen irgendwie in diesem Pixel zu speichern und anschließend nach einer gewissen Akkumulationsdauer ihre Gesamtladung zu bestimmen. Erster Vorschlag und technische Umsetzung: 1970 durch W. Boyle, G.E. Smith
6 An der Kante zum Isolator (Siliziumdioxid) entsteht in einer Art Potentialtopf eine Raumladungswolke, die aus den durch den inneren Photoeffekt aus dem Halbleiter herausgelösten Elektronen besteht. Ihre Ladung ist der Lichtmenge proportional, der auf das Pixel fällt. Beim Auslesevorgang werden die Raumladungswolken von Pixel zu Pixel (Eimerkettenprinzip) verschoben und an Ende einem Verstärker zugeführt. Das Signal am Ausgang des Verstärkers wird digitalisiert und in einem geeigneten (Computer) Speicher mit den Koordinaten des Pixels abgelegt.
7 Prinzipieller Pixelaufbau einer CCD
8 Auslesevorgang einer CCD Es entsteht ein diskretes virtuelles Bild, bei dem jedem Pixel (gekennzeichnet durch Zeilen- und Spaltenindex) ein diskreter Helligkeitswert zugeordnet ist.
9 CCD- Array zur Messung der Regenmenge auf einer quadratischen Meßfläche
10 Verschiedene Architekturen von CCD s Bei für die Astrophotographie konzipierten CCD-Kameras wird am häufigsten die Full-Frame Architektur verwendet.
11 Vorteile und Leistungsmerkmale von CCD-Kameras Die Quantenausbeute (=Effizienz des Detektors) erreicht im empfindlichen Wellenlängenbereich bis zu 90%, d.h. fast alle einfallenden Photonen führen zu einer Vergrößerung der Ladungsdichte in dem entsprechenden CCD-Element. Die angesammelte Ladung ist der Intensität des einfallenden Lichts direkt proportional, d.h. es tritt kein Schwarzschild-Effekt auf. Diese Eigenschaft macht CCD s besonders für photometrische Aufgaben geeignet. Durch Kühlung kann man den Dunkelstrom soweit unterdrücken, daß sogar mehrstündige Belichtungszeiten möglich werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis läßt sich verbessern, wenn man viele relativ kurzbelichtete Aufnahmen rechentechnisch überlagert ( aufaddiert ).
12 Spektrale Empfindlichkeit verschiedener CCD-Chips
13 Farbaufnahmen mit CCD-Kameras Kombination von drei Schwarz-Weiß- Aufnahmen, die durch drei Farbfilter gemacht worden sind (RGB) zu einem Farbbild im Computer. Verwendung farbiger Pixel und Zusammenfassung ihrer individuellen Helligkeiten zu einer Mischfarbe.
14 Pixel-Binning Blooming-Effekt
15 Andromedanebel
16 Krebsnebel M1
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19 Pferdekopfnebel
20 Nordamerika- und Pelikannebel
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