Optische Methoden in der Messtechnik, VO Kapitel 3 - Detektoren

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1 Optische Methoden in der Messtechnik, VO Kapitel 3 - Detektoren Markus Brandner Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Technische Universität Graz Wintersemester 2011/12 1

2 Einteilung Empfänger: Empfindlichkeit Frequenzverhalten Rauschen Lebensdauer Wirkungsgrad Physikalisches Prinzip Photoelektrischer Effekt Thermische Detektoren Geometrie 0D/1D/2D Detektoren Spektralbereich UV, VIS, IR 2

3 Photozelle Grundlage ist der äußere photoelektrische Effekt (Einstein 1905) Einfallendes Photon bewirkt: - Absorption (niedrige Energie) - Auslösen eines Elektrons bei: Metall Luft Anregung eines Atoms Elektron mit wird emittiert. 3

4 Funktionsprinzip Photozelle Eigenschaften: Typ. max =... 1µm... Empfindlichkeit typ na/lx... (durch Gasfüllung steigerbar) Schnell (... GHz... ) Teuer, Alterung, große Bauform 4

5 Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) Photomultiplier-Tube (PMT) Primärelektronen werden durch Photonen aus der Photokathode gelöst (äußerer photoelektrischer Effekt) Verstärkung von Primärelektronen durch Anordnung von Dynoden mit unterschiedlichen Vorspannungen Spektrale Empfindlichkeit abhängig vom Kathodenmaterial UV bis IR möglich Lawinenartiger Anstieg freier Elektronen Hohe Sensitivität Hohe Verstärkung 5

6 Funktionsprinzip SEV 6

7 Elektrische Beschaltung hohe Lichtintensität niedrige Lichtintensität Photonenzählung 7

8 Sonderform: Kanalelektronen-Vervielfacher Micro-Channel-Plate (MCP) 2D SEV bildgebende Detektion mit großer Sensitivität Meist in Kombination mit 2D Detektor (Schirm, CCD,...) Regelmäßige Anordnung von Kanälen Verstärkung von Primärelektronen

9 MCP (II) 9

10 MCP (III) Anwendungsbeispiele: Bildverstärker 10

11 Photodiode Halbleiter-Quantendetektor; Grundlage ist der Sperrschicht -Photoeffekt: Einfallende Photonen generieren Elektron-Loch -Paar. Breite B Breite B 11

12 Kennwerte Grenz-Wellenlänge: Absorptionskoeffizient: Lichtintensität im Halbleiter 12

13 Kennwerte (II) Quanteneffizienz (QE): Externe QE: Interne QE: Spektrale Empfindlichkeit (Responsivity): 13

14 Kennwerte (III) Anstiegszeit (Risetime) t r : Zeitdauer für den Anstieg des Photostroms I ph von 10% auf 90% des Endwertes bei optischer Sprung-Erregung (P opt : 0 P opt,nenn ) Grenzfrequenz: Dunkelstrom I d : Stromfluß durch rein thermisch generierte Elektronen-Loch-Paare. 14

15 Rauschen von Hableiter-Detektoren Dunkelstrom Mittelwert Thermisches Rauschen (Johnson Noise) vernachlässigbar für Halbleiter weiß, Gauß sch, mittelwertfrei Schrotrauschen (Shot Noise) erscheint im Dunkelstrom weiß, Gauß sch, mittelwertfrei Photonenrauschen (Quantum Noise) erscheint im Photostrom weiß, Gauß sch, mittelwertfrei Budget: 15

16 Rausch-Kenngrößen Signal-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) Noise Equivalent Power (NEP): Optische Leistung (P opt ) die gebraucht wird um ein Stromsignal (I ph ) zu erzeugen, das genau gleich groß ist wie der gesamte Rauschstrom I noise für eine gewisse Wellenlänge und die Bandbreite von B=1Hz. Detektivität: 16

17 Schaltungsbeispiele Betrieb im Kurzschluss (SNR>) Betrieb in Sperrrichtung (t r <,f g >) 17

18 PIN-Photodiode... beseitigt NT der PN-Photodiode: Schmale Raumladungszone Geringe QE (intern) Große Sperrschichtkapazität, langsam 18

19 Avalanche-Photodiode (APD)... PIN-Photodiode mit Avalanche-Effekt: 19

20 APD (II) Verstärkungsfaktor, Stromverstärkung: U br Durchbruchspannung (Breakdown), U br (T) Spektrale Empfindlichkeit der APD: n temperaturabhängige Materialkonstante n(t) Externe Quanteneffizienz: 20

21 Vergleichstabelle 21

22 Photoelement N+ P Kurzschluss U=0: einfache Verschaltung, langsam VT: Dunkelstrom eliminiert Stromrauschen reduziert! SNR besser, Detektor ist langsamer 22

23 Phototransistor Verstärkung: NT: Rauschen, Geschwindigkeit Schaltungsbeispiele: 23

24 Photowiderstand Light Dependent Resistor (LDR) Grundlage ist der innere photoelektrische Effekt: Freisetzung von Ladungsträgern im Inneren eines Materials (Halbleiter mit VB und CB) Fotowiderstand LDR: Leitwert G ändert sich proportional zur Licht -Intensität (Bestrahlungsstärke E): G~E γ mit γ= 0,7 1 Träge Sensoren Lineare Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Wellenlänge VIS: intrinsische Halbleiter wie Si, Ge, CdS, CdSe Kühlen! 24

25 CCDs Charge Coupled Devices Erfunden 1970 (Boyle&Smith) Grundelement: MOS-Kondensator (Photo-gate) Ausbildung einer Ladungsträgerfreien Zone (RLZ) Elektronen-Lochgeneration (hf>w g ), Separation durch E sammeln der freien Elektronen an Oxidschicht Q~n.h.f Vermeidung der lateralen Diffusion: Seitliche Eingrenzung der RLZ 25

26 CCD-Pixel und Ladungstransfer Bsp.: 3-Phasen CCD-Pixel... nur 33% der Chipfläche für photoaktives CCD-Element 26

27 CCD-Arrays 27

28 Effekte bei CCD-Sensoren Pixelüberlauf (Blooming) Lichtintensität/Integrationszeit Während der Belichtung Verschmiereffekt (Smearing) Verschmiereffekt durch Belichtung beim Ladungstransport Full-Frame-CCD, Frame-Transfer-CCD 28

29 Ladungstransport 1. Full Frame Sensor Verschmier-Effekte durch Nachbelichtung während Auslesen ( Shutter!) Gute Chip-Ausnützung und optimaler Füllfaktor F 29

30 Ladungstransport (II) 2. Frame Transfer Sensor (FT-CCD) kein Shutter nötig, Guter Füllfaktor Verschmier-Effekt 3. Interline Transfer Sensor (IT-CCD) Kein Shutter nötig Schlechter Füllfaktor Wenig Verschmier-Effekt 30

31 Ladungstransport (III) 4. Interline-Frame Transfer Sensor (IFT-CCD) kein Shutter nötig Schlechter Füllfaktor Kaum Verschmier-Effekt Transfer-Effizienz Essentieller Parameter für CCD- Sensor (Kritisch!) Liegt typischerweise bei % (1024x1024 Pixel: Faktor 0.98) Buried-Channel-CCDs 31

32 Ladungsumsetzung Auslesekreis: Ladung Spannung Correlated Double-Sampling (CDS) 32

33 Rauschen von CCD-Sensoren Dunkelelektronen (Dark Noise) Unsicherheit der thermisch generierten Elektronen je Pixel ( Dunkelstrom = Rate der generierten Dunkel-Elektronen) Dark Pixels zur Messung des Dunkelstroms (Kompensation) Reduktion durch gekühlte CCD-Sensoren! Photonenrauschen Zufälligkeit der einfallenden Photonen Relevant bei niedriger Intensität Fixed-Pattern-Noise Ungleiche Pixel (Geometrie, Material, Dunkelstrom etc.) Auslese-Rauschen (Read-Out Noise) Durch Ausgangsverstärker (Spannungsverstärker) vor A/D- Umsetzer Reduktion durch gekühlte CCD-Sensoren! Rauschen durch Quantisierung im ADC Vernachlässigbar gegenüber andere Rauschquellen 33

34 CCD Eigenschaften Quanteneffizienz η CCD ~40%-90% Geringes Rauschen (Hauptquelle: Ausgangsverstärker) Hoher Füllfaktor (80% bis fast 100%) Großer Dynamikbereich Bsp.: 6.4x6.4µm CCD-Pixel: Kapazität ~45000e -, Rauschen 10e typisch bis 60dB, 70dB Große Arrays verfügbar (1024² ²) 34

35 CCD-Eigenschaften (II) Spektrale Eigenschaften Quanteneffizienz η CCD bauformabhängig Front-Illuminated (billig) vs. Back-Illuminated (Back-Thinned) η Skot ~10%, η Phot ~3%, 35

36 CCD-Eigenschaften (III) Füllfaktor F Verhältnis aktive Pixelfläche zur gesamten Pixelfläche bei CCDs 60% bis fast 100% Verbesserung der Lichtausbeute: Mikrolinsen 36

37 Farbempfindliche CCD-Sensoren Farbfilter-Muster vor Pixel-Array Bayer-Muster (RGGB) 3-CCD-Chip: Single-CCD mit Filter-Rad: 4-Farb-Array (CMYG) 37

38 Pixelarray-Strukturen Rechteckige Pixel-Anordnung Pixelabstand a,b Pixelgröße p x,p y (aktive Pixelfläche) Füllfaktor=(p x.p y )/(a.b) Sampling im rechteckigen Pixel-Gitter CCD- Chip I C (x 1,x 2 ) I[n 1,n 2 ] a,b Umsetzer ^ I[n 1,n 2 ] Image CCD-Chip 38

39 Alternative Array-Strukturen Hexagonale Anordnung (Super-CCD) Gewinn an Füllfaktor Optimale Sampling-Dichte (2D-Auflösung) Unregelmäßige Anordnung: Giotto (Retina-like Camera) 39

40 Nachteile von CCD-Sensoren Teuer (Aufwendige Fertigung, Ausschuss!) Relativ langsam ( Ladungstransport) Gesamtes Bild muss ausgelesen werden (ROI!) Informationsverslust durch Transfereffizienz<100% Alternative: CMOS-Sensoren 40

41 CMOS-Sensoren Technik basierend auf CMOS-Prozess Aufbau des kompletten Sensors auf einem Chip Pixel-Array mit wahlfreiem Zugriff Weiterentwicklung der Photodiodenarrays Verstärker (Buffer) im Pixel integriert 3 Arten von CMOS-Sensoren Passiv-Pixel-Sensoren (PPS) Aktiv-Pixel-Sensoren (APS) APS mit Photodiode APS mit MOS-Kondensator (Photgate) Digital-Pixel-Sensoren (DPS) 41

42 Random Access Pixel Ladungs-Spannungs- Umsetzung in jedem Pixel CCD-Sensoren Zeilenauswahl vs. CMOS-Sensoren Spaltenauswahl ADU am gleichen Chip (CMOS-Prozess) 42

43 CMOS Passiv-Pixel-Sensor (PPS) Erfunden 1967 (vor CCD-Sensoren) Nur 1 Auswahl-Transistor integriert in Pixel = Photodioden-Array Photodiode + Transistor Moderne PPS-Sensoren: Ein Ladungsintegrator-Verstärker (CIA) je Spalte Pixel-Reset: U ref am CIA, Reset-Schalter geschlossen Photodiode mit U ref in Sperrrichtung TX geschlossen (Licht-Integration) Kapazität der Diode entladen ~ Intensität I TX geöffnet: Pixel-Auslesen Ladung über Busleitung und CIA U ref -U A ~ Bestrahlung ( Idt) Vorteile: Bester Füllfaktor, hohe Quanteneffizienz Nachteile: Langsames Auslesen (RC), Rauschen!, FPN 43

44 CMOS Active Pixel Sensor (APS) Erfunden 1968 (APS mit Photodiode) Photodiode oder Photogate + Ausleseeinheit (Auswahl-, Resetund Verstärker-Transistor) je Pixel Pixel nach dem Prinzip der Ladungsintegration Pixel Pixel M1 Reset-Transistor M2 Buffer-Transistor M3 Zeilenauswahl 44

45 Auslesen einer APS-Struktur CDS: Correlated Double Sampling 45

46 Alternative APS-Strukturen Logarithmische Pixel-Charakteristik Vorteil 1: U out ~ln(e e ): Dynamischer Bereich erreichbar 120dB Vorteil 2: kontinuierlicher Sensor U~E e schnelles Auslesen Nachteile: Hohes Rauschen reduziertes SNR ~55dB; langsam bei schwankender Intensität (bei dunklen Szenen) 46

47 Alternative APS-Strukturen (II) Snapshot-Pixel Global Shutter Ein Speicherelement (Sample&Hold) in jedem Pixel Simultane Integration aller Pixel Shutter stoppt Integration für alle Pixel Auslesen aller Pixel, dann Start der nächsten Bildaufnahme Nachteil: Verlust an aktiver Pixelfläche, Shutter-Effizienz Vorteil: Global Shutter für schnell bewegte Objekte 47

48 Digital Pixel Sensor (DPS) Photodiode + Reset + Verstärker + ADC je Pixel Vorteile Parallele Operation aller ADCs Schnelles Auslesen (Frameraten >10kHz) Langsame ADCs verwendbar Exzellentes SNR (>80dB) Nachteile Teuer (mehr Chipfläche) Stark reduzierter Füllfaktor und Dynamik Leistungsverbrauch 48

49 Fixed Pattern Noise (FPN) Streuung der Pixel-Eigenschaften Temperatur-Abhängigkeit! Kalibration notwendig FUGA1000, 1MPixel 49

50 Elektrischer Verschluss - Shutter Synchroner Shutter Rolling Shutter 50

51 Shutter (II) Synchroner Shutter (x 1 ) Rolling Shutter Synchroner Shutter (x 2 >x 1 ) 51

52 Foveon-Sensor CMOS Farbsensor 52

53 CMOS im Vergleich zu CCD Fertigung als CMOS-Prozess Single-Die -Lösung kostengünstiger SNR und Dynamik vergleichbar (bis 50-70dB) Sensitivität Füllfaktor ( Mikrolinsen-Arrays) Kein Ladungstransfer nötig (Informationsverlust) Wahlfreier Zugriff Auslesen von Teilbereichen Geschwindigkeit (kontinuierliche Sensoren, ROIs) Stromverbrauch Fertigung großer Arrays ( Transfereffizienz) 53

54 QWIP: Quantum Well Infrared Photodetector Quantendetektor: QuantumWell-Struktur Diskrete Energieniveaus QW, gebunden an QW Anregung der e - freies e - Multiple Quantum Wells Konst. Spannung angelegt 54

55 QWIP (II) Empfindlich im Infrarot-Bereich Thermographie Sehr schmalbandig Extrem schnell Kombination mehrerer QWs Empfindlichkeit Breitbandigkeit Array von MQWIPs Frameraten bis 10kHz! High-End-Thermokameras spektral empfindlich Optische Multispektralanalyse 55

56 Thermische Detektoren Primäre Antwort des Detektors auf einfallende Strahlung ist Temperaturanstieg Thermische Detektoren Thermoelemente (Thermosäulen) Thermospannung (Kontaktspannung ~T) Bolometer (Metall) und Thermistoren (Halbleiter) Widerstand ändert sich durch Temperaturänderung Pyroelektrische Detektoren Ladung ändert sich durch Temperaturänderung Absorber (geschwärzte Platte, spezielle Halbleiterplatte) notwendig zur Photonen-Wärme-Umsetzung Änderung der Wärmemenge: 56

57 Der Seebeck-Effekt: Thermoelemente Thermospannung Bsp.: k FeKo ~53.7µV/ C; k NiCr-Ni ~41µV/ C Thermoelement Messung von Temperaturdifferenzen 57

58 Die Thermosäule (Thermopile) Strahlungsmessung mit Thermoelementen Steigerung der Empfindlichkeit: Die Thermosäule Miniaturisierung: Sensitivität: S P =U Out /P opt ~10-100V/W S T =U Out / T~10mV/ C t r ~10ms, Genauigkeit ~1 C 58

59 Bolometer und Mikrobolometer Bolometer: Metallische Platte/Draht, Widerstand ( Reibung der Leitungselektronen) ändert sich mit Temperatur Optische Strahlung bewirkt Erwärmung des Bolometers Einsatzgebiet: Erfassung von Infrarot -Strahlung, Thermographie; langsamer Detektor (t r >50ms) Sensitivität: Mikrobolometer: Vanadiumoxid VO x : S~0.02/ C 2D-Array aus Sensoren relativ schnell, t r ~5ms Wärmebildkameras mit Videorate (bis 60Hz) 59

60 Thermistoren Thermische Detektoren aus Halbleitermaterial Strahlung bewirkt Erwärmung (Absorber nötig) Zahl der freien Ladungsträger steigt mit Temperatur Widerstand R sinkt mit Temperatur (Heißleiter NTC) Empfindlichkeit b Materialkonstante in K Pyroelektrische Detektoren Piezoelektrische thermische Detektoren Strahlung bewirkt Erwärmung (Absorber nötig) Ladungsschwerpunkte im Kristall verschieben sich An Elektroden erscheint Ladung 60

61 Eigenschaften der thermischen Detektoren Haupteinsatzgebiet: Messung von thermischer Strahlung (IR-Strahlung) Strahlungsthermometer (Pyrometer) Thermografie Breitbandige Empfindlichkeit Eher langsam (t r ~ms) kostengünstig Örtlich auflösende IR-Sensoren Mikrobolometer günstig Kühlung nicht notwendig 61