Detektorprinzipien Halbleiter-Photodetektion Im Inneren des Halbleiters: Auf den Detektor fallende Strahlung erzeugt Ladungspaare. Ladungspaare werden durch ein elektrisches Feld getrennt. Kumulation im Pixel oder Lokale Verarbeitung des Photostroms Photosignal (Ladung oder Strom) wird zum Verstärker transportiert. -> Detektion
Detektorprinzipien Photodiode p-n-übergang (reversed-biased) MOS-Kondensator durchsichtige Elektrode dielektrische Isolation vom HL-Material
Detektorprinzipien Ladungstransport in CCDs Angelegte Potentiale zu verschiedenen Zeitpunkten der Ladungsverschiebesequenz Ein Pixel Polysilizium Elektrode Oxidschicht Potentialtopf Für Elektronen Transport- richtung Vollständiger Zyklus der Ladunsgverschiebesequenz f 1 + + - - - + + f 2 - + + + - - - f 3 - - - + + + - f
Zeilenadressierung Optische Detektoren Detektorprinzipien Sensorarrays Frametransfer-CCD, Interlinetransfer-CCD, Photodiodenarray A-Register (lichtexponiert) B-Register (abgeschattet) Spaltenadressierung Ausgangsverstärker C-Register Ausgangsverstärker C-Register Ausgangsverstärker Frame-Transfer-CCD Interline-Transfer-CCD Photodiodenarray mit einer mit seinen drei Registertypen mit Spalten-Lichtschilden Photodiode und einem Auswahltransistor pro Pixel
Detektorsignal Analoges Videosignal (1V Peak-Peak) Abtastlücke Sync-Puls (-300 mv) Grauwertamplitude einer Zeile (700 mv Ampl.)
Detektorsignal Videosensor-Eigenschaft CCIR NTSC Frame rate (Bildrate) 25 Hz 30 Hz Field rate 50 Hz 60 Hz Line rate 15,625 khz 15,735 khz Zeilen pro Frame 625 525 Aktive Zeilen mit Videoinformation 576 486 Aspektverhältnis (Bildbreite/Bildhöhe) 4:3 4:3 Berechnete Zahl Quadratpixel pro Zeile 768 648 Analoge Videosignal-Bandbreite 5 MHz 4 MHz Video-Modulationsamplitude 700 mv 700 mv Sync-Amplitude -300 mv -300mV Formate von Video-Bildsensoren Format 1 2/3 ½ 1/3 ¼ 1/6 Höhe (mm) 9,6 6,6 4,8 3,6 2,4 2,0 Breite (mm) 12,8 8,8 6,4 4,8 3,2 2,7
Zusammenfassung Praktische Einschränkungen der HL-Photodetektoren Geometrische Ungleichförmigkeit der Pixel Führt zu Unterschieden in der Empfindlichkeit von 1% bis 5% Bei APS Offsetvariation von 1% bis 2% Dunkelstrom Ladungserzeugung durch thermische Anregung (bis zu 100%, je nach Beleuchtung und Belichtungszeit) Defekte Pixel Defektdichte 0,001% bis 0,01%; Korrektur durch Interpolation. Nicht-Linearität Photoladungserzeugung ist hochlinear, aber Ladungsmessung in üblichen HL-Photodetektoren nicht (Entladung einer Kapazität, die von der gespeicherten Ladung abhängt wg. Größe d. Raumladungsschicht) Blooming Pixelkapazität 0,1 ff/µm² ergibt einige 10³ Photoelektronen/µm² Speicherfähigkeit. Bei Überschreiten: Ladungsüberlauf zu benachbarten Pixeln -> Antibloomingstrukturen
Neuere Detektorschaltungen Neuere Entwicklungen Aktiver Pixel Sensor Weiterentwicklung des Photodiodenarray. Bisher hohe Kapazität gesehen vom ersten MOS-FET des Ausgangsverstärkers: Hohes Rauschsignal. Ausweg: Versehe jedes Pixel mit einem MOS-FET als erste Verstärkerkomponente (Kapazität eines Pixels). -> Ähnliches Rauschverhalten wie CCD. Benötigt zusätzliche Reset-Schaltung. Weitere Vorteile: Standard CMOS-Prozess (Integration in Auswertungsschaltung möglich) Geringe Stromaufnahme (1 bis 2 Größenordnungen kleiner als CCD) Wahlfreier Pixelzugriff Auslesen photoladungserhaltend (mehrmals bei verschiedener Belichtungszeit) Geringeres Blooming
Neuere Detektorschaltungen Neuere Entwicklungen Logarithmische Empfindlichkeit (HDRC) Weiterentwicklung des APS-Photodiodenarray. Ausnutzung der logarithmischen Abhängigkeit der Gate-Spannung vom Drain-Strom in einem MOSFET, betrieben in leichter Inversion. Typisch ca. 40 mv pro Dekade Photoleistung. Der Empfindlichkeit des Auges angepasst. Dynamischer Bereich > 120 db.
Neuere Detektorschaltungen Beispiele für logarithmische Empfindlichkeit Beleuchtung: a) von links, b) von oben, c) von rechts Oben: HDRC-Bilder Unten: CCD-Bilder: Sättigung
Neuere Detektorschaltungen Beispiele für logarithmische Empfindlichkeit
Neuere Detektorschaltungen Grauwerthistogramm für logarithmischen Sensor (a) im Vergleich zu CCD (b)