Una fotocamera CCD (Charge - accoppiato) è un dispositivo del sensore di immagine basato sulla tecnologia dei semiconduttori. Il suo principio di progettazione principale è catturare digitalmente le immagini ottiche attraverso la conversione fotoelettrica e i meccanismi di trasferimento della carica. Dalla sua introduzione negli anni '70, la tecnologia CCD è diventata uno strumento chiave nell'imaging scientifico e nell'ispezione industriale grazie alla sua elevata sensibilità, a basso rumore e alle eccellenti caratteristiche di risposta lineare.
Il design di una fotocamera CCD inizia con l'integrazione di un array di fotodiodi. Quando la luce è focalizzata sulla superficie del chip CCD attraverso una lente ottica, i fotoni incidenti vengono assorbiti dalle unità fotosensibili (pixel) che coprono il substrato di silicio, stimolando l'elettrone - coppie di fori. I pozzi potenziali di giunzione PN all'interno di ciascun pixel catturano gli elettroni fotogenerati, formando pacchetti di carica proporzionali all'intensità della luce. Questo processo raggiunge la conversione iniziale dei segnali ottici in segnali elettrici, raggiungendo un'efficienza quantistica superiore al 70%, garantendo un rilevamento efficace della luce debole.
Il trasferimento di carica è il meccanismo innovativo fondamentale del CCD. I registri di spostamento verticale e orizzontale si trovano sotto l'array di pixel. Clock - potenziali cambiamenti dell'elettrodo causano il passaggio dei pacchetti di carica in modo mirato tra i potenziali pozzi. I registri verticali di trasferimento della riga di carica per riga ai nodi di lettura sul bordo del chip, mentre i registri orizzontali emettono in serie la carica sull'analogo - a - Converter digitale (ADC). Questa modalità di trasmissione "relè a barilotto" evita l'interferenza di diffusione della carica e, combinata con uno scudo di fioritura anti -, mantiene il crosstalk a meno dello 0,1%.
Il modulo di elaborazione del segnale esegue un doppio campionamento correlato (CDS) sul segnale di tensione di analogica di uscita per eliminare il rumore di ripristino e il rumore del pattern fisso. I CCD moderni utilizzano su - array di microleni chip per aumentare il fattore di riempimento e impiegare le strutture illuminate - per migliorare la risposta alla luce viola blu -. In applicazioni ambientali estremi come il telerilevamento aerospaziale, i CCD raffreddati utilizzano il raffreddamento termoelettrico per ridurre le temperature operative a meno di -70 gradi, riducendo la corrente scura a quanto riguarda 0,01 elettroni al secondo.
Dal punto di vista del design, le telecamere CCD ottengono una quantificazione precisa delle statistiche dei fotoni a livello di pixel attraverso l'ottimizzazione coordinata di circuiti di manipolazione di carica sofisticati e sistemi ottici. Nonostante il rapido sviluppo dei sensori CMOS negli ultimi anni, i CCD mantengono una posizione tecnologica insostituibile nell'imaging scientifico e i loro principi di progettazione continuano a influenzare lo sviluppo di nuovi sensori di immagine.
