ФФотоотоемулсияемулсия, фото, фотоемисионни емисионни приемнициприемници, CCD, CCD приемници ( приемници (charge charge

coupled devices)coupled devices)Основни характеристики на приемниците- квантов добив: # регистрирани фотони / # паднали фотони- динамичен диапазон: max сигнал / min сигнал (=шум)- линейност- спектрална чувствителност- възможност за натрупване на сигнала- цифров изход

Човешко око- диаметър на ириса: 2 мм – 8 мм- фокусно разстояние: 14 мм (близко гледане) – 17 мм (далечно гледане)- квантов добив около 3%- спектрална чувствителност: от 3900Å до 7600Å, максимална при λ=5550Å- цветочувствителни колбички и пръчици, отговарящи за регистрация на

слаба светлина; периферно зрение

Фотоемулсия- сребърен бромид в емулсия от желатин:1) Ag+Br– + hν -> Ag+ + Br + e– 2) Ag+ + e– -> Ag -> скрито изображение- квантов добив около 1%- динамичен диапазон около 1000 (7.5 mag)- хиперсенсибилизация (напр. с водород)- използване с електронно-оптични преобразователи- голям размер – до 50×50 см; стъклотеки- спектрална чувствителноост: AgBr е с максимум при λ=4300Å- нелинейност: характеристична крива

Денситометър

Фотоумножител, електронно-оптичен преобразувател, камера за електронна фотография

- квантов добив на фотокатодите - около 30-40%, линейни приемници

Фотоумножител - динодите могат да бъдат до 12-14

Звезден електрофотометър

CCD приемници: история

1969 г.: CCD приемниците са изобретени от W. S. Boyle и G. E. Smith (Bell Labs) с приложение за съхранение на данни. За работата си върху CCD приемниците те получават Нобелова награда за 2009 г.

1973 г.: JPL започва програма за разработка на твърдотелен детектор за заснемане на планетите от космически апарати.

1974: използвана е CCD матрица Fairchild 100x100 за получаване на първото астрономическо CCD изображение – Луната е заснета с 20 см телескоп от J. Janesick.

1974 – 1979 г.: JPL изработват т.н. "Traveling CCD Camera System" за запознаване на астрономическата общност с възможностите на CCD приемниците.

1976 г.: получени са първите професионални астрономически изображения от F. Landauer, L. Hovland, J. Janesick (на снимката горе) и B. Smith – наблюдавани са Юпитер, Сатурн и Уран с помощта на 154 см телескоп (Mount Lemmon). На снимката долу дясно: планетата Уран (8900 А). Тъмното петно показва наличие на метан в околополюсната област на планетата. На снимката долу: планетата Сатурн (8300 А).

1978 г.: първи CCD спектри на квазари (B. Oke) .

CCD приемници: устройство

Основен елемент на CCD матрицата е светочувствителен Метал-Окис-Полупроводник кондензатор. Подложката е от р-силиций, изолаторът е от силициев двуокис, а металният електрод – от поликристален силиций имащ свойствата на метал. Р-силиция се получава като в чист силиций (имащ 4 валентни електрона) се добавя 3-валентен елемент (напр. галий). Свързването на галия с четири силициеви атома води до появата на т.н. дупка – липсващ електрон (горе ляво). N-силиция се получава като в чист силиций (имащ 4 валентни електрона) се добавя 5-валентен елемент (напр. фосфор). Свързването на фосфора с четири силициеви атома води до появата на слабо-свързан електрон, който лесно може да се освободи оставяйки положителен йон.

CCD с повърхностен пренос на заряда: слаба ефективност на пренос (ок. 98%) поради наличието на дефекти (капани за заряда) на границата окис-полупроводник; използване на т. нар. "fat zero" за подобряване ефективността на преноса; днес не се произвеждат.

CCD с обемен пренос на заряда: наличие на n-силиций между р-силиция и силициевия двуокис. По-ефективен пренос на заряда (ефективността е по-голяма от 99.99%) поради по-малкото дефекти в тялото на подложката; недостатък - по-малък капацитет на потенциалната яма.

Типичен размер на пикселите20-30 μм

CCD: масив от МОП-кондензатори разделени с канални прегради. Предимства: двумерен приемник с цифров изход, висок квантов добив и линейност.

CCD приемници: принцип на действие Генерация на заряд чрез фотоелектричен

ефект. Спектрална чувствителност и квантов добив (40-80%):

- силицият е прозрачен за фотони с λ>10868Å

- при λ<6500Å – започва поглъщане от полисилициевите електроди;

- UV очуствяване с фосфор – преизлъчване на по-дълговълнов фотон;

- подобряване прозрачността на електродите

Натрупване на заряда в потенциална яма. Капацитет на потенциалната яма и динамичен диапазон.- максималния брой електрони, които могат дабъдат натрупани в даден пиксел е до около1000 × площта на пиксела;

- предотвратяване генерирането на топлинни електрони чрез охлаждане – Пелтие или течен азот;

- преодоляване на проблема с поглъщането от полисилициевите електроди или от силициевия двуокис чрез осветяване от страната на подложката; налага с обаче изтъняване (ок. 10-15 μм) на последната, защото само електроните генерирани близо до електродите се натрупват ефективно => оскъпяване;

- отражение от чипа – налага се анти-рефлексно покритие;

Разтичане на заряда по колони (blooming)- anti-blooming: намалява чувствителността, фактора на запълване и дълбочината на потенциалните ями- за ибягване на разтичането се използва делене на дълга експозиция на няколко по-кратки, които се сумират след това.

Пренос на заряда.- ефективността на пренасяне на заряда трябвада бъде по-голяма от 99.99%

двуфазен пренос трифазен пренос

- изчитане на CCD матрицата

Аналогово-цифров преобразувател: преобразува напрежението, съответстващо на натрупания заряд във всеки пиксел, в двоичен код. На всеки пиксел се приписва цифрова стойност, съответстваща на нивото на сигнала, на стъпки, чийто размер зависи от разрешението на АЦП. Например, 16 битов АЦП приписва на всеки пиксел стойност от 0 до 65536, т.е. имаме 65536 нива на сивото. Всяко ниво на сивото се нарича analog-to-digital unit (ADU). Стойността на изходния сигнал в ADU обикновено не е равна на броя натрупаните електрони в даден пиксел. Прилага се т.н. gain фактор, така че най-голямото възможно число на изхода на АЦП да се припише на пиксела, който е достигнал капацитета на своята потенциална яма.

Gain [e/ADU]: определя броя на натрупаните електрони равни на 1 ADU. Малък gain – за работа със слаби сигнали. Голям gain – при нужда от голям динамичен диапазон.

Биниране – използва се за увеличаване на отношението сигнал-шум; намалява разрешението на приемника.

Избор на фактор на биниране: стремим се FWHM на звездните изображения да бъде около 3 пиксела.

Разделяне на цветовете в т.н. 3CCD за получаване цветни изображения Трицветена призма на Philips за разделяне на цветовете

Трицветена призма на Philips за разделяне на цветовете

Разделяне на цветовете в т.н. 3CCD за получаване цветни изображения

Галактика от полето около Mrk 376 (НАО Рожен, 2 м + 1340x1300 CCD PI VersArray:1300B)

NGC 7469 (НАО Рожен, 2 м + CCD 374x242 SBIG ST-6)

NGC 253 (8kx8k WFI, ESO 2.2 m)