De digitale cameratoepassing van het foto-elektrisch effect

Analoge camera’s - historie 1

• Iconoscope

Zworykin 1923

• In gebruik van

1930-1940

• Een exemplaar uit 1932

Historie 2

• Image Orthicon:

‘de’ camerabuis van

1940 - 1980

Gebruikte principes:

• licht detectie d.m.v.

foto elektrisch effect

• Scan elektrisch image met elektronenstraal

Digitale camera

Fotonen maken in pixel elektronen vrij

Elektrisch image wordt (kort) bewaard

Chip leest pixels uit via CCD of CMOS

A/D-conversie

Twee technieken voor uitlezen

• CCD: Charge Coupled Device

• In moderne smartphones:

Active Pixel Sensor

ook wel genoemd

CMOS sensor

Foto elektrisch effect

Op metalen: elektronen worden vrijgemaakt zoals gebruikt in imaging tubes

In halfgeleiders: elektronen gaan van valentie-band naar geleidings-band (electron-hole-pair)

Korte geschiedenis van de CCD

eind 1969 door Smith en Boyle (Bell Labs) ontwikkeld als elektronisch geheugen

1970: eerste toepassing CCD in videocamera (prototype)

1972: productie van 100x100 pixel CCD

1975: CCD met genoeg resolutie voor televisieuitzendingen

1981: eerste camera met CCD

1986: 1,4 megapixel CCD

1995: eerste digitale camera

2006: meer dan 100 megapixels

2009: Nobelprijs voor Smith en Boyle (gedeeld)

2012: Kodak vraagt uitstel van betaling aan...

Toepassingen

digitale camera's: consumenten-electronica

medische toepassingen

astronomie (Hubble)

Mars rovers

Werking CCD

Twee fasen in de werking van een CCD:

I. Verzamelen van informatiefoto-elektrisch effect: fotonen maken elektronen vrij, aangelegde spanning voorkomt recombinatie, veel licht: veel lading

II.Uitlezen informatieper pixel wordt hoeveelheid verzamelde lading uitgelezen, maat voor hoeveelheid licht

Fase I: “licht” verzamelen

energie fotonen:E

f= h·f = h·c/λ

zichtbaar licht:~ 400 – 750 nm, dus E

min= 1,66 eV

geen enkel materiaal genoemd in Binas tabel 24 is geschikt! E

grens> 1,94 eV

halfgeleider nodig: silicium,E

grens= 1,1 eV, dus

λ < 1130 nm

CCD is dus gevoelig voor infrarood licht!

Fase I: in de chip

fotonen met voldoende energie maken elektronen vrij in p-type Si

P-laag verzamelt vrijgemaakte elektronen

n-type Si voorkomt dat elektronen weglekken

Fase I: moeilijkheden

silicium is niet transparant voor licht van alle golflengtes

vooral korte golflengtes worden gereflecteerd

onvoldoende elektronen komen inp-type Si

lange golflengten komen juist te diep

Fase II: CCD uitlezen (in het kort)

‘Bucket brigade‘ analogie

Quantum efficiëntie

QE: % gedetecteerde fotonen

Fase II: CMOS uitlezen

CMOS leest hele kolommen tegelijk uit

Diversen

• Kleur registratie: Bayer masker RGGB

• Software interpolatie

• Bloom en smear: overlopen van pixel

• Dode tijd tijdens uitlezen

• Infrarood-gevoelig

Digitale camera in de les

als motivatie om naar foto-elektrisch effect te kijken

stimuleert leerlingen met toepassingsgerichte leerstijl

mogelijk onderwerp voor probleemgestuurde opdracht

mogelijkheden om meerdere domeinen te combineren (elektriciteit, halfgeleiders, informatica)

ook relevantie voor Photo-Voltaic-panelen

details worden wel snel complex!

Toepassing van de digitale camera

1,000,000,000,000 Fps

Bronnen

“What is a CCD”, http://www.specinst.com/What_Is_A_CCD.html

“How It Works: The Charged-Coupled Device, or CCD”, http://www.jyi.org/volumes/volume3/issue1/features/peterson.html

Nobelprijs 2009: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/

technische details CCD en toepassing in astronomie:http://origins.la.asu.edu/ast598/ClassNotes/ast598_ccd1.pdf en http://origins.la.asu.edu/ast598/ClassNotes/ast598_ccd2.pdf

Ramesh Raskar ‘Femtosecond photography’