CCD-detektor

CCD-detektor, en silisiumbrikke med en optisk billedgjengivende detektor basert på CCD-teknologi. CCD-detektoren registrerer et optisk bilde og gjør det om til et elektrisk signal.

En CCD-detektor inneholder et stort antall elektrisk ladningslagrende elementer som sitter arrangert i parallelle kjeder slik at man får en todimensjonal matrise. Hvert ladningslagrende element lades ved belysning og utgjør et billedpunkt. Utlesningen av informasjonen skjer ved at ladningen i elementene flyttes fra element til element langs en kjede, og avleses på enden av kjeden.

CCD-kretser lages på brikker av p-type silisium, dvs. silisium som er behandlet slik at det har frie, positive ladningsbærere. De ladningslagrende elementene består av små metallelektroder på brikkens overflate. Disse elektrodene er isolert fra silisiumet med et tynt sjikt silisiumoksid. Ved å gi elektrodene en positiv spenning i forhold til silisiumbrikken, kan elektroner lagres i silisiumet under elektroden.

Ved at elektrodene er arrangert i kjeder, kan man flytte ladningen fra et element til det neste i kjeden ved å variere spenningen på elektrodene langs kjeden på en bestemt måte. I enden av kjeden tappes ladningen ut som en elektrisk strøm. Måling av denne strømmen gir informasjon om hvilken ladningsmengde det var på hvert enkelt element i kjeden.

Ladning tilføres alle elementene samtidig ved belysning. Når et lyskvant (foton) treffer et silisiumatom, kan et elektron som er bundet til atomet rives vekk fra dette, og bli et fritt elektron. (Elektronet eksiteres fra valensbåndet til ledningsbåndet.) Atomet som ble truffet, mangler nå et elektron, og har derfor positiv nettoladning, et «hull». Et foton kan således lage et eller flere elektronhull-par. Når dette skjer under en elektrode, vil hullene støtes vekk, mens elektronene blir igjen. På denne måten tilføres et element ladning ved belysning. Ladningsmengden vil øke med lysets intensitet og tiden belysningen varer.

En billedeksponering foregår i tre trinn: 1) Alle de ladningslagrende elementene utlades ved å tilføre en strømpuls via et spesielt tilkoplingspunkt. 2) Et bilde fokuseres på matrisen av elementer en viss tid. De forskjellige ladningslagrende elementene vil da tilføres en ladningsmengde som er avhengig av lysets intensitet i billedpunktet. 3) Bildet avleses ved at ladningene flyttes langs kjedene og avleses på enden av disse.

Detektorer for fargebilder lages ved at brikkens overflate belegges med optiske fargefiltre arrangert i striper, slik at tre nabo-billedelementer blir følsomme for hver sin kontrastfarge, vanligvis rødt, grønt og blått.

CCD-billedgjengivende detektorer har relativt lav støy og lavt effektforbruk; de er små, lette og svært lysfølsomme. Det dynamiske området er stort, dvs. de kan detektere lys over et stort intensitetsområde. Detektorer for forbrukermarkedet har punktstørrelser på 7 – 25 μ (mykron), med størrelser fra 2 · 3 mm med 250 · 400 punkter til 37 · 37 mm med ca. 4000 · 4000 punkter.

I videokameraer har CCD-erstattet tidligere tiders vakuumrørbaserte billeddetektorer. Det er CCD-detektoren som har gjort det mulig å lage små, lette batteridrevne videokameraer. I elektroniske fotografiapparater er den fotografiske filmen erstattet av en CCD-detektor. Bildet lagres på et elektronisk medium, vanligvis en datadiskett. I astronomiske teleskoper har CCD-detektoren på det nærmeste totalt erstattet fotografisk film. CCD-detektorens ekstremt gode følsomhet gjør den ideell til slik fotografering. CCD-detektorene beregnet på astronomisk fotografering, har en såkalt kvantevirkningsgrad (QE, av eng. Quantum Efficiency) bedre enn 0,5, som vil si at mer enn annet hvert foton som treffer detektoren blir registrert.

CCD-detektorer benyttes også i flere forskjellige typer optiske instrumenter som tidligere benyttet fotografisk film, for eksempel i spektroskoper.