de digitale camera - dds.nl 2...digitale camera fotonen maken in pixel elektronen vrij elektrisch...
TRANSCRIPT
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
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!
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’