CCD

Veel beelden uit de ruimte zijn vanaf het prille begin van de ruimtevaart gemaakt met de vidicon camera buis. De resultaten waren goed, maar de vidicon had wel enkele nadelen. Hij was kwetsbaar en zeker de start van een raket vormde een grote belasting voor de onderdelen van de buis. Verder moest de kathode van de buis verhit worden, wat een flinke energie consumptie betekende aan boord van een ruimtevaartuig.
In de jaren '70 kwam er iets nieuws: de Charge Coupled Device of CCD. Dit is een plaatje silicium waarin miljoenen fotodiodes geplaatst zij
n: de pixels. Dit woord komt van PICture ELement, ofwel: beeldelement. Voor het mooie is de C een X geworden. De CCD gebruikt heel weinig elektrische energie en is ongevoelig voor mechanische trillingen. De licht-gevoeligheid loopt doorgaans van nabij infrarood via het voor ons zichtbare licht tot iets in het ultraviolette gebied. Koeling van de CCD chip maakt hem gevoeliger voor zwakke lichtbronnen.

ontstaan
De eerste CCD werd in 1969 gedemonstreerd in de AT&T Bell Laboratories door Willard Boyle en George E. Smith. Eigenlijk werkten beide heren aan een "bubble" geheugen, maar ontdekten dat hun vinding ook beelden kon vastleggen. Die eerste CCD was maar 8 pixels groot. Alle pixels lagen op één rij en dat was ook de uitvoering die door de sterrenwachten omarmd werd toen er meer pixels op één rij kwamen. De CCD was veel gevoeliger dan fotografische film. Dat alle pixels op één rij lagen, was wel een nadeel, maar kon opgelost worden door de hemel te scannen.
Willard Boyle en George E. Smith kregen in 2009 de Nobel prijs voor natuurkunde vanwege hun werk aan de CCD

Vanaf 1974 hield NASA's Jet Propulsion Laboratory  zich bezig met het vergroten van het aantal beeldpunten.In 1978 kwam men al tot een chip met 500 x 500 beeldpunten; een kwart megapixel dus. De Galileo had in 1989 al een sensor van 800 x 800 beeldpunten (0,64 Megapixel). Dit was gelijk aan de resolutie van de vidicon camera's uit de Voyagers.

CCD schema. Eenvoudige stuctuur op de beeldchip. CMOS schema. Behalve de pixels er er veel andere elektronica aanwezig op de chip.

Elke pixel van de CCD zet fotonen (licht) om in elektronen. Hoe meer licht, hoe meer elektronen. En geen licht betekent geen elektronen, uiteraard. 
Wie de ontwikkelingen in de digitale fotografie volgt, weet misschien dat er ook nog CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor ) beeldchips bestaan. Het belangrijkste verschil is, dat de CCD alleen uit fotodioden bestaat en elektronische schakelingen om de rijen met fotodioden "uit te lezen" en om de ladingen in een spanning om te zetten. Alle andere elektronica bevindt zich op een print buiten de CCD beeldschip.
CMOS is gemaakt voor de eenvoudiger camera's en webcams, die in grote aantallen geproduceerd worden. Alle elektronica bevindt zich op de chip. Het is dus moeilijker om met een CMOS de bewerkings-elektronica snel aan te passen. En omdat het in de ruimtevaart altijd om zeer kleine oplagen gaat, kiest men dus nog steeds voor een CCD. Bovendien is de CCD nog steeds beter en heeft ook minder last van ruis.

verschillen
Er zijn enkele verschillen tussen de ruimtevaart CCD en die in een digitale camera. De CCD chip in een digitale camera  heeft kleurenfilters in rood, groen en blauw, om op die manier kleurenopnamen te kunnen maken. In de ruimtevaart wil men behalve kleurenfoto's ook opnamen maken in speciale spectrale banden, dus men gebruikt nog steeds het filterwiel dat ook in de tijd van de vidicons werd gebruikt. Kleurenfoto's worden dus nog steeds na elkaar gemaakt, eerst door een rood, dan door een groen en tenslotte door een blauw filter. Op aarde kan men die drie opnamen uitstekend samenvoegen tot een kleurenafbeelding. 
Hoewel het mogelijk is om een elektronische sluiter op de beeldchips te maken (deze vindt men o.a. in videocamera's en eenvoudige camera's zoals in mobiele telefoons) gebruikt men in de ruimtevaart normale sluiters, zoals ook bij de Mariners en Voyagers werden toegepast. Een nadeel van zo'n elektronische sluiter is het feit dat er minder licht op de beeldchip valt
Een niet onbelangrijk verschil met een gewone digitale camera is dat de CCD's in de ruimtevaart beschermd zijn tegen kosmische straling. Voor kosmische straling hoef je nog niet eens de ruimte in te gaan. Die straling kan ook al elektronica beïnvloeden op een vlucht met een straalvliegtuig. Zo'n 11 km boven de aarde is er al meer kosmische straling dan op het aardoppervlak. Ik heb de gevolgen daarvan aan den lijve ondervonden. Een aantal malen waren in mijn digitale camera de instellingen van datum en tijd gereset naar fabriekswaarden en eenmaal was ik een aantal foto's kwijt van een geheugenkaart. Piloten van luchtvaartmaatschappijen dragen ook allemaal dosimeters, om de totaal opgedane straling te kunnen meten.

Een NASA CCD Een foton wordt in de sensor omgezet in een elektrische spanning. Vergeet de lens en het kleurfilter. Die komen in de ruimtevaart niet voor. Dit is een filterpatroon zoals dat bij een normale digitale camera over de pixels van de CCD chip ligt. Dit soort filters wordt in de ruimtevaart vrijwel niet gebruikt. De twee camera's van de nieuwe Marsrover Curiosity is een uitzondering.
Op deze manier worden de kleuren op de CCD chip
vastgelegd. Dat betekent dat voor elke kleuren pixel
1 rode, 2 groene en 1 blauwe pixel op de chip nodig zijn.
Je krijgt dan eigenlijk het beeld zoals dat onderaan.
In feite is je mooie 10 megapixel camera maar 2,5 megapixel. Wat er niet is wordt geïnterpoleerd, ofwel erbij verzonnen!

laat ze maar schuiven

De fotonen maken dus elektronen vrij en die geven de pixel een lading. Die lading wordt vastgehouden, net zoals in een condensator. Alle pixels zijn van elkaar geïsoleerd, zodat de lading niet zomaar kan wegstromen.
Er zijn wel elektronische schakelaartjes aanwezig tussen de pixels, die gebruikt worden als de lading doorgeschoven moet worden. De lading gaat pas verdwijnen als de beeldchip wordt uitgelezen. Dat gaat volgens het principe van de emmertjes.
Stel je dat zo voor: 

Er staan vijf personen op een rij: 1   2   3   4   5.
Alle emmertjes zijn niet even vol. Er zijn volle, halfvolle, enz.
Nummer 5 giet zijn emmertje leeg. Daarna leegt 4 zijn emmer in 5. 3 leegt zijn emmer in 4 en ondertussen leegt 5 zijn emmer weer, zodat hij weer het water van nummer 4 kan ontvangen.
Op die manier wordt het water uit alle emmertjes doorgegeven tot alle emmertjes leeg zijn.

Zie voor het emmertjes voorbeeld ook:
http://astro.unl.edu/classaction/animations/telescopes/buckets.html

Links is een gedeelte van de CCD weergegeven. De pixels zijn gerangschikt volgens een matrix, of een tabel. Er zijn rijen (staand) en kolommen (liggend), als we hierbij even aan een tabel denken. De lading in de kolommen wordt door de elektronica van de CCD chip doorgegeven naar de onderste rij. Alle kolommen zijn eigenlijk schuifregisters en de onderste rij ook. Schuifregisters zijn onderdelen die al in het prille begin van het computer tijdperk voorkwamen.

De tabellen schuiven hun lading naar het laatste schuifregister. Dit betekent dat de informatie van de pixels serieel uit de  beeldchip komt. In het voorbeeld lijkt het langzaam te gaan, maar in werkelijkheid kan zo'n chip in een fractie van een seconde worden uitgelezen.
De ladinkjes worden nog in de CCD chip omgezet in voltages, dus ze worden in feite versterkt.
De informatie die uit de CCD chip komt is eigenlijk een serie kleine voltages, dus analoge informatie. Het eerste dat gebeurt in de bijbehorende elektronica is het omzetten van deze analoge voltages in een digitale waarde met een A/D omzetter.

Onder is te zien hoe een CCD chip is opgebouwd. Image area is het gedeelte waarin het beeld gevormd wordt. Gouden draadjes verbinden de chip met het metalen of keramische gedeelte waarin de verbindingspinnen zitten die de chip verbinden met de bijbehorende elektronica. Het serial register is het schuifregister dat de ladinkjes van de pixels doorschuift naar de on-chip amplifier, die de ladinkjes versterkt.

Schematische opbouw CCD chip Een sterke vergroting van een CCD chip.

 


Voor de liefhebbers:
Net als elke chip is de beeldchip opgebouwd uit een plaatje silicium waarop laagjes oxiden en halfgeleidermetalen zijn aangebracht. Door middel van afdekken en etsen verkrijgt men veel elektronische schakelingen op zo'n plaatje silicium. Zo is elke pixel 12 micron -of 0,012 mm- groot bij de camera's van de Cassini missie. 

Links is te zien hoe de ladinkjes worden doorgeschoven in de halfgeleider chip.
Elke pixel heeft een ladingpakketje dat bestaat uit elektronen, die in een bron (geel) aanwezig zijn.
De drie vierkante elektroden zijn poorten. Als daar een positieve spanning op wordt gezet, trekken die de negatief geladen elektronen aan. Op die manier schuift de lading door. Het is knap dat er geen elektronen verloren gaan bij dit proces.

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/