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CCD KAF-0400 et KAF-1600

• 1.1 Caractéristiques
• 1.2 Description
• 1.3 Architecture
• 1.4 Acquisition d'une image
• 1.5 Transport des charges
• 1.6 Structure de sortie
• 1.7 Configuration du composant
• 2.1 Description des pattes
• 2.2 Taux maximum absolu
• 2.3 Conditions de fonctionnement en courant continu DC
• 2.4 Conditions de fonctionnement des horloges en courant alternatif
• 2.5 Timing AC
• Timing d'une image
• Timing d'une ligne
• Contenu d'une ligne
• Timing d'un pixel
• 3.1 Spécification sur l'image
• Spécification opto-électronique
• Spécification du CCD
• Spécifications générales
• 3.2 Classification des défauts
• Classification du KAF-0400
• Classification du KAF-1600
• 4.1 Conditions climatiques requises

• Densité spectrale du bruit de l'amplificateur de sortie
• Courant d'obscurité en fonction de la température
• Signal du noir en fonction de la température
• Signal du noir en fonction du temps d'intégration
• Signal et bruit en fonction de l'exposition
• Réponse spectrale

• Architecture pleine-image illuminée par devant ;
• 768 (H) x 512 (V) pixels photosensibles pour le KAF-400, 1536 (H) x 1024 (V) pixels photosensibles pour le KAF-1600 ;
• Taille des pixels : 9 µm (H) x 9 µm (V) ;
• Aire photosensible de 6.91 mm (H) x 4.6 mm (V) pour le KAF-400, 13.8 mm (H) x 9.2 mm (V) pour le KAF-1600 ;
• Taille composant : 8.4 mm (H) x 5.5 mm (V) pour le KAF-400, 15.5 mm (H) x 10 mm (V) pour le KAF-1600 ;
• Rapport d'aspect 3:2 ;
• Facteur de remplissage des pixels de 100% ;
• Un seul registre de sortie ;
• Processus propriétaire de commande en deux phases ;
• Pixels additionels de référence de noir sur le chip (zone de pixels en plus) ;
• Faible courant d'obscurité ( < 10 pA / cm² à T=25°C) ;
• Grande dynamique (> 72 dB) ;
• Grande sensibilité de sortie (10 µV par éléctron) ;
• Lecture des données jusqu'à 20 Mhz ;
• Pas de décalage d'image ;

1.2 Description

Le KAF-0400 (1600) est un dispositif à transfert de charge CCD en silicium, à hautes performances adapté à une large gamme d'images monochromatiques de longueur d'ondes allant de 0.4 à 1.1 µm. Ses applications comprennent entre autre les applications scientifiques, militaires, visions et machines industrielles... Ce composant est disponible en trois classes de qualité dont une est parfaite (classe 0) à une température ambiante.

Le composant est construit avec deux vraies phases avancées, deux polysiliciums, NMOS CCD technology. Cette technologie est très performante et on peut lui faire confiance pour la fabrication des pixels de petites tailles. C'est ce qui contribue à son haut rendement et aide à minimiser le courant d'obscurité sans compromettre la capacité de charge. Le faible courant d'obscurité du KAF-0400 (1600) le rend particulièrement intéressant pour les applications où l'image est faiblement lumineuse. Les équipements de refroidissement des CCD peuvent être réduits en utilisant celui-ci. Les amplificateurs internes de sortie ont été spécialement étudiés pour fonctionner à grande vitesse (45 Mhz BW) et à faible niveau de bruit (15 électrons rms) pour augmenter la vitesse de lecture de l'image.

1.3 Architecture :

On se réferrera au diagramme fonctionnel de la figure 1. Le KAF-0400 (1600) consiste en un registre à décalage vertical (type parallèle), et un registre à décalage horizontal (type série) avec amplifcateur de sortie. Les deux registres incorporent une technologie à deux niveaux de polysilicium et des vrais canaux à deux phases. Le registre vertical est constituté de photocapteurs de 9 µm par 9 µm qui servent au mécanisme de transfert de charge. Les pixels sont arrangées en tableau de 768 (H) par 512 (V) -pour le KAF-0400- et 1536 (H) par 1042 (V) -pour le KAF-1600- éléments avec en plus 16 colonnes et 8 lignes (4 en haut et 4 en bas) qui ne sont pas des pixels images car elles ne reçoivent pas la lumière mais servent comme référence de noir. Du fait de l'absence de zone de stockage d'image, le CCD doit être synchronisé avec un flash lumineux ou caché de la lumière durant une lecture. Le binning des pixels est possible dans les deux directions horizontale et verticale ce qui augmente la sensibilité du CCD au dépend de la résolution.

1.4 Acquisition d'une image

Une image est acquise quand la lumière incidente, sous forme de photons, frappe la trame des pixels du regitre vertical ce qui crée des paires électron-trous (ou seulement des électrons) dans le substrat du silicium. Cette charge est collectée localement en formant des puits de potentiel sur chaque site de pixel grâce à la tension appliquée sur les lignes des horloges du registre vertical (V1 et V2). Ces même lignes servent aussi à implémenter le mécanisme de transfert de charges. La totalité des charges collectées pour chaque pixel est linéairement dépendant de la luminosité et du temps d'exposition, et non linéairement dépendant de la longueur d'onde, jusqu'au dépassement de la charge maximum des puits de potentiel. A ce niveau de charge, le puit peut s'étendre aux autres pixels adjacentes verticalement, il "bloom".

1.5 Transport des charges

La charge intégrée est transportée à la sortie en deux temps. Les colonnes de charge sont premièrement décalées ligne par ligne dans le registre de sortie horizontale du CCD. Puis chaque ligne de charge est décalée pixel par pixel vers l'amplificateur de sortie. D'aprés le diagramme du timming, l'intégration de charge s'effectue avec les horloges V1 et V2 à l'état bas. Le transfert horizontal du CCD commence quand V1 passe à l'état haut, ce qui fait que les charges des grilles V1 et V2 se combinent sous la grille V1. Quand V1 et V2 inversent leur polarité, les paquets de charges se déplacent sous la grille V2 de l'autre pixel. Le front montant de V2 transfert aussi la première ligne de charge dans le registre horizontal du CCD. Une deuxième transition de phase place les paquets de charges sous l'électrode V1 du pixel suivant. La séquence se termine lorsque V1 est placé à l'état bas tandis que le registre horizontal est lu selon le timing traditionnel utilisant les horloges complémentaires H1 et H2. Le séquencement du registre vertical ainsi défini est connu comme un mode d'accumulation. Le front descendant de H2 sort un paquet de charge au-dessus de la grille de sortie (OG) sur le noeud de sortie (diffusion flottante) et est amplifié. Le cycle se répète jusqu'à la lecture totale des lignes du CCD.

1.6 Structure de sortie

Les paquets de charges reçus sur le registre horizontal sont déversés sur le noeud de sortie à diffusion flottante dont le potentiel varie linéairement avec la quantité de charge dans chaque paquet. La quantité de variation de potentiel est déterminée par l'expression simple : DeltaV_fd = DeltaQ / C_fd. Un amplificateur suiveur à deux étages est utilisé pour tamponner cette tension et permettre son utilisation par le monde extérieur. La transformation d'électrons en tension est appelé sensibilité de sortie ou conversion charge-tension. Aprés que la charge a été évacuée, l'horloge reset R efface la charge de la diffusion flottante via le drain de reset (VRD). Ceci ramène en fait le potentiel de la diffusion flottante au niveau de référence déterminée par la tension du reset drain (VRD).

1.7 Configuration du composant

Cliquer ici pour télécharger : la configuration du KAF-0400 au format TIFF (73 Ko)

Cliquer ici pour télécharger : la configuration du KAF-1600 au format TIFF (80 Ko)

2.1 Description des pattes

Notes :

1. les pattes 15, 16, 21, 22 doivent être connectées entre elles - seulement une horloge phase 1 est nécessaire ;
2. les pattes 17, 18, 19, 20 doivent être connectées entre elles- seulement une horloge phase 2 est nécessaire ;

2.2 Taux maximum absolu

2.3 Conditions de fonctionnement en courant continu DC

2.4 Conditions de fonctionnement des horloges en courant alternatif AC

Note : Les niveaux alternatifs AC et continus DC sont pour des températures ambiantes. Des opérations à d'autres températures demandent ou pas un ajustement des valeurs de tensions. Les pattes avec une impédance plus grande que 1 Méga Ohms ont les résistances attendues. Ces pattes sont toujours vérifiées à 1 Méga Ohms.

Note : le composant est adéquat pour un grand nombre d'application qui requièrent un grand nombre de conditions trés différentes. Consultez Eastman Kodak quand les conditions d'opérations sont trés différentes.

2.5 Timing AC

Timing de l'image :

le KAF-0400 :

le KAF-1600 :

Timing d'une ligne :

le KAF-0400 :

le KAF-1600 :

Contenu d'une ligne :

le KAF-0400 :

le KAF-1600 :

Timing d'un pixel :

Note : Ce composant est adéquat pour une grande variété d'applications qui demandent une grande variété de fréquences. Donc, seulement les valeurs minimum et maximum sont montrées ci-dessus. Consultez Eastman Kodak selon si la situation demande des considérations spéciales sur la fréquence.

3.1 Spécification sur l'image

Toutes valeurs dérivées utilisent les conditions nominales avec les timing recommandés. A moins qu'on fixe le temps de lecture à 50 ms et le temps d'intégration à 120 ms. Le double échantillonnage corrélé est vivement recommandé en sortie. Beaucoup d'unités sont en électrons, pour convertir en tension, il faut multiplier la valeur par la sensibilité de l'amplificateur.

Spécification Opto-Electronique :

Notes :

1. pour une longueur d'onde de 550 nm ;
2. pour une source tungstène à 2854 K, non filtrée et dont l'émission est corrigée ;

CCD

Notes :

1. pour T = 25°C ;
2. pour 10 MHz et T = 40°C ;
3. l'utilisation de la fréquence maximum du CCD et/ou le temps de transfert minimum peuvent compromettre les performances ;
4. Temps entre le front montant et descendant des horloges verticales ;

Note 1 : pour des lectures supérieures à 1 MHz.

Générales :

Notes :

1. inclus le bruit de l'amplificateur, le motif du noir et le bruit de courant d'obscurité à un taux de lecture supérieur à 1 MHz ;
2. utilisez 20 LOG(Ne-sat / ne-total ) ou Ne-sat se réfère au signal de saturation vertical du CCD ;
3. consultez Eastman Kodak pour utiliser ce paramètre ;

3.2 Classification des défauts

• Point défectueux : Un pixel qui dévie de moins de 6 % des pixels voisins quand il sont illuminés à 70 % de la saturation ;
• Zone défectueuse : Un groupe où pas plus de 5 pixels adjacents sont défectueux ;
• Colonne défectueuse : Un groupe de points défectueux le long d'une colonne ;
• Pixels voisins : les 100 x 100 pixels environnants ou + ou - 50 colonnes/lignes ;

Les défauts sont séparés par pas moins de 2 pixels dans chaque direction.

KAF-0400 :

Conditions de test :

• Température : T = 25°C ;
• Temps d'intégration : t_int = 120 msec ;
• Temps de lecture : t_readout = 50 msec ;

KAF-1600 :

Conditions de test :

• Température : T = 25°C ;
• Temps d'intégration : t_int = 125 msec ;
• Temps de lecture : t_readout = 175 msec ;

Il y a une zone centrale : Zone A de (368,812)->(1168,212)

4.1 Conditions climatiques requises

Notes :

1. le détecteur doit répondre aux spécifications du document tant qu'il opère dans ces conditions ;
2. la tolérance de toutes les valeurs relatives de l'humidité sont dues à la qualité des instruments de mesure ;
3. le détecteur doit continuer de fonctionner mais pas forcément suivre les spécifications du document ;
4. le détecteur suit les spécifications aprés avoir été stocké 8 heures dans les conditions spécifiées ;
5. le détecteur suit les spécifications aprés avoir été stocké 24 heures dans les conditions spécifiées ;
6. le détecteur suit les spécifications aprés avoir été stocké 15 jours dans les conditions spécifiées ;
7. le détecteur doit continuer de fonctionner mais pas forcément suivre les spécifications du document aprés avoir subit 10 cycles entre les conditions spécifiées. La durée de chaque condition doit être 6 jours + ou - 2 jours (normalisé à la température de la pièce d'une heure entre chaque cycle) ;

Courant d'obscurité en fonction de la température

Signal du noir en fonction de la température

Signal du noir en fonction du temps d'intégration

Signal et Bruit en fonction de l'exposition

Réponse spectrale