¿Qué son las ADU (unidades analógicas a digitales)?

Hay varios conceptos y problemas aquí que se están mezclando.

Primero el ADC;

Un ADC (convertidor analógico a digital) toma valores de señal en un cierto rango y luego los convierte en un número digital. Hagamos algunos números:

Un bit ADC podrá representar 2 ^ N estados. Entonces, un ADC de 4 bits puede representar 16 estados distintos, 8 bits => 256 estados y un convertidor de 12 bits le dará 4096 estados. Por sí mismo, eso no le dice nada, debe saber que pasar de una representación digital de, digamos, 533 -> 534 significa que la señal de entrada cambió en cierta cantidad. Para simplificar el ejemplo, voy a decir que tengo un rango de entrada de 0 voltios a 4,095 voltios en un convertidor de 12 bits, eso significa que cuando tengo un número digital de 0, debo haber tenido 0 en la entrada. Supongamos también que todo es ideal por ahora. Con mi elección astuta del rango de entrada, puede ver que por cada cambio en el número digital de salida del ADC en un conteo, la entrada debe haber cambiado en 1 mV.

¿Por qué elegí 4.095? Bueno, un convertidor de 12 bits tendrá 4096 valores digitales que van desde 0 a 4095 (2 ^ N-1 cuando todos los bits están configurados en "1"). Entonces 4.095 voltios/4095 = 1 mv/conteo. Eso significa que si tiene un valor de 3,567 voltios en la salida y cambia a 3,568 voltios (cambio de 1 mV en la entrada), entonces el número digital en la salida debería cambiar de 3567 a 3568. Número digital en la salida de 110111101111 a = 110111110000. en binario crudo.

Cada uno de estos pasos binarios se denomina ADU (unidad digital analógica) o número binario o conteo digital, etc., etc. para mantenerlo separado de la cantidad de bits que tiene el ADC. Esto es para asegurar que la relación esté en un rango lineal. Si comienza a usar "bits", entonces está en un rango logarítmico (2 ^ N). La razón principal por la que se usan estos otros nombres/unidades es que solían usarse LSB. ¿Qué es un LSB? - significa bit menos significativo, es decir, el bit cero en el número digital, que cambia precisamente en el paso con la ADU pero usar LSB (y el "bit" implícito) es confuso. Imagínese decir, "el ADC cambió por 30 LSB, por lo tanto el flujo de luz debe haber cambiado en 3000 fotones ". 30 LSB realmente no tiene sentido, es una mezcla de terminología, por lo que la gente se está alejando de eso.

Entonces tienes una conversión de voltaje a un número digital.

Pero estás recolectando fotones, ¿de dónde viene el voltaje?

A continuación, la conversión de voltaje;

Todos los sensores de imagen en algún punto de la cadena de la señal convertirán la carga de la señal recopilada en voltaje para interactuar con el mundo exterior. Esto siempre se hace usando una capacitancia y un amplificador de búfer. Este capacitor y la ganancia del amplificador establecen la conversión de electrones en voltaje como A/C_sense que se deriva de la ecuación Q= CV. Con C_sense = la capacitancia del nodo de detección y A = ganancia del amplificador de búfer.

A continuación, la conversión de fotones.

Cuando un fotón entra traqueteando en un píxel, tiene que llegar al sustrato fotosensible, esta interfaz está controlada por las ecuaciones de Fresnel y dicta cuánta luz entra en el sustrato en función de los índices de refracción y los diversos materiales y recubrimientos AR presentes ( AR = Antirreflejos). Esto se conoce como QE externo (eficiencia cuántica). Una vez en el sustrato los fotones son absorbidos a través de su profundidad y generan pares electrón/hueco a través del efecto fotoelectrón. Los campos eléctricos arrastran a los portadores hacia las estructuras de almacenamiento. La profundidad de absorción y la profundidad de influencia de los campos eléctricos (estas dos profundidades pueden no ser coincidentes) son las que determinan la QE interna. NO se recopilan todos los portadores de fotones convertidos.

Estos portadores recopilados (ya sean electrones o huecos) se llevan al nodo sensor y se convierten en voltajes. El lugar donde ocurre esta conversión (portadora a voltaje) está determinado por el tipo de sensor, un sensor de imagen CCD o CMOS.

El proceso de conversión total;

(Flujo de fotones) * (Período de integración) * QE_external *QE_Internal * A/C_sense * ADC_conversion Le dará unidades de Photons/ADU.

Muy simple, una fracción (generalmente 50-80%) de los fotones que impactan cada píxel en el CCD dará como resultado que un electrón sea expulsado de la capa de silicio fotoactivo y se agregue a la carga en un capacitor asociado con ese píxel. A medida que aumenta el número de fotones, también lo hace la carga de cada condensador, de forma aproximadamente lineal.

Cuando se "lee" el CCD, los electrones de cada condensador de píxel se transfieren del conjunto principal de imágenes a un conjunto de lectura donde se muestrea el voltaje causado por la acumulación de carga y se convierte en un número digital (el número de ADU), utilizando un dispositivo electrónico llamado convertidor analógico a digital (ADC).

Hay un factor de conversión, llamado ganancia, que se puede usar para relacionar cuántas ADU (unidades analógicas a digitales) se registran para una cantidad dada de electrones en el capacitor y, por lo tanto, la cantidad de fotones que realmente se detectaron en cada píxel. . La definición habitual es que la ganancia es el número de electrones fotoexcitados que producen una sola ADU.

El valor de la ganancia está determinado por la electrónica del convertidor analógico a digital. Por lo general, en astronomía estará entre 0,5 y 5.

Un resumen pictórico del proceso de http://www.qsimaging.com/blog/understanding-gain-on-a-ccd-camera/ El valor digital final está en el rango de 0 a 64K, por lo que el ADC está trabajando con 16 pedacitos

ADC: convertidores de analógico a digital. Consiste generalmente en varias unidades "más o menos", llamadas "comparadores". Por lo general, los comparadores comparan la corriente eléctrica. No, esta corriente no corresponde con precisión al número de fotones que caen en el dispositivo ccd. La matriz CCD es un sistema complejo que funciona como dispositivo "multiplicador".

Se utilizan muchas capas pn que tienen carga opuesta. y se crea una avalancha de electrones entre ellos.