Ako poplatok

60. a 70. roky boli rokmi naplnenými brilantnými objavmi, vynálezmi a pokrokom v oblasti technológií, najmä pamäťových technológií. Jeden z kľúčových objavov v tom čase dosiahli Willard Boyle a George Smith, pretože skúmali použitie technológie kov-oxid-polovodič (MOS) na vývoj polovodičovej „bublinkovej“ pamäte.

Tím zistil, že elektrický náboj môže byť uložený na malom kondenzátore MOS, ktorý je možné pripojiť takým spôsobom, aby bolo možné nabíjanie krokovať z jedného kondenzátora na druhý. Tento objav viedol k vynájdeniu zariadení s väzbou na náboj (CCD), ktoré boli pôvodne navrhnuté tak, aby slúžili pamäťovým aplikáciám, ale teraz sa stali dôležitými súčasťami pokročilých zobrazovacích systémov.

CCD (Charge Coupled Devices) je vysoko citlivý fotónový detektor používaný na pohyb nábojov z vnútra zariadenia do oblasti, kde ho možno interpretovať alebo spracovať ako informáciu (napr. Prevod na digitálnu hodnotu).

V dnešnom článku sa budeme zaoberať tým, ako CCD fungujú, aplikáciami, v ktorých sú nasadené, a ich komparatívnymi výhodami oproti iným technológiám.

Čo je to zariadenie spojené s nabíjaním?

Zjednodušene možno zariadenia s riadeným nábojom definovať ako integrované obvody obsahujúce pole prepojených alebo spojených prvkov na ukladanie náboja (kapacitné koše), ktoré sú skonštruované tak, že pod kontrolou externého obvodu je elektrický náboj uložený v každom kondenzátore možno presunúť na susedný kondenzátor. Kondenzátory kov-oxid-polovodič (MOS kondenzátory) sa zvyčajne používajú v CCD a priložením externého napätia na horné platne štruktúry MOS sa môžu náboje (elektróny (e) alebo otvory (h +)) uložiť potenciál. Tieto náboje sa potom dajú presunúť z jedného kondenzátora na druhý digitálnymi impulzmi privedenými na horné platne (brány) a môžu sa prenášať po riadkoch do sériového výstupného registra.

Fungovanie zariadenia spojeného s nabíjaním

Činnosť CCD zahrnuje tri stupne, a pretože najpopulárnejšou aplikáciou v poslednej dobe je zobrazovanie, je lepšie vysvetliť tieto fázy vo vzťahu k zobrazovaniu. Tieto tri fázy zahŕňajú;

1. Indukcia / inkaso poplatku
2. Nabíjanie sa vypína
3. Meranie poplatku

Indukcia poplatku / inkaso / skladovanie:

Ako bolo uvedené vyššie, CCD sú zložené z prvkov na ukladanie náboja a typ pamäťového prvku a spôsob indukcie / ukladania náboja závisia od aplikácie. Pri snímaní je CCD zložený z veľkého množstva svetlocitlivých materiálov rozdelených na malé oblasti (pixely) a používa sa na vytváranie snímok záujmovej scény. Keď sa svetlo vrhnuté na scénu odráža na CCD, fotón svetla, ktorý spadá do oblasti definovanej jedným z pixelov, sa prevedie na jeden (alebo viac) elektrónov, ktorých počet je priamo úmerný intenzite scéna na každý pixel, takže keď je CCD taktovaný, zmeria sa počet elektrónov v každom pixeli a scéna môže byť rekonštruovaná.

Na obrázku nižšie je znázornený veľmi zjednodušený rez CCD.

Z vyššie uvedeného obrázku je zrejmé, že pixely sú definované polohou elektród nad CCD. Také, že ak sa na elektródu privedie kladné napätie, pozitívny potenciál priláka všetky záporne nabité elektróny blízko oblasti pod elektródou. Navyše, všetky kladne nabité otvory budú odrazené z oblasti okolo elektródy, čo povedie k vytvoreniu „potenciálnej jamky“, kde budú uložené všetky elektróny produkované prichádzajúcimi fotónmi.

Keď na CCD dopadá viac svetla, „potenciálna jamka“ sa stáva silnejšou a priťahuje viac elektrónov, kým sa nedosiahne „plná kapacita jamky“ (počet elektrónov, ktoré je možné uložiť pod pixel). Aby sa zabezpečilo, že sa nasníma správny obraz, používa sa v kamerách napríklad uzávierka na riadenie osvetlenia časovaným spôsobom, aby sa potenciálna jamka naplnila, ale nepresiahla sa jej kapacita, čo by mohlo byť kontraproduktívne.

Vypnutie nabíjania:

Topológia MOS použitá pri výrobe CCD obmedzuje množstvo úpravy a spracovania signálu, ktoré je možné vykonať na čipe. Poplatky teda musia byť zvyčajne taktované do externého regulačného obvodu, kde sa vykonáva spracovanie.

Každý pixel v rade CCD je obvykle vybavený 3 elektródami, ako je to znázornené na obrázku nižšie:

Jedna z elektród sa používa na vytvorenie potenciálovej jamky na uskladnenie náboja, zatiaľ čo ďalšie dve sa používajú na elimináciu nábojov.

Povedzme, že pod jednou z elektród sa zhromažďuje náboj, ako je to znázornené na obrázku nižšie:

Na vyradenie náboja z CCD sa indukuje nová potenciálna jamka držaním IØ3 vysoko, čo vynúti zdieľanie náboja medzi IŘ2 a IŘ3, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Ďalej je IØ2 znížený a to vedie k úplnému prenosu náboja na elektródu IØ3.

Proces časového limitu pokračuje tým, že sa zvýši IØ1, čo zabezpečí zdieľanie náboja medzi IØ1 a IØ3, a nakoniec sa zníži IØ3, aby sa náboj úplne presunul pod elektródy IØ1.

V závislosti na usporiadaní / orientácii elektród v CCD bude tento proces pokračovať a náboj sa bude pohybovať buď nadol po stĺpci alebo cez riadok, kým sa nedostane k poslednému riadku, ktorý sa zvyčajne označuje ako výstupný register.

Meranie poplatku:

Na konci čítacieho registra sa pomocou pripojeného zosilňovacieho obvodu meria hodnota každého náboja a prevádza sa na napätie s typickým konverzným faktorom okolo 5 - 10 µV na elektrón. V zobrazovacích aplikáciách bude kamera na báze CCD dodávaná s CCD čipom spolu s ďalšou pridruženou elektronikou, ale hlavne zosilňovačom, ktorý premenou náboja na napätie pomáha digitalizovať pixely do formy, ktorú dokáže softvér spracovať, na získanie nasnímaného obrázka.

Vlastnosti CCD

Niektoré z vlastností použitých pri opise výkonu / kvality / stupňa CCD sú:

1. Kvantová účinnosť:

Kvantová účinnosť označuje účinnosť, s ktorou CCD získava / ukladá náboj.

Pri snímaní nie sú všetky fotóny dopadajúce na roviny pixelov detegované a prevedené na elektrický náboj. Percento fotografií, ktoré sa úspešne detegujú a konvertujú, sa nazýva kvantová účinnosť. Najlepšie CCD môžu dosiahnuť QE okolo 80%. Z hľadiska kontextu je kvantová účinnosť ľudského oka okolo 20%.

2. Rozsah vlnových dĺžok:

CCD majú zvyčajne široký rozsah vlnových dĺžok od asi 400 nm (modrý) do asi 1050 nm (infračervený) s maximálnou citlivosťou okolo 700 nm. Avšak na rozšírenie rozsahu vlnových dĺžok CCD je možné použiť procesy ako spätné zriedenie.

3. Dynamický rozsah:

Dynamický rozsah CCD sa vzťahuje na minimálny a maximálny počet elektrónov, ktoré je možné uložiť v potenciálnej jamke. V typických CCD je maximálny počet elektrónov zvyčajne okolo 150 000, zatiaľ čo minimum môže byť vo väčšine prípadov menej ako jeden elektrón. Pojem dynamického rozsahu možno lepšie vysvetliť v obrazových termínoch. Ako sme už spomínali, keď svetlo dopadá na CCD, fotóny sa premieňajú na elektróny a sú nasávané do potenciálnej jamky, ktorá sa v určitom okamihu nasýti. Množstvo elektrónov vznikajúcich pri premene fotónov zvyčajne závisí od intenzity zdrojov, preto sa dynamický rozsah používa aj na opis rozsahu medzi najjasnejším a najslabším možným zdrojom, ktorý je možné zobraziť pomocou CCD.

4. Linearita:

Dôležitým hľadiskom pri výbere CCD je zvyčajne jeho schopnosť lineárne odpovedať na širokú škálu vstupov. Napríklad pri snímaní, ak CCD deteguje 100 fotónov a prevádza ich na 100 elektrónov (napríklad za predpokladu, že QE je 100%), potom sa kvôli linearite očakáva generovanie 10 000 elektrónov, ak deteguje 10 000 fotónov. Hodnota linearity v CCD spočíva v zníženej zložitosti postupov používaných pri vážení a zosilňovaní signálov. Ak je CCD lineárny, vyžaduje sa menšie množstvo úpravy signálu.

5. Sila:

V závislosti od aplikácie je napájanie dôležitým faktorom pre každé zariadenie a použitie súčasti s nízkou spotrebou je zvyčajne inteligentné rozhodnutie. Toto je jedna z vecí, ktoré CCD prinášajú do aplikácií. Zatiaľ čo obvody okolo nich môžu spotrebovať značné množstvo energie, samotné CCD majú nízky výkon a majú typické hodnoty spotreby okolo 50 mW.

6. Hluk:

CCD ako všetky analógové zariadenia sú náchylné na šum, preto je jednou z hlavných vlastností hodnotenia ich výkonu a kapacity spôsob, akým narábajú so šumom. Konečným prvkom šumu, ktorý sa vyskytuje v CCD, je šum čítania. Je produktom elektrónov v procese premeny napätia a je faktorom prispievajúcim k odhadu dynamického rozsahu CCD.

Aplikácie CCD

Zariadenia prepojené s nabíjačkou nachádzajú aplikácie v rôznych oblastiach vrátane;

1. Vedy o živote:

CCD detektory a kamery sa používajú v rôznych zobrazovacích aplikáciách a systémoch v biologických vedách a medicíne. Aplikácie v tejto oblasti sú príliš rozsiahle na to, aby sme ich spomenuli, ale niektoré konkrétne príklady zahŕňajú schopnosť fotografovať bunky s použitými kontrastnými vylepšeniami, schopnosť zbierať obrazové vzorky, ktoré boli dotované fluoroformi (ktoré spôsobujú fluorescenciu vzorky).) a použitie v pokročilých röntgenových tomografických systémoch na zobrazovanie kostných štruktúr a vzoriek mäkkých tkanív.

2. Optická mikroskopia:

Zatiaľ čo aplikácie v rámci biologických vied zahŕňajú použitie v mikroskopoch, je dôležité poznamenať, že mikroskopické aplikácie sa neobmedzujú iba na oblasť prírodných vied. Optické mikroskopy rôznych typov sa používajú v iných kogentných poliach ako; nanotechnologické inžinierstvo, potravinárstvo a chémia.

Vo väčšine mikroskopických aplikácií sa CCD používajú kvôli nízkemu šumu, vysokej citlivosti, vysokému priestorovému rozlíšeniu a rýchlemu zobrazovaniu vzoriek, čo je dôležité pre analýzu reakcií prebiehajúcich na mikroskopických úrovniach.

3. Astronómia:

S mikroskopiou sa CCD používajú na snímanie drobných prvkov, ale v astronómii sa používajú na zaostrenie snímok veľkých a vzdialených objektov. Astronómia je jednou z prvých aplikácií CCD a objekty od hviezd, planét, meteorov atď. Boli všetky snímané systémami založenými na CCD.

4. Komerčné fotoaparáty:

Lacné obrazové snímače CCD sa používajú v komerčných kamerách. CCD majú zvyčajne nižšiu kvalitu a výkon v porovnaní s tými, ktoré sa používajú v astronómii a biologických vedách, kvôli nízkym nákladom na komerčné fotoaparáty.