60. in 70. leta so bila leta polna briljantnih odkritij, izumov in napredka v tehnologiji, zlasti v spominskih tehnologijah. Eno ključnih odkritij sta takrat dosegla Willard Boyle in George Smith, ko sta raziskovala uporabo tehnologije kovina-oksid-polprevodnik (MOS) za razvoj polprevodniškega "mehurčkastega" spomina.
Ekipa je odkrila, da se lahko električni naboj shrani na majhen kondenzator MOS, ki ga je mogoče povezati tako, da je naboj mogoče stopiti med enim kondenzatorjem. To odkritje je privedlo do izuma napolnjenih naprav (CCD), ki so bile prvotno zasnovane za pomnilniške aplikacije, zdaj pa so postale pomemben sestavni del naprednih slikovnih sistemov.
CCD (Charge Coupled Devices) je zelo občutljiv detektor fotonov, ki se uporablja za premikanje nabojev znotraj naprave na območje, kjer ga je mogoče razlagati ali obdelovati kot informacije (npr. Pretvorba v digitalno vrednost).
V današnjem članku bomo preučili, kako delujejo CCD-ji, aplikacije, v katerih so nameščene, in njihove primerjalne prednosti z drugimi tehnologijami.
Kaj je naprava s polnjenjem?
Poenostavljeno povedano je mogoče naprave z nadzorom naboja opredeliti kot integrirana vezja, ki vsebujejo vrsto povezanih ali povezanih elementov za shranjevanje naboja (kapacitivni koši), zasnovanih tako, da pod nadzorom zunanjega vezja električni naboj, shranjen v vsakem kondenzatorju lahko premaknete na sosednji kondenzator. Kondenzatorji kovinsko-oksid-polprevodniki (kondenzatorji MOS) se običajno uporabljajo v CCD-jih in z nanašanjem zunanje napetosti na zgornje plošče strukture MOS lahko v nastale naboje (elektrone (e-) ali luknje (h +)) shranimo potencial. Te naboje lahko nato z digitalnih impulzov, ki se nanašajo na zgornje plošče (vrata), preusmerijo z enega kondenzatorja na drugega in jih lahko prenašajo vrsto za vrstico v serijski izhodni register.
Delovanje napolnjene naprave
Pri delovanju CCD-ja sodelujejo tri stopnje in ker je v zadnjem času najbolj priljubljena aplikacija Imaging, je najbolje, da te faze razložimo v zvezi s slikanjem. Tri stopnje vključujejo;
- Indukcija / zbiranje stroškov
- Izpolnite obračun
- Merjenje polnjenja
Indukcija / zbiranje / shranjevanje:
Kot smo že omenili, so CCD-ji sestavljeni iz elementov za shranjevanje naboja, vrsta shranjevalnega elementa in način indukcije / nanašanja naboja pa je odvisen od uporabe. Pri slikanju je CCD sestavljen iz velikega števila svetlobno občutljivih materialov, razdeljenih na majhna območja (slikovne pike) in se uporabljajo za oblikovanje slike zanimivega prizorišča. Ko se svetloba, vržena na prizorišče, odraža na CCD, se svetlobni foton, ki pade znotraj območja, ki ga določa ena od slikovnih pik, pretvori v enega (ali več) elektronov, katerih število je neposredno sorazmerno z jakostjo pri vsaki slikovni piki, tako da se pri izklopu CCD izmeri število elektronov v vsaki slikovni piki in prizor se lahko rekonstruira.
Spodnja slika prikazuje zelo poenostavljen prerez skozi CCD.
Na zgornji sliki je razvidno, da so slikovne pike določene s položajem elektrod nad CCD. Takšen, da če pozitivno napetost nanesemo na elektrodo, bo pozitivni potencial privabil vse negativno nabite elektrone blizu območja pod elektrodo. Poleg tega se bodo pozitivno nabite luknje oddaljile od območja okoli elektrode, kar bo privedlo do razvoja "potencialne vrtine", kjer bodo shranjeni vsi elektroni, ki jih tvorijo dohodni fotoni.
Ko več svetlobe pade na CCD, postane "potencialna vdolbina" močnejša in privabi več elektronov, dokler ni dosežena "polna zmogljivost vdolbinice" (število elektronov, ki jih je mogoče shraniti pod slikovno piko). Da bi zagotovili zajem ustrezne slike, se na primer v fotoaparatih uporablja zaslonka za časovno krmiljenje osvetlitve, tako da je potencialna vrtina napolnjena, vendar njena zmogljivost ni presežena, saj bi to lahko povzročilo kontraproduktivnost.
Čas zaključka polnjenja:
Topologija MOS, uporabljena pri izdelavi CCD, omejuje količino kondicioniranja in obdelave signala, ki jo je mogoče izvesti na čipu. Tako je treba naboje običajno preusmeriti v zunanje vezje za kondicioniranje, kjer poteka obdelava.
Vsaka slikovna pika v vrsti CCD je običajno opremljena s 3 elektrodami, kot je prikazano na spodnji sliki:
Ena od elektrod se uporablja pri ustvarjanju potencialne vdolbine za shranjevanje naboja, drugi dve pa za izravnavo nabojev.
Recimo, da se naboj nabere pod eno od elektrod, kot je prikazano na spodnji sliki:
Za izravnavo naboja iz CCD-ja se z zadrževanjem IØ3 visoko inducira nova potencialna vdolbina, zaradi česar se naboj deli med IØ2 in IØ3, kot je prikazano na spodnji sliki.
Nato se IØ2 zniža, kar vodi do popolnega prenosa naboja na elektrodo IØ3.
Proces lociranja se nadaljuje tako, da IØ1 dvigne visoko, kar zagotavlja, da se naboj deli med IØ1 in IØ3, in na koncu IØ3 nizko, tako da se naboj popolnoma premakne pod elektrode IØ1.
Odvisno od razporeditve / usmerjenosti elektrod v CCD-ju se bo ta postopek nadaljeval in naboj se bo premikal bodisi po stolpcu bodisi po vrstici, dokler ne bo dosegel končne vrstice, ki jo običajno imenujemo odčitni register.
Merjenje polnjenja:
Na koncu odčitnega registra se s povezanim ojačevalnim vezjem izmeri vrednost vsakega naboja in ga pretvori v napetost s tipičnim pretvorbenim faktorjem približno 5-10 µV na elektron. V slikovnih aplikacijah bo kamera, ki temelji na CCD, prišla s čipom CCD skupaj z drugo povezano elektroniko, predvsem pa ojačevalnikom, ki s pretvorbo naboja v napetost pomaga digitalizirati slikovne pike v obliko, ki jo lahko programska oprema obdela, da dobite zajeto sliko.
Lastnosti CCD
Nekatere lastnosti, ki se uporabljajo pri opisovanju zmogljivosti / kakovosti / kakovosti CCD-jev, so:
1. Kvantna učinkovitost:
Kvantna učinkovitost se nanaša na učinkovitost, s katero CCD pridobi / shrani naboj.
Pri slikanju niso zaznani vsi fotoni, ki padajo na ravnine pikslov, in se pretvorijo v električni naboj. Odstotek fotografij, ki so bile uspešno zaznane in pretvorjene, je znan kot kvantna učinkovitost. Najboljši CCD-ji lahko dosežejo QE približno 80%. Za kontekst je kvantna učinkovitost človeškega očesa približno 20%.
2. Območje valovne dolžine:
CCD-ji imajo običajno široko valovno območje, od približno 400 nm (modro) do približno 1050 nm (infrardeče) z največjo občutljivostjo približno 700 nm. Vendar pa lahko postopke, kot je tanjšanje hrbta, razširimo na valovno dolžino CCD.
3. Dinamični razpon:
Dinamično območje CCD se nanaša na najmanjše in največje število elektronov, ki jih je mogoče shraniti v potencialni vdolbinici. V tipičnih CCD-jih je največje število elektronov običajno približno 150.000, medtem ko je najmanjše lahko v večini nastavitev dejansko manj kot en elektron. Koncept dinamičnega razpona je mogoče bolje razložiti s slikovnimi izrazi. Kot smo že omenili, se fotoni, ko pade na CCD, pretvorijo v elektrone in se vpijejo v potencialno vdolbino, ki v določenem trenutku postane nasičena. Količina elektronov, ki je posledica pretvorbe fotonov, je običajno odvisna od intenzivnosti virov, zato se dinamični razpon uporablja tudi za opis razdalje med najsvetlejšim in najhitrejšim možnim virom, ki ga lahko zazna CCD.
4. Linearnost:
Pomemben dejavnik pri izbiri CCD je običajno njegova sposobnost linearnega odzivanja na široko paleto vhodnih podatkov. Na primer pri slikanju, če CCD zazna 100 fotonov in jih pretvori v 100 elektronov (na primer ob predpostavki, da je QE 100%), naj bi zaradi linearnosti ustvaril 10000 elektronov, če zazna 10000 fotonov. Vrednost linearnosti v CCD-jih je v zmanjšani zapletenosti procesnih tehnik, ki se uporabljajo pri tehtanju in ojačevanju signalov. Če je CCD linearni, je potrebna manjša količina priprave signala.
5. Moč:
Odvisno od aplikacije je za vsako napravo pomemben vir energije, uporaba komponente z nizko porabo pa je običajno pametna odločitev. To je ena od stvari, ki jih CCD-ji prinašajo v aplikacije. Medtem ko lahko vezja okoli njih porabijo veliko energije, so CCD-ji sami nizke moči in imajo tipične vrednosti porabe okoli 50 mW.
6. Hrup:
CCD-ji, kot so vse analogne naprave, so dovzetni za hrup, zato je ena glavnih lastnosti za oceno njihove zmogljivosti in zmogljivosti, kako se spopadajo s hrupom. Končni element hrupa, ki ga doživlja CCD, je bralni hrup. Je produkt elektronov v procesu pretvorbe napetosti in prispeva k oceni dinamičnega območja CCD.
Uporaba CCD-jev
Naprave s polnjenjem najdejo aplikacije na različnih področjih, vključno z;
1. Življenjske vede:
CCD detektorji in kamere se uporabljajo v različnih aplikacijah in sistemih za slikanje v znanosti o življenju in medicini. Aplikacije na tem področju so preobsežne, da bi jih lahko omenjali, vendar nekateri posebni primeri vključujejo sposobnost fotografiranja celic s kontrastnimi izboljšavami, zmožnost zbiranja vzorcev slik, dopiranih s fluorofori (zaradi katerih vzorec fluorescira) in uporaba v naprednih sistemih rentgenske tomografije za slikanje kostnih struktur in vzorcev mehkih tkiv.
2. Optična mikroskopija:
Medtem ko prijave v znanosti o življenju vključujejo uporabo v mikroskopih, je pomembno omeniti, da aplikacije za mikroskopijo niso omejene na področje znanosti o življenju. Optični mikroskopi različnih vrst se uporabljajo na drugih kogentnih področjih, kot so; nanotehnološki inženiring, živilska znanost in kemija.
V večini aplikacij za mikroskopijo se CCD uporabljajo zaradi nizkega razmerja šuma, visoke občutljivosti, visoke prostorske ločljivosti in hitrega slikanja vzorcev, kar je pomembno za analizo reakcij, ki se pojavljajo na mikroskopskih ravneh.
3. Astronomija:
Z mikroskopijo se CCD-ji uporabljajo za slikanje drobnih elementov, v astronomiji pa za fokusiranje slik velikih in oddaljenih predmetov. Astronomija je ena najzgodnejših aplikacij CCD-jev in predmeti, ki segajo od zvezd, planetov, meteorjev itd., So bili vsi posneti s sistemi, ki temeljijo na CCD.
4. Komercialne kamere:
Pri komercialnih kamerah se uporabljajo poceni CCD slikovni senzorji. Zaradi nizkocenovnih zahtev za komercialne kamere so CCD-ji običajno manj kakovostni in zmogljivi v primerjavi s tistimi, ki se uporabljajo v astronomiji in znanostih o življenju.