Jak poplatek

60. a 70. léta byla naplněna brilantními objevy, vynálezy a pokroky v technologii, zejména paměťových technologiích. Jedním z klíčových objevů v té době byli Willard Boyle a George Smith, kteří zkoumali použití technologie kov-oxid-polovodič (MOS) pro vývoj polovodičové „bublinové“ paměti.

Tým zjistil, že elektrický náboj může být uložen na malém kondenzátoru MOS, který lze připojit takovým způsobem, aby bylo možné nabíjet krok od jednoho kondenzátoru k druhému. Tento objev vedl k vynálezu zařízení s vazbou na náboj (CCD), která byla původně navržena pro obsluhu paměťových aplikací, ale nyní se staly důležitými součástmi pokročilých zobrazovacích systémů.

CCD (Charge Coupled Devices) je vysoce citlivý fotonový detektor používaný k pohybu nábojů zevnitř zařízení do oblasti, kde jej lze interpretovat nebo zpracovat jako informaci (např. Převod na digitální hodnotu).

V dnešním článku budeme zkoumat, jak CCD fungují, aplikace, ve kterých jsou nasazeny, a jejich komparativní výhody vůči jiným technologiím.

Co je to zařízení spojené s nabíjením?

Zjednodušeně řečeno lze zařízení řízená nabíjením definovat jako integrované obvody obsahující řadu propojených nebo spřažených prvků pro ukládání náboje (kapacitní koše), které jsou navrženy tak, že pod kontrolou vnějšího obvodu je elektrický náboj uložený v každém kondenzátoru lze přesunout na sousední kondenzátor. Kondenzátory kov-oxid-polovodič (kondenzátory MOS) se obvykle používají v CCD a přiložením vnějšího napětí na horní desky struktury MOS mohou být ve výsledném stavu uloženy náboje (elektrony (e-) nebo otvory (h +)) potenciál. Tyto náboje lze poté přesouvat z jednoho kondenzátoru na druhý pomocí digitálních pulzů aplikovaných na horní desky (brány) a lze je přenášet řádek po řádku do sériového výstupního registru.

Fungování zařízení vázaných na náboj

Provoz CCD zahrnuje tři fáze, a protože nejpopulárnější aplikací v poslední době je zobrazování, je nejlepší vysvětlit tyto fáze ve vztahu k zobrazování. Tyto tři fáze zahrnují;

1. Indukce / inkaso poplatku
2. Nabíjení vypnuto
3. Měření poplatku

Indukce / sběr / skladování poplatků:

Jak již bylo zmíněno výše, CCD jsou tvořeny prvky pro ukládání náboje a typ paměťového prvku a způsob indukce / depozice náboje závisí na aplikaci. V Imagingu je CCD tvořen velkým množstvím materiálů citlivých na světlo rozdělených na malé oblasti (pixely) a slouží k vytváření obrazu sledované scény. Když se světlo vržené na scénu odráží na CCD, foton světla, který spadá do oblasti definované jedním z pixelů, se převede na jeden (nebo více) elektronů, jejichž počet je přímo úměrný intenzitě scéna na každém pixelu, takže když je CCD taktován, změří se počet elektronů v každém pixelu a scéna může být rekonstruována.

Obrázek níže ukazuje velmi zjednodušený průřez CCD.

Z obrázku nahoře je vidět, že pixely jsou definovány polohou elektrod nad CCD. Takové, že pokud je na elektrodu přivedeno kladné napětí, pozitivní potenciál přiláká všechny záporně nabité elektrony v blízkosti oblasti pod elektrodou. Kromě toho budou všechny kladně nabité otvory odpuzovány z oblasti kolem elektrody, což povede k vývoji „potenciální jámy“, kde budou uloženy všechny elektrony produkované přicházejícími fotony.

Jak více světla dopadá na CCD, „potenciální jamka“ se stává silnější a přitahuje více elektronů, dokud není dosaženo „plné kapacity jamky“ (počet elektronů, které lze uložit pod pixel). Aby bylo zajištěno, že je zachycen správný obraz, používá se v kamerách například uzávěrka pro ovládání osvětlení časovaným způsobem, aby byla potenciální jímka naplněna, ale její kapacita nebyla překročena, protože by to mohlo být kontraproduktivní.

Vyúčtování poplatků:

Topologie MOS použitá při výrobě CCD omezuje množství úpravy a zpracování signálu, které lze provádět na čipu. Poplatky tedy obvykle musí být taktovány do externího upravovacího obvodu, kde se provádí zpracování.

Každý pixel v řadě CCD je obvykle vybaven 3 elektrodami, jak je znázorněno na obrázku níže:

Jedna z elektrod se používá při vytváření potenciálové jímky pro skladování náboje, zatímco další dvě se používají při stopování nábojů.

Řekněme, že pod jednou z elektrod je zachycen náboj, jak je znázorněno na obrázku níže:

Aby bylo možné časovat náboj z CCD, indukuje se nová potenciálová jímka udržováním vysoké hodnoty IŘ3, což nutí sdílení náboje mezi IŘ2 a IŘ3, jak je znázorněno na obrázku níže.

Dále je IØ2 snížen a to vede k úplnému přenosu náboje na elektrodu IØ3.

Proces časového limitu pokračuje tím, že se zvýší IØ1, což zajistí sdílení náboje mezi IØ1 a IØ3, a nakonec se sníží IØ3, aby se náboj plně posunul pod elektrody IØ1.

V závislosti na uspořádání / orientaci elektrod v CCD bude tento proces pokračovat a náboj se bude pohybovat buď dolů po sloupci, nebo přes řádek, dokud nedosáhne poslední řady, obvykle označované jako čtecí registr.

Měření poplatku:

Na konci čtecího registru se připojený obvod zesilovače používá k měření hodnoty každého náboje a převádí jej na napětí s typickým konverzním faktorem kolem 5-10µV na elektron. V zobrazovacích aplikacích bude fotoaparát na bázi CCD dodáván s CCD čipem spolu s nějakou další přidruženou elektronikou, ale nejdůležitější je zesilovač, který převodem náboje na napětí pomáhá digitalizovat pixely do formy, kterou lze zpracovat softwarem, získat pořízený snímek.

Vlastnosti CCD

Některé z vlastností použitých při popisu výkonu / kvality / stupně CCD jsou:

1. Kvantová účinnost:

Kvantová účinnost označuje účinnost, s níž CCD získává / ukládá náboj.

Ve snímkování nejsou detekovány všechny fotony dopadající na roviny pixelů a převedeny na elektrický náboj. Procento fotografií, které jsou úspěšně detekovány a převedeny, se nazývá kvantová účinnost. Nejlepší CCD mohou dosáhnout QE kolem 80%. V kontextu se kvantová účinnost lidského oka pohybuje kolem 20%.

2. Rozsah vlnových délek:

CCD mají obvykle široký rozsah vlnových délek, od přibližně 400 nm (modrý) do přibližně 1050 nm (infračervený), s maximální citlivostí kolem 700 nm. Procesy, jako je zpětné ředění, však lze použít k rozšíření rozsahu vlnových délek CCD.

3. Dynamický rozsah:

Dynamický rozsah CCD odkazuje na minimální a maximální počet elektronů, které mohou být uloženy v potenciální jímce. V typických CCD je maximální počet elektronů obvykle kolem 150 000, zatímco minimum může být ve většině nastavení méně než jeden elektron. Koncept dynamického rozsahu lze lépe vysvětlit zobrazovacími pojmy. Jak jsme již zmínili dříve, když světlo dopadá na CCD, fotony se převádějí na elektrony a jsou nasávány do potenciální jámy, která se v určitém okamžiku nasytí. Množství elektronů vyplývajících z konverze fotonů obvykle závisí na intenzitě zdrojů, proto se dynamický rozsah také používá k popisu rozsahu mezi nejjasnějším a nejslabším možným zdrojem, který lze zobrazit pomocí CCD.

4. Linearita:

Důležitým faktorem při výběru CCD je obvykle jeho schopnost reagovat lineárně v širokém rozsahu vstupu. Například při zobrazování, pokud CCD detekuje 100 fotonů a převede je na 100 elektronů (například za předpokladu, že QE je 100%), pak se z důvodu linearity očekává generování 10 000 elektronů, pokud detekuje 10 000 fotonů. Hodnota linearity v CCD je ve snížené složitosti technik zpracování používaných při vážení a zesilování signálů. Pokud je CCD lineární, je vyžadováno menší množství úpravy signálu.

5. Síla:

V závislosti na aplikaci je síla důležitým faktorem pro každé zařízení a použití nízkoenergetické komponenty je obvykle chytré rozhodnutí. Toto je jedna z věcí, které CCD přinášejí aplikacím. Zatímco obvody kolem nich mohou spotřebovávat značné množství energie, samotné CCD mají nízkou spotřebu s typickými hodnotami spotřeby kolem 50 mW.

6. Hluk:

CCD, jako všechna analogová zařízení, jsou citlivá na hluk, takže jednou z hlavních vlastností pro hodnocení jejich výkonu a kapacity je způsob, jakým zacházejí s hlukem. Prvotním šumovým prvkem CCD je šum při čtení. Je produktem elektronů v procesu přeměny napětí a je faktorem přispívajícím k odhadu dynamického rozsahu CCD.

Aplikace CCD

Charge-coupled devices find applications across different Field including including;

1. Vědy o živé přírodě:

CCD detektory a kamery se používají v různých zobrazovacích aplikacích a systémech v biologických vědách a lékařství. Aplikace v této oblasti jsou příliš rozsáhlé na to, abychom je zmínili o každém jednotlivém, ale některé konkrétní příklady zahrnují schopnost pořizovat snímky buněk s aplikovanými kontrastními vylepšeními, schopnost shromažďovat obrazové vzorky, které byly dotovány fluorofory (které způsobují fluorescenci vzorku) a použití v pokročilých rentgenových tomografických systémech k zobrazování kostních struktur a vzorků měkkých tkání.

2. Optická mikroskopie:

Zatímco aplikace v rámci věd o živé přírodě zahrnují použití v mikroskopech, je důležité si uvědomit, že aplikace mikroskopie nejsou omezeny na oblast biologických věd. Optické mikroskopy různých typů se používají v jiných kogentních polích jako; nanotechnologické inženýrství, potravinářství a chemie.

Ve většině mikroskopických aplikací se CCD používají kvůli nízkému šumovému poměru, vysoké citlivosti, vysokému prostorovému rozlišení a rychlému zobrazování vzorků, což je důležité pro analýzu reakcí probíhajících na mikroskopických úrovních.

3. Astronomie:

S mikroskopií se CCD používají k zobrazování drobných prvků, ale v astronomii se používá k zaostřování obrazů velkých a vzdálených objektů. Astronomie je jednou z prvních aplikací CCD a objekty od hvězd, planet, meteorů atd. Byly všechny zobrazeny systémy založenými na CCD.

4. Komerční fotoaparáty:

V komerčních kamerách se používají levné CCD obrazové snímače. CCD mají obvykle nižší kvalitu a výkon ve srovnání s těmi, které se používají v astronomii a biologických vědách, kvůli nízkým nákladům na komerční kamery.