Mennyire tölt

A 60-as és 70-es éveket ragyogó felfedezések, találmányok és a technika, különösen a memóriatechnológiák fejlődése töltötte el. Az egyik legfontosabb felfedezést abban az időben Willard Boyle és George Smith fedezte fel, amikor a fém – oxid – félvezető (MOS) technológia alkalmazását vizsgálták egy félvezető „buborék” memória fejlesztésére.

A csapat felfedezte, hogy egy elektromos töltés tárolható egy apró MOS kondenzátoron, amely összekapcsolható oly módon, hogy a töltést az egyik kondenzátorról a másikra lehet léptetni. Ez a felfedezés vezetett a töltéshez kapcsolt eszközök (CCD) feltalálásához , amelyeket eredetileg memóriaalkalmazások kiszolgálására terveztek, de mára a fejlett képalkotó rendszerek fontos alkotóelemeivé váltak.

A CCD (Charge Coupled Devices) egy rendkívül érzékeny fotondetektor, amelyet töltések mozgatására használnak egy eszközön belül egy olyan területre, ahol információként értelmezhető vagy feldolgozható (pl. Átalakítás digitális értékké).

Mai cikkünkben megvizsgáljuk a CCD-k működését, az alkalmazásokat, amelyekbe telepítik őket, és összehasonlító előnyeiket más technológiákkal szemben.

Mi az a töltéssel összekapcsolt eszköz?

Egyszerűen fogalmazva, a töltésvezérelt eszközök definiálhatók olyan integrált áramkörökként, amelyek összekapcsolt vagy összekapcsolt töltéstároló elemek (kapacitív tartályok) tömbjét tartalmazzák, úgy tervezve, hogy egy külső áramkör vezérlése alatt az egyes kondenzátorokban tárolt elektromos töltés áthelyezhető a szomszédos kondenzátorba. A fém-oxid-félvezető kondenzátorokat (MOS kondenzátorokat) általában CCD-kben használják, és ha külső feszültséget vezetnek az MOS szerkezet felső lemezére, a keletkező töltések (elektronok (e-) vagy furatok (h +)) tárolhatók. lehetséges. Ezeket a töltéseket azután a felső lemezekre (kapukra) alkalmazott digitális impulzusokkal át lehet helyezni egyik kondenzátorról a másikra, és soronként át lehet vinni egy soros kimeneti regiszterbe.

A töltéssel összekapcsolt eszköz működése

A CCD működésének három szakasza van, és mivel az utóbbi időben a legnépszerűbb alkalmazás a Képalkotás, a legjobb, ha ezeket a szakaszokat a képalkotással kapcsolatban magyarázzuk el. A három szakasz magában foglalja:

1. Töltés indukciója / gyűjtése
2. Töltés Óra kikapcsolása
3. Töltésmérés

Töltés indukciója / gyűjtése / tárolása:

Mint fent említettük, a CCD-k töltéstároló elemekből állnak, és a tárolóelem típusa, valamint a töltésindukció / lerakás módja az alkalmazástól függ. A képalkotás során a CCD nagyszámú fényérzékeny anyagból áll, kis területekre (pixelekre) osztva, és felhasználásával képeket készítenek az érdeklődő jelenetről. Amikor a helyszínre dobott fény visszatükröződik a CCD-n, az egyik pixel által meghatározott területre eső fényfoton egy (vagy több) elektronzá alakul, amelynek száma egyenesen arányos a fény intenzitásával. jelenet minden pixelnél, úgy, hogy amikor a CCD-t kiütik, megmérik az egyes pixelekben lévő elektronok számát, és a jelenet rekonstruálható.

Az alábbi ábra nagyon egyszerűsített keresztmetszetet mutat be egy CCD-n keresztül.

A fenti képből látható, hogy a pixeleket az elektródák elhelyezkedése határozza meg a CCD felett. Olyan, hogy ha pozitív feszültséget alkalmaznak az elektródára, akkor a pozitív potenciál az összes negatív töltésű elektron vonzza az elektróda alatti terület közelébe. Ezenkívül minden pozitív töltésű lyukat visszavernek az elektróda körüli területről, és ez egy "potenciál kút" kialakulásához vezet, ahol a bejövő fotonok által termelt összes elektron tárolásra kerül.

Amint több fény esik a CCD-re, a „potenciál kút” erősebbé válik, és több elektront vonz, amíg el nem éri a „teljes kút kapacitását” (a pixel alatt tárolható elektronok számát). A megfelelő kép rögzítésének biztosítása érdekében a kamerákban például egy redőnyt alkalmaznak a világítás időzített vezérlésére, így a potenciális kút megtelik, de annak kapacitását nem lépik túl, mivel ez kontraproduktív lehet.

Töltési időzítés:

A CCD gyártásában használt MOS topológia korlátozza a chip-en elvégezhető jel kondicionálás és feldolgozás mennyiségét. Így a töltéseket általában egy külső kondicionáló áramkörhöz kell időzíteni, ahol a feldolgozás történik.

A CCD egy sorának minden pixelét általában 3 elektródával látják el, amint azt az alábbi kép mutatja:

Az egyik elektródát a potenciális kút létrehozásához használják a töltéstároláshoz, míg a másik kettőt a töltések kiürítéséhez használják.

Tegyük fel, hogy az egyik elektród alatt töltést gyűjtöttek, amint az az alábbi képen látható:

A töltésnek a CCD-ből történő lekapcsolásához új potenciálkút indukálódik az IØ3 magasan tartásával, ami arra kényszeríti a töltetet, hogy megossza az IØ2 és az IØ3 között, amint az az alábbi képen látható.

Ezután az IØ2 alacsonyra csökken, és ez a töltés teljes átviteléhez vezet az IØ3 elektródához.

Az időzítési folyamat az IØ1 magas szintre emelésével folytatódik, amely biztosítja a töltés megosztását az IØ1 és az IØ3 között, és végül az IØ3 alacsony szintre emelését, így a töltés teljes mértékben elmozdul az IØ1 elektródák alatt.

Az elektródák elrendezésétől / orientációjától függően a CCD-ben ez a folyamat folytatódik, és a töltés vagy az oszlopon lefelé, vagy a soron át mozog, amíg el nem éri az utolsó sort, amelyet általában leolvasási regiszternek nevezünk.

Töltésmérés:

A kiolvasási regiszter végén egy csatlakoztatott erősítő áramkört használnak az egyes töltések értékének mérésére, és feszültséggé alakítják, tipikus konverziós tényezője körülbelül 5-10µV elektrononként. Képalkotó alkalmazásokban egy CCD-alapú fényképezőgéphez jön a CCD-chip, más kapcsolódó elektronikákkal, de legfőképpen az erősítővel, amely a töltés feszültséggé alakításával elősegíti a pixelek digitalizálását a szoftver által feldolgozható formába, hogy megszerezzék a rögzített képet.

A CCD tulajdonságai

A CCD-k teljesítményének / minőségének / fokozatának leírásánál használt néhány tulajdonság a következő:

1. Kvantumhatékonyság:

A kvantumhatékonyság azt a hatékonyságot jelenti, amellyel a CCD töltést szerez / tárol.

A képalkotás során nem minden pixelsíkra eső fotont érzékel és alakít át elektromos töltéssé. A sikeresen felismert és átalakított fotók százalékos aránya kvantumhatékonyság néven ismert. A legjobb CCD-k 80% körüli QE-t érhetnek el. A kontextus szempontjából az emberi szem kvantumhatékonysága 20% körül mozog.

2. Hullámhossz-tartomány:

A CCD-k jellemzően széles hullámhossz-tartományban vannak, körülbelül 400 nm-től (kék) és körülbelül 1050 nm-ig (Infravörös), csúcsérzékenységük 700 nm körül van. Azonban olyan folyamatok, mint a hátsó ritkítás, alkalmazhatók a CCD hullámhossztartományának kiterjesztésére.

3. Dinamikus tartomány:

A CCD dinamikus tartománya a potenciális kútban tárolható elektronok minimális és maximális számára vonatkozik. A tipikus CCD-kben az elektronok maximális száma általában 150 000 körül mozog, míg a minimum a legtöbb beállításban valójában egynél kevesebb lehet. A dinamikus tartomány fogalmát képi szempontból jobban meg lehet magyarázni. Mint korábban említettük, amikor a fény egy CCD-re esik, a fotonok elektronokká alakulnak, és beszívódnak a potenciális kútba, amely egy bizonyos ponton telítődik. A fotonok átalakításából származó elektronok mennyisége általában a források intenzitásától függ, mivel ily módon dinamikus tartományt is használnak a lehető legfényesebb és halványabb forrás közötti tartomány leírására, amelyet CCD-vel lehet leképezni.

4. Linearitás:

A CCD kiválasztásakor fontos szempont az a képesség, hogy lineárisan reagáljon a bemenet széles tartományában. Például a képalkotás során, ha a CCD 100 fotont detektál, és ugyanazt 100 elektronra konvertálja (például feltételezve, hogy a QE 100%), akkor a linearitás kedvéért várhatóan 10000 elektron keletkezik, ha 10000 fotont detektál. A CCD-kben a linearitás értéke a jelek mérlegelésénél és erősítésénél alkalmazott feldolgozási technikák csökkent összetettségében rejlik. Ha a CCD lineáris, kisebb mennyiségű jel kondicionálás szükséges.

5. Teljesítmény:

Az alkalmazástól függően az áramellátás fontos szempont minden eszköznél, és az alacsony fogyasztású alkatrészek használata általában okos döntés. Ez az egyik dolog, amit a CCD-k hoznak az alkalmazásokhoz. Míg a körülöttük lévő áramkörök jelentős mennyiségű energiát fogyaszthatnak, a CCD-k maguk is alacsony teljesítményűek, jellemző fogyasztási értékük 50 mW körül van.

6. Zaj:

A CCD-k, mint minden analóg eszköz, érzékenyek a zajra, mint ilyen, teljesítményük és kapacitásuk értékelésének egyik fő tulajdonsága az, hogy miként kezelik a zajt. A CCD-ben tapasztalt végső zajelem a kiolvasási zaj. Ez az elektronok szorzata a feszültség-átalakítási folyamathoz, és hozzájárul a CCD dinamikus tartományának becsléséhez.

A CCD-k alkalmazása

A töltéshez kapcsolt eszközök különböző területeken találnak alkalmazásokat, beleértve;

1. Élettudomány:

A CCD alapú detektorokat és kamerákat az élettudományok és az orvostudomány különböző képalkotó alkalmazásokban és rendszerekben használják. Az ezen a területen alkalmazott alkalmazások túl nagyok ahhoz, hogy mindegyiket megemlítsék, de néhány konkrét példa többek között az a lehetőség, hogy a sejteket kontrasztos javításokkal készítsék, a fluoroforokkal adalékolt képminták összegyűjtésének képessége (ami a minta fluoreszkálását okozza)), és fejlett röntgen tomográfiai rendszerekben használják csontstruktúrák és lágyrész minták képalkotására.

2. Optikai mikroszkópia:

Míg az élettudományok alkalmazásai magukban foglalják a mikroszkópokban való felhasználást, fontos megjegyezni, hogy a mikroszkópos alkalmazások nem korlátozódnak az élettudomány területére. Különböző típusú optikai mikroszkópokat használnak más meggyőző területeken, például; nanotechnológiai mérnöki, élelmiszer-tudományi és kémiai.

A legtöbb mikroszkópos alkalmazásnál a CCD-ket az alacsony zajarány, a nagy érzékenység, a nagy térbeli felbontás és a gyors mintaképalkotás miatt fontosnak tartják, amelyek fontosak a mikroszkópos szinten lejátszódó reakciók elemzéséhez.

3. Csillagászat:

A mikroszkóppal a CCD-ket apró elemek képalkotására használják, de a Csillagászatban a nagy és távoli tárgyak képeinek fókuszálásához használják. A csillagászat a CCD-k egyik legkorábbi alkalmazása, és a csillagoktól, bolygóktól, meteoroktól stb. Terjedő tárgyakat mind CCD-alapú rendszerekkel készítették.

4. Kereskedelmi kamerák:

Olcsó CCD képérzékelőket használnak kereskedelmi kamerákban. A CCD-k általában alacsonyabb minőségűek és teljesítményűek, mint a csillagászatban és az élettudományokban használtak, a kereskedelmi kamerák alacsony költségigénye miatt.