- Какво е устройство, свързано със зареждане?
- Работа на устройство, свързано със зареждане
- Свойства на CCD
- Приложения на CCD
60-те и 70-те години бяха изпълнени с брилянтни открития, изобретения и напредък в технологиите, особено технологиите с памет. Едно от ключовите открития по това време е направено от Уилард Бойл и Джордж Смит, тъй като те изследват приложението на технологията метал-оксид-полупроводник (MOS) за развитието на полупроводникова "балонна" памет.
Екипът откри, че електрически заряд може да се съхранява на малък MOS кондензатор, който може да бъде свързан по такъв начин, че зарядът да може да се придвижва от единия към другия кондензатор. Това откритие доведе до изобретяването на устройства с двойно зареждане (CCD), които първоначално са проектирани да обслужват приложения с памет, но сега са станали важни компоненти на усъвършенстваните системи за изображения.
CCD (Charge Coupled Devices) е високочувствителен фотонен детектор, използван при преместване на заряди от вътрешността на устройство в зона, където може да се интерпретира или обработи като информация (например преобразуване в цифрова стойност).
В днешната статия ще разгледаме как работят CCD, приложенията, в които са внедрени, и техните сравнителни предимства спрямо други технологии.
Какво е устройство, свързано със зареждане?
С прости думи, устройствата с контролирано зареждане могат да бъдат дефинирани като интегрални схеми, съдържащи масив от свързани или свързани, елементи за съхранение на заряд (капацитивни контейнери), проектирани по такъв начин, че под контрола на външна верига, електрическият заряд, съхраняван във всеки кондензатор може да се премести в съседен кондензатор. Метално-оксидно-полупроводниковите кондензатори (MOS кондензатори) обикновено се използват в CCDs и чрез прилагане на външно напрежение към горните плочи на MOS структурата, зарядите (електрони (e-) или дупки (h +)) могат да се съхраняват в получените потенциал. След това тези заряди могат да се прехвърлят от един кондензатор в друг чрез цифрови импулси, приложени към горните плочи (порти) и могат да се прехвърлят ред по ред в сериен изходен регистър.
Работа на устройство, свързано със зареждане
Има три етапа, включени в работата на CCD и тъй като най-популярното приложение в последно време е Imaging, най-добре е да обясните тези етапи във връзка с изображенията. Трите етапа включват;
- Индукция / събиране на такси
- Часовник за зареждане
- Измерване на такса
Индукция на такса / събиране / съхранение:
Както бе споменато по-горе, CCD-овете се състоят от елементи за съхранение на заряда, а видът на запаметяващия елемент и методът за индукция / отлагане на заряд зависи от приложението. При изображенията CCD се състои от голям брой светлочувствителни материали, разделени на малки области (пиксели) и се използват за изграждане на изображение на интересуващата сцена. Когато светлината, хвърлена на сцената, се отразява на CCD, фотон светлина, който попада в зоната, определена от един от пикселите, ще се преобразува в един (или повече) електрони, чийто брой е пряко пропорционален на интензитета на сцена на всеки пиксел, така че когато CCD се тактира, броят на електроните във всеки пиксел се измерва и сцената може да бъде реконструирана.
Фигурата по-долу показва много опростено напречно сечение през CCD.
От изображението по-горе се вижда, че пикселите се определят от позицията на електродите над CCD. Така, че ако към електрода се приложи положително напрежение, положителният потенциал ще привлече всички отрицателно заредени електрони близо до зоната под електрода. В допълнение, всички положително заредени дупки ще бъдат отблъснати от зоната около електрода и това ще доведе до развитието на "потенциален кладенец", където ще се съхраняват всички електрони, произведени от входящи фотони.
С падането на повече светлина върху CCD, „потенциалната ямка“ става по-силна и привлича повече електрони, докато се постигне „пълният капацитет на ямката“ (броят на електроните, които могат да се съхраняват под пиксел). За да се гарантира, че се заснема правилно изображение, например затвор се използва в камерите, за да се контролира осветлението по време, така че потенциалният кладенец да се запълни, но капацитетът му да не се надвишава, тъй като това може да има обратен ефект.
Часовник за зареждане:
MOS топологията, използвана при производството на CCD, ограничава количеството на кондициониране и обработка на сигнала, което може да се направи на чипа. По този начин, таксите обикновено трябва да се пренасочат към външна верига за кондициониране, където се извършва обработка.
Всеки пиксел в ред на CCD обикновено е снабден с 3 електрода, както е илюстрирано на изображението, дадено по-долу:
Един от електродите се използва за създаване на потенциален кладенец за съхранение на заряд, докато другите два се използват за синхронизиране на зарядите.
Да кажем, че под един от електродите се събира заряд, както е показано на изображението по-долу:
За да се изведе заряда от CCD, се предизвиква нов потенциален кладенец чрез задържане на IØ3 високо, което принуждава заряда да бъде споделен между IØ2 и IØ3, както е показано на изображението по-долу.
След това IØ2 се намалява и това води до пълно прехвърляне на заряда към електрода IØ3.
Процесът на тактиране продължава, като IØ1 се вдига високо, което гарантира, че зарядът се разпределя между IØ1 и IØ3 и накрая се намалява IØ3, така че зарядът се измества напълно под електродите IØ1.
В зависимост от разположението / ориентацията на електродите в CCD, този процес ще продължи и зарядът ще се движи или надолу по колоната, или през реда, докато достигне последния ред, обикновено наричан регистър за отчитане.
Измерване на такса:
В края на отчитащия регистър се използва свързана усилвателна верига за измерване на стойността на всеки заряд и я преобразува в напрежение с типичен коефициент на преобразуване около 5-10µV на електрон. В приложенията за изображения CCD-базираната камера ще се предлага с CCD чипа заедно с някои други свързани електроники, но най-важното е усилвателят, който чрез преобразуване на заряда в напрежение помага за дигитализиране на пикселите във форма, която може да бъде обработена от софтуера, за получаване на заснетото изображение.
Свойства на CCD
Някои от свойствата, използвани за описване на производителността / качеството / степента на CCD матриците са:
1. Квантова ефективност:
Квантовата ефективност се отнася до ефективността, с която CCD придобива / съхранява заряд.
При изображенията не всички фотони, попадащи в пикселните равнини, се откриват и преобразуват в електрически заряд. Процентът на снимките, които са успешно открити и конвертирани, е известен като Квантова ефективност. Най-добрите CCD могат да постигнат QE от около 80%. За контекст квантовата ефективност на човешкото око е около 20%.
2. Обхват на дължината на вълната:
CCD обикновено имат широк диапазон на дължина на вълната, от около 400 nm (синьо) до около 1050 nm (инфрачервено) с пикова чувствителност при около 700 nm. Процеси като изтъняване на гърба обаче могат да се използват за удължаване на обхвата на дължината на вълната на CCD.
3. Динамичен обхват:
Динамичният обхват на CCD се отнася до минималния и максималния брой електрони, които могат да се съхраняват в потенциалната ямка. В типичните CCD макс. Максималният брой електрони обикновено е около 150 000, докато минималният всъщност може да бъде по-малък от един електрон в повечето настройки. Понятието за динамичен обхват може да бъде по-добре обяснено с изображения. Както споменахме по-рано, когато светлината падне върху CCD, фотоните се преобразуват в електрони и се засмукват в потенциалната ямка, която в един момент се насища. Количеството електрони, получено в резултат на преобразуването на фотоните, обикновено зависи от интензивността на източниците, тъй като динамичният обхват също се използва за описване на диапазона между най-яркия и най-слабия възможен източник, който може да бъде изобразен чрез CCD.
4. Линейност:
Важно съображение при избора на CCD обикновено е способността му да реагира линейно в широк диапазон на въвеждане. Например при изображения, ако CCD открие 100 фотона и ги преобразува в 100 електрона (например, ако QE е 100%), за линейност се очаква да генерира 10000 електрона, ако открие 10000 фотона. Стойността на линейността в CCDs е в намалената сложност на обработващите техники, използвани при претегляне и усилване на сигналите. Ако CCD е линейна, се изисква по-малко количество кондициониране на сигнала.
5. Мощност:
В зависимост от приложението, захранването е важно съображение за всяко устройство и използването на компонент с ниска мощност обикновено е интелигентно решение. Това е едно от нещата, които CCDs внасят в приложенията. Докато схемите около тях могат да консумират значително количество енергия, самите CCD са с ниска мощност, с типични стойности на потребление около 50 mW.
6. Шум:
CCD като всички аналогови устройства са податливи на шум, като такива, едно от основните свойства за оценка на тяхната производителност и капацитет е как се справят с шума. Крайният шумов елемент, който се изпитва в CCD, е четенето на шума. Той е продукт на електроните в процеса на преобразуване на напрежението и е фактор, допринасящ за оценката на динамичния обхват на CCD.
Приложения на CCD
Свързани с такса устройства намират приложения в различни области, включително;
1. Науки за живота:
CCD базирани детектори и камери се използват в различни образни приложения и системи в науките за живота и медицинската област. Приложенията в тази област са твърде много, за да се споменава всяко едно, но някои конкретни примери включват способността да се правят изображения на клетки с приложени контрастни подобрения, способността да се събират образци на изображения, легирани с флуорофори (които карат пробата да флуоресцира) и използване в усъвършенствани системи за рентгенова томография за изобразяване на костни структури и проби от меки тъкани.
2. Оптична микроскопия:
Въпреки че приложенията по науките за живота включват използване в микроскопи, важно е да се отбележи, че приложенията за микроскопия не са ограничени до областта на науката за живота. Оптични микроскопи от различни видове се използват в други когентни полета като; нанотехнологично инженерство, наука за храните и химия.
В повечето приложения за микроскопия CCD се използват поради ниското съотношение на шум, висока чувствителност, висока пространствена разделителна способност и бърза образна проба, което е важно за анализ на реакциите, възникващи на микроскопични нива.
3. Астрономия:
С микроскопията CCD се използват за изобразяване на малки елементи, но в Астрономията се използва за фокусиране на изображенията на големи и далечни обекти. Астрономията е едно от най-ранните приложения на CCD и обекти, вариращи от звезди, планети, метеори и др., Всички са изобразени с CCD базирани системи.
4. Търговски камери:
Евтините CCD сензори за изображение се използват в търговски камери. CCD-тата обикновено са с по-ниско качество и производителност в сравнение с тези, използвани в астрономията и науките за живота поради ниските изисквания за търговските камери.