60. un 70. gadi bija piepildīti ar izciliem atklājumiem, izgudrojumiem un tehnoloģiju, īpaši atmiņas tehnoloģiju, sasniegumiem. Vienu no galvenajiem atklājumiem tajā laikā veica Vilards Boils un Džordžs Smits, kad viņi pētīja metāla – oksīda – pusvadītāju (MOS) tehnoloģijas pielietošanu pusvadītāju „burbuļu” atmiņas attīstībai.
Komanda atklāja, ka elektrisko lādiņu var uzglabāt mazā MOS kondensatorā, kuru var savienot tā, lai lādiņu varētu pakāpties no viena kondensatora uz otru. Šis atklājums noveda pie lādēšanai piesaistītu ierīču (CCD) izgudrošanas , kuras sākotnēji tika izstrādātas, lai kalpotu atmiņas lietojumprogrammām, bet tagad ir kļuvušas par svarīgām uzlaboto attēlu sistēmu sastāvdaļām.
CCD (Charge Coupled Devices) ir ļoti jutīgs fotonu detektors, ko izmanto, pārvietojot lādiņus no ierīces iekšienes uz zonu, kur to var interpretēt vai apstrādāt kā informāciju (piemēram, pārveidošana par digitālu vērtību).
Šodienas rakstā mēs pārbaudīsim, kā darbojas CCD, lietojumprogrammas, kurās tie tiek izvietoti, un to salīdzinošās priekšrocības salīdzinājumā ar citām tehnoloģijām.
Kas ir uzlādēta ierīce?
Vienkārši sakot, lādējamas ierīces var definēt kā integrētas shēmas, kas satur virkni saistītu vai savienotu lādiņu uzglabāšanas elementu (kapacitatīvās tvertnes), kas konstruēti tā, ka ārējās ķēdes kontrolē katrā kondensatorā tiek uzglabāta elektriskā lādiņa var pārvietot uz kaimiņu kondensatoru. Metāla oksīda-pusvadītāju kondensatorus (MOS kondensatorus) parasti izmanto CCD, un, pieliekot ārēju spriegumu MOS struktūras augšējām plāksnēm, rezultātā iegūtos lādiņus (elektronus (e-) vai caurumus (h +)) var uzglabāt. potenciālu. Pēc tam šos lādiņus var pārvietot no viena kondensatora uz citu, izmantojot digitālos impulsus, kas tiek pielietoti augšējām plāksnēm (vārtiem), un tos var pārsūtīt pa rindām uz sērijveida izejas reģistru.
Uzlādei pievienotas ierīces darbība
CCD darbībā ir iesaistīti trīs posmi, un, tā kā pēdējā laikā vispopulārākā lietojumprogramma ir attēlveidošana, vislabāk ir izskaidrot šos posmus saistībā ar attēlveidošanu. Trīs posmi ietver;
- Uzlādes indukcija / kolekcija
- Maksa Pulkstenis
- Lādiņa mērīšana
Uzlādes indukcija / savākšana / uzglabāšana:
Kā minēts iepriekš, CCD veido lādiņu uzglabāšanas elementi, un uzglabāšanas elementa tips un lādiņa indukcijas / nogulsnēšanās metode ir atkarīga no pielietojuma. Attēlveidošanā CCD veido lielu skaitu gaismas jutīgu materiālu, kas sadalīti mazos laukumos (pikseļos), un tos izmanto, lai izveidotu interesējošās ainas attēlu. Kad notikuma vietā izmestā gaisma tiek atspoguļota CCD, gaismas fotons, kas ietilpst vienā no pikseļiem noteiktajā apgabalā, tiks pārveidots par vienu (vai vairākiem) elektroniem, kuru skaits ir tieši proporcionāls gaismas intensitātei. aina pie katra pikseļa tā, ka, kad CCD tiek noregulēts, tiek izmērīts elektronu skaits katrā pikseļā un ainu var rekonstruēt.
Zemāk redzamais attēls parāda ļoti vienkāršotu šķērsgriezumu caur CCD.
No attēla iepriekš redzams, ka pikseļus nosaka elektrodu novietojums virs CCD. Tāds, ka, ja elektrodam tiek piemērots pozitīvs spriegums, pozitīvais potenciāls pievilina visus negatīvi lādētos elektronus tuvu laukumam zem elektroda. Turklāt visi pozitīvi lādētie caurumi tiks atgrūsti no laukuma ap elektrodu, un tas novedīs pie "potenciālās akas" attīstības, kurā tiks uzglabāti visi ienākošo fotonu radītie elektroni.
Kad vairāk gaismas krīt uz CCD, “potenciālais urbums” kļūst stiprāks un piesaista vairāk elektronu, līdz tiek sasniegta “pilnā akas kapacitāte” (elektronu skaits, ko var uzglabāt zem pikseļa). Lai nodrošinātu pareiza attēla uzņemšanu, kamerās tiek izmantots aizvars, piemēram, lai savlaicīgi kontrolētu apgaismojumu tā, lai potenciālais urbums būtu piepildīts, bet netiktu pārsniegta tā jauda, jo tas varētu būt neproduktīvs.
Uzlādes izsaukšana:
CCD izgatavošanā izmantotā MOS topoloģija ierobežo signāla kondicionēšanas un apstrādes apjomu, ko var veikt mikroshēmā. Tādējādi lādiņus parasti nepieciešams kontrolēt ārējā kondicionēšanas ķēdē, kur tiek veikta apstrāde.
Katrs CCD rindas pikselis parasti ir aprīkots ar 3 elektrodiem, kā parādīts zemāk redzamajā attēlā:
Vienu no elektrodiem izmanto, lai izveidotu potenciālu urbumu lādiņu uzglabāšanai, bet pārējie divi tiek izmantoti lādēšanas pārtraukšanai.
Pieņemsim, ka maksa ir iekasēta zem viena no elektrodiem, kā parādīts zemāk esošajā attēlā:
Lai uzlādētu lādiņu no CCD, tiek turēts jauns potenciāls urbums, turot IØ3 augstu, kas liek lādiņu dalīt starp IØ2 un IØ3, kā parādīts zemāk esošajā attēlā.
Pēc tam IØ2 tiek uzskatīts par zemu, un tas noved pie pilnīgas lādiņa pārneses uz elektrodu IØ3.
Pulkstenis tiek turpināts, uzņemot IØ1 augstu, kas nodrošina lādiņa sadali starp IØ1 un IØ3, un visbeidzot, ņemot IØ3 zemu, tāpēc lādiņš pilnībā tiek novirzīts zem IØ1 elektrodiem.
Atkarībā no elektrodu izvietojuma / orientācijas CCD, šis process turpināsies un lādiņš virzīsies vai nu kolonnā, vai pāri rindai, līdz tas sasniedz pēdējo rindu, ko parasti dēvē par nolasīšanas reģistru.
Uzlādes mērīšana:
Izlases reģistra beigās savienojuma pastiprinātāja ķēde tiek izmantota, lai izmērītu katras lādiņa vērtību un pārveidotu to spriegumā ar tipisku konversijas koeficientu aptuveni 5-10µV uz elektronu. Attēlveidošanas lietojumprogrammās uz CCD balstītai kamerai būs CCD mikroshēma kopā ar kādu citu saistītu elektroniku, bet vissvarīgāk - pastiprinātājs, kas, pārveidojot lādiņu spriegumā, palīdz pikseļus digitalizēt formā, kuru programmatūra var apstrādāt lai iegūtu uzņemto attēlu.
CCD īpašības
Daži raksturlielumi, ko izmanto, aprakstot CCD veiktspēju / kvalitāti / pakāpi, ir:
1. Kvantu efektivitāte:
Kvantu efektivitāte attiecas uz efektivitāti, ar kādu CCD iegūst / saglabā lādiņu.
Attēlveidošanā ne visi fotoni, kas nokrīt uz pikseļu plaknēm, tiek atklāti un pārveidoti par elektrisko lādiņu. Veiksmīgi konstatēto un pārveidoto fotoattēlu procentuālais daudzums ir pazīstams kā kvantu efektivitāte. Labākie CCD var sasniegt QE aptuveni 80%. Kontekstā cilvēka acs kvantu efektivitāte ir aptuveni 20%.
2. Viļņa garuma diapazons:
CCD parasti ir plašs viļņu garuma diapazons, sākot no aptuveni 400 nm (zils) līdz aptuveni 1050 nm (infrasarkanais) ar maksimālo jutību pie aptuveni 700 nm. Tomēr tādus procesus kā muguras retināšana var izmantot, lai paplašinātu CCD viļņu garuma diapazonu.
3. Dinamiskais diapazons:
CCD dinamiskais diapazons attiecas uz minimālo un maksimālo elektronu skaitu, ko var uzglabāt potenciālā urbumā. Tipiskos CCD, maksimālais elektronu skaits parasti ir aptuveni 150 000, bet minimālais lielākajā daļā iestatījumu faktiski var būt mazāks par vienu elektronu. Dinamiskā diapazona jēdzienu var labāk izskaidrot attēlveidošanas izteiksmē. Tāpat kā mēs minējām iepriekš, kad gaisma nokrīt uz CCD, fotoni tiek pārveidoti par elektroniem un iesūcas potenciālajā urbumā, kas kādā brīdī kļūst piesātināts. Elektronu daudzums, kas rodas fotonu konversijas rezultātā, parasti ir atkarīgs no avotu intensitātes, jo tāds tiek izmantots arī dinamiskais diapazons, lai aprakstītu diapazonu starp spilgtāko un vājāko iespējamo avotu, ko var attēlot ar CCD.
4. Linearitāte:
Svarīgs apsvērums CCD atlasē parasti ir tā spēja lineāri reaģēt plašā ievades diapazonā. Piemēram, attēlveidošanā, ja CCD nosaka 100 fotonus un pārveido tos pašus par 100 elektroniem (piemēram, pieņemot, ka QE ir 100%), tad linearitātes labad ir sagaidāms, ka tas ģenerēs 10000 elektronus, ja tas atklās 10000 fotonus. CCD linearitātes vērtība ir samazināta apstrādes paņēmienu sarežģītība, ko izmanto signālu svēršanai un pastiprināšanai. Ja CCD ir lineārs, ir nepieciešams mazāks signāla kondicionēšanas apjoms.
5. Jauda:
Atkarībā no lietojumprogrammas jauda ir svarīgs apsvērums jebkurai ierīcei, un mazjaudas komponenta izmantošana parasti ir gudrs lēmums. Šī ir viena no lietām, ko CCD nodrošina. Kaut arī shēmas ap tiem var patērēt ievērojamu enerģijas daudzumu, CCD paši ir ar mazu jaudu, tipiskās patēriņa vērtības ir aptuveni 50 mW.
6. Troksnis:
CCD, tāpat kā visas analogās ierīces, ir jutīgi pret troksni, tāpēc viena no galvenajām īpašībām to veiktspējas un jaudas novērtēšanai ir tas, kā viņi rīkojas ar troksni. Galvenais CCD trokšņa elements ir nolasīšanas troksnis. Tas ir sprieguma pārveidošanas procesa elektronu produkts un ir faktors, kas nosaka CCD dinamiskā diapazona novērtējumu.
CCD lietojumi
Ar uzlādi saistītas ierīces atrod lietojumprogrammas dažādās jomās, tostarp;
1. Dzīvības zinātnes:
Uz CCD balstīti detektori un kameras tiek izmantoti dažādās attēlveidošanas lietojumprogrammās un sistēmās dzīvības zinātnēs un medicīnas jomā. Lietojumi šajā jomā ir pārāk plaši, lai pieminētu katru no tiem, taču daži īpaši piemēri ietver spēju fotografēt šūnas ar kontrastējošiem uzlabojumiem, spēju savākt attēlu paraugus, kas ir pievienoti fluoroforiem (kas izraisa parauga fluorescēšanos)) un izmantot uzlabotas rentgena tomogrāfijas sistēmās, lai attēlotu kaulu struktūras un mīksto audu paraugus.
2. Optiskā mikroskopija:
Lai gan dzīvības zinātņu lietojumi ietver izmantošanu mikroskopos, ir svarīgi atzīmēt, ka mikroskopijas lietojumi neaprobežojas tikai ar dzīvības zinātnes jomu. Dažādu veidu optiskos mikroskopus izmanto citos pārliecinošos laukos, piemēram; nanotehnoloģiju inženierija, pārtikas zinātne un ķīmija.
Lielākajā daļā mikroskopijas lietojumu CCD tiek izmantoti zema trokšņa līmeņa, augstas jutības, augstas telpiskās izšķirtspējas un ātras paraugu attēlveidošanas dēļ, kas ir svarīgi mikroskopisko līmeņu reakciju analīzei.
3. Astronomija:
Izmantojot mikroskopiju, CCD tiek izmantoti, lai attēlotu sīkus elementus, bet Astronomijā to izmanto, fokusējot lielu un tālu esošo objektu attēlus. Astronomija ir viena no agrākajām CCD lietojumprogrammām, un objekti, sākot no zvaigznēm, planētām, meteoriem utt., Visi ir attēloti ar CCD balstītām sistēmām.
4. Tirdzniecības kameras:
Komerciālajās kamerās tiek izmantoti lēti CCD attēlu sensori. CCD ir parasti zemākas kvalitātes un veiktspējas salīdzinājumā ar tiem, kurus izmanto astronomijā un dzīvības zinātnēs, pateicoties zemo izmaksu prasībām komerciālajām kamerām.