Шездесете и седамдесете биле су године испуњене бриљантним открићима, проналасцима и напретком у технологији, посебно технологијама меморије. Једно од кључних открића у то време направили су Виллард Боиле и Георге Смитх, док су истраживали примену технологије метал-оксид-полупроводник (МОС) за развој полупроводничке меморије „мехурића“.
Тим је открио да би се електрични набој могао чувати на малом МОС кондензатору, који би могао бити повезан на такав начин да се наелектрисање може прелазити са једног на други кондензатор. Ово откриће је довело до проналаска уређаја повезаних наелектрисањем (ЦЦД), који су првобитно дизајнирани да служе меморијским апликацијама, али су сада постали важне компоненте напредних система за обраду слике.
ЦЦД (Цхарге Цоуплед Девицес) је високо осетљиви детектор фотона који се користи за премештање наелектрисања из уређаја у подручје где се може тумачити или обрађивати као информација (нпр. Претварање у дигиталну вредност).
У данашњем чланку испитаћемо како ЦЦД-ови раде, апликације у којима су распоређени и њихове упоредне предности у односу на друге технологије.
Шта је уређај повезан на пуњење?
Једноставно речено, уређаји контролисани наелектрисањем могу се дефинисати као интегрисани кругови који садрже низ повезаних или повезаних елемената за складиштење наелектрисања (капацитивне канте), дизајнирани на такав начин да под контролом спољног кола електрични набој ускладиштен у сваком кондензатору може се преместити у суседни кондензатор. Метал-оксид-полупроводнички кондензатори (МОС кондензатори) се обично користе у ЦЦД-има, а применом спољног напона на горње плоче МОС-структуре, наелектрисања (електрони (е-) или рупе (х +)) могу се сачувати у резултујућем потенцијал. Тада се ови набоји могу пребацивати са једног кондензатора на други помоћу дигиталних импулса примењених на горње плоче (капије) и могу се преносити ред по ред у серијски излазни регистар.
Рад уређаја повезаних наелектрисањем
Три су фазе укључене у рад ЦЦД-а, а с обзиром на то да је најпопуларнија апликација у последње време Имагинг, најбоље је објаснити ове фазе у вези са сликањем. Три фазе укључују;
- Индукција / наплата пуњења
- Искључивање наплате
- Мерење пуњења
Индукција / прикупљање / складиштење наплате:
Као што је горе поменуто, ЦЦД се састоје од елемената за складиштење наелектрисања, а врста елемента за складиштење и начин индукције / таложења наелектрисања зависе од примене. У Имагинг-у ЦЦД се састоји од великог броја материјала осетљивих на светлост подељених у мала подручја (пикселе) и користе се за изградњу слике сцене која вас занима. Када се светлост бачена на сцену рефлектује на ЦЦД-у, фотон светлости који падне унутар подручја дефинисаног једним од пиксела претвориће се у један (или више) електрона, чији је број директно пропорционалан интензитету сцене на сваком пикселу, тако да када се ЦЦД измери, измери се број електрона у сваком пикселу и сцена се може реконструисати.
Доња слика приказује врло поједностављени пресек кроз ЦЦД.
Са горње слике се види да су пиксели дефинисани положајем електрода изнад ЦЦД-а. Такав да ако се на електроду примени позитиван напон, позитивни потенцијал ће привући све негативно наелектрисане електроне близу подручја испод електроде. Поред тога, све позитивно наелектрисане рупе биће одбачене из подручја око електроде и то ће довести до развоја „потенцијалног бунара“ у којем ће бити ускладиштени сви електрони произведени долазним фотонима.
Како више светлости пада на ЦЦД, „потенцијална јажица“ постаје све јача и привлачи више електрона све док се не постигне „пуни капацитет бунара“ (број електрона који се могу похранити испод пиксела). Да би се осигурала правилно снимање слике, на пример, затварач се користи у камерама за контролу осветљења на временски начин тако да се потенцијални бунар напуни, али његов капацитет није премашен, јер би то могло бити контрапродуктивно.
Искључење наплате:
МОС топологија која се користи у производњи ЦЦД-а ограничава количину кондиционирања и обраде сигнала која се може извршити на чипу. Стога, набоје обично треба одвести у спољни круг за кондиционирање где се обрада врши.
Сваки пиксел у низу ЦЦД-а обично је опремљен са 3 електроде као што је приказано на доњој слици:
Једна од електрода користи се у стварању потенцијалног бунара за складиштење наелектрисања, док се друге две користе за мерење времена наелектрисања.
Рецимо да се набој сакупља под једном од електрода као што је приказано на доњој слици:
Да би се набој избацио из ЦЦД-а, индукује се нова потенцијална бушотина држањем ИØ3 високо, што приморава наелектрисање да се дели између ИØ2 и ИØ3, као што је приказано на доњој слици.
Даље, ИØ2 се смањује, а то доводи до пуног преноса наелектрисања на електроду ИØ3.
Процес избацивања се наставља узимањем ИØ1 високо, што осигурава да се наелектрисање дели између ИØ1 и ИØ3, и на крају узимањем ИØ3 ниског, тако да се пуњење у потпуности помера испод ИØ1 електрода.
У зависности од распореда / оријентације електрода у ЦЦД-у, овај процес ће се наставити и пуњење ће се кретати или низ колону или преко реда док не достигне завршни ред, који се обично назива регистром очитавања.
Мерење пуњења:
На крају регистра очитавања, повезано појачало се користи за мерење вредности сваког наелектрисања и претвара га у напон са типичним фактором конверзије од око 5-10µВ по електрону. У апликацијама за обраду слика, камера заснована на ЦЦД-у долази са ЦЦД чипом заједно са неком другом повезаном електроником, али што је најважније појачалом, које претварањем наелектрисања у напон помаже дигитализацији пиксела у облик који софтвер може обрадити, да би се добила слика.
Особине ЦЦД-а
Нека од својстава која се користе за описивање перформанси / квалитета / степена ЦЦД-а су:
1. Квантна ефикасност:
Квантна ефикасност се односи на ефикасност којом ЦЦД стјече / чува набој.
У Имагинг-у нису откривени сви фотони који падају на равни пиксела и претворени у електрични набој. Проценат фотографија које су успешно откривене и конвертоване познат је под називом Квантна ефикасност. Најбољи ЦЦД могу постићи КЕ од око 80%. За контекст, квантна ефикасност људског ока је око 20%.
2. Распон таласне дужине:
ЦЦД типично имају широк опсег таласних дужина, од око 400 нм (плави) до око 1050 нм (инфрацрвени) са вршном осетљивошћу од око 700 нм. Међутим, процеси попут стањивања леђа могу се користити за проширење опсега таласних дужина ЦЦД-а.
3. Динамички опсег:
Динамички опсег ЦЦД-а односи се на минималан и максималан број електрона који се могу похранити у потенцијалну јажицу. У типичним ЦЦД-има, максималан број електрона је обично око 150.000, док минимални у већини поставки може бити мањи од једног електрона. Концепт динамичког опсега може се боље објаснити сликовним терминима. Као што смо раније поменули, када светлост падне на ЦЦД, фотони се претварају у електроне и усисавају у потенцијалну јажицу која у неком тренутку постаје засићена. Количина електрона која настаје претварањем фотона обично зависи од интензитета извора, као такав, динамички опсег се такође користи за описивање опсега између најсветлијег и најслабијег могућег извора који се може сликати помоћу ЦЦД-а.
4. Линеарност:
Важно разматрање при одабиру ЦЦД-а је обично његова способност линеарног реаговања у широком опсегу улаза. На пример, у сликању, ако ЦЦД детектује 100 фотона и претвори их у 100 електрона (на пример, под претпоставком да је КЕ 100%), онда се ради линеарности очекује да генерише 10000 електрона ако детектује 10000 фотона. Вредност линеарности у ЦЦД-овима је у смањеној сложености техника обраде које се користе за вагање и појачавање сигнала. Ако је ЦЦД линеарни, потребна је мања количина кондиционирања сигнала.
5. Снага:
У зависности од примене, напајање је важно за сваки уређај, а коришћење компоненте мале снаге обично је паметна одлука. Ово је једна од ствари коју ЦЦД-ови доносе у апликације. Иако кола око њих могу трошити значајну количину енергије, сами ЦЦД сензори су мале снаге, са типичним вредностима потрошње око 50 мВ.
6. Бука:
ЦЦД-ови су попут свих аналогних уређаја подложни буци, као такви, једно од главних својстава за процену њихових перформанси и капацитета је начин на који се они носе са буком. Врхунски елемент буке који се доживљава у ЦЦД-у је шум очитавања. Производ је електрона у процесу конверзије напона и доприноси процени динамичког опсега ЦЦД-а.
Примене ЦЦД-а
Уређаји повезани са пуњењем налазе апликације у различитим областима, укључујући;
1. Науке о животу:
ЦЦД детектори и камере користе се у различитим апликацијама и системима за обраду слика у наукама о животу и медицини. Примене у овој области су сувише велике да би се могле поменути све појединачне примере, али неки специфични примери укључују могућност снимања ћелија са контрастним побољшањима, способност сакупљања узорака слика допираних флуорофорима (због чега узорак флуоресцира) и употреба у напредним системима рендгенске томографије за снимање коштаних структура и узорака меких ткива.
2. Оптичка микроскопија:
Иако примене у наукама о животу укључују употребу у микроскопима, важно је напоменути да примене микроскопије нису ограничене на област науке о животу. Оптички микроскопи различитих врста користе се у другим когентним пољима попут; нанотехнолошки инжењеринг, наука о храни и хемија.
У већини примена микроскопије користе се ЦЦД-ови због малог односа шума, високе осетљивости, велике просторне резолуције и брзог снимања узорака што је важно за анализу реакција које се јављају на микроскопским нивоима.
3. Астрономија:
Помоћу микроскопије ЦЦД се користе за сликање ситних елемената, али у астрономији се користи за фокусирање слика великих и удаљених објеката. Астрономија је једна од најранијих примена ЦЦД-а и објекти у распону од звезда, планета, метеора итд. Сви су осликани системима заснованим на ЦЦД-у.
4. Комерцијалне камере:
Повољни ЦЦД сензори за слику користе се у комерцијалним камерама. ЦЦД-ови су обично лошијег квалитета и перформанси у поређењу са онима који се користе у астрономији и наукама о животу због јефтиних захтева за комерцијалне камере.