Kaip mokestis

60–70 metai buvo kupini puikių atradimų, išradimų ir pažangos technologijose, ypač atminties technologijose. Vieną pagrindinių to meto atradimų padarė Willardas Boyle'as ir George'as Smithas, tyrinėdami metalo oksido – puslaidininkio (MOS) technologijos taikymą kuriant puslaidininkių „burbulo“ atmintį.

Komanda atrado, kad elektriniame krūvyje galima laikyti mažą „MOS“ kondensatorių, kurį būtų galima sujungti taip, kad įkrovą būtų galima perkelti iš vieno kondensatoriaus į kitą. Šis atradimas paskatino išradimą įkrovos sujungtus įtaisus (CCD), kurie iš pradžių buvo sukurti atminties programoms aptarnauti, tačiau dabar tapo svarbiais pažangių vaizdo sistemų komponentais.

CCD („Charge Coupled Devices“) yra labai jautrus fotonų detektorius, naudojamas perkraunant krovinius iš įrenginio į sritį, kurioje jį galima interpretuoti ar apdoroti kaip informaciją (pvz., Paversti skaitmenine verte).

Šiandienos straipsnyje nagrinėsime, kaip veikia CCD, programas, kuriose jie yra išdėstyti, ir jų lyginamuosius pranašumus, palyginti su kitomis technologijomis.

Kas yra prijungtas prie įkrovimo įrenginys?

Paprasčiau tariant, įkrovos valdomus įtaisus galima apibrėžti kaip integruotąsias grandines, kuriose yra susietų arba sujungtų įkrovos kaupimo elementų (talpinių dėžių) masyvas, suprojektuotas taip, kad valdant išorinę grandinę, kiekviename kondensatoriuje būtų saugomas elektros krūvis. galima perkelti į kaimyninį kondensatorių. Metalo oksido puslaidininkiniai kondensatoriai (MOS kondensatoriai) paprastai naudojami CCD, o pritaikius išorinę įtampą MOS struktūros viršutinėms plokštėms, gautuose rezultatuose gali būti laikomi krūviai (elektronai (e-) arba skylės (h +)). potencialus. Tada skaitmeninius impulsus, taikomus viršutinėms plokštėms (vartams), šie krūviai gali būti perkelti iš vieno kondensatoriaus į kitą ir gali būti perduodami eilėmis po eilę į nuoseklų išvesties registrą.

Su įkrovimu sujungto įrenginio darbas

Yra trys CCD veikimo etapai, ir kadangi pastaruoju metu populiariausia taikomoji programa yra Vaizdo kūrimas, geriausia paaiškinti šiuos etapus atsižvelgiant į vaizdą. Trys etapai apima:

1. Įkrovimo įvedimas / rinkimas
2. Įkrovimas Laikrodis
3. Krovinio matavimas

Įkrovimo indukcija / rinkimas / saugojimas:

Kaip minėta aukščiau, CCD sudaro krūvį kaupiantys elementai, o kaupimo elemento tipas ir krūvio indukcijos / nusodinimo būdas priklauso nuo taikymo. Vaizdo srityje CCD sudaro daug šviesai jautrių medžiagų, padalytų į mažus plotus (pikselius), ir naudojamos susidomėjusios scenos vaizdui sukurti. Kai scenoje įmesta šviesa atsispindi CCD, šviesos fotonas, patenkantis į vieno iš taškų apibrėžtą sritį, bus paverstas vienu (ar keliais) elektronais, kurių skaičius yra tiesiogiai proporcingas apšvietimo intensyvumui. scena prie kiekvieno pikselio taip, kad, kai CCD laikrodis bus išmatuotas, išmatuojamas elektronų skaičius kiekviename pikselyje ir scena gali būti atkurta.

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodytas labai supaprastintas skerspjūvis per CCD.

Iš aukščiau esančio vaizdo matyti, kad taškus apibrėžia elektrodų padėtis virš CCD. Tokia, kad jei teigiama įtampa yra elektrodui, teigiamas potencialas pritraukia visus neigiamai įkrautus elektronus, esančius arti ploto po elektrodu. Be to, visos teigiamai įkrautos skylės bus atstumtos iš zonos aplink elektrodą ir tai sukels „potencialo šulinį“, kuriame bus saugomi visi gaunamų fotonų pagaminti elektronai.

Kai į CCD patenka daugiau šviesos, „potencialo šulinys“ tampa stipresnis ir pritraukia daugiau elektronų, kol bus pasiektas „visas šulinio pajėgumas“ (elektronų, kuriuos galima laikyti po pikseliu, skaičius). Siekiant užtikrinti, kad būtų užfiksuotas tinkamas vaizdas, fotoaparatuose naudojamas užraktas, skirtas laiku valdyti apšvietimą taip, kad potencialus šulinys būtų užpildytas, bet neviršijamas jo pajėgumas, nes tai gali būti neproduktyvu.

Įkrauti laikrodį:

CCD gamyboje naudojama MOS topologija riboja signalo kondicionavimo ir apdorojimo, kurį galima atlikti mikroschemoje, kiekį. Taigi, mokesčius paprastai reikia nustatyti prie išorinės kondicionavimo grandinės, kur atliekamas apdorojimas.

Kiekviename CCD eilutės pikselyje paprastai yra 3 elektrodai, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje:

Vienas iš elektrodų yra naudojamas kuriant potencialų šulinį įkrovos saugojimui, o kiti du naudojami laikui bėgant.

Tarkime, kad mokestis surenkamas po vienu iš elektrodų, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje:

Norint nustatyti įkrovimą iš CCD, aukštas IØ3 palaikymas sukelia naują potencialo šulinį, kuris priverčia krūvį dalytis tarp IØ2 ir IØ3, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje.

Toliau IØ2 yra žemas, ir tai lemia pilną krūvio perkėlimą į elektrodą IØ3.

Laikrodžio nustatymo procesas tęsiasi imant aukštą IØ1, kuris užtikrina, kad krūvis pasidalija tarp IØ1 ir IØ3, ir galiausiai imant mažą IØ3, todėl krūvis visiškai perkeliamas po IØ1 elektrodais.

Priklausomai nuo elektrodų išdėstymo / orientacijos CCD, šis procesas tęsis ir krūvis judės žemyn stulpeliu arba per visą eilę, kol pasieks paskutinę eilę, paprastai vadinamą rodmenų registru.

Įkrovos matavimas:

Skaitymo registro pabaigoje prijungta stiprintuvo grandinė naudojama kiekvieno įkrovos vertei matuoti ir paverčiama įtampa, kurios tipinis konversijos koeficientas yra maždaug 5-10µV vienam elektronui. Vaizdo programose CCD kamera turi CCD lustą kartu su kita susijusia elektronika, bet svarbiausia - stiprintuvu, kuris konvertuodamas įkrovą į įtampą padeda pikselius skaitmeninti į tokią formą, kurią gali apdoroti programinė įranga, gauti užfiksuotą vaizdą.

CCD savybės

Kai kurios savybės, naudojamos apibūdinant CCD našumą / kokybę / laipsnį, yra šios:

1. Kvantinis efektyvumas:

Kvantinis efektyvumas reiškia efektyvumą, kuriuo CCD įgauna / kaupia krūvį.

Vaizdo režime ne visi fotonai, krentantys į pikselių plokštumas, yra aptinkami ir paverčiami elektriniu krūviu. Sėkmingai aptiktų ir konvertuotų nuotraukų procentinė dalis vadinama „Kvantiniu efektyvumu“. Geriausi CCD gali pasiekti maždaug 80% QE. Kalbant apie kontekstą, žmogaus akies kvantinis efektyvumas yra apie 20%.

2. Bangos ilgio diapazonas:

CCD paprastai turi platų bangos ilgių diapazoną, nuo maždaug 400 nm (mėlynos spalvos) iki maždaug 1050 nm (infraraudonųjų spindulių), o didžiausias jautrumas yra maždaug 700 nm. Tačiau tokie procesai, kaip nugaros retinimas, gali būti naudojami išplėsti CCD bangos ilgio diapazoną.

3. Dinaminis diapazonas:

Dinaminis CCD diapazonas reiškia mažiausią ir didžiausią elektronų, kuriuos galima laikyti potencialiniame šulinyje, skaičių. Įprastose CCD sistemose maksimalus elektronų skaičius paprastai yra apie 150 000, tuo tarpu daugumoje nustatymų mažiausias iš tikrųjų gali būti mažesnis nei vienas elektronas. Dinaminio diapazono sąvoka gali būti geriau paaiškinta vaizdavimo terminais. Kaip jau minėjome anksčiau, kai šviesa patenka į CCD, fotonai paverčiami elektronais ir įsiurbiami į potencialų šulinį, kuris tam tikru momentu prisotinamas. Elektronų kiekis, susidarantis konvertuojant fotonus, paprastai priklauso nuo šaltinių intensyvumo, nes toks dinaminis diapazonas taip pat naudojamas apibūdinant diapazoną tarp ryškiausio ir silpniausio šaltinio, kurį galima atvaizduoti CCD.

4. Tiesiškumas:

Svarbus aspektas renkantis CCD paprastai yra jo gebėjimas tiesiškai reaguoti plačiu įvesties diapazonu. Pvz., Atvaizduojant, jei CCD aptinka 100 fotonų ir paverčia tuos pačius į 100 elektronų (pavyzdžiui, darant prielaidą, kad QE yra 100%), tai tiesiškumo sumetimais tikimasi sukurti 10000 elektronų, jei jis aptiks 10000 fotonų. CCD tiesiškumas yra sumažintas apdorojimo būdų, naudojamų sveriant ir stiprinant signalus, sudėtingumas. Jei CCD yra tiesinis, reikalingas mažesnis signalo kondicionavimo kiekis.

5. Galia:

Priklausomai nuo programos, maitinimas yra svarbus bet kurio įrenginio aspektas, o mažos galios komponento naudojimas paprastai yra protingas sprendimas. Tai yra vienas iš dalykų, kuriuos CCD suteikia programoms. Nors aplink juos esančios grandinės gali sunaudoti daug energijos, patys CCD yra mažai galingi, o tipinės suvartojimo vertės yra apie 50 mW.

6. Triukšmas:

CCD, kaip ir visi analoginiai prietaisai, yra jautrūs triukšmui, todėl viena iš pagrindinių savybių vertinant jų veikimą ir pajėgumą yra tai, kaip jie elgiasi su triukšmu. Svarbiausias CCD patiriamas triukšmo elementas yra skaitymo triukšmas. Tai yra įtampos konversijos proceso elektronų sandauga ir yra svarbus veiksnys vertinant CCD dinaminį diapazoną.

CCD panaudojimas

Su įkrovimu susieti įrenginiai gali rasti programas įvairiose srityse, įskaitant;

1. Gyvybės mokslai:

CCD pagrindu veikiantys detektoriai ir kameros naudojami įvairiose vaizdavimo programose ir sistemose gyvybės ir medicinos srityse. Programos šioje srityje yra per plačios, kad būtų galima paminėti kiekvieną atskirą, tačiau kai kurie konkretūs pavyzdžiai yra galimybė fotografuoti ląsteles su kontrastingais patobulinimais, galimybė rinkti vaizdo mėginius, kurie buvo įterpti fluoroforais (dėl kurių mėginys fluorescuoja)) ir naudoti pažangiose rentgeno tomografijos sistemose kaulų struktūroms ir minkštųjų audinių mėginiams vaizduoti.

2. Optinė mikroskopija:

Nors gyvosios gamtos mokslų programos apima naudojimą mikroskopuose, svarbu pažymėti, kad mikroskopijos programos neapsiriboja gyvybės mokslų sritimi. Įvairių tipų optiniai mikroskopai naudojami kituose pažangiuose laukuose, pavyzdžiui; nanotechnologijų inžinerija, maisto mokslas ir chemija.

Daugumoje mikroskopijos programų CCD yra naudojami dėl mažo triukšmo santykio, didelio jautrumo, didelės erdvinės skiriamosios gebos ir greito mėginių vaizdavimo, kurie yra svarbūs analizuojant mikroskopinių lygių reakcijas.

3. Astronomija:

Atliekant mikroskopiją, CCD yra naudojami mažiems elementams vaizduoti, tačiau Astronomijoje jie naudojami fokusuojant didelių ir tolimų objektų vaizdus. Astronomija yra viena iš ankstyviausių CCD panaudojimo būdų, o objektai, pradedant žvaigždėmis, planetomis, meteorais ir kt., Buvo vaizduojami naudojant CCD sistemas.

4. Komercinės kameros:

Komercinėse kamerose naudojami nebrangūs CCD vaizdo jutikliai. CCD yra žemesnės kokybės ir našumo, palyginti su naudojamais astronomijoje ir gyvosios gamtos moksluose dėl mažų sąnaudų keliamų reikalavimų komercinėms kameroms.