60-e i 70-e bile su godine ispunjene briljantnim otkrićima, izumima i napretkom tehnologije, posebno memorijskih tehnologija. Jedno od ključnih otkrića u to su vrijeme napravili Willard Boyle i George Smith, dok su istraživali primjenu tehnologije metal-oksid-poluvodič (MOS) za razvoj poluvodičke memorije "mjehurića".
Tim je otkrio da se električni naboj može pohraniti na maleni MOS kondenzator, koji se može povezati na takav način da se naboj može prelaziti s jednog kondenzatora na drugi. Ovo je otkriće dovelo do izuma uređaja povezanih nabojem (CCD), koji su izvorno dizajnirani da služe memorijskim aplikacijama, ali su sada postali važne komponente naprednih slikovnih sustava.
CCD (Charge Coupled Devices) je vrlo osjetljivi detektor fotona koji se koristi za pomicanje naboja iz uređaja u područje gdje se može protumačiti ili obraditi kao informacija (npr. Pretvaranje u digitalnu vrijednost).
U današnjem ćemo članku ispitati kako CCD-ovi rade, aplikacije u kojima su raspoređeni i njihove usporedne prednosti s drugim tehnologijama.
Što je uređaj povezan s nabojem?
Jednostavno rečeno, uređaji kontrolirani nabojem mogu se definirati kao integrirani krugovi koji sadrže niz povezanih ili povezanih elemenata za pohranu naboja (kapacitivne posude), izvedeni na takav način da pod kontrolom vanjskog kruga električni naboj pohranjen u svakom kondenzatoru može se premjestiti na susjedni kondenzator. Kondenzatori metal-oksid-poluvodiči (MOS kondenzatori) obično se koriste u CCD-ima, a primjenom vanjskog napona na gornje ploče MOS-strukture, u nastalim se može pohraniti naboje (elektroni (e-) ili rupe (h +)) potencijal. Tada se ti naboji mogu prebacivati s jednog kondenzatora na drugi pomoću digitalnih impulsa primijenjenih na gornje ploče (vrata) i mogu se prenositi red po red u serijski izlazni registar.
Rad uređaja povezanih nabojem
Postoje tri faze uključene u rad CCD-a, a budući da je u posljednje vrijeme najpopularnija aplikacija Imaging, najbolje je objasniti ove faze u vezi sa slikanjem. Tri faze uključuju;
- Indukcija / naplata punjenja
- Isključivanje naplate
- Mjerenje punjenja
Indukcija / prikupljanje / pohrana naplate:
Kao što je gore spomenuto, CCD-ovi se sastoje od elemenata za pohranu naboja, a vrsta elementa za pohranu i način indukcije / taloženja naboja ovise o primjeni. U Imagingu, CCD se sastoji od velikog broja materijala osjetljivih na svjetlost podijeljenih u mala područja (piksele) i koriste se za stvaranje slike mjesta interesa. Kad se svjetlost bačena na scenu reflektira na CCD-u, foton svjetlosti koji padne unutar područja definiranog jednim od piksela pretvorit će se u jedan (ili više) elektrona, čiji je broj izravno proporcionalan intenzitetu scene na svakom pikselu, tako da kada se CCD izmeri, izmjeri se broj elektrona u svakom pikselu i scena se može rekonstruirati.
Donja slika prikazuje vrlo pojednostavljeni presjek kroz CCD.
Iz gornje slike vidi se da su pikseli definirani položajem elektroda iznad CCD-a. Takav da ako se na elektrodu primijeni pozitivan napon, pozitivni potencijal privući će sve negativno nabijene elektrone blizu područja ispod elektrode. Uz to, sve pozitivno nabijene rupe odbiti će se iz područja oko elektrode, a to će dovesti do razvoja "potencijalne bušotine" u kojoj će se pohraniti svi elektroni proizvedeni dolaznim fotonima.
Kako više svjetla pada na CCD, "potencijalna jažica" postaje sve jača i privlači više elektrona sve dok se ne postigne "puni kapacitet jažice" (broj elektrona koji se mogu pohraniti ispod piksela). Kako bi se osiguralo snimanje odgovarajuće slike, na primjer, zatvarač se koristi u kamerama za kontrolu osvjetljenja vremenski, tako da se potencijalni bunar napuni, ali njegov kapacitet nije premašen, jer bi to moglo biti kontraproduktivno.
Isključenje naplate:
MOS topologija korištena u izradi CCD-a ograničava količinu kondicioniranja i obrade signala koja se može izvršiti na čipu. Stoga se naboji obično moraju odvesti u vanjski krug za kondicioniranje gdje se vrši obrada.
Svaki piksel u nizu CCD-a obično je opremljen s 3 elektrode kao što je prikazano na donjoj slici:
Jedna od elektroda koristi se u stvaranju potencijalne bušotine za skladištenje naboja, dok se druge dvije koriste za taktiranje naboja.
Recimo da se naboj sakuplja ispod jedne od elektroda kako je prikazano na donjoj slici:
Da bi se naboj izbacio iz CCD-a, inducira se nova potencijalna bušotina držanjem IØ3 visoko, što prisiljava naboj da se podijeli između IØ2 i IØ3, kao što je prikazano na donjoj slici.
Dalje, IØ2 se smanjuje, a to dovodi do punog prijenosa naboja na elektrodu IØ3.
Proces izbacivanja se nastavlja uzimanjem IØ1 visoko, što osigurava dijeljenje naboja između IØ1 i IØ3, i na kraju uzimanjem IØ3 niskog, tako da se naboj potpuno pomakne ispod IØ1 elektroda.
Ovisno o rasporedu / orijentaciji elektroda u CCD-u, ovaj će se postupak nastaviti i punjenje će se kretati ili niz stupac ili preko reda dok ne dosegne završni red, koji se obično naziva registrom očitavanja.
Mjerenje punjenja:
Na kraju registra očitavanja, povezani krug pojačala koristi se za mjerenje vrijednosti svakog naboja i pretvara ga u napon s tipičnim faktorom pretvorbe od oko 5-10µV po elektronu. U slikovnim aplikacijama, CCD kamera dolazi s CCD čipom, zajedno s nekom drugom povezanom elektronikom, ali što je najvažnije pojačalom, koje pretvaranjem naboja u napon pomaže digitalizaciji piksela u oblik koji softver može obraditi, za dobivanje snimljene slike.
Svojstva CCD-a
Neka od svojstava koja se koriste za opisivanje izvedbe / kvalitete / stupnja CCD-a su:
1. Kvantna učinkovitost:
Kvantna učinkovitost odnosi se na učinkovitost kojom CCD stječe / pohranjuje naboj.
U Imagingu nisu otkriveni svi fotoni koji padaju na ravnine piksela i pretvoreni u električni naboj. Postotak fotografija koje su uspješno otkrivene i pretvorene poznat je pod nazivom Kvantna učinkovitost. Najbolji CCD mogu postići QE od oko 80%. Za kontekst, kvantna učinkovitost ljudskog oka je oko 20%.
2. Raspon valne duljine:
CCD obično imaju širok raspon valnih duljina, od oko 400 nm (plavi) do oko 1050 nm (infracrveni) s vršnom osjetljivošću od oko 700 nm. Međutim, procesi poput stanjivanja leđa mogu se koristiti za proširenje raspona valnih duljina CCD-a.
3. Dinamički raspon:
Dinamički raspon CCD-a odnosi se na minimalni i maksimalni broj elektrona koji se mogu pohraniti u potencijalnu jažicu. U tipičnim CCD-ima maksimalni broj elektrona obično je oko 150 000, dok minimalni u većini postavki zapravo može biti manji od jednog elektrona. Koncept dinamičkog raspona može se bolje objasniti slikovnim izrazima. Kao što smo ranije spomenuli, kad svjetlost padne na CCD, fotoni se pretvaraju u elektrone i usisavaju u potencijalnu jažicu koja u nekom trenutku postaje zasićena. Količina elektrona koja proizlazi iz pretvorbe fotona obično ovisi o intenzitetu izvora, jer se takav dinamički raspon također koristi za opisivanje raspona između najsvjetlijeg i najslabijeg mogućeg izvora koji se može snimiti CCD-om.
4. Linearnost:
Važno razmatranje pri odabiru CCD-a obično je njegova sposobnost linearnog reagiranja u širokom rasponu ulaza. Na primjer, u slikanju, ako CCD detektira 100 fotona i pretvori ih u 100 elektrona (na primjer, pod pretpostavkom da je QE 100%), zbog linearnosti očekuje se da generira 10000 elektrona ako detektira 10000 fotona. Vrijednost linearnosti u CCD-ima je u smanjenoj složenosti tehnika obrade koje se koriste za vaganje i pojačavanje signala. Ako je CCD linearni, potrebna je manja količina kondicioniranja signala.
5. Snaga:
Ovisno o aplikaciji, napajanje je važno za svaki uređaj, a upotreba komponente male snage obično je pametna odluka. To je jedna od stvari koju CCD-ovi donose u aplikacije. Iako sklopovi oko njih mogu trošiti značajnu količinu energije, sami CCD uređaji imaju malu snagu, s tipičnim vrijednostima potrošnje oko 50 mW.
6. Buka:
CCD-i kao i svi analogni uređaji osjetljivi su na buku, kao takvo, jedno od glavnih svojstava za procjenu njihovih performansi i kapaciteta je način na koji se nose s bukom. Krajnji element buke koji se doživljava u CCD-u je šum očitavanja. Proizvod je elektrona u procesu pretvorbe napona i faktor koji pridonosi procjeni dinamičkog raspona CCD-a.
Primjene CCD-a
Uređaji povezani s punjenjem nalaze primjene u različitim poljima, uključujući;
1. Znanosti o životu:
CCD detektori i kamere koriste se u različitim aplikacijama i sustavima za obradu slika u znanostima o životu i medicini. Primjene u ovom području su prevelike da bi se spomenule sve pojedinačne, ali neki specifični primjeri uključuju sposobnost snimanja stanica s primijenjenim kontrastnim poboljšanjima, sposobnost sakupljanja uzoraka slika dopiranih fluoroforima (zbog kojih uzorak fluorescira) i uporaba u naprednim sustavima rendgenske tomografije za slikanje koštanih struktura i uzoraka mekog tkiva.
2. Optička mikroskopija:
Iako primjene u znanostima o životu uključuju upotrebu u mikroskopima, važno je napomenuti da primjene mikroskopije nisu ograničene na područje znanosti o životu. Optički mikroskopi različitih vrsta koriste se u drugim kogentnim poljima poput; nanotehnološki inženjering, znanost o hrani i kemija.
U većini aplikacija za mikroskopiju koriste se CCD-ovi zbog malog omjera šuma, visoke osjetljivosti, velike prostorne rezolucije i brzog snimanja uzoraka što je važno za analizu reakcija koje se javljaju na mikroskopskim razinama.
3. Astronomija:
Mikroskopijom se CCD-ovi koriste za prikaz sitnih elemenata, ali u astronomiji se koristi za fokusiranje slika velikih i udaljenih objekata. Astronomija je jedna od najranijih primjena CCD-a, a objekti u rasponu od zvijezda, planeta, meteora itd. Svi su oslikani sustavima temeljenim na CCD-u.
4. Komercijalne kamere:
Povoljni CCD senzori slike koriste se u komercijalnim kamerama. CCD-ovi su obično niže kvalitete i performansi u usporedbi s onima koji se koriste u astronomiji i znanostima o životu zbog jeftinih zahtjeva za komercijalne kamere.