60- og 70-tallet var år fylt med strålende oppdagelser, oppfinnelser og fremskritt innen teknologi, spesielt minneteknologi. En av de viktigste oppdagelsene på den tiden ble gjort av Willard Boyle og George Smith, da de utforsket anvendelsen av metall-oksid-halvleder (MOS) -teknologien for utvikling av et halvlederminne.
Teamet oppdaget at en elektrisk ladning kan lagres på en liten MOS-kondensator, som kan kobles på en slik måte at ladningen kan trekkes sammen fra den ene kondensatoren til den andre. Denne oppdagelsen førte til oppfinnelsen av ladekoblede enheter (CCD), som opprinnelig var designet for å betjene minneapplikasjoner, men har nå blitt viktige komponenter i avanserte bildesystemer.
En CCD (Charge Coupled Devices) er en høysensitiv fotondetektor som brukes til å flytte ladninger fra en enhet til et område der den kan tolkes eller behandles som informasjon (f.eks. Konvertering til en digital verdi).
I dagens artikkel vil vi undersøke hvordan CCD-er fungerer, applikasjonene de er distribuert i, og deres komparative fordeler med andre teknologier.
Hva er en ladekoblet enhet?
Enkelt sagt kan ladningskontrollerte enheter defineres som integrerte kretser som inneholder en rekke koblede eller koblede ladelagringselementer (kapasitive kasser), utformet på en slik måte at den elektriske ladningen lagret i hver kondensator under kontroll av en ekstern krets. kan flyttes til en nærliggende kondensator. Metal-Oxide-Semiconductor kondensatorer (MOS kondensatorer) brukes vanligvis i CCD-er, og ved å påføre en ekstern spenning på toppplatene i MOS-strukturen, kan ladninger (elektroner (e-) eller hull (h +)) lagres i den resulterende potensiell. Disse ladningene kan deretter flyttes fra en kondensator til en annen ved hjelp av digitale pulser påført topplatene (portene) og kan overføres rad for rad til et serielt utgangsregister.
Arbeid av ladekoblet enhet
Det er tre trinn involvert i driften av en CCD, og siden den mest populære applikasjonen i nyere tid er Imaging, er det best å forklare disse trinnene i forhold til imaging. De tre trinnene inkluderer;
- Ladinduksjon / samling
- Charge Clocking out
- Lademåling
Ladinduksjon / samling / lagring:
Som nevnt ovenfor består CCD-er av ladelagringselementer, og typen lagringselement og metode for ladningsinduksjon / avsetning avhenger av applikasjonen. I Imaging består CCD av et stort antall lysfølsomme materialer delt inn i små områder (piksler) og brukes til å bygge opp et bilde av det interessante stedet. Når lys som kastes på scenen reflekteres på CCD, vil et lysfoton som faller innenfor området definert av en av pikslene konverteres til ett (eller flere) elektroner, hvis antall er direkte proporsjonalt med intensiteten til scene ved hver piksel, slik at når CCD er klokket ut, måles antall elektroner i hver piksel, og scenen kan rekonstrueres.
Figuren nedenfor viser et veldig forenklet tverrsnitt gjennom en CCD.
Fra bildet ovenfor kan det sees at pikslene er definert av plasseringen av elektroder over CCD. Slik at hvis en positiv spenning påføres elektroden, vil det positive potensialet tiltrekke seg alle de negativt ladede elektronene nær området under elektroden. I tillegg vil eventuelle positivt ladede hull bli frastøtt fra området rundt elektroden, og dette vil føre til utvikling av en "potensiell brønn" der alle elektronene som produseres av innkommende fotoner vil bli lagret.
Etter hvert som mer lys faller på CCD, blir den "potensielle brønnen" sterkere og tiltrekker seg flere elektroner til "full brønnkapasitet" (antall elektroner som kan lagres under en piksel) er oppnådd. For å sikre at et riktig bilde blir tatt, brukes for eksempel en lukker i kameraer for å kontrollere belysningen på en tidsbestemt måte, slik at den potensielle brønnen blir fylt, men kapasiteten ikke overskrides, da det kan være kontraproduktivt.
Charge Clocking Out:
MOS-topologien som brukes i CCD-fabrikasjon, begrenser mengden signalbehandling og prosessering som kan gjøres på chip. Dermed må ladninger vanligvis klokkes ut til en ekstern kondisjoneringskrets der behandlingen utføres.
Hver piksel i en rad med en CCD er vanligvis utstyrt med 3 elektroder som illustrert i bildet nedenfor:
En av elektrodene brukes til å skape en potensiell brønn for ladelagring, mens de to andre brukes til å slå ut ladninger.
Si at en ladning samles under en av elektrodene som illustrert i bildet nedenfor:
For å klokke ladningen ut av CCD, induseres en ny potensiell brønn ved å holde IØ3 høyt, noe som tvinger ladningen til å deles mellom IØ2 og IØ3 som illustrert i bildet nedenfor.
Deretter blir IØ2 lavt, og dette fører til full overføring av ladningen til elektroden IØ3.
Utkoblingsprosessen fortsetter ved å ta IØ1 høyt, noe som sikrer at ladningen deles mellom IØ1 og IØ3, og til slutt tar IØ3 lavt, slik at ladningen forskyves helt under IØ1-elektrodene.
Avhengig av anordningen / orienteringen av elektroder i CCD, vil denne prosessen fortsette og ladningen vil bevege seg enten nedover kolonnen eller over raden til den når den siste raden, vanligvis referert til som avlesningsregisteret.
Ladningsmåling:
På slutten av avlesningsregisteret brukes en tilkoblet forsterkerkrets for å måle verdien av hver ladning og konverterer den til en spenning med en typisk konverteringsfaktor på rundt 5-10 µV per elektron. I bildeapplikasjoner vil et CCD-basert kamera komme med CCD-brikken sammen med annen tilhørende elektronikk, men viktigst av alt forsterkeren, som ved å konvertere ladningen til spenning bidrar til å digitalisere pikslene til et skjema som kan behandles av programvaren, for å få tak i bildet.
Egenskaper for CCD
Noen av egenskapene som brukes til å beskrive ytelsen / kvaliteten / karakteren til CCD-er, er:
1. Kvanteffektivitet:
Kvanteeffektivitet refererer til effektiviteten som en CCD anskaffer / lagrer en kostnad med.
I Imaging blir ikke alle fotoner som faller på pikselplanene oppdaget og konvertert til en elektrisk ladning. Prosentandelen av bilder som er oppdaget og konvertert er kjent som Quantum Efficiency. De beste CCD-ene kan oppnå en QE på rundt 80%. For kontekst er kvanteeffektiviteten til det menneskelige øye rundt 20%.
2. Bølgelengdeområde:
CCD har vanligvis et bredt bølgelengdeområde, fra ca. 400 nm (blå) til ca. 1050 nm (infrarød) med en topp følsomhet på rundt 700 nm. Imidlertid kan prosesser som tynning av ryggen brukes til å utvide bølgelengdeområdet til en CCD.
3. Dynamisk rekkevidde:
Det dynamiske området til en CCD refererer til minimum og maksimalt antall elektroner som kan lagres i den potensielle brønnen. I typiske CCD-er er maksimalt antall elektroner vanligvis rundt 150000, mens minimumet faktisk kan være mindre enn ett elektron i de fleste innstillinger. Konseptet med dynamisk område kan forklares bedre i bildebehandling. Som vi nevnte tidligere, når lys faller på en CCD, blir fotonene omdannet til elektroner og suges inn i den potensielle brønnen som på et tidspunkt blir mettet. Mengden elektroner som resulterer fra konvertering av fotoner, avhenger vanligvis av intensiteten til kildene, som sådan brukes dynamisk område også for å beskrive området mellom den lyseste og svakeste mulige kilden som kan avbildes av en CCD.
4. Linearitet:
En viktig faktor i valget av CCD er vanligvis dens evne til å svare lineært over et bredt spekter av innganger. I bildebehandling, for eksempel hvis en CCD oppdager 100 fotoner og konverterer det samme til 100 elektroner (for eksempel forutsatt at QE er 100%), forventes det for linearitets skyld å generere 10000 elektroner hvis det oppdager 10000 fotoner. Verdien av linearitet i CCD-er ligger i den reduserte kompleksiteten til behandlingsteknikkene som brukes til veiing og forsterkning av signalene. Hvis CCD er lineær, kreves en mindre mengde signalbehandling.
5. Kraft:
Avhengig av applikasjon er strøm en viktig faktor for alle enheter, og bruk av en laveffektskomponent er vanligvis en smart beslutning. Dette er en av tingene CCD-er bringer til applikasjoner. Mens kretsene rundt dem kan forbruke en betydelig mengde strøm, har CCD-er i seg selv lav effekt, med typiske forbruksverdier rundt 50 mW.
6. Støy:
CCD-er som alle analoge enheter er utsatt for støy, og derfor er en av de viktigste egenskapene for evaluering av ytelse og kapasitet hvordan de håndterer støy. Det ultimate støyelementet som oppleves i CCD er Readout-støyen. Det er et produkt av elektronene til spenningskonverteringsprosessen og er en medvirkende faktor til estimeringen av det dynamiske området til CCD.
Anvendelser av CCD-er
Ladekoblede enheter finner applikasjoner på tvers av forskjellige felt, inkludert;
1. Livsvitenskap:
CCD-baserte detektorer og kameraer brukes i forskjellige bildeapplikasjoner og systemer innen biovitenskap og det medisinske feltet. Applikasjonene i dette området er for store til å nevne hver eneste, men noen spesifikke eksempler inkluderer muligheten til å ta bilder av celler med kontrastforbedringer brukt, muligheten til å samle bildeprøver som har blitt dopet med fluoroforer (som får prøven til å fluorescere) og bruk i avanserte røntgentomografisystemer for å avbilde beinstrukturer og bløtvevsprøver.
2. Optisk mikroskopi:
Mens applikasjoner under biovitenskap inkluderer bruk i mikroskop, er det viktig å merke seg at mikroskopiapplikasjonene ikke er begrenset til det biovitenskapelige feltet. Optiske mikroskoper av forskjellige typer brukes i andre kogende felt som; nanoteknologi, matvitenskap og kjemi.
I de fleste applikasjoner med mikroskopi brukes CCD på grunn av det lave støyforholdet, den høye følsomheten, den høye romlige oppløsningen og den raske prøven, som er viktig for å analysere reaksjoner som forekommer på mikroskopiske nivåer.
3. Astronomi:
Med mikroskopi brukes CCD-er til å avbilde små elementer, men i astronomi brukes den til å fokusere bildene av store og fjerne objekter. Astronomi er en av de tidligste anvendelsene av CCD-er og objekter som spenner fra stjerner, planeter, meteorer osv. Har alle blitt avbildet med CCD-baserte systemer.
4. Kommersielle kameraer:
Rimelige CCD-bildesensorer brukes i kommersielle kameraer. CCD-er har vanligvis lavere kvalitet og ytelse sammenlignet med de som brukes i astronomi og biovitenskap på grunn av lave kostnadskrav til kommersielle kameraer.