Jak ładuje

Lata 60. i 70. to lata pełne genialnych odkryć, wynalazków i postępów technologicznych, zwłaszcza technologii pamięci. Jednego z kluczowych odkryć w tamtym czasie dokonali Willard Boyle i George Smith, badając zastosowanie technologii metal-tlenek-półprzewodnik (MOS) do opracowania półprzewodnikowej pamięci „bąbelkowej”.

Zespół odkrył, że ładunek elektryczny może być przechowywany na maleńkim kondensatorze MOS, który można podłączyć w taki sposób, aby ładunek mógł być przemieszczany z jednego kondensatora na drugi. To odkrycie doprowadziło do wynalezienia urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), które pierwotnie były przeznaczone do obsługi aplikacji pamięciowych, ale obecnie stały się ważnymi komponentami zaawansowanych systemów obrazowania.

CCD (ang. Charge Coupled Devices) to bardzo czuły detektor fotonów używany do przenoszenia ładunków z wnętrza urządzenia do obszaru, w którym można je zinterpretować lub przetworzyć jako informację (np. Konwersję na wartość cyfrową).

W dzisiejszym artykule zbadamy, jak działają przetworniki CCD, aplikacje, w których są stosowane, oraz ich przewagę komparatywną w stosunku do innych technologii.

Co to jest urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym?

Mówiąc prościej, urządzenia sterowane ładunkiem można zdefiniować jako układy scalone zawierające szereg połączonych lub sprzężonych elementów magazynujących ładunek (pojemniki pojemnościowe), zaprojektowanych w taki sposób, że pod kontrolą obwodu zewnętrznego ładunek elektryczny przechowywany w każdym kondensatorze można przenieść do sąsiedniego kondensatora. Kondensatory metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe (kondensatory MOS) są zwykle stosowane w przetwornikach CCD i poprzez przyłożenie zewnętrznego napięcia do górnych płyt struktury MOS, ładunki (elektrony (e-) lub dziury (h +)) mogą być przechowywane w powstałych potencjał. Ładunki te mogą być następnie przenoszone z jednego kondensatora na drugi za pomocą cyfrowych impulsów przykładanych do górnych płyt (bramek) i mogą być przesyłane rząd po rzędzie do szeregowego rejestru wyjściowego.

Działanie urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym

W działaniu CCD występują trzy etapy, a ponieważ najpopularniejszą ostatnio aplikacją jest Imaging, najlepiej jest wyjaśnić te etapy w odniesieniu do obrazowania. Te trzy etapy obejmują;

1. Wprowadzenie opłaty / pobranie
2. Naładuj wyliczanie
3. Pomiar opłat

Ładowanie / pobieranie / przechowywanie:

Jak wspomniano powyżej, matryce CCD składają się z elementów magazynujących ładunek, a rodzaj elementu magazynującego i metoda wprowadzania / osadzania ładunku zależy od zastosowania. W obrazowaniu matryca CCD składa się z dużej liczby światłoczułych materiałów podzielonych na małe obszary (piksele) i służy do tworzenia obrazu interesującej sceny. Kiedy światło rzucane na scenę odbija się od CCD, foton światła, który wpada w obszar określony przez jeden z pikseli, zostanie przekształcony w jeden (lub więcej) elektronów, których liczba jest wprost proporcjonalna do intensywności scena przy każdym pikselu, tak że gdy CCD jest taktowany, mierzona jest liczba elektronów w każdym pikselu i scena może być zrekonstruowana.

Poniższy rysunek przedstawia bardzo uproszczony przekrój przez CCD.

Z powyższego obrazu można zauważyć, że piksele są określone przez położenie elektrod nad CCD. Taki, że jeśli do elektrody zostanie przyłożone napięcie dodatnie, dodatni potencjał przyciągnie wszystkie ujemnie naładowane elektrony w pobliżu obszaru pod elektrodą. Ponadto wszelkie dodatnio naładowane dziury zostaną odparte z obszaru wokół elektrody, co doprowadzi do powstania „studni potencjalnej”, w której będą przechowywane wszystkie elektrony wytwarzane przez nadchodzące fotony.

Im więcej światła pada na CCD, tym „potencjalna studnia” staje się silniejsza i przyciąga więcej elektronów, aż do osiągnięcia „pełnej pojemności studni” (liczby elektronów, które można przechowywać pod pikselem). Aby zapewnić uchwycenie właściwego obrazu, na przykład migawka jest używana w kamerach do sterowania oświetleniem w sposób czasowy, tak aby potencjalna studnia została wypełniona, ale jej pojemność nie została przekroczona, ponieważ mogłoby to przynieść efekt przeciwny do zamierzonego.

Odliczanie czasu ładowania:

Topologia MOS zastosowana w produkcji CCD ogranicza ilość kondycjonowania i przetwarzania sygnału, które można wykonać na chipie. W związku z tym ładunki zwykle wymagają taktowania do zewnętrznego obwodu kondycjonującego, w którym odbywa się przetwarzanie.

Każdy piksel w rzędzie CCD jest zwykle wyposażony w 3 elektrody, jak pokazano na poniższym obrazku:

Jedna z elektrod jest wykorzystywana do tworzenia studni potencjału do przechowywania ładunku, podczas gdy dwie pozostałe są używane do taktowania ładunków.

Powiedzmy, że ładunek jest zbierany pod jedną z elektrod, jak pokazano na poniższym obrazku:

Aby odciążyć ładunek z CCD, indukowana jest nowa studnia potencjalna poprzez utrzymywanie wysokiego IØ3, co wymusza podział ładunku między IØ2 i IØ3, jak pokazano na poniższym obrazku.

Następnie IØ2 zostaje obniżone, co prowadzi do pełnego przeniesienia ładunku na elektrodę IØ3.

Proces taktowania jest kontynuowany poprzez podniesienie IØ1 w stan wysoki, co zapewnia, że ​​ładunek jest dzielony między IØ1 i IØ3, a na koniec obniża się IØ3, tak aby ładunek był całkowicie przesunięty pod elektrodami IØ1.

W zależności od rozmieszczenia / orientacji elektrod w CCD, proces ten będzie kontynuowany, a ładunek będzie przemieszczał się w dół kolumny lub w poprzek rzędu, aż osiągnie ostatni rząd, zwykle nazywany rejestrem odczytowym.

Pomiar opłaty:

Na końcu rejestru odczytowego podłączony obwód wzmacniacza służy do pomiaru wartości każdego ładunku i przekształca go w napięcie o typowym współczynniku konwersji około 5-10 µV na elektron. W zastosowaniach do obrazowania kamera oparta na CCD będzie dostarczana z chipem CCD wraz z innymi związanymi z nim elektroniką, ale co najważniejsze ze wzmacniaczem, który poprzez konwersję ładunku na napięcie pomaga zdigitalizować piksele do postaci, którą może przetworzyć oprogramowanie, aby uzyskać przechwycony obraz.

Właściwości CCD

Niektóre z właściwości używanych przy opisywaniu wydajności / jakości / klasy przetworników CCD to:

1. Sprawność kwantowa:

Efektywność kwantowa odnosi się do wydajności, z jaką CCD pobiera / przechowuje ładunek.

W obrazowaniu nie wszystkie fotony padające na płaszczyzny pikseli są wykrywane i przekształcane w ładunek elektryczny. Odsetek zdjęć, które zostały pomyślnie wykryte i przekonwertowane, nazywany jest wydajnością kwantową. Najlepsze matryce CCD mogą osiągnąć QE na poziomie około 80%. W kontekście wydajność kwantowa ludzkiego oka wynosi około 20%.

2. Zakres długości fal:

CCD mają zazwyczaj szeroki zakres długości fal, od około 400 nm (niebieski) do około 1050 nm (podczerwień), ze szczytową czułością przy około 700 nm. Jednak w celu rozszerzenia zakresu długości fal przetwornika CCD można zastosować procesy takie jak przerzedzenie wsteczne.

3. Zakres dynamiczny:

Zakres dynamiczny CCD odnosi się do minimalnej i maksymalnej liczby elektronów, które mogą być przechowywane w studni potencjalnej. W typowych przetwornikach CCD maksymalna liczba elektronów wynosi zwykle około 150 000, podczas gdy w większości ustawień minimalna może być mniejsza niż jeden elektron. Pojęcie zakresu dynamicznego można lepiej wyjaśnić w terminach obrazowania. Jak wspomnieliśmy wcześniej, kiedy światło pada na CCD, fotony zamieniają się w elektrony i są zassane do studni potencjalnej, która w pewnym momencie zostaje nasycona. Ilość elektronów powstająca w wyniku konwersji fotonów zazwyczaj zależy od intensywności źródeł, jako takie, zakres dynamiczny jest również używany do opisania zakresu między najjaśniejszym i najsłabszym możliwym źródłem, które można zobrazować za pomocą CCD.

4. Liniowość:

Ważną kwestią przy wyborze przetwornika CCD jest zwykle jego zdolność do liniowej odpowiedzi w szerokim zakresie sygnału wejściowego. Na przykład w obrazowaniu, jeśli CCD wykryje 100 fotonów i przekształci je w 100 elektronów (na przykład zakładając, że QE wynosi 100%), to ze względu na liniowość oczekuje się, że wygeneruje 10000 elektronów, jeśli wykryje 10000 fotonów. Wartość liniowości w przetwornikach CCD polega na zmniejszonej złożoności technik przetwarzania stosowanych do ważenia i wzmacniania sygnałów. Jeśli CCD jest liniowy, wymagana jest mniejsza ilość kondycjonowania sygnału.

5. Moc:

W zależności od zastosowania moc jest ważnym czynnikiem dla każdego urządzenia, a użycie komponentu o małej mocy jest zwykle mądrą decyzją. Jest to jedna z rzeczy, które CCD wnoszą do aplikacji. Chociaż obwody wokół nich mogą zużywać znaczną ilość energii, same przetworniki CCD mają niską moc, a typowe wartości zużycia wynoszą około 50 mW.

6. Hałas:

Przetworniki CCD, podobnie jak wszystkie urządzenia analogowe, są podatne na zakłócenia, a jedną z głównych właściwości oceny ich wydajności i pojemności jest sposób, w jaki radzą sobie z szumami. Ostatecznym elementem szumu występującym w CCD jest szum odczytu. Jest produktem elektronów w procesie konwersji napięcia i jest czynnikiem przyczyniającym się do oszacowania zakresu dynamicznego CCD.

Zastosowania CCD

Urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym znajdują zastosowania w różnych dziedzinach, w tym;

1. Nauki o życiu:

Detektory i kamery oparte na CCD są wykorzystywane w różnych zastosowaniach i systemach obrazowania w naukach przyrodniczych i medycynie. Zastosowania w tym obszarze są zbyt rozległe, aby wymienić je wszystkie, ale niektóre konkretne przykłady obejmują możliwość robienia zdjęć komórek z zastosowanymi kontrastowymi wzmocnieniami, możliwość zbierania próbek obrazu, które zostały domieszkowane fluoroforami (które powodują fluorescencję próbki).) oraz zastosowanie w zaawansowanych systemach tomografii rentgenowskiej do obrazowania struktur kostnych i próbek tkanek miękkich.

2. Mikroskopia optyczna:

Chociaż zastosowania w naukach przyrodniczych obejmują zastosowanie w mikroskopach, należy zauważyć, że zastosowania mikroskopii nie są ograniczone do dziedziny nauk przyrodniczych. Mikroskopy optyczne różnych typów są używane w innych przekonujących dziedzinach, takich jak; inżynieria nanotechnologiczna, nauki o żywności i chemia.

W większości zastosowań mikroskopowych matryce CCD są używane ze względu na niski współczynnik szumów, wysoką czułość, wysoką rozdzielczość przestrzenną i szybkie obrazowanie próbek, co jest ważne przy analizie reakcji zachodzących na poziomach mikroskopowych.

3. Astronomia:

W przypadku mikroskopii matryce CCD są używane do obrazowania małych elementów, ale w astronomii są używane do ogniskowania obrazów dużych i odległych obiektów. Astronomia jest jednym z najwcześniejszych zastosowań CCD, a obiekty takie jak gwiazdy, planety, meteory itp. Zostały zobrazowane za pomocą systemów opartych na CCD.

4. Aparaty komercyjne:

Niedrogie przetworniki obrazu CCD są używane w komercyjnych kamerach. CCD mają zwykle niższą jakość i wydajność w porównaniu do tych używanych w astronomii i naukach przyrodniczych ze względu na niskie koszty związane z komercyjnymi kamerami.