60'erne og 70'erne var år fyldt med strålende opdagelser, opfindelser og fremskridt inden for teknologi, især hukommelsesteknologier. En af de vigtigste opdagelser på det tidspunkt blev foretaget af Willard Boyle og George Smith, da de udforskede anvendelsen af metal-oxid-halvlederteknologien (MOS) til udvikling af en halvleder “boble” -hukommelse.
Holdet opdagede, at en elektrisk opladning kunne lagres på en lille MOS-kondensator, som kunne forbindes på en sådan måde, at opladningen kunne trædes sammen fra den ene kondensator til den anden. Denne opdagelse førte til opfindelsen af opladningskoblede enheder (CCD), som oprindeligt var designet til at tjene hukommelsesapplikationer, men er nu blevet vigtige komponenter i avancerede billeddannelsessystemer.
En CCD (Charge Coupled Devices) er en meget følsom fotondetektor, der bruges til at flytte ladninger fra en enhed til et område, hvor den kan fortolkes eller behandles som information (f.eks. Konvertering til en digital værdi).
I dagens artikel vil vi undersøge, hvordan CCD'er fungerer, hvilke applikationer de er implementeret i, og deres komparative fordele i forhold til andre teknologier.
Hvad er en opladet enhed?
I enkle vendinger kan ladestyrede enheder defineres som integrerede kredsløb, der indeholder en række af sammenkoblede eller koblede, ladelagringselementer (kapacitive bins), designet på en sådan måde, at den elektriske ladning lagret i hver kondensator under kontrol af et eksternt kredsløb kan flyttes til en nærliggende kondensator. Metal-oxid-halvlederkondensatorer (MOS-kondensatorer) bruges typisk i CCD'er, og ved at påføre en ekstern spænding på de øverste plader i MOS-strukturen kan opladninger (elektroner (e-) eller huller (h +)) lagres i den resulterende potentiel. Disse ladninger kan derefter forskydes fra en kondensator til en anden ved hjælp af digitale impulser påført toppladerne (porte) og kan overføres række for række til et serielt outputregister.
Arbejde med opladet koblet enhed
Der er tre faser involveret i driften af en CCD, og da den mest populære applikation i nyere tid er Imaging, er det bedst at forklare disse faser i forhold til imaging. De tre faser inkluderer;
- Opladningsinduktion / indsamling
- Charge Clocking out
- Opladningsmåling
Opladningsinduktion / opsamling / opbevaring:
Som nævnt ovenfor består CCD'er af ladelagringselementer, og typen af lagerelement og metode til ladningsinduktion / -aflejring afhænger af anvendelsen. I Imaging består CCD af et stort antal lysfølsomme materialer opdelt i små områder (pixels) og bruges til at opbygge et billede af den interessante scene. Når lys, der kastes på scenen, reflekteres på CCD'en, vil en lysfoton, der falder inden for det område, der er defineret af en af pixels, blive konverteret til en (eller flere) elektroner, hvis antal er direkte proportionalt med intensiteten af scene ved hver pixel, således at når CCD er uret, måles antallet af elektroner i hver pixel, og scenen kan rekonstrueres.
Figuren nedenfor viser et meget forenklet tværsnit gennem en CCD.
Fra billedet ovenfor kan det ses, at pixels er defineret af placeringen af elektroder over CCD. Således at hvis en positiv spænding påføres elektroden, vil det positive potentiale tiltrække alle de negativt ladede elektroner tæt på området under elektroden. Derudover vil eventuelle positivt ladede huller blive frastødt fra området omkring elektroden, og dette vil føre til udviklingen af en "potentiel brønd", hvor alle elektroner, der produceres af indgående fotoner, vil blive lagret.
Når mere lys falder på CCD'en, bliver den "potentielle brønd" stærkere og tiltrækker flere elektroner, indtil den "fulde brøndkapacitet" (antallet af elektroner, der kan lagres under en pixel) er nået. For at sikre, at der opnås et korrekt billede, anvendes f.eks. En lukker i kameraer til at styre belysningen på en tidsbestemt måde, så den potentielle brønd fyldes, men dens kapacitet ikke overskrides, da det kan være kontraproduktivt.
Opladning, der lukker ud:
MOS-topologien, der anvendes i CCD-fabrikation, begrænser mængden af signalbehandling og behandling, der kan udføres på chip. Således skal afgifter normalt klokkes ud til et eksternt konditioneringskredsløb, hvor behandlingen udføres.
Hver pixel i en række af en CCD er typisk udstyret med 3 elektroder som illustreret i billedet nedenfor:
En af elektroderne bruges til skabelse af den potentielle brønd til opbevaring af opladning, mens de to andre bruges til udkobling af opladninger.
Sig, at en ladning samles under en af elektroderne som illustreret i billedet nedenfor:
For at uret lade op fra CCD'en induceres en ny potentiel brønd ved at holde IØ3 høj, hvilket tvinger ladningen til at blive delt mellem IØ2 og IØ3 som illustreret i billedet nedenfor.
Dernæst tages IØ2 lavt, og dette fører til en fuld overførsel af ladningen til elektroden IØ3.
Ukloksprocessen fortsætter ved at tage IØ1 højt, hvilket sikrer, at opladningen deles mellem IØ1 og IØ3, og til sidst tager IØ3 lavt, så opladningen forskydes helt under IØ1-elektroderne.
Afhængig af placeringen / orienteringen af elektroder i CCD'en fortsætter denne proces, og opladningen bevæger sig enten ned ad søjlen eller på tværs af rækken, indtil den når den sidste række, normalt benævnt udlæsningsregistret.
Opladningsmåling:
I slutningen af udlæsningsregistret bruges et tilsluttet forstærkerkredsløb til at måle værdien af hver ladning og konverterer den til en spænding med en typisk konverteringsfaktor på omkring 5-10 µV pr. Elektron. I billedbehandlingsapplikationer kommer et CCD-baseret kamera med CCD-chippen sammen med nogle andre tilknyttede elektronik, men vigtigst af alt forstærkeren, som ved at konvertere opladningen til spænding hjælper med at digitalisere pixels til en form, der kan behandles af softwaren, for at få det optagne billede.
Egenskaber for CCD
Nogle af de egenskaber, der anvendes til at beskrive CCD'ernes ydeevne / kvalitet / kvalitet, er:
1. Kvanteffektivitet:
Kvanteffektivitet refererer til den effektivitet, hvormed en CCD erhverver / lagrer en afgift.
I Imaging detekteres ikke alle fotoner, der falder på pixelplanerne, og konverteres til en elektrisk ladning. Procentdelen af fotos, der er detekteret og konverteret med succes, kaldes kvanteffektivitet. De bedste CCD'er kan opnå en QE på omkring 80%. I forbindelse med det menneskelige øjes kvanteeffektivitet er omkring 20%.
2. Bølgelængdeområde:
CCD'er har typisk et bredt bølgelængdeområde fra ca. 400 nm (blå) til ca. 1050 nm (infrarødt) med en maksimal følsomhed på ca. 700 nm. Processer som rygfortynding kan dog bruges til at udvide en CCD's bølgelængdeområde.
3. Dynamisk rækkevidde:
Det CCD-dynamiske område refererer til det mindste og det maksimale antal elektroner, der kan lagres i den potentielle brønd. I typiske CCD'er er det maksimale antal elektroner normalt omkring 150.000, mens minimumet faktisk kan være mindre end en elektron i de fleste indstillinger. Begrebet dynamisk rækkevidde kan bedre forklares billedmæssigt. Som vi nævnte tidligere, når lys falder på en CCD, omdannes fotoner til elektroner og suges ind i den potentielle brønd, som på et tidspunkt bliver mættet. Mængden af elektroner, der er resultatet af omdannelsen af fotoner, afhænger typisk af kildens intensitet, som sådan anvendes dynamisk område også til at beskrive området mellem den lyseste og svagest mulige kilde, der kan afbildes af en CCD.
4. Linearitet:
En vigtig overvejelse i valget af CCD er normalt dens evne til at reagere lineært over en bred vifte af input. I billeddannelse, for eksempel, hvis en CCD detekterer 100 fotoner og konverterer det samme til 100 elektroner (for eksempel forudsat at QE er 100%), forventes det for linearitets skyld at generere 10000 elektroner, hvis det registrerer 10000 fotoner. Værdien af linearitet i CCD'er er i den reducerede kompleksitet af de behandlingsteknikker, der anvendes til vejning og forstærkning af signalerne. Hvis CCD er lineær, kræves der en mindre mængde signalbehandling.
5. Strøm:
Afhængigt af applikationen er strøm en vigtig overvejelse for enhver enhed, og det er normalt en smart beslutning at bruge en komponent med lav effekt. Dette er en af de ting, CCD'er bringer til applikationer. Mens kredsløbene omkring dem kan forbruge en betydelig mængde strøm, er CCD'erne i sig selv lave med typiske forbrugsværdier omkring 50 mW.
6. Støj:
CCD som alle analoge enheder er modtagelige for støj, som sådan er en af de vigtigste egenskaber til evaluering af deres ydeevne og kapacitet, hvordan de håndterer støj. Det ultimative støjelement, der opleves i CCD, er Readout-støj. Det er et produkt af elektronerne til spændingskonverteringsprocessen og er en medvirkende faktor til estimeringen af CCD-dynamikken.
Anvendelser af CCD'er
Opladningskoblede enheder finder applikationer på tværs af forskellige områder inklusive;
1. Biovidenskab:
CCD-baserede detektorer og kameraer bruges i forskellige billedbehandlingsapplikationer og -systemer inden for biovidenskab og det medicinske område. Anvendelserne i dette område er for store til at nævne hver enkelt, men nogle specifikke eksempler inkluderer muligheden for at tage billeder af celler med kontrasterende forbedringer anvendt, evnen til at indsamle billedprøver, der er blevet doteret med fluoroforer (som får prøven til at fluorescere) og anvendes i avancerede røntgen-tomografisystemer til at afbilde knoglestrukturer og prøver af blødt væv.
2. Optisk mikroskopi:
Mens applikationer inden for biovidenskab inkluderer anvendelse i mikroskoper, er det vigtigt at bemærke, at mikroskopiapplikationerne ikke er begrænset til det biovidenskabelige felt. Optiske mikroskoper af forskellige typer anvendes i andre kogente felter som; nanoteknologi, fødevarevidenskab og kemi.
I de fleste mikroskopiapplikationer anvendes CCD'er på grund af det lave støjforhold, høje følsomhed, høje rumlige opløsning og hurtige prøvebilleddannelse, hvilket er vigtigt for at analysere reaktioner, der forekommer på mikroskopiske niveauer.
3. Astronomi:
Med mikroskopi bruges CCD'er til at afbilde små elementer, men i astronomi bruges det til at fokusere billederne af store og langt væk genstande. Astronomi er en af de tidligste anvendelser af CCD'er og objekter, der spænder fra stjerner, planeter, meteorer osv., Er alle blevet afbildet med CCD-baserede systemer.
4. Kommercielle kameraer:
Billige CCD-billedsensorer bruges i kommercielle kameraer. CCD'erne er normalt af lavere kvalitet og ydeevne sammenlignet med dem, der anvendes i astronomi og biovidenskab på grund af de lave krav til kommercielle kameraer.