60- och 70-talet var år fyllda med lysande upptäckter, uppfinningar och framsteg inom teknik, särskilt minneteknik. En av de viktigaste upptäckterna vid den tidpunkten gjordes av Willard Boyle och George Smith, när de undersökte tillämpningen av metall-oxid-halvledarteknologin (MOS) för utvecklingen av ett halvledarminne.
Teamet upptäckte att en elektrisk laddning kunde lagras på en liten MOS-kondensator, som kunde anslutas på ett sådant sätt att laddningen kunde stegas från en kondensator till en annan. Denna upptäckt ledde till uppfinningen av laddningskopplade enheter (CCD), som ursprungligen var utformade för att tjäna minnesapplikationer, men har nu blivit viktiga komponenter i avancerade bildsystem.
En CCD (Charge Coupled Devices) är en mycket känslig fotondetektor som används för att flytta laddningar från en enhet till ett område där den kan tolkas eller bearbetas som information (t.ex. omvandling till ett digitalt värde).
I dagens artikel kommer vi att undersöka hur CCD-enheter fungerar, vilka applikationer de används i och deras komparativa fördelar med andra tekniker.
Vad är en laddad enhet?
I enkla termer kan laddningsstyrda enheter definieras som integrerade kretsar som innehåller en uppsättning länkade eller kopplade laddningselement (kapacitiva lager), utformade på ett sådant sätt att den elektriska laddningen lagras i varje kondensator under kontroll av en extern krets. kan flyttas till en angränsande kondensator. Metalloxid-halvledarkondensatorer (MOS-kondensatorer) används vanligtvis i CCD: er, och genom att applicera en extern spänning på toppskivorna i MOS-strukturen kan laddningar (elektroner (e-) eller hål (h +)) lagras i den resulterande potential. Dessa laddningar kan sedan flyttas från en kondensator till en annan med digitala pulser applicerade på topplattorna (grindarna) och kan överföras rad för rad till ett seriellt utgångsregister.
Arbeta med laddad enhet
Det finns tre steg involverade i driften av en CCD och eftersom den mest populära applikationen på senare tid är Imaging är det bäst att förklara dessa steg i förhållande till imaging. De tre stegen inkluderar;
- Laddinduktion / insamling
- Ladda ut
- Laddningsmätning
Laddinduktion / insamling / lagring:
Som nämnts ovan består CCD: er av laddningselement och typen av lagringselement och metod för laddningsinduktion / deponering beror på applikationen. I Imaging består CCD av ett stort antal ljuskänsliga material uppdelade i små områden (pixlar) och används för att bygga upp en bild av den intressanta scenen. När ljus som kastas på scenen reflekteras på CCD: n, kommer en ljusfoton som faller inom det område som definieras av en av pixlarna omvandlas till en (eller flera) elektroner, vars antal är direkt proportionell mot intensiteten hos scen vid varje pixel, så att när CCD: n är utklockad, mäts antalet elektroner i varje pixel och scenen kan rekonstrueras.
Bilden nedan visar ett mycket förenklat tvärsnitt genom en CCD.
Från bilden ovan kan det ses att pixlarna definieras av placeringen av elektroder ovanför CCD. Så att om en positiv spänning appliceras på elektroden, kommer den positiva potentialen att attrahera alla negativt laddade elektroner nära området under elektroden. Dessutom kommer eventuellt positivt laddade hål att drivas bort från området runt elektroden och detta kommer att leda till utvecklingen av en "potentiell brunn" där alla elektroner som produceras av inkommande fotoner kommer att lagras.
När mer ljus faller på CCD: n blir den "potentiella brunnen" starkare och lockar fler elektroner tills "full brunnkapacitet" (antalet elektroner som kan lagras under en pixel) uppnås. För att säkerställa att en korrekt bild tas, används till exempel en slutare i kameror för att styra belysningen på ett tidsinställt sätt så att den potentiella brunnen fylls men dess kapacitet inte överskrids eftersom det kan vara kontraproduktivt.
Laddning urklockad:
MOS-topologin som används i CCD-tillverkning begränsar mängden signalbehandling och bearbetning som kan göras på chip. Således behöver laddningar vanligtvis klockas ut till en extern konditioneringskrets där bearbetning sker.
Varje pixel i en rad med en CCD är vanligtvis utrustad med 3 elektroder som illustreras i bilden nedan:
En av elektroderna används för att skapa en potentiell brunn för laddningslagring medan de andra två används för urklockning av laddningar.
Anta att en laddning samlas under en av elektroderna som illustreras i bilden nedan:
För att klocka ut laddningen från CCD: n, induceras en ny potentialbrunn genom att hålla IØ3 högt, vilket tvingar laddningen att delas mellan IØ2 och IØ3 som illustreras i bilden nedan.
Därefter tas IØ2 lågt, och detta leder till en full överföring av laddningen till elektroden IØ3.
Utklockningsprocessen fortsätter genom att ta IØ1 högt, vilket säkerställer att laddningen delas mellan IØ1 och IØ3 och slutligen tar IØ3 låg så att laddningen flyttas helt under IØ1-elektroderna.
Beroende på placeringen / orienteringen av elektroderna i CCD: n fortsätter denna process och laddningen flyttas antingen ner i kolumnen eller över raden tills den når den sista raden, vanligtvis kallad avläsningsregistret.
Laddningsmätning:
I slutet av avläsningsregistret används en ansluten förstärkarkrets för att mäta värdet på varje laddning och omvandlar den till en spänning med en typisk omvandlingsfaktor på cirka 5-10 µV per elektron. I bildapplikationer kommer en CCD-baserad kamera med CCD-chipet tillsammans med någon annan tillhörande elektronik men viktigast av allt förstärkaren, som genom att omvandla laddningen till spänning hjälper till att digitalisera pixlarna till en form som kan bearbetas av programvaran, för att få den tagna bilden.
Egenskaper hos CCD
Några av de egenskaper som används för att beskriva CCD: s prestanda / kvalitet / grad är:
1. Kvanteffektivitet:
Kvanteffektivitet avser effektiviteten med vilken en CCD förvärvar / lagrar en laddning.
I Imaging detekteras inte alla fotoner som faller på pixelplanen och omvandlas till en elektrisk laddning. Andelen foton som har upptäckts och konverterats framgångsrikt kallas Quantum Efficiency. De bästa CCD-enheterna kan uppnå en QE på cirka 80%. För sammanhanget är människans ögons kvanteffektivitet cirka 20%.
2. Våglängdsområde:
CCD: er har vanligtvis ett brett våglängdsområde, från cirka 400 nm (blå) till cirka 1050 nm (infrarött) med en toppkänslighet vid cirka 700 nm. Processer som bakförtunnning kan dock användas för att förlänga våglängdsområdet för en CCD.
3. Dynamiskt omfång:
Det dynamiska området för en CCD avser det lägsta och maximala antalet elektroner som kan lagras i den potentiella brunnen. I typiska CCD: er är det maximala antalet elektroner vanligtvis cirka 150 000, medan lägsta faktiskt kan vara mindre än en elektron i de flesta inställningar. Begreppet dynamiskt omfång kan förklaras bättre i bildåtergivning. Som vi nämnde tidigare, när ljus faller på en CCD, omvandlas fotonerna till elektroner och sugs in i potentialbrunnen som någon gång blir mättad. Mängden elektroner som härrör från omvandlingen av fotoner beror vanligtvis på källans intensitet, som sådant används dynamiskt omfång också för att beskriva intervallet mellan den ljusaste och svagaste möjliga källan som kan avbildas av en CCD.
4. Linjäritet:
Ett viktigt övervägande vid valet av CCD är vanligtvis dess förmåga att svara linjärt över ett stort antal ingångar. Vid avbildning, till exempel, om en CCD upptäcker 100 fotoner och omvandlar densamma till 100 elektroner (till exempel förutsatt att QE är 100%), förväntas det för linjär skull generera 10000 elektroner om det upptäcker 10000 fotoner. Värdet av linjäritet i CCD: er ligger i den reducerade komplexiteten hos de behandlingstekniker som används vid vägning och förstärkning av signalerna. Om CCD är linjär krävs en mindre mängd signalbehandling.
5. Kraft:
Beroende på applikation är ström ett viktigt övervägande för alla enheter, och det är vanligtvis ett smart beslut att använda en komponent med låg effekt. Detta är en av de saker som CCD-enheter ger applikationer. Medan kretsarna runt dem kan förbruka en betydande mängd effekt, är CCD-enheterna i sig själva låga, med typiska förbrukningsvärden runt 50 mW.
6. Buller:
CCD som alla analoga enheter är känsliga för brus, som sådan är en av de viktigaste egenskaperna för utvärdering av deras prestanda och kapacitet hur de hanterar buller. Det ultimata bruselementet som upplevs i CCD är Readout-bruset. Det är en produkt av elektronerna till spänningsomvandlingsprocessen och är en bidragande faktor till uppskattningen av CCD: s dynamiska område.
Tillämpningar av CCD: er
Laddkopplade enheter hittar applikationer inom olika områden inklusive;
1. Livsvetenskap:
CCD-baserade detektorer och kameror används i olika bildapplikationer och system inom biovetenskap och det medicinska området. Tillämpningarna i detta område är för stora för att nämna varenda en, men några specifika exempel inkluderar förmågan att ta bilder av celler med kontrasterande förbättringar applicerade, förmågan att samla bildprover som har dopats med fluoroforer (vilket får provet att fluorescera) och användas i avancerade röntgentomografisystem för att avbilda benstrukturer och mjukdelsprover.
2. Optisk mikroskopi:
Medan applikationerna inom biovetenskap inkluderar användning i mikroskop, är det viktigt att notera att mikroskopiapplikationerna inte är begränsade till det biovetenskapliga området. Optiska mikroskop av olika typer används i andra kogenta fält som; nanoteknik, livsmedelsvetenskap och kemi.
I de flesta applikationer för mikroskopi används CCD på grund av lågt brusförhållande, hög känslighet, hög rumslig upplösning och snabb provavbildning, vilket är viktigt för att analysera reaktioner som uppträder på mikroskopiska nivåer.
3. Astronomi:
Med mikroskopi används CCD-bilder för att avbilda små element men i astronomi används den för att fokusera bilderna på stora och långt borta föremål. Astronomi är en av de tidigaste tillämpningarna av CCD och objekt som sträcker sig från stjärnor, planeter, meteorer etc. har alla avbildats med CCD-baserade system.
4. Kommersiella kameror:
Billiga CCD-bildsensorer används i kommersiella kameror. CCD: erna har vanligtvis lägre kvalitet och prestanda jämfört med de som används inom astronomi och biovetenskap på grund av de billiga kraven för kommersiella kameror.