Kuinka lataat

60- ja 70-luvut olivat vuosia täynnä loistavia löydöksiä, keksintöjä ja tekniikan, erityisesti muistiteknologian, edistystä. Willard Boyle ja George Smith tekivät yhden tärkeimmistä löydöistä tuolloin, kun he tutkivat metallioksidi-puolijohde (MOS) -teknologian soveltamista puolijohteisen "kuplamuistin" kehittämiseen.

Ryhmä havaitsi, että sähkövaraus voidaan tallentaa pieneen MOS-kondensaattoriin, joka voidaan liittää siten, että varaus voidaan astua pitkin kondensaattoria toiseen. Tämä löytö johti keksintöön latauskytketyt laitteet (CCD), jotka alun perin on suunniteltu palvelemaan muistisovelluksia, mutta joista on nyt tullut tärkeitä kehittyneiden kuvantamisjärjestelmien komponentteja.

CCD (Charge Coupled Devices) on erittäin herkkä fotonidetektori, jota käytetään siirtämään varauksia laitteen sisäpuolelta alueelle, jossa se voidaan tulkita tai käsitellä informaationa (esim. Muunnos digitaaliseksi arvoksi).

Tämän päivän artikkelissa tarkastelemme CCD-laitteiden toimintaa, sovelluksia, joihin niitä käytetään, ja niiden suhteellisia etuja muihin tekniikoihin nähden.

Mikä on latauskytketty laite?

Yksinkertaisesti sanottuna latausohjatut laitteet voidaan määritellä integroiduiksi piireiksi, jotka sisältävät joukon kytkettyjä tai kytkettyjä varauksen varastointielementtejä (kapasitiivisia säiliöitä), jotka on suunniteltu siten, että ulkoisen piirin ohjauksessa kuhunkin kondensaattoriin tallennettu sähkövaraus voidaan siirtää naapurikondensaattoriin. Metallioksidi-puolijohdekondensaattoreita (MOS-kondensaattoreita) käytetään tyypillisesti CCD: issä, ja johtamalla ulkoista jännitettä MOS-rakenteen ylälevyihin varaukset (elektronit (e-) tai reiät (h +)) voidaan tallentaa lopputulokseen. potentiaalia. Nämä varaukset voidaan sitten siirtää yhdestä kondensaattorista toiseen ylälevyihin (portteihin) kohdistetuilla digitaalisilla pulsseilla ja ne voidaan siirtää rivi riviltä sarjaliitäntärekisteriin.

Latauskytketyn laitteen toiminta

CCD: n toiminnassa on kolme vaihetta, ja koska viime aikojen suosituin sovellus on Imaging, on parasta selittää nämä vaiheet suhteessa kuvantamiseen. Kolme vaihetta sisältävät;

1. Latauksen induktio / kokoelma
2. Lataus kellotaajuus
3. Latauksen mittaus

Latauksen induktio / kerääminen / varastointi:

Kuten edellä mainittiin, CCD: t koostuvat varauksen varastointielementeistä, ja varastointielementin tyyppi ja latauksen induktio / kerrostustapa riippuvat sovelluksesta. Kuvankäsittelyssä CCD koostuu suuresta määrästä valoherkkiä materiaaleja, jotka on jaettu pienille alueille (pikseleiksi) ja joita käytetään rakentamaan mielenkiinnon kohteena oleva kuva. Kun kohtaukseen heitetty valo heijastuu CCD: hen, yhden pikselin määrittelemälle alueelle jäävä valon fotoni muunnetaan yhdeksi (tai useammaksi) elektroniksi, joiden määrä on suoraan verrannollinen valon voimakkuuteen. kohtaus jokaisessa pikselissä siten, että kun CCD on kellotettu, mitataan elektronien määrä kussakin pikselissä ja kohtaus voidaan rekonstruoida.

Alla oleva kuva esittää hyvin yksinkertaistetun poikkileikkauksen CCD: n läpi.

Yllä olevasta kuvasta voidaan nähdä, että pikselit määrittävät elektrodien sijainti CCD: n yläpuolella. Siten, että jos positiivista jännitettä syötetään elektrodiin, positiivinen potentiaali houkuttelee kaikki negatiivisesti varatut elektronit lähellä elektrodin alapuolista aluetta. Lisäksi kaikki positiivisesti varautuneet reiät työnnetään pois elektrodia ympäröivältä alueelta, mikä johtaa "potentiaalikaivon" kehittymiseen, johon kaikki saapuvien fotonien tuottamat elektronit varastoidaan.

Kun enemmän valoa putoaa CCD: lle, "potentiaalikaivo" tulee vahvemmaksi ja houkuttelee enemmän elektroneja, kunnes saavutetaan "koko kaivon kapasiteetti" (pikselin alle varastoitavien elektronien lukumäärä). Oikean kuvan kaappaamisen varmistamiseksi kameroissa käytetään esimerkiksi suljinta ohjaamaan valaistusta ajoitetulla tavalla siten, että potentiaalikaivo täyttyy, mutta sen kapasiteettia ei ylitetä, koska se voi olla haitallista.

Latauksen kello:

CCD-valmistuksessa käytetty MOS-topologia rajoittaa signaalinkäsittelyn ja prosessoinnin määrää, joka voidaan tehdä sirulla. Siten varaukset on yleensä kellotettava ulkoiseen ilmastointipiiriin, jossa käsittely suoritetaan.

Kukin CCD: n rivin pikseli on tyypillisesti varustettu 3 elektrodilla, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty:

Yhtä elektrodista käytetään potentiaalikaivon luomiseen varauksen varastointia varten, kun taas kahta muuta käytetään latausten tyhjentämiseen.

Oletetaan, että varaus kerätään jonkin elektrodin alla alla olevan kuvan mukaisesti:

Latauksen kellottamiseksi CCD: stä syntyy uusi potentiaalikaivo pitämällä IØ3 korkealla, mikä pakottaa varauksen jakamaan IØ2: n ja IØ3: n välillä, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Seuraavaksi IØ2 lasketaan matalaksi, mikä johtaa varauksen täydelliseen siirtymiseen elektrodiin IØ3.

Kellontaprosessi jatkuu ottamalla IØ1 korkeaksi, mikä varmistaa, että varaus jaetaan IØ1: n ja IØ3: n välillä, ja lopuksi ottamalla IØ3: n matalaksi, jotta varaus siirtyy kokonaan IØ1-elektrodien alle.

CCD: n elektrodien järjestelystä / suunnasta riippuen tämä prosessi jatkuu ja varaus liikkuu joko saraketta alaspäin tai rivin yli, kunnes se saavuttaa viimeisen rivin, jota yleensä kutsutaan lukurekisteriksi.

Latauksen mittaus:

Lukurekisterin lopussa kytkettyä vahvistinpiiriä käytetään mittaamaan kunkin varauksen arvo ja muuntaa se jännitteeksi, jonka tyypillinen muuntokerroin on noin 5-10 µV elektronia kohden. Kuvankäsittelysovelluksissa CCD-pohjaiseen kameraan tulee CCD-siru yhdessä jonkin muun siihen liittyvän elektroniikan kanssa, mutta ennen kaikkea vahvistin, joka muuntamalla varaus jännitteeksi auttaa pikseleitä digitalisoimaan muodossa, jota ohjelmisto voi käsitellä, saadaksesi otetun kuvan.

CCD: n ominaisuudet

Joitakin ominaisuuksia, joita käytetään CCD: n suorituskyvyn / laadun / laadun kuvaamisessa, ovat:

1. Kvanttitehokkuus:

Kvanttitehokkuus tarkoittaa tehokkuutta, jolla CCD hankkii / tallentaa varauksen.

Kuvankäsittelyssä kaikkia pikselitasoille putoavia fotoneja ei tunnisteta ja muuteta sähkövarauksi. Menestyksellisesti havaittujen ja muunnettujen valokuvien prosenttiosuus tunnetaan nimellä Kvanttitehokkuus. Parhaat CCD: t voivat saavuttaa QE: n, joka on noin 80%. Kontekstin osalta ihmissilmän kvanttitehokkuus on noin 20%.

2. Aallonpituusalue:

CCD: llä on tyypillisesti laaja aallonpituusalue, noin 400 nm: stä (sininen) - noin 1050 nm: iin (infrapuna), huippuherkkyyden ollessa noin 700 nm. Kuitenkin sellaisia ​​prosesseja kuin taaksepäin harvennus, voidaan käyttää CCD: n aallonpituusalueen pidentämiseen.

3. Dynaaminen alue:

CCD: n dynaaminen alue viittaa elektronien vähimmäis- ja enimmäismäärään, jotka voidaan varastoida potentiaalikaivoon. Tyypillisissä CCD-laitteissa elektronien enimmäismäärä on yleensä noin 150000, kun taas pienin voi olla pienempi kuin yksi elektroni useimmissa asetuksissa. Dynaamisen alueen käsite voidaan selittää paremmin kuvantamisen termeillä. Kuten aiemmin mainitsimme, kun valo putoaa CCD: lle, fotonit muuttuvat elektroneiksi ja imetään potentiaalikaivoon, joka jossain vaiheessa kyllästyy. Fotonien muuntamisesta johtuva elektronien määrä riippuu tyypillisesti lähteiden voimakkuudesta, sellaisenaan dynaamista aluetta käytetään myös kuvaamaan kirkkaimman ja heikoimman mahdollisen lähteen välinen alue, jonka CCD voi kuvata.

4. Lineaarisuus:

Tärkeä näkökohta CCD: n valinnassa on yleensä sen kyky reagoida lineaarisesti laajalla tuloalueella. Esimerkiksi kuvantamisessa, jos CCD havaitsee 100 fotonia ja muuntaa saman 100 elektroniksi (esimerkiksi olettaen, että QE on 100%), niin lineaarisuuden vuoksi sen odotetaan tuottavan 10000 elektronia, jos se havaitsee 10000 fotonia. Lineaarisuuden arvo CCD: ssä on signaalien punnitsemiseen ja vahvistamiseen käytettyjen prosessointitekniikoiden vähentyneessä monimutkaisuudessa. Jos CCD on lineaarinen, tarvitaan pienempi määrä signaalin säätöä.

5. Teho:

Sovelluksesta riippuen virta on tärkeä näkökohta kaikille laitteille, ja pienitehoisen komponentin käyttö on yleensä älykäs päätös. Tämä on yksi niistä asioista, joita CCD-laitteet tuovat sovelluksiin. Vaikka ympäröivät piirit saattavat kuluttaa merkittävän määrän virtaa, CCD: t itse ovat pienitehoisia ja tyypilliset kulutusarvot ovat noin 50 mW.

6. Melu:

CCD: t, kuten kaikki analogiset laitteet, ovat alttiita melulle, sinänsä yksi niiden suorituskyvyn ja kapasiteetin arvioinnin tärkeimmistä ominaisuuksista on se, miten ne käsittelevät melua. CCD: ssä kokenut äärimmäinen kohinaelementti on lukuhälytys. Se on elektronien tulo jännitteenmuunnosprosessissa ja on vaikuttava tekijä CCD: n dynaamisen alueen arvioimisessa.

CCD-laitteiden sovellukset

Latauskytketyt laitteet löytävät sovelluksia eri aloilta, mukaan lukien;

1. Biotieteet:

CCD-pohjaisia ​​ilmaisimia ja kameroita käytetään erilaisissa kuvantamisen sovelluksissa ja järjestelmissä biotieteissä ja lääketieteessä. Tämän alueen sovellukset ovat liian laajoja mainita jokainen yksittäinen, mutta joitain erityisiä esimerkkejä ovat kyky ottaa kuvia soluista, joissa on kontrastisia parannuksia, kyky kerätä kuvanäytteitä, joihin on seostettu fluoroforeja (jotka saavat näytteen fluoresoimaan)) ja käyttää kehittyneissä röntgentomografiajärjestelmissä luurakenteiden ja pehmytkudosnäytteiden kuvaamiseen.

2. Optinen mikroskopia:

Vaikka biotieteiden sovelluksiin sisältyy käyttö mikroskoopeissa, on tärkeää huomata, että mikroskopiasovellukset eivät rajoitu biotieteiden alaan. Erilaisia ​​optisia mikroskooppeja käytetään muilla voimakkailla kentillä, kuten; nanoteknologian suunnittelu, elintarviketiede ja kemia.

Useimmissa mikroskopiasovelluksissa CCD: itä käytetään matalan melusuhteen, korkean herkkyyden, korkean spatiaalisen resoluution ja nopean näytekuvantamisen ansiosta, mikä on tärkeää mikroskooppitasoilla tapahtuvien reaktioiden analysoinnissa.

3. Tähtitiede:

Mikroskopian avulla CCD-elementtejä käytetään pienten elementtien kuvaamiseen, mutta tähtitieteessä sitä käytetään suurten ja kaukana olevien esineiden kuvien tarkentamiseen. Tähtitiede on yksi varhaisimmista CCD-laitteiden sovelluksista, ja tähdet, planeetat, meteorit jne. Vaihtelevat kohteet on kaikki kuvattu CCD-pohjaisilla järjestelmillä.

4. Kaupalliset kamerat:

Edullisia CCD-kuvakennoja käytetään kaupallisissa kameroissa. CCD: t ovat yleensä huonompaa laatua ja suorituskykyä verrattuna tähtitieteessä ja biotieteissä käytettyihin, koska kaupallisten kameroiden vaatimukset ovat edulliset.