- Şarjla Birleştirilmiş Cihaz nedir?
- Şarj Bağlantılı Cihazın Çalışması
- CCD'nin Özellikleri
- CCD uygulamaları
60'lar ve 70'ler, teknolojideki, özellikle bellek teknolojilerindeki parlak keşifler, icatlar ve ilerlemelerle dolu yıllardı. O zamanki en önemli keşiflerden biri, yarı iletken bir “balon” belleğin geliştirilmesi için metal-oksit-yarı iletken (MOS) teknolojisinin uygulamasını araştıran Willard Boyle ve George Smith tarafından yapılmıştır.
Ekip, bir elektrik yükünün küçük bir MOS Kapasitöründe depolanabileceğini keşfetti; bu, yükün bir kapasitörden diğerine geçebileceği şekilde bağlanabilir. Bu keşif, başlangıçta bellek uygulamalarına hizmet etmek için tasarlanmış, ancak şimdi gelişmiş görüntüleme sistemlerinin önemli bileşenleri haline gelen şarj bağlı cihazların (CCD) icat edilmesine yol açtı.
Bir CCD (Yük Birleştirilen Aygıtlar), yükleri bir aygıtın içinden, bilgi olarak yorumlanabileceği veya işlenebileceği bir alana (örneğin, bir dijital değere dönüştürme) taşımak için kullanılan oldukça hassas bir foton detektörüdür.
Bugünün makalesinde, CCD'lerin nasıl çalıştığını, uygulandıkları uygulamaları ve diğer teknolojilerle karşılaştırmalı avantajlarını inceleyeceğiz.
Şarjla Birleştirilmiş Cihaz nedir?
Basit bir ifadeyle, yük kontrollü cihazlar, harici bir devrenin kontrolü altında her bir kapasitörde depolanan elektrik yükü olacak şekilde tasarlanmış bir dizi bağlantılı veya birleştirilmiş, yük depolama elemanı (kapasitif bölmeler) içeren entegre devreler olarak tanımlanabilir. komşu bir kondansatöre taşınabilir. Metal Oksit-Yarıiletken kapasitörler (MOS kapasitörler) tipik olarak CCD'lerde kullanılır ve MOS yapısının üst plakalarına harici bir voltaj uygulayarak, ortaya çıkan yükler (elektronlar (e-) veya delikler (h +)) depolanabilir. potansiyel. Bu yükler daha sonra üst plakalara (kapılar) uygulanan dijital darbelerle bir kapasitörden diğerine kaydırılabilir ve sıra sıra bir seri çıkış kaydına aktarılabilir.
Şarj Bağlantılı Cihazın Çalışması
Bir CCD'nin çalışmasında üç aşama vardır ve son zamanlarda en popüler uygulama Görüntüleme olduğu için, bu aşamaları görüntüleme ile ilgili olarak açıklamak en iyisidir. Üç aşama şunları içerir;
- Şarj İndüksiyonu / Toplama
- Şarj Süresi Bitiyor
- Şarj Ölçümü
Şarj İndüksiyonu / Toplama / Depolama:
Yukarıda bahsedildiği gibi, CCD'ler yük depolama elemanlarından oluşur ve depolama elemanının tipi ve yük indüksiyonu / biriktirme yöntemi uygulamaya bağlıdır. Görüntülemede CCD, küçük alanlara (pikseller) bölünmüş çok sayıda ışığa duyarlı materyalden oluşur ve ilgilenilen sahnenin bir görüntüsünü oluşturmak için kullanılır. Olay yerine atılan ışık CCD'ye yansıtıldığında, piksellerden biri tarafından tanımlanan alan içine düşen bir ışık fotonu, sayısı doğrudan elektronun yoğunluğuyla orantılı olan bir (veya daha fazla) elektrona dönüştürülecektir. her pikseldeki sahne, öyle ki CCD'nin saati dışarı atıldığında, her pikseldeki elektron sayısı ölçülür ve sahne yeniden oluşturulabilir.
Aşağıdaki şekil bir CCD'den çok basitleştirilmiş bir enine kesiti göstermektedir.
Yukarıdaki görüntüden, piksellerin CCD'nin üzerindeki elektrotların konumu ile tanımlandığı görülebilir. Öyle ki elektroda pozitif voltaj uygulanırsa, pozitif potansiyel elektrotun altındaki alana yakın tüm negatif yüklü elektronları çekecektir. Ek olarak, herhangi bir pozitif yüklü delik, elektrot çevresindeki alandan itilecek ve bu, gelen fotonlar tarafından üretilen tüm elektronların depolanacağı bir "potansiyel kuyunun" gelişmesine yol açacaktır.
CCD'ye daha fazla ışık düştüğünde, "potansiyel kuyusu" daha güçlü hale gelir ve "tam kuyu kapasitesi" (bir piksel altında depolanabilen elektron sayısı) elde edilene kadar daha fazla elektron çeker. Uygun bir görüntünün yakalanmasını sağlamak için, örneğin kameralarda aydınlatmayı zamanlanmış bir şekilde kontrol etmek için bir deklanşör kullanılır, böylece potansiyel kuyu doldurulur, ancak bu, ters etki yapabileceği için kapasitesi aşılmaz.
Şarj Süresi Bitiyor:
CCD üretiminde kullanılan MOS topolojisi, çip üzerinde yapılabilecek sinyal koşullandırma ve işleme miktarını sınırlar. Bu nedenle, ücretlerin genellikle işlemenin yapıldığı harici bir koşullandırma devresine gönderilmesi gerekir.
Bir CCD'nin bir sırasındaki her piksel, aşağıda verilen görüntüde gösterildiği gibi tipik olarak 3 elektrotla donatılmıştır:
Elektrotlardan biri, yük depolama için potansiyel kuyunun oluşturulmasında kullanılırken, diğer ikisi de yüklerin saatini ölçmede kullanılır.
Aşağıdaki resimde gösterildiği gibi elektrotlardan birinin altında bir yük toplandığını varsayalım:
CCD'nin yükünü saatlemek için, IØ3 yüksek tutularak yeni bir potansiyel kuyusu indüklenir, bu da yükü aşağıdaki resimde gösterildiği gibi IØ2 ve IØ3 arasında paylaştırır.
Daha sonra, IØ2 düşük tutulur ve bu, yükün IØ3 elektrotuna tam transferine yol açar.
Yükün IØ1 ve IØ3 arasında paylaşılmasını sağlayan IØ1'i yüksek alarak ve son olarak IØ3'ü düşük alarak yükün IØ1 elektrotlarının altına tamamen kaydırılmasını sağlayarak saatleme işlemi devam eder.
CCD'deki elektrotların düzenine / yönüne bağlı olarak, bu işlem devam edecek ve yük, genellikle okuma yazmacı olarak anılan son sıraya ulaşana kadar ya sütun boyunca ya da sıra boyunca hareket edecektir.
Şarj Ölçümü:
Okuma yazmacının sonunda, her bir yükün değerini ölçmek için bağlı bir amplifikatör devresi kullanılır ve bunu elektron başına yaklaşık 5-10µV'luk tipik bir dönüştürme faktörüne sahip bir gerilime dönüştürür. Görüntüleme uygulamalarında, CCD tabanlı bir kamera, CCD yongasıyla birlikte diğer bazı elektroniklerle birlikte gelir, ancak en önemlisi, yükü voltaja dönüştürerek pikselleri yazılım tarafından işlenebilecek bir biçime dijitalleştirmeye yardımcı olan amplifikatör ile birlikte gelir. yakalanan görüntüyü elde etmek için.
CCD'nin Özellikleri
CCD'lerin performansını / kalitesini / derecesini açıklamada kullanılan özelliklerden bazıları şunlardır:
1. Kuantum Verimliliği:
Kuantum verimliliği, bir CCD'nin bir ücret aldığı / depoladığı verimliliği ifade eder.
Görüntülemede piksel düzlemlerine düşen tüm fotonlar algılanmaz ve elektrik yüküne dönüştürülmez. Başarıyla algılanan ve dönüştürülen fotoğrafların yüzdesi Kuantum Verimliliği olarak bilinir. En iyi CCD'ler, yaklaşık% 80'lik bir QE'ye ulaşabilir. Bağlam için, insan gözünün kuantum verimliliği yaklaşık% 20'dir.
2. Dalgaboyu Aralığı:
CCD'ler tipik olarak yaklaşık 400 nm (mavi) ila yaklaşık 1050 nm (Kızılötesi) arasında geniş bir dalga boyu aralığına sahiptir ve yaklaşık 700 nm'de bir tepe duyarlılığı vardır. Bununla birlikte, geri inceltme gibi işlemler bir CCD'nin dalga boyu aralığını genişletmek için kullanılabilir.
3. Dinamik Aralık:
Bir CCD'nin dinamik aralığı, potansiyel kuyusunda depolanabilecek minimum ve maksimum elektron sayısını ifade eder. Tipik CCD'lerde, maksimum elektron sayısı genellikle 150.000 civarındadır, ancak minimum çoğu ortamda aslında bir elektrondan daha az olabilir. Dinamik aralık kavramı, görüntüleme terimleriyle daha iyi açıklanabilir. Daha önce bahsettiğimiz gibi, ışık bir CCD'ye düştüğünde, fotonlar elektronlara dönüştürülür ve bir noktada doymuş hale gelen potansiyel kuyunun içine çekilir. Fotonların dönüştürülmesinden kaynaklanan elektron miktarı tipik olarak kaynakların yoğunluğuna bağlıdır, bu nedenle dinamik aralık, bir CCD tarafından görüntülenebilen en parlak ve en zayıf olası kaynak arasındaki aralığı tanımlamak için de kullanılır.
4. Doğrusallık:
CCD seçiminde önemli bir husus, genellikle geniş bir Girdi aralığında doğrusal yanıt verme yeteneğidir. Örneğin görüntülemede, eğer bir CCD 100 fotonu algılar ve aynısını 100 elektrona dönüştürürse (örneğin, QE'nin% 100 olduğu varsayılırsa), doğrusallık uğruna, 10000 foton algılarsa 10000 elektron üretmesi beklenir. CCD'lerdeki doğrusallığın değeri, sinyallerin tartılması ve yükseltilmesinde kullanılan işleme tekniklerinin azaltılmış karmaşıklığındadır. CCD doğrusal ise, daha az miktarda sinyal koşullandırma gerekir.
5. Güç:
Uygulamaya bağlı olarak, güç her cihaz için önemli bir husustur ve düşük güçlü bir bileşen kullanmak genellikle akıllıca bir karardır. Bu, CCD'lerin uygulamalara getirdiği şeylerden biridir. Çevrelerindeki devre önemli miktarda güç tüketebilirken, CCD'lerin kendileri düşük güçtedir ve tipik tüketim değerleri 50 mW civarındadır.
6. Gürültü:
Tüm analog cihazlar gibi CCD'ler de gürültüye duyarlıdır, bu nedenle performanslarının ve kapasitelerinin değerlendirilmesinde en önemli özelliklerden biri gürültüyle nasıl başa çıktıklarıdır. CCD'de deneyimlenen nihai gürültü öğesi Okuma gürültüsüdür. Elektronların voltaj dönüştürme işleminin bir ürünüdür ve CCD'nin dinamik aralığının tahminine katkıda bulunan bir faktördür.
CCD uygulamaları
Şarj bağlantılı cihazlar, aşağıdakiler dahil olmak üzere farklı alanlarda uygulamalar bulur;
1. Yaşam Bilimleri:
CCD tabanlı dedektörler ve kameralar, yaşam bilimleri ve tıp alanındaki çeşitli görüntüleme uygulamalarında ve sistemlerinde kullanılmaktadır. Bu alandaki uygulamalar, her birinden bahsetmek için çok geniştir, ancak bazı özel örnekler, uygulanan zıt iyileştirmelerle hücrelerin görüntülerini alma yeteneğini, floroforlarla katkılanmış görüntü örneklerini toplama yeteneğini (bu, numunenin floresan olmasına neden olur) içerir.) ve kemik yapılarını ve yumuşak doku örneklerini görüntülemek için gelişmiş X-ışını tomografi sistemlerinde kullanın.
2. Optik Mikroskopi:
Yaşam bilimleri kapsamındaki uygulamalar mikroskoplarda kullanımı içerirken, mikroskop uygulamalarının yaşam bilimleri alanıyla sınırlı olmadığına dikkat etmek önemlidir. Çeşitli türlerdeki optik mikroskoplar, aşağıdaki gibi diğer ikna edici alanlarda kullanılır; nanoteknoloji mühendisliği, gıda bilimi ve kimya.
Çoğu mikroskopi uygulamasında, mikroskobik seviyelerde meydana gelen reaksiyonları analiz etmek için önemli olan düşük gürültü oranı, yüksek hassasiyet, yüksek uzaysal çözünürlük ve hızlı örnek görüntüleme nedeniyle CCD'ler kullanılır.
3. Astronomi:
Mikroskopi ile CCD'ler küçük elementleri görüntülemek için kullanılır, ancak Astronomi'de büyük ve uzak nesnelerin görüntülerine odaklanmak için kullanılır. Astronomi, CCD'lerin en eski uygulamalarından biridir ve yıldızlar, gezegenler, göktaşları vb. Arasında değişen nesnelerin tümü CCD tabanlı sistemlerle görüntülenmiştir.
4. Ticari Kameralar:
Ticari kameralarda düşük maliyetli CCD Görüntü sensörleri kullanılmaktadır. CCD'ler, ticari kameralar için düşük maliyetli gereksinimler nedeniyle, Astronomi ve yaşam bilimlerinde kullanılanlara kıyasla genellikle daha düşük kalite ve performansa sahiptir.