Πώς χρεώνεται

Η δεκαετία του '60 και του '70 ήταν γεμάτα χρόνια με λαμπρές ανακαλύψεις, εφευρέσεις και εξελίξεις στην τεχνολογία, ειδικά τεχνολογίες μνήμης. Μία από τις βασικές ανακαλύψεις εκείνη την εποχή έγινε από τους Willard Boyle και George Smith, καθώς εξερεύνησαν την εφαρμογή της τεχνολογίας μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού (MOS) για την ανάπτυξη μιας μνήμης «φυσαλίδων» ημιαγωγών.

Η ομάδα ανακάλυψε ότι ένα ηλεκτρικό φορτίο θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε έναν μικροσκοπικό πυκνωτή MOS, ο οποίος θα μπορούσε να συνδεθεί με τέτοιο τρόπο ώστε το φορτίο να μπορεί να μετακινηθεί από τον ένα πυκνωτή στον άλλο. Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε στην εφεύρεση συσκευών συζευγμένων με φορτίο (CCD), οι οποίες αρχικά είχαν σχεδιαστεί για να εξυπηρετούν εφαρμογές μνήμης, αλλά έχουν πλέον γίνει σημαντικά συστατικά προηγμένων συστημάτων απεικόνισης.

Το CCD (Charge Coupled Devices) είναι ένας εξαιρετικά ευαίσθητος ανιχνευτής φωτονίων που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά φορτίων από μια συσκευή σε μια περιοχή όπου μπορεί να ερμηνευτεί ή να υποβληθεί σε επεξεργασία ως πληροφορίες (π.χ. μετατροπή σε ψηφιακή τιμή).

Στο σημερινό άρθρο, θα εξετάσουμε τον τρόπο λειτουργίας των CCD, τις εφαρμογές στις οποίες αναπτύσσονται και τα συγκριτικά τους πλεονεκτήματα σε άλλες τεχνολογίες.

Τι είναι μια συσκευή συνδεδεμένη με φόρτιση;

Με απλούς όρους, συσκευές ελεγχόμενης φόρτισης μπορούν να οριστούν ως ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιέχουν μια σειρά συνδεδεμένων ή συζευγμένων στοιχείων αποθήκευσης φόρτισης (χωρητικοί κάδοι), σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε υπό τον έλεγχο εξωτερικού κυκλώματος, το ηλεκτρικό φορτίο να αποθηκεύεται σε κάθε πυκνωτή μπορεί να μετακινηθεί σε έναν γειτονικό πυκνωτή. Οι πυκνωτές μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγών (πυκνωτές MOS) χρησιμοποιούνται συνήθως σε CCD και με την εφαρμογή εξωτερικής τάσης στις κορυφαίες πλάκες της δομής MOS, φορτία (ηλεκτρόνια (e-) ή οπές (h +)) μπορούν να αποθηκευτούν στο προκύπτον δυνητικός. Αυτά τα φορτία μπορούν στη συνέχεια να μετατοπιστούν από έναν πυκνωτή σε έναν άλλο με ψηφιακούς παλμούς που εφαρμόζονται στις επάνω πλάκες (πύλες) και μπορούν να μεταφερθούν κατά σειρά σε σειριακό καταχωρητή εξόδου.

Εργασία συσκευής συνδεδεμένης φόρτισης

Υπάρχουν τρία στάδια που εμπλέκονται στη λειτουργία ενός CCD και δεδομένου ότι η πιο δημοφιλής εφαρμογή τα τελευταία χρόνια είναι η απεικόνιση, είναι καλύτερο να εξηγήσετε αυτά τα στάδια σε σχέση με την απεικόνιση. Τα τρία στάδια περιλαμβάνουν:

1. Εισαγωγή / Συλλογή χρεώσεων
2. Φόρτιση
3. Μέτρηση φόρτισης

Επαγωγή φόρτισης / Συλλογή / Αποθήκευση:

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι CCD αποτελούνται από στοιχεία αποθήκευσης φόρτισης και ο τύπος του στοιχείου αποθήκευσης και η μέθοδος επαγωγής / απόθεσης φορτίου εξαρτάται από την εφαρμογή. Στην απεικόνιση, το CCD αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό ευαίσθητων στο φως υλικών χωρισμένων σε μικρές περιοχές (pixel) και χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας εικόνας της σκηνής ενδιαφέροντος. Όταν το φως που ρίχνεται στη σκηνή αντανακλάται στο CCD, ένα φωτόνιο φωτός που εμπίπτει στην περιοχή που ορίζεται από ένα από τα εικονοστοιχεία θα μετατραπεί σε ένα (ή περισσότερα) ηλεκτρόνια, ο αριθμός των οποίων είναι άμεσα ανάλογος με την ένταση του σκηνή σε κάθε εικονοστοιχείο, έτσι ώστε όταν το CCD είναι χρονισμένο, μετράται ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε κάθε εικονοστοιχείο και η σκηνή μπορεί να ανακατασκευαστεί.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια πολύ απλοποιημένη διατομή μέσω ενός CCD.

Από την παραπάνω εικόνα, μπορεί να φανεί ότι τα pixel καθορίζονται από τη θέση των ηλεκτροδίων πάνω από το CCD. Με τέτοιο τρόπο ώστε εάν εφαρμόζεται θετική τάση στο ηλεκτρόδιο, το θετικό δυναμικό θα προσελκύσει όλα τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια κοντά στην περιοχή κάτω από το ηλεκτρόδιο. Επιπλέον, τυχόν θετικά φορτισμένες οπές θα απωθούνται από την περιοχή γύρω από το ηλεκτρόδιο και αυτό θα οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός «δυναμικού φρεατίου» όπου θα αποθηκεύονται όλα τα ηλεκτρόνια που παράγονται από τα εισερχόμενα φωτόνια.

Καθώς περισσότερο φως πέφτει στο CCD, το «δυναμικό φρεάτιο» γίνεται ισχυρότερο και προσελκύει περισσότερα ηλεκτρόνια έως ότου επιτευχθεί η «χωρητικότητα πλήρους φρεατίου» (ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να αποθηκευτούν κάτω από ένα pixel). Για να διασφαλιστεί ότι καταγράφεται μια σωστή εικόνα, ένα κλείστρο για παράδειγμα χρησιμοποιείται στις κάμερες για τον έλεγχο του φωτισμού με χρονισμό, έτσι ώστε να γεμίζει το πιθανό πηγάδι, αλλά η χωρητικότητά του δεν ξεπερνά καθώς θα μπορούσε να είναι αντιπαραγωγικό.

Χρέωση Clocking Out:

Η τοπολογία MOS που χρησιμοποιείται στην κατασκευή CCD περιορίζει την ποσότητα της επεξεργασίας σήματος και της επεξεργασίας που μπορεί να γίνει on-chip. Έτσι, οι χρεώσεις συνήθως πρέπει να χρονολογούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα κλιματισμού όπου γίνεται η επεξεργασία.

Κάθε εικονοστοιχείο σε μια σειρά CCD είναι συνήθως εξοπλισμένο με 3 ηλεκτρόδια όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Ένα από τα ηλεκτρόδια χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του δυναμικού πηγαδιού για αποθήκευση φόρτισης, ενώ τα άλλα δύο χρησιμοποιούνται στο χρονισμό εκτός φορτίου.

Ας πούμε ότι ένα φορτίο συλλέγεται κάτω από ένα από τα ηλεκτρόδια όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Για να ρυθμίσετε το φορτίο έξω από το CCD, προκαλείται ένα νέο πιθανό πηγάδι κρατώντας το υψηλό IØ3, το οποίο αναγκάζει την κατανομή της φόρτισης μεταξύ IØ2 και IØ3, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Έπειτα, το I2 είναι χαμηλό και αυτό οδηγεί σε πλήρη μεταφορά του φορτίου στο ηλεκτρόδιο I3.

Η διαδικασία χρονομέτρησης συνεχίζεται λαμβάνοντας το υψηλό IØ1, το οποίο διασφαλίζει ότι η φόρτιση μοιράζεται μεταξύ IØ1 και IØ3, και τελικά λαμβάνοντας χαμηλά IØ3 έτσι ώστε η φόρτιση να μετατοπίζεται πλήρως κάτω από τα ηλεκτρόδια Iodes1.

Ανάλογα με τη διάταξη / τον προσανατολισμό των ηλεκτροδίων στο CCD, αυτή η διαδικασία θα συνεχιστεί και το φορτίο θα μετακινηθεί είτε κάτω από τη στήλη είτε κατά μήκος της σειράς μέχρι να φτάσει στην τελική σειρά, που συνήθως αναφέρεται ως καταχωρητής ανάγνωσης.

Μέτρηση φόρτισης:

Στο τέλος του καταχωρητή ανάγνωσης, ένα συνδεδεμένο κύκλωμα ενισχυτή χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της τιμής κάθε φόρτισης και το μετατρέπει σε τάση με τυπικό συντελεστή μετατροπής περίπου 5-10 μV ανά ηλεκτρόνιο. Στις εφαρμογές απεικόνισης, μια κάμερα που βασίζεται σε CCD θα συνοδεύεται από το τσιπ CCD μαζί με κάποια άλλα σχετικά ηλεκτρονικά, αλλά το πιο σημαντικό είναι ο ενισχυτής, ο οποίος με τη μετατροπή της φόρτισης σε τάση βοηθά στην ψηφιοποίηση των pixel σε μια μορφή που μπορεί να επεξεργαστεί από το λογισμικό, για λήψη της εικόνας που τραβήχτηκε.

Ιδιότητες του CCD

Μερικές από τις ιδιότητες που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της απόδοσης / ποιότητας / βαθμού των CCD είναι:

1. Κβαντική απόδοση:

Η κβαντική απόδοση αναφέρεται στην αποδοτικότητα με την οποία ένα CCD αποκτά / αποθηκεύει μια χρέωση.

Στην απεικόνιση, δεν εντοπίζονται και μετατρέπονται όλα τα φωτόνια στα επίπεδα των pixel σε ηλεκτρικό φορτίο. Το ποσοστό των φωτογραφιών που εντοπίζονται και μετατρέπονται επιτυχώς είναι γνωστό ως Quantum Efficiency. Τα καλύτερα CCD μπορούν να επιτύχουν QE περίπου 80%. Για το πλαίσιο, η κβαντική απόδοση του ανθρώπινου ματιού είναι περίπου 20%.

2. Εύρος μήκους κύματος:

Οι CCD έχουν συνήθως ένα μεγάλο εύρος μήκους κύματος, από περίπου 400 nm (μπλε) έως περίπου 1050 nm (Infra-red) με ευαισθησία αιχμής στα περίπου 700 nm. Ωστόσο, διαδικασίες όπως η αραίωση της πλάτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επέκταση του εύρους μήκους κύματος ενός CCD.

3. Δυναμικό εύρος:

Το δυναμικό εύρος ενός CCD αναφέρεται στον ελάχιστο και τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων που μπορούν να αποθηκευτούν στο δυναμικό πηγάδι. Στα τυπικά CCD, ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων είναι συνήθως περίπου 150.000, ενώ το ελάχιστο μπορεί στην πραγματικότητα να είναι μικρότερο από ένα ηλεκτρόνιο στις περισσότερες ρυθμίσεις. Η έννοια του δυναμικού εύρους μπορεί να εξηγηθεί καλύτερα με όρους απεικόνισης. Όπως αναφέραμε νωρίτερα, όταν το φως πέφτει σε ένα CCD, τα φωτόνια μετατρέπονται σε ηλεκτρόνια και απορροφούνται στο δυναμικό πηγάδι το οποίο σε κάποιο σημείο γίνεται κορεσμένο. Η ποσότητα των ηλεκτρονίων που προκύπτει από τη μετατροπή των φωτονίων συνήθως εξαρτάται από την ένταση των πηγών, ως τέτοια, το δυναμικό εύρος χρησιμοποιείται επίσης για να περιγράψει το εύρος μεταξύ της φωτεινότερης και της αμυδρότερης πιθανής πηγής που μπορεί να απεικονιστεί από ένα CCD.

4. Γραμμικότητα:

Ένα σημαντικό ζήτημα στην επιλογή του CCD είναι συνήθως η ικανότητά του να αποκρίνεται γραμμικά σε ένα ευρύ φάσμα εισόδου. Στην απεικόνιση, για παράδειγμα, εάν ένα CCD ανιχνεύσει 100 φωτόνια και μετατρέψει το ίδιο σε 100 ηλεκτρόνια (για παράδειγμα, υποθέτοντας ότι το QE είναι 100%), τότε για λόγους γραμμικότητας, αναμένεται να παράγει 10000 ηλεκτρόνια εάν ανιχνεύσει 10000 φωτόνια. Η τιμή της γραμμικότητας σε CCD είναι στη μειωμένη πολυπλοκότητα των τεχνικών επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται για τη ζύγιση και την ενίσχυση των σημάτων. Εάν το CCD είναι γραμμικό, απαιτείται μικρότερη ποσότητα ρύθμισης σήματος.

5. Ισχύς:

Ανάλογα με την εφαρμογή, η ισχύς είναι ένα σημαντικό ζήτημα για οποιαδήποτε συσκευή και η χρήση εξαρτήματος χαμηλής ισχύος είναι συνήθως μια έξυπνη απόφαση. Αυτό είναι ένα από τα πράγματα που φέρνουν οι CCD στις εφαρμογές. Ενώ το κύκλωμα γύρω τους μπορεί να καταναλώνει σημαντική ποσότητα ισχύος, τα ίδια τα CCD είναι χαμηλής ισχύος, με τυπικές τιμές κατανάλωσης περίπου 50 mW.

6. Θόρυβος:

Οι CCD όπως όλες οι αναλογικές συσκευές είναι ευαίσθητες στον θόρυβο, ως τέτοια, μία από τις σημαντικότερες ιδιότητες για την αξιολόγηση της απόδοσης και της χωρητικότητάς τους είναι ο τρόπος αντιμετώπισης του θορύβου. Το απόλυτο στοιχείο θορύβου που υπάρχει στο CCD είναι ο θόρυβος Readout. Είναι ένα προϊόν των ηλεκτρονίων στη διαδικασία μετατροπής τάσης και είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει στην εκτίμηση του δυναμικού εύρους του CCD.

Εφαρμογές CCD

Οι συσκευές με σύνδεση φόρτισης βρίσκουν εφαρμογές σε διαφορετικά πεδία, όπως:

1. Επιστήμες της ζωής:

Οι ανιχνευτές και οι κάμερες που βασίζονται σε CCD χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές απεικόνισης και συστήματα στις βιοεπιστήμες και στον ιατρικό τομέα. Οι εφαρμογές σε αυτήν την περιοχή είναι υπερβολικά μεγάλες για να αναφέρουν κάθε μία, αλλά μερικά συγκεκριμένα παραδείγματα περιλαμβάνουν τη δυνατότητα λήψης εικόνων κυττάρων με αντίθετες βελτιώσεις που εφαρμόζονται, την ικανότητα συλλογής δειγμάτων εικόνας που έχουν προσβληθεί με φθοροφόρα (που προκαλούν το δείγμα να φθορίζει) και χρήση σε προηγμένα συστήματα τομογραφίας ακτίνων Χ για την απεικόνιση δομών οστών και δειγμάτων μαλακών ιστών.

2. Οπτική μικροσκοπία:

Ενώ οι εφαρμογές στις βιοεπιστήμες περιλαμβάνουν χρήση σε μικροσκόπια, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι εφαρμογές μικροσκοπίας δεν περιορίζονται στο πεδίο της επιστήμης της ζωής. Οπτικά μικροσκόπια διαφορετικών τύπων χρησιμοποιούνται σε άλλα πεδία όπως: νανοτεχνολογία μηχανική, επιστήμη τροφίμων και χημεία.

Στις περισσότερες εφαρμογές μικροσκοπίας, οι CCD χρησιμοποιούνται λόγω του χαμηλού λόγου θορύβου, της υψηλής ευαισθησίας, της υψηλής χωρικής ανάλυσης και της ταχείας απεικόνισης δείγματος, η οποία είναι σημαντική για την ανάλυση αντιδράσεων που εμφανίζονται σε μικροσκοπικά επίπεδα.

3. Αστρονομία:

Με τη μικροσκοπία, τα CCD χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση μικροσκοπικών στοιχείων, αλλά στην Αστρονομία χρησιμοποιούνται για την εστίαση των εικόνων μεγάλων και μακρινών αντικειμένων. Η αστρονομία είναι μια από τις πρώτες εφαρμογές CCD και αντικείμενα που κυμαίνονται από αστέρια, πλανήτες, μετεωρίτες κ.λπ. έχουν απεικονιστεί όλα με συστήματα CCD.

4. Εμπορικές κάμερες:

Οι αισθητήρες CCD Image χαμηλού κόστους χρησιμοποιούνται σε εμπορικές κάμερες. Τα CCD είναι συνήθως χαμηλότερης ποιότητας και απόδοσης σε σύγκριση με αυτά που χρησιμοποιούνται στην Αστρονομία και τις βιοεπιστήμες λόγω των απαιτήσεων χαμηλού κόστους για εμπορικές κάμερες.