60-70-ті роки були наповнені блискучими відкриттями, винаходами та досягненнями в галузі технологій, особливо технологій пам'яті. Одне з ключових відкриттів того часу було зроблено Віллардом Бойлом та Джорджем Смітом, коли вони досліджували застосування технології метал-оксид-напівпровідник (MOS) для розвитку напівпровідникової "бульбашкової" пам'яті.
Команда виявила, що електричний заряд може зберігатися на крихітному конденсаторі MOS, який можна підключити таким чином, щоб заряд міг переходити від одного конденсатора до іншого. Це відкриття призвело до винаходу пристроїв із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), які спочатку були розроблені для обслуговування програм пам'яті, але тепер стали важливими компонентами вдосконалених систем формування зображень.
CCD (Charge Coupled Devices) - це високочутливий фотонний детектор, який використовується для переміщення зарядів зсередини пристрою в область, де його можна інтерпретувати або обробити як інформацію (наприклад, перетворення в цифрове значення).
У сьогоднішній статті ми розглянемо, як працюють ПЗС, програми, в яких вони розгорнуті, та їхні порівняльні переваги щодо інших технологій.
Що таке пристрій із зарядкою?
Простіше кажучи, пристрої, керовані зарядом, можна визначити як інтегральні схеми, що містять масив пов'язаних або пов'язаних елементів зберігання заряду (ємнісні бункери), спроектовані таким чином, що під контролем зовнішньої схеми електричний заряд зберігається в кожному конденсаторі можна перенести на сусідній конденсатор. Окисно-напівпровідникові конденсатори (MOS-конденсатори) зазвичай використовуються в ПЗС, і, подаючи зовнішню напругу на верхні пластини MOS-конструкції, заряди (електрони (e-) або дірки (h +)) можуть зберігатися в отриманих потенціал. Потім ці заряди можуть бути зміщені від одного конденсатора до іншого за допомогою цифрових імпульсів, що подаються на верхні пластини (затвори), і можуть передаватися ряд за рядком у послідовний вихідний регістр.
Працює пристрій із зарядкою
У роботі ПЗС є три етапи, і оскільки найпопулярнішим додатком останнім часом є Imaging, найкраще пояснити ці етапи стосовно зображення. Три етапи включають;
- Індукція заряду / збір
- Зарядка
- Вимірювання заряду
Індукція заряду / збір / зберігання:
Як зазначалося вище, ПЗЗ складаються з елементів накопичувача заряду, а тип накопичувального елемента та спосіб індукції / осадження заряду залежить від застосування. У візуалізації ПЗС складається з великої кількості світлочутливих матеріалів, розділених на невеликі ділянки (пікселі) і використовуються для створення зображення цікавої сцени. Коли світло, що кидається на сцену, відображається на ПЗС, фотон світла, що потрапляє в область, визначену одним з пікселів, перетворюється в один (або більше) електронів, кількість яких прямо пропорційна інтенсивності сцена на кожному пікселі, така що коли тактова частота ПЗС вимірюється, кількість електронів у кожному пікселі вимірюється і сцена може бути реконструйована.
На малюнку нижче показано дуже спрощений переріз крізь ПЗС.
З малюнка вище видно, що пікселі визначаються положенням електродів над ПЗС. Такий, що якщо до електрода прикласти позитивну напругу, позитивний потенціал приверне всі негативно заряджені електрони поблизу області під електродом. Крім того, будь-які позитивно заряджені дірки будуть відштовхуватися від області навколо електрода, і це призведе до розвитку "потенційної свердловини", де будуть зберігатися всі електрони, що утворюються вхідними фотонами.
Коли більше світла падає на ПЗС, «потенційна яма» стає сильнішою і притягує більше електронів, поки не буде досягнута «повна ємність ями» (кількість електронів, яку можна зберегти під пікселем). Для того, щоб забезпечити правильне зображення, наприклад, затвор використовується в камерах, щоб контролювати освітлення вчасно, щоб потенційна свердловина була заповнена, але її потужність не була перевищена, оскільки це може призвести до контрпродуктивності.
Час виведення заряду:
Топологія MOS, яка використовується у виробництві ПЗС, обмежує обсяг підготовки та обробки сигналу, який можна виконати на мікросхемі. Таким чином, заряди, як правило, повинні надходити до зовнішнього контуру кондиціонування, де виконується обробка.
Кожен піксель у ряді ПЗС зазвичай оснащений 3 електродами, як показано на зображенні, наведеному нижче:
Один з електродів використовується для створення потенційної свердловини для зберігання заряду, тоді як два інших використовуються для синхронізації зарядів.
Скажімо, заряд збирається під одним з електродів, як показано на малюнку нижче:
Щоб зарядити заряд із ПЗЗ, індукується нова потенційна свердловина, тримаючи IØ3 високо, що змушує розподіляти заряд між IØ2 і IØ3, як показано на зображенні нижче.
Далі IØ2 забирається низьким, і це призводить до повної передачі заряду на електрод IØ3.
Процес синхронізації триває, приймаючи IØ1 високим, що забезпечує розподіл заряду між IØ1 і IØ3, і, нарешті, беручи IØ3 низьким, тому заряд повністю переміщується під електроди IØ1.
Залежно від розташування / орієнтації електродів у ПЗС, цей процес буде продовжуватися, і заряд рухатиметься або по колонці, або по ряду, поки не дійде до останнього ряду, який зазвичай називають регістром зчитування.
Вимірювання заряду:
В кінці реєстру зчитування використовується підключена схема підсилювача для вимірювання величини кожного заряду і перетворює його в напругу із типовим коефіцієнтом перетворення близько 5-10 мкВ на електрон. У програмах візуалізації камера на основі CCD буде поставлятися з чіпом CCD разом з деякою іншою пов'язаною електронікою, але головне підсилювачем, який, перетворюючи заряд у напругу, допомагає оцифрувати пікселі до форми, яка може бути оброблена програмним забезпеченням, для отримання захопленого зображення.
Властивості ПЗС
Деякі властивості, що використовуються для опису продуктивності / якості / якості ПЗС:
1. Квантова ефективність:
Квантова ефективність відноситься до ефективності, з якою ПЗС набуває / зберігає заряд.
У візуалізації не всі фотони, що падають на піксельні площини, виявляються і перетворюються в електричний заряд. Відсоток фотографій, які успішно виявляються та перетворюються, відомий як Квантова ефективність. Найкращі ПЗЗ можуть досягти КЕ близько 80%. Для контексту квантова ефективність людського ока становить близько 20%.
2. Діапазон довжини хвилі:
ПЗС зазвичай мають широкий діапазон довжин хвиль, приблизно від 400 нм (синій) до приблизно 1050 нм (інфрачервоний) з піковою чутливістю близько 700 нм. Однак такі процеси, як зворотне стоншення, можуть бути використані для розширення діапазону довжин хвиль ПЗС.
3. Динамічний діапазон:
Динамічний діапазон ПЗС відноситься до мінімальної та максимальної кількості електронів, які можуть зберігатися в потенційній ямі. У типових ПЗЗ максимальна кількість електронів, як правило, становить близько 150 000, тоді як мінімум насправді може бути менше одного електрона в більшості налаштувань. Поняття динамічного діапазону можна краще пояснити з точки зору зображень. Як ми вже згадували раніше, коли світло падає на ПЗС, фотони перетворюються на електрони і всмоктуються в потенційну ямку, яка в певний момент стає насиченою. Кількість електронів, що виникає в результаті перетворення фотонів, зазвичай залежить від інтенсивності джерел, тому динамічний діапазон також використовується для опису діапазону між найяскравішим і найменш можливим джерелом, яке можна зобразити за допомогою ПЗЗ.
4. Лінійність:
Важливим фактором при виборі ПЗЗ є його здатність реагувати лінійно на широкий діапазон вхідних даних. Наприклад, у візуалізації, якщо ПЗС виявляє 100 фотонів і перетворює їх на 100 електронів (наприклад, якщо QE дорівнює 100%), то для лінійності передбачається генерувати 10000 електронів, якщо він виявить 10000 фотонів. Значення лінійності в ПЗЗ полягає у зменшенні складності технологій обробки, що використовуються при зважуванні та посиленні сигналів. Якщо ПЗС є лінійним, необхідна менша кількість кондиціонування сигналу.
5. Потужність:
Залежно від програми, живлення є важливим фактором для будь-якого пристрою, і використання компонента з низьким енергоспоживанням, як правило, є розумним рішенням. Це одна з речей, які ПЗС вносять у програми. Хоча схеми навколо них можуть споживати значну кількість енергії, самі ПЗС мають низьку потужність, типові значення споживання складають близько 50 мВт.
6. Шум:
Матриці CCD, як і всі аналогові пристрої, сприйнятливі до шуму, тому однією з основних властивостей оцінки їх продуктивності та ємності є те, як вони справляються з шумом. Кінцевим елементом шуму, який відчувається в CCD, є шум зчитування. Це добуток електронів до процесу перетворення напруги і є фактором, що сприяє оцінці динамічного діапазону ПЗС.
Застосування ПЗЗ
Пристрої, що мають зарядку, знаходять додатки в різних сферах, включаючи;
1. Науки про життя:
Детектори та камери, що базуються на ПЗЗ, використовуються в різноманітних програмах і системах формування зображень у науках про життя та медицині. Програми в цій галузі занадто широкі, щоб згадувати кожну окрему, але деякі конкретні приклади включають можливість робити зображення клітин із застосованими контрастними покращеннями, здатність збирати зразки зображень, леговані флюорофорами (що змушує зразок флуоресцировать) та використання в сучасних системах рентгенівської томографії для зображення кісткових структур та зразків м’яких тканин.
2. Оптична мікроскопія:
Хоча додатки в галузі наук про життя включають використання в мікроскопах, важливо зауважити, що програми мікроскопії не обмежуються лише сферою наук про життя. Оптичні мікроскопи різних типів використовуються в інших когентних полях, таких як; нанотехнологія, харчова наука та хімія.
У більшості застосувань мікроскопії ПЗС використовуються через низький коефіцієнт шуму, високу чутливість, високу просторову роздільну здатність та швидке зображення зразків, що важливо для аналізу реакцій, що відбуваються на мікроскопічних рівнях.
3. Астрономія:
За допомогою мікроскопії ПЗС використовуються для зображення крихітних елементів, але в астрономії він використовується для фокусування зображень великих та далеких об'єктів. Астрономія - одне з найперших застосувань ПЗЗ і об’єкти, починаючи від зірок, планет, метеорів тощо, всі були зображені за допомогою ПЗЗ-систем.
4. Комерційні камери:
Недорогі датчики CCD-зображення використовуються в комерційних камерах. ПЗС, як правило, мають нижчу якість та продуктивність порівняно з тими, що використовуються в астрономії та науках про життя через низьку вартість вимог до комерційних камер.