Hoe opladen

De jaren 60 en 70 waren jaren gevuld met briljante ontdekkingen, uitvindingen en technologische vooruitgang, vooral geheugentechnologieën. Een van de belangrijkste ontdekkingen in die tijd werd gedaan door Willard Boyle en George Smith, die de toepassing van de metaal-oxide-halfgeleidertechnologie (MOS) verkenden voor de ontwikkeling van een halfgeleider- "bellen" -geheugen.

Het team ontdekte dat een elektrische lading kan worden opgeslagen op een kleine MOS-condensator, die zo kan worden aangesloten dat de lading van de ene condensator naar de andere kan worden geleid. Deze ontdekking leidde tot de uitvinding van ladingsgekoppelde apparaten (CCD), die oorspronkelijk waren ontworpen voor geheugentoepassingen, maar nu belangrijke componenten zijn geworden van geavanceerde beeldvormingssystemen.

Een CCD (Charge Coupled Devices) is een zeer gevoelige fotonendetector die wordt gebruikt om ladingen te verplaatsen van binnen een apparaat naar een gebied waar het kan worden geïnterpreteerd of verwerkt als informatie (bijvoorbeeld omzetting in een digitale waarde).

In het artikel van vandaag zullen we onderzoeken hoe CCD's werken, de toepassingen waarin ze worden ingezet en hun relatieve voordelen ten opzichte van andere technologieën.

Wat is een ladingsgekoppeld apparaat?

In eenvoudige bewoordingen kunnen ladingsgestuurde apparaten worden gedefinieerd als geïntegreerde schakelingen die een reeks gekoppelde of gekoppelde ladingsopslagelementen (capacitieve bakken) bevatten, zo ontworpen dat onder de controle van een extern circuit de elektrische lading die in elke condensator is opgeslagen kan worden verplaatst naar een naburige condensator. Metaaloxide-halfgeleidercondensatoren (MOS-condensatoren) worden meestal gebruikt in CCD's, en door een externe spanning aan te leggen op de bovenplaten van de MOS-structuur, kunnen ladingen (elektronen (e-) of gaten (h +)) worden opgeslagen in de resulterende potentieel. Deze ladingen kunnen vervolgens van de ene condensator naar de andere worden verschoven door digitale pulsen die aan de bovenplaten (poorten) worden toegevoerd en kunnen rij voor rij worden overgedragen naar een serieel uitgangsregister.

Werking van een ladingsgekoppeld apparaat

Er zijn drie fasen betrokken bij de werking van een CCD en aangezien de meest populaire toepassing van de laatste tijd Imaging is, is het het beste om deze fasen uit te leggen in relatie tot beeldvorming. De drie fasen omvatten;

1. Oplaadinductie / -verzameling
2. Opladen uitklokken
3. Ladingsmeting

Oplaadinductie / verzameling / opslag:

Zoals hierboven vermeld, bestaan ​​CCD's uit ladingsopslagelementen en het type opslagelement en de methode van ladingsinductie / -depositie zijn afhankelijk van de toepassing. Bij Imaging bestaat de CCD uit een groot aantal lichtgevoelige materialen die zijn onderverdeeld in kleine gebieden (pixels) en worden gebruikt om een ​​beeld op te bouwen van de scène die u interesseert. Wanneer licht dat op de scène wordt geworpen wordt gereflecteerd op de CCD, wordt een foton van licht dat binnen het gebied valt dat door een van de pixels wordt bepaald, omgezet in een (of meer) elektronen, waarvan het aantal recht evenredig is met de intensiteit van de scène bij elke pixel, zodat wanneer de CCD wordt uitgeklokt, het aantal elektronen in elke pixel wordt gemeten en de scène kan worden gereconstrueerd.

De onderstaande figuur toont een zeer vereenvoudigde doorsnede door een CCD.

Uit de bovenstaande afbeelding blijkt dat de pixels worden bepaald door de positie van elektroden boven de CCD. Zodanig dat als een positieve spanning op de elektrode wordt aangelegd, de positieve potentiaal alle negatief geladen elektronen zal aantrekken dichtbij het gebied onder de elektrode. Bovendien zullen eventuele positief geladen gaten uit het gebied rond de elektrode worden afgestoten en dit zal leiden tot de ontwikkeling van een "potentiaalput" waar alle elektronen die door inkomende fotonen worden geproduceerd, worden opgeslagen.

Naarmate er meer licht op de CCD valt, wordt de "potentiële put" sterker en worden meer elektronen aangetrokken totdat de "volledige putcapaciteit" (het aantal elektronen dat onder een pixel kan worden opgeslagen) is bereikt. Om ervoor te zorgen dat een goed beeld wordt vastgelegd, wordt bijvoorbeeld een sluiter gebruikt in camera's om de verlichting op een getimede manier te regelen, zodat de potentiële put wordt gevuld maar de capaciteit ervan niet wordt overschreden, omdat dat contraproductief kan zijn.

Kosten uitklokken:

De MOS-topologie die bij de fabricage van CCD's wordt gebruikt, beperkt de hoeveelheid signaalconditionering en -verwerking die op de chip kan worden uitgevoerd. Daarom moeten ladingen meestal worden geklokt naar een extern conditioneringscircuit waar de verwerking wordt uitgevoerd.

Elke pixel in een rij van een CCD is typisch uitgerust met 3 elektroden, zoals geïllustreerd in de onderstaande afbeelding:

Een van de elektroden wordt gebruikt bij het creëren van de potentiaalput voor ladingsopslag, terwijl de andere twee worden gebruikt voor het uitklokken van ladingen.

Stel dat er een lading wordt verzameld onder een van de elektroden, zoals geïllustreerd in de onderstaande afbeelding:

Om de lading uit de CCD te klokken, wordt een nieuwe potentiaalbron geïnduceerd door IØ3 hoog te houden, waardoor de lading wordt gedeeld tussen IØ2 en IØ3, zoals geïllustreerd in de onderstaande afbeelding.

Vervolgens wordt IØ2 laag genomen, en dit leidt tot een volledige overdracht van de lading naar de elektrode IØ3.

Het uitklokken gaat verder door IØ1 hoog te nemen, wat ervoor zorgt dat de lading wordt gedeeld tussen IØ1 en IØ3, en uiteindelijk IØ3 laag te nemen, zodat de lading volledig onder de IØ1 elektroden wordt verschoven.

Afhankelijk van de opstelling / oriëntatie van de elektroden in de CCD, zal dit proces doorgaan en zal de lading ofwel langs de kolom ofwel over de rij bewegen totdat deze de laatste rij bereikt, meestal aangeduid als het uitleesregister.

Ladingsmeting:

Aan het einde van het uitleesregister wordt een aangesloten versterkerschakeling gebruikt om de waarde van elke lading te meten en deze om te zetten in een spanning met een typische conversiefactor van ongeveer 5-10 µV per elektron. Bij beeldverwerkingstoepassingen wordt een op CCD gebaseerde camera geleverd met de CCD-chip samen met een aantal andere bijbehorende elektronica, maar vooral de versterker, die door de lading in spanning om te zetten, helpt om de pixels te digitaliseren tot een vorm die door de software kan worden verwerkt, om het vastgelegde beeld te verkrijgen.

Eigenschappen van CCD

Enkele van de eigenschappen die worden gebruikt bij het beschrijven van de prestaties / kwaliteit / kwaliteit van CCD's zijn:

1. Kwantumefficiëntie:

Kwantumefficiëntie verwijst naar de efficiëntie waarmee een CCD een lading verwerft / opslaat.

Bij Imaging worden niet alle fotonen die op de pixelvlakken vallen, gedetecteerd en omgezet in een elektrische lading. Het percentage foto's dat met succes is gedetecteerd en geconverteerd, staat bekend als Quantum Efficiency. De beste CCD's kunnen een QE van ongeveer 80% behalen. Context: de kwantumefficiëntie van het menselijk oog is ongeveer 20%.

2. Golflengtebereik:

CCD's hebben typisch een breed golflengtebereik, van ongeveer 400 nm (blauw) tot ongeveer 1050 nm (infrarood) met een piekgevoeligheid rond 700 nm. Processen zoals rugverdunning kunnen echter worden gebruikt om het golflengtebereik van een CCD uit te breiden.

3. Dynamisch bereik:

Het dynamisch bereik van een CCD verwijst naar het minimum en het maximum aantal elektronen dat in de potentiaalput kan worden opgeslagen. In typische CCD's is het maximale aantal elektronen meestal ongeveer 150.000, terwijl het minimum in de meeste instellingen in feite minder dan één elektron kan zijn. Het concept van dynamisch bereik kan misschien beter worden uitgelegd in beeldvormende termen. Zoals we eerder al zeiden, wanneer er licht op een CCD valt, worden de fotonen omgezet in elektronen en in de potentiaalput gezogen die op een gegeven moment verzadigd raakt. De hoeveelheid elektronen die het resultaat is van de conversie van fotonen hangt meestal af van de intensiteit van de bronnen, daarom wordt dynamisch bereik ook gebruikt om het bereik te beschrijven tussen de helderste en de zwakste mogelijke bron die kan worden afgebeeld met een CCD.

4. Lineariteit:

Een belangrijke overweging bij de selectie van CCD is meestal het vermogen om lineair te reageren over een breed ingangsbereik. Als bij beeldvorming bijvoorbeeld een CCD 100 fotonen detecteert en deze omzet in 100 elektronen (bijvoorbeeld, aangenomen dat QE 100% is), dan wordt er omwille van de lineariteit verwacht dat deze 10.000 elektronen genereert als hij 10.000 fotonen detecteert. De waarde van lineariteit in CCD's ligt in de verminderde complexiteit van de verwerkingstechnieken die worden gebruikt bij het wegen en versterken van de signalen. Als de CCD lineair is, is een kleinere hoeveelheid signaalconditionering vereist.

5. vermogen:

Afhankelijk van de toepassing is vermogen een belangrijke overweging voor elk apparaat, en het gebruik van een laagvermogencomponent is meestal een slimme beslissing. Dit is een van de dingen die CCD's naar toepassingen brengen. Hoewel de circuits eromheen een aanzienlijke hoeveelheid stroom kunnen verbruiken, hebben CCD's zelf een laag stroomverbruik, met typische verbruikswaarden rond de 50 mW.

6. Geluid:

CCD's zijn net als alle analoge apparaten gevoelig voor ruis. Een van de belangrijkste eigenschappen voor de evaluatie van hun prestaties en capaciteit is hoe ze omgaan met ruis. Het ultieme ruiselement dat bij CCD wordt ervaren, is de uitleesruis. Het is een product van de elektronen in het spanningsomzettingsproces en draagt ​​bij aan de schatting van het dynamische bereik van de CCD.

Toepassingen van CCD's

Oplaadgekoppelde apparaten vinden toepassingen op verschillende gebieden, waaronder;

1. Levenswetenschappen:

Op CCD gebaseerde detectoren en camera's worden gebruikt in diverse beeldvormende toepassingen en systemen in de levenswetenschappen en de medische wereld. De toepassingen op dit gebied zijn te uitgebreid om ze allemaal op te noemen, maar enkele specifieke voorbeelden zijn onder meer de mogelijkheid om afbeeldingen te maken van cellen waarop contrasterende verbeteringen zijn toegepast, de mogelijkheid om beeldmonsters te verzamelen die zijn gedoteerd met fluoroforen (waardoor het monster fluoresceert) en gebruik in geavanceerde röntgentomografiesystemen om botstructuren en monsters van zacht weefsel af te beelden.

2. Optische microscopie:

Hoewel de toepassingen in de biowetenschappen het gebruik in microscopen omvatten, is het belangrijk op te merken dat de toepassingen van microscopie niet beperkt zijn tot het gebied van de biowetenschappen. Diverse soorten optische microscopen worden op andere overtuigende gebieden gebruikt, zoals; nanotechnologie-engineering, voedingswetenschap en chemie.

Bij de meeste microscopietoepassingen worden CCD's gebruikt vanwege de lage ruisverhouding, hoge gevoeligheid, hoge ruimtelijke resolutie en snelle monsterbeeldvorming, wat belangrijk is voor het analyseren van reacties die optreden op microscopisch niveau.

3. Astronomie:

Met microscopie worden CCD's gebruikt om kleine elementen in beeld te brengen, maar in de astronomie wordt het gebruikt om de beelden van grote en verre objecten scherp te stellen. Astronomie is een van de eerste toepassingen van CCD's en objecten variërend van sterren, planeten, meteoren, etc. zijn allemaal in beeld gebracht met op CCD gebaseerde systemen.

4. Commerciële camera's:

Goedkope CCD-beeldsensoren worden gebruikt in commerciële camera's. De CCD's zijn doorgaans van mindere kwaliteit en prestaties in vergelijking met de CCD's die worden gebruikt in de astronomie en biowetenschappen vanwege de lage kostenvereisten voor commerciële camera's.