Paano singil

Ang 60s at 70s ay mga taon na puno ng mga makikinang na tuklas, imbensyon, at pagsulong sa teknolohiya, lalo na ang mga teknolohiya sa memorya. Ang isa sa mga pangunahing natuklasan sa oras na iyon ay ginawa nina Willard Boyle at George Smith, habang sinisiyasat nila ang aplikasyon ng teknolohiyang metal – oxide – semiconductor (MOS) para sa pagpapaunlad ng memorya ng "bubble" na semiconductor.

Natuklasan ng koponan na ang isang singil sa kuryente ay maaaring itago sa isang maliit na MOS Capacitor, na maaaring konektado sa isang paraan na ang singil ay maaaring tumaas mula sa isang kapasitor patungo sa isa pa. Ang pagtuklas na ito ay humantong sa pag-imbento ng mga aparato na sinamahan ng singil (CCD), na orihinal na idinisenyo upang maghatid ng mga aplikasyon ng memorya, ngunit naging mahalagang sangkap ng advanced na mga imaging system.

Ang isang CCD (Charge Coupled Devices) ay isang sensitibong detektor ng photon na ginagamit sa paglipat ng mga singil mula sa loob ng isang aparato patungo sa isang lugar kung saan maaari itong mabigyang kahulugan o maproseso bilang impormasyon (hal. Ang pag-convert sa isang digital na halaga).

Sa artikulong ngayon, susuriin natin kung paano gumagana ang mga CCD, ang mga application kung saan sila naka-deploy, at ang kanilang mga mapaghahambing na kalamangan sa iba pang mga teknolohiya.

Ano ang isang Charge-Coupled Device?

Sa simpleng mga termino, ang mga aparato na kinokontrol ng singilin ay maaaring tukuyin bilang mga integrated circuit na naglalaman ng isang hanay ng mga naka-link o kaisa, mga elemento ng imbakan ng pagsingil (mga capacitive bins), na idinisenyo sa isang paraan na sa ilalim ng kontrol ng isang panlabas na circuit, ang singil ng kuryente na nakaimbak sa bawat kapasitor maaaring ilipat sa isang kalapit na kapasitor. Ang mga capacitor ng Metal-Oxide-Semiconductor (MOS capacitors) ay karaniwang ginagamit sa mga CCD, at sa pamamagitan ng paglalapat ng isang panlabas na boltahe sa tuktok na mga plato ng istraktura ng MOS, maaaring maiimbak ang mga singil (electron (e-) o butas (h +)) sa magresultang potensyal Ang mga pagsingil na ito ay maaaring ilipat mula sa isang kapasitor patungo sa isa pa sa pamamagitan ng mga digital na pulso na inilapat sa mga nangungunang plate (gate) at maaaring mailipat ng sunod-sunod sa isang serial output register.

Paggawa ng Charge-Coupled Device

Mayroong tatlong mga yugto na kasangkot sa pagpapatakbo ng isang CCD at dahil ang pinakatanyag na application sa mga kamakailang oras ay Imaging, Pinakamainam na ipaliwanag ang mga yugtong ito na may kaugnayan sa imaging. Ang tatlong yugto ay may kasamang;

1. Pagsingil sa Induction / Koleksyon
2. Pagsingil sa Clocking out
3. Pagsukat ng Singil

Charge Induction / Koleksyon / Imbakan:

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang mga CCD ay binubuo ng mga elemento ng pag-iimbak ng singil at ang uri ng elemento ng pag-iimbak at pamamaraan ng induction / deposition ng singil ay nakasalalay sa aplikasyon. Sa Imaging, ang CCD ay binubuo ng isang malaking bilang ng mga materyal na sensitibo sa ilaw na nahahati sa maliliit na lugar (mga pixel) at ginagamit upang bumuo ng isang imahe ng eksena ng interes. Kapag ang ilaw na itinapon sa pinangyarihan ay makikita sa CCD, ang isang poton ng ilaw na nahuhulog sa loob ng lugar na tinukoy ng isa sa mga pixel ay ipapalit sa isa (o higit pang) mga electron, ang bilang nito ay direktang proporsyonal sa tindi ng eksena sa bawat pixel, tulad ng kapag na-orasan ang CCD, ang bilang ng mga electron sa bawat pixel ay sinusukat at ang tanawin ay maaaring muling maitaguyod.

Ang figure sa ibaba ay nagpapakita ng isang pinasimple na cross-section sa pamamagitan ng isang CCD.

Mula sa imahe sa itaas, makikita na ang mga pixel ay tinukoy ng posisyon ng mga electrode sa itaas ng CCD. Tulad ng kung ang isang positibong boltahe ay inilalapat sa elektrod, ang positibong potensyal ay maaakit ang lahat ng mga negatibong sisingilin na mga electron na malapit sa lugar sa ilalim ng elektrod. Bilang karagdagan, ang anumang mga butas na positibong sisingilin ay itataboy mula sa lugar sa paligid ng elektrod at ito ay hahantong sa pagbuo ng isang "potensyal na balon" kung saan ang lahat ng mga electron na ginawa ng mga papasok na mga photon ay maiimbak.

Habang mas maraming ilaw ang bumabagsak sa CCD, ang "potensyal na balon" ay nagiging mas malakas at umaakit ng mas maraming mga electron hanggang sa makamit ang "buong kapasidad ng balon" (ang bilang ng mga electron na maaaring itago sa ilalim ng isang pixel). Upang matiyak na ang isang tamang imahe ay nakunan, ang isang shutter halimbawa ay ginagamit sa mga camera upang makontrol ang pag-iilaw sa isang inorasan na paraan upang ang potensyal na balon ay napunan ngunit ang kapasidad nito ay hindi lumampas na maaaring maging hindi makabunga.

Pagsingil sa Clocking Out:

Ang topology ng MOS na ginamit sa katha ng CCD ay nililimitahan ang dami ng signal conditioning at pagproseso na maaaring gawin sa-chip. Sa gayon, ang mga singil ay karaniwang kailangang mai-orasan sa isang panlabas na circuit ng pag-condition kung saan tapos ang pagproseso.

Ang bawat pixel sa isang hilera ng isang CCD ay karaniwang nilagyan ng 3 electrodes tulad ng nakalarawan sa imaheng ibinigay sa ibaba:

Ang isa sa mga electrode ay ginagamit sa paglikha ng potensyal na mahusay para sa pag-iimbak ng singil habang ang dalawa pa ay ginagamit sa pag-orasan nang walang singil.

Sabihin na ang isang pagsingil ay nakolekta sa ilalim ng isa sa mga electrode tulad ng isinalarawan sa imahe sa ibaba:

Upang mai-orasan ang pagsingil sa labas ng CCD, isang bagong potensyal na balon ay sapilitan sa pamamagitan ng pagpindot sa IØ3 mataas, na pinipilit ang pagsingil na maibahagi sa pagitan ng IØ2 at IØ3 tulad ng isinalarawan sa imahe sa ibaba.

Susunod, ang IØ2 ay nabawasan, at hahantong ito sa isang buong paglipat ng pagsingil sa elektrod na IØ3.

Ang proseso ng orasan ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng pagkuha ng mataas na IØ1, na tinitiyak na ang singil ay ibabahagi sa pagitan ng IØ1 at IØ3, at sa wakas ay kukuha ng mababang IØ3 kaya't ang pagsingil ay ganap na inilipat sa ilalim ng mga electrode ng IØ1.

Nakasalalay sa pag-aayos / oryentasyon ng mga electrode sa CCD, magpapatuloy ang prosesong ito at ang singil ay lilipat alinman sa pababa ng haligi o sa buong hilera hanggang sa maabot nito ang huling hilera, na karaniwang tinutukoy bilang readout register.

Pagsukat ng Singil:

Sa pagtatapos ng rehistro ng readout, ginagamit ang isang konektadong circuit ng amplifier upang masukat ang halaga ng bawat singil at i-convert ito sa isang boltahe na may isang tipikal na kadahilanan ng conversion na humigit-kumulang 5-10µV bawat electron. Sa mga aplikasyon ng imaging, ang isang kamera na nakabatay sa CCD ay may kasamang CCD chip kasama ang ilang iba pang nauugnay na electronics ngunit higit sa lahat ang amplifier, na sa pamamagitan ng pag-convert ng singil sa boltahe ay nakakatulong upang mai-digitize ang mga pixel sa isang form na maaaring maproseso ng software, upang makuha ang nakunan ng imahe.

Mga Katangian ng CCD

Ang ilan sa mga pag-aari na ginamit sa paglalarawan ng pagganap / kalidad / grade ng mga CCD ay:

1. Kahusayan sa Dami:

Ang kahusayan ng dami ay tumutukoy sa kahusayan kung saan nakakakuha / nag-iimbak ng pagsingil ang isang CCD.

Sa Imaging, hindi lahat ng mga photon na nahuhulog sa mga planong eroplano ng pixel ay napansin at na-convert sa isang singil sa kuryente. Ang porsyento ng mga larawan na matagumpay na napansin at na-convert ay kilala bilang Quantum Efficiency. Ang pinakamahusay na mga CCD ay maaaring makamit ang isang QE na halos 80%. Para sa konteksto, ang kabuuan na kahusayan ng mata ng tao ay nasa 20%.

2. Saklaw ng Wavelength:

Karaniwan ang mga CCD ay may malawak na saklaw ng haba ng daluyong, mula sa halos 400 nm (asul) hanggang sa 1050 nm (Infra-red) na may tuktok na pagkasensitibo sa paligid ng 700 nm. Gayunpaman, ang mga proseso tulad ng pagnipis sa likod ay maaaring magamit upang mapalawak ang saklaw ng haba ng haba ng haba ng isang CCD.

3. Dynamic na Saklaw:

Ang pabagu-bagong saklaw ng isang CCD ay tumutukoy sa minimum at ang maximum na bilang ng mga electron na maaaring maimbak sa potensyal na rin. Sa mga tipikal na CCD, ang maximum na bilang ng mga electron ay karaniwang nasa paligid ng 150,000, habang ang minimum ay maaaring talagang mas mababa sa isang electron sa karamihan ng mga setting. Ang konsepto ng pabagu-bagong saklaw ay maaaring mas mahusay na ipaliwanag sa mga term ng imaging. Tulad ng nabanggit namin kanina, kapag ang ilaw ay bumagsak sa isang CCD, ang mga photon ay ginawang electron at sinipsip sa potensyal na balon na sa ilang mga punto ay nabusog. Ang dami ng mga electron na nagreresulta mula sa pag-convert ng mga photon ay karaniwang nakasalalay sa kasidhian ng mga mapagkukunan, dahil dito, ginagamit din ang dinamikong saklaw upang ilarawan ang saklaw sa pagitan ng pinakamaliwanag at mahina na posibleng mapagkukunan na maaaring mai-imaging ng isang CCD.

4. Linya:

Ang isang mahalagang pagsasaalang-alang sa pagpili ng CCD ay karaniwang kakayahan nitong tumugon nang linear sa isang malawak na hanay ng Input. Halimbawa, sa imaging, kung ang isang CCD ay nakakakita ng 100 mga foton at binago ang pareho sa 100 mga electron (halimbawa, sa pag-aakalang QE ay 100%), kung gayon para sa linearity sake, inaasahan na makabuo ng 10000 electron kung nakakita ito ng 10000 na mga photon. Ang halaga ng linearity sa CCDs ay nasa nabawasan na pagiging kumplikado ng mga diskarte sa pagproseso na ginamit sa pagtimbang at pagpapalakas ng mga signal. Kung ang linear ay linear, isang mas kaunting halaga ng signal conditioning ang kinakailangan.

5. Lakas:

Nakasalalay sa application, ang kapangyarihan ay isang mahalagang pagsasaalang-alang para sa anumang aparato, at ang paggamit ng isang bahagi ng mababang lakas ay karaniwang isang matalinong desisyon. Ito ay isa sa mga bagay na dinala ng mga CCD sa mga application. Habang ang circuitry sa paligid ng mga ito ay maaaring ubusin ang isang makabuluhang halaga ng lakas, ang mga CCDs mismo ay mababa ang lakas, na may mga tipikal na halaga ng pagkonsumo sa paligid ng 50 mW.

6. Ingay:

Ang mga CCD tulad ng lahat ng mga analog na aparato ay madaling kapitan ng ingay, tulad nito, ang isa sa mga pangunahing katangian para sa pagsusuri ng kanilang pagganap at kakayahan ay kung paano nila haharapin ang ingay. Ang panghuli elemento ng ingay na naranasan sa CCD ay ang ingay sa Readout. Ito ay isang produkto ng mga electron sa proseso ng conversion ng boltahe at isang nag-aambag na kadahilanan sa pagtantya ng pabago-bagong saklaw ng CCD.

Ang mga aplikasyon ng CCDs

Ang mga aparato na isinama sa pagsingil ay nakakahanap ng mga application sa iba't ibang mga larangan kabilang ang;

1. Mga Agham sa Buhay:

Ang mga detektor at camera na nakabatay sa CCD ay ginagamit sa magkakaibang mga aplikasyon ng imaging at mga sistema sa mga agham sa buhay at larangan ng medisina. Ang mga aplikasyon sa lugar na ito ay masyadong malawak upang banggitin ang bawat solong isa, ngunit ang ilang mga tukoy na halimbawa ay kasama ang kakayahang kumuha ng mga imahe ng mga cell na may magkakaibang mga pagpapahusay na inilapat, ang kakayahang mangolekta ng mga sample ng imahe na na-doped ng fluorophores (na sanhi ng sample upang mag-fluoresce) at ginagamit sa mga advanced na X-ray tomography system upang imahen ang mga istruktura ng buto at mga sample ng malambot na tisyu.

2. Optical Mikroskopya:

Habang ang mga aplikasyon sa ilalim ng mga agham sa buhay ay may kasamang paggamit sa mga mikroskopyo, mahalagang tandaan na ang mga aplikasyon ng microscopy ay hindi limitado sa larangan ng agham sa buhay. Ang mga optikal na mikroskopyo ng magkakaibang uri ay ginagamit sa iba pang mga cogent na patlang tulad ng; nanotechnology engineering, science sa pagkain, at kimika.

Sa karamihan ng mga aplikasyon ng microscopy, ang mga CCD ay ginagamit dahil sa mababang ratio ng ingay, mataas na pagiging sensitibo, mataas na resolusyon sa spatial, at mabilis na sample ng imaging na mahalaga para sa pagsusuri ng mga reaksyon na nagaganap sa antas ng mikroskopiko.

3. Astronomiya:

Sa microscopy, ang mga CCD ay ginagamit upang imahen ang maliliit na elemento ngunit sa Astronomiya, ginagamit ito sa pagtuon ng mga imahe ng malalaki at malayong mga bagay. Ang Astronomiya ay isa sa mga pinakamaagang aplikasyon ng mga CCD at bagay na mula sa mga bituin, planeta, bulalakaw, atbp. Lahat ay na-imahin ng mga sistemang nakabatay sa CCD.

4. Mga Komersyal na Kamera:

Ginagamit ang mga murang sensor ng imahe ng CCD sa mga komersyal na kamera. Ang mga CCDs ay karaniwang may mas mababang kalidad at pagganap kumpara sa mga ginamit sa Astronomiya at mga agham sa buhay dahil sa mga kinakailangang murang gastos para sa mga komersyal na kamera.