Tahun 60an dan 70an dipenuhi dengan penemuan, penemuan, dan kemajuan teknologi yang cemerlang, terutamanya teknologi memori. Salah satu penemuan penting pada masa itu dibuat oleh Willard Boyle dan George Smith, ketika mereka meneroka aplikasi teknologi logam-oksida-semikonduktor (MOS) untuk pengembangan memori "gelembung" semikonduktor.
Pasukan itu mendapati bahawa cas elektrik dapat disimpan pada Kapasitor MOS kecil, yang dapat dihubungkan sedemikian rupa sehingga cas dapat diturunkan dari satu kapasitor ke yang lain. Penemuan ini membawa kepada penemuan peranti berpasangan cas (CCD), yang pada asalnya dirancang untuk melayani aplikasi memori, tetapi kini telah menjadi komponen penting dalam sistem pencitraan canggih.
CCD (Charge Coupled Devices) adalah alat pengesan foton yang sangat sensitif yang digunakan dalam memindahkan caj dari dalam peranti ke kawasan di mana ia dapat ditafsirkan atau diproses sebagai maklumat (contohnya penukaran menjadi nilai digital).
Dalam artikel hari ini, kita akan mengkaji bagaimana CCD berfungsi, aplikasi di mana ia digunakan, dan kelebihan perbandingannya dengan teknologi lain.
Apa itu Perisian Bercas?
Secara ringkas, peranti yang dikawal cas dapat didefinisikan sebagai litar bersepadu yang mengandungi susunan elemen penyimpanan cas yang dipasangkan atau digabungkan (tong kapasitif), yang dirancang sedemikian rupa sehingga di bawah kawalan litar luaran, cas elektrik disimpan di setiap kapasitor boleh dipindahkan ke kapasitor yang berdekatan. Kapasitor Logam-Oksida-Semikonduktor (kapasitor MOS) biasanya digunakan dalam CCD, dan dengan menerapkan voltan luaran ke plat atas struktur MOS, cas (elektron (e-) atau lubang (h +)) dapat disimpan pada hasil yang dihasilkan potensi. Caj ini kemudian dapat dialihkan dari satu kapasitor ke kapasitor yang lain dengan denyutan digital yang diterapkan pada plat atas (gerbang) dan dapat dipindahkan satu demi satu ke daftar output siri.
Mengendalikan Perisian Bercas
Terdapat tiga tahap yang terlibat dalam pengoperasian CCD dan kerana aplikasi yang paling popular sejak kebelakangan ini adalah Pengimejan, lebih baik menerangkan tahap-tahap ini berkaitan dengan pengimejan. Tiga peringkat tersebut merangkumi;
- Induksi / Pengumpulan Caj
- Cas keluar
- Pengukuran Caj
Caj Induksi / Pengumpulan / Penyimpanan:
Seperti disebutkan di atas, CCD terdiri dari elemen penyimpanan cas dan jenis elemen penyimpanan dan metode induksi / pemendapan caj bergantung pada aplikasi. Dalam Pengimejan, CCD terdiri dari sebilangan besar bahan sensitif cahaya yang dibagi menjadi area kecil (piksel) dan digunakan untuk membangun gambar pemandangan yang menarik. Apabila cahaya yang dilemparkan ke tempat kejadian dipantulkan pada CCD, foton cahaya yang berada di dalam kawasan yang ditentukan oleh salah satu piksel akan ditukar menjadi satu (atau lebih) elektron, jumlahnya berbanding lurus dengan intensiti pemandangan di setiap piksel, sehingga ketika CCD habis, jumlah elektron dalam setiap piksel diukur dan pemandangan dapat direkonstruksi.
Gambar di bawah menunjukkan keratan rentas yang sangat mudah melalui CCD.
Dari gambar di atas, dapat dilihat bahawa piksel ditentukan oleh kedudukan elektrod di atas CCD. Sehingga jika voltan positif diterapkan pada elektrod, potensi positif akan menarik semua elektron bercas negatif yang dekat dengan kawasan di bawah elektrod. Sebagai tambahan, setiap lubang yang bermuatan positif akan ditolak dari kawasan di sekitar elektrod dan ini akan menyebabkan pengembangan "sumur berpotensi" di mana semua elektron yang dihasilkan oleh foton masuk akan disimpan.
Ketika lebih banyak cahaya jatuh pada CCD, "sumur berpotensi" menjadi lebih kuat dan menarik lebih banyak elektron sehingga "kapasiti telaga penuh" (jumlah elektron yang dapat disimpan di bawah piksel) tercapai. Untuk memastikan gambar yang tepat ditangkap, rana misalnya digunakan pada kamera untuk mengendalikan pencahayaan dalam waktu yang tepat sehingga potensi sumur diisi tetapi kapasitasnya tidak dilampaui kerana boleh menjadi kontraproduktif.
Caj Clocking Out:
Topologi MOS yang digunakan dalam fabrikasi CCD menghadkan jumlah penyaman dan pemprosesan isyarat yang dapat dilakukan secara on-chip. Oleh itu, caj biasanya perlu dihitung ke litar penyaman luaran di mana pemprosesan dilakukan.
Setiap piksel berturut-turut CCD biasanya dilengkapi dengan 3 elektrod seperti yang digambarkan dalam gambar yang diberikan di bawah:
Salah satu elektrod digunakan dalam penciptaan sumur berpotensi untuk penyimpanan caj sementara dua yang lain digunakan dalam masa pengecasan.
Katakan caj dikumpulkan di bawah salah satu elektrod seperti yang digambarkan dalam gambar di bawah:
Untuk mengecas caj keluar dari CCD, sumur potensial baru disebabkan oleh menahan tinggi IØ3, yang memaksa caj dibagi antara IØ2 dan IØ3 seperti yang digambarkan dalam gambar di bawah.
Seterusnya, IØ2 diambil rendah, dan ini membawa kepada pemindahan cas sepenuhnya ke elektrod Iode3.
Proses mencatat masa berlanjutan dengan mengambil tinggi IØ1, yang memastikan cas dibahagi antara IØ1 dan IØ3, dan akhirnya mengambil IØ3 rendah sehingga cas dialihkan sepenuhnya di bawah elektrod IØ1.
Bergantung pada susunan / orientasi elektrod dalam CCD, proses ini akan berlanjutan dan cas akan bergerak sama ada di bawah lajur atau melintasi baris hingga mencapai baris terakhir, biasanya disebut sebagai daftar bacaan.
Pengukuran Caj:
Pada akhir daftar pembacaan, litar penguat yang disambungkan digunakan untuk mengukur nilai setiap cas dan mengubahnya menjadi voltan dengan faktor penukaran khas sekitar 5-10µV per elektron. Dalam aplikasi pengimejan, kamera berasaskan CCD akan disertakan dengan cip CCD bersama dengan beberapa elektronik lain yang berkaitan tetapi yang paling penting ialah penguat, yang dengan menukar cas menjadi voltan membantu mendigitalkan piksel ke bentuk yang dapat diproses oleh perisian, untuk mendapatkan gambar yang dirakam.
Sifat CCD
Beberapa sifat yang digunakan dalam menggambarkan prestasi / kualiti / gred CCD adalah:
1. Kecekapan Kuantum:
Kecekapan kuantum merujuk kepada kecekapan dengan mana CCD memperoleh / menyimpan caj.
Dalam Pengimejan, tidak semua foton yang jatuh pada bidang piksel dikesan dan diubah menjadi cas elektrik. Peratusan foto yang berjaya dikesan dan ditukar dikenali sebagai Kecekapan Kuantum. CCD terbaik dapat mencapai QE sekitar 80%. Untuk konteks, kecekapan kuantum mata manusia sekitar 20%.
2. Julat Panjang Gelombang:
CCD biasanya mempunyai julat panjang gelombang yang luas, dari sekitar 400 nm (biru) hingga sekitar 1050 nm (Infra-red) dengan kepekaan puncak sekitar 700 nm. Walau bagaimanapun, proses seperti penipisan belakang dapat digunakan untuk memperluas jarak panjang gelombang CCD.
3. Julat Dinamik:
Julat dinamik CCD merujuk kepada bilangan minimum dan maksimum elektron yang dapat disimpan dalam sumur berpotensi. Dalam CCD biasa, bilangan maksimum elektron biasanya sekitar 150,000, sementara minimum mungkin sebenarnya kurang dari satu elektron dalam kebanyakan tetapan. Konsep julat dinamik dapat dijelaskan dengan lebih baik dalam istilah pengimejan. Seperti yang kami sebutkan sebelumnya, ketika cahaya jatuh pada CCD, foton diubah menjadi elektron dan disedut ke dalam sumur potensial yang pada suatu ketika menjadi tepu. Jumlah elektron yang dihasilkan dari penukaran foton biasanya bergantung pada intensiti sumber, oleh itu, julat dinamik juga digunakan untuk menggambarkan julat antara sumber paling terang dan samar yang dapat dicitrakan oleh CCD.
4. Lineariti:
Pertimbangan penting dalam pemilihan CCD biasanya adalah kemampuannya untuk bertindak balas secara linier dalam pelbagai Input. Dalam pengimejan, misalnya, jika CCD mengesan 100 foton dan menukar yang sama menjadi 100 elektron (contohnya, dengan anggapan QE adalah 100%), maka demi linieritas, diharapkan dapat menghasilkan 10000 elektron jika mengesan 10000 foton. Nilai linear dalam CCD adalah dalam kerumitan teknik pemprosesan yang digunakan dalam menimbang dan menguatkan isyarat. Sekiranya CCD linier, diperlukan sedikit penyesuaian isyarat.
5. Kuasa:
Bergantung pada aplikasinya, kuasa adalah pertimbangan penting untuk mana-mana peranti, dan menggunakan komponen kuasa rendah biasanya merupakan keputusan yang bijak. Ini adalah salah satu perkara yang dibawa CCD ke aplikasi. Walaupun litar di sekitarnya mungkin menggunakan sejumlah besar kuasa, CCD sendiri adalah kuasa rendah, dengan nilai penggunaan biasa sekitar 50 mW.
6. Bunyi:
CCD seperti semua peranti analog terdedah kepada bunyi bising, oleh itu, salah satu sifat utama untuk menilai prestasi dan kapasiti mereka adalah bagaimana mereka menangani bunyi bising. Elemen kebisingan utama yang dialami dalam CCD adalah bunyi Bacaan Ini adalah produk elektron ke proses penukaran voltan dan merupakan faktor penyumbang kepada penganggaran julat dinamik CCD.
Aplikasi CCD
Peranti yang dicas dengan cas mencari aplikasi di pelbagai bidang termasuk;
1. Sains Kehidupan:
Pengesan dan kamera berasaskan CCD digunakan dalam pelbagai aplikasi dan sistem pengimejan dalam sains kehidupan dan bidang perubatan. Aplikasi di kawasan ini terlalu luas untuk disebutkan, tetapi beberapa contoh khusus termasuk kemampuan mengambil gambar sel dengan peningkatan kontras yang diterapkan, kemampuan untuk mengumpulkan sampel gambar yang telah dicabut dengan fluorofor (yang menyebabkan sampel berpendar) dan gunakan dalam sistem tomografi sinar-X canggih untuk menggambarkan struktur tulang dan sampel tisu lembut.
2. Mikroskopi Optik:
Walaupun aplikasi dalam sains hayat termasuk penggunaan mikroskop, penting untuk diperhatikan bahawa aplikasi mikroskopi tidak terbatas pada bidang sains kehidupan. Mikroskop optik dari pelbagai jenis digunakan dalam bidang cogent lain seperti; kejuruteraan nanoteknologi, sains makanan, dan kimia.
Dalam kebanyakan aplikasi mikroskopi, CCD digunakan kerana nisbah kebisingan rendah, kepekaan tinggi, resolusi spasial tinggi, dan pencitraan sampel cepat yang penting untuk menganalisis reaksi yang berlaku pada tahap mikroskopik.
3. Astronomi:
Dengan mikroskopi, CCD digunakan untuk menggambarkan unsur-unsur kecil tetapi dalam Astronomi, ia digunakan dalam memfokuskan gambar objek-objek besar dan jauh. Astronomi adalah salah satu aplikasi CCD yang paling awal dan objek mulai dari bintang, planet, meteor, dll. Semuanya telah digambarkan dengan sistem berasaskan CCD.
4. Kamera Komersial:
Sensor Imej CCD kos rendah digunakan dalam kamera komersial. CCD biasanya mempunyai kualiti dan prestasi yang lebih rendah dibandingkan dengan yang digunakan dalam Astronomi dan sains hayat kerana keperluan kos rendah untuk kamera komersial.