Bagaimana biaya

Tahun 60-an dan 70-an adalah tahun-tahun yang dipenuhi dengan penemuan, penemuan, dan kemajuan teknologi yang brilian, terutama teknologi memori. Salah satu penemuan kunci pada saat itu dibuat oleh Willard Boyle dan George Smith, saat mereka mengeksplorasi penerapan teknologi metal-oksida-semikonduktor (MOS) untuk pengembangan memori "gelembung" semikonduktor.

Tim menemukan bahwa muatan listrik dapat disimpan pada Kapasitor MOS kecil, yang dapat dihubungkan sedemikian rupa sehingga muatan dapat dipindahkan dari satu kapasitor ke kapasitor lainnya. Penemuan ini mengarah pada penemuan perangkat yang digabungkan dengan biaya (CCD), yang awalnya dirancang untuk melayani aplikasi memori, tetapi sekarang telah menjadi komponen penting dari sistem pencitraan canggih.

CCD (Charge Coupled Devices) adalah detektor foton yang sangat sensitif yang digunakan untuk memindahkan muatan dari dalam perangkat ke area yang dapat diinterpretasikan atau diproses sebagai informasi (misalnya, konversi menjadi nilai digital).

Dalam artikel hari ini, kita akan memeriksa cara kerja CCD, aplikasi tempat penerapannya, dan keunggulan komparatifnya dengan teknologi lain.

Apa itu Perangkat yang Berpasangan dengan Biaya?

Secara sederhana, perangkat yang dikendalikan muatan dapat didefinisikan sebagai sirkuit terintegrasi yang berisi larik elemen penyimpanan muatan yang terhubung atau dipasangkan (tempat sampah kapasitif), yang dirancang sedemikian rupa sehingga di bawah kendali rangkaian eksternal, muatan listrik disimpan di setiap kapasitor. dapat dipindahkan ke kapasitor tetangga. Kapasitor Metal-Oksida-Semikonduktor (kapasitor MOS) biasanya digunakan di CCD, dan dengan menerapkan tegangan eksternal ke pelat atas struktur MOS, muatan (elektron (e-) atau lubang (h +)) dapat disimpan dalam hasil potensi. Muatan ini kemudian dapat dipindahkan dari satu kapasitor ke kapasitor lainnya dengan pulsa digital yang diterapkan ke pelat atas (gerbang) dan dapat ditransfer baris demi baris ke register keluaran serial.

Bekerja dari Perangkat yang Dipasangkan dengan Pengisian Daya

Ada tiga tahapan yang terlibat dalam pengoperasian CCD dan karena aplikasi yang paling populer belakangan ini adalah Pencitraan, Yang terbaik adalah menjelaskan tahapan ini dalam kaitannya dengan pencitraan. Ketiga tahap tersebut meliputi;

1. Mengisi Induksi / Pengumpulan
2. Charge Clocking out
3. Pengukuran Biaya

Mengisi Induksi / Pengumpulan / Penyimpanan:

Seperti disebutkan di atas, CCD terdiri dari elemen penyimpanan muatan dan jenis elemen penyimpanan serta metode induksi / deposisi muatan tergantung pada aplikasinya. Dalam Pencitraan, CCD terdiri dari sejumlah besar bahan peka cahaya yang dibagi menjadi beberapa area kecil (piksel) dan digunakan untuk membangun gambar pemandangan yang menarik. Ketika cahaya yang dilemparkan ke tempat kejadian dipantulkan pada CCD, foton cahaya yang berada dalam area yang ditentukan oleh salah satu piksel akan diubah menjadi satu (atau lebih) elektron, yang jumlahnya berbanding lurus dengan intensitas pemandangan di setiap piksel, sehingga ketika CCD mengalami clock out, jumlah elektron di setiap piksel diukur dan pemandangan tersebut dapat direkonstruksi.

Gambar di bawah ini menunjukkan penampang yang sangat disederhanakan melalui CCD.

Dari gambar di atas, terlihat bahwa piksel ditentukan oleh posisi elektroda di atas CCD. Sehingga jika tegangan positif diterapkan pada elektroda, potensial positif akan menarik semua elektron bermuatan negatif dekat dengan area di bawah elektroda. Selain itu, setiap lubang bermuatan positif akan ditolak dari area sekitar elektroda dan ini akan mengarah pada pengembangan "sumur potensial" di mana semua elektron yang dihasilkan oleh foton yang masuk akan disimpan.

Karena semakin banyak cahaya jatuh pada CCD, "sumur potensial" menjadi lebih kuat dan menarik lebih banyak elektron sampai "kapasitas sumur penuh" (jumlah elektron yang dapat disimpan di bawah piksel) tercapai. Untuk memastikan bahwa gambar yang tepat diambil, rana misalnya digunakan dalam kamera untuk mengontrol pencahayaan dalam waktu tertentu sehingga sumur potensial terisi tetapi kapasitasnya tidak terlampaui karena dapat menjadi kontraproduktif.

Charge Clocking Out:

Topologi MOS yang digunakan dalam fabrikasi CCD membatasi jumlah pengkondisian dan pemrosesan sinyal yang dapat dilakukan pada chip. Dengan demikian, biaya biasanya perlu dialihkan ke sirkuit pengkondisian eksternal tempat pemrosesan dilakukan.

Setiap piksel dalam satu baris CCD biasanya dilengkapi dengan 3 elektroda seperti yang diilustrasikan pada gambar di bawah ini:

Salah satu elektroda digunakan dalam pembuatan sumur potensial untuk penyimpanan muatan sementara dua lainnya digunakan untuk menentukan waktu pengisian daya.

Katakanlah muatan dikumpulkan di bawah salah satu elektroda seperti yang diilustrasikan pada gambar di bawah ini:

Untuk mengetahui waktu muatan keluar dari CCD, sumur potensial baru diinduksi dengan menahan IØ3 tinggi, yang memaksa muatan untuk dibagi antara IØ2 dan IØ3 seperti yang diilustrasikan pada gambar di bawah.

Selanjutnya, IØ2 diambil rendah, dan ini mengarah pada transfer penuh muatan ke elektroda IØ3.

Proses clocking out berlanjut dengan mengambil IØ1 tinggi, yang memastikan muatan terbagi antara IØ1 dan IØ3, dan akhirnya mengambil IØ3 rendah sehingga muatan dialihkan sepenuhnya di bawah elektroda IØ1.

Bergantung pada pengaturan / orientasi elektroda di CCD, proses ini akan berlanjut dan muatan akan bergerak ke bawah kolom atau melintasi baris hingga mencapai baris terakhir, biasanya disebut sebagai register pembacaan.

Pengukuran Biaya:

Pada akhir register pembacaan, rangkaian penguat yang terhubung digunakan untuk mengukur nilai setiap muatan dan mengubahnya menjadi tegangan dengan faktor konversi tipikal sekitar 5-10μV per elektron. Dalam aplikasi pencitraan, kamera berbasis CCD akan hadir dengan chip CCD bersama dengan beberapa elektronik terkait lainnya tetapi yang terpenting adalah penguat, yang dengan mengubah muatan menjadi tegangan membantu mendigitalkan piksel ke bentuk yang dapat diproses oleh perangkat lunak, untuk mendapatkan gambar yang ditangkap.

Properti CCD

Beberapa properti yang digunakan untuk mendeskripsikan kinerja / kualitas / kelas CCD adalah:

1. Efisiensi Kuantum:

Efisiensi kuantum mengacu pada efisiensi yang dengannya CCD memperoleh / menyimpan muatan.

Dalam Imaging, tidak semua foton yang jatuh pada bidang piksel terdeteksi dan diubah menjadi muatan listrik. Persentase foto yang berhasil dideteksi dan diubah dikenal sebagai Efisiensi Kuantum. CCD terbaik dapat mencapai QE sekitar 80%. Untuk konteksnya, efisiensi kuantum mata manusia adalah sekitar 20%.

2. Rentang panjang gelombang:

CCD biasanya memiliki rentang panjang gelombang yang lebar, dari sekitar 400 nm (biru) hingga sekitar 1050 nm (Infra-merah) dengan sensitivitas puncak sekitar 700 nm. Namun, proses seperti penipisan belakang dapat digunakan untuk memperpanjang rentang panjang gelombang sebuah CCD.

3. Rentang Dinamis:

Rentang dinamis suatu CCD mengacu pada jumlah minimum dan maksimum elektron yang dapat disimpan dalam sumur potensial. Dalam CCD biasa, jumlah elektron maksimum biasanya sekitar 150.000, sedangkan jumlah minimum sebenarnya kurang dari satu elektron di sebagian besar pengaturan. Konsep jangkauan dinamis mungkin lebih baik dijelaskan dalam istilah pencitraan. Seperti yang kami sebutkan sebelumnya, ketika cahaya jatuh pada CCD, foton diubah menjadi elektron dan tersedot ke dalam sumur potensial yang pada suatu saat menjadi jenuh. Jumlah elektron yang dihasilkan dari konversi foton biasanya bergantung pada intensitas sumber, dengan demikian, rentang dinamis juga digunakan untuk menggambarkan rentang antara sumber yang paling terang dan paling redup yang dapat dicitrakan oleh CCD.

4. Linearitas:

Pertimbangan penting dalam pemilihan CCD biasanya adalah kemampuannya untuk merespons secara linier pada berbagai Input. Dalam pencitraan, misalnya, jika CCD mendeteksi 100 foton dan mengubahnya menjadi 100 elektron (misalnya, dengan asumsi QE adalah 100%), maka demi linieritas, ia diharapkan menghasilkan 10.000 elektron jika mendeteksi 10.000 foton. Nilai linieritas dalam CCD terdapat dalam pengurangan kompleksitas teknik pemrosesan yang digunakan dalam menimbang dan memperkuat sinyal. Jika CCD bersifat linier, diperlukan pengkondisian sinyal dalam jumlah yang lebih sedikit.

5. Daya:

Bergantung pada aplikasinya, daya merupakan pertimbangan penting untuk perangkat apa pun, dan menggunakan komponen berdaya rendah biasanya merupakan keputusan yang cerdas. Ini adalah salah satu hal yang dibawa CCD ke aplikasi. Sementara sirkuit di sekitar mereka dapat mengonsumsi daya dalam jumlah yang signifikan, CCD sendiri memiliki daya yang rendah, dengan nilai konsumsi tipikal sekitar 50 mW.

6. Kebisingan:

CCD seperti semua perangkat analog rentan terhadap derau, dengan demikian, salah satu properti utama untuk evaluasi kinerja dan kapasitasnya adalah cara mereka menangani derau. Elemen noise utama yang dialami dalam CCD adalah noise Readout. Ini adalah hasil kali elektron ke proses konversi tegangan dan merupakan faktor yang berkontribusi pada estimasi rentang dinamis CCD.

Aplikasi CCD

Perangkat yang dipasangkan dengan biaya menemukan aplikasi di berbagai bidang termasuk;

1. Ilmu Hayati:

Detektor dan kamera berbasis CCD digunakan dalam beragam aplikasi dan sistem pencitraan dalam ilmu kehidupan dan bidang medis. Aplikasi di area ini terlalu luas untuk disebutkan satu per satu, tetapi beberapa contoh spesifik mencakup kemampuan untuk mengambil gambar sel dengan peningkatan kontras yang diterapkan, kemampuan untuk mengumpulkan sampel gambar yang telah diolah dengan fluorofor (yang menyebabkan sampel berpendar) dan digunakan dalam sistem tomografi sinar-X canggih untuk mencitrakan struktur tulang dan sampel jaringan lunak.

2. Mikroskopi Optik:

Sementara aplikasi di bawah ilmu kehidupan mencakup penggunaan dalam mikroskop, penting untuk dicatat bahwa aplikasi mikroskop tidak terbatas pada bidang ilmu kehidupan. Berbagai jenis mikroskop optik digunakan di bidang meyakinkan lainnya seperti; teknik nanoteknologi, ilmu pangan, dan kimia.

Dalam kebanyakan aplikasi mikroskop, CCD digunakan karena rasio kebisingan yang rendah, sensitivitas tinggi, resolusi spasial yang tinggi, dan pencitraan sampel yang cepat yang penting untuk menganalisis reaksi yang terjadi pada tingkat mikroskopis.

3. Astronomi:

Dengan mikroskop, CCD digunakan untuk menggambarkan elemen kecil, tetapi dalam Astronomi, CCD digunakan untuk memfokuskan gambar objek yang besar dan jauh. Astronomi adalah salah satu aplikasi CCD paling awal dan objek mulai dari bintang, planet, meteor, dll. Semuanya telah dicitrakan dengan sistem berbasis CCD.

4. Kamera Komersial:

Sensor gambar CCD berbiaya rendah digunakan pada kamera komersial. CCD biasanya memiliki kualitas dan kinerja yang lebih rendah dibandingkan dengan yang digunakan dalam Astronomi dan ilmu kehidupan karena persyaratan biaya rendah untuk kamera komersial.