Vedci Williard Boyle a George E. Smith z AT&T Bell Labs pracujúci na polovodiči -bubble-memory navrhol zariadenie a nazval ho „Charge Bubble Device“, ktoré možno použiť ako posuvný register.
Zariadenie spojené s nabíjaním
Podľa základnej povahy zariadenia má schopnosť prenášať náboj z jeden skladovací kondenzátor k ďalšiemu, pozdĺž povrchu polovodiča, a tento princíp je podobný prístroju Bucket-Brigade Device (BBD), ktorý bol vynájdený v 60. rokoch vo Phillips Research Labs. Nakoniec bolo zo všetkých takýchto experimentálnych výskumných činností vynájdené v USA laboratóriá AT&T Bell Chars Coupled Device (CCD) v roku 1969.
Charge Coupled Device (CCD)
Zariadenia spojené s nabíjaním je možné definovať rôznymi spôsobmi podľa aplikácie, pre ktorú sa používajú, alebo na základe konštrukcie zariadenia.
Jedná sa o zariadenie používané na pohyb elektrického náboja v ňom na manipuláciu s nábojom, ktorá sa vykonáva zmenou signálov cez fázy v rámci zariadenia po jednom.
Môže byť považovaný za CCD snímač, ktorý sa používa v digitálne a videokamery na fotografovanie a nahrávanie videí pomocou fotoelektrického efektu. Slúži na premenu zachyteného svetla na digitálne údaje, ktoré zaznamenáva kamera.
Môže byť definovaný ako a svetlocitlivý integrovaný obvod potlačou na povrchu kremíka za vzniku prvkov citlivých na svetlo, ktoré sa nazývajú pixely, a každý pixel je prevedený na elektrický náboj.
Nazýva sa to ako diskrétne zariadenie používané pre spojitý alebo analógový signál vzorkovanie v diskrétnych časoch.
Typy CCD
Existujú rôzne CCD, ako sú CCD množiace elektróny, zosilnené CCD, CCD s prenosom snímok a CCD s uloženým kanálom. CCD možno jednoducho definovať ako zariadenie na prenos poplatkov. Vynálezcovia CCD, Smith a Boyle tiež objavili CCD s výrazne obohateným výkonom ako bežné CCD s povrchovým kanálom a ďalšie CCD, ktoré sú známe ako CCD so zakopaným kanálom a používajú sa hlavne na praktické aplikácie.
Princíp fungovania zariadenia pripojeného k nabíjaniu
Kremíková epitaxná vrstva pôsobiaca ako fotoaktívna oblasť a oblasť prenosu posuvného registra sa používajú na snímanie obrázkov pomocou CCD.
Cez objektív sa obraz premieta do fotoaktívnej oblasti pozostávajúcej z kondenzátorového poľa. Elektrický náboj je teda úmerný k ľahká intenzita farby obrazového pixelu vo farebnom spektre v danom mieste sa akumuluje na každom kondenzátore.
Ak je obraz detekovaný týmto kondenzátorovým poľom, potom sa elektrický náboj akumulovaný v každom kondenzátore prenesie na jeho susedný kondenzátor vykonaním ako posuvný register riadené riadiacim obvodom.
Fungovanie zariadenia spojeného s nabíjaním
Na vyššie uvedenom obrázku je z a, b a c prenos prenosu paketov znázornený podľa napätia privádzaného na svorky brány. Nakoniec sa v poli prenesie elektrický náboj posledného kondenzátora do nabíjacieho zosilňovača, v ktorom sa elektrický náboj prevedie na napätie. Z nepretržitej prevádzky týchto úloh sa teda celé náboje kondenzátorového poľa v polovodiči prevádzajú na postupnosť napätí.
Táto postupnosť napätí sa vzorkuje, digitalizuje a potom sa ukladá do pamäte v prípade digitálnych zariadení, ako sú digitálne fotoaparáty. V prípade analógových zariadení, ako sú napríklad analógové videokamery, sa táto sekvencia napätí privádza do dolnopriepustného filtra na vytvorenie spojitého analógového signálu a potom sa signál spracuje na prenos, záznam a na iné účely. Aby sme pochopili princíp zariadenia s nabíjanou elektrinou a zariadenia s nabíjanou elektrinou, ktoré pracujú do hĺbky, je potrebné pochopiť predovšetkým nasledujúce parametre.
Proces prenosu poplatku
Poplatkové pakety je možné presúvať z bunky do bunky pomocou mnohých schém v štýle Bucket Brigade. Existujú rôzne techniky, ako napríklad dvojfázová, trojfázová, štvorfázová atď. Každá bunka sa skladá z n-drôtov, ktoré ňou prechádzajú v n-fázovej schéme. Výška potenciálnych vrtov sa ovláda pomocou každého drôtu pripojeného na prenos hodín. Nabíjacie pakety je možné tlačiť a ťahať po línii CCD zmenou výšky potenciálnej jamky.
Proces prenosu poplatku
Zvážte trojfázový prenos náboja, na vyššie uvedenom obrázku sú zobrazené tri hodiny (C1, C2 a C3), ktoré majú rovnaký tvar, ale sú v rôznych fázach. Ak brána B ide vysoko a brána A nízko, potom sa náboj presunie z priestoru A do priestoru B.
Architektúra CCD
Pixely je možné prenášať cez paralelné vertikálne registre alebo vertikálne CCD (V-CCD) a paralelné horizontálne registre alebo horizontálne CCD (H-CCD). Náboj alebo obrázok je možné preniesť pomocou rôznych architektúr skenovania, ako je napríklad načítanie celého rámca, prenos rámcov a medziriadkový prenos. Princíp zariadenia s nabíjanou elektrinou je ľahko pochopiteľný pomocou nasledujúcich schém prenosu:
1. Full-Frame Readout
Full Frame Readout
Je to najjednoduchšia architektúra skenovania, ktorá vyžaduje uzávierku v mnohých aplikáciách, aby sa prerušil vstup svetla a zabránilo sa rozmazaniu počas prechodu nábojov cez paralelné-vertikálne registre alebo vertikálny CCD a paralelné-horizontálne registre alebo horizontálny CCD a potom sa prenieslo do sériový výstup.
2. Prenos rámu
Prenos rámu
Použitím procesu vedierkovej brigády je možné obraz preniesť z obrazového poľa do nepriehľadného úložného poľa snímok. Pretože nepoužíva žiadny sériový register, je to rýchly proces v porovnaní s inými procesmi.
3. Medziriadkový prenos
Medziriadkový prenos
Každý pixel pozostáva z fotodiódy a nepriehľadnej bunky na ukladanie náboja. Ako je znázornené na obrázku, obrazový náboj sa najskôr prenesie zo svetlocitlivého PD na nepriehľadný V-CCD. Tento prenos, pretože obraz je skrytý, v jednom prenosovom cykle produkuje minimálne rozmazanie obrazu, čím je možné dosiahnuť najrýchlejšiu optickú uzávierku.
MOS kondenzátor CCD
Každá CCD bunka má polovodič z oxidu kovu, aj keď sa na výrobu CCD používajú kondenzátory MOS s povrchovým aj skrytým kanálom. CCD sú však často vyrobené na substráte typu P a vyrobené pomocou kondenzátorov MOS s podzemným kanálom, na tomto povrchu sa vytvorí tenká oblasť typu N. Vrstva oxidu kremičitého sa pestuje ako izolátor na vrchu N-oblasti a brány sa vytvárajú umiestnením jednej alebo viacerých elektród na túto izolačnú vrstvu.
CCD pixel
Voľné elektróny sa tvoria z fotoelektrického javu, keď fotóny narazia na povrch kremíka, a vďaka vákuu sa súčasne vytvorí pozitívny náboj alebo diera. Namiesto výberu zložitého procesu počítania tepelných výkyvov alebo tepla vytvoreného rekombináciou otvoru a elektrónu je výhodné zhromaždiť a spočítať elektróny na vytvorenie obrazu. To sa dá dosiahnuť priťahovaním elektrónov generovaných dopadaním fotónov na povrch kremíka smerom k pozitívne predpätým odlišným oblastiam.
CCD pixel
Plnú kapacitu jamky možno definovať ako maximálny počet elektrónov, ktoré dokáže zachytiť každý CCD pixel, a typicky môže CCD pixel pojať 10ke až 500ke, ale záleží to na veľkosti pixelu (čím väčšia veľkosť, tým viac elektrónov dokáže zachytiť). akumulovať).
CCD chladenie
CCD chladenie
Všeobecne CCD pracujú pri nízkej teplote a tepelná energia sa môže použiť na excitáciu nevhodných elektrónov na obrazové pixely, ktoré sa nedajú odlíšiť od fotoelektrónov v skutočnom obraze. Nazýva sa to ako proces tmavého prúdu, ktorý generuje šum. Celkovú generáciu tmavého prúdu je možné s určitými limitmi znížiť dvakrát na každých 6 až 70 ochladení. CCD nepracujú pod -1200 a celkový šum generovaný tmavým prúdom je možné odstrániť jeho ochladením okolo -1000 tepelnou izoláciou v evakuovanom prostredí. CCD sú často chladené pomocou kvapalného dusíka, termoelektrických chladičov a mechanických čerpadiel.
Kvantová účinnosť CCD
Rýchlosť generovania fotoelektrónov závisí od svetla dopadajúceho na povrch CCD. Konverzia fotónov na elektrický náboj prispieva mnohými faktormi a označuje sa ako kvantová účinnosť. Je to v lepšom rozmedzí od 25% do 95% pre CCD v porovnaní s inou technikou detekcie svetla.
Kvantová účinnosť predného osvetleného zariadenia
Predné osvetlené zariadenie generuje signál po prechode svetla cez štruktúru brány zoslabením prichádzajúceho žiarenia.
Kvantová účinnosť zadne osvetleného zariadenia
Spätne osvetlený alebo spätne stenčený CCD sa skladá z prebytočného kremíka na spodnej strane zariadenia, ktorý je potlačený spôsobom, ktorý neobmedzene umožňuje generovanie fotoelektrónov.
Tento článok teda končí krátkym popisom CCD a jeho princípom fungovania, ktorý v krátkosti zohľadňuje rôzne parametre, ako sú architektúry skenovania CCD, proces prenosu náboja, MOS kondenzátor CCD, pixel CCD, chladenie a kvantová účinnosť CCD. Poznáte typické aplikácie, v ktorých sa snímač CCD často používa? Prosím, pošlite vaše komentáre nižšie, aby ste získali podrobné informácie o práci a aplikovaní CCD.
