AT&T Bell Labs'tan bilim adamları Williard Boyle ve George E. Smith, yarı iletken üzerinde çalışmak -bubble-memory bir cihaz tasarladı ve Shift Register olarak kullanılabilen 'Şarj Kabarcığı Cihazı' olarak adlandırdı.
Şarjla Birleştirilmiş Cihaz
Cihazın temel niteliğine göre, cihazdan yük aktarma özelliğine sahiptir. bir depolama kapasitörü diğerine, yarı iletkenin yüzeyi boyunca ve bu ilke 1960'larda Phillips Araştırma Laboratuvarlarında icat edilen Bucket-Brigade Device (BBD) ile benzerdir. Sonunda, tüm bu tür deneysel araştırma faaliyetlerinden, Şarjla Birleştirilmiş Cihaz (CCD), 1969'da AT&T Bell Laboratuvarlarında icat edildi.
Şarjla Birleştirilmiş Cihaz (CCD)
Şarj Akuple Cihazları, kullanıldıkları uygulamaya veya cihazın tasarımına göre farklı şekillerde tanımlanabilir.
Cihaz içerisindeki kademeler vasıtasıyla sinyalleri teker teker değiştirerek yapılan şarj manipülasyonu için içindeki elektrik yükünün hareketi için kullanılan cihazdır.
Cihazda kullanılan CCD sensörü olarak işlem görebilir. dijital ve video kameralar fotoelektrik efektle görüntü çekmek ve video kaydetmek için. Yakalanan ışığı, kamera tarafından kaydedilen dijital verilere dönüştürmek için kullanılır.
Olarak tanımlanabilir ışığa duyarlı entegre devre Piksel adı verilen ışığa duyarlı öğeler oluşturmak için silikon bir yüzeye basılır ve her piksel bir elektrik yüküne dönüştürülür.
İçin kullanılan ayrık zamanlı bir cihaz olarak adlandırılır. sürekli veya analog sinyal ayrı zamanlarda örnekleme.
CCD türleri
Elektron çoğaltıcı CCD'ler, yoğunlaştırılmış CCD, çerçeve aktarımlı CCD ve gömülü kanallı CCD gibi farklı CCD'ler vardır. Bir CCD basitçe Şarj Transfer Cihazı olarak tanımlanabilir. CCD, Smith ve Boyle mucitleri ayrıca genel bir Yüzey Kanalı CCD ve Gömülü kanal CCD olarak bilinen diğer CCD'lerden büyük ölçüde zenginleştirilmiş performansa sahip bir CCD keşfetti ve büyük ölçüde pratik uygulamalar için kullanılır.
Şarjla Birleştirilmiş Cihazın Çalışma Prensibi
Fotoaktif bölge olarak görev yapan silikon epitaksiyel katman ve bir CCD kullanarak görüntüleri yakalamak için bir kaydırma-yazmacı-iletim bölgesi kullanılır.
Mercek sayesinde görüntü kapasitör dizisinden oluşan foto aktif bölgeye yansıtılır. Böylece, elektrik yükü orantılı ışık şiddeti Bu konumdaki renk spektrumundaki görüntü piksel renginin% 'si, her kapasitörde toplanır.
Görüntü bu kondansatör dizisi tarafından algılanırsa, her bir kondansatörde biriken elektrik yükü, bir vardiya yazmacı kontrol devresi tarafından kontrol edilir.
Şarj Bağlantılı Cihazın Çalışması
Yukarıdaki şekilde a, b ve c'den, kapı terminallerine uygulanan gerilime göre şarj paketlerinin aktarımı gösterilmiştir. Son olarak, dizideki son kondansatörün elektrik yükü, elektrik yükünün bir voltaja dönüştürüldüğü şarj yükselticisine aktarılır. Böylece, bu görevlerin sürekli çalışmasından, yarı iletkendeki kapasitör dizisinin tüm yükleri bir dizi voltaja dönüştürülür.
Bu voltaj dizisi örneklenir, sayısallaştırılır ve ardından dijital kameralar gibi dijital cihazlarda bellekte depolanır. Analog video kameralar gibi analog cihazların olması durumunda, bu voltaj dizisi, sürekli bir analog sinyal üretmek için düşük geçişli bir filtreye beslenir ve ardından sinyal, iletim, kayıt ve diğer amaçlar için işlenir. Yük bağlı cihaz prensibini ve derinlemesine çalışan şarj bağlı cihazı anlamak için öncelikle aşağıdaki parametrelerin anlaşılması gerekir.
Ücret Aktarım Süreci
Şarj paketleri, Bucket Brigade stilindeki birçok şema kullanılarak hücreden hücreye taşınabilir. İki fazlı, üç fazlı, dört fazlı vb. Gibi çeşitli teknikler vardır. Her hücre, n-fazlı şemada içinden geçen n-tellerden oluşur. Potansiyel kuyuların yüksekliği, transfer saatine bağlanan her bir tel kullanılarak kontrol edilir. Şarj paketleri, potansiyel kuyunun yüksekliği değiştirilerek CCD hattı boyunca itilebilir ve çekilebilir.
Ücret Aktarım Süreci
Üç fazlı bir yük transferini düşünün, yukarıdaki şekilde, şekil olarak aynı olan ancak farklı fazlardaki üç saat (C1, C2 ve C3) gösterilmiştir. B kapısı yükselir ve A kapısı alçalırsa, yük A alanından B alanına hareket eder.
CCD mimarisi
Pikseller, paralel dikey kayıtlar veya dikey CCD (V-CCD) ve paralel yatay kayıtlar veya yatay CCD (H-CCD) aracılığıyla aktarılabilir. Yük veya görüntü, tam çerçeve okuma, çerçeve aktarımı ve satırlar arası aktarım gibi farklı tarama mimarileri kullanılarak aktarılabilir. Yük bağlı cihaz prensibi, aşağıdaki transfer şemaları ile kolayca anlaşılabilir:
1. Tam Çerçeve Okuma
Tam Çerçeve Okuma
Bir dizi uygulamada ışık girişini kesmek ve yüklerin paralel-dikey yazmaçlardan veya dikey CCD ve paralel-yatay yazmaçlardan veya yatay CCD'den geçişi sırasında bulaşmayı önlemek için bir deklanşör gerektiren ve daha sonra transfer edilen en basit tarama mimarisidir. seri çıkış.
2. Çerçeve Transferi
Çerçeve Transferi
Kovalı ekip sürecini kullanarak görüntü, görüntü dizisinden opak çerçeve depolama dizisine aktarılabilir. Herhangi bir seri kayıt kullanmadığından diğer süreçlere göre hızlı bir süreçtir.
3. Hatlar arası transfer
Hatlar Arası Transfer
Her piksel bir fotodiyot ve opak şarj depolama hücresinden oluşur. Şekilde gösterildiği gibi, görüntü yükü ilk önce ışığa duyarlı PD'den opak V-CCD'ye aktarılır. Bu aktarım, görüntü gizlendiğinden, bir aktarım döngüsünde minimum görüntü lekesi üretir, bu nedenle en hızlı optik örtme elde edilebilir.
CCD'nin MOS Kapasitör
CCD'nin üretiminde hem yüzey kanalı hem de gömülü kanal MOS kapasitörleri kullanılsa da, her bir CCD hücresinde metal oksit yarı iletken vardır. Ancak sıklıkla CCD'ler P tipi bir alt tabaka üzerinde imal edilmiştir gömülü kanallı MOS kapasitörler kullanılarak imal edilmiş olup bunun için yüzeyinde ince bir N-tipi bölge oluşturulmuştur. N bölgesinin tepesinde bir yalıtkan olarak silikon dioksit tabakası büyütülür ve bu yalıtım tabakası üzerine bir veya daha fazla elektrot yerleştirilerek kapılar oluşturulur.
CCD Piksel
Fotonlar silikon yüzeyine çarptığında fotoelektrik etkiden serbest elektronlar oluşur ve vakum nedeniyle aynı anda pozitif yük veya delik oluşacaktır. Delik ve elektronun yeniden birleştirilmesiyle oluşan ısıl dalgalanmaları veya ısıyı saymak için zor bir işlem seçmek yerine, bir görüntü oluşturmak için elektronların toplanması ve sayılması tercih edilir. Bu, silisyum yüzeyinde fotonların çarpmasıyla üretilen elektronları pozitif taraflı farklı alanlara çekerek elde edilebilir.
CCD Piksel
Tam kuyu kapasitesi, her CCD pikseli tarafından tutulabilen maksimum elektron sayısı olarak tanımlanabilir ve tipik olarak, bir CCD pikseli 10ke ila 500ke tutabilir, ancak pikselin boyutuna bağlıdır (boyut ne kadar büyükse biriktirilebilir).
CCD Soğutma
CCD Soğutma
Genellikle CCD'ler düşük sıcaklıkta çalışır ve termal enerji, uygun olmayan elektronları gerçek görüntülü fotoelektronlardan ayırt edilemeyen görüntü piksellerine dönüştürmek için kullanılabilir. Gürültü üreten karanlık akım süreci olarak adlandırılır. Toplam karanlık akım üretimi, belirli sınırlar dahilinde her 6 ila 70 soğutma için iki kat azaltılabilir. CCD'ler -1200'ün altında çalışmaz ve karanlık akımdan üretilen toplam gürültü, boşaltılmış bir ortamda termal olarak izole edilerek -1000 civarında soğutarak giderilebilir. CCD'ler sıklıkla sıvı nitrojen, termo-elektrik soğutucular ve mekanik pompalar kullanılarak soğutulur.
CCD'nin Kuantum Verimliliği
Fotoelektronların üretilme hızı, CCD'nin yüzeyindeki ışık olayına bağlıdır. Fotonların elektrik yüküne dönüştürülmesine birçok faktör katkıda bulunur ve Kuantum Verimliliği olarak adlandırılır. Diğer ışık algılama tekniklerine kıyasla CCD'ler için% 25 ila% 95 arasında daha iyi bir aralıktadır.
Önden Aydınlatmalı Cihazın Kuantum Verimliliği
Önden aydınlatmalı cihaz, gelen radyasyonu azaltarak ışık kapı yapısından geçtikten sonra bir sinyal üretir.
Arkadan Aydınlatmalı Cihazın Kuantum Verimliliği
Arkadan aydınlatmalı veya arkadan inceltilmiş CCD, fotoelektron üretimine sınırsız bir şekilde izin verecek şekilde basılmış, cihazın alt tarafında fazla silikondan oluşur.
Bu makale, CCD tarama mimarileri, Şarj aktarım süreci, CCD'nin MOS kondansatörü, CCD pikseli, soğutma ve CCD'nin kuantum verimliliği gibi farklı parametreleri göz önünde bulunduran CCD'nin kısa açıklaması ve çalışma prensibi ile kısaca sonuçlanmaktadır. CCD sensörünün sıklıkla kullanıldığı tipik uygulamaları biliyor musunuz? CCD'lerin çalışması ve uygulamaları ile ilgili ayrıntılı bilgi için lütfen yorumlarınızı aşağıya yazın.
