- Что такое устройство с зарядовой связью?
- Работа устройства с зарядовой связью
- Свойства ПЗС-матрицы
- Применение ПЗС-матриц
60-е и 70-е были годами, наполненными блестящими открытиями, изобретениями и достижениями в области технологий, особенно технологий памяти. Одно из ключевых открытий того времени было сделано Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом, когда они исследовали применение технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) для создания полупроводниковой «пузырьковой» памяти.
Команда обнаружила, что электрический заряд может храниться на крошечном МОП-конденсаторе, который можно подключить таким образом, чтобы заряд можно было переходить от одного конденсатора к другому. Это открытие привело к изобретению устройств с зарядовой связью (CCD), которые изначально были разработаны для обслуживания приложений памяти, но теперь стали важными компонентами передовых систем обработки изображений.
ПЗС (устройства с зарядовой связью) - это высокочувствительный детектор фотонов, используемый для перемещения зарядов изнутри устройства в область, где они могут интерпретироваться или обрабатываться как информация (например, преобразование в цифровое значение).
В сегодняшней статье мы рассмотрим, как работают ПЗС-матрицы, приложения, в которых они используются, и их сравнительные преимущества по сравнению с другими технологиями.
Что такое устройство с зарядовой связью?
Проще говоря, устройства с контролируемым зарядом можно определить как интегральные схемы, содержащие массив связанных или связанных элементов накопления заряда (емкостные бункеры), спроектированных таким образом, что под управлением внешней цепи электрический заряд сохраняется в каждом конденсаторе. можно перенести на соседний конденсатор. Конденсаторы металл-оксид-полупроводник (МОП-конденсаторы) обычно используются в ПЗС-матрицах, и при приложении внешнего напряжения к верхним пластинам МОП-структуры заряды (электроны (e-) или дырки (h +)) могут накапливаться в результате. потенциал. Затем эти заряды могут быть перемещены с одного конденсатора на другой с помощью цифровых импульсов, подаваемых на верхние пластины (вентили), и могут передаваться строка за строкой в регистр последовательного вывода.
Работа устройства с зарядовой связью
Работа ПЗС-матрицы состоит из трех этапов, и, поскольку в последнее время самым популярным приложением является обработка изображений, лучше всего объяснить эти этапы применительно к построению изображений. Три этапа включают:
- Индукция / сбор заряда
- Завершение зарядки
- Измерение заряда
Индукция заряда / сбор / хранение:
Как упоминалось выше, ПЗС-матрицы состоят из элементов накопления заряда, а тип элемента накопления и метод индукции / осаждения заряда зависят от области применения. В Imaging CCD состоит из большого количества светочувствительных материалов, разделенных на небольшие области (пиксели) и используемых для создания изображения интересующей сцены. Когда свет, падающий на сцену, отражается на ПЗС-матрице, фотон света, попадающий в область, определяемую одним из пикселей, будет преобразован в один (или несколько) электронов, количество которых прямо пропорционально интенсивности сцены в каждом пикселе, так что, когда ПЗС синхронизируется, количество электронов в каждом пикселе измеряется, и сцена может быть восстановлена.
На рисунке ниже показано очень упрощенное поперечное сечение ПЗС-матрицы.
Из изображения выше видно, что пиксели определяются положением электродов над ПЗС-матрицей. Таким образом, если к электроду приложено положительное напряжение, положительный потенциал будет притягивать все отрицательно заряженные электроны близко к области под электродом. Кроме того, любые положительно заряженные дырки будут отталкиваться от области вокруг электрода, и это приведет к развитию «потенциальной ямы», где будут храниться все электроны, произведенные входящими фотонами.
По мере того, как на ПЗС попадает больше света, «потенциальная яма» становится сильнее и привлекает больше электронов до тех пор, пока не будет достигнута «полная емкость ямы» (количество электронов, которые могут храниться в пикселе). Чтобы обеспечить получение правильного изображения, в камерах, например, используется шторка для управления освещением по времени, так что потенциальная яма заполняется, но ее емкость не превышается, поскольку это может быть контрпродуктивным.
Завершение зарядки:
Топология МОП, используемая при изготовлении ПЗС-матриц, ограничивает объем обработки и преобразования сигнала, который может выполняться на кристалле. Таким образом, заряды обычно необходимо синхронизировать с внешней схемой кондиционирования, где выполняется обработка.
Каждый пиксель в ряду ПЗС-матрицы обычно снабжен 3 электродами, как показано на изображении ниже:
Один из электродов используется для создания потенциальной ямы для хранения заряда, а два других используются для снятия зарядов.
Допустим, под одним из электродов собирается заряд, как показано на изображении ниже:
Чтобы синхронизировать заряд с ПЗС, создается новая потенциальная яма, удерживая I03 на высоком уровне, что заставляет разделить заряд между I02 и I03, как показано на изображении ниже.
Затем I02 принимается низким, и это приводит к полной передаче заряда на электрод I03.
Процесс синхронизации продолжается, принимая I01 в высокий уровень, что обеспечивает разделение заряда между I01 и I03, и, наконец, принимает I03 в низкий уровень, чтобы заряд полностью сдвигался под электродами I01.
В зависимости от расположения / ориентации электродов в ПЗС-матрице этот процесс будет продолжаться, и заряд будет перемещаться либо вниз по столбцу, либо по строке, пока не достигнет последней строки, обычно называемой регистром считывания.
Измерение заряда:
В конце считывающего регистра подключенная схема усилителя используется для измерения значения каждого заряда и преобразования его в напряжение с типичным коэффициентом преобразования около 5-10 мкВ на электрон. В приложениях для обработки изображений камера на основе CCD будет поставляться с чипом CCD вместе с некоторой другой связанной электроникой, но, что наиболее важно, с усилителем, который путем преобразования заряда в напряжение помогает оцифровывать пиксели в форму, которая может быть обработана программным обеспечением, для получения захваченного изображения.
Свойства ПЗС-матрицы
Вот некоторые из свойств, используемых при описании характеристик / качества / класса ПЗС:
1. Квантовая эффективность:
Квантовая эффективность относится к эффективности, с которой ПЗС получает / сохраняет заряд.
В Imaging не все фотоны, попадающие на пиксельные плоскости, обнаруживаются и преобразуются в электрический заряд. Процент успешно обнаруженных и преобразованных фотографий известен как квантовая эффективность. Лучшие ПЗС-матрицы могут обеспечить QE около 80%. Для контекста квантовая эффективность человеческого глаза составляет около 20%.
2. Диапазон длин волн:
ПЗС-матрицы обычно имеют широкий диапазон длин волн, от около 400 нм (синий) до около 1050 нм (инфракрасный) с максимальной чувствительностью около 700 нм. Однако такие процессы, как обратное утонение, можно использовать для расширения диапазона длин волн ПЗС.
3. Динамический диапазон:
Под динамическим диапазоном ПЗС-матрицы понимается минимальное и максимальное количество электронов, которые могут храниться в потенциальной яме. В типичных ПЗС-матрицах максимальное количество электронов обычно составляет около 150 000, в то время как минимальное в большинстве случаев может быть меньше одного электрона. Понятие динамического диапазона может быть лучше объяснено в терминах изображения. Как мы уже упоминали ранее, когда свет падает на ПЗС-матрицу, фотоны превращаются в электроны и засасываются в потенциальную яму, которая в какой-то момент становится насыщенной. Количество электронов, возникающих в результате преобразования фотонов, обычно зависит от интенсивности источников, поэтому динамический диапазон также используется для описания диапазона между самым ярким и самым слабым возможным источником, который может быть отображен с помощью ПЗС.
4. Линейность:
Важным фактором при выборе ПЗС-матрицы обычно является ее способность линейно реагировать на широкий диапазон входных сигналов. При визуализации, например, если ПЗС обнаруживает 100 фотонов и преобразует их в 100 электронов (например, при условии, что QE составляет 100%), то для линейности ожидается генерация 10000 электронов, если обнаруживается 10000 фотонов. Ценность линейности в ПЗС-матрицах заключается в уменьшении сложности методов обработки, используемых при взвешивании и усилении сигналов. Если ПЗС линейная, требуется меньшая обработка сигнала.
5. Мощность:
В зависимости от приложения мощность является важным фактором для любого устройства, и использование компонентов с низким энергопотреблением обычно является разумным решением. Это одна из вещей, которые ПЗС приносят в приложения. Хотя окружающие их схемы могут потреблять значительное количество энергии, сами ПЗС-матрицы маломощны, с типичными значениями потребления около 50 мВт.
6. Шум:
ПЗС-матрицы, как и все аналоговые устройства, восприимчивы к шуму, поэтому одним из основных параметров оценки их производительности и емкости является то, как они справляются с шумом. Основным элементом шума, наблюдаемым в ПЗС-матрице, является шум считывания. Он является продуктом электронов в процессе преобразования напряжения и является фактором, влияющим на оценку динамического диапазона ПЗС-матрицы.
Применение ПЗС-матриц
Устройства с зарядовой связью находят применение в различных областях, включая:
1. Науки о жизни:
Детекторы и камеры на основе ПЗС-матриц используются в различных приложениях и системах получения изображений в биологических науках и медицине. Приложения в этой области слишком обширны, чтобы упоминать каждое из них, но некоторые конкретные примеры включают в себя возможность получать изображения клеток с применением контрастных улучшений, способность собирать образцы изображений, которые были легированы флуорофорами (которые вызывают флуоресценцию образца.) и использование в современных системах рентгеновской томографии для визуализации костных структур и образцов мягких тканей.
2. Оптическая микроскопия:
Хотя приложения в области наук о жизни включают использование в микроскопах, важно отметить, что приложения микроскопии не ограничиваются областью наук о жизни. Оптические микроскопы различных типов используются в других областях, таких как; нанотехнологии, наука о продуктах питания и химия.
В большинстве приложений микроскопии используются ПЗС из-за низкого коэффициента шума, высокой чувствительности, высокого пространственного разрешения и быстрой визуализации образцов, что важно для анализа реакций, происходящих на микроскопических уровнях.
3. Астрономия:
В микроскопии ПЗС-матрицы используются для изображения крошечных элементов, но в астрономии они используются для фокусировки изображений больших и далеких объектов. Астрономия - одно из первых применений ПЗС-матриц, и все объекты, от звезд, планет, метеоров и т. Д., Были получены с помощью систем на основе ПЗС.
4. Коммерческие камеры:
Недорогие датчики изображения CCD используются в коммерческих камерах. ПЗС-матрицы обычно имеют более низкое качество и характеристики по сравнению с теми, которые используются в астрономии и науках о жизни, из-за низкой стоимости коммерческих камер.