Mokslininkai Williardas Boyle'as ir George'as E. Smithas iš „AT&T Bell Labs“ dirbantis puslaidininkiu -bubble-memory sukūrė įrenginį ir pavadino jį „Charge Bubble Device“, kurį galima naudoti kaip „Shift“ registrą.
Įkraukite susietą įrenginį
Pagal pagrindinį prietaiso pobūdį jis turi galimybę perkelti krūvį iš vienas kaupimo kondensatorius į kitą, palei puslaidininkio paviršių, ir šis principas yra panašus į „Bucket-Brigade Device“ (BBD), kuris buvo išrastas 1960-aisiais „Phillips Research Labs“. Galų gale iš visų tokių eksperimentinių tyrimų veiklos 1969 m. „AT&T Bell Labs“ buvo išrastas „Charge Coupled Device“ (CCD).
Įkrovimo sujungtas įrenginys (CCD)
Įkrovimo sujungtus įrenginius galima apibrėžti įvairiai, atsižvelgiant į programą, kuriai jie naudojami, arba pagal įrenginio dizainą.
Tai prietaisas, naudojamas judėti jame esančiam elektros krūviui, kad būtų galima manipuliuoti krūviu, kuris atliekamas keičiant signalus per įrenginio etapus po vieną.
Tai gali būti traktuojama kaip CCD jutiklis, kuris naudojamas skaitmeninės ir vaizdo kameros skirtas fotografuoti ir įrašyti vaizdo įrašus per fotoelektrinį efektą. Jis naudojamas užfiksuotai šviesai paversti skaitmeniniais duomenimis, kuriuos įrašo kamera.
Tai galima apibrėžti kaip šviesai jautri integruota grandinė įspaustas ant silicio paviršiaus, kad susidarytų šviesai jautrūs elementai, vadinami pikseliais, ir kiekvienas pikselis paverčiamas elektriniu krūviu.
Jis vadinamas diskrečiuoju laiku naudojamu prietaisu nuolatinis arba analoginis signalas mėginių ėmimas atskiru laiku.
CCD tipai
Yra įvairių CCD, tokių kaip elektronus dauginantis CCD, sustiprintas CCD, kadrų perdavimo CCD ir palaidoto kanalo CCD. CCD galima paprasčiausiai apibrėžti kaip įkrovos perdavimo įrenginį. CCD išradėjai, Smithas ir Boyle'as taip pat atrado CCD, kurio našumas yra labai praturtintas, palyginti su bendruoju paviršiaus kanalo CCD ir kitais CCD, jis žinomas kaip „Buried channel CCD“ ir dažniausiai naudojamas praktinėms reikmėms.
Įkraukite susieto įrenginio darbo principą
Silicio epitaksinis sluoksnis, veikiantis kaip fotoaktyvi sritis, ir „shift-register-perdavimo“ sritis yra naudojami vaizdams fiksuoti naudojant CCD.
Pro objektyvą vaizdas projektuojamas ant aktyvios nuotraukos srities, susidedančios iš kondensatorių matricos. Taigi elektros krūvis proporcingas šviesos stiprumas taško spalvos taško spalvos spektras toje vietoje yra kaupiamas prie kiekvieno kondensatoriaus.
Jei vaizdą aptinka šis kondensatorių matrica, kiekviename kondensatoriuje sukauptas elektrinis krūvis perduodamas į kaimyninį kondensatorių atliekant pamainų registras valdomas valdymo grandinės.
Įkrovimo sujungto įrenginio darbas
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje iš a, b ir c įkrovimo paketų perdavimas parodytas pagal vartų gnybtų įtampą. Pagaliau matricoje paskutinio kondensatoriaus elektrinis krūvis perkeliamas į įkrovos stiprintuvą, kuriame elektros krūvis paverčiamas įtampa. Taigi nuo nepertraukiamo šių užduočių veikimo visi puslaidininkio kondensatorių matricos krūviai paverčiami įtampų seka.
Ši įtampų seka atrenkama, skaitmeninama ir tada saugoma atmintyje, jei yra skaitmeniniai prietaisai, tokie kaip skaitmeniniai fotoaparatai. Analoginių prietaisų, tokių kaip analoginės vaizdo kameros, atveju ši įtampų seka tiekiama į žemo dažnio filtrą, kad būtų sukurtas nuolatinis analoginis signalas, o tada signalas apdorojamas perdavimui, įrašymui ir kitiems tikslams. Norint suprasti įkrovos sujungto prietaiso principą ir įkrovos sujungimo įtaisą, veikiantį giliai, pirmiausia reikia suprasti šiuos parametrus.
Mokesčio perkėlimo procesas
Įkrovimo paketus galima perkelti iš vienos langelio į kitą naudojant daugybę „Bucket Brigade“ stiliaus schemų. Yra įvairių būdų, tokių kaip dviejų fazių, trijų fazių, keturių fazių ir kt. Kiekviena ląstelė susideda iš n laidų, einančių per ją n fazių schemoje. Potencialių šulinių aukštis valdomas naudojant kiekvieną laidą, prijungtą prie perdavimo laikrodžio. Įkrovimo paketus galima stumti ir traukti išilgai CCD linijos, keičiant potencialo šulinio aukštį.
Mokesčio perkėlimo procesas
Apsvarstykite trifazį krūvio perdavimą, aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyti trys laikrodžiai (C1, C2 ir C3), kurie yra identiškos formos, bet skirtingose fazėse. Jei vartai B eina aukštai, o vartai A - žemai, tai krūvis iš erdvės A pereis į erdvę B.
CCD architektūra
Pikselius galima perkelti per lygiagrečius vertikalius registrus arba vertikalius CCD (V-CCD) ir lygiagrečius horizontalius registrus arba horizontalius CCD (H-CCD). Krūvį ar vaizdą galima perduoti naudojant skirtingas nuskaitymo architektūras, tokias kaip viso kadro nuskaitymas, kadro perdavimas ir tarpraščių perdavimas. Su įkrovimu susijusio įrenginio principą galima lengvai suprasti naudojant šias perdavimo schemas:
1. Viso kadro nuskaitymas
Viso kadro nuskaitymas
Tai yra paprasčiausia nuskaitymo architektūra, kuriai reikalinga užraktas, kad daugelyje programų būtų nutrauktas šviesos įėjimas ir būtų išvengta tepimo, kai mokesčiai praeina per lygiagrečius vertikalius registrus arba vertikalius CCD ir lygiagrečiai horizontalius registrus arba horizontalius CCD, tada perkeliami išvestis serijiniu būdu.
2. Rėmelio perkėlimas
Kadrų perkėlimas
Naudojant kibirų brigados procesą, vaizdą galima perkelti iš vaizdo masyvo į nepermatomą rėmelių saugojimo masyvą. Kadangi jis nenaudoja jokio serijinio registro, tai yra greitas procesas, palyginti su kitais procesais.
3. Perdavimas tarp linijų
Tarpvėžinis perdavimas
Kiekvieną pikselį sudaro fotodiodas ir nepermatomos įkrovos kaupimo elementas. Kaip parodyta paveikslėlyje, vaizdo įkrova pirmiausia perkeliama iš šviesai jautraus PD į nepermatomą V-CCD. Kadangi vaizdas paslėptas, perduodant per vieną perdavimo ciklą, susidaro minimalus vaizdo tepinėlis, taigi galima pasiekti greičiausią optinę užraktą.
CCD MOS kondensatorius
Kiekvienoje CCD ląstelėje yra metalo oksido puslaidininkiai, nors CCD gamybai naudojami tiek paviršiaus kanalai, tiek palaidoti MOS kondensatoriai. Tačiau dažnai CCD yra pagamintas ant P tipo pagrindo ir pagaminti naudojant užkasamus MOS kondensatorius tam, kad ant jo paviršiaus susidarytų plonas N tipo regionas. N-srities viršuje kaip izoliatorius auginamas silicio dioksido sluoksnis, o ant šio izoliacinio sluoksnio uždedant vieną ar daugiau elektrodų, susidaro vartai.
CCD pikselis
Laisvieji elektronai susidaro iš fotoelektrinio efekto, kai fotonai patenka į silicio paviršių, o dėl vakuumo vienu metu bus sukurtas teigiamas krūvis arba skylė. Užuot pasirinkus sunkų šilumos svyravimų ar šilumos, susidariusios rekombinuojant skylę ir elektroną, skaičiavimo procesą, pageidautina surinkti ir suskaičiuoti elektronus, kad būtų sukurtas vaizdas. Tai galima pasiekti pritraukiant elektronus, susidariusius fotonams ant silicio paviršiaus, link teigiamai šališkų skirtingų sričių.
CCD pikselis
Visą šulinio talpą galima apibrėžti kaip didžiausią elektronų skaičių, kurį gali laikyti kiekvienas CCD pikselis, ir paprastai CCD pikselyje gali būti nuo 10 iki 500 ke, tačiau tai priklauso nuo pikselio dydžio (kuo didesnis dydis, tuo daugiau elektronų gali būti sukaupta).
CCD aušinimas
CCD aušinimas
Paprastai CCD veikia žemoje temperatūroje, o šiluminę energiją galima panaudoti jaudinantiems netinkamiems elektronams į vaizdo taškus, kurių negalima atskirti nuo realaus vaizdo fotoelektronų. Tai vadinama tamsiosios srovės procesu, kuris generuoja triukšmą. Visą tamsios srovės generavimą galima sumažinti du kartus kas 6–70 aušinimo, esant tam tikroms riboms. CCD neveikia žemiau -1200, o bendrą tamsios srovės sukeltą triukšmą galima pašalinti aušinant apie -1000, termiškai izoliuojant jį evakuotoje aplinkoje. CCD dažnai aušinami naudojant skystą azotą, termoelektrinius aušintuvus ir mechaninius siurblius.
Kvantinis CCD efektyvumas
Fotoelektronų susidarymo greitis priklauso nuo šviesos, patekusios į CCD paviršių. Fotonų pavertimą į elektrinį krūvį lemia daugybė veiksnių ir jis vadinamas kvantiniu efektyvumu. CCD yra geresniame diapazone nuo 25% iki 95%, palyginti su kita šviesos aptikimo technika.
Kvantinis priekinio apšvietimo įtaiso efektyvumas
Priekyje apšviestas įtaisas generuoja signalą, kai šviesa praeina pro vartų konstrukciją, silpnindama įeinančią spinduliuotę.
Kvantinis galinio apšvietimo įtaiso efektyvumas
Nugaroje apšviestas arba išretintas CCD susideda iš silicio pertekliaus apatinėje prietaiso pusėje, kuris įspaustas taip, kad neribotai leistų generuoti fotoelektronus.
Šis straipsnis baigiamas trumpu CCD aprašymu ir jo veikimo principu, atsižvelgiant į įvairius parametrus, tokius kaip CCD nuskaitymo architektūros, įkrovos perdavimo procesas, CCD MOS kondensatorius, CCD pikselis, aušinimas ir trumpas CCD kiekybinis efektyvumas. Ar žinote tipines programas, kuriose dažnai naudojamas CCD jutiklis? Prašome pateikti savo komentarus žemiau, kad gautumėte išsamią informaciją apie CCD veikimą ir taikymą.
