Zinātnieki Williard Boyle un George E. Smith no AT&T Bell Labs, savukārt strādā pie pusvadītājiem -bubble-memory izstrādāja ierīci un nosauca to par ‘Charge Bubble Device’, kuru var izmantot kā maiņu reģistru.
Uzlādēt saistīto ierīci
Saskaņā ar ierīces fundamentālo raksturu tai ir iespēja pārsūtīt maksu no viens uzglabāšanas kondensators uz nākamo gar pusvadītāja virsmu, un šis princips ir līdzīgs Bucket-Brigade Device (BBD), kas tika izgudrots 1960. gados Phillips Research Labs. Galu galā no visiem šādiem eksperimentālajiem pētījumiem AT & T Bell Labs 1969. gadā tika izgudrots lādēšanas savienotā ierīce (CCD).
Uzlādes savienotā ierīce (CCD)
Uzlādes savienotās ierīces var definēt dažādos veidos atkarībā no lietojuma, kuram tās tiek izmantotas, vai pamatojoties uz ierīces dizainu.
Tā ir ierīce, ko izmanto elektriskā lādiņa kustībai tajā, lai manipulētu ar lādiņu, ko veic, mainot signālus pa ierīces pakāpieniem pa vienam.
To var uzskatīt par CCD sensoru, ko izmanto digitālās un video kameras attēlu uzņemšanai un video ierakstīšanai, izmantojot fotoelektrisko efektu. To izmanto uzņemtās gaismas pārveidošanai ciparu datos, kurus kamera reģistrē.
To var definēt kā gaismas jutīga integrētā shēma uzdrukāts uz silīcija virsmas, lai izveidotu gaismai jutīgus elementus, ko sauc par pikseļiem, un katrs pikseļs tiek pārveidots par elektrisko lādiņu.
To sauc par diskrēta laika ierīci, ko izmanto nepārtraukts vai analogs signāls paraugu ņemšana atsevišķos laikos.
CCD veidi
Ir dažādi CCD, piemēram, elektronu reizinošie CCD, pastiprinātie CCD, kadru pārsūtīšanas CCD un apbedīto kanālu CCD. CCD var vienkārši definēt kā lādiņa pārsūtīšanas ierīci. CCD izgudrotāji Smits un Boils arī atklāja CCD ar ievērojami bagātinātu veiktspēju nekā vispārējs virsmas kanāla CCD un citi CCD, kas ir pazīstams kā Buried channel CCD un galvenokārt tiek izmantots praktiskām vajadzībām.
Uzlādējiet saistītās ierīces darbības principu
Silīcija epitaksiālais slānis, kas darbojas kā fotoaktīvs reģions, un nobīdes reģistra pārraides reģions tiek izmantoti attēlu uzņemšanai, izmantojot CCD.
Caur objektīvu attēls tiek projicēts uz foto aktīvo apgabalu, kas sastāv no kondensatora bloka. Tādējādi elektriskā lādiņa proporcionāla gaismas intensitāte attēla pikseļu krāsas krāsu spektrs šajā vietā tiek uzkrāts pie katra kondensatora.
Ja attēls tiek atklāts ar šo kondensatoru bloku, tad katrā kondensatorā uzkrātais elektriskais lādiņš tiek pārnests uz tā kaimiņu kondensatoru, veicot kā maiņu reģistrs kontrolē vadības ķēde.
Uzlādes savienotās ierīces darbība
Iepriekš minētajā attēlā no a, b un c lādēšanas pakešu pārsūtīšana ir parādīta atbilstoši vārtu spailēm uzliktajam spriegumam. Visbeidzot, masīvā pēdējā kondensatora elektriskā lādiņa tiek pārnesta uz lādiņa pastiprinātāju, kurā elektriskā lādiņa tiek pārveidota par spriegumu. Tādējādi, nepārtraukti darbojoties šiem uzdevumiem, veseli kondensatora bloka lādiņi pusvadītājā tiek pārvērsti spriegumu secībā.
Digitālo ierīču, piemēram, digitālo fotokameru, paraugu ņem, digitalizē un pēc tam saglabā atmiņā šo spriegumu secību. Analogām ierīcēm, piemēram, analogām videokamerām, šī spriegumu secība tiek ievadīta zemfrekvences filtrā, lai iegūtu nepārtrauktu analogo signālu, un pēc tam signāls tiek apstrādāts pārraidei, ierakstīšanai un citiem mērķiem. Lai saprastu lādēšanai pievienotās ierīces principu un lādiņam pievienoto ierīci, kas darbojas padziļināti, vispirms ir jāsaprot šādi parametri.
Maksas pārsūtīšanas process
Lādēšanas paketes var pārvietot no šūnas uz šūnu, izmantojot daudzas shēmas Bucket Brigade stilā. Ir dažādas metodes, piemēram, divfāzu, trīsfāzu, četrfāžu utt. Katra šūna sastāv no n-vadiem, kas iet caur to n-fāžu shēmā. Potenciālo urbumu augstumu kontrolē, izmantojot katru vadu, kas savienots ar pulksteņa pārsūtīšanu. Uzlādes paketes var virzīt un vilkt pa CCD līniju, mainot potenciālās akas augstumu.
Maksas pārsūtīšanas process
Apsveriet trīsfāžu lādiņa pārnesi. Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīti trīs pulksteņi (C1, C2 un C3), kas ir identiski pēc formas, bet dažādās fāzēs. Ja vārti B iet uz augšu un vārti A iet uz leju, tad lādiņš no kosmosa A pāriet uz kosmosu B.
CCD arhitektūra
Pikseļus var pārsūtīt, izmantojot paralēlos vertikālos reģistrus vai vertikālos CCD (V-CCD) un paralēlos horizontālos reģistrus vai horizontālos CCD (H-CCD). Uzlādi vai attēlu var pārsūtīt, izmantojot dažādas skenēšanas arhitektūras, piemēram, pilna kadra nolasījumu, kadra pārsūtīšanu un starpslāņu pārsūtīšanu. Ar uzlādi saistītās ierīces principu var viegli saprast, izmantojot šādas pārsūtīšanas shēmas:
1. Pilna kadra nolasījums
Pilna kadra nolasījums
Tā ir vienkāršākā skenēšanas arhitektūra, kurai vairākos gadījumos ir nepieciešams aizvars, lai pārtrauktu gaismas ievadi un izvairītos no uztriepes, lādiņus izlaižot caur paralēli vertikāliem reģistriem vai vertikālu CCD un paralēli horizontāliem reģistriem vai horizontālu CCD, un pēc tam jāpārvieto izvade sērijveidā.
2. Kadru pārsūtīšana
Kadru pārsūtīšana
Izmantojot kausa brigādes procesu, attēlu var pārsūtīt no attēlu masīva uz necaurspīdīgu kadru glabāšanas masīvu. Tā kā tajā netiek izmantots neviens sērijveida reģistrs, tas ir ātrs process, salīdzinot ar citiem procesiem.
3. Starplīniju pārsūtīšana
Starplīniju pārsūtīšana
Katru pikseļu veido fotodiods un necaurspīdīga lādiņa uzglabāšanas šūna. Kā parādīts attēlā, attēla lādiņš vispirms tiek pārnests no gaismas jutīgā PD uz necaurspīdīgo V-CCD. Šī pārsūtīšana, jo attēls ir paslēpts, vienā pārsūtīšanas ciklā rada minimālu attēla uztriepi, tādējādi var panākt ātrāko optisko aizvaru.
CCD MOS kondensators
Katrā CCD šūnā ir metāla oksīda pusvadītājs, kaut arī CCD ražošanā tiek izmantoti gan virsmas kanāli, gan apbedīti kanālu MOS kondensatori. Bet bieži CCD ir izgatavots uz P veida pamatnes un ražots, izmantojot šim nolūkam apglabātus kanālu MOS kondensatorus, uz tā virsmas tiek izveidots plāns N veida reģions. Silīcija dioksīda slānis tiek audzēts kā izolators N-reģiona augšdaļā, un vārti tiek veidoti, uz šī izolācijas slāņa novietojot vienu vai vairākus elektrodus.
CCD pikseļi
Brīvie elektroni rodas no fotoelektriskā efekta, kad fotoni ietriecas silīcija virsmā, un vakuuma dēļ vienlaikus radīsies pozitīvs lādiņš vai caurums. Tā vietā, lai izvēlētos sarežģītu procesu siltuma svārstību vai siltuma skaitīšanai, ko veido rekombinācija caurumā un elektronā, priekšroka ir elektronu savākšanai un skaitīšanai, lai iegūtu attēlu. To var panākt, piesaistot elektronus, kas radušies, sitot fotonus uz silīcija virsmas, pret pozitīvi tendencioziem, atšķirīgiem apgabaliem.
CCD pikseļi
Pilnas akas ietilpību var definēt kā maksimālo elektronu skaitu, ko var turēt katrs CCD pikseļi, un parasti CCD pikseļos var būt no 10 līdz 500 ke, taču tas ir atkarīgs no pikseļa lieluma (jo lielāks ir vairāk elektronu lielums uzkrāt).
CCD dzesēšana
CCD dzesēšana
Parasti CCD darbojas zemā temperatūrā, un siltuma enerģiju var izmantot aizraujošiem nepiemērotiem elektroniem attēlu pikseļos, kurus nevar atšķirt no reālā attēla fotoelektroniem. To sauc par tumšās strāvas procesu, kas rada troksni. Kopējo tumšās strāvas ģenerāciju var samazināt divas reizes katrai 6 līdz 70 dzesēšanas reizei ar noteiktām robežām. CCD nedarbojas zem -1200, un kopējo tumšās strāvas radīto troksni var noņemt, atdzesējot ap -1000, termiski izolējot to evakuētajā vidē. CCD bieži atdzesē, izmantojot šķidro slāpekli, termoelektriskos dzesētājus un mehāniskos sūkņus.
CCD kvantu efektivitāte
Fotoelektronu veidošanās ātrums ir atkarīgs no gaismas, kas notiek uz CCD virsmas. Fotonu pārvēršanu elektriskajā lādiņā veicina daudzi faktori, un to sauc par kvantu efektivitāti. CCD ir labākā diapazonā no 25% līdz 95%, salīdzinot ar citiem gaismas noteikšanas paņēmieniem.
Priekšējā apgaismotās ierīces kvantu efektivitāte
Priekšējā apgaismojuma ierīce rada signālu pēc tam, kad gaisma šķērso vārtu konstrukciju, vājinot ienākošo starojumu.
Kvantu efektivitāte aizmugurē apgaismotai ierīcei
Aizmugurē izgaismotais vai atšķaidītais CCD sastāv no silīcija pārpalikuma ierīces apakšpusē, kas ir uzdrukāts tā, lai neierobežoti ļautu ģenerēt fotoelektronus.
Tādējādi šis raksts tiek noslēgts ar īsu CCD un tā darbības principu aprakstu, ņemot vērā dažādus parametrus, piemēram, CCD skenēšanas arhitektūras, lādiņa pārneses procesu, CCD MOS kondensatoru, CCD pikseļus, dzesēšanu un CCD kvantu efektivitāti īsumā. Vai jūs zināt tipiskas lietojumprogrammas, kurās CCD sensors tiek bieži izmantots? Lūdzu, ievietojiet savus komentārus zemāk, lai iegūtu detalizētu informāciju par CCD darbību un lietošanu.
