كيف تهمة

كانت الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي مليئة بالاكتشافات والاختراعات والتطورات الرائعة في التكنولوجيا ، وخاصة تقنيات الذاكرة. أحد الاكتشافات الرئيسية في ذلك الوقت قام به ويلارد بويل وجورج سميث ، حيث استكشفوا تطبيق تقنية أكسيد المعادن وأشباه الموصلات (MOS) لتطوير ذاكرة "فقاعة" لأشباه الموصلات.

اكتشف الفريق أنه يمكن تخزين شحنة كهربائية على مكثف MOS صغير ، يمكن توصيله بطريقة يمكن من خلالها نقل الشحنة من مكثف إلى الآخر. أدى هذا الاكتشاف إلى اختراع الأجهزة المقترنة بالشحن (CCD) ، والتي تم تصميمها في الأصل لخدمة تطبيقات الذاكرة ، ولكنها أصبحت الآن مكونات مهمة لأنظمة التصوير المتقدمة.

CCD (Charge Coupled Devices) عبارة عن كاشف فوتون شديد الحساسية يستخدم في نقل الشحنات من داخل الجهاز إلى منطقة حيث يمكن تفسيرها أو معالجتها كمعلومات (مثل التحويل إلى قيمة رقمية).

في مقال اليوم ، سوف ندرس كيفية عمل أجهزة CCD ، والتطبيقات التي يتم نشرها فيها ، ومزاياها النسبية للتقنيات الأخرى.

ما هو جهاز الشحن المزدوج؟

بعبارات بسيطة ، يمكن تعريف الأجهزة التي يتم التحكم فيها بالشحن على أنها دوائر متكاملة تحتوي على مجموعة من عناصر تخزين الشحن المرتبطة أو المقترنة (الصناديق السعوية) ، المصممة بطريقة تحت سيطرة دائرة خارجية ، الشحنة الكهربائية المخزنة في كل مكثف يمكن نقلها إلى مكثف مجاور. تستخدم مكثفات أكسيد المعادن شبه الموصلة (مكثفات MOS) عادةً في أجهزة CCD ، ومن خلال تطبيق جهد خارجي على الألواح العلوية لهيكل MOS ، يمكن تخزين الشحنات (الإلكترونات (e-) أو الثقوب (h +)) في الناتج محتمل. يمكن بعد ذلك تحويل هذه الرسوم من مكثف إلى آخر بواسطة نبضات رقمية مطبقة على اللوحات العلوية (البوابات) ويمكن نقلها صفًا تلو الآخر إلى سجل إخراج تسلسلي.

عمل جهاز الشحن المزدوج

هناك ثلاث مراحل متضمنة في تشغيل CCD وبما أن التطبيق الأكثر شيوعًا في الآونة الأخيرة هو التصوير ، فمن الأفضل شرح هذه المراحل فيما يتعلق بالتصوير. تشمل المراحل الثلاث ؛

1. تحريض الشحن / جمع
2. شحن تسجيل الوقت خارج
3. قياس الشحن

تحريض الشحن / التجميع / التخزين:

كما ذكرنا أعلاه ، تتكون أجهزة CCD من عناصر تخزين الشحنة ويعتمد نوع عنصر التخزين وطريقة تحريض الشحن / ترسبه على التطبيق. في التصوير ، تتكون CCD من عدد كبير من المواد الحساسة للضوء مقسمة إلى مناطق صغيرة (بكسل) وتستخدم لبناء صورة للمشهد محل الاهتمام. عندما ينعكس الضوء الذي يتم إلقاؤه في المشهد على CCD ، سيتم تحويل فوتون الضوء الذي يقع داخل المنطقة المحددة بواسطة أحد البيكسلات إلى إلكترون واحد (أو أكثر) ، يتناسب عددها بشكل مباشر مع كثافة مشهد في كل بكسل ، بحيث عندما يتم تسجيل CCD ، يتم قياس عدد الإلكترونات في كل بكسل ويمكن إعادة بناء المشهد.

يوضح الشكل أدناه مقطعًا عرضيًا مبسطًا للغاية من خلال CCD.

من الصورة أعلاه ، يمكن ملاحظة أن البيكسلات يتم تحديدها من خلال موضع الأقطاب الكهربائية فوق CCD. بحيث إذا تم تطبيق جهد موجب على القطب ، فإن الجهد الموجب سوف يجذب كل الإلكترونات سالبة الشحنة بالقرب من المنطقة الواقعة تحت القطب. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم صد أي ثقوب موجبة الشحنة من المنطقة المحيطة بالإلكترود وهذا سيؤدي إلى تطوير "بئر محتمل" حيث سيتم تخزين جميع الإلكترونات التي تنتجها الفوتونات الواردة.

مع سقوط المزيد من الضوء على CCD ، تصبح "البئر المحتملة" أقوى وتجذب المزيد من الإلكترونات حتى يتم الوصول إلى "سعة البئر الكاملة" (عدد الإلكترونات التي يمكن تخزينها تحت بكسل). لضمان التقاط صورة مناسبة ، يتم استخدام مصراع على سبيل المثال في الكاميرات للتحكم في الإضاءة بطريقة موقوتة بحيث يتم ملء البئر المحتمل ولكن لا يتم تجاوز سعتها لأن ذلك قد يؤدي إلى نتائج عكسية.

شحن وقت الخروج:

طوبولوجيا MOS المستخدمة في تصنيع CCD تحد من مقدار تكييف الإشارة ومعالجتها التي يمكن إجراؤها على الشريحة. وبالتالي ، يجب عادةً أن يتم تسجيل الرسوم في دائرة تكييف خارجية حيث تتم المعالجة.

عادةً ما يتم تزويد كل بكسل في صف CCD بثلاثة أقطاب كهربائية كما هو موضح في الصورة أدناه:

يتم استخدام أحد الأقطاب الكهربائية في إنشاء البئر المحتمل لتخزين الشحن بينما يتم استخدام الاثنين الآخرين في تسجيل الخروج من الشحنات.

لنفترض أنه تم تجميع الشحنة تحت أحد الأقطاب الكهربائية كما هو موضح في الصورة أدناه:

لتسجيل الشحن من CCD ، يتم إحداث بئر محتملة جديدة عن طريق الضغط على IØ3 مرتفعًا ، مما يفرض مشاركة الشحنة بين IØ2 و IØ3 كما هو موضح في الصورة أدناه.

بعد ذلك ، يتم أخذ IØ2 على مستوى منخفض ، وهذا يؤدي إلى نقل كامل للشحنة إلى القطب IØ3.

تستمر عملية تسجيل الوقت من خلال رفع مستوى IØ1 ، مما يضمن مشاركة الشحنة بين IØ1 و IØ3 ، وأخيراً أخذ IØ3 منخفضًا بحيث يتم نقل الشحنة بالكامل تحت أقطاب IØ1.

اعتمادًا على ترتيب / اتجاه الأقطاب الكهربائية في CCD ، ستستمر هذه العملية وستنتقل الشحنة إما لأسفل العمود أو عبر الصف حتى تصل إلى الصف الأخير ، والذي يشار إليه عادةً باسم سجل القراءة.

قياس الشحن:

في نهاية سجل القراءة ، يتم استخدام دائرة مضخم متصلة لقياس قيمة كل شحنة وتحويلها إلى جهد مع عامل تحويل نموذجي يبلغ حوالي 5-10µV لكل إلكترون. في تطبيقات التصوير ، ستأتي الكاميرا المستندة إلى CCD مع شريحة CCD إلى جانب بعض الأجهزة الإلكترونية الأخرى المرتبطة ، ولكن الأهم من ذلك هو مكبر الصوت ، والذي يساعد بتحويل الشحنة إلى جهد على تحويل البكسل إلى شكل يمكن معالجته بواسطة البرنامج ، للحصول على الصورة الملتقطة.

خصائص CCD

بعض الخصائص المستخدمة في وصف أداء / جودة / درجة أجهزة التحكم عن بعد هي:

1. كفاءة الكم:

تشير الكفاءة الكمية إلى الكفاءة التي تكتسب بها CCD / تخزن الشحنة.

في التصوير ، لا يتم الكشف عن كل الفوتونات التي تسقط على مستويات البكسل وتحويلها إلى شحنة كهربائية. تُعرف النسبة المئوية للصور التي تم اكتشافها وتحويلها بنجاح باسم الكفاءة الكمية. يمكن لأفضل أجهزة CCD تحقيق التيسير الكمي بحوالي 80٪. بالنسبة للسياق ، تبلغ الكفاءة الكمية للعين البشرية حوالي 20٪.

2. مدى الطول الموجي:

عادةً ما تحتوي أجهزة CCD على نطاق واسع من الطول الموجي ، من حوالي 400 نانومتر (أزرق) إلى حوالي 1050 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء) مع حساسية قصوى عند حوالي 700 نانومتر. ومع ذلك ، يمكن استخدام عمليات مثل ترقق الظهر لتوسيع نطاق الطول الموجي لجهاز CCD.

3. المدى الديناميكي:

يشير النطاق الديناميكي لـ CCD إلى الحد الأدنى والحد الأقصى لعدد الإلكترونات التي يمكن تخزينها في البئر المحتمل. في أجهزة CCD النموذجية ، يكون الحد الأقصى لعدد الإلكترونات عادة حوالي 150000 ، في حين أن الحد الأدنى قد يكون في الواقع أقل من إلكترون واحد في معظم الإعدادات. يمكن شرح مفهوم النطاق الديناميكي بشكل أفضل في مصطلحات التصوير. كما ذكرنا سابقًا ، عندما يسقط الضوء على CCD ، يتم تحويل الفوتونات إلى إلكترونات ويتم امتصاصها في البئر الكامن الذي يصبح مشبعًا في مرحلة ما. تعتمد كمية الإلكترونات الناتجة عن تحويل الفوتونات عادةً على كثافة المصادر ، على هذا النحو ، يُستخدم النطاق الديناميكي أيضًا لوصف النطاق بين أكثر المصادر سطوعًا وخفوتًا التي يمكن تصويرها بواسطة CCD.

4. الخطية:

عادة ما يكون أحد الاعتبارات المهمة في اختيار CCD هو قدرته على الاستجابة خطيًا على نطاق واسع من المدخلات. في التصوير ، على سبيل المثال ، إذا اكتشف جهاز CCD 100 فوتون وقام بتحويله إلى 100 إلكترون (على سبيل المثال ، بافتراض أن QE هو 100٪) ، فمن أجل الخطية ، من المتوقع أن يولد 10000 إلكترون إذا اكتشف 10000 فوتون. تكمن قيمة الخطية في أجهزة CCD في التعقيد المنخفض لتقنيات المعالجة المستخدمة في وزن الإشارات وتضخيمها. إذا كان CCD خطيًا ، يلزم قدر أقل من تكييف الإشارة.

5. القوة:

اعتمادًا على التطبيق ، تعد الطاقة اعتبارًا مهمًا لأي جهاز ، وعادة ما يكون استخدام مكون منخفض الطاقة قرارًا ذكيًا. هذا هو أحد الأشياء التي تجلبها أجهزة CCD للتطبيقات. في حين أن الدوائر المحيطة بها قد تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة ، فإن أجهزة CCD نفسها منخفضة الطاقة ، مع قيم استهلاك نموذجية تبلغ حوالي 50 ميغاواط.

6. الضوضاء:

أجهزة CCD مثل جميع الأجهزة التناظرية معرضة للضوضاء ، ومن ثم فإن إحدى الخصائص الرئيسية لتقييم أدائها وقدرتها هي كيفية تعاملها مع الضوضاء. عنصر الضوضاء النهائي الذي يتم اختباره في CCD هو ضوضاء القراءة. إنه نتاج الإلكترونات في عملية تحويل الجهد وهو عامل مساهم في تقدير النطاق الديناميكي لـ CCD.

تطبيقات CCDs

تجد الأجهزة المقترنة بالشحن تطبيقات في مجالات مختلفة بما في ذلك ؛

1. علوم الحياة:

تُستخدم أجهزة الكشف والكاميرات القائمة على CCD في تطبيقات وأنظمة التصوير المتنوعة في علوم الحياة والمجال الطبي. التطبيقات في هذا المجال شاسعة جدًا بحيث لا يمكن ذكرها على حدة ، ولكن بعض الأمثلة المحددة تتضمن القدرة على التقاط صور للخلايا مع تطبيق تحسينات متباينة ، والقدرة على جمع عينات الصور التي تم تعاطيها بالفلوروفورات (التي تتسبب في تألق العينة) واستخدامه في أنظمة التصوير المقطعي بالأشعة السينية المتقدمة لتصوير هياكل العظام وعينات الأنسجة الرخوة.

2. الفحص المجهري البصري:

بينما تشمل التطبيقات في مجال علوم الحياة الاستخدام في المجاهر ، من المهم ملاحظة أن تطبيقات الفحص المجهري لا تقتصر على مجال علوم الحياة. تستخدم المجاهر الضوئية من أنواع مختلفة في مجالات مقنعة أخرى مثل ؛ هندسة تكنولوجيا النانو وعلوم الأغذية والكيمياء.

في معظم تطبيقات الفحص المجهري ، تُستخدم أجهزة CCD بسبب نسبة الضوضاء المنخفضة ، والحساسية العالية ، والدقة المكانية العالية ، والتصوير السريع للعينات ، وهو أمر مهم لتحليل التفاعلات التي تحدث على المستويات المجهرية.

3. علم الفلك:

مع الفحص المجهري ، تُستخدم أجهزة CCD لتصوير العناصر الصغيرة ولكن في علم الفلك ، يتم استخدامها في تركيز صور الأجسام الكبيرة والبعيدة. علم الفلك هو أحد التطبيقات المبكرة لأجهزة CCD ، وقد تم تصوير الأجسام التي تتراوح بين النجوم والكواكب والنيازك وما إلى ذلك باستخدام الأنظمة القائمة على CCD.

4. الكاميرات التجارية:

تستخدم مستشعرات صورة CCD منخفضة التكلفة في الكاميرات التجارية. عادةً ما تكون أجهزة CCD منخفضة الجودة والأداء مقارنةً بتلك المستخدمة في علم الفلك وعلوم الحياة نظرًا لمتطلبات التكلفة المنخفضة للكاميرات التجارية.