שנות ה -60 וה -70 היו שנים מלאות בתגליות מציצות, המצאות והתקדמות בתחום הטכנולוגיה, במיוחד טכנולוגיות הזיכרון. אחת התגליות המרכזיות באותה תקופה גילו וילארד בויל וג'ורג 'סמית', כאשר הם בחנו את היישום של טכנולוגיית מוליך למחצה מתכת-תחמוצת-מוליכים (MOS) לפיתוח זיכרון "בועה" של מוליכים למחצה.
הצוות גילה כי ניתן לאחסן מטען חשמלי בקבל MOS זעיר, שניתן לחבר אותו באופן שניתן יהיה להעביר את המטען מקבל אחד לשני. תגלית זו הובילה להמצאתם של התקני זיכרון טעינה (CCD), שתוכננו במקור לשרת יישומי זיכרון, אך הפכו כעת למרכיבים חשובים במערכות הדמיה מתקדמות.
CCD (Charge Coupled Devices) הוא גלאי פוטונים רגיש ביותר המשמש להעברת מטענים מתוך מכשיר לאזור בו ניתן לפרש או לעבד אותו כמידע (למשל המרה לערך דיגיטלי).
במאמר של היום נבדוק כיצד פועלים CCD- מחשבים אישיים, היישומים בהם הם נפרסים ויתרונותיהם ההשוואתיים לטכנולוגיות אחרות.
מהו מכשיר צמוד לטעינה?
במילים פשוטות, ניתן להגדיר התקנים מבוקרי טעינה כמעגלים משולבים המכילים מערך של רכיבי אחסון טעונים מקושרים או מצומדים (פחים קיבוליים), שתוכננו באופן שתחת שליטת מעגל חיצוני, המטען החשמלי המאוחסן בכל קבלים. ניתן להעביר לקבל סמוך. בדרך כלל משתמשים בקבלים מתכת-אוקסיד-מוליכים למחצה (קבלים MOS) ב- CCD, ועל ידי הפעלת מתח חיצוני על הלוחות העליונים של מבנה MOS, ניתן לאחסן מטענים (אלקטרונים (e-) או חורים (h +)) בתוצאה פוטנציאל. לאחר מכן ניתן להעביר מטענים אלו מקבל אחד למשנהו על ידי פולסים דיגיטליים המופעלים על הלוחות העליונים (שערים) וניתן להעבירם שורה אחר שורה למרשם פלט סדרתי.
עבודה של מכשיר צמוד לטעינה
ישנם שלושה שלבים המעורבים בהפעלת CCD ומכיוון שהיישום הפופולרי ביותר בתקופה האחרונה הוא הדמיה, עדיף להסביר את השלבים הללו ביחס להדמיה. שלושת השלבים כוללים;
- אינדוקציה / איסוף מטען
- מטען שעובר בחוץ
- מדידת טעינה
אינדוקציה / איסוף / אחסון מטען:
כאמור לעיל, CCD מורכבים מאלמנטים לאחסון טעינה וסוג אלמנט האחסון ושיטת אינדוקציה / בתצהיר מטען תלוי ביישום. ב- Imaging, ה- CCD מורכב ממספר רב של חומרים רגישים לאור המחולקים לאזורים קטנים (פיקסלים) ומשמשים לבניית תמונה של זירת העניין. כאשר האור שנזרק למקום מוחזר על גבי ה- CCD, פוטון של אור הנופל בתוך השטח המוגדר על ידי אחד הפיקסלים יומר לאלקטרונים אחד (או יותר), שמספרם פרופורציונלי ישירות לעוצמת ה סצנה בכל פיקסל, כך שכאשר ה- CCD נעול החוצה, נמדד מספר האלקטרונים בכל פיקסל וניתן לשחזר את הסצנה.
האיור שלהלן מציג חתך פשוט מאוד דרך CCD.
מהתמונה שלמעלה ניתן לראות כי הפיקסלים מוגדרים על ידי מיקום האלקטרודות מעל ה- CCD. כזה שאם מפעילים מתח חיובי על האלקטרודה, הפוטנציאל החיובי ימשוך את כל האלקטרונים הטעונים שלילית קרוב לאזור שמתחת לאלקטרודה. בנוסף, כל החורים הטעונים באופן חיובי יובלו מהאזור סביב האלקטרודה וזה יוביל להתפתחות "באר פוטנציאלית" בה יאוחסנו כל האלקטרונים המיוצרים על ידי פוטונים נכנסים.
כאשר יותר אור נופל על ה- CCD, "הבאר הפוטנציאלית" מתחזקת ומושכת יותר אלקטרונים עד לקבלת "קיבולת הבאר המלאה" (מספר האלקטרונים שניתן לאחסן תחת פיקסל). על מנת להבטיח שצולמה תמונה נכונה, משתמשים למשל בתריס במצלמות כדי לשלוט בתאורה באופן מתוזמן, כך שהבאר הפוטנציאלית תתמלא, אך הקיבולת שלה לא תחרוג מכיוון שהיא עלולה להפריע.
טעינה מבוצעת:
הטופולוגיה של MOS המשמשת בייצור CCD מגבילה את כמות מיזוג האותות והעיבוד שניתן לבצע על גבי שבב. לפיכך, בדרך כלל צריך לטעון מטענים למעגל מיזוג חיצוני בו מתבצע עיבוד.
כל פיקסל בשורה של CCD מצויד בדרך כלל עם 3 אלקטרודות, כפי שמודגם בתמונה הבאה:
אחת האלקטרודות משמשת ליצירת הבאר הפוטנציאלית לאחסון מטען ואילו השניים האחרים משמשים לפתיחת המטענים.
נניח שטעינה נאספת מתחת לאחת האלקטרודות כפי שמודגם בתמונה למטה:
כדי לעצור את המטען מחוץ ל- CCD, נוצר באר פוטנציאל חדש על ידי החזקת IØ3 גבוה, מה שמאלץ את חלוקת המטען בין IØ2 ל- IØ3 כפי שמודגם בתמונה למטה.
לאחר מכן, IØ2 נלקח נמוך, וזה מוביל להעברה מלאה של המטען לאלקטרודה IØ3.
תהליך השעון ממשיך להמשיך על ידי לקיחת IØ1 גבוה, מה שמבטיח שהמטען מתחלק בין IØ1 ל- IØ3, ולבסוף לוקח את IØ3 נמוך כך שהמטען מועבר במלואו מתחת לאלקטרודות IØ1.
בהתאם לסידור / כיוון האלקטרודות ב- CCD, תהליך זה ימשיך והמטען יעבור לאורך העמודה או לרוחב השורה עד שיגיע לשורה הסופית, המכונה בדרך כלל רישום הקריאה.
מדידת טעינה:
בסוף רישום הקריאה, משתמשים במעגל מגבר מחובר למדידת הערך של כל מטען וממיר אותו למתח עם מקדם המרה אופייני של סביב 5-10 μV לאלקטרון. ביישומי הדמיה, מצלמה מבוססת CCD תגיע עם שבב ה- CCD יחד עם כמה אלקטרוניקה קשורה אחרת, אך הכי חשוב המגבר, שעל ידי המרת המטען למתח עוזר לספר את הפיקסלים לצורה שניתן לעבד על ידי התוכנה, כדי להשיג את התמונה שנתפסה.
מאפייני CCD
חלק מהמאפיינים המשמשים לתיאור ביצועי / איכות / ציון של CCD הם:
1. יעילות קוונטית:
יעילות קוונטית מתייחסת ליעילות שבה CCD רוכש / מאחסן תשלום.
בהדמיה, לא כל הפוטונים הנופלים במישורי הפיקסלים מזוהים והופכים למטען חשמלי. אחוז התמונות שזוהו והומרו בהצלחה נקרא קוונטיות יעילות. ה- CCD הטוב ביותר יכול להשיג QE בסביבות 80%. בהקשר, היעילות הקוונטית של העין האנושית היא סביב 20%.
2. טווח אורך גל:
ל- CCD יש בדרך כלל טווח גל רחב, בין כ -400 ננומטר (כחול) לכ -1050 ננומטר (אינפרא אדום) עם רגישות שיא בסביבות 700 ננומטר. עם זאת, ניתן להשתמש בתהליכים כמו דילול אחורי להארכת טווח הגל של CCD.
3. טווח דינמי:
הטווח הדינמי של CCD מתייחס למינימום ולמספר האלקטרונים המרבי שניתן לאחסן בבאר הפוטנציאלית. ב- CCD אופייני, המספר המרבי של אלקטרונים הוא בדרך כלל סביב 150,000, בעוד שהמינימום עשוי להיות פחות מאלקטרון אחד ברוב ההגדרות. ניתן להסביר טוב יותר את מושג הטווח הדינמי במונחי הדמיה. כמו שהזכרנו קודם, כאשר האור נופל על CCD, הפוטונים מומרים לאלקטרונים ונשאבים לבאר הפוטנציאלית שבשלב מסוים הופכת לרוויה. כמות האלקטרונים הנובעת מהמרת פוטונים תלויה בדרך כלל בעוצמת המקורות, שכן טווח דינמי כזה משמש גם לתיאור הטווח שבין המקור הבהיר והקלוש ביותר שניתן לצלם באמצעות CCD.
4. לינאריות:
שיקול חשוב בבחירת ה- CCD הוא בדרך כלל יכולתו להגיב ליניארית על פני מגוון רחב של קלט. בהדמיה, למשל, אם CCD מזהה 100 פוטונים וממיר אותו ל- 100 אלקטרונים (למשל, בהנחה ש- QE הוא 100%), אז לצורך לינאריות, הוא צפוי לייצר 10000 אלקטרונים אם הוא מזהה 10000 פוטונים. ערך הליניאריות ב- CCD הוא במורכבות המופחתת של טכניקות העיבוד המשמשות לשקילה ולהגברה של האותות. אם ה- CCD הוא ליניארי, נדרשת כמות פחותה של מיזוג אותות.
5. כוח:
בהתאם ליישום, כוח הוא שיקול חשוב לכל מכשיר, ושימוש ברכיב בעל צריכת חשמל נמוכה הוא בדרך כלל החלטה חכמה. זה אחד הדברים ש- CCD מביא ליישומים. בעוד שהמעגלים סביבם עשויים לצרוך כמות משמעותית של כוח, אך ה- CCD עצמם הם בעלי הספק נמוך, עם ערכי צריכה אופייניים בסביבות 50 mW.
6. רעש:
CCD כמו כל המכשירים האנלוגיים רגישים לרעש, ככזה, אחד המאפיינים העיקריים להערכת הביצועים והיכולות שלהם הוא האופן שבו הם מתמודדים עם רעש. אלמנט הרעש האולטימטיבי שחווה ב- CCD הוא רעש ה- Readout. זהו תוצר של האלקטרונים לתהליך המרת המתח ומהווה גורם תורם לאמידת הטווח הדינמי של ה- CCD.
יישומי CCD
מכשירים המצוידים במטען מוצאים יישומים בתחומים שונים כולל;
1. מדעי החיים:
גלאים ומצלמות מבוססי CCD משמשים ביישומי הדמיה ומערכות מגוונות במדעי החיים ובתחום הרפואי. היישומים באזור זה הם עצומים מכדי להזכיר כל אחד מהם, אך כמה דוגמאות ספציפיות כוללות את היכולת לצלם תאים עם שיפורים מנוגדים שהוחלו, את היכולת לאסוף דגימות תמונה שסוממו בפלואורופורים (מה שגורם לקרינה של הדגימה.) ושימוש במערכות רנטגן מתקדמות לצילום מבני עצם ודגימות רקמות רכות.
2. מיקרוסקופיה אופטית:
אמנם היישומים במדעי החיים כוללים שימוש במיקרוסקופים, אך חשוב לציין כי יישומי המיקרוסקופ אינם מוגבלים לתחום מדעי החיים. מיקרוסקופים אופטיים מסוגים מגוונים משמשים בתחומים קוגנטיים אחרים כמו; הנדסת ננוטכנולוגיה, מדעי מזון וכימיה.
ברוב יישומי המיקרוסקופיה, נעשה שימוש ב- CCD בגלל יחס הרעש הנמוך, הרגישות הגבוהה, הרזולוציה המרחבית הגבוהה והדמיה מדגמית מהירה אשר חשובה לניתוח תגובות המתרחשות ברמות מיקרוסקופיות.
3. אסטרונומיה:
בעזרת מיקרוסקופיה, CCD משמשים לתמונת אלמנטים זעירים, אך באסטרונומיה משתמשים במיקוד תמונות של עצמים גדולים ורחוקים. אסטרונומיה היא אחד היישומים המוקדמים ביותר של CCD ואובייקטים הנעים בין כוכבים, כוכבי לכת, מטאורים וכו ', הוקרנו במערכות מבוססות CCD.
4. מצלמות מסחריות:
חיישני תמונת CCD בעלות נמוכה משמשים במצלמות מסחריות. ה- CCD הם בדרך כלל באיכות וביצועים נמוכים יותר בהשוואה לאלה המשמשים באסטרונומיה ובמדעי החיים בשל דרישות העלות הנמוכות למצלמות מסחריות.