Inafasiriwa moja kwa moja kutoka kwa Wikipedia ya Kiingereza na Tafsiri ya Google

Kifaa-kilichounganishwa

CCD maalum iliyotumiwa kwa picha ya ultraviolet katika mfuko uliounganishwa na waya

Kifaa chochote cha malipo ( CCD ) ni kifaa cha harakati za malipo ya umeme , kwa kawaida kutoka ndani ya kifaa kwenda eneo ambako malipo yanaweza kutumiwa, kwa mfano, kubadilika kuwa thamani ya digital. Hii inafanikiwa kwa "kubadilisha" ishara kati ya hatua ndani ya kifaa moja kwa wakati. CCDs huhamisha malipo kati ya mapipa ya capacitive kwenye kifaa, na kuhama kuruhusu uhamisho wa malipo kati ya mapipa.

Katika miaka ya hivi karibuni CCD imekuwa teknolojia kubwa ya imaging ya digital . Katika CCD sensor picha , saizi zinawakilishwa na p-doped chuma oxide-halvledare (MOS) capacitors. Wafanyabiashara hawa wanapendekezwa juu ya kizingiti cha inversion wakati upatikanaji wa picha huanza, kuruhusu uongofu wa photons zinazoingia katika mashtaka ya elektroni kwenye interface ya semiconductor-oxide; CCD hutumiwa kusoma mashtaka haya. Ijapokuwa CCDs sio teknolojia pekee inayowezesha kutambua mwanga, sensorer za CCD za picha hutumiwa sana katika programu za kitaaluma, za matibabu, na za kisayansi ambapo data ya picha ya juu inahitajika. Katika programu zilizo na mahitaji madhubuti duni, kama vile kamera za watumiaji na kitaaluma, sensorer za pixel zinazojulikana, pia zinajulikana kama complementary metal-oxide-semiconductors ( CMOS ) zinazotumiwa; CCDs kubwa ya faida iliyofurahia mapema imepungua muda.

Yaliyomo

Historia

George E. Smith na Willard Boyle, 2009

Kifaa kilichounganishwa kwa malipo kilichoanzishwa mwaka wa 1969 nchini Marekani katika AT & T Bell Labs na Willard Boyle na George E. Smith . [1] Maabara ilikuwa akifanya kazi kwenye kumbukumbu ya bubble ya semiconductor wakati Boyle na Smith walipata mimba ya kile walichosema, katika daftari yao, "Charge 'Bubble' Devices". [2] Kifaa inaweza kutumika kama usajili wa kuhama . Kiini cha kubuni kilikuwa na uwezo wa kuhamisha malipo pamoja na uso wa semiconductor kutoka moja capacitor kuhifadhi hadi ijayo. Dhana ilikuwa sawa na kanuni kwenye kifaa cha ndoo-BBB (BBB), kilichoanzishwa katika Philips Research Labs mwishoni mwa miaka ya 1960. Patent ya kwanza ( US Patent 4,085,456 ) juu ya matumizi ya CCD kwa imaging ilipewa Michael Tompsett . [3]

Karatasi ya awali inayoelezea dhana [4] inaorodheshwa matumizi kama kumbukumbu, mstari wa kuchelewa, na kifaa cha picha. Kifaa cha kwanza cha majaribio [5] kuonyesha kwamba kanuni hiyo ilikuwa mstari wa viwanja vya chuma vilivyo karibu sana kwenye uso wa silicon ulioksidishwa umeme umeme unaofanywa na vifungo vya waya.

CCD ya kwanza ya kazi iliyofanywa na teknolojia ya mzunguko jumuishi ilikuwa rahisi kujiandikisha 8-bit kuandikisha. [6] Kifaa hiki kilikuwa na mzunguko wa pembejeo na pato na ilitumiwa kuonyesha matumizi yake kama rejista ya kuhama na kama kifaa cha kupiga picha cha mstari wa pixel usiofaa. Maendeleo ya kifaa yaliendelea kwa kiwango cha haraka. Mwaka wa 1971, watafiti wa Bell waliongozwa na Michael Tompsett waliweza kukamata picha na vifaa rahisi. [7] Makampuni kadhaa, ikiwa ni pamoja na Fairchild Semiconductor , RCA na Texas Instruments , ilichukua uvumbuzi na kuanza programu za maendeleo. Jitihada za Fairchild, iliyoongozwa na mtafiti wa zamani wa Bell, Gil Amelio , alikuwa wa kwanza na vifaa vya kibiashara, na mwaka 1974 alikuwa na kifaa cha kipengele cha 500 na kipengele cha 2-D 100 x 100 pixel. Steven Sasson , mhandisi wa umeme anayefanya kazi kwa Kodak , alinunua kamera ya kwanza ya digital bado kwa kutumia Fairchild 100 x 100 CCD mwaka wa 1975. [8] Satellite ya kwanza ya KH-11 ya KENNAN ya kutambua sahani yenye vifaa vya malipo ya pamoja ( 800 x 800 pixels) [9] teknolojia ya imaging ilitanguliwa mnamo Desemba 1976. [10] Chini ya uongozi wa Kazuo Iwama , Sony pia alianza juhudi kubwa ya maendeleo kwenye CCDs zinazohusisha uwekezaji mkubwa. Hatimaye, Sony imeweza kuzalisha CCDs kwa camcorders zao. Kabla ya hayo, Iwama alikufa Agosti 1982; hatimaye, chipu cha CCD kiliwekwa kwenye kaburi lake kukubali mchango wake. [11]

Mnamo Januari 2006, Boyle na Smith walipewa tuzo ya Taifa ya Uhandisi Charles Stark Draper , [ 2009 ] na mwaka 2009 walipewa Tuzo ya Nobel ya Fizikia , [13] kwa ajili ya uvumbuzi wao wa dhana ya CCD. Michael Tompsett alipewa tuzo ya Taifa ya Teknolojia ya Taifa ya 2010 na Innovation kwa ajili ya kazi ya upainia na teknolojia ya umeme ikiwa ni pamoja na kubuni na maendeleo ya picha za kwanza za kupakia kifaa (CCD). Alipatiwa pia medali ya IEEE ya Edison ya 2012 "Kwa michango ya upainia kwa vifaa vya kujifungua ikiwa ni pamoja na picha za CCD, kamera na picha za joto".

Msingi wa uendeshaji

Pakiti za malipo (elektroni, bluu) hukusanywa katika visima vyema (njano) vinavyotengenezwa kwa kutumia voltage nzuri kwenye electrodes ya lango (G). Kutumia voltage chanya kwenye electrode ya mlango katika mlolongo sahihi huhamisha pakiti za malipo.

Katika CCD ya picha za kukamata, kuna eneo la picha ya picha (safu ya epitaxial ya silicon), na eneo la maambukizi linalotokana na rejista ya kuhama (CCD, kusema vizuri).

Picha inafanywa kwa njia ya lens kwenye safu ya capacitor (kanda ya picha), na kusababisha kila capacitor kukusanya malipo ya umeme sawa na ukubwa wa mwanga katika eneo hilo. Safu moja-dimensional, inayotumiwa kwenye kamera za mkondoni, inakamata kipande kimoja cha picha, wakati safu mbili, ambazo zinatumiwa kwenye video na bado kamera, zinakamata picha mbili-mwelekeo inayolingana na eneo lililopangwa kwenye ndege ya focal ya sensor. Mara baada ya safu imefanywa na picha, mzunguko wa kudhibiti husababisha kila capacitor kuhamisha maudhui yake kwa jirani yake (kazi kama rejista ya kuhama). Kipaji cha mwisho katika safu hupunguza malipo yake kwenye amplifier ya malipo , ambayo inabadilisha malipo kwenye voltage . Kwa kurudia mchakato huu, mzunguko wa kudhibiti unabadili maudhui yote ya safu katika semiconductor kwa mlolongo wa voltages. Katika kifaa cha digital, hizi voltages ni sampuli, digitized, na kawaida kuhifadhiwa katika kumbukumbu; katika kifaa cha analog (kama vile kamera ya video ya analog), hutumiwa kuwa ishara ya analog ya kuendelea (kwa mfano kwa kulisha pato la amplifier ya malipo katika chujio cha chini-kupitisha), ambacho kinachukuliwa na kulishwa nje kwa vitu vingine maambukizi, kurekodi, au usindikaji mwingine. [14]

"One-dimensional" CCD picha sensorer kutoka kwa faksi mashine

Fizikia ya kina ya uendeshaji

Charge kizazi

Kabla ya capacitors za MOS zinaonekana kwa mwanga, zinapendekezwa katika eneo la kupoteza; katika C-channel ya n-channel, silicon chini ya mlango wa upendeleo ni kidogo p- doped au intrinsic. Huo hilo linapendekezwa kwa uwezo mzuri, juu ya kizingiti cha kuingilia nguvu, ambayo hatimaye itasababisha kuundwa kwa n channel chini ya lango kama katika MOSFET . Hata hivyo, inachukua muda wa kufikia usawa huu wa joto: hadi masaa katika kamera za kisayansi za kisayansi kilichopozwa kwenye joto la chini. [15] Mwanzoni baada ya kukimbia, mashimo yanaingizwa mbali ndani ya substrate, na hakuna elektroni za simu ziko karibu au juu ya uso; CCD hiyo inafanya kazi katika hali isiyo ya usawa inayoitwa kupungua kwa kina. [16] Kisha, wakati jozi za elektronini zinazalishwa katika eneo la kupoteza, zinajitenganisha na shamba la umeme, elektroni huhamia kuelekea uso, na mashimo huelekea kwenye sehemu ya chini. Michakato ya kizazi cha jozi nne inaweza kutambuliwa:

  • kizazi cha picha (hadi 95% ya ufanisi wa quantum ),
  • kizazi katika eneo la kupoteza,
  • kizazi juu ya uso, na
  • kizazi katika wingi wasio na nia.

Utaratibu wa mwisho wa tatu unajulikana kama kizazi cha giza-sasa, na kuongeza kelele kwa picha; wanaweza kupunguza kikomo cha ushirikiano wa jumla. Mkusanyiko wa elektroni au karibu na uso unaweza kuendelea mpaka ushirikiano wa picha umekamilika na malipo huanza kuhamishwa, au usawa wa mafuta hufikiwa. Katika kesi hiyo, kisima kinasemekana kuwa kamili. Upeo wa uwezo wa kila vizuri inajulikana kama kina vizuri, [17] kwa kawaida 10 5 elektroni kwa pixel. [16]

Unda na utengeneze

Eneo la picha ya CCD ni, kwa ujumla, safu ya epitaxial ya silicon . Ni kidogo p doped (kawaida na boron ) na imeongezeka juu ya nyenzo substrate , mara nyingi p + +. Katika vifaa vya kuzikwa-njia, aina ya kubuni inayotumiwa katika CCDs za kisasa zaidi, maeneo fulani ya uso wa silicon ni ioni iliyoingizwa na fosforasi , kuwapa jina la n-doped. Eneo hili linafafanua kituo ambacho paki za malipo za picha za kuzaliwa zitasafiri. Simon Sze maelezo ya faida za kifaa cha kuzikwa: [16]

Safu hii nyembamba (= 0.2-0.3 micron) imekamilika kikamilifu na malipo yaliyokusanyiko ya photogenerated inachukuliwa mbali na uso. Mfumo huu una faida za ufanisi mkubwa wa uhamisho na sasa ya chini ya giza, kutoka kwa kupunguzwa kwa uso wa chini. Adhabu ni uwezo mdogo wa malipo, kwa sababu ya 2-3 ikilinganishwa na CCD ya uso-channel.

Osidi ya mlango, yaani dielectric ya capacitor , imeongezeka juu ya safu ya epitaxial na substrate.

Baadaye katika mchakato huo, malango ya polysilicon huwekwa na utupu wa mvuke wa kemikali , ulioonyeshwa na photolithography , na umetengenezwa kwa namna hiyo milango iliyogawanyika kwa uwiano inaonekana kwa njia zote. Njia hizi zinaelezewa zaidi na matumizi ya mchakato wa LOCOS kuzalisha kituo cha kusimamisha kituo .

Kituo cha kituo kinakabiliwa na oksidi zilizoongezeka kwa mafuta ambayo hutumikia kutenganisha pakiti za malipo katika safu moja kutoka kwa wale wengine. Kuacha kituo hiki hutolewa kabla ya milango ya polysilicon, kama mchakato wa LOCOS hutumia hatua ya juu ya joto inayoweza kuharibu vifaa vya lango. Kituo kinasimama ni sawa na, na ya kipekee, kituo, au "malipo ya malipo", mikoa.

Kituo cha kusimama mara nyingi kina eneo la p + la doped msingi, kutoa kizuizi zaidi kwa elektroni katika pakiti za malipo (majadiliano haya ya fizikia ya vifaa vya CCD huchukua kifaa cha kuhamisha elektroni , ingawa uhamisho wa shimo inawezekana).

Ufungaji wa milango, kwa njia ya juu na chini, utaendelea na kurejesha upendeleo wa diode ambayo hutolewa na kituo cha kuzikwa (n-doped) na safu ya epitaxial (p-doped). Hii itasababisha CCD kupungua, karibu na mkutano wa p-n na itakusanya na kuhamisha pakiti za malipo chini ya milango-na ndani ya njia-za kifaa.

Utengenezaji wa CCD na uendeshaji unaweza kuboreshwa kwa matumizi tofauti. Utaratibu hapo juu unaelezea CCD ya uhamisho wa frame. Wakati CCDs zinaweza kutengenezwa kwenye safu ya p + + yenye doped sana, inawezekana pia kutengeneza kifaa ndani ya viti vyema ambavyo vimewekwa kwenye n-yafer. Njia hii ya pili, inavyoonekana, inapunguza kupungua, wakati wa giza , na majibu ya infrared na nyekundu. Njia hii ya kutengeneza hutumiwa katika ujenzi wa vifaa vya kuhamisha interline.

Toleo jingine la CCD linaitwa CCD peristaltic. Katika kifaa kilichounganishwa kwa malipo ya pembejeo, operesheni ya uhamisho wa pakiti ya malipo ni sawa na kupinga kwa peristaltic na kupanua mfumo wa utumbo . CCD peristaltic ina kipandikizi cha ziada ambacho kinachukua malipo mbali na interface ya silicon / dioksidi na huzalisha uwanja mkubwa wa umeme kutoka kwa lango moja hadi lingine. Hii hutoa nguvu ya ziada ya kuendesha gari ili kusaidia katika uhamisho wa pakiti za malipo.

Usanifu

Sensor za picha za CCD zinaweza kutekelezwa katika usanifu tofauti tofauti. Kawaida ni sura kamili, uhamisho wa sura, na uingiliano. Tabia ya kutofautisha ya kila architectures hizi ni mbinu yao ya tatizo la kufungwa.

Katika kifaa kamili, eneo la picha zote linatumika, na hakuna shutter ya umeme. Shutter ya mitambo lazima iongezwe kwa aina hii ya sensor au smears ya picha kama kifaa kinapofungwa au kusoma.

Kwa CCD-kuhamisha frame, nusu ya eneo la silicon ni kufunikwa na mask opaque (kawaida aluminium). Picha inaweza kuhamishwa kwa haraka kutoka eneo la picha kwenye eneo la opaque au eneo la kuhifadhiwa na smear iliyokubalika ya asilimia chache. Picha hiyo inaweza kusomwa polepole kutoka eneo la hifadhi wakati picha mpya inaunganisha au yatangaza kwenye eneo la kazi. Vifaa vya uhamisho wa kikao havihitaji kizuizi cha mitambo na ni usanifu wa kawaida kwa kamera za matangazo ya hali ya kwanza imara. Kikwazo kwa usanifu wa sura-uhamisho ni kwamba inahitaji mara mbili mali isiyohamishika ya silicon ya kifaa sawa sawa-frame; kwa hiyo, inachukua gharama mara mbili zaidi.

Usanifu wa interline huongeza dhana hii hatua moja zaidi na hufunga kila safu nyingine ya sura ya picha ya kuhifadhi. Katika kifaa hiki, mabadiliko ya pixel moja tu yanapaswa kutokea kuhamisha kutoka eneo la picha hadi eneo la kuhifadhi; hivyo, mara ya shutter inaweza kuwa chini ya microsecond na smear kimsingi kuondolewa. Faida sio bure, hata hivyo, kama eneo la kufikiri sasa limefunikwa na vipande vya opaque kuacha sababu ya kujaza kwa asilimia 50 na ufanisi wa quantum ufanisi kwa kiasi sawa. Miundo ya kisasa yameelezea tabia hii isiyofaa kwa kuongeza microl juu ya uso wa kifaa kuelekeza mwanga mbali na mikoa opaque na kwenye eneo la kazi. Microl inaweza kuleta kipengele cha kujaza hadi asilimia 90 au zaidi kulingana na ukubwa wa pixel na muundo wa jumla wa mfumo wa macho.

CCD kutoka kamera ya digital ya Argus ya megapixel 2.1
CCD Sony ICX493AQA 10.14 (Gross 10.75) Mpixels APS-C 1.8 "(23.98 x 16.41mm) upande wa sensor
CCD Sony ICX493AQA 10.14 (Gross 10.75) Mpixels APS-C 1.8 "(23.98 x 16.41mm) pande upande

Uchaguzi wa usanifu hutoka kwa moja ya matumizi. Ikiwa programu haiwezi kuvumilia shutter ya gharama kubwa, ya kushindwa-nguvu, yenye nguvu-nguvu, kifaa cha interline ni chaguo sahihi. Kamera za watumiaji wa picha za risasi zinazotumia vifaa vya interline. Kwa upande mwingine, kwa ajili ya programu hizo zinazohitaji ukusanyaji bora wa mwanga na masuala ya pesa, nguvu na wakati sio muhimu, kifaa kamili cha frame ni chaguo sahihi. Wataalam wa astronomers huwa wanapendelea vifaa vya frame kamili. Uhamisho wa sura huanguka katikati na ulikuwa ni uchaguzi wa kawaida kabla ya suala la kujaza sababu ya vifaa vya interline lilishughulikiwa. Leo, uhamisho wa sura huchaguliwa wakati usanifu wa interline haupatikani, kama vile kwenye kifaa kilichoelekeza nyuma.

CCDs zenye gridi za saizi hutumiwa kwenye kamera za digital , scanners za macho , na kamera za video kama vifaa vya kupima mwanga. Wao hujibu kwa asilimia 70 ya mwanga wa tukio (maana ya ufanisi wa kiasi cha asilimia 70) na kuwafanya ufanisi zaidi kuliko filamu ya picha , ambayo hupata tu asilimia 2 ya mwanga wa tukio.

CCD kutoka kamera ya digital ya Hewlett-Packard ya 2.1 megapixel

Aina ya kawaida ya CCDs ni nyeti kwa mwanga wa infrared, ambayo inaruhusu picha ya infrared , vifaa vya usiku-vision , na zero lux (au karibu zero lux) video kurekodi / picha. Kwa detectors ya kawaida ya silicon, uelewa ni mdogo kwa 1.1 μm. Matokeo mengine ya uelewa wao kwa infrared ni kwamba infrared kutoka udhibiti wa kijijini huonekana mara nyingi kwenye kamera za digital za CCD au camcorders ikiwa hawana vibanda vya infrared.

Baridi hupunguza sasa ya giza , kuboresha uelewa wa CCD kwa intensities chini mwanga, hata kwa ultraviolet na inayoonekana wimbi. Mara nyingi uchunguzi wa kitaalamu hupunguza detectors zao na nitrojeni ya maji ili kupunguza hali ya giza, na hivyo kelele ya mafuta , kwa viwango vyenyekevu.

Uhamisho wa kioo CCD

Sura ya uhamisho wa CCD sensor

Picha ya kuhamisha picha ya CCD ilikuwa muundo wa picha ya kwanza iliyopendekezwa kwa Imaging CCD na Michael Tompsett katika Maabara ya Bell. CCD ya uhamisho wa sura ni CCD maalumu, ambayo hutumiwa mara nyingi katika astronomy na baadhi ya kamera za video za kitaaluma , iliyoundwa kwa ufanisi wa juu na usahihi.

Kazi ya kawaida ya CCD, astronomical au vinginevyo, inaweza kugawanywa katika awamu mbili: yatokanayo na kusoma. Wakati wa awamu ya kwanza, CCD imepata photons zinazoingia, kuhifadhi elektroni katika seli zake. Baada ya muda wa mfiduo kupita, seli husoma mstari mmoja kwa wakati mmoja. Wakati wa awamu ya kusoma, seli zinahamishwa chini ya eneo lote la CCD. Wakati wao ni kubadilishwa, wao kuendelea kukusanya mwanga. Kwa hivyo, ikiwa kugeuka sio haraka, makosa yanaweza kusababisha mwanga ambao unaanguka kwenye kiini kinachosimamia wakati wa uhamisho. Hitilafu hizi zinajulikana kama "smear ya wima" na husababisha chanzo cha nguvu cha kuunda mstari wa wima hapo juu na chini ya eneo lake halisi. Kwa kuongeza, CCD haiwezi kutumiwa kukusanya nuru wakati inasomwa. Kwa bahati mbaya, kuhama kwa haraka kunahitaji kusoma msomaji, na msomaji wa haraka unaweza kuanzisha makosa katika kipimo cha malipo ya seli, na kusababisha ngazi ya juu ya kelele.

CCD ya uhamisho wa sura hutatua matatizo yote: ina shielded, si nyeti nyembamba, eneo lenye seli nyingi kama eneo lililo wazi. Kwa kawaida, eneo hili linafunikwa na vifaa vya kutafakari kama vile alumini. Wakati wa mfiduo umeongezeka, seli huhamishwa kwa haraka sana kwenye eneo lililofichwa. Hapa, salama kutoka kwa mwanga wowote unaokuja, seli zinaweza kusomwa kwa kasi yoyote inayoonekana kuwa muhimu ili kupima usahihi wa malipo ya seli. Wakati huo huo, sehemu ya wazi ya CCD inakusanya tena mwanga, kwa hiyo hakuna kuchelewa hutokea kati ya kufidhiwa kwa mfululizo.

Hasara ya CCD kama hiyo ni ya gharama kubwa: eneo la seli ni kimsingi mara mbili, na umeme zaidi ya kudhibiti uhitaji unahitajika.

Ulizidi malipo-ikiwa kifaa

Kifaa kilichozidi kupakia-kiambatanisho (ICCD) ni CCD ambayo inaunganishwa kwa operesheni ya picha iliyowekwa mbele ya CCD.

Kuimarisha picha kunajumuisha vipengele vitatu vya kazi: pichacathode , sahani ndogo ya channel (MCP) na skrini ya phosphor . Mambo haya matatu yametiwa karibu moja kwa moja katika mlolongo uliotajwa. Photoni ambazo zinatoka kwenye chanzo cha mwanga huanguka kwenye photocathode, na hivyo huzalisha photoelectrons. Photoelectrons zinaharakisha kuelekea MCP kwa voltage ya umeme, kutumika kati ya photocathode na MCP. Electroni huongezeka ndani ya MCP na baadae inaharakisha skrini ya fosforasi. Screen ya fosforasi hatimaye inabadilisha elektroni zilizozidishwa kwenye picha ambazo zimeongozwa kwenye CCD na fiber optic au lens.

Kuimarisha picha kwa asili kunajumuisha utendaji wa shutter : Ikiwa voltage ya kudhibiti kati ya photocathode na MCP inabadilishwa, photoelectrons zilizowekwa hazipatikani kwa MCP lakini kurudi kwenye pichacathode. Kwa hivyo, hakuna elektroni huzidi na hutolewa na MCP, hakuna elektroni inayoenda kwenye skrini ya fosforasi na hakuna mwanga unaotokana na kuimarisha picha. Katika kesi hiyo hakuna mwanga unaoingia kwenye CCD, ambayo ina maana kwamba shutter imefungwa. Mchakato wa kugeuza kudhibiti voltage katika photocathode inaitwa gating na hivyo ICCDs pia hujulikana gateable CCD kamera.

Mbali na unyeti mkubwa sana wa kamera za ICCD, ambazo zinawezesha kugundua moja kwa moja ya photon, ujibikaji ni moja ya faida kubwa za ICCD juu ya kamera za EMCCD . Kamera za ICCD za juu zaidi zinawezesha wakati wa shutter mfupi kama picoseconds 200.

Kamera za ICCD kwa ujumla ni za juu zaidi kuliko bei za kamera za EMCCD kwa sababu zinahitaji picha ya gharama kubwa. Kwa upande mwingine, kamera za EMCCD zinahitaji mfumo wa baridi ili kuzia Chip EMCCD chini ya joto karibu 170 K. Mfumo huu wa baridi huongeza gharama za ziada kwa kamera EMCCD na mara nyingi hutoa matatizo makubwa ya condensation katika programu.

ICCDs hutumiwa katika vifaa vya maono ya usiku na katika matumizi mbalimbali ya kisayansi.

Electron-kuzidisha CCD

Electron huhamishwa kwa kifupi kwa njia ya kupata faida zinazounda rekodi ya kuzidisha ya EMCCD . Vigezo vya juu vilivyotumika katika uhamisho huu wa serial husababisha kuundwa kwa flygbolag za ziada kwa njia ya ionisation ya athari.
katika EMCCD kuna mgawanyiko (tofauti) katika idadi ya elektroni pato na rejista ya kuzidisha kwa namba (fasta) idadi ya elektroni ya pembejeo (inavyoonekana katika legend upande wa kulia). Usambazaji wa uwezekano wa idadi ya elektroni ya pato umewekwa logarithmia kwenye mhimili wima kwa simulation ya rejista ya kuzidisha. Pia imeonyeshwa ni matokeo kutoka kwa usawa wa usawa wa maonyesho umeonyeshwa kwenye ukurasa huu.

CCD ya kuzidisha elektroni (EMCCD, pia inajulikana kama L3Vision CCD, bidhaa iliyobuniwa na e2v Ltd, GB, L3CCD au Impactron CCD, bidhaa iliyoondolewa sasa iliyotolewa na Texas Instruments) ni kifaa kilichounganishwa na malipo ambayo kujiandikisha faida huwekwa kati ya rejista ya kuhama na amplifier ya pato. Rejista ya faida inagawanywa katika idadi kubwa ya hatua. Katika kila hatua, elektroni huongezeka kwa ionization ya athari kwa njia sawa na diode ya bonde . Uwezekano wa faida katika kila hatua ya rejista ni ndogo ( P <2%), lakini kama idadi ya mambo ni kubwa (N> 500), faida ya jumla inaweza kuwa ya juu sana ( ), na elektroni moja za pembejeo zinazotolewa maelfu mengi ya elektroni za pato. Kusoma ishara kutoka kwa CCD hutoa background ya kelele, kawaida elektroni chache. Katika EMCCD, kelele hii inazidi juu ya maelfu mengi ya elektroni badala ya elektroni moja; faida ya msingi ya vifaa ni kelele yao isiyo na maana ya kusoma. Ikumbukwe kwamba matumizi ya uharibifu wa avalanche kwa kupitishwa kwa mashtaka ya picha tayari yameelezwa katika Patent ya Marekani 3,761,744 mwaka 1973 na George E. Smith / Bell Telephone Laboratory.

EMCCDs inaonyesha uelewa sawa na CCDs zilizozidi (ICCDs). Hata hivyo, kama na ICCDs, faida ambayo hutumiwa katika rejista ya faida ni stochastic na faida halisi ambayo imetumika kwa malipo ya pixel haiwezekani kujua. Kwa faida kubwa (> 30), kutokuwa na uhakika huu kuna athari sawa na uwiano wa signal-to-noise (SNR) kama kupunguza ufanisi wa kiasi (QE) kwa kuzingatia operesheni na faida ya umoja. Hata hivyo, katika viwango vya chini sana (ambapo ufanisi wa quantum ni muhimu zaidi), inaweza kudhani kuwa pixel aidha ina electron - au la. Hii inaleta kelele inayohusishwa na kuzidisha stochastic kwa hatari ya kuhesabu elektroni nyingi katika pixel sawa kama elektroni moja. Ili kuepuka makosa mengi kwa pixel moja kwa sababu ya photons isiyofaa katika hali hii ya operesheni, viwango vya juu vya sura ni muhimu. Kueneza kwa faida kunaonyeshwa kwenye grafu upande wa kulia. Kwa madaftari ya kuzidisha yenye vipengele vingi na faida kubwa ni vizuri iliyoelekezwa na equation:

kama

ambapo P ni uwezekano wa kupata n elektroni za pato zilizopatikana elektroni za pembejeo m na rejista ya jumla ya kuzidisha faida ya g .

Kwa sababu ya gharama za chini na azimio bora, EMCCDs zina uwezo wa kuchukua nafasi ya ICCD katika programu nyingi. ICCDs bado ina faida ambayo inaweza kupatiwa kwa haraka sana na hivyo ni muhimu katika programu kama picha za picha nyingi . Kamera za EMCCD zinahitajika mfumo wa baridi - kwa kutumia baridi au thermoelectric au nitrojeni ya kioevu - ili kupunguza chip chini ya joto kati ya -65 hadi -95 ° C (-85 hadi -139 ° F). Mfumo huu wa baridi kwa bahati mbaya huongeza gharama za ziada kwenye mfumo wa kujifungua wa EMCCD na inaweza kutoa matatizo ya condensation katika programu. Hata hivyo, kamera za EMCCD za juu zinamiliki mfumo wa utupu wa kudumu wa kuzuia chip ili kuzuia masuala ya condensation.

Uwezo mdogo wa EMCCD hupata matumizi katika utafiti wa astronomy na biomedical, kati ya maeneo mengine. Hasa, kelele yao ya chini katika kasi ya msomaji wa juu huwafanya kuwa muhimu sana kwa aina mbalimbali za maombi ya nyota zinazohusisha vyanzo vidogo vya mwanga na matukio ya muda mfupi kama picha ya bahati ya nyota za kukata tamaa, nyota za kasi za kuhesabu photometri, spectroscopy ya Fabry-Perot na spectroscopy ya juu-azimio . Hivi karibuni hivi, aina hizi za CCD zimevunja katika uwanja wa utafiti wa biomedical katika maombi ya chini ya mwanga ikiwa ni pamoja na picha ndogo za picha , picha ya molekuli moja , upeo wa Raman , microscopy ya juu ya utaratibu pamoja na aina mbalimbali za mbinu za microscopy ya kisasa ya fluorescence shukrani kwa zaidi SNR katika hali ya chini kwa kulinganisha na CCDs za jadi na ICCDs.

Kwa upande wa kelele, kamera za kibiashara za EMCCD zina kawaida malipo ya saa (CIC) na sasa ya giza (inategemea kiwango cha baridi) ambayo pamoja husababisha kelele ya kusoma vizuri kutoka kwa elektroni hadi 0.01 kwa pixel kusoma. Hata hivyo, maboresho ya hivi karibuni katika teknolojia ya EMCCD imesababisha kizazi kipya cha kamera ambazo zinaweza kuzalisha CIC chini sana, ufanisi mkubwa wa kuhamisha malipo na EM hupata mara 5 zaidi kuliko kile kilichopatikana hapo awali. Mafanikio haya katika kutambua chini ya mwanga husababisha kelele ya jumla ya ufanisi wa elektroni ya 0.001 kwa pixel kusoma, sakafu ya sauti isiyofanana na kifaa chochote cha picha ya chini. [18]

Tumia katika astronomy

Kutokana na ufanisi mkubwa wa kiasi cha CCDs (kwa ufanisi wa kiasi cha 100%, hesabu moja ni sawa na photon moja), mstari wa matokeo yao, urahisi wa matumizi ikilinganishwa na sahani za picha, na sababu nyingine za aina nyingine, CCDs zimekubaliwa haraka sana na wataalam wa astronomers kwa karibu wote maombi ya UV-infrared.

Kelele ya joto na mionzi ya cosmic inaweza kubadilisha saizi katika safu ya CCD. Ili kukabiliana na athari hizo, wataalamu wa astronomia husababishwa kadhaa na shutter ya CCD imefungwa na kufunguliwa. Wastani wa picha zilizochukuliwa na shutter imefungwa ni muhimu ili kupunguza sauti ya random. Mara baada ya kuendelezwa, sura ya giza ya picha ya wastani ni kisha kuondolewa kutoka picha ya wazi-shutter ili kuondoa kasoro ya sasa na nyingine ya utaratibu wa kasoro ( pixels zilizokufa , pixels moto, nk) katika CCD.

Telescope ya Hubble Space , hasa, ina mfululizo mkubwa wa hatua ("bomba kupunguza data") kubadilisha data ghafi CCD kwa picha muhimu. [19]

Kamera za CCD zinazotumiwa katika astrophotography mara nyingi zinahitaji milima imara ili kukabiliana na vibrations kutoka upepo na vyanzo vingine, pamoja na uzito mkubwa wa majukwaa mengi ya picha. Kuchukua muda mrefu wa vidogo vya nyota na nebula, wataalamu wengi wa astronomers hutumia mbinu inayojulikana kama mwongozo wa auto . Wengi wa magari ya magari hutumia kipengee cha pili cha CCD kufuatilia uvunjaji wakati wa picha. Chip hii inaweza kuchunguza makosa kwa kufuatilia na kuamuru motors ya mlima ili kuwasahihisha.

Mipangilio ya CCD 30 zilizotumiwa kwenye kamera ya picha ya teknolojia ya telescope ya Sloan Digital Sky , mfano wa "skanning-scanning".

Matumizi ya kawaida ya anga ya CCDs, inayoitwa drift-skanning, hutumia CCD kufanya telescope fasta kuishi kama telescope kufuatilia na kufuata mwendo wa angani. Mashtaka katika CCD huhamishiwa na kusoma kwa uongozi sawa na mwendo wa anga, na kwa kasi sawa. Kwa njia hii, darubini inaweza picha eneo kubwa la mbingu kuliko uwanja wake wa kawaida wa mtazamo. Uchunguzi wa Skyan Digital Sky ni mfano maarufu sana wa hii, kwa kutumia mbinu kwa uchunguzi wa zaidi ya robo ya anga.

Mbali na imagers, CCDs pia hutumiwa katika safu ya vifaa vya uchambuzi ikiwa ni pamoja na spectrometers [20] na interferometers . [21]

Kamera za rangi

Chuo cha Bayer kwenye CCD
Sony 2/3 "CCD ICX024AK 10A 494496 (816 * 606) saizi za CCD zilizoondolewa kwenye kamera ya video ya Sony CCD-V88E kuanzia mwaka wa 1988, na kichujio cha rangi ya wima ya kijani, ya kijani na ya kijani
CCD sensor rangi
x80 microscope mtazamaji wa RGGB Bayer filter kwenye 240 line Sony CCD PAL Camcorder CCD sensor

Kamera za rangi ya Digital hutumia mask ya Bayer juu ya CCD. Kila mraba wa saizi nne ina moja nyekundu iliyochujwa, nyekundu moja, na kijani mbili ( jicho la binadamu ni nyeti zaidi kuliko kijani au nyekundu au bluu). Matokeo ya hii ni kwamba taarifa ya uangazaji hukusanywa kila pixel, lakini azimio la rangi ni chini kuliko azimio la luminance.

Mgawanyo bora wa rangi unaweza kufikiwa na vifaa vya CCD tatu ( 3CCD ) na prism dichroic boriti splitter , ambayo inagawanya picha kuwa vipengele vyekundu , vya kijani na bluu . Kila moja ya CCDs tatu hupangwa kujibu rangi fulani. Kamati nyingi za video za kitaaluma , na baadhi ya camcorders ya nusu ya kitaaluma, kutumia mbinu hii, ingawa maendeleo katika teknolojia ya CMOS yenye ushindani imefanya sensorer za CMOS, zote mbili za filters-splitters na filer bayer, zinazidi kuvutia katika video za mwisho na video za kamera za digital. Faida nyingine ya 3CCD juu ya kifaa cha mashimo Bayer ni ufanisi mkubwa wa quantum (na kwa hiyo unyeti mkubwa wa mwanga kwa ukubwa uliopatikana wa kufungua). Hii ni kwa sababu katika kifaa cha 3CCD zaidi ya mwanga unaoingia ndani hutolewa na sensor, wakati mashimo Bayer inachukua sehemu kubwa (kuhusu 2/3) ya mwanga kuanguka kwenye kila pixel CCD.

Kwa matukio bado, kwa mfano katika microscopy, azimio la kifaa cha mashimo Bayer kinaweza kuimarishwa na teknolojia ya microscanning . Wakati wa mchakato wa sampuli ya ushirikiano wa rangi , muafaka kadhaa wa eneo hilo huzalishwa. Kati ya ununuzi, sensor inahamishwa katika vipimo vya pixel, ili kila hatua katika uwanja wa visu inapatikana kwa ufuatao na vipengele vya mask ambayo ni nyeti kwa vipengele vyekundu, vya kijani na bluu vya rangi yake. Hatimaye kila pixel katika picha imechungwa angalau mara moja katika kila rangi na azimio la njia tatu zina sawa (maamuzi ya njia nyekundu na bluu ni mara nne wakati kituo cha kijani kinaongezeka mara mbili).

Sensor ukubwa

Sensors (CCD / CMOS) huja ukubwa mbalimbali, au muundo wa sensor ya picha. Ukubwa huu mara nyingi hujulikana kwa jina la sehemu ya inchi kama 1 / 1.8 "au 2/3" inayoitwa muundo wa macho . Kipimo hiki kimeshuhudia nyuma ya miaka ya 1950 na wakati wa Vidicon zilizopo .

Inakua

Smear ya wima

Wakati mfiduo wa CCD ni wa kutosha, hatimaye elektroni zinazokusanya katika "mapipa" katika sehemu nyembamba ya picha zitazidisha bin, na kusababisha kuongezeka. Mfumo wa CCD inaruhusu elektroni kuzunguka kwa urahisi zaidi katika mwelekeo mmoja kuliko mwingine, na kusababisha mchoro wa wima. [22] [23] [24]

Vipengele vingine vya kupambana na mazao vinavyoweza kujengwa kwenye CCD husababisha unyeti wake kwa nuru kwa kutumia baadhi ya eneo la pixel kwa muundo wa kukimbia. [25] James M. Mapema alianzisha mzunguko wa kupambana na kupindua ambao hauwezi kuzuia eneo la kukusanya mwanga, na hivyo haukupunguza unyeti wa mwanga.

Angalia pia

  • Photodiode
  • Sensor ya CMOS
  • Pixel nyeti ya Angle
  • Mzunguko wa kamera ya mstari
  • Kamera superconducting
  • Urefu mkubwa wa nguvu
  • Diode ya kusanyiko ya shimo (HAD)
  • Andor Teknolojia - Mtengenezaji wa kamera za EMCCD
  • Photometrics - Mtengenezaji wa kamera za EMCCD
  • QImaging - Mtengenezaji wa kamera za EMCCD
  • PI / Acton - Mtengenezaji wa kamera za EMCCD
  • Stanford Computer Optics - Mtengenezaji wa kamera za ICCD
  • Ucheleweshaji wa muda na ushirikiano (TDI)
  • Glossary ya maneno ya video

Marejeleo

  1. ^ See U.S. Patent 3,792,322 and U.S. Patent 3,796,927
  2. ^ James R. Janesick (2001). Scientific charge-coupled devices . SPIE Press. p. 4. ISBN 978-0-8194-3698-6 .
  3. ^ U.S. Patent 4,085,456
  4. ^ W. S. Boyle; G. E. Smith (April 1970). "Charge Coupled Semiconductor Devices". Bell Syst. Tech. J . 49 (4): 587–593.
  5. ^ G. F. Amelio; M. F. Tompsett; G. E. Smith (April 1970). "Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept". Bell Syst. Tech. J . 49 (4): 593–600. doi : 10.1002/j.1538-7305.1970.tb01791.x .
  6. ^ M. F. Tompsett; G. F. Amelio; G. E. Smith (1 August 1970). "Charge Coupled 8-bit Shift Register". Applied Physics Letters . 17 : 111–115. Bibcode : 1970ApPhL..17..111T . doi : 10.1063/1.1653327 .
  7. ^ Tompsett, M.F.; Amelio, G.F.; Bertram, W.J., Jr.; Buckley, R.R.; McNamara, W.J.; Mikkelsen, J.C., Jr.; Sealer, D.A. (November 1971). "Charge-coupled imaging devices: Experimental results". IEEE Transactions on Electron Devices . 18 (11): 992–996. Bibcode : 1971ITED...18..992T . doi : 10.1109/T-ED.1971.17321 . ISSN 0018-9383 .
  8. ^ Dobbin, Ben. (2005-09-08) Kodak engineer had revolutionary idea: the first digital camera . seattlepi.com. Retrieved on 2011-11-15.
  9. ^ globalsecurity.org - KH-11 KENNAN , 2007-04-24
  10. ^ "NRO review and redaction guide (2006 ed.)" (PDF) . National Reconnaissance Office.
  11. ^ Johnstone, B. (1999). We Were Burning: Japanese Entrepreneurs and the Forging of the Electronic Age . New York: Basic Books. ISBN 0-465-09117-2 .
  12. ^ "Charles Stark Draper Award" . Archived from the original on 2007-12-28.
  13. ^ "Nobel Prize website" .
  14. ^ Gilbert F. Amelio (February 1974). "Charge-Coupled Devices" . Scientific American . 230 (2).
  15. ^ For instance, the specsheet of PI/Acton's SPEC-10 camera specifies a dark current of 0.3 electron per pixel per hour at -110 °C.
  16. ^ a b c Sze, S. M. ; Ng, Kwok K. (2007). Physics of semiconductor devices (3 ed.). John Wiley and Sons . ISBN 978-0-471-14323-9 . Chapter 13.6.
  17. ^ Apogee CCD University - Pixel Binning
  18. ^ Daigle, Olivier; Djazovski, Oleg; Laurin, Denis; Doyon, René; Artigau, Étienne (July 2012). "Characterization results of EMCCDs for extreme low light imaging" (PDF) .
  19. ^ Hainaut, Oliver R. (December 2006). "Basic CCD image processing" . Retrieved January 15, 2011 .
    Hainaut, Oliver R. (June 1, 2005). "Signal, Noise and Detection" . Retrieved October 7, 2009 .
    Hainaut, Oliver R. (May 20, 2009). "Retouching of astronomical data for the production of outreach images" . Retrieved October 7, 2009 .
    (Hainaut is an astronomer at the European Southern Observatory )



  20. ^ V. Deckert and W. Kiefer, Scanning multichannel technique for improved spectrochemical measurements with a CCD camera and its application to Raman spectroscopy, Appl. Spectros. 46 , 322-328 (1992)
  21. ^ F. J. Duarte , On a generalized interference equation and interferometric measurements, Opt. Commun. 103 , 8-14 (1993).
  22. ^ Phil Plait. "The Planet X Saga: SOHO Images"
  23. ^ Phil Plait. "Why, King Triton, how nice to see you!"
  24. ^ Thomas J. Fellers and Michael W. Davidson. "CCD Saturation and Blooming" Archived July 27, 2012, at the Wayback Machine .
  25. ^ Albert J. P. Theuwissen (1995). Solid-State Imaging With Charge-Coupled Devices . Springer. pp. 177–180. ISBN 9780792334569 .

Viungo vya nje