Những năm 60 và 70 là những năm chứa đầy những khám phá, phát minh và tiến bộ vượt bậc trong công nghệ, đặc biệt là công nghệ bộ nhớ. Một trong những khám phá quan trọng vào thời điểm đó được thực hiện bởi Willard Boyle và George Smith, khi họ khám phá ứng dụng của công nghệ kim loại-oxit-bán dẫn (MOS) để phát triển bộ nhớ bán dẫn “bong bóng”.
Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng điện tích có thể được lưu trữ trên một Tụ điện MOS nhỏ bé, có thể được kết nối theo cách mà điện tích có thể được chuyển từ tụ điện này sang tụ điện kia. Khám phá này dẫn đến việc phát minh ra các thiết bị ghép nối điện tích (CCD), ban đầu được thiết kế để phục vụ các ứng dụng bộ nhớ, nhưng giờ đây đã trở thành thành phần quan trọng của các hệ thống hình ảnh tiên tiến.
CCD (Charge Coupled Devices) là một máy dò photon có độ nhạy cao được sử dụng để di chuyển điện tích từ bên trong thiết bị đến một khu vực mà nó có thể được hiểu hoặc xử lý dưới dạng thông tin (ví dụ: chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số).
Trong bài viết hôm nay, chúng ta sẽ xem xét cách thức hoạt động của CCD, các ứng dụng mà chúng được triển khai và lợi thế so sánh của chúng với các công nghệ khác.
Thiết bị kết hợp phí là gì?
Nói một cách đơn giản, thiết bị điều khiển điện tích có thể được định nghĩa là mạch tích hợp chứa một loạt các phần tử lưu trữ điện tích được liên kết hoặc ghép nối (thùng điện dung), được thiết kế theo cách mà dưới sự điều khiển của mạch bên ngoài, điện tích được lưu trữ trong mỗi tụ điện có thể được di chuyển đến một tụ điện lân cận. Tụ điện kim loại-oxit-bán dẫn (tụ điện MOS) thường được sử dụng trong CCD và bằng cách đặt điện áp bên ngoài lên các tấm trên cùng của cấu trúc MOS, các điện tích (điện tử (e-) hoặc lỗ trống (h +)) có thể được lưu trữ trong kết quả tiềm năng. Các điện tích này sau đó có thể được chuyển từ tụ điện này sang tụ điện khác bằng các xung kỹ thuật số được áp dụng cho các tấm trên cùng (cổng) và có thể được chuyển từng hàng sang thanh ghi đầu ra nối tiếp.
Hoạt động của thiết bị kết hợp phí
Có ba giai đoạn liên quan đến hoạt động của CCD và vì ứng dụng phổ biến nhất trong thời gian gần đây là Hình ảnh, tốt nhất là giải thích các giai đoạn này liên quan đến hình ảnh. Ba giai đoạn bao gồm;
- Cảm ứng / Thu phí
- Tính phí tắt
- Đo lường phí
Tính phí Cảm ứng / Thu thập / Lưu trữ:
Như đã đề cập ở trên, CCD được tạo thành từ các phần tử lưu trữ điện tích và loại phần tử lưu trữ và phương pháp cảm ứng / lắng đọng điện tích tùy thuộc vào ứng dụng. Trong Hình ảnh, CCD được tạo thành từ một số lượng lớn các vật liệu nhạy sáng được chia thành các vùng nhỏ (pixel) và được sử dụng để xây dựng hình ảnh của cảnh quan tâm. Khi ánh sáng ném vào hiện trường được phản xạ trên CCD, một photon ánh sáng nằm trong vùng được xác định bởi một trong các pixel sẽ được chuyển đổi thành một (hoặc nhiều) electron, số lượng trong số đó tỷ lệ thuận với cường độ của cảnh ở mỗi pixel, sao cho khi CCD được giảm tốc độ, số lượng điện tử trong mỗi pixel được đo và cảnh có thể được tái tạo.
Hình dưới đây cho thấy một mặt cắt ngang rất đơn giản qua CCD.
Từ hình ảnh trên, có thể thấy rằng các pixel được xác định bởi vị trí của các điện cực phía trên CCD. Sao cho nếu đặt một hiệu điện thế dương vào điện cực thì điện thế dương sẽ hút tất cả các êlectron mang điện tích âm lại gần khu vực dưới điện cực. Ngoài ra, bất kỳ lỗ trống nào mang điện tích dương sẽ bị đẩy lùi khỏi khu vực xung quanh điện cực và điều này sẽ dẫn đến sự phát triển của một "giếng tiềm năng", nơi tất cả các electron được tạo ra bởi các photon tới sẽ được lưu trữ.
Khi nhiều ánh sáng chiếu vào CCD, “giếng tiềm năng” trở nên mạnh hơn và thu hút nhiều điện tử hơn cho đến khi đạt được “dung lượng giếng đầy đủ” (số lượng điện tử có thể được lưu trữ dưới một pixel). Để đảm bảo chụp được ảnh thích hợp, ví dụ như màn trập được sử dụng trong máy ảnh để điều khiển ánh sáng theo thời gian sao cho giếng tiềm năng được lấp đầy nhưng không vượt quá công suất của nó vì điều đó có thể phản tác dụng.
Tính phí hết thời gian:
Cấu trúc liên kết MOS được sử dụng trong chế tạo CCD giới hạn số lượng xử lý và điều hòa tín hiệu có thể được thực hiện trên chip. Do đó, các khoản phí thường cần được chuyển sang mạch điều hòa bên ngoài nơi quá trình xử lý được thực hiện.
Mỗi pixel trong một hàng của CCD thường được trang bị 3 điện cực như minh họa trong hình ảnh dưới đây:
Một trong các điện cực được sử dụng để tạo ra giếng tiềm năng để lưu trữ điện tích trong khi hai điện cực còn lại được sử dụng trong việc tạo ra các điện tích.
Giả sử một điện tích được thu thập dưới một trong các điện cực như được minh họa trong hình ảnh dưới đây:
Để đánh dấu điện tích ra khỏi CCD, một giếng tiềm năng mới được tạo ra bằng cách giữ IØ3 ở mức cao, buộc điện tích phải được chia sẻ giữa IØ2 và IØ3 như được minh họa trong hình dưới đây.
Tiếp theo, IØ2 được đưa xuống thấp, và điều này dẫn đến việc chuyển toàn bộ điện tích sang điện cực IØ3.
Quá trình tăng xung nhịp tiếp tục bằng cách lấy IØ1 lên cao, đảm bảo điện tích được chia sẻ giữa IØ1 và IØ3, và cuối cùng lấy IØ3 xuống thấp để điện tích được chuyển hoàn toàn dưới các điện cực IØ1.
Tùy thuộc vào sự sắp xếp / định hướng của các điện cực trong CCD, quá trình này sẽ tiếp tục và điện tích sẽ di chuyển xuống cột hoặc qua hàng cho đến khi nó đến hàng cuối cùng, thường được gọi là thanh ghi đọc.
Đo lường phí:
Ở cuối thanh ghi đọc, một mạch khuếch đại được kết nối được sử dụng để đo giá trị của mỗi điện tích và chuyển nó thành điện áp với hệ số chuyển đổi điển hình khoảng 5-10µV trên mỗi electron. Trong các ứng dụng hình ảnh, một máy ảnh dựa trên CCD sẽ đi kèm với chip CCD cùng với một số thiết bị điện tử liên quan khác nhưng quan trọng nhất là bộ khuếch đại, bằng cách chuyển đổi điện tích thành điện áp giúp số hóa các pixel thành dạng có thể được xử lý bởi phần mềm, để có được hình ảnh được chụp.
Thuộc tính của CCD
Một số thuộc tính được sử dụng để mô tả hiệu suất / chất lượng / cấp của CCD là:
1. Hiệu quả lượng tử:
Hiệu suất lượng tử đề cập đến hiệu quả mà CCD thu được / lưu trữ một khoản phí.
Trong Hình ảnh, không phải tất cả các photon rơi trên mặt phẳng pixel đều được phát hiện và chuyển đổi thành điện tích. Phần trăm ảnh được phát hiện và chuyển đổi thành công được gọi là Hiệu suất lượng tử. Các CCD tốt nhất có thể đạt được QE khoảng 80%. Đối với ngữ cảnh, hiệu suất lượng tử của mắt người là khoảng 20%.
2. Dải bước sóng:
CCD thường có dải bước sóng rộng, từ khoảng 400 nm (xanh lam) đến khoảng 1050 nm (hồng ngoại) với độ nhạy cực đại khoảng 700 nm. Tuy nhiên, các quá trình như làm mỏng lại có thể được sử dụng để mở rộng phạm vi bước sóng của CCD.
3. Dải động:
Dải động của CCD đề cập đến số lượng điện tử tối thiểu và tối đa có thể được lưu trữ trong giếng tiềm năng. Trong các CCD điển hình, số lượng điện tử tối đa thường vào khoảng 150.000, trong khi mức tối thiểu thực tế có thể ít hơn một điện tử trong hầu hết các cài đặt. Khái niệm về dải động có thể được giải thích tốt hơn trong thuật ngữ hình ảnh. Giống như chúng ta đã đề cập trước đó, khi ánh sáng rơi vào CCD, các photon được chuyển đổi thành các điện tử và bị hút vào giếng tiềm năng mà tại một thời điểm nào đó trở nên bão hòa. Số lượng electron sinh ra từ sự chuyển đổi của các photon thường phụ thuộc vào cường độ của các nguồn, do đó, dải động cũng được sử dụng để mô tả phạm vi giữa nguồn sáng nhất và mờ nhất có thể được CCD chụp ảnh.
4. Độ tuyến tính:
Một cân nhắc quan trọng trong việc lựa chọn CCD thường là khả năng đáp ứng tuyến tính của nó trên nhiều loại Đầu vào. Trong hình ảnh, ví dụ, nếu một CCD phát hiện 100 photon và chuyển giống nhau thành 100 electron (ví dụ, giả sử QE là 100%), thì vì lợi ích tuyến tính, nó được kỳ vọng sẽ tạo ra 10000 electron nếu nó phát hiện 10000 photon. Giá trị của độ tuyến tính trong CCD là ở mức độ phức tạp giảm của các kỹ thuật xử lý được sử dụng trong việc cân và khuếch đại tín hiệu. Nếu CCD là tuyến tính, yêu cầu lượng tín hiệu điều hòa ít hơn.
5. Quyền lực:
Tùy thuộc vào ứng dụng, nguồn điện là yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với bất kỳ thiết bị nào và sử dụng thành phần tiêu thụ điện năng thấp thường là một quyết định thông minh. Đây là một trong những điều mà CCD mang lại cho các ứng dụng. Mặc dù mạch điện xung quanh chúng có thể tiêu thụ một lượng điện năng đáng kể, nhưng bản thân các CCD lại có công suất thấp, với giá trị tiêu thụ điển hình khoảng 50 mW.
6. Tiếng ồn:
CCD giống như tất cả các thiết bị tương tự đều dễ bị nhiễu, do đó, một trong những đặc tính chính để đánh giá hiệu suất và công suất của chúng là cách chúng đối phó với tiếng ồn. Yếu tố nhiễu cuối cùng gặp phải trong CCD là nhiễu Readout. Nó là sản phẩm của các electron trong quá trình chuyển đổi điện áp và là một yếu tố góp phần vào việc ước tính dải động của CCD.
Ứng dụng của CCD
Các thiết bị kết hợp với sạc sẽ tìm thấy các ứng dụng trên các lĩnh vực khác nhau bao gồm;
1. Khoa học Đời sống:
Máy dò và camera dựa trên CCD được sử dụng trong các ứng dụng và hệ thống hình ảnh đa dạng trong khoa học đời sống và lĩnh vực y tế. Các ứng dụng trong lĩnh vực này là quá lớn để đề cập đến từng ứng dụng, nhưng một số ví dụ cụ thể bao gồm khả năng chụp ảnh của các tế bào với các cải tiến tương phản được áp dụng, khả năng thu thập các mẫu hình ảnh đã được pha tạp chất fluorophores (khiến mẫu phát huỳnh quang) và sử dụng trong các hệ thống chụp cắt lớp tia X tiên tiến để hình ảnh cấu trúc xương và các mẫu mô mềm.
2. Kính hiển vi quang học:
Trong khi các ứng dụng trong khoa học sự sống bao gồm việc sử dụng trong kính hiển vi, điều quan trọng cần lưu ý là các ứng dụng của kính hiển vi không chỉ giới hạn trong lĩnh vực khoa học sự sống. Kính hiển vi quang học có nhiều loại khác nhau được sử dụng trong các lĩnh vực cogent khác như; kỹ thuật công nghệ nano, khoa học thực phẩm và hóa học.
Trong hầu hết các ứng dụng kính hiển vi, CCD được sử dụng vì tỷ lệ nhiễu thấp, độ nhạy cao, độ phân giải không gian cao và hình ảnh mẫu nhanh, điều này rất quan trọng để phân tích các phản ứng xảy ra ở cấp độ hiển vi.
3. Thiên văn học:
Với kính hiển vi, CCD được sử dụng để chụp ảnh các phần tử cực nhỏ nhưng trong Thiên văn học, nó được sử dụng để lấy nét hình ảnh của các vật thể lớn và ở xa. Thiên văn học là một trong những ứng dụng sớm nhất của CCD và các vật thể khác nhau, từ các ngôi sao, hành tinh, thiên thạch, v.v. đều được chụp ảnh bằng các hệ thống dựa trên CCD.
4. Máy ảnh thương mại:
Cảm biến hình ảnh CCD chi phí thấp được sử dụng trong các máy ảnh thương mại. Các CCD thường có chất lượng và hiệu suất thấp hơn so với các CCD được sử dụng trong Thiên văn học và khoa học đời sống do yêu cầu chi phí thấp đối với máy ảnh thương mại.