60 년대와 70 년대는 놀라운 발견, 발명, 기술, 특히 메모리 기술의 발전으로 가득 차있었습니다. 당시 주요 발견 중 하나는 Willard Boyle과 George Smith가 반도체“버블”메모리 개발을위한 MOS (metal-oxide-semiconductor) 기술의 적용을 탐구하면서 이루어졌습니다.
연구팀은 전하가 한 커패시터에서 다른 커패시터로 전하를 따라 이동할 수있는 방식으로 연결될 수있는 작은 MOS 커패시터에 전하가 저장 될 수 있음을 발견했습니다. 이 발견 은 원래 메모리 애플리케이션을 제공하도록 설계되었지만 이제는 고급 이미징 시스템의 중요한 구성 요소가 된 CCD (charge-coupled device) 의 발명으로 이어졌습니다.
CCD (Charge Coupled Devices)는 장치 내에서 전하를 정보로 해석하거나 처리 할 수있는 영역 (예: 디지털 값으로 변환)으로 이동하는 데 사용되는 고감도 광자 검출기 입니다.
오늘 기사에서는 CCD의 작동 방식, 배포 된 응용 프로그램 및 다른 기술과의 비교 이점을 살펴 보겠습니다.
충전 결합 장치 란 무엇입니까?
간단히 말해서, 전하 제어 장치는 외부 회로의 제어하에 각 커패시터에 전하가 저장되는 방식으로 설계된 연결되거나 결합 된 전하 저장 요소 (용량 성 빈)의 어레이를 포함하는 집적 회로로 정의 할 수 있습니다. 인접한 커패시터로 이동할 수 있습니다. Metal-Oxide-Semiconductor 커패시터 (MOS 커패시터)는 일반적으로 CCD에 사용되며 MOS 구조의 상단 플레이트에 외부 전압을 적용하여 전하 (전자 (e-) 또는 홀 (h +))를 결과에 저장할 수 있습니다. 가능성. 이러한 전하는 상단 플레이트 (게이트)에 적용된 디지털 펄스에 의해 하나의 커패시터에서 다른 커패시터로 이동 될 수 있으며 직렬 출력 레지스터로 행 단위로 전송 될 수 있습니다.
전하 결합 장치의 작동
CCD 작동에는 세 단계가 있으며 최근 가장 많이 사용되는 응용 분야는 이미징이므로 이미징과 관련하여 이러한 단계를 설명하는 것이 가장 좋습니다. 세 단계에는 다음이 포함됩니다.
- 요금 유도 / 수금
- 충전 시간 초과
- 충전 측정
충전 유도 / 수집 / 저장:
위에서 언급했듯이 CCD는 전하 저장 요소로 구성되며 저장 요소의 유형과 전하 유도 / 증착 방법은 애플리케이션에 따라 다릅니다. 이미징에서 CCD는 작은 영역 (픽셀)으로 분할 된 많은 수의 감광성 재료로 구성되며 관심 장면의 이미지를 만드는 데 사용됩니다. 장면에 투사 된 빛이 CCD에 반사되면 픽셀 중 하나에 의해 정의 된 영역 내에있는 빛의 광자가 하나 (또는 그 이상의) 전자로 변환되며, 그 수는 전자의 강도에 정비례합니다. CCD가 클럭 아웃 될 때 각 픽셀의 전자 수가 측정되고 장면이 재구성 될 수 있도록 각 픽셀의 장면.
아래 그림은 CCD를 통해 매우 단순화 된 단면을 보여줍니다.
위의 이미지에서 픽셀은 CCD 위의 전극 위치에 의해 정의됨을 알 수 있습니다. 양극 전압이 전극에 가해지면 양극 전위는 전극 아래 영역에 가까운 음으로 하전 된 모든 전자를 끌어 당깁니다. 또한, 양전하를 띠는 정공은 전극 주변 영역에서 반발 될 것이며 이는 들어오는 광자에 의해 생성 된 모든 전자가 저장되는 "전위 우물"의 발달로 이어질 것입니다.
더 많은 빛이 CCD에 떨어지면 "전위 우물"은 더 강해지고 "완전 우물 용량"(픽셀 아래에 저장할 수있는 전자 수)에 도달 할 때까지 더 많은 전자를 끌어들입니다. 적절한 이미지가 캡처되도록하기 위해, 예를 들어 셔터가 카메라에서 사용되어 시간에 맞춰 조명을 제어하여 잠재적 인 우물이 채워지지만 그 용량이 비생산적 일 수 있으므로 초과되지 않도록합니다.
충전 시간 초과:
CCD 제조에 사용되는 MOS 토폴로지는 온칩에서 수행 할 수있는 신호 컨디셔닝 및 처리의 양을 제한합니다. 따라서 일반적으로 전하는 처리가 수행되는 외부 컨디셔닝 회로에 클록 아웃되어야합니다.
CCD 행의 각 픽셀에는 일반적으로 아래 이미지와 같이 3 개의 전극이 장착되어 있습니다.
전극 중 하나는 전하 저장을위한 포텐셜 우물의 생성에 사용되는 반면 다른 두 전극은 전하의 클럭킹에 사용됩니다.
아래 이미지와 같이 전극 중 하나 아래에 전하가 수집된다고 가정합니다.
CCD에서 전하를 제거하기 위해 IØ3을 높게 유지하여 새로운 포텐셜 우물을 유도하여 아래 이미지와 같이 전하가 IØ2와 IØ3간에 공유되도록합니다.
다음으로, IØ2가 낮아지고 이것은 전하가 IØ3 전극으로 완전히 전달됩니다.
클록 아웃 프로세스는 IØ1을 높게 설정하여 IØ1과 IØ3간에 전하를 공유하고 마지막으로 IØ3을 낮게 설정하여 전하가 IØ1 전극 아래로 완전히 이동되도록합니다.
CCD에서 전극의 배열 / 방향에 따라이 프로세스는 계속되고 전하는 일반적으로 판독 레지스터라고하는 최종 행에 도달 할 때까지 열 아래로 또는 행을 가로 질러 이동합니다.
충전 측정:
판독 레지스터의 끝에서 연결된 증폭기 회로를 사용하여 각 전하 값을 측정하고이를 전자 당 약 5-10µV의 일반적인 변환 계수를 갖는 전압으로 변환합니다. 이미징 애플리케이션에서 CCD 기반 카메라는 다른 관련 전자 장치와 함께 CCD 칩과 함께 제공되지만 가장 중요한 것은 전하를 전압으로 변환하여 픽셀을 소프트웨어에서 처리 할 수있는 형식으로 디지털화하는 데 도움이되는 증폭기입니다. 캡처 한 이미지를 얻으려면.
CCD의 특성
CCD의 성능 / 품질 / 등급을 설명하는 데 사용되는 일부 속성은 다음과 같습니다.
1. 양자 효율:
양자 효율은 CCD가 전하를 획득 / 저장하는 효율을 나타냅니다.
이미징에서 픽셀 평면에 떨어지는 모든 광자가 감지되어 전하로 변환되는 것은 아닙니다. 성공적으로 감지되고 변환 된 사진의 비율을 양자 효율이라고합니다. 최고의 CCD는 약 80 %의 QE를 달성 할 수 있습니다. 문맥 상 인간 눈의 양자 효율은 약 20 %입니다.
2. 파장 범위:
CCD는 일반적으로 약 400nm (파란색)에서 약 1050nm (적외선)까지 넓은 파장 범위를 가지며 약 700nm에서 피크 감도를 갖습니다. 그러나 back thinning과 같은 프로세스를 사용하여 CCD의 파장 범위를 확장 할 수 있습니다.
3. 동적 범위:
CCD의 동적 범위는 전위 우물에 저장할 수있는 전자의 최소 및 최대 수를 나타냅니다. 일반적인 CCD에서 최대 전자 수는 일반적으로 약 150,000이고, 최소값은 실제로 대부분의 설정에서 전자 1 개 미만일 수 있습니다. 동적 범위의 개념은 이미징 용어로 더 잘 설명 될 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 빛이 CCD에 떨어질 때 광자는 전자로 변환되어 포텐셜 우물로 빨려 들어가 어떤 지점에서 포화됩니다. 광자의 변환으로 인해 발생하는 전자의 양은 일반적으로 소스의 강도에 따라 달라집니다. 따라서 동적 범위는 CCD로 이미지화 할 수있는 가장 밝은 소스와 가장 희미한 소스 사이의 범위를 설명하는데도 사용됩니다.
4. 선형성:
CCD 선택시 중요한 고려 사항은 일반적으로 광범위한 입력에 대해 선형 적으로 응답하는 능력입니다. 예를 들어, 이미징에서 CCD가 100 개의 광자를 감지하고이를 100 개의 전자로 변환하면 (예: QE가 100 %라고 가정) 선형성을 위해 10000 개의 광자를 감지하면 10000 개의 전자를 생성 할 것으로 예상됩니다. CCD에서 선형성의 가치는 신호의 무게를 측정하고 증폭하는 데 사용되는 처리 기술의 복잡성이 줄어든다는 점입니다. CCD가 선형이면 더 적은 양의 신호 컨디셔닝이 필요합니다.
5. 전원:
애플리케이션에 따라 전력은 모든 장치에서 중요한 고려 사항이며 저전력 구성 요소를 사용하는 것은 일반적으로 현명한 결정입니다. 이것은 CCD가 응용 프로그램에 가져 오는 것 중 하나입니다. 주변 회로는 상당한 양의 전력을 소비 할 수 있지만 CCD 자체는 저전력이며 일반적인 소비 값은 약 50mW입니다.
6. 소음:
모든 아날로그 장치와 마찬가지로 CCD는 잡음에 민감하므로 성능과 용량을 평가하는 주요 속성 중 하나는 잡음을 처리하는 방법입니다. CCD에서 경험하는 궁극적 인 노이즈 요소는 판독 노이즈입니다. 이는 전압 변환 프로세스에 대한 전자의 산물이며 CCD의 동적 범위 추정에 기여하는 요소입니다.
CCD의 응용
전하 결합 장치는 다음을 포함하여 다양한 분야에서 애플리케이션을 찾습니다.
1. 생명 과학:
CCD 기반 검출기와 카메라는 생명 과학 및 의료 분야의 다양한 이미징 애플리케이션 및 시스템에 사용됩니다. 이 분야의 응용 분야는 너무 방대하여 모든 것을 언급 할 수 없지만, 몇 가지 구체적인 예에는 대조 향상이 적용된 세포의 이미지를 촬영하는 기능, 형광 단으로 도핑 된 이미지 샘플을 수집하는 기능 (샘플이 형광을 발하게하는 기능)이 포함됩니다.) 및 고급 X 선 단층 촬영 시스템에서 뼈 구조 및 연조직 샘플을 이미지화하는 데 사용됩니다.
2. 광학 현미경:
생명 과학 분야의 응용 분야에는 현미경 사용이 포함되지만 현미경 응용 분야는 생명 과학 분야에만 국한되지 않는다는 점에 유의해야합니다. 다양한 유형의 광학 현미경은 다음과 같은 다른 cogent 분야에서 사용됩니다. 나노 기술 공학, 식품 과학 및 화학.
대부분의 현미경 응용 분야에서 CCD는 미세한 수준에서 발생하는 반응을 분석하는 데 중요한 낮은 노이즈 비율, 높은 감도, 높은 공간 해상도 및 빠른 샘플 이미징으로 인해 사용됩니다.
3. 천문학:
현미경으로 CCD는 작은 요소를 이미지화하는 데 사용되지만 천문학에서는 크고 멀리있는 물체의 이미지를 초점을 맞추는 데 사용됩니다. 천문학은 CCD의 가장 초기 응용 프로그램 중 하나이며 별, 행성, 유성 등의 물체는 모두 CCD 기반 시스템으로 이미지화되었습니다.
4. 상업용 카메라:
저비용 CCD 이미지 센서 는 상용 카메라에 사용됩니다. CCD는 일반적으로 상용 카메라에 대한 저렴한 요구 사항으로 인해 천문학 및 생명 과학에 사용되는 CCD에 비해 품질과 성능이 낮습니다.