60-е и 70-е годы были годами, наполненными блестящими открытиями, изобретениями и достижениями в области технологий, особенно технологий памяти. Одно из ключевых открытий того времени было сделано Уиллардом Бойлем и Джорджем Смитом, когда они исследовали применение технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) для разработки полупроводниковой «пузырьковой» памяти.

Команда обнаружила, что электрический заряд может храниться на крошечном МОП-конденсаторе, который можно подключить таким образом, чтобы заряд мог передаваться от одного конденсатора к другому. Это открытие привело к изобретению устройств (приборов) с зарядовой связью (ПЗС, в англ.CCD - charge-coupled devices), которые изначально были разработаны для обслуживания приложений памяти, но теперь стали важными компонентами современных систем обработки изображений.

ПЗС (прибор с зарядовой связью) — это высокочувствительный детектор фотонов, используемый для перемещения зарядов изнутри устройства в область, где их можно интерпретировать или обрабатывать как информацию (например, конвертировать в цифровое значение).

В сегодняшней статье мы рассмотрим, как работают ПЗС, приложения, в которых они используются, и их сравнительные преимущества перед другими технологиями.

Что такое устройство с зарядовой связью?

Проще говоря, устройства с контролем заряда можно определить как интегральные схемы, содержащие массив связанных элементов накопления заряда (емкостных бункеров), спроектированных таким образом, что под контролем внешней цепи электрический заряд, накопленный в каждом конденсаторе можно переместить на соседний конденсатор. Конденсаторы металл-оксид-полупроводник (МОП-конденсаторы) обычно используются в ПЗС-матрицах, и при подаче внешнего напряжения на верхние пластины МОП-структуры заряды (электроны (e-) или дырки (h+)) могут сохраняться в виде результирующего потенциала. Эти заряды затем могут быть перенесены с одного конденсатора на другой с помощью цифровых импульсов, подаваемых на верхние пластины (затворы), и могут быть переданы строка за строкой в ​​регистр последовательного вывода.

Работа устройства с зарядовой связью

Работа ПЗС-матрицы состоит из трех этапов, и поскольку в последнее время наиболее популярным применением является обработка изображений, лучше всего объяснить эти этапы применительно к визуализации. Эти три этапа включают в себя;

1. Наведение/сбор заряда.
2. Перераспределение заряда.
3. Измерение заряда.

Наведение/сбор/хранение заряда

Как упоминалось выше, ПЗС-матрицы состоят из элементов хранения заряда, а тип элемента хранения и метод индукции/осаждения заряда зависят от применения. В визуализации ПЗС-матрица состоит из большого количества светочувствительных материалов, разделенных на небольшие области (пиксели) и используемых для создания изображения интересующей сцены. Когда свет, падающий на сцену, отражается на ПЗС-матрице, фотон света, попадающий в область, определяемую одним из пикселей, преобразуется в один (или несколько) электронов, количество которых прямо пропорционально интенсивности сцены в каждом пикселе, так что когда ПЗС-матрица активирована, количество электронов в каждом пикселе измеряется и сцена может быть восстановлена.

На рисунке ниже показано очень упрощенное поперечное сечение ПЗС-матрицы.

На изображении выше видно, что пиксели определяются положением электродов над ПЗС-матрицей. Таким образом, если к электроду приложено положительное напряжение, положительный потенциал привлечет все отрицательно заряженные электроны вблизи области под электродом. Кроме того, любые положительно заряженные дырки будут отталкиваться от области вокруг электрода, и это приведет к развитию «потенциальной ямы», в которой будут храниться все электроны, созданные прибывающими фотонами.

Чем больше света падает на ПЗС-матрицу, тем сильнее «потенциальная яма» становится и притягивает больше электронов, пока не будет достигнута «полная емкость ямы» (количество электронов, которые могут храниться под пикселем). Чтобы гарантировать получение правильного изображения, в камерах, например, используется затвор для управления освещением по времени, чтобы потенциальная яма заполнялась, но ее емкость не превышалась, поскольку это может привести с искажениям.

Перераспределение заряда

Топология МОП, используемая при производстве ПЗС-матриц, ограничивает объем обработки сигнала, который может быть выполнен на кристалле. Таким образом, заряды обычно необходимо подавать во внешнюю схему формирования, где и выполняется обработка.

Каждый пиксель в ряду ПЗС-матрицы обычно оснащен тремя электродами, как показано на изображении ниже:

Один из электродов используется для создания потенциальной ямы для хранения заряда, а два других используются для тактирования зарядов.

Допустим, заряд собирается под одним из электродов, как показано на рисунке ниже:

Чтобы синхронизировать заряд из ПЗС-матрицы, создается новая потенциальная яма, удерживая IØ3 на высоком уровне, что заставляет заряд распределяться между IØ2 и IØ3, как показано на изображении ниже.

Далее IØ2 принимается низким, что приводит к полной передаче заряда на электрод IØ3.

Процесс тактирования продолжается повышением IØ1, что обеспечивает распределение заряда между IØ1 и IØ3, и, наконец, понижением IØ3, чтобы заряд полностью сместился под электроды IØ1.

В зависимости от расположения/ориентации электродов в ПЗС-матрице этот процесс будет продолжаться, и заряд будет перемещаться либо вниз по столбцу, либо поперек строки, пока не достигнет последней строки, обычно называемой регистром считывания.

Измерение заряда

В конце регистра считывания подключенная схема усилителя используется для измерения значения каждого заряда и преобразования его в напряжение с типичным коэффициентом преобразования около 5–10 мкВ на электрон. В приложениях для обработки изображений камера на основе ПЗС-матрицы будет поставляться с ПЗС-чипом вместе с некоторой другой сопутствующей электроникой, но, что наиболее важно, с усилителем, который путем преобразования заряда в напряжение помогает оцифровать пиксели в форму, которую можно обработать программным обеспечением чтобы получить захваченное изображение.

Свойства ПЗС-матрицы

Некоторые из свойств, используемых при описании характеристик/качества/класса ПЗС-матриц:

1. Квантовая эффективность

Квантовая эффективность означает эффективность, с которой ПЗС-матрица приобретает/сохраняет заряд.

При визуализации не все фотоны, падающие на плоскости пикселей, обнаруживаются и преобразуются в электрический заряд. Процент фотографий, которые были успешно обнаружены и преобразованы, известен как квантовая эффективность. Лучшие ПЗС-матрицы могут достичь квантовой эффективности  (QE) около 80%. Для контекста: квантовая эффективность человеческого глаза составляет около 20%.

2. Диапазон длин волн

ПЗС-матрицы обычно имеют широкий диапазон длин волн, от примерно 400 нм (синий) до примерно 1050 нм (инфракрасный) с максимальной чувствительностью около 700 нм. Однако такие процессы, как обратное утончение, можно использовать для расширения диапазона длин волн ПЗС-матрицы.

3. Динамический диапазон

Динамический диапазон ПЗС-матрицы определяет минимальное и максимальное количество электронов, которые могут храниться в потенциальной яме. В типичных ПЗС-матрицах максимальное количество электронов обычно составляет около 150 000, тогда как минимальное в большинстве случаев может фактически составлять менее одного электрона. Понятие динамического диапазона лучше объяснить с точки зрения визуализации. Как мы упоминали ранее, когда свет падает на ПЗС-матрицу, фотоны преобразуются в электроны и всасываются в потенциальную яму, которая в какой-то момент насыщается. Количество электронов, образующихся в результате преобразования фотонов, обычно зависит от интенсивности источников, поэтому динамический диапазон также используется для описания диапазона между самым ярким и самым тусклым возможным источником, который может быть отображен с помощью ПЗС-матрицы.

4. Линейность

Важным фактором при выборе ПЗС-матрицы обычно является ее способность линейно реагировать в широком диапазоне входных сигналов. Например, при визуализации, если ПЗС-матрица обнаруживает 100 фотонов и преобразует их в 100 электронов (например, при условии, что QE равно 100%), то в целях линейности ожидается, что она сгенерирует 10 000 электронов, если обнаружит 10 000 фотонов. Ценность линейности ПЗС-матриц заключается в уменьшении сложности методов обработки, используемых при взвешивании и усилении сигналов. Если ПЗС-матрица линейна, требуется меньшая обработка сигнала. 

5. Мощность

В зависимости от приложения мощность является важным фактором для любого устройства, и использование компонента с низким энергопотреблением обычно является разумным решением. Это одна из возможностей, которую ПЗС-матрицы привносят в приложения. Хотя схемы вокруг них могут потреблять значительное количество энергии, сами ПЗС-матрицы имеют низкую мощность, с типичными значениями потребления около 50 мВт.

6. Шум

ПЗС-матрицы, как и все аналоговые устройства, чувствительны к шуму, поэтому одним из основных свойств для оценки их производительности и емкости является то, как они справляются с шумом. Основным элементом шума, с которым сталкивается ПЗС-матрица, является шум считывания. Это продукт преобразования электронов в процесс преобразования напряжения, который играет важную роль в оценке динамического диапазона ПЗС-матрицы.

Применение ПЗС-матриц

Устройства с зарядовой связью находят применение в различных областях, в том числе;

1. Науки о жизни

Детекторы и камеры на основе ПЗС-матриц используются в различных приложениях и системах визуализации в науках о жизни и медицине. Приложения в этой области слишком обширны, чтобы упомянуть каждое из них, но некоторые конкретные примеры включают возможность получения изображений клеток с применением контрастного улучшения, возможность собирать образцы изображений, которые были допированы флуорофорами (которые вызывают флуоресценцию образца), и использовать в современных системах рентгеновской томографии для визуализации костных структур и образцов мягких тканей.

2. Оптическая микроскопия

Хотя приложения в области наук о жизни включают использование в микроскопах, важно отметить, что приложения микроскопии не ограничиваются областью наук о жизни. Оптические микроскопы различных типов используются в других важных областях, таких как; нанотехнологии, пищевая наука и химия.

В большинстве приложений микроскопии ПЗС-матрицы используются из-за низкого коэффициента шума, высокой чувствительности, высокого пространственного разрешения и быстрого получения изображения образца, что важно для анализа реакций, происходящих на микроскопических уровнях.

3. Астрономия

В микроскопии ПЗС-матрицы используются для изображения крошечных элементов, но в астрономии они используются для фокусировки изображений больших и удаленных объектов. Астрономия является одним из первых применений ПЗС-матриц, и все объекты, от звезд, планет, метеоров и т. д., были получены с помощью систем на основе ПЗС.

4. Коммерческие камеры

Недорогие датчики изображения с применением ПЗС используются в коммерческих камерах. ПЗС-матрицы обычно имеют более низкое качество и производительность по сравнению с теми, которые используются в астрономии и науках о жизни, из-за низкой стоимости коммерческих камер.

51 просмотров