วิธีการเรียกเก็บเงิน

ทศวรรษที่ 60 และ 70 เป็นปีที่เต็มไปด้วยการค้นพบสิ่งประดิษฐ์และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีโดยเฉพาะเทคโนโลยีหน่วยความจำ หนึ่งในการค้นพบที่สำคัญในเวลานั้นเกิดขึ้นโดยวิลลาร์ดบอยล์และจอร์จสมิ ธ ขณะที่พวกเขาสำรวจการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) สำหรับการพัฒนาหน่วยความจำ "ฟอง" ของเซมิคอนดักเตอร์

ทีมงานค้นพบว่าสามารถเก็บประจุไฟฟ้าไว้ในตัวเก็บประจุ MOS ขนาดเล็กซึ่งสามารถเชื่อมต่อในลักษณะที่สามารถเคลื่อนประจุจากตัวเก็บประจุหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งได้ การค้นพบนี้นำไปสู่การประดิษฐ์อุปกรณ์ชาร์จคู่ (CCD)ซึ่งเดิมออกแบบมาเพื่อรองรับแอปพลิเคชันหน่วยความจำ แต่ปัจจุบันกลายเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบภาพขั้นสูง

CCD (Charge Coupled Devices) คือเครื่องตรวจจับโฟตอนที่มีความไวสูงซึ่ง ใช้ในการเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้าจากภายในอุปกรณ์ไปยังบริเวณที่สามารถตีความหรือประมวลผลเป็นข้อมูลได้ (เช่นการแปลงเป็นค่าดิจิทัล)

ในบทความวันนี้เราจะตรวจสอบวิธีการทำงานของ CCD แอปพลิเคชันที่นำไปใช้งานและข้อดีเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่น ๆ

อุปกรณ์ Charge-Coupled คืออะไร?

ในแง่ง่ายๆอุปกรณ์ควบคุมประจุสามารถกำหนดเป็นวงจรรวมที่มีอาร์เรย์ขององค์ประกอบการจัดเก็บประจุที่เชื่อมโยงหรือคู่กัน (ถังเก็บประจุ) ซึ่งออกแบบมาในลักษณะที่ภายใต้การควบคุมของวงจรภายนอกประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุแต่ละตัว สามารถเคลื่อนย้ายไปยังตัวเก็บประจุที่อยู่ใกล้เคียงได้ ตัวเก็บประจุแบบโลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์ (MOS capacitors) มักใช้ใน CCD และโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกกับแผ่นด้านบนของโครงสร้าง MOS จะสามารถเก็บประจุ (อิเล็กตรอน (e-) หรือรู (h +)) ได้ในผลลัพธ์ ศักยภาพ. จากนั้นประจุเหล่านี้สามารถเปลี่ยนจากตัวเก็บประจุตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งโดยพัลส์ดิจิทัลที่นำไปใช้กับแผ่นด้านบน (ประตู) และสามารถถ่ายโอนทีละแถวไปยังรีจิสเตอร์เอาต์พุตแบบอนุกรม

การทำงานของอุปกรณ์ Charge-Coupled

มีสามขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของ CCD และเนื่องจากแอปพลิเคชั่นที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในช่วงเวลาที่ผ่านมาคือการถ่ายภาพจึงเป็นการดีที่สุดที่จะอธิบายขั้นตอนเหล่านี้เกี่ยวกับการถ่ายภาพ สามขั้นตอน ได้แก่;

1. การเหนี่ยวนำ / การเก็บประจุ
2. ชาร์จนาฬิกาออก
3. การวัดค่า

การเหนี่ยวนำค่าใช้จ่าย / การเก็บ / การจัดเก็บ:

ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว CCD ประกอบด้วยองค์ประกอบการจัดเก็บประจุและประเภทขององค์ประกอบการจัดเก็บและวิธีการเหนี่ยวนำ / การสะสมประจุขึ้นอยู่กับการใช้งาน ในการถ่ายภาพ CCD ประกอบด้วยวัสดุที่ไวต่อแสงจำนวนมากโดยแบ่งออกเป็นพื้นที่ขนาดเล็ก (พิกเซล) และใช้เพื่อสร้างภาพของฉากที่น่าสนใจ เมื่อแสงที่ตกกระทบในฉากสะท้อนบน CCD โฟตอนของแสงที่ตกอยู่ในพื้นที่ที่กำหนดโดยหนึ่งในพิกเซลจะถูกแปลงเป็นอิเล็กตรอนหนึ่งตัว (หรือมากกว่า) จำนวนซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของ ฉากในแต่ละพิกเซลดังนั้นเมื่อ CCD ถูกโอเวอร์คล็อกจำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละพิกเซลจะถูกวัดและสามารถสร้างฉากใหม่ได้

รูปด้านล่างแสดงภาพตัดขวางที่เรียบง่ายมากผ่าน CCD

จากภาพด้านบนจะเห็นได้ว่าพิกเซลถูกกำหนดโดยตำแหน่งของอิเล็กโทรดเหนือ CCD ดังนั้นหากใช้แรงดันไฟฟ้าบวกกับอิเล็กโทรดศักย์บวกจะดึงดูดอิเล็กตรอนที่มีประจุลบทั้งหมดเข้าใกล้บริเวณใต้ขั้ว นอกจากนี้หลุมที่มีประจุบวกจะถูกขับออกจากบริเวณรอบ ๆ ขั้วไฟฟ้าและจะนำไปสู่การพัฒนา "หลุมศักยภาพ" ที่ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดที่เกิดจากโฟตอนที่เข้ามาจะถูกเก็บไว้

เมื่อแสงตกกระทบบน CCD มากขึ้น“ บ่อศักยภาพ” จะแข็งแกร่งขึ้นและดึงดูดอิเล็กตรอนได้มากขึ้นจนกว่าจะได้“ ความจุเต็ม” (จำนวนอิเล็กตรอนที่สามารถเก็บไว้ใต้พิกเซล) ได้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้ภาพที่ถูกต้องตัวอย่างเช่นชัตเตอร์จะถูกใช้ในกล้องเพื่อควบคุมแสงในลักษณะตามกำหนดเวลาเพื่อให้เติมเต็มช่องที่มีศักยภาพ แต่ไม่เกินความจุเนื่องจากอาจต่อต้านได้

การชาร์จนาฬิกาออก:

โทโพโลยี MOS ที่ใช้ในการผลิต CCD จำกัด จำนวนการปรับสภาพสัญญาณและการประมวลผลที่สามารถทำได้บนชิป ดังนั้นค่าใช้จ่ายมักจะต้องถูกโอเวอร์คล็อกไปยังวงจรปรับอากาศภายนอกซึ่งการประมวลผลเสร็จสิ้น

แต่ละพิกเซลในแถวของ CCD โดยทั่วไปจะมีอิเล็กโทรด 3 ตัวตามที่แสดงในภาพด้านล่าง:

หนึ่งในอิเล็กโทรดถูกใช้ในการสร้างศักยภาพที่ดีสำหรับการจัดเก็บประจุในขณะที่อีกสองตัวใช้ในการตอกบัตรจากประจุ

สมมติว่ามีการเก็บประจุภายใต้ขั้วไฟฟ้าอย่างใดอย่างหนึ่งตามที่แสดงในภาพด้านล่าง:

ในการจับเวลาประจุออกจาก CCD หลุมที่มีศักยภาพใหม่จะเกิดขึ้นโดยการถือIØ3ให้สูงซึ่งบังคับให้มีการแบ่งประจุระหว่างIØ2และIØ3ตามที่แสดงในภาพด้านล่าง

ถัดไปIØ2ถูกถ่ายให้ต่ำและสิ่งนี้นำไปสู่การถ่ายโอนประจุไปยังอิเล็กโทรดIØ3อย่างสมบูรณ์

กระบวนการตอกบัตรยังคงดำเนินต่อไปโดยใช้IØ1สูงซึ่งทำให้แน่ใจได้ว่าจะมีการแบ่งปันประจุระหว่างIØ1และIØ3และในที่สุดก็รับIØ3ต่ำดังนั้นการชาร์จจะถูกเลื่อนไปอย่างเต็มที่ภายใต้อิเล็กโทรดIØ1

ขึ้นอยู่กับการจัดเรียง / การวางแนวของอิเล็กโทรดใน CCD กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปและประจุจะเคลื่อนลงตามคอลัมน์หรือข้ามแถวจนกว่าจะถึงแถวสุดท้ายโดยปกติจะเรียกว่ารีจิสเตอร์การอ่านข้อมูล

การวัดค่า:

ในตอนท้ายของรีจิสเตอร์การอ่านข้อมูลวงจรแอมพลิฟายเออร์ที่เชื่อมต่อจะถูกใช้เพื่อวัดค่าของแต่ละประจุและแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยมีปัจจัยการแปลงทั่วไปประมาณ 5-10µV ต่ออิเล็กตรอน ในแอปพลิเคชั่นการถ่ายภาพกล้องที่ใช้ CCD จะมาพร้อมกับชิป CCD พร้อมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง แต่ที่สำคัญที่สุดคือแอมพลิฟายเออร์ซึ่งการแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้าจะช่วยในการแปลงพิกเซลเป็นรูปแบบดิจิทัลที่ซอฟต์แวร์สามารถประมวลผลได้ เพื่อให้ได้ภาพที่ถ่าย

คุณสมบัติของ CCD

คุณสมบัติบางประการที่ใช้ในการอธิบายประสิทธิภาพ / คุณภาพ / เกรดของ CCD ได้แก่:

1. ประสิทธิภาพควอนตัม:

ประสิทธิภาพควอนตัมหมายถึงประสิทธิภาพที่ CCD ได้รับ / เก็บประจุ

ในการถ่ายภาพโฟตอนทั้งหมดที่ตกลงบนระนาบพิกเซลจะไม่ถูกตรวจพบและแปลงเป็นประจุไฟฟ้า เปอร์เซ็นต์ของภาพถ่ายที่ตรวจพบและแปลงสำเร็จเรียกว่าประสิทธิภาพควอนตัม CCD ที่ดีที่สุดสามารถบรรลุ QE ได้ประมาณ 80% สำหรับบริบทประสิทธิภาพควอนตัมของดวงตามนุษย์อยู่ที่ประมาณ 20%

2. ช่วงความยาวคลื่น:

CCD โดยทั่วไปจะมีช่วงความยาวคลื่นกว้างตั้งแต่ประมาณ 400 นาโนเมตร (สีน้ำเงิน) ถึงประมาณ 1,050 นาโนเมตร (อินฟาเรด) โดยมีความไวสูงสุดที่ประมาณ 700 นาโนเมตร อย่างไรก็ตามกระบวนการเช่นการทำให้ผอมบางสามารถใช้เพื่อขยายช่วงความยาวคลื่นของ CCD ได้

3. ช่วงไดนามิก:

ไดนามิกเรนจ์ของ CCD หมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนขั้นต่ำและสูงสุดที่สามารถเก็บไว้ในหลุมศักย์ ใน CCD ทั่วไปจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดมักอยู่ที่ประมาณ 150,000 อิเล็กตรอนในขณะที่ค่าต่ำสุดอาจน้อยกว่าหนึ่งอิเล็กตรอนในการตั้งค่าส่วนใหญ่ แนวคิดของช่วงไดนามิกอาจอธิบายได้ดีกว่าในแง่การถ่ายภาพ ดังที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้เมื่อแสงตกบน CCD โฟตอนจะถูกเปลี่ยนเป็นอิเล็กตรอนและถูกดูดเข้าไปในหลุมที่มีศักยภาพซึ่งในบางจุดจะอิ่มตัว จำนวนอิเล็กตรอนที่เกิดจากการแปลงโฟตอนโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับความเข้มของแหล่งกำเนิดดังนั้นช่วงไดนามิกยังใช้เพื่ออธิบายช่วงระหว่างแหล่งกำเนิดที่สว่างที่สุดและจางที่สุดที่เป็นไปได้ซึ่ง CCD สามารถถ่ายภาพได้

4. ความเป็นเส้นตรง:

การพิจารณาที่สำคัญในการเลือก CCD มักจะเป็นความสามารถในการตอบสนองเชิงเส้นผ่านอินพุตที่หลากหลาย ในการถ่ายภาพตัวอย่างเช่นหาก CCD ตรวจพบ 100 โฟตอนและแปลงเหมือนกันเป็น 100 อิเล็กตรอน (เช่นสมมติว่า QE เป็น 100%) จากนั้นเพื่อประโยชน์เชิงเส้นคาดว่าจะสร้างอิเล็กตรอนได้ 10,000 อิเล็กตรอนหากตรวจพบ 10,000 โฟตอน ค่าของความเป็นเชิงเส้นใน CCD อยู่ในความซับซ้อนที่ลดลงของเทคนิคการประมวลผลที่ใช้ในการชั่งน้ำหนักและขยายสัญญาณ หาก CCD เป็นแบบเชิงเส้นจำเป็นต้องมีการปรับสภาพสัญญาณให้น้อยลง

5. อำนาจ:

การใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์ใด ๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งานและการใช้ส่วนประกอบที่ใช้พลังงานต่ำมักจะเป็นการตัดสินใจที่ชาญฉลาด นี่เป็นหนึ่งในสิ่งที่ CCD นำมาสู่แอปพลิเคชัน ในขณะที่วงจรรอบตัวอาจใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก แต่ CCD เองก็ใช้พลังงานต่ำโดยมีค่าการบริโภคทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 50 mW

6. เสียงรบกวน:

CCD เช่นเดียวกับอุปกรณ์อนาล็อกทั้งหมดมีความไวต่อสัญญาณรบกวนดังนั้นคุณสมบัติหลักประการหนึ่งสำหรับการประเมินประสิทธิภาพและความจุคือวิธีจัดการกับเสียงรบกวน องค์ประกอบเสียงรบกวนที่ดีที่สุดที่พบใน CCD คือสัญญาณรบกวนการอ่านข้อมูล เป็นผลคูณของอิเล็กตรอนในกระบวนการแปลงแรงดันไฟฟ้าและเป็นปัจจัยที่เอื้อต่อการประมาณช่วงไดนามิกของ CCD

การประยุกต์ใช้ CCD

อุปกรณ์ชาร์จคู่ค้นหาแอพพลิเคชั่นในสาขาต่างๆ ได้แก่;

1. วิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต:

เครื่องตรวจจับและกล้องที่ใช้ CCD ใช้ในแอพพลิเคชั่นและระบบการถ่ายภาพที่หลากหลายในวิทยาศาสตร์ชีวภาพและด้านการแพทย์ แอปพลิเคชั่นในพื้นที่นี้มีมากมายเกินกว่าที่จะกล่าวถึงทุกชิ้น แต่ตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจงบางตัวอย่างรวมถึงความสามารถในการถ่ายภาพเซลล์ที่ใช้การปรับปรุงความคมชัดความสามารถในการเก็บตัวอย่างภาพที่เจือด้วยฟลูออโรโฟเรส (ซึ่งทำให้ตัวอย่างเรืองแสง) และใช้ในระบบเอกซเรย์เอกซเรย์ขั้นสูงเพื่อสร้างภาพโครงสร้างกระดูกและตัวอย่างเนื้อเยื่ออ่อน

2. กล้องจุลทรรศน์แสง:

แม้ว่าแอปพลิเคชันภายใต้วิทยาศาสตร์ชีวภาพจะรวมถึงการใช้กล้องจุลทรรศน์ แต่สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าการใช้งานกล้องจุลทรรศน์ไม่ได้ จำกัด เฉพาะในสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหลายประเภทถูกนำไปใช้ในสาขาที่เป็นฟันเฟืองอื่น ๆ เช่น วิศวกรรมนาโนเทคโนโลยีวิทยาศาสตร์การอาหารและเคมี

ในการใช้งานกล้องจุลทรรศน์ส่วนใหญ่จะใช้ CCD เนื่องจากมีอัตราส่วนสัญญาณรบกวนต่ำความไวสูงความละเอียดเชิงพื้นที่สูงและการถ่ายภาพตัวอย่างอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวิเคราะห์ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระดับกล้องจุลทรรศน์

3. ดาราศาสตร์:

ด้วยกล้องจุลทรรศน์ CCD จะใช้ในการถ่ายภาพองค์ประกอบเล็ก ๆ แต่ในดาราศาสตร์ใช้ในการโฟกัสภาพของวัตถุขนาดใหญ่และที่อยู่ห่างไกล ดาราศาสตร์เป็นหนึ่งในแอปพลิเคชั่น CCD และวัตถุที่เก่าแก่ที่สุดตั้งแต่ดาวฤกษ์ดาวเคราะห์อุกกาบาต ฯลฯ ได้รับการถ่ายภาพด้วยระบบที่ใช้ CCD

4. กล้องถ่ายรูปเชิงพาณิชย์:

เซ็นเซอร์ภาพ CCDราคาประหยัดใช้ในกล้องเชิงพาณิชย์ CCD มักมีคุณภาพและประสิทธิภาพต่ำกว่าเมื่อเทียบกับที่ใช้ในดาราศาสตร์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพเนื่องจากความต้องการต้นทุนต่ำสำหรับกล้องเชิงพาณิชย์