60 और 70 के दशक प्रौद्योगिकी, विशेष रूप से स्मृति प्रौद्योगिकियों में शानदार खोजों, आविष्कारों और प्रगति से भरे हुए थे। उस समय की प्रमुख खोजों में से एक विलार्ड बॉयल और जॉर्ज स्मिथ द्वारा बनाई गई थी, क्योंकि उन्होंने सेमीकंडक्टर "बबल" मेमोरी के विकास के लिए धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (एमओएस) तकनीक के अनुप्रयोग का पता लगाया था।
टीम ने पाया कि एक विद्युत चार्ज को छोटे MOS कैपेसिटर पर संग्रहीत किया जा सकता है, जिसे इस तरह से जोड़ा जा सकता है कि चार्ज को एक संधारित्र से दूसरे में स्थानांतरित किया जा सकता है। इस खोज ने चार्ज-युग्मित उपकरणों (सीसीडी) के आविष्कार का नेतृत्व किया , जो मूल रूप से मेमोरी अनुप्रयोगों की सेवा के लिए डिज़ाइन किए गए थे, लेकिन अब उन्नत इमेजिंग सिस्टम के महत्वपूर्ण घटक बन गए हैं।
एक सीसीडी (चार्ज कपल्ड डिवाइसेस) एक अत्यधिक संवेदनशील फोटॉन डिटेक्टर है जिसका उपयोग डिवाइस से किसी क्षेत्र में चार्ज करने के लिए उपयोग किया जाता है, जहां इसे सूचना के रूप में व्याख्या या संसाधित किया जा सकता है (जैसे डिजिटल मूल्य में रूपांतरण)।
आज के लेख में, हम जांच करेंगे कि सीसीडी कैसे काम करते हैं, जिन अनुप्रयोगों में वे तैनात हैं, और अन्य प्रौद्योगिकियों के लिए उनके तुलनात्मक लाभ।
चार्ज-युग्मित डिवाइस क्या है?
सरल शब्दों में, चार्ज नियंत्रित उपकरणों को एकीकृत सर्किट के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें लिंक या युग्मित, चार्ज स्टोरेज तत्वों (कैपेसिटिव डिब्बे) की एक सरणी होती है, जिसे इस तरह से डिज़ाइन किया जाता है कि बाहरी सर्किट के नियंत्रण में, प्रत्येक संधारित्र में संग्रहीत विद्युत चार्ज। पड़ोसी संधारित्र में ले जाया जा सकता है। मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर कैपेसिटर (MOS कैपेसिटर) का उपयोग आमतौर पर CCDs में किया जाता है, और MOS संरचना के शीर्ष प्लेटों पर बाहरी वोल्टेज लगाने से, चार्ज (इलेक्ट्रॉनों) (ई-) या छेद (एच +) जिसके परिणामस्वरूप संग्रहीत किया जा सकता है क्षमता। फिर इन शुल्कों को शीर्ष प्लेटों (गेट्स) पर लागू डिजिटल दालों द्वारा एक संधारित्र से दूसरे में स्थानांतरित किया जा सकता है और पंक्ति द्वारा एक धारावाहिक आउटपुट रजिस्टर में स्थानांतरित किया जा सकता है।
चार्ज-कपल डिवाइस का कार्य
एक सीसीडी के संचालन में तीन चरण शामिल हैं और हाल के दिनों में सबसे लोकप्रिय अनुप्रयोग इमेजिंग है, इमेजिंग के संबंध में इन चरणों की व्याख्या करना सबसे अच्छा है। तीन चरणों में शामिल हैं;
- चार्ज इंडक्शन / कलेक्शन
- चार्ज क्लॉकिंग आउट
- चार्ज माप
चार्ज इंडक्शन / कलेक्शन / स्टोरेज:
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, सीसीडी चार्ज स्टोरेज तत्वों से बने होते हैं और स्टोरेज एलीमेंट के प्रकार और चार्ज इंडक्शन / डिपॉजिट का तरीका एप्लीकेशन पर निर्भर करता है। इमेजिंग में, सीसीडी बड़ी संख्या में प्रकाश-संवेदनशील सामग्रियों से बना होता है जो छोटे क्षेत्रों (पिक्सेल) में विभाजित होते हैं और ब्याज के दृश्य की एक छवि बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। जब दृश्य पर फेंकी जाने वाली रोशनी सीसीडी पर परिलक्षित होती है, तो प्रकाश की एक फोटॉन जो एक पिक्सेल द्वारा परिभाषित क्षेत्र के भीतर आती है, उसे एक (या अधिक) इलेक्ट्रॉनों में बदल दिया जाएगा, जिसकी संख्या सीधे तीव्रता की तीव्रता के आनुपातिक है। प्रत्येक पिक्सेल पर दृश्य, जैसे कि जब सीसीडी को देखा जाता है, प्रत्येक पिक्सेल में इलेक्ट्रॉनों की संख्या को मापा जाता है और दृश्य को बाधित किया जा सकता है।
नीचे दिया गया आंकड़ा एक सीसीडी के माध्यम से बहुत सरलीकृत क्रॉस-सेक्शन दिखाता है।
ऊपर की छवि से, यह देखा जा सकता है कि पिक्सल सीसीडी के ऊपर इलेक्ट्रोड की स्थिति से परिभाषित होते हैं। ऐसा है कि अगर एक सकारात्मक वोल्टेज इलेक्ट्रोड पर लागू किया जाता है, तो सकारात्मक क्षमता इलेक्ट्रोड के तहत क्षेत्र के करीब नकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रॉनों के सभी को आकर्षित करेगी। इसके अलावा, किसी भी सकारात्मक चार्ज किए गए छेद को इलेक्ट्रोड के आस-पास के क्षेत्र से repulsed किया जाएगा और इससे "संभावित कुएं" का विकास होगा जहां आने वाले फोटॉन द्वारा उत्पादित सभी इलेक्ट्रॉनों को संग्रहीत किया जाएगा।
जैसे ही अधिक प्रकाश सीसीडी पर पड़ता है, "संभावित अच्छी तरह" मजबूत हो जाता है और "पूरी तरह से क्षमता" (एक पिक्सेल के तहत संग्रहीत इलेक्ट्रॉनों की संख्या) प्राप्त होने तक अधिक इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि एक उचित छवि पर कब्जा कर लिया गया है, उदाहरण के लिए एक शटर का उपयोग कैमरों में समयबद्ध तरीके से प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है ताकि संभावित कुएं को भर दिया जाए लेकिन इसकी क्षमता से अधिक नहीं है क्योंकि यह प्रतिसंक्रामक हो सकता है।
चार्ज क्लॉकिंग आउट:
सीसीडी निर्माण में प्रयुक्त MOS टोपोलॉजी सिग्नल कंडीशनिंग और प्रसंस्करण की मात्रा को सीमित करता है जो कि चिप पर किया जा सकता है। इस प्रकार, आरोपों को आमतौर पर एक बाहरी कंडीशनिंग सर्किट से देखा जाना चाहिए जहां प्रसंस्करण किया जाता है।
सीसीडी की एक पंक्ति में प्रत्येक पिक्सेल आमतौर पर 3 इलेक्ट्रोड से सुसज्जित है जैसा कि नीचे दी गई छवि में दिखाया गया है:
इलेक्ट्रोड में से एक का उपयोग चार्ज स्टोरेज के लिए संभावित कुएं के निर्माण में किया जाता है जबकि अन्य दो का उपयोग चार्जिंग आउट चार्जिंग में किया जाता है।
मान लीजिए कि नीचे दिए गए चित्र में दर्शाए गए किसी एक इलेक्ट्रोड के तहत एक शुल्क लिया गया है:
चार्ज को सीसीडी से बाहर देखने के लिए, I high3 उच्च को धारण करके एक नए संभावित कुएं को प्रेरित किया जाता है, जो IØ2 और IØ3 के बीच चार्ज को नीचे की छवि के रूप में साझा करने के लिए मजबूर करता है।
अगला, I to2 को कम लिया जाता है, और इससे चार्ज का पूर्ण स्थानांतरण इलेक्ट्रोड IØ3 तक हो जाता है।
I1 उच्च लेने से क्लॉकिंग आउट प्रक्रिया जारी है, जो सुनिश्चित करता है कि चार्ज I and1 और IØ3 के बीच साझा किया गया है, और अंत में I so3 को कम ले रहा है, इसलिए IØ1 इलेक्ट्रोड के तहत चार्ज पूरी तरह से स्थानांतरित कर दिया गया है।
सीसीडी में इलेक्ट्रोड की व्यवस्था / अभिविन्यास के आधार पर, यह प्रक्रिया जारी रहेगी और चार्ज कॉलम या पंक्ति के नीचे तब तक चलेगा जब तक कि यह अंतिम पंक्ति तक नहीं पहुंच जाता, आमतौर पर इसे रीडआउट रजिस्टर के रूप में संदर्भित किया जाता है।
प्रभारी माप:
रीडआउट रजिस्टर के अंत में, प्रत्येक चार्ज के मूल्य को मापने के लिए एक कनेक्टेड एम्पलीफायर सर्किट का उपयोग किया जाता है और इसे वोल्टेज में लगभग 5-10 electronV प्रति इलेक्ट्रॉन के विशिष्ट रूपांतरण कारक के साथ परिवर्तित किया जाता है। इमेजिंग अनुप्रयोगों में, एक सीसीडी-आधारित कैमरा सीसीडी चिप के साथ कुछ अन्य संबद्ध इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ आएगा लेकिन सबसे महत्वपूर्ण रूप से एम्पलीफायर, जो चार्ज को वोल्टेज में परिवर्तित करके पिक्सल को एक ऐसे रूप में डिजिटल करने में मदद करता है जिसे सॉफ्टवेयर द्वारा संसाधित किया जा सकता है, कब्जा कर लिया छवि प्राप्त करने के लिए।
सीसीडी के गुण
CCDs के प्रदर्शन / गुणवत्ता / ग्रेड का वर्णन करने में उपयोग की जाने वाली कुछ संपत्तियाँ हैं:
1. क्वांटम दक्षता:
क्वांटम दक्षता से तात्पर्य उस दक्षता से है जिससे एक सीसीडी एक शुल्क प्राप्त / जमा करता है।
इमेजिंग में, पिक्सेल विमानों पर गिरने वाले सभी फोटोन का पता नहीं लगाया जाता है और उन्हें विद्युत आवेश में बदल दिया जाता है। तस्वीरों का प्रतिशत जो सफलतापूर्वक पता लगाया और परिवर्तित किया गया है उन्हें क्वांटम दक्षता कहा जाता है। सर्वश्रेष्ठ CCDs लगभग 80% QE प्राप्त कर सकते हैं। संदर्भ के लिए, मानव आंख की क्वांटम दक्षता लगभग 20% है।
2. तरंग दैर्ध्य रेंज:
सीसीडी में आमतौर पर लगभग ४०० एनएम (नीला) से लेकर १०५० एनएम (इंफ्रा-रेड) तक की चोटी की संवेदनशीलता होती है, जिसमें लगभग m०० एनएम की चोटी संवेदनशीलता होती है। हालांकि, बैक थिनिंग जैसी प्रक्रियाओं का उपयोग किसी सीसीडी की तरंग दैर्ध्य सीमा का विस्तार करने के लिए किया जा सकता है।
3. गतिशील रेंज:
एक सीसीडी की गतिशील रेंज न्यूनतम और अधिकतम इलेक्ट्रॉनों की संख्या को संदर्भित करती है जिन्हें संभावित कुएं में संग्रहीत किया जा सकता है। विशिष्ट CCDs में, इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या आमतौर पर 150,000 के आसपास होती है, जबकि न्यूनतम वास्तव में अधिकांश सेटिंग्स में एक इलेक्ट्रॉन से कम हो सकती है। इमेजिंग रेंज में डायनामिक रेंज की अवधारणा को बेहतर ढंग से समझाया जा सकता है। जैसा कि हमने पहले उल्लेख किया है, जब प्रकाश एक सीसीडी पर गिरता है, तो फोटॉनों को इलेक्ट्रॉनों में बदल दिया जाता है और संभावित कुएं में चूसा जाता है जो किसी बिंदु पर संतृप्त हो जाता है। फोटॉनों के रूपांतरण से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों की मात्रा आमतौर पर स्रोतों की तीव्रता पर निर्भर करती है, जैसे, डायनेमिक रेंज का उपयोग प्रतिभाशाली और बेहोश संभावित स्रोत के बीच की सीमा का वर्णन करने के लिए भी किया जाता है जिसे सीसीडी द्वारा imaged किया जा सकता है।
4. रैखिक:
सीसीडी के चयन में एक महत्वपूर्ण विचार आमतौर पर इनपुट की एक विस्तृत श्रृंखला पर रैखिक रूप से प्रतिक्रिया करने की क्षमता है। इमेजिंग में, उदाहरण के लिए, यदि कोई सीसीडी 100 फोटोन का पता लगाता है और उसी को 100 इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित करता है (उदाहरण के लिए, क्यूई 100% है, तो), तो रैखिकता के लिए, 10000 इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने पर 10000 इलेक्ट्रॉनों के उत्पन्न होने की उम्मीद है। CCDs में रैखिकता का मान सिग्नलों को तौलने और बढ़ाने में प्रयुक्त प्रसंस्करण तकनीकों की कम जटिलता में है। यदि सीसीडी रैखिक है, तो सिग्नल कंडीशनिंग की कम मात्रा की आवश्यकता होती है।
5. बिजली:
अनुप्रयोग के आधार पर, किसी भी उपकरण के लिए शक्ति एक महत्वपूर्ण विचार है, और कम-शक्ति घटक का उपयोग करना आमतौर पर एक स्मार्ट निर्णय है। यह उन चीजों में से एक है जो CCDs अनुप्रयोगों में लाता है। जबकि उनके आस-पास के सर्किट्री बिजली की एक महत्वपूर्ण मात्रा का उपभोग कर सकते हैं, सीसीडी स्वयं कम शक्ति वाले होते हैं, जिसमें 50 mW के आसपास विशिष्ट खपत मूल्य होते हैं।
6. शोर:
सभी एनालॉग उपकरणों जैसे सीसीडी शोर के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, जैसे, उनके प्रदर्शन और क्षमता के मूल्यांकन के लिए प्रमुख गुणों में से एक यह है कि वे शोर से कैसे निपटते हैं। सीसीडी में अनुभवी परम शोर तत्व रीडआउट शोर है। यह वोल्टेज रूपांतरण प्रक्रिया के लिए इलेक्ट्रॉनों का एक उत्पाद है और सीसीडी की गतिशील रेंज के आकलन के लिए एक योगदान कारक है।
CCDs के अनुप्रयोग
चार्ज-युग्मित डिवाइस सहित विभिन्न क्षेत्रों में एप्लिकेशन ढूंढते हैं;
1. जीवन विज्ञान:
सीसीडी आधारित डिटेक्टरों और कैमरों का उपयोग जीवन विज्ञान और चिकित्सा क्षेत्र में विविध इमेजिंग अनुप्रयोगों और प्रणालियों में किया जाता है। इस क्षेत्र में आवेदन हर एक का उल्लेख करने के लिए बहुत विशाल हैं, लेकिन कुछ विशिष्ट उदाहरणों में लागू विपरीत वृद्धि के साथ कोशिकाओं की छवियों को लेने की क्षमता शामिल है, जो छवि के नमूने एकत्र करने की क्षमता है जो फ्लूरोफोरस के साथ डोप किया गया है (जो नमूना को फ्लोरोसेंट में ले जाता है।) और उन्नत एक्स-रे टोमोग्राफी सिस्टम में हड्डी संरचनाओं और नरम ऊतक नमूनों की छवि का उपयोग करें।
2. ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी:
जबकि जीवन विज्ञान के अंतर्गत आने वाले अनुप्रयोगों में सूक्ष्मदर्शी में उपयोग शामिल है, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि माइक्रोस्कोपी अनुप्रयोग जीवन विज्ञान क्षेत्र तक सीमित नहीं हैं। विभिन्न प्रकार के ऑप्टिकल सूक्ष्मदर्शी का उपयोग अन्य दलित क्षेत्रों में किया जाता है जैसे; नैनो इंजीनियरिंग, खाद्य विज्ञान और रसायन विज्ञान।
अधिकांश माइक्रोस्कोपी अनुप्रयोगों में, सीसीडी का उपयोग कम शोर अनुपात, उच्च संवेदनशीलता, उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और तेजी से नमूना इमेजिंग के कारण किया जाता है जो सूक्ष्म स्तरों पर होने वाली प्रतिक्रियाओं का विश्लेषण करने के लिए महत्वपूर्ण है।
3. खगोल विज्ञान:
माइक्रोस्कोपी के साथ, सीसीडी का उपयोग छोटे तत्वों की छवि के लिए किया जाता है लेकिन खगोल विज्ञान में इसका उपयोग बड़ी और दूर की वस्तुओं की छवियों को केंद्रित करने में किया जाता है। एस्ट्रोनॉमी CCDs के सबसे शुरुआती अनुप्रयोगों में से एक है और सितारों, ग्रहों, उल्काओं इत्यादि से लेकर ऑब्जेक्ट्स सभी को सीसीडी-आधारित सिस्टम के साथ imaged किया गया है।
4. वाणिज्यिक कैमरे:
कम लागत वाले सीसीडी इमेज सेंसर का उपयोग वाणिज्यिक कैमरों में किया जाता है। एसआरएस आमतौर पर कम गुणवत्ता और प्रदर्शन की तुलना में एस्ट्रोनॉमी और जीवन विज्ञान में व्यावसायिक कैमरों की कम लागत वाली आवश्यकताओं के कारण उपयोग किया जाता है।