ఎలా ఛార్జ్

60 మరియు 70 లు అద్భుతమైన ఆవిష్కరణలు, ఆవిష్కరణలు మరియు సాంకేతిక పరిజ్ఞానం, ముఖ్యంగా మెమరీ టెక్నాలజీలతో నిండి ఉన్నాయి. సెమీకండక్టర్ “బబుల్” మెమరీ అభివృద్ధి కోసం మెటల్-ఆక్సైడ్-సెమీకండక్టర్ (MOS) సాంకేతిక పరిజ్ఞానాన్ని అన్వేషించినందున, ఆ సమయంలో కీలకమైన ఆవిష్కరణలలో ఒకటి విల్లార్డ్ బాయిల్ మరియు జార్జ్ స్మిత్ చేశారు.

ఎలక్ట్రికల్ ఛార్జ్‌ను ఒక చిన్న MOS కెపాసిటర్‌లో నిల్వ చేయవచ్చని బృందం కనుగొంది, ఇది ఒక కెపాసిటర్ నుండి మరొక కెపాసిటర్‌తో పాటు ఛార్జ్‌ను అడుగు పెట్టే విధంగా అనుసంధానించబడుతుంది. ఈ ఆవిష్కరణ ఛార్జ్-కపుల్డ్ పరికరాల (సిసిడి) ఆవిష్కరణకు దారితీసింది , ఇవి మొదట మెమరీ అనువర్తనాలకు ఉపయోగపడేలా రూపొందించబడ్డాయి, కానీ ఇప్పుడు ఆధునిక ఇమేజింగ్ వ్యవస్థలలో ముఖ్యమైన భాగాలుగా మారాయి.

సిసిడి (ఛార్జ్ కపుల్డ్ డివైజెస్) అనేది ఒక పరికరం లోపల నుండి ఛార్జీలను సమాచారంలో వివరించడానికి లేదా ప్రాసెస్ చేయగల ప్రాంతానికి ఛార్జ్లను తరలించడానికి ఉపయోగించే అత్యంత సున్నితమైన ఫోటాన్ డిటెక్టర్ (ఉదా. డిజిటల్ విలువగా మార్చడం).

నేటి వ్యాసంలో, సిసిడిలు ఎలా పనిచేస్తాయో, అవి అమర్చబడిన అనువర్తనాలు మరియు ఇతర సాంకేతిక పరిజ్ఞానాలతో వాటి తులనాత్మక ప్రయోజనాలను పరిశీలిస్తాము.

ఛార్జ్-కపుల్డ్ పరికరం అంటే ఏమిటి?

సరళంగా చెప్పాలంటే, ఛార్జ్ నియంత్రిత పరికరాలను లింక్డ్ లేదా కపుల్డ్, ఛార్జ్ స్టోరేజ్ ఎలిమెంట్స్ (కెపాసిటివ్ డబ్బాలు) కలిగి ఉన్న ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లుగా నిర్వచించవచ్చు, బాహ్య సర్క్యూట్ నియంత్రణలో, ప్రతి కెపాసిటర్‌లో నిల్వ చేయబడిన విద్యుత్ ఛార్జ్ పొరుగు కెపాసిటర్‌కు తరలించవచ్చు. మెటల్-ఆక్సైడ్-సెమీకండక్టర్ కెపాసిటర్లు (MOS కెపాసిటర్లు) సాధారణంగా CCD లలో ఉపయోగించబడతాయి మరియు MOS నిర్మాణం యొక్క పై పలకలకు బాహ్య వోల్టేజ్‌ను ఉపయోగించడం ద్వారా, ఛార్జీలు (ఎలక్ట్రాన్లు (ఇ-) లేదా రంధ్రాలు (h +)) ఫలితంగా నిల్వ చేయబడతాయి సంభావ్యత. ఈ ఛార్జీలను టాప్ కెపాసిటీలకు (గేట్లు) వర్తించే డిజిటల్ పప్పుల ద్వారా ఒక కెపాసిటర్ నుండి మరొకదానికి మార్చవచ్చు మరియు వరుస ద్వారా వరుస సీరియల్ అవుట్పుట్ రిజిస్టర్‌కు బదిలీ చేయవచ్చు.

ఛార్జ్-కపుల్డ్ పరికరం యొక్క పని

సిసిడి ఆపరేషన్‌లో మూడు దశలు ఉన్నాయి మరియు ఇటీవలి కాలంలో అత్యంత ప్రాచుర్యం పొందిన అప్లికేషన్ ఇమేజింగ్ కాబట్టి, ఇమేజింగ్‌కు సంబంధించి ఈ దశలను వివరించడం మంచిది. మూడు దశలు;

1. ఛార్జ్ ఇండక్షన్ / కలెక్షన్
2. ఛార్జింగ్ క్లాకింగ్ అవుట్
3. ఛార్జ్ కొలత

ఛార్జ్ ఇండక్షన్ / సేకరణ / నిల్వ:

పైన చెప్పినట్లుగా, CCD లు ఛార్జ్ స్టోరేజ్ ఎలిమెంట్స్‌తో తయారవుతాయి మరియు స్టోరేజ్ ఎలిమెంట్ రకం మరియు ఛార్జ్ ఇండక్షన్ / డిపాజిషన్ యొక్క పద్ధతి అప్లికేషన్ మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇమేజింగ్‌లో, సిసిడి పెద్ద సంఖ్యలో కాంతి-సున్నితమైన పదార్థాలతో చిన్న ప్రాంతాలుగా (పిక్సెల్‌లు) విభజించబడింది మరియు ఆసక్తి ఉన్న దృశ్యం యొక్క చిత్రాన్ని రూపొందించడానికి ఉపయోగిస్తారు. సన్నివేశంలో విసిరిన కాంతి CCD లో ప్రతిబింబించినప్పుడు, పిక్సెల్‌లలో ఒకదాని ద్వారా నిర్వచించబడిన ప్రదేశంలో వచ్చే కాంతి ఫోటాన్ ఒకటి (లేదా అంతకంటే ఎక్కువ) ఎలక్ట్రాన్‌లుగా మార్చబడుతుంది, వీటి సంఖ్య నేరుగా తీవ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది ప్రతి పిక్సెల్ వద్ద దృశ్యం, CCD క్లాక్ అవుట్ అయినప్పుడు, ప్రతి పిక్సెల్ లోని ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యను కొలుస్తారు మరియు సన్నివేశాన్ని పునర్నిర్మించవచ్చు.

క్రింద ఉన్న బొమ్మ CCD ద్వారా చాలా సరళీకృత క్రాస్-సెక్షన్‌ను చూపిస్తుంది.

పై చిత్రం నుండి, పిక్సెల్స్ CCD పైన ఉన్న ఎలక్ట్రోడ్ల స్థానం ద్వారా నిర్వచించబడిందని చూడవచ్చు. ఎలక్ట్రోడ్‌కు సానుకూల వోల్టేజ్ వర్తింపజేస్తే, సానుకూల సామర్థ్యం ఎలక్ట్రోడ్ కింద ఉన్న ప్రాంతానికి దగ్గరగా ఉన్న ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్‌లన్నింటినీ ఆకర్షిస్తుంది. అదనంగా, ఏదైనా సానుకూలంగా చార్జ్ చేయబడిన రంధ్రాలు ఎలక్ట్రోడ్ చుట్టూ ఉన్న ప్రాంతం నుండి తిప్పికొట్టబడతాయి మరియు ఇది "సంభావ్య బావి" అభివృద్ధికి దారి తీస్తుంది, ఇక్కడ ఇన్కమింగ్ ఫోటాన్ల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన అన్ని ఎలక్ట్రాన్లు నిల్వ చేయబడతాయి.

CCD పై ఎక్కువ కాంతి పడటంతో, “సంభావ్య బావి” బలంగా మారుతుంది మరియు “పూర్తి బావి సామర్థ్యం” (పిక్సెల్ కింద నిల్వ చేయగల ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య) వచ్చేవరకు ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లను ఆకర్షిస్తుంది. సరైన చిత్రం సంగ్రహించబడిందని నిర్ధారించడానికి, కెమెరాలలో లైటింగ్‌ను సమయస్ఫూర్తితో నియంత్రించడానికి ఒక షట్టర్ ఉపయోగించబడుతుంది, తద్వారా సంభావ్య బావి నిండి ఉంటుంది, కానీ దాని సామర్థ్యం ప్రతికూల ఉత్పాదకతను కలిగి ఉండదు.

ఛార్జింగ్ క్లాకింగ్ అవుట్:

CCD ఫాబ్రికేషన్‌లో ఉపయోగించే MOS టోపోలాజీ ఆన్-చిప్‌లో చేయగల సిగ్నల్ కండిషనింగ్ మరియు ప్రాసెసింగ్ మొత్తాన్ని పరిమితం చేస్తుంది. అందువల్ల, ఛార్జీలు సాధారణంగా ప్రాసెసింగ్ జరిగే బాహ్య కండిషనింగ్ సర్క్యూట్‌కు క్లాక్ చేయవలసి ఉంటుంది.

CCD యొక్క వరుసలోని ప్రతి పిక్సెల్ సాధారణంగా 3 ఎలక్ట్రోడ్లతో అమర్చబడి ఉంటుంది.

ఛార్జ్ నిల్వ కోసం సంభావ్య బావిని సృష్టించడానికి ఎలక్ట్రోడ్లలో ఒకటి ఉపయోగించబడుతుంది, మిగిలిన రెండు ఛార్జీల నుండి గడియారంలో ఉపయోగించబడతాయి.

దిగువ చిత్రంలో వివరించిన విధంగా ఎలక్ట్రోడ్లలో ఒకదాని క్రింద ఛార్జ్ సేకరించబడిందని చెప్పండి:

CCD నుండి ఛార్జ్‌ను గడియారం చేయడానికి, IØ3 అధికంగా పట్టుకోవడం ద్వారా కొత్త సంభావ్య బావి ప్రేరేపించబడుతుంది, ఇది దిగువ చిత్రంలో చూపిన విధంగా ఛార్జ్‌ను IØ2 మరియు IØ3 మధ్య పంచుకునేలా చేస్తుంది.

తరువాత, IØ2 తక్కువగా తీసుకోబడుతుంది మరియు ఇది ఎలక్ట్రోడ్ IØ3 కు ఛార్జ్ యొక్క పూర్తి బదిలీకి దారితీస్తుంది.

క్లాకింగ్ అవుట్ ప్రక్రియ IØ1 అధికంగా తీసుకోవడం ద్వారా కొనసాగుతుంది, ఇది ఛార్జ్ IØ1 మరియు IØ3 ల మధ్య భాగస్వామ్యం చేయబడిందని నిర్ధారిస్తుంది మరియు చివరకు IØ3 ను తక్కువగా తీసుకుంటుంది కాబట్టి ఛార్జ్ IØ1 ఎలక్ట్రోడ్ల క్రింద పూర్తిగా మార్చబడుతుంది.

CCD లోని ఎలక్ట్రోడ్ల అమరిక / ధోరణిని బట్టి, ఈ ప్రక్రియ కొనసాగుతుంది మరియు ఆఖరి వరుసకు చేరుకునే వరకు ఛార్జ్ కాలమ్ క్రింద లేదా అడ్డు వరుసలో కదులుతుంది, దీనిని సాధారణంగా రీడౌట్ రిజిస్టర్ అని పిలుస్తారు.

ఛార్జ్ కొలత:

రీడౌట్ రిజిస్టర్ చివరిలో, ప్రతి ఛార్జ్ యొక్క విలువను కొలవడానికి అనుసంధానించబడిన యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్ ఉపయోగించబడుతుంది మరియు ఎలక్ట్రాన్‌కు 5-10µV సాధారణ మార్పిడి కారకంతో వోల్టేజ్‌గా మారుస్తుంది. ఇమేజింగ్ అనువర్తనాల్లో, సిసిడి-ఆధారిత కెమెరా కొన్ని ఇతర ఎలక్ట్రానిక్‌లతో పాటు సిసిడి చిప్‌తో వస్తుంది, అయితే ముఖ్యంగా యాంప్లిఫైయర్, ఛార్జ్‌ను వోల్టేజ్‌గా మార్చడం ద్వారా పిక్సెల్‌లను సాఫ్ట్‌వేర్ ద్వారా ప్రాసెస్ చేయగల రూపానికి డిజిటలైజ్ చేయడానికి సహాయపడుతుంది, సంగ్రహించిన చిత్రాన్ని పొందటానికి.

CCD యొక్క లక్షణాలు

CCD ల పనితీరు / నాణ్యత / గ్రేడ్‌ను వివరించడానికి ఉపయోగించే కొన్ని లక్షణాలు:

1. క్వాంటం సామర్థ్యం:

క్వాంటం సామర్థ్యం ఒక సిసిడి ఛార్జీని పొందిన / నిల్వ చేసే సామర్థ్యాన్ని సూచిస్తుంది.

ఇమేజింగ్‌లో, పిక్సెల్ విమానాలపై పడే అన్ని ఫోటాన్‌లు గుర్తించబడవు మరియు విద్యుత్ చార్జ్‌గా మార్చబడతాయి. విజయవంతంగా గుర్తించబడిన మరియు మార్చబడిన ఫోటోల శాతాన్ని క్వాంటం ఎఫిషియెన్సీ అంటారు. ఉత్తమ CCD లు 80% QE ను సాధించగలవు. సందర్భం కోసం, మానవ కన్ను యొక్క క్వాంటం సామర్థ్యం 20%.

2. తరంగదైర్ఘ్యం పరిధి:

CCD లు సాధారణంగా విస్తృత తరంగదైర్ఘ్యం పరిధిని కలిగి ఉంటాయి, సుమారు 400 nm (నీలం) నుండి 1050 nm (ఇన్ఫ్రా-రెడ్) వరకు గరిష్ట సున్నితత్వం 700 nm వద్ద ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, సిసిడి యొక్క తరంగదైర్ఘ్యం పరిధిని విస్తరించడానికి బ్యాక్ సన్నబడటం వంటి ప్రక్రియలు ఉపయోగపడతాయి.

3. డైనమిక్ రేంజ్:

CCD యొక్క డైనమిక్ పరిధి సంభావ్య బావిలో నిల్వ చేయగల కనీస మరియు గరిష్ట సంఖ్యలో ఎలక్ట్రాన్‌లను సూచిస్తుంది. సాధారణ సిసిడిలలో, ఎలక్ట్రాన్ల గరిష్ట సంఖ్య సాధారణంగా 150,000 ఉంటుంది, అయితే చాలా సెట్టింగులలో కనిష్టం ఒక ఎలక్ట్రాన్ కంటే తక్కువగా ఉండవచ్చు. డైనమిక్ పరిధి యొక్క భావన ఇమేజింగ్ పరంగా బాగా వివరించబడుతుంది. మేము ఇంతకుముందు చెప్పినట్లుగా, ఒక సిసిడిపై కాంతి పడిపోయినప్పుడు, ఫోటాన్లు ఎలక్ట్రాన్లుగా మార్చబడతాయి మరియు సంభావ్య బావిలోకి పీల్చుకుంటాయి, అది ఏదో ఒక సమయంలో సంతృప్తమవుతుంది. ఫోటాన్ల మార్పిడి వలన ఏర్పడే ఎలక్ట్రాన్ల పరిమాణం సాధారణంగా మూలాల తీవ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది, అందువల్ల, సిసిడి ద్వారా చిత్రించగలిగే ప్రకాశవంతమైన మరియు మందమైన మూలం మధ్య పరిధిని వివరించడానికి డైనమిక్ పరిధి కూడా ఉపయోగించబడుతుంది.

4. లీనియారిటీ:

CCD ఎంపికలో ఒక ముఖ్యమైన విషయం ఏమిటంటే సాధారణంగా విస్తృత శ్రేణి ఇన్‌పుట్‌పై సరళంగా స్పందించే సామర్థ్యం. ఇమేజింగ్‌లో, ఉదాహరణకు, ఒక సిసిడి 100 ఫోటాన్‌లను కనుగొని, అదే 100 ఎలక్ట్రాన్‌లుగా మార్చుకుంటే (ఉదాహరణకు, క్యూఇ 100% అని uming హిస్తే), అప్పుడు సరళత కొరకు, 10000 ఫోటాన్‌లను గుర్తించినట్లయితే 10000 ఎలక్ట్రాన్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. సిసిడిలలో సరళత యొక్క విలువ సిగ్నల్స్ యొక్క బరువు మరియు విస్తరణలో ఉపయోగించే ప్రాసెసింగ్ పద్ధతుల యొక్క సంక్లిష్టతలో ఉంది. సిసిడి సరళంగా ఉంటే, తక్కువ మొత్తంలో సిగ్నల్ కండిషనింగ్ అవసరం.

5. శక్తి:

అనువర్తనాన్ని బట్టి, ఏదైనా పరికరానికి శక్తి ఒక ముఖ్యమైన అంశం, మరియు తక్కువ-శక్తి భాగాన్ని ఉపయోగించడం సాధారణంగా స్మార్ట్ నిర్ణయం. సిసిడిలు అనువర్తనాలకు తీసుకువచ్చే విషయాలలో ఇది ఒకటి. వాటి చుట్టూ ఉన్న సర్క్యూట్రీ గణనీయమైన శక్తిని వినియోగిస్తుండగా, సిసిడిలు తక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటాయి, సాధారణ వినియోగ విలువలు 50 మెగావాట్ల చుట్టూ ఉంటాయి.

6. శబ్దం:

అన్ని అనలాగ్ పరికరాల వంటి CCD లు శబ్దానికి గురి అవుతాయి, వాటి పనితీరు మరియు సామర్థ్యాన్ని అంచనా వేయడానికి ప్రధాన లక్షణాలలో ఒకటి వారు శబ్దంతో ఎలా వ్యవహరిస్తారనేది. CCD లో అనుభవించిన అంతిమ శబ్దం మూలకం రీడౌట్ శబ్దం. ఇది వోల్టేజ్ మార్పిడి ప్రక్రియకు ఎలక్ట్రాన్ల ఉత్పత్తి మరియు సిసిడి యొక్క డైనమిక్ పరిధిని అంచనా వేయడానికి దోహదపడే అంశం.

సిసిడిల దరఖాస్తులు

ఛార్జ్-కపుల్డ్ పరికరాలు వివిధ రంగాలలో అనువర్తనాలను కనుగొంటాయి;

1. లైఫ్ సైన్సెస్:

సిసిడి ఆధారిత డిటెక్టర్లు మరియు కెమెరాలను విభిన్న ఇమేజింగ్ అనువర్తనాలు మరియు లైఫ్ సైన్సెస్ మరియు వైద్య రంగాలలో వ్యవస్థలలో ఉపయోగిస్తారు. ఈ ప్రాంతంలోని అనువర్తనాలు ప్రతి ఒక్కటి పేర్కొనడానికి చాలా విస్తారంగా ఉన్నాయి, అయితే కొన్ని నిర్దిష్ట ఉదాహరణలలో కణాల చిత్రాలను తీసే సామర్థ్యం విరుద్ధమైన మెరుగుదలలతో, ఫ్లోరోఫోర్స్‌తో డోప్ చేయబడిన చిత్ర నమూనాలను సేకరించే సామర్థ్యం (ఇది నమూనా ఫ్లోరోస్ చేయడానికి కారణమవుతుంది) మరియు ఎముక నిర్మాణాలు మరియు మృదు కణజాల నమూనాలను చిత్రీకరించడానికి అధునాతన ఎక్స్-రే టోమోగ్రఫీ వ్యవస్థలలో వాడండి.

2. ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ:

లైఫ్ సైన్సెస్ కింద ఉన్న అనువర్తనాలు సూక్ష్మదర్శినిలో వాడకాన్ని కలిగి ఉండగా, మైక్రోస్కోపీ అనువర్తనాలు లైఫ్ సైన్స్ రంగానికి మాత్రమే పరిమితం కావు. విభిన్న రకాల ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్‌లను ఇతర కోజెంట్ రంగాలలో ఉపయోగిస్తారు; నానోటెక్నాలజీ ఇంజనీరింగ్, ఫుడ్ సైన్స్ మరియు కెమిస్ట్రీ.

చాలా మైక్రోస్కోపీ అనువర్తనాల్లో, తక్కువ శబ్ద నిష్పత్తి, అధిక సున్నితత్వం, అధిక ప్రాదేశిక స్పష్టత మరియు వేగవంతమైన నమూనా ఇమేజింగ్ కారణంగా CCD లు ఉపయోగించబడతాయి, ఇవి సూక్ష్మ స్థాయిలలో సంభవించే ప్రతిచర్యలను విశ్లేషించడానికి ముఖ్యమైనవి.

3. ఖగోళ శాస్త్రం:

మైక్రోస్కోపీతో, చిన్న మూలకాలను చిత్రించడానికి CCD లు ఉపయోగించబడతాయి కాని ఖగోళశాస్త్రంలో, పెద్ద మరియు దూర వస్తువుల చిత్రాలను కేంద్రీకరించడానికి ఇది ఉపయోగించబడుతుంది. సిసిడిల యొక్క ప్రారంభ అనువర్తనాల్లో ఖగోళ శాస్త్రం ఒకటి మరియు నక్షత్రాలు, గ్రహాలు, ఉల్కలు మొదలైన వాటి నుండి సిసిడి ఆధారిత వ్యవస్థలతో చిత్రీకరించబడింది.

4. వాణిజ్య కెమెరాలు:

వాణిజ్య కెమెరాలలో తక్కువ ధర సిసిడి ఇమేజ్ సెన్సార్లను ఉపయోగిస్తారు. వాణిజ్య కెమెరాల కోసం తక్కువ-ధర అవసరాల కారణంగా ఖగోళ శాస్త్రం మరియు జీవిత శాస్త్రాలలో ఉపయోగించిన వాటితో పోలిస్తే CCD లు సాధారణంగా తక్కువ నాణ్యత మరియు పనితీరును కలిగి ఉంటాయి.