Что такое ccd: Что такое CCD-матрица?

Что такое CCD-матрица?

Что такое CCD-матрица?

CCD-матрица / Charge-Coupled Device или ПЗС-матрица / Прибор с зарядовой связью – это аналоговая интегральная микросхема, в составе которой есть светочувствительные фотодиоды, выполненные из кремния или оксида олова. Принцип работы данной микросхемы основан на технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).

История CCD-матрицы

Впервые прибор с зарядовой связью был применен Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) в Лабораториях Белла крупнейшей в США корпорации AT&T Bell Labs в 1969 г. Они вели исследования в области видеотелефонии и так называемой «полупроводниковой пузырьковой памяти».

Вскоре миниатюрные приборы получили довольно широкое распространение и стали использоваться как устройства памяти, в которых заряд размещался во входном регистре микросхемы. Спустя какое-то время способность элемента памяти получать заряд за счет фотоэлектрического эффекта стала основной целью применение CCD устройств.

Еще через год, в 1970 году, исследователи все той же Лаборатории смогли зафиксировать изображения с помощью простейших линейных устройств, что собственно и взяли на вооружение инженеры Sony. Данная компания и по сей день активно работает в области CCD технологий, вкладывая в данное направление огромные финансовые вложения, всячески развивая производство ПЗС-матриц для своих видеокамер. Кстати, микросхема ПЗС-матрицы была установлена на надгробной плите главы компании Sony Кадзуо Ивама, который скончался в 1982 году. Ведь именно он стоял у истоков начала производства ПЗС-матрицы в массовом объеме.

Не остался без внимания и вклад изобретателей CCD-матрицы, так в 2006 году Уиллард Бойл и Джордж Смит получили награду Национальной Инженерной Академии США за свои разработки в данной сфере, а в 2009-м году им вручили Нобелевскую премию по физике.

Принцип работы ПЗС-матрицы

CCD-матрица практически полностью выполнена из поликремния, который изначально был отделен от кремниевой подложки специальной мембраной. При подаче напряжения на мембрану посредством поликремневые затворы сильно изменяются электрические потенциалы, расположенные вблизи электродов проводника.

Перед экспонированием и подачей на электроды определенной мощности напряжения, происходит сброс всех зарядов, которые образовались ранее, а также наблюдается преобразование всех элементов в идентичное или первоначальное состояние.

Комбинация напряжений на электродах создает потенциальный запас или так называемую яму, где скапливаются электроны, появившиеся в определенном пикселе матрицы в процессе экспонирования под воздействием световых лучей. В зависимости от интенсивности силы светового потока находится и объем накопившихся электронов в потенциальной яме, поэтому чем она больше, тем выше будет мощность итогового заряда определенного пикселя.

После завершения экспонирования, последовательные изменения напряжения питания электродов происходят в каждом отдельно взятом пикселе, рядом с которым наблюдается распределение потенциалов, в результате чего заряды перемещаются в заданном направлении — к выходным пикселям ПЗС-матрицы.

Состав элементов CCD-матрицы

В общих чертах конструкция CCD-элемента может быть представлена в виде кремниевой подложки p-типа, снабженной каналами из полупроводника n-типа. Над данными каналами располагаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей мембраной из оксида кремния.

После подачи электрического потенциала на данные электроды, в ослабленной зоне под каналом n-типа возникает потенциальная ловушка (яма). Ее основной задачей является сохранение электронов. Частица света, попадающая в кремний, провоцирует генерацию электронов, которые притягиваются потенциальной ловушкой и остаются в ней. Большое количество фотонов или яркий свет обеспечивает мощный заряд ловушки, после чего необходимо рассчитать и усилить значение полученного заряда, который специалисты именуют фототоком.

Процесс считывания фототоков CCD-элементов осуществляется с так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые конвертируют строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данный поток импульсов собственно и является аналоговым сигналом, который поступает на усилитель.

Таким образом, в аналоговый сигнал можно преобразовать заряды строки из CCD-элементов с помощь регистра. На практике же последовательный регистр сдвига в CCD-матрицах выполняется посредством все тех же CCD-элементов, построенных в одну строку. При этом работа данного устройства основывается на умении приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ловушек. Такой процесс осуществляется за счет наличия специализированных электродов переноса, которые размещаются между соседними CCD-элементами. В момент подачи на ближайший электрод повышенного потенциала, при этом заряд переходит под него из потенциальной ямы. В то же время между CCD-элементами обычно располагаются два-четыре электрода переноса, от количества которых зависит фазность регистра сдвига, именуемого двухфазным, трёхфазным или четырёхфазным.

Подача разных потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что переход зарядов потенциальных ловушек всех CCD-элементов регистра выполняется практически одновременно. Так за один «шаг» переноса, CCD-элементы перемещают по цепочке заряды справа налево или слева направо. При этом крайний CCD-элемент отдаёт свой заряд усилителю, который расположен на выходе регистра. Таким образом, становится вполне очевидно, что последовательный регистр сдвига является устройством с последовательным выходом и параллельным входом.

После того, как завершается процесс считывания абсолютно всех зарядов из регистра появляется возможность подать на его вход новую строку, затем еще одну и так далее. В результате получается непрерывный аналоговый сигнал, в основе которого лежит двумерный поток фототоков. После этого, входной параллельный поток, поступающий на последовательный регистр сдвига, обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, именуемой параллельным регистром сдвига. Вся эта конструкция в собранном виде как раз и является устройством, именуемым сегодня CCD-матрицей.

CCD матрицы и их особенности

CCD-матрица (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) – один из видов матриц, применяемых в современном видеонаблюдении. Тесно конкурирует с CMOS-аналогами. В состав элемента входит поликремний, искусственно отделенных от кремниевой подложки. При возрастания напряжения происходит увеличение электрических потенциалов, считываемых диодами.

Работа системы в общем виде происходит следующим образом:

• До начала съемки все элементы находятся в одинаковом состоянии. Отсутствует разброс в параметрах напряженности;

• После начала экспонирования происходит накопление электронов, появившихся после попадания светового луча на конкретный участок. От силы света зависит, насколько высоким будет итоговое напряжение;

• Определяется итоговое напряжение на каждом электроде. Исходя из него и других параметров можно судить о силе света. При расшифровке сигнала будет определен и цвет объекта, попавшего в кадр.

Технология применяется не один год и встречается в видеокамерах различного ценового сегмента.

Преимущества матрицы CCD

Положительные особенности ПЗС-технологии:

·         Малое количество шумов;

·         Высокая светочувствительность. Улавливаются практически все фотоны, поступившие на матрицу;

·         Чувствительны к инфракрасному спектру;

·         Отсутствует эффект «rolling shutter» — движущиеся объекты снимаются без искажений.

Применить камеру на базе элемента данного типа можно для слабо освещенных территорий, высоких требованиях к качеству.

Недостатки

Существуют особенности, ограничивающие сферу применения CCD матриц:

·         Высокая стоимость, связанная с большими затратами при производстве;

·         Считается менее надежной, чем CMOS, поскольку структура самой матрицы является более сложной – значит, подверженной поломкам;

·         Повышенное потребление электроэнергии.

С развитием техники надежность и функциональность элементов возрастает, поэтому они все еще остаются альтернативой, о которой следует помнить.

Классификация

В зависимости от сферы применения, требований к параметрам, CCD бывают:

• Различающимися по светочувствительности;

• Имеющими полнокадровую матрицу. Сенсор считается одним из простейших;

• С буферизацией столбцов – заряды считываются по направлению сверху вниз;

• С буферизацией кадра – увеличивается число кадров в секунду;

• С ортогональным переносом изображения, снижающим потери от вибраций, помех;

• Отличающимися по размеру. В характеристиках к камере он указывается в дюймах.

Матрица применяется в охранном видеонаблюдении. При правильном выборе удастся вести качественную съемку при плохой освещенности, наблюдении за быстро перемещающимися объектами.

Назад к списку

Ключично-черепная дисплазия (CCD) | Медицина Джона Хопкинса

Отзыв:

Ключично-черепная дисплазия — это редкое генетическое заболевание, поражающее зубы и кости, такие как череп, лицо, позвоночник, ключицы и ноги. Кости у людей с CCD могут быть сформированы по-другому или могут быть более хрупкими, чем обычно, а некоторые кости, такие как ключицы, могут отсутствовать.

Название «ключично-черепная дисплазия» происходит от слов «cleido», что относится к ключицам, и «cranial», что относится к черепу. Аномалии черепа и ключиц, наряду с аномалиями зубов, являются основными признаками CCD.

Илана Икоу, черепно-лицевой ортодонт, предлагает советы родителям.

Что тебе нужно знать

• Ключично-черепная дисплазия — это состояние, присутствующее при рождении. Он может передаваться от родителя к ребенку или появляться случайно.
• Примерно у одного из миллиона человек имеется ключично-черепная дисплазия.
• Мужчины и женщины страдают одинаково.
• CCD не влияет на когнитивные функции или интеллект.
• Хотя некоторым людям с ключично-черепной дисплазией требуется несколько операций, они могут прожить долгую и полноценную жизнь.

Признаки ключично-черепной дисплазии

Многие различные кости в организме могут быть поражены признаками и симптомами CCD, и в легких случаях они могут быть менее очевидными и трудными для диагностики.

Череп и лицо

• Незакрывающееся или отсроченное закрытие родничков, мягких участков между пластинами черепа у младенцев (обычно пластины черепа срастаются вместе по мере взросления ребенка)
• Широкий, плоский или выступающий лоб, иногда с вертикальной бороздкой по центру
• Низкая широкая переносица
• Широко посаженные глаза
• Малая средняя часть лица и нижняя челюсть
• Высокие своды твердого неба или расщелина неба
• Маленькие или отсутствующие пазухи, приводящие к синуситу
• Проблемы с ушами, включая ушные инфекции и иногда потерю слуха

Зубы

• Молочные зубы, которые не выпадают сами по себе
• Ретинированные взрослые зубы, которые могут быть заключены в кость и не могут расти сами по себе.
• Сверхкомплектные (лишние) зубы
• Скученность зубов
• Неправильный прикус (зубы не смыкаются должным образом при накусывании), недокус или открытый прикус
• Тонкая зубная эмаль, которая может сделать зубы более склонными к кариесу (полости)

Прочие области

• Низкорослые
• Неполностью сформированные или отсутствующие ключицы (ключицы), покатые плечи
• Короткие пальцы
• Узкая грудь
• Лишние или отсутствующие ребра
• Деформации костей таза, которые могут осложнить роды
• Сколиоз (искривление позвоночника)
• Вальгусная деформация коленного сустава (коленные суставы)
• Остеопения (снижение плотности костной ткани)
• Ночное апноэ

Что вызывает ключично-черепную дисплазию?

Ключично-черепная дисплазия развивается при нарушении гена RUNX2, который играет роль в формировании остеобластов, клеток, образующих кость в развивающемся организме, и в созревании хондроцитов, клеток, производящих хрящ.

Диагностика ключично-черепной дисплазии

Диагноз CCD ставится, когда основные признаки заболевания обнаруживаются при клиническом обследовании и рентгенологическом исследовании. Генетическое тестирование на мутацию в гене RUNX2 также может помочь диагностировать CCD.

Лечение ключично-черепной дисплазии

Лечение зависит от того, как синдром влияет на пациента. Люди с CCD могут пройти несколько ортопедических, лицевых реконструктивных и стоматологических процедур, чтобы улучшить их комфорт, функцию и благополучие. Рекомендуемые виды лечения могут включать:

• Для детей реконструктивная хирургия лица на костях лица для изменения формы лба или скул
• Процедуры спондилодеза для поддержки позвоночника
• Операция на голени для исправления искривления колен (колени сгибаются внутрь к центру тела)
• Хирургическая коррекция переломов из-за хрупкости костей
• Удаление небольших фрагментов ключицы, которые могут повлиять на плечевое сплетение и вызвать боль в руке или проблемы с нервами
• Ушные трубки для лечения ушных инфекций
• Шлем защитный при занятиях спортом для защиты открытых участков черепа
• Добавки кальция и витамина D для укрепления костей

Лечение стоматологических проблем, вызванных ключично-черепной дисплазией

Ортодонтия и челюстно-лицевая хирургия могут лечить лишние или ретинированные зубы. Первым шагом является тщательная оценка каждого зуба с последующим удалением любых лишних зубов. Чтобы сохранить жизнеспособность зубов, практикующие врачи могут удалить ткань десны и направить рост этих зубов в полость рта с помощью брекетов. Для более быстрого результата некоторые пациенты предпочитают импланты, мостовидные протезы или зубные протезы. Иногда для исправления прикуса необходима операция на челюсти.

Что такое ПЗС (устройство с зарядовой связью) и как оно используется?

Чтобы сделать цифровой снимок, современная камера должна улавливать свет и преобразовывать его в цифровую информацию. Для этого камере потребуется датчик, который точно и быстро регистрирует фотоны из окружающей среды.

Вы, наверное, уже знаете о CMOS-датчике, используемом в смартфонах и бытовых цифровых камерах. Но знаете ли вы, что есть еще один тип сенсора, обеспечивающий более высокий уровень детализации и динамический диапазон? Эти датчики камеры известны как ПЗС.

Итак, что такое ПЗС? Как это работает и как используется? Давай поговорим об этом.

Что такое ПЗС (прибор с зарядовой связью)?

ПЗС, или устройство с зарядовой связью, представляет собой электронный датчик, который преобразует свет в цифровые сигналы посредством зарядов, генерируемых отражением фотонов на тонкой кремниевой пластине.

ПЗС-матрицы

были золотым стандартом для сенсоров камер с начала 80-х до конца 2000-х годов. Это связано с тем, что примерно в 2010 году датчики CMOS получили значительные технологические инновации, которые сделали их более дешевыми в производстве как системы на кристалле (SoC), имея при этом качество изображения, сравнимое с датчиком CCD.

С тех пор как КМОП приобрела популярность, за последнее десятилетие стало редкостью видеть ПЗС-сенсоры на смартфонах и камерах. Однако датчики CCD не совсем устарели. Хотя они, возможно, постепенно исчезли с рынка потребительских камер, датчики ПЗС по-прежнему являются предпочтительным датчиком, используемым в определенных областях фотографии.

Применение ПЗС-технологии в фотографии

Помимо дороговизны в производстве, ПЗС-матрица также имела другие проблемы, из-за которых она постепенно исчезала с потребительского рынка. Это будет включать в себя его требования к высокой мощности, которая в 100 раз больше, чем у CMOS, и медленную обработку изображений, что является проблемой при серийной фотосъемке и съемке видео.

Несмотря на все эти недостатки, ПЗС-матрицы по-прежнему процветают в различных промышленных и научных приложениях, требующих машинного зрения. Это связано с тем, что ПЗС-матрицы по-прежнему обеспечивают более качественные изображения с низким уровнем шума, которые требуются в этих областях специализированной фотографии. Кроме того, стоимость покупки и эксплуатации ПЗС-камер не является проблемой для хорошо финансируемых учреждений и предприятий.

Итак, что это за специализированные области фотографии, в которых до сих пор используется ПЗС? Давайте узнаем ниже:

Оптическая микроскопия

ПЗС-матрицы используются в различных приложениях микроскопии для наблюдения пищевых продуктов, химии, техники и других приложений, где необходимо четкое изображение микроскопических объектов. ПЗС-матрица выбрана для оптической микроскопии, потому что она может регистрировать объекты размером более 10 пикселей с высокой чувствительностью и низким коэффициентом шума.

Космическая фотография

Съемку космоса лучше всего делать на ПЗС-камеры. Это связано с тем, что ПЗС-сенсоры обладают наивысшей квантовой эффективностью, что обеспечивает низкий уровень шума, широкий динамический диапазон и лучшую однородность — все важные аспекты космической фотографии.

Получение изображений в ближнем инфракрасном диапазоне

ПЗС-матрицы используются в различных промышленных приложениях для обработки изображений, одним из которых является получение изображений в ближнем инфракрасном диапазоне. Датчик должен иметь высокоэффективное поглощение фотонов для создания изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, поскольку инфракрасные фотоны менее заметны, чем обычно видимые фотоны. Поскольку ПЗС обеспечивают высокочувствительные датчики, которые могут лучше улавливать инфракрасные фотоны, они всегда используются в этих приложениях.

ПЗС-матрицы процветают в сфере научной, промышленной и медицинской фотографии в первую очередь благодаря их высокой квантовой эффективности, низкому уровню шума и высокому уровню единообразия. Но как именно ПЗС-сенсоры обеспечивают такие качества? Сначала вам нужно узнать, как работают датчики CCD, чтобы лучше понять это.

Как работает система CCD?

ПЗС — это лишь один из различных типов сенсоров камеры. Как и другие датчики камеры, ПЗС-матрицы улавливают свет и преобразуют его в цифровые сигналы, которые затем обрабатываются и отображаются в виде пикселей при просмотре на электронном дисплее, таком как монитор.

Хотя все датчики изображения выполняют одну и ту же задачу захвата аналогового сигнала для создания цифровых сигналов, режим или процесс, необходимые для выполнения указанных задач, будут отличаться от других датчиков.

Чтобы ПЗС-сенсор зафиксировал изображение, он проходит пятиэтапный процесс, начиная с преобразования света в заряд, накопления заряда, переноса заряда, преобразования заряда в напряжение и затем усиления сигнала. Давайте рассмотрим процесс шаг за шагом:

Шаг 1: Преобразование света в заряд

ПЗС-датчик улавливает свет, позволяя фотонам (энергии света) отражаться от тонкой кремниевой пластины, которая затем высвобождает электрон. Затем крошечный положительно заряженный конденсатор действует как ведро, которое собирает и хранит высвободившиеся электроны. Блок этой тонкой кремниевой пластины поверх крошечного конденсатора известен как фотосайт.

Шаги 2 и 3: Накопление заряда и перенос заряда

ПЗС-датчик продолжает собирать и сохранять такие электроны, пока не закроется затвор камеры. Все сохраненные электроны из конденсатора составляют заряд.

Когда затвор камеры закрывается, весь заряд фотоэлементов передается в цепь чувствительного конденсатора. Передача осуществляется путем смещения зарядов по горизонтали к краю датчика, а затем по вертикали до тех пор, пока каждый заряд не будет отправлен в цепь измерительного конденсатора.

Датчики CCD используют этот механизм регистра сдвига для передачи заряда, в то время как датчики CMOS используют локальное преобразование напряжения и усиление сигнала. Хотя это делает CMOS более быстрым датчиком, это также делает их выход довольно шумным, поскольку огромное количество локальных усилителей создает шум или артефакты на изображении. Напротив, ПЗС использует только одну схему усилителя для усиления сигналов.

Другим недостатком использования локального усиления на высоких скоростях является то, что оно вызывает неравномерность изображения. Датчики CCD не имеют таких проблем из-за их линейного процесса при обработке зарядов в каждом фотосайте.

Шаги 4 и 5: Преобразование заряда в напряжение и усиление сигнала

Аналоговые заряды, посылаемые на сенсорный конденсатор, автоматически преобразуются в напряжения, которые превращают необработанные цифровые данные в изображения. После преобразования заряда в напряжение цифровые сигналы все еще слишком слабы для использования процессором.

Для усиления цифровых сигналов используется усилитель сигнала. Затем этот усиленный сигнал отправляется на процессор изображений, который собирает изображение.