دستگاه بارجفت‌شده

افزارهٔ بارجفت‌شده یا دستگاه بارجفت‌شده (به انگلیسی: Charge-coupled device، CCD) یک حسگر تصویربرداری است که از یک مدار یکپارچه تشکیل شده که شامل آرایه‌ای از اتصالات یا خازنهای حساس متصل می‌شود. این دستگاه را دستگاه رنگ‌بردار (Color-Capture Device) هم می‌نامند.
نام انگلیسی دستگاه بارجفت‌شده یعنی CCD کوتاه‌شدهٔ charge-coupled device است. CCD قلب دوربین‌های نظارت تصویری است. CCD یک تکنولوژی آنالوگ است که تصاویری بسیار شفاف و با رزولوشن بالا را ارائه می‌دهد و در نور کم هم تصاویر بسیار خوبی نمایش می‌دهد و کمی بیشتر از سنسورهای CMOS برق مصرف می‌کند (در حدود ۹ تا ۱۲ ولت).
از این دستگاه در ساخت دوربین‌های تصویربرداری و دوربین‌های عکاسی دیجیتال استفاده می‌شود.

تاریخچه

ساختار اولیه CCD در سال ۱۹۶۹ توسط بویل (Boyle) و اسمیت (Smith) از آزمایشگاه‌های بل پیشنهاد شد. این ساختار متشکل از یک سری الکترود فلزی به صورت آرایه‌ای از خازن‌های MOS بود، که هر کدام به یکی از سه الکترود موجود در یک سطر متصل شده‌اند. این دو تن به‌خاطر این ابداع، برنده نیمی از جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹ شدند. اولین CCD مربوط به تصویر برداری به فرمت ۱۰۰ * ۱۰۰ پیکسل، در سال ۱۹۷۴ توسط شرکت Fairchild Electronics تولید گردید. در سال بعد این وسیله در دوربین‌های تلویزیونی برای رسانه‌های تجاری و بعدها در تلسکوپ‌ها و وسایل تصویر برداری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت.

اساس کار

اساس کار CCD ذخیره و پس‌گیری بار به شکل دینامیکی در رشته‌ای از خازن‌های MOS (در این قطعه از سیلیسیم به عنوان نیم رسانا، اکسید سیلیسیم به عنوان عایق و آلومینیوم برای الکترود گیت استفاده می‌شود. به این علت به MOS معروف هستند) است. یک خازن MOS روی بستری از نوع P قرار می‌گیرد، و به آن یک پالس مثبت و بزرگ وارد می‌شود. یک پتانسیل در زیر الکترود گیت به وجود می‌آید. در حقیقت پتانسیل سطحی یک چاه پتانسیل را تشکیل می‌دهد که می‌تواند برای ذخیره بار بکار می‌رود. اگر پالس مثبت در مدت زمانی به اندازه کافی طو لانی وارد شده باشد، الکترون‌ها در سطح انباشته شده و شرایط وارونگی حالت پایدار برقرار می‌شود. منبع این بارها از الکترون‌های تولید شده با گرما در محل یا نزدیک سطح است.
در حقیقت شرایط وارونگی نشان دهنده ظرفیت چاه برای ذخیره بار است. زمان لازم برای پر کردن چاه به صورت گرمایی، زمان آرامش گرمایی نامیده می‌شود. برای مواد خوب زمان آرامش گرمایی می‌تواند بسیار طولانی‌تر از زمان ذخیره بار موجود در عملکرد CCD باشد. آنچه در این روند مورد نیاز است، روش ساده برای عبور سریع و بدون اتلاف بار از یک چاه پتانسیل به چاه مجاور می‌باشد. در این صورت می‌توان بسته‌های بار را به شکل دینامیکی منتقل و جمع‌آوری کرد، تا عملیات مختلف الکترونیکی را انجام دهند.

Full frame CCD

Full Frame معروفترین معماری برای CCDهای استفاده شده در طیف نمائی‌های چندگانه و کاربردهای تصویر برداری است. Full Frame تمامی ناحیه CCD را برای فتون‌های ورودی در بازه تابش نور بکار می‌گیرد. در هنگام بازخوانی، بار الکتریکی در آرایه‌های CCD به‌طور متوالی شیفت داده می‌شوند و جهت جلوگیری از لکه دار شدن یا کشیده شدن تصویر، استفاده از یک شاتر(۲) الزامی است. در صورتی‌که زمان تابش نور بسیار بلندتر از سرعت بازخوانی باشد، لکه دار شدن تصاویر بسیار کم می‌شود. Full Frame دارای ۱۰۰٪fill factor است، به این معنی که ۱۰۰٪ مساحت هر پیکسل برای آشکارسازی فتون‌ها در لحظه تابش نور استفاده می‌شود. از آنجائیکه پیکسل‌ها معمولاً مربع هستند تخریب تصویر وجود ندارد. این وسایل می‌توانند اندازهٔ پیکسلی در رنج ۶٫۸ میکرون مربع تا ۲۶ میکرون مربع را در فرمت ۵۱۲×۵۱۲ تا ۳k×4k را فراهم کنند. CCDهای Full Frame می‌توانند برای تابش از پشت یا روبرو نیز طراحی شوند.
در CCDهای تابش از روبرو، نور می‌بایست از لایه دروازهٔ پلی سیلیکونی (لایهٔ تخلیه) در بالای لایه سیلیکونی حساس به نور عبور کند. ساختار دروازه‌ای برای فرم دهی پیکسل در CCD لازم است. به هر حال تغییر در ضرایب شکست بین محیط پلی سیلیکون و سیلیکون باعث می‌شود قسمتی از طیف نور با طول موج کوتاهتر از سطح CCD منعکس شود.

Frame transfer CCD

معماری این نوع CCD برای مواقعی است که سرعت بالا و بازه تابش نور کمی را در حدود صد یا هزار میکروثانیه مد نظر دارید که البته با شاترهای معمولی قابل دسترسی نیست.Frame Transfer شامل یک رجیستر موازی است که به دو قسمت تقسیم شده‌است. نور در قسمت بالائی این رجیستر موسوم به آرایه تصویر متمرکز می‌شود. ناحیه دوم موسوم به آرایه ذخیره نیز مقدار آرایه تصویر را گرفته و به عبارتی با آن برابر می‌شود و یک ماسک کدر بر روی ناحیه موقتی عکس گذاشته می‌شود. یک بار که آرایه تصویر در معرض نور قرار گرفت، سیگنال به سرعت به آرایه ذخیره شیفت داده می‌شود. در هنگامیکه آرایه ذخیره خوانده می‌شود، آرایه تصویر می‌تواند سیگنال دیگری را دریافت کند. پس علی‌رغم غیاب یک شاتر پرسرعت، Frame Transfer به‌طور پیوسته کار می‌کند.Frame Transfer هائی که از روبرو در معرض نور قرار می‌گیرند هنوز مشکل Full Frameها را دارند یعنی مقدار کم QE در بازهٔ طیف مرئی با QE بسیار پائین در UV. خاصیت هائی نظیر CCDهای از پشت در معرض تابش، کارکرد بدون شاتر، سرعت فریم نسبتاً بالا و QE بالا از مزایای کاربردی طراحی Frame Transfer است.

Interline CCD

معماری Interline در جستجوی زیاد برای سرعت طراحی شد. این نوع CCD برای کاربردهای پرسرعت VIS-NIR با شدت سیگنال متوسط تا زیاد، ایدئال است. به هر حال بدست آوردن سرعت بالا و کار پیوسته در این نوع CCD با هزینه همراه است و عواقب آن کاهش حساسیت مخصوصاً در محدودهٔ UV است.Interline شامل آرایه هائی کشیده از دیودهای حساس نوری است که به‌طور الکتریکی به یک ذخیره‌کنندهٔ CCD در پائین ناحیه پوشیده شده متصل هستند. نواحی پوشیده شده و نواحی حساس به نور به‌طور متناوب در طول محورهای عمودی CCD گسترده شده‌اند. مشخصه QE ناحیه پیکسل دیود، عالی است ولی به هر حال فقط ۲۵٪ از ناحیه CCD دارای دیودهای فعال است و این به معنی fill factor ۲۵٪ است. در نتیجه مقدار فتوالکترون‌ها در واحد مساحت کاهش یافته‌اند.

Hybrid Sensor Technology

این نوع CCD مزایای آشکارسازهای CCD و CMOS را برای یک آشکارساز اختصاصی طیف‌سنج با حساسیت و سرعت‌های غیر منطبق فراهم می‌کند. در CCDهای طیف نمای قدیمی، فتون‌های نوری به الکترون تبدیل می‌شوند و در آرایه‌ای دو بعدی از پیکسل‌ها ذخیره می‌شوند. الکترون‌های ذخیره شده هر پیکسل به‌طور عمودی به رجیستر آخر شیفت داده می‌شوند که به آن رجیستر افقی گفته می‌شود. هر پیکسل از این رجیستر تمامی الکترون‌های یک ستون را در فرایندی به نام binning در خود جمع می‌کند. سپس الکترون‌های جمع شده در رجیستر افقی به صورت افقی به گره خروجی شیفت داده می‌شوند، در آنجا خوانده شده و به سیگنال‌های ولتاژ تبدیل می‌شوند. سنسورهای CMOS نیز در فرایندی شبیه به CCDها فتون‌ها را تبدیل می‌کنند و تنها تفاوت در معماری و خواندن است. در وسایل CMOS، هر پیکسل شامل یک مدار بازخوانی است که مقدار فضای پیکسل را اشغال می‌کند. این موضوع باعث کاهش fill factor و حساسیت می‌شود که روشنائی از پشت CMOS را غیر عملی می‌سازد. از سوئی دیگر این مدارات الکترونیکی مزایایی نیز دارند که از آن جمله می‌توان به دسترسی تصادفی به هر پیکسل، بازخوانی بدون تخریب (بی نقص) و بسیاری مزایای دیگر اشاره نمود. CMOS شرایطی را فراهم می‌کند که الکترونیک آنالوگ و دیجیتال در یک چیپ باشند که باعث کاهش اندازه و هزینه می‌شود. چند مدار بازخوانی و مدار الکترونیکی پردازشگر می‌توانند به یک پیکسل CMOS مرتبط شوند تا موجب کارکرد موازی شوند. این عمل باعث تحصیل سرعت بالاتر در مقایسه با CCDها می‌شود که در آن‌ها عمل بازخوانی، یک فرایند زنجیره‌ای طولانی است. تکنولوژی سنسور مختلط(HST) بازدهی وسایل CCD را به قابلیت پردازش آنالوگ و دیجیتال CMOS پیوند می‌دهد. مشابه CCDهای سنتی، CCD فتون‌ها را در گودال‌های پتانسیل خود دریافت و تبدیل می‌کند. CCD می‌تواند از مقابل و از پشت، نور را دریافت کند که این امر موجب ایجاد حساسیت بالاتری نسبت به CMOSهای سنتی می‌شود. بار الکتریکی هر پیکسل توسط رجیسترهای عمودی به رجیستر افقی انتقال می‌یابد که این عمل همانند CCDهای قدیمی است و در عوض در این مرحله به جای شیفت بارها به‌طور افقی در رجیستر افقی، بار جمع شده به یک CMOS آشکارساز مختلط جدید انتقال می‌دهد. تکنولوژی ساخت به دلیل اتصال چیپ‌های سیلیکون CCD به سیلیکون CMOS، بی‌نیاز از تقویت‌کننده‌های روی چیپ است. پس از اتمام انتقال، بار الکتریکی توسط یک تقویت‌کننده با نویز پائین ((LNA(۱) تقویت می‌شود. برای دستیابی به کارایی بالا و بدون نویز، تقویت‌کننده در فرکانس‌های در محدوده KHz کار می‌کند. به هر حال از آنجائیکه بازخوانی به زیر شبکه هائی تقسیم می‌شود که هر یک دارای خروجی مختص به خود و متصل به یک مدار تقویت‌کننده مخصوص CMOS هستند، نتیجه کلی، خروجی با سرعتی بالا را فراهم می‌کنند.

کاربرد در ستاره‌شناسی

با توجه به راندمان بالای کوانتوم در CCDها، خطی بودن خروجی‌ها، سهولت استفاده در مقایسه با صفحات عکاسی، و بسیاری دلیل دیگر، CCDها به سرعت توسط ستاره‌شناس‌ها برای تقریباً تمامی کاربردهای UV-to-Infrared مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نویز حرارتی و اشعه‌های کیهانی ممکن است موجب تغییر پیکسل در آرایه‌های CCDها شود. برای مقابله با این آثار ستاره شناسان چندین بار CCDها را با شاتر باز و بسته در معرض اشعه قرار می‌دهند. به‌طور خاص، تلسکوپ Hubble، یک سری مراحل پیشرفته را برای تبدیل داده‌های خام CCDها به عکس‌های مفید انجام می‌دهد.
دوربین‌های CCDاستفاده شده درAstrophotography معمولاً نیازمند قاب‌های محکم و سکوهای تصویر برداری بسیار سنگین هستند تا بتوانند با لرزش‌های ناشی از جریان‌های باد و دیگر منابع، مقابله کنند.
برای گرفتن عکس‌های با زمان طولانی بازبودن دریچه دوربین، از کهکشان‌ها و سحابی‌ها، ستاره شناسان معمولاً از سیستم‌های هدایت خودکاراستفاده می‌کنند.
اکثر دستگاه‌های هدایت خودکار از تراشه CCDثانویه‌ای برای نظارت بار انحرافات در طول زمان تصویر برداری استفاده می‌کنند. این تراشه می‌تواند به سرعت خطاهای رخ داده در ردیابی را شناسایی کرده و به موتورهای تعبیه شده در قاب دوربین دستورهای لازم برای اصلاح خطای ایجاد شده را می‌دهد.
یکی از کاربردهای جالب CCDها در زمینه نجوم، که Drift-Scanning نامیده می‌شود، استفاده از CCDها برای تبدیل یک تلسکوپ ثابت به تلسکوپی است که بتواند حرکت آسمان را دنبال و ردیابی کند.
Sloan Digital Sky Survey یکی از معروف‌ترین نمونه‌های این نوع است.
علاوه بر ستاره‌شناسی، CCDها در Monocromatorها، Spectrometerها، N-Slit interferometerها استفاده می‌شوند.

دوربین‌های رنگی

هر CCD از میلیون‌ها سلول بنام فتوسایت یا فتودیود تشکیل شده‌است. این نقاط در واقع سنسورهای حساس به نوری هستند که اطلاعات نوری را به یک شارژ الکتریکی تبدیل می‌نمایند. وقتی اجزای نور که فتون نامیده می‌شود وارد بدنه سیلیکون فتوسایت می‌شود، انرژی کافی برای آزادسازی الکترونهایی که با بار منفی شارژ شده‌اند ایجاد می‌گردد. هر چه نور بیشتری وارد فتوسایت شود، الکترون‌های بیشتری آزاد می‌شود. هر فتوسایت دارای یک اتصال الکتریکی می‌باشد که وقتی ولتاژی به آن اعمال می‌شود، سیلیکون زیر آن پذیرای الکترون‌های آزاد شده می‌شود و همانند یک خازن برای آن عمل می‌کند؛ بنابراین هر فتوسایت دارای یک شارژ ویژه خود می‌باشد که هر چه بیشتر باشد، پیکسل روشنتری را ایجاد می‌کند. مرحله بعدی در این فرایند بازخوانی و ثبت اطلاعات موجود در این نقاط است. وقتی که شارژ به این نقاط وارد و خارج می‌شود، اطلاعات درون آن‌ها حذف می‌شود و از آنجایی که شارژ هر ردیف با ردیف دیگر کوپل می‌شود، مثل اینست که اطلاعات هر ردیف پشت ردیف قبلی چیده شود.
سپس سیگنال‌ها در حد امکان بدون نویز وارد تقویت‌کننده شده و سپس وارد ADC می‌شوند. فتوسایت‌های روی یک CCD فقط به نور حساسیت نشان می‌دهند، نه به رنگ. رنگ با استفاده از فیلترهای قرمز – سبز و آبی که روی هر پیکسل گذارده شده‌است شناسایی می‌شود. برای اینکه CCD از چشم انسان تقلید کند، نسبت فیلترهای سبز دو برابر فیلترهای قرمز و آبی است. این بخاطر اینست که چشم انسان به رنگ‌های زرد و سبز حساس تر است. چون هر پیکسل تنها یک رنگ را شناسایی می‌کند، رنگ واقعی (True Color) با استفاده از متوسط‌گیری شدت نور اطراف پیکسل که به میان یابی رنگ مشهور است، ایجاد می‌شود. جدیداً فوجی فیلم در طراحی CCD دست به ابداع جالبی زده‌است. این شرکت به جای استفاده از آرایش مربعی برای فتوسایت‌ها، از فتوسایت‌های کاملاً متفاوت هشت ضلعی بزرگتری که در ردیفهایی با زاویه ۴۵ درجه مرتب شده‌اند استفاده کرده‌است. با این کار مشکل نویزهای سیگنال که برای فشردگی فتوسایتها بر روی CCD محدودیت ایجاد می‌کرد حل شده است. با این کار رنگ‌هایی واقعی تر و محدوده دینامیکی وسیعتر و حساسیت به نور بالاتر به دست می‌آید که نتیجه آن عکس‌های دیجیتالی شارپ تر و با رنگ‌های جذاب تر می‌باشد. از سنسورهای CCD بیشتر در دوربین‌های Outdoor استفاده می‌شود.