Peranti tergandeng–muatan

Peranti muatan-berpasangan (bahasa Inggris: charge-coupled device atau CCD) adalah sebuah sensor untuk merekam gambar, terdiri dari sirkuit terintegrasi berisi larikan kondensator yang berhubungan, atau berpasangan. Di bawah kendali sirkuit luar, setiap kondensator dapat menyalurkan muatan listriknya ke tetanggannya. CCD digunakan dalam fotografi digital dan astronomi (terutama dalam fotometri), optikal dan spektroskopi UV dan teknik kecepatan tinggi seperti penggambaran untung.

Operasi

Ketika sebuah foton membentur atom, ini dapat mengangkat sebuah elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi, atau dalam beberapa kasus, melepaskan elektron dari atom. Ketika cahaya menimpa permukaan CCD, ini membebaskan beberapa elektron untuk bergerak dan berkumpul di kondensator. Elektron tersebut digeser sepanjang CCD oleh pulsa-pulsa elektronik dan dihitung oleh sebuah sirkuit yang mengambil elektron dari setiap piksel kedalam sebuah kondensator lalu mengukur dan menguatkan tegangan yang membentanginya, lalu mengosongkan kondensator. Ini memberikan sebuah citraan hitam-putih yang efektif dengan mengukur seberapa banyak cahaya yang jatuh disetiap piksel.
CCD yang memiliki baris tunggal dapat digunakan sebagai saluran tunda. Sebuah tegangan analog dikenakan pada kondensator pertama dalam larikan, dan perintah yang berselang tetap diberikan kepada setiap kondensator untuk memindahkan muatannya ke tetangganya. Dengan demikian seluruh larikan digeser setiap satu lokasi. Setelah sebuah tundaan yang setara dengan jumlah kondensator dikalikan interval geser, muatan yang mencerminkan sinyal masukan tiba di kondensator terakhir di larikan, dimana muatan ini dikuatkan untuk menjadi sinyal keluaran. Proses ini terus berlanjut, menciptakan sebuah sinyal di keluaran yang merupakan versi tertunda dari masukan, dengan beberapa cacat dikarenakan frekuensi pencuplikan. Sebuah CCD yang digunakan untuk hal ini juga dikenal dengan saluran tunda regu-ember. Penggunaan CCD dalam hal ini sering digantikan dengan saluran tunda digital.
CCD dengan beberapa baris piksel menggeser muatannya secara vertikal menuju ke baris terbawah, dan hanya baris terbawah yang dibaca keluarannya secara konvensional. Kecepatan dari sirkuit pengukur harus cukup cepat untuk menghitung semua baris bawah, lalu menggeser baris tersebut kebawah dan mengulanginya untuk setiap baris yang lain, hingga seluruh baris terbaca. Di kamera video, seluruh proses ini membutuhkan kira-kira 40 kali setiap detik.
Beberapa faktor dapat memengaruhi ketika foton mengakibatkan bumn membebaskan elektron, sirkuit dalam CCD dapat menghalangi cahaya untuk masuk, gelombang yang lebih panjang dapat menembus kedalam CCD tanpa berinteraksi dengan atom-atom, beberapa gelombang yang lebih pendek dapat memantul di permukaan, dan lain sebagainya.
Mengetahui berapa banyak foton yang jatuh ke permukaan fotoreaktif akan membebaskan elektron adalah ukuran akurat sensitivitas CCD. Hal ini disebut dengan efisiensi kuantum dan dinyatakan dalam persentase.

Penggunaan

CCD yang memiliki beberapa piksel digunakan di kamera digital, pemindai gambar, dan kamera video sebagai peranti pengindera cahaya. CCD biasanya merespon 70% cahaya (sama dengan efisiensi kuantum sebesar 70%) membuatnya lebih efisien daripada film fotografi, yang hanya menangkap kira-kira 2% cahaya. Sebagai hasilnya, CCD dengan cepat menjadi pilihan bagi para astronom. which captures only about 2% of the incident light.
Sebuah citra diarahkan ke larikan kondensator oleh lensa, menyebabkan setiap kondensator untuk menampung muatan listrik sesuai dengan intensitas bahaya pada tempat tersebut. Sebuah larikan satu dimensi, yang digunakan di kamera pindai-garis, menangkap potongan tunggal dari gambar, secangkan larikan dua dimensi, yang digunakan di kamera dan kamera video, menangkap seluruh gambar atau sebagian persegi darinya. Setelah larikan dipaparkan kepada gambar, sebuah sirkuit kontrol menyebabkan setiap kondensator untuk memindahkan muatannya ke tetangganya. Kondensator terakhir dalam larikan membuang muatannya kedalam sebuah penguat yang mengubah muatan menjadi tegangan listrik. Dengan mengulangi proses ini, sirkuit kontrol mengubah seluruh isi larikan menjadi tegangan yang bervariasi, yang disimpan di memori. Gambar yang tersimpan dipindahkan ke pencetak, peranti penyimpan, atau penampil gambar. CCD juga digunakan secara luas sebagai sensor untuk teleskop, dan peranti penglihatan malam.
Sebuah penggunaan menarik dalam astronomi adalah penggunaan CCD untuk membuat sebuah teleskop tetap, berperilaku seperti teleskop penjejak dan mengikuti pergerakan langit. Muatan di CCD dipindah dan dibaca paralel dengan pergerakan langit dan dengan kecepatan yang sama. Dengan cara ini, teleskop dapat mengambil gambar langit yang lebih luar daripada bidang pandang normal.
CCD biasanya sensitif terhadap cahaya inframerah, yang memungkinkan fotografi inframerah, peranti penglihatan malam, dan perekaman video tanpa pencahayaan (atau nyaris tanpa cahaya). Karena sensitivitasnya terhadap inframerah, CCD yang digunakan di astronomi biasanya didinginkan dengan nitrogen cair, dikarenakan radiasi benda hitam inframerah dikeluarkan oleh sumber berpui ruangan. Satu lagi konsekuensi dari sensitivitasnya terhadap inframeral adalah inframerah dari remote control sering terlihat di kamera CCD, jika tidak dilengkapi dengan filter inframerah. Pendinginan juga mengurangi arus gelap larikan, meningkatkan sensitivitas pada cahaya intensitas lemah, bahkan untuk ultraviolet dan gelombang terlihat.
Desah bahang, arus gelap, dan sinar kosmik dapat mengubah piksel di larikan CCD. Untuk menghindari diek ini, astronom mengambil pengungkapan dengan shutter tertutup. Bingkai gelap ini lalu dikurangkan dari gambar asli untuk membuang efek desah bahang.

Kamera warna

Kamera digital biasanya menggunakan tapis Bayer sebelum CCD. Setiap persegi dari empat piksel ditapis merah, biru dan dua hijau (mata manusia kecil sensitif terhadap hijau). Sebagai hasilnya informasi diambil disetiap piksel, tetapi piksel warna memiliki resolusi yang lebih rendah daripada piksel sebenarnya.
Pemisahan warna yang lebih baik dapat dicapai dengan tiga peranti CCD dan sebuah prisma dikroik pemisah warna, ini memisahkan gambar menjadi komponen merah, hijau, dan biru (RGB). Setiap CCD disusun sedemikian pura sehingga merespon warna tertentu. Beberapa perekam video semiprofesional dan semua perekam video profesional menggunakan teknik ini.
Sejak sensor CCD beresolusi tinggi panitau mahal, bahkan seorang fotografer profesional sulit menjangkau kamera 3CCD beresolusi tinggi. Ada beberapa kamera yang menggunakan filter warna berputar untuk mencapai kejernihan warna dan resolusi tinggi dengan harga yang relatif rendah. Kamera jenis ini sangat jarang dan hanya dapat digunakan untuk memotret objek diam.

Teknologi saingan

Belakangan ini telah menjadi lebih mudah untuk menciptakan sensor gambar dari semikonduktor yang menggunakan teknologi CMOS. Karena ini merupakan teknologi dominan untuk seluruh pembuatan chip, sensor gambar CMOS murah untuk dibuat dan sirkuit pengkondisian signal dapat dimasukkan ke dalam alat yang sama. Keuntungan yang terakhir tersebut menolong mengurangi kelemahannya terhadap desah, yang masih merupakan problem. Sensor CMOS juga memiliki keuntungan pengkonsumsian daya yang lebih rendah dari CCD.