60年代と70年代は、テクノロジー、特にメモリテクノロジーの素晴らしい発見、発明、進歩に満ちた年でした。当時の重要な発見の1つは、ウィラードボイルとジョージスミスが、半導体の「バブル」メモリの開発に金属酸化物半導体（MOS）技術を適用することを検討したときに行われました。
チームは、電荷が小さなMOSコンデンサに蓄積される可能性があることを発見しました。このコンデンサは、電荷が1つのコンデンサから別のコンデンサに移動できるように接続できます。この発見により、電荷結合素子（CCD）が発明されました。これは、もともとメモリアプリケーションに対応するように設計されていましたが、現在では高度なイメージングシステムの重要なコンポーネントになっています。
CCD（電荷結合素子）は、デバイス 内から情報として解釈または処理できる領域（デジタル値への変換など）に電荷を移動する際に使用される高感度の光子検出器です。
今日の記事では、CCDがどのように機能するか、CCDが展開されるアプリケーション、および他のテクノロジーとの比較優位について検討します。
電荷結合素子とは何ですか？
簡単に言えば、電荷制御デバイスは、外部回路の制御下で各コンデンサに蓄積された電荷が蓄積されるように設計された、リンクまたは結合された電荷蓄積要素（容量性ビン）のアレイを含む集積回路として定義できます。隣接するコンデンサに移動できます。通常、CCDには金属酸化膜半導体コンデンサ（MOSコンデンサ）が使用され、MOS構造の天板に外部電圧を印加することで、電荷（電子（e-）または正孔（h +））を蓄積することができます。潜在的な。これらの電荷は、トッププレート（ゲート）に適用されるデジタルパルスによって1つのコンデンサから別のコンデンサにシフトされ、行ごとにシリアル出力レジスタに転送されます。
電荷結合素子の働き
CCDの動作には3つの段階があり、最近最も人気のあるアプリケーションはイメージングであるため、イメージングに関連してこれらの段階を説明するのが最善です。3つの段階が含まれます。
- 電荷誘導/収集
- 充電クロックアウト
- 電荷測定
電荷誘導/収集/保管：
前述のように、CCDは電荷蓄積素子で構成されており、蓄積素子の種類と電荷の誘導/堆積の方法はアプリケーションによって異なります。イメージングでは、CCDは小さな領域（ピクセル）に分割された多数の感光性材料で構成されており、関心のあるシーンの画像を構築するために使用されます。シーンに投じられた光がCCDで反射されると、ピクセルの1つで定義された領域内にある光の光子は、1つ（または複数）の電子に変換されます。その数は、の強度に正比例します。 CCDがクロックアウトされると、各ピクセルの電子数が測定され、シーンを再構築できるように、各ピクセルのシーン。
下の図は、CCDの非常に単純化された断面を示しています。
上の画像から、ピクセルはCCDの上の電極の位置によって定義されていることがわかります。正の電圧が電極に印加されると、正の電位が電極の下の領域の近くにあるすべての負に帯電した電子を引き付けるように。さらに、正に帯電した正孔は電極の周囲から反発され、これにより「ポテンシャル井戸」が発達し、入ってくる光子によって生成されたすべての電子が蓄積されます。
より多くの光がCCDに当たると、「ポテンシャル井戸」はより強くなり、「完全な井戸容量」（ピクセルの下に保存できる電子の数）に達するまでより多くの電子を引き付けます。適切な画像を確実にキャプチャするために、たとえばカメラでシャッターを使用して、ポテンシャル井戸が満たされるようにタイミングを合わせて照明を制御しますが、その容量を超えると逆効果になる可能性があります。
充電クロックアウト：
CCD製造で使用されるMOSトポロジーは、オンチップで実行できる信号調整と処理の量を制限します。したがって、電荷は通常、処理が行われる外部調整回路にクロックアウトする必要があります。
CCDの列の各ピクセルには、通常、以下の画像に示すように3つの電極が取り付けられています。
電極の1つは電荷貯蔵用のポテンシャル井戸の作成に使用され、他の2つは電荷のクロックアウトに使用されます。
下の画像に示すように、電極の1つの下に電荷が収集されているとします。
CCDから電荷をクロックアウトするために、IØ3を高く保持することによって新しいポテンシャル井戸が誘導されます。これにより、下の画像に示すように、電荷がIØ2とIØ3の間で共有されます。
次に、IØ2が低くなり、これにより、電荷が電極IØ3に完全に移動します。
クロックアウトプロセスは、IØ1をハイにして、電荷がIØ1とIØ3の間で共有されるようにし、最後にIØ3をローにして、電荷がIØ1電極の下で完全にシフトするようにします。
CCD内の電極の配置/方向に応じて、このプロセスは続行され、電荷は、通常は読み出しレジスタと呼ばれる最終行に到達するまで、列を下に移動するか、行を横切って移動します。
電荷測定：
読み出しレジスタの最後に、接続された増幅器回路を使用して各電荷の値を測定し、電子あたり約5〜10μVの一般的な変換係数で電圧に変換します。イメージングアプリケーションでは、CCDベースのカメラに他の関連する電子機器と一緒にCCDチップが付属しますが、最も重要なのは、電荷を電圧に変換することでピクセルをソフトウェアで処理できる形式にデジタル化するのに役立つアンプです。キャプチャされた画像を取得します。
CCDの特性
CCDの性能/品質/グレードの説明に使用されるプロパティのいくつかは次のとおりです。
1.量子効率：
量子効率とは、CCDが電荷を取得/蓄積する効率を指します。
イメージングでは、ピクセル平面に落ちるすべての光子が検出されて電荷に変換されるわけではありません。正常に検出および変換された写真のパーセンテージは、量子効率として知られています。最高のCCDは約80％のQEを達成できます。文脈上、人間の目の量子効率は約20％です。
2.波長範囲：
CCDは通常、約400 nm（青）から約1050 nm（赤外線）までの広い波長範囲を持ち、約700nmにピーク感度があります。ただし、バックシンニングなどのプロセスを使用して、CCDの波長範囲を拡張することができます。
3.ダイナミックレンジ：
CCDのダイナミックレンジとは、ポテンシャル井戸に蓄積できる電子の最小数と最大数を指します。一般的なCCDでは、電子の最大数は通常約150,000ですが、ほとんどの設定では、最小の電子数は実際には1電子未満です。ダイナミックレンジの概念は、イメージングの用語でよりよく説明されるかもしれません。先に述べたように、光がCCDに当たると、光子は電子に変換され、ポテンシャル井戸に吸い込まれ、ある時点で飽和状態になります。光子の変換から生じる電子の量は、通常、光源の強度に依存します。そのため、ダイナミックレンジは、CCDで画像化できる最も明るい光源と最も暗い光源の間の範囲を表すためにも使用されます。
4.直線性：
CCDを選択する際の重要な考慮事項は、通常、広範囲の入力にわたって線形に応答する能力です。たとえば、イメージングでは、CCDが100個の光子を検出し、それを100個の電子に変換する場合（たとえば、QEが100％であると仮定）、線形性のために、10000個の光子を検出すると10000個の電子を生成すると予想されます。CCDの線形性の価値は、信号の重み付けと増幅に使用される処理技術の複雑さの軽減にあります。CCDが線形の場合、必要な信号調整の量は少なくなります。
5.パワー：
アプリケーションによっては、電力はどのデバイスにとっても重要な考慮事項であり、通常、低電力コンポーネントを使用することは賢明な決断です。これは、CCDがアプリケーションにもたらすものの1つです。それらの周りの回路はかなりの量の電力を消費する可能性がありますが、CCD自体は低電力であり、通常の消費値は約50mWです。
6.ノイズ：
すべてのアナログデバイスと同様に、CCDはノイズの影響を受けやすいため、パフォーマンスと容量を評価するための主要な特性の1つは、ノイズの処理方法です。CCDで発生する究極のノイズ要素は読み出しノイズです。これは、電子から電圧への変換プロセスの積であり、CCDのダイナミックレンジの推定に寄与する要因です。
CCDの応用
電荷結合素子は、以下を含むさまざまな分野にわたるアプリケーションを見つけます。
1.ライフサイエンス：
CCDベースの検出器とカメラは、ライフサイエンスや医療分野のさまざまなイメージングアプリケーションやシステムで使用されています。この分野のアプリケーションは広すぎてすべてに言及することはできませんが、いくつかの具体的な例には、対照的な強調が適用された細胞の画像を撮影する機能、フルオロフォアでドープされた画像サンプルを収集する機能（サンプルを蛍光させる）が含まれます）および高度なX線トモグラフィーシステムで使用して、骨構造および軟組織サンプルを画像化します。
2.光学顕微鏡法：
ライフサイエンスのアプリケーションには顕微鏡での使用が含まれますが、顕微鏡のアプリケーションはライフサイエンスの分野に限定されないことに注意することが重要です。さまざまなタイプの光学顕微鏡が、次のような他の重要な分野で使用されています。ナノテクノロジー工学、食品科学、および化学。
ほとんどの顕微鏡アプリケーションでは、CCDが使用されます。これは、低ノイズ比、高感度、高空間分解能、および顕微鏡レベルで発生する反応の分析に重要な高速サンプルイメージングのためです。
3.天文学：
顕微鏡法では、CCDは小さな要素の画像化に使用されますが、天文学では、大きくて遠くの物体の画像の焦点を合わせるために使用されます。天文学はCCDの最も初期のアプリケーションの1つであり、星、惑星、流星などに至るまでのオブジェクトはすべてCCDベースのシステムで画像化されています。
4.商用カメラ：
低コストのCCDイメージセンサーは、商用カメラで使用されています。CCDは通常、商用カメラの低コスト要件のために、天文学や生命科学で使用されるものと比較して品質と性能が低くなっています。