आवेश युग्मित उपकरण (चार्ज-कपल्ड डिवाइस): Difference between revisions

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[[Image:Delta-Doped Charged Coupled Devices (CCD) for Ultra-Violet and Visible Detection.jpg|thumb|[[पराबैंगनी]] प्रतिबिंबन के लिए उपयोग किए जाने वाले तार-बंधित संवेष्टन में विशेष रूप से विकसित सीसीडी]]'''आवेश युग्मित युक्ति''' (सीसीडी) एक [[ एकीकृत परिपथ |एकीकृत परिपथ]] है जिसमें श्रृंखलित, या युग्मित, [[संधारित्र]] की एक सरणी होती है। बाहरी परिपथ के नियंत्रण में, प्रत्येक संधारित्र अपने [[ बिजली का आवेश |विद्युत् आवेश]] को प्रतिवेशी संधारित्र में स्थानांतरित कर सकता है। सीसीडी संवेदक [[डिजिटल इमेजिंग|अंकीय प्रतिबिंब]] में उपयोग की जाने वाली एक प्रमुख तकनीक है।
[[Image:Delta-Doped Charged Coupled Devices (CCD) for Ultra-Violet and Visible Detection.jpg|thumb|[[पराबैंगनी]] प्रतिबिंबन के लिए उपयोग किए जाने वाले तार-बंधित संवेष्टन में विशेष रूप से विकसित सीसीडी]]'''आवेश युग्मित उपकरण''' (सीसीडी) एक [[ एकीकृत परिपथ |एकीकृत परिपथ]] है जिसमें श्रृंखलित, या युग्मित, [[संधारित्र]] की एक सरणी होती है। बाहरी परिपथ के नियंत्रण में, प्रत्येक संधारित्र अपने [[ बिजली का आवेश |विद्युत् आवेश]] को प्रतिवेशी संधारित्र में स्थानांतरित कर सकता है। सीसीडी संवेदक [[डिजिटल इमेजिंग|अंकीय प्रतिबिंब]] में उपयोग की जाने वाली एक प्रमुख तकनीक है।


== समीक्षा ==
== समीक्षा ==
सीसीडी [[छवि संवेदक]] में, पी-अपमिश्रित धातु आक्साइड अर्धचालक (एमओएस) संधारित्र द्वारा दर्शाए जाते हैं। ये [[एमओएस कैपेसिटर|एमओएस संधारित्र]], एक सीसीडी के मूलभूत रचक खंड, <ref name="Sze" /> छवि संकलन प्रारम्भ होने पर व्युत्क्रम के लिए प्रभावसीमा से ऊपर पूर्वाग्रहित हैं, अर्धचालक-ऑक्साइड अंतरापृष्ठ पर आने वाले [[फोटोन]] को इलेक्ट्रॉन शुल्क में परिवर्तित करने की अनुमति देता है; सीसीडी का उपयोग तब इन शुल्कों को पढ़ने के लिए किया जाता है।
सीसीडी [[छवि संवेदक]] में, पी-अपमिश्रित धातु आक्साइड अर्धचालक (एमओएस) संधारित्र द्वारा दर्शाए जाते हैं। ये एमओएस संधारित्र, एक सीसीडी के मूलभूत रचक खंड, <ref name="Sze" /> छवि संकलन प्रारम्भ होने पर व्युत्क्रम के लिए प्रभावसीमा से ऊपर पूर्वाग्रहित हैं, अर्धचालक-ऑक्साइड अंतरापृष्ठ पर आने वाले [[फोटोन]] को इलेक्ट्रॉन शुल्क में परिवर्तित करने की अनुमति देता है; सीसीडी का उपयोग तब इन शुल्कों को पढ़ने के लिए किया जाता है।


हालांकि प्रकाश का पता लगाने की अनुमति देने के लिए सीसीडी एकमात्र तकनीक नहीं है, सीसीडी प्रतिबिंब संवेदक व्यावसायिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं जहां उच्च गुणवत्ता वाली छवि आँकड़े की आवश्यकता होती है।
हालांकि प्रकाश का पता लगाने की अनुमति देने के लिए सीसीडी एकमात्र तकनीक नहीं है, सीसीडी प्रतिबिंब संवेदक व्यावसायिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं जहां उच्च गुणवत्ता वाली छवि आँकड़े की आवश्यकता होती है।


उपभोक्ता और व्यावसायिक [[डिजिटल कैमरा]] जैसे कम सटीक गुणवत्ता मांगों वाले अनुप्रयोगों में [[सक्रिय पिक्सेल सेंसर|सक्रिय पिक्सेल संवेदक]] सामान्यतः उपयोग किया जाता है जिन्हें [[सीएमओएस सेंसर|सीएमओएस संवेदक]] (पूरक एमओएस संवेदक) भी कहा जाता है।
उपभोक्ता और व्यावसायिक [[डिजिटल कैमरा]] जैसे कम सटीक गुणवत्ता मांगों वाले अनुप्रयोगों में सक्रिय पिक्सेल संवेदक सामान्यतः उपयोग किया जाता है जिन्हें सीएमओएस संवेदक (पूरक एमओएस संवेदक) भी कहा जाता है।


हालांकि, बड़े गुणवत्ता लाभ सीसीडी ने प्रारम्भ में प्राप्त किया था जो समय के साथ कम हो गया है और 2010 के अंत से सीएमओएस संवेदक प्रमुख तकनीक हैं, अगर पूरी तरह से सीसीडी छवि संवेदक को प्रतिस्थापित नहीं किया गया है।
हालांकि, बड़े गुणवत्ता लाभ सीसीडी ने प्रारम्भ में प्राप्त किया था जो समय के साथ कम हो गया है और 2010 के अंत से सीएमओएस संवेदक प्रमुख तकनीक हैं, अगर पूरी तरह से सीसीडी छवि संवेदक को प्रतिस्थापित नहीं किया गया है।
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== इतिहास ==
== इतिहास ==
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1960 के दशक के अंत में, बेल लैब्स में विलार्ड बॉयल और जॉर्ज ई. स्मिथ [[ अर्धचालक |अर्धचालक]] [[ बुलबुला स्मृति |बुदबुद स्मृति]] (बबल मेमोरी) पर काम करते हुए एमओएस तकनीक पर शोध कर रहे थे। उन्होंने महसूस किया कि एक विद्युत आवेश चुंबकीय बुलबुले का सादृश्य था और इसे एक छोटे एमओएस संधारित्र पर संग्रहीत किया जा सकता था। चूंकि यह एमओएस संधारित्र की एक पंक्ति में [[अर्धचालक उपकरण निर्माण]] के लिए काफी सीधा था, उन्होंने उन्हें एक उपयुक्त वोल्टेज से जोड़ा ताकि प्रभार को एक से दूसरे तक ले जाया जा सके। <ref name="Williams"/> इसने 1969 में बॉयल और स्मिथ द्वारा प्रभार-युग्मित उपकरण का आविष्कार किया। उन्होंने अपनी नोटबुक में जिसे उन्होंने "चार्ज 'बबल' डिवाइसेस" कहा था, उसके प्रारूप की कल्पना करी थी। <ref>{{Cite book | title = वैज्ञानिक चार्ज-युग्मित उपकरण| author = James R. Janesick | publisher = SPIE Press | year = 2001 | isbn = 978-0-8194-3698-6 | page = 4 | url = https://books.google.com/books?id=3GyE4SWytn4C&pg=PA3 }}</ref><ref name="patent">See {{US Patent|3792322}} and {{US Patent|3796927}}</ref>
1960 के दशक के अंत में, बेल लैब्स में विलार्ड बॉयल और जॉर्ज ई. स्मिथ अर्धचालक [[ बुलबुला स्मृति |बुदबुद स्मृति]] (बबल मेमोरी) पर काम करते हुए एमओएस तकनीक पर शोध कर रहे थे। उन्होंने महसूस किया कि एक विद्युत आवेश चुंबकीय बुलबुले का सादृश्य था और इसे एक छोटे एमओएस संधारित्र पर संग्रहीत किया जा सकता था। चूंकि यह एमओएस संधारित्र की एक पंक्ति में [[अर्धचालक उपकरण निर्माण]] के लिए काफी सीधा था, उन्होंने उन्हें एक उपयुक्त वोल्टेज से जोड़ा ताकि प्रभार को एक से दूसरे तक ले जाया जा सके। <ref name="Williams"/> इसने 1969 में बॉयल और स्मिथ द्वारा प्रभार-युग्मित उपकरण का आविष्कार किया। उन्होंने अपनी नोटबुक में जिसे उन्होंने "चार्ज 'बबल' डिवाइसेस" कहा था, उसके प्रारूप की कल्पना करी थी। <ref>{{Cite book | title = वैज्ञानिक चार्ज-युग्मित उपकरण| author = James R. Janesick | publisher = SPIE Press | year = 2001 | isbn = 978-0-8194-3698-6 | page = 4 | url = https://books.google.com/books?id=3GyE4SWytn4C&pg=PA3 }}</ref><ref name="patent">See {{US Patent|3792322}} and {{US Patent|3796927}}</ref>


अप्रैल 1970 में अवधारणा का वर्णन करने वाले प्रारंभिक लेख में [[ स्मृति |स्मृति]] (मेमोरी), एक विलंब रेखा और एक प्रतिबिंबन उपकरण के रूप में संभावित उपयोगों को सूचीबद्ध किया गया था। <ref>{{Cite journal | journal = Bell Syst. Tech. J. | title = चार्ज युग्मित सेमीकंडक्टर डिवाइस|author1=W. S. Boyle |author2=G. E. Smith | volume = 49| issue = 4 | pages = 587–593 | date = April 1970 | doi = 10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x }}</ref> उपकरण को [[ शिफ्ट का रजिस्टर |विस्थापन पंजी]] के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। अभिकल्पना का सार अर्धचालक की सतह के साथ एक संचयन संधारित्र से दूसरे तक प्रभार स्थानान्तरण करने की क्षमता थी। अवधारणा [[ बाल्टी-ब्रिगेड डिवाइस |बकेट-ब्रिगेड उपकरण]] (बीबीडी) के सिद्धांत के समान थी, जिसे 1960 के दशक के अंत में [[ PHILIPS |फिलिप्स]] में विकसित किया गया था।
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==बाहरी संबंध==
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* [http://www.microscopyu.com/articles/digitalimaging/ccdintro.html Nikon microscopy introduction to CCDs]
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* [http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.html Concepts in Digital Imaging Technology]
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Latest revision as of 07:05, 27 September 2023

पराबैंगनी प्रतिबिंबन के लिए उपयोग किए जाने वाले तार-बंधित संवेष्टन में विशेष रूप से विकसित सीसीडी

आवेश युग्मित उपकरण (सीसीडी) एक एकीकृत परिपथ है जिसमें श्रृंखलित, या युग्मित, संधारित्र की एक सरणी होती है। बाहरी परिपथ के नियंत्रण में, प्रत्येक संधारित्र अपने विद्युत् आवेश को प्रतिवेशी संधारित्र में स्थानांतरित कर सकता है। सीसीडी संवेदक अंकीय प्रतिबिंब में उपयोग की जाने वाली एक प्रमुख तकनीक है।

समीक्षा

सीसीडी छवि संवेदक में, पी-अपमिश्रित धातु आक्साइड अर्धचालक (एमओएस) संधारित्र द्वारा दर्शाए जाते हैं। ये एमओएस संधारित्र, एक सीसीडी के मूलभूत रचक खंड, [1] छवि संकलन प्रारम्भ होने पर व्युत्क्रम के लिए प्रभावसीमा से ऊपर पूर्वाग्रहित हैं, अर्धचालक-ऑक्साइड अंतरापृष्ठ पर आने वाले फोटोन को इलेक्ट्रॉन शुल्क में परिवर्तित करने की अनुमति देता है; सीसीडी का उपयोग तब इन शुल्कों को पढ़ने के लिए किया जाता है।

हालांकि प्रकाश का पता लगाने की अनुमति देने के लिए सीसीडी एकमात्र तकनीक नहीं है, सीसीडी प्रतिबिंब संवेदक व्यावसायिक, चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं जहां उच्च गुणवत्ता वाली छवि आँकड़े की आवश्यकता होती है।

उपभोक्ता और व्यावसायिक डिजिटल कैमरा जैसे कम सटीक गुणवत्ता मांगों वाले अनुप्रयोगों में सक्रिय पिक्सेल संवेदक सामान्यतः उपयोग किया जाता है जिन्हें सीएमओएस संवेदक (पूरक एमओएस संवेदक) भी कहा जाता है।

हालांकि, बड़े गुणवत्ता लाभ सीसीडी ने प्रारम्भ में प्राप्त किया था जो समय के साथ कम हो गया है और 2010 के अंत से सीएमओएस संवेदक प्रमुख तकनीक हैं, अगर पूरी तरह से सीसीडी छवि संवेदक को प्रतिस्थापित नहीं किया गया है।

इतिहास

जॉर्ज ई. स्मिथ और विलार्ड बॉयल, 2009

सीसीडी का आधार धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक (एमओएस) संरचना है, [2] एमओएस संधारित्र एक सीसीडी के मूलभूत रचक खंड होने के साथ, [1][3] और प्रारम्भिक सीसीडी उपकरणों में फोटोडिटेक्टर के रूप में उपयोग की जाने वाली एक अवक्षयित एमओएस संरचना है। [2][4]

1960 के दशक के अंत में, बेल लैब्स में विलार्ड बॉयल और जॉर्ज ई. स्मिथ अर्धचालक बुदबुद स्मृति (बबल मेमोरी) पर काम करते हुए एमओएस तकनीक पर शोध कर रहे थे। उन्होंने महसूस किया कि एक विद्युत आवेश चुंबकीय बुलबुले का सादृश्य था और इसे एक छोटे एमओएस संधारित्र पर संग्रहीत किया जा सकता था। चूंकि यह एमओएस संधारित्र की एक पंक्ति में अर्धचालक उपकरण निर्माण के लिए काफी सीधा था, उन्होंने उन्हें एक उपयुक्त वोल्टेज से जोड़ा ताकि प्रभार को एक से दूसरे तक ले जाया जा सके। [3] इसने 1969 में बॉयल और स्मिथ द्वारा प्रभार-युग्मित उपकरण का आविष्कार किया। उन्होंने अपनी नोटबुक में जिसे उन्होंने "चार्ज 'बबल' डिवाइसेस" कहा था, उसके प्रारूप की कल्पना करी थी। [5][6]

अप्रैल 1970 में अवधारणा का वर्णन करने वाले प्रारंभिक लेख में स्मृति (मेमोरी), एक विलंब रेखा और एक प्रतिबिंबन उपकरण के रूप में संभावित उपयोगों को सूचीबद्ध किया गया था। [7] उपकरण को विस्थापन पंजी के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। अभिकल्पना का सार अर्धचालक की सतह के साथ एक संचयन संधारित्र से दूसरे तक प्रभार स्थानान्तरण करने की क्षमता थी। अवधारणा बकेट-ब्रिगेड उपकरण (बीबीडी) के सिद्धांत के समान थी, जिसे 1960 के दशक के अंत में फिलिप्स में विकसित किया गया था।

सिद्धांत का प्रदर्शन करने वाला पहला प्रायोगिक उपकरण एक उष्मीय आक्सीकरण सिलिकॉन सतह पर बारीकी से दूरी वाले धातु के वर्गों की एक पंक्ति थी जो तार आबंध द्वारा विद्युत रूप से उपयोग की जाती थी। यह अप्रैल 1970 में गिल एमेलियो, माइकल फ्रांसिस टॉम्सेट और जॉर्ज स्मिथ द्वारा प्रदर्शित किया गया था। [8] यह छवि संवेदक प्रौद्योगिकी में सीसीडी का पहला प्रायोगिक अनुप्रयोग था, और फोटोडेटेक्टर के रूप में एक क्षीण एमओएस संरचना का उपयोग किया। [2] पहला एकस्व अधिकार (U.S. Patent 4,085,456) प्रतिबिंबन के लिए सीसीडी के आवेदन पर टॉमसेट को सौंपा गया था, जिन्होंने 1971 में आवेदन दायर किया था। [9]

अगस्त 1970 में टोम्पसेट, एमेलियो और स्मिथ द्वारा विवरणी की गई एकीकृत परिपथ प्रौद्योगिकी के साथ बनाई गई पहली कामकाजी सीसीडी एक साधारण 8-बिट विस्थापन पंजी थी। [10] इस उपकरण में निविष्ट और निष्पाद परिपथ थे और इसका उपयोग विस्थापन पंजी के रूप में और कच्चे आठ पिक्सेल रैखिक प्रतिबिंबन उपकरण के रूप में इसका उपयोग प्रदर्शित करने के लिए किया गया था। उपकरण का विकास तीव्रता से आगे बढ़ा। 1971 तक, माइकल टॉम्सेट के नेतृत्व में बेल शोधकर्ता सरल रेखीय उपकरणों के साथ छवियों को पकड़ने में सक्षम थे। [11] फेयरचाइल्ड अर्धचालक, आरसीए और टेक्सस उपकरण सहित कई कंपनियों ने आविष्कार को चुना और विकास कार्यक्रम प्रारम्भ किया। फेयरचाइल्ड का प्रयास, पूर्व-बेल शोधकर्ता गिल एमेलियो के नेतृत्व में, वाणिज्यिक उपकरणों के साथ पहला था, और 1974 तक एक रैखिक 500-तत्व उपकरण और एक 2D 100 × 100 पिक्सेल उपकरण था। कोडक के लिए काम करने वाले एक इलेक्ट्रिकल इंजीनियर स्टीवन सैसून ने 1975 में फेयरचाइल्ड 100 × 100 सीसीडी का उपयोग करके पहले डिजिटल स्थिर कैमरा का आविष्कार किया। [12]

1973 में फेयरचाइल्ड में एल वॉल्श और आर डाइक द्वारा अस्तर स्थानान्तरण (आईएलटी) सीसीडी उपकरण प्रस्तावित किया गया था ताकि आलेपन को कम किया जा सके और यांत्रिक शटर (छायाचित्रण) को समाप्त किया जा सके। उज्ज्वल प्रकाश स्रोतों से धुंध को और कम करने के लिए, 1981 में पैनासोनिक (अब पैनासोनिक) में के. होरी, टी. कुरोदा और टी. कुनी द्वारा प्रधार अंतर्रेखा स्थानांतरण (एफआईटी) सीसीडी शिल्प विद्या विकसित किया गया था। [2]

प्रतिबिंबन के लिए प्रभार-युग्मित उपकरण क्रम (800 × 800 पिक्सल) [13] तकनीक से लैस पहला केएच-11 केनेन टोही उपग्रह दिसंबर 1976 में प्रक्षेपण किया गया था। [14] कज़ुओ इवामा (सोनी) के नेतृत्व में, सोनी ने एक महत्वपूर्ण निवेश वाले सीसीडी पर एक बड़ा विकास प्रयास प्रारम्भ किया। आखिरकार, सोनी अपने कैमकॉर्डर के लिए सीसीडी का बड़े मापक्रम पर उत्पादन करने में कामयाब रहा। ऐसा होने से पहले, अगस्त 1982 में इवामा की मृत्यु हो गई। इसके बाद उनके योगदान को स्वीकार करने के लिए उनके मकबरे पर एक सीसीडी चिप लगाई गई। [15] पहला बड़े मापक्रम पर उत्पादित उपभोक्ता सीसीडी वीडियो कैमरा, सीसीडी-जी 5, सोनी द्वारा 1983 में जारी किया गया था, जो 1981 में योशियाकी हागिवारा द्वारा विकसित एक प्रतिमान पर आधारित था। [16]

प्रारम्भिक सीसीडी संवेदक शटर बिलम्ब से प्रभावित थे। यह काफी हद तक पिन किए पिंन्ड फोटोडायोड (पीपीडी) के आविष्कार के साथ हल किया गया था। [2] इसका आविष्कार एनईसी में 1980 में, नोबुकाजु टेरनिशि, हीरोमित्सु शिरकीने और यासुओ इशिहारा ने किया था। [2][17] उन्होंने माना कि अगर सिग्नल वाहकों को फोटोडायोड से सीसीडी में स्थानांतरित किया जा सकता है तो अंतराल को समाप्त किया जा सकता है। इसने पिन किए गए फोटोडायोड, कम बिलम्ब, कम नॉइज़ (इलेक्ट्रॉनिक्स), उच्च परिमाण दक्षता और कम अदीप्त धारा (भौतिकी) के साथ एक फोटोडेटेक्टर संरचना का आविष्कार किया। [2] यह पहली बार 1982 में ए. कोहोनो, ई. ओडा और के. अराई के साथ तेरनिशी और इशिहारा द्वारा सार्वजनिक रूप से विवरणी किया गया था, जिसमें एक प्रति-विलेपन संरचना सम्मिलित थी। [2][18] एनईसी में आविष्कृत नई फोटोडेटेक्टर संरचना को 1984 में कोडक में बीसी बर्की द्वारा पिनड फोटोडायोड (पीपीडी) नाम दिया गया था। 1987 में, पीपीडी को अधिकांश सीसीडी उपकरणों में सम्मिलित किया जाने लगा, जो उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक वीडियो कैमरे और फिर डिजिटल स्थिर कैमरों में एक स्थिरता बन गया। तब से, पीपीडी का उपयोग लगभग सभी सीसीडी संवेदक और फिर सीएमओएस संवेदक में किया गया है। [2]

जनवरी 2006 में, बॉयल और स्मिथ को नेशनल एकेडमी ऑफ इंजीनियरिंग चार्ल्स स्टार्क ड्रेपर पुरस्कार से सम्मानित किया गया, [19] और 2009 में उन्हें सीसीडी अवधारणा के उनके आविष्कार के लिए भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया। [20] माइकल टॉम्सेट को पहले सीसीडी इमेजर्स के अभिकल्पना और विकास सहित अग्रणी काम और इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों के लिए 2010 राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी और नवाचार पदक से सम्मानित किया गया था। सीसीडी इमेजर्स, कैमरा और ऊष्मीय इमेजर्स सहित प्रतिबिंबन उपकरणों में अग्रणी योगदान के लिए उन्हें 2012 आईईईई एडिसन मेडल से भी सम्मानित किया गया था।

संचालन की मूल बातें

प्रभार वेष्टक (इलेक्ट्रॉन, नीला) द्वार इलेक्ट्रोड (जी) पर सकारात्मक वोल्टेज लगाने से बनाए गए संभावित स्रोत (पीले) में एकत्र किए जाते हैं। द्वार इलेक्ट्रोड में सकारात्मक वोल्टेज को सही क्रम में लगाने से प्रभार वेष्टक स्थानान्तरण हो जाते हैं।

छवियों को प्रग्रहण करने के लिए एक सीसीडी में, एक प्रकाशसक्रिय क्षेत्र (सिलिकॉन की एक अधिरोहण परत) होता है, और एक पारेषण क्षेत्र एक विस्थापन पंजी (सीसीडी) से बना होता है।

एक लेंस (प्रकाशिकी) के माध्यम से एक छवि को संधारित्र सरणी (प्रकाशसक्रिय क्षेत्र) पर प्रक्षेपित किया जाता है, जिससे प्रत्येक संधारित्र उस स्थान पर प्रकाश की तीव्रता के अनुपात में एक वैद्युत प्रभार जमा करता है। रैखिक क्रमवीक्षण कैमरों में उपयोग की जाने वाली एक-आयामी सरणी, छवि का एक टुकड़ा प्रग्रहण करती है, जबकि वीडियो और अभी भी कैमरे में उपयोग की जाने वाली द्वि-आयामी सरणी, नाभीय समतल पर प्रक्षेपित दृश्य के अनुरूप दो-आयामी तस्वीर को प्रग्रहण करती है। एक बार सरणी छवि के संपर्क में आने के बाद, एक नियंत्रण परिपथ प्रत्येक संधारित्र को अपनी विषयवस्तु को अपने प्रतिवेशी (विस्थापन पंजी के रूप में संचालित) में स्थानांतरित करने का कारण बनता है। सरणी में अंतिम संधारित्र अपने प्रभार को प्रभार प्रवर्धक में सन्निक्षेप करता है, जो प्रभार को वोल्टेज में परिवर्तित करता है। इस प्रक्रिया को दोहराते हुए, नियंत्रक परिपथ अर्धचालक में सरणी की संपूर्ण सामग्री को वोल्टेज के अनुक्रम में परिवर्तित करता है। एक डिजिटल उपकरण में, फिर इन वोल्टेज का प्रतिरूप लिया जाता है, अंकीकृत किया जाता है, और सामान्यतः मेमोरी में संग्रहीत किया जाता है; एक एनालॉग उपकरण (जैसे एक एनालॉग वीडियो कैमरा) में, उन्हें एक सतत एनालॉग सिग्नल में संसाधित किया जाता है (उदाहरण के लिए प्रभार प्रवर्धक के निष्पाद को निम्न पारक निस्यंदक में सिंचित करके), जिसे तब संसाधित किया जाता है और अन्य विद्युत परिपथ संचरण, रिकॉर्डिंग, या अन्य प्रसंस्करण को सिंचित जाता है। [21]


संचालन की विस्तृत भौतिकी

सोनी ICX493AQA 10.14-मेगापिक्सेल एपीएस-सी (23.4 × 15.6 मिमी) डिजिटल कैमरे से सीसीडी सोनी α डीएसएलआर-ए200 या डीएसएलआर-ए300, संवेदक पक्ष

प्रभार जनन

एमओएस संधारित्र प्रकाश के संपर्क में आने से पहले, वे कमी क्षेत्र में पूर्वाग्रह कर रहे हैं; एन-प्रणाल सीसीडी में, बायस द्वार के नीचे सिलिकॉन थोड़ा पी-अपमिश्रित या आंतरिक होता है। तब द्वार एक सकारात्मक क्षमता पर पूर्वाग्रहित होता है, शक्तिशाली व्युत्क्रमण के लिए प्रभावसीमा के ऊपर, जिसके परिणामस्वरूप अंततः मॉसफेट के रूप में द्वार के नीचे एक n प्रणाल का निर्माण होगा। हालाँकि, इस तापीय संतुलन तक पहुँचने में समय लगता है: उच्च-स्तरीय वैज्ञानिक कैमरों को कम तापमान पर ठंडा करने में घंटों तक का समय लगता है। [22] प्रारंभ में पूर्वाग्रह के बाद, छिद्रों को कार्यद्रव में दूर धकेल दिया जाता है, और कोई मोबाइल इलेक्ट्रॉन सतह पर या उसके पास नहीं होता है; सीसीडी इस प्रकार एक गैर-संतुलन अवस्था में संचालित होता है जिसे पश्च निःशेषण कहा जाता है। [23]

फिर, जब इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म अवक्षय क्षेत्र में उत्पन्न होते हैं, तो वे विद्युत क्षेत्र द्वारा अलग हो जाते हैं, इलेक्ट्रॉन सतह की ओर बढ़ते हैं, और छिद्र कार्यद्रव की ओर बढ़ते हैं। चार जोड़ी-जनन की प्रक्रियाओं की पहचान की जा सकती है:

  • छायाचित्र-जनन (परिमाण दक्षता का 95% तक),
  • अवक्षय क्षेत्र में जनन,
  • सतह पर जनन, और
  • तटस्थ समष्टि में जनन।

अंतिम तीन प्रक्रियाओं को अदीप्त धारा जनन के रूप में जाना जाता है, और प्रतिरूप में नॉइज़ जोड़ते हैं; वे कुल प्रयोग करने योग्य एकीकरण समय को सीमित कर सकते हैं। सतह पर या उसके पास इलेक्ट्रॉनों का संचय या तो तब तक आगे बढ़ सकता है जब तक कि छवि एकीकरण समाप्त नहीं हो जाता है और प्रभार स्थानांतरित होना प्रारम्भ हो जाता है, या ऊष्मीय संतुलन तक पहुंच जाता है। ऐसे में स्रोत भरा हुआ बताया जा रहा है। प्रत्येक स्रोत की अधिकतम क्षमता को स्रोत की गहराई के रूप में जाना जाता है, [24] सामान्यतः लगभग 105 इलेक्ट्रॉन प्रति पिक्सेल है। [23]


अभिकल्पना और निर्माण

सीसीडी का प्रकाशसक्रिय क्षेत्र सामान्यतः सिलिकॉन की एक एपीटॉक्सिअल परत है। यह हल्के से पी अपमिश्रित (सामान्यतः बोरॉन के साथ) होता है और एक कार्यद्रव (सामग्री विज्ञान) सामग्री प्रायः पी ++ पर उगाया जाता है। दफन-प्रणाल उपकरणों में, अधिकांश आधुनिक सीसीडी में उपयोग किए जाने वाले अभिकल्पना के प्रकार, सिलिकॉन की सतह के कुछ क्षेत्रों में फास्फोरस के साथ आयन आरोपण होता है, जिससे उन्हें एन-अपमिश्रित पदनाम मिलता है। यह क्षेत्र उस प्रणाल को परिभाषित करता है जिसमें प्रकाशजनित प्रभार वेष्टक यात्रा करेंगे। साइमन स्ज़े अन्तर्हित प्रणाल उपकरण के लाभ का विवरण देते हैं: [23]

यह तनु परत (= 0.2–0.3 माइक्रोन) पूरी तरह से समाप्त हो गई है और संचित प्रकाशजनित प्रभार को सतह से दूर रखा गया है। कम सतह पुनर्संयोजन से इस संरचना में उच्च हस्तांतरण दक्षता और कम अदीप्त धारा के लाभ हैं। दंड सतह-प्रणाल सीसीडी की तुलना में 2-3 के कारक द्वारा छोटी प्रभार क्षमता है।

बाद में इस प्रक्रिया में, पॉलीसिलिकॉन द्वार रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा जमा किए जाते हैं, फोटोलिथोग्राफी के साथ प्रतिरूपित होते हैं, और इस तरह से निक्षारित किये जाते हैं अलग-अलग चरणबद्ध द्वार प्रणालों के लंबवत स्थित हों। प्रणाल सवृत क्षेत्र का उत्पादन करने के लिए लोकोस प्रक्रिया के उपयोग द्वारा प्रणालों को आगे परिभाषित किया गया है।

प्रणाल सवृत ऊष्मीय रूप से विकसित ऑक्साइड हैं जो प्रभार वेष्टक को एक पंक्ति में दूसरे से अलग करने के लिए काम करते हैं। ये प्रणाल स्टॉप्स पॉलीसिलिकॉन गेट्स के बनने से पहले तैयार किए जाते हैं, क्योंकि लोकोस प्रक्रिया एक उच्च-तापमान चरण का उपयोग करती है जो द्वार सामग्री को नष्ट कर देगा। प्रणाल सवृत प्रणाल, या प्रभार ले जाने वाले क्षेत्रों के समानांतर और अनन्य हैं।

प्रणाल सवृत में प्रायः उनके नीचे एक p+ अपमिश्रित क्षेत्र होता है, जो प्रभार वेष्टक में इलेक्ट्रॉनों के लिए एक और अवरोध प्रदान करता है (सीसीडी उपकरणों की भौतिकी की यह चर्चा एक इलेक्ट्रॉन स्थानान्तरण उपकरण मानती है, हालांकि छिद्र स्थानान्तरण संभव है)।

द्वार का समायोजन, बारी-बारी से उच्च और निम्न, दबे हुए प्रणाल (एन-अपमिश्रित) और एपिटैक्सियल परत (पी-अपमिश्रित) द्वारा प्रदान किए गए डायोड को आगे और पीछे ले जाएगी। यह सीसीडी को पी-एन संधि स्थल के पास समाप्त कर देगा और द्वार के नीचे और उपकरण के प्रणालों के भीतर प्रभार वेष्टक को इकट्ठा और स्थानांतरित करेगा।

सीसीडी निर्माण और संचालन को विभिन्न उपयोगों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। उपरोक्त प्रक्रिया एक प्रधार स्थानान्तरण सीसीडी का वर्णन करती है। जबकि सीसीडी का निर्माण अत्यधिक अपमिश्रित पी++ वेफर पर किया जा सकता है, पी-वेल्स के अंदर एक उपकरण का निर्माण करना भी संभव है जिसे एन-वेफर पर रखा गया है। यह दूसरी विधि, कथित तौर पर, आलेपन, अदीप्त धारा (भौतिकी), और अवरक्त और लाल प्रतिक्रिया को कम करती है। निर्माण की इस पद्धति का उपयोग अंतर्रेखा स्थानांतरण उपकरणों के निर्माण में किया जाता है।

सीसीडी के एक अन्य संस्करण को क्रमाकुंचक सीसीडी कहा जाता है। क्रमाकुंचक प्रभार-युग्मित उपकरण में, प्रभार-वेष्टक स्थानान्तरण संचालन क्रमाकुंचक संकुचन और पाचन तंत्र के फैलाव के अनुरूप होता है। क्रमाकुंचक सीसीडी में एक अतिरिक्त समाविष्ट होता है जो प्रभार को सिलिकॉन/सिलिकॉन डाइऑक्साइड अंतरापृष्ठ से दूर रखता है और एक द्वार से दूसरे द्वार तक एक बड़ा पार्श्व विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है। यह प्रभार वेष्टक के हस्तांतरण में सहायता के लिए एक अतिरिक्त प्रेरणा शक्ति प्रदान करता है।

शिल्प विद्या

2.1-मेगापिक्सेल आर्गस (कैमरा कंपनी) डिजिटल कैमरा से सीसीडी
फैक्स मशीन से एक आयामी सीसीडी छवि संवेदक

सीसीडी प्रतिबिंब संवेदक को कई अलग-अलग शिल्प विद्या में लागू किया जा सकता है। सबसे सामान्य सम्पूर्ण-प्रधार, प्रधार-स्थानान्तरण और अस्तर हैं। इनमें से प्रत्येक शिल्प विद्या की विशिष्ट विशेषता शटरिंग की समस्या के प्रति उनका दृष्टिकोण है।

पूर्ण-प्रधार उपकरण में, संपूर्ण छवि क्षेत्र सक्रिय होता है, और कोई इलेक्ट्रॉनिक शटर नहीं होता है। इस प्रकार के संवेदक में एक यांत्रिक शटर जोड़ा जाना चाहिए या उपकरण को कालद या पठन दर्श करने पर छवि खराब हो जाती है।

एक प्रधार-स्थानान्तरण सीसीडी के साथ, आधा सिलिकॉन क्षेत्र एक अपारदर्शी आच्छद (सामान्यतः एल्यूमीनियम) द्वारा आच्छादित किया जाता है। छवि को कुछ प्रतिशत के स्वीकार्य धुंध के साथ छवि क्षेत्र से अपारदर्शी क्षेत्र या भंडारण क्षेत्र में तुरंत स्थानांतरित किया जा सकता है। उस छवि को भंडारण क्षेत्र से धीरे-धीरे पढ़ा जा सकता है जबकि एक नई छवि सक्रिय क्षेत्र में एकीकृत या उजागर हो रही है। प्रधार-स्थानान्तरण उपकरणों को सामान्यतः यांत्रिक शटर की आवश्यकता नहीं होती है और प्रारंभिक ठोस-स्तिथि प्रसारण कैमरों के लिए एक सामान्य वास्तुकला थी। प्रधार-स्थानान्तरण शिल्प विद्या के लिए नकारात्मक पक्ष यह है कि इसके लिए एक समान पूर्ण-प्रधार उपकरण के दो बार सिलिकॉन स्थावर संपदा की आवश्यकता होती है; इसलिए, इसकी लागत लगभग दोगुनी है।

अस्तर शिल्प विद्या इस अवधारणा को एक कदम आगे बढ़ाता है और संचयन के लिए प्रतिबिंब संवेदक के हर दूसरे पंक्ति को प्रच्छद कर देता है। इस उपकरण में, छवि क्षेत्र से भंडारण क्षेत्र में स्थानांतरित करने के लिए केवल एक पिक्सेल बदलाव होना चाहिए; इस प्रकार, शटर का समय एक माइक्रोसेकंड से कम हो सकता है और आलेपन अनिवार्य रूप से समाप्त हो जाता है। यह लाभ मुक्त नहीं है, हालांकि, क्योंकि प्रतिबिंबन क्षेत्र अब अपारदर्शी पट्ट द्वारा आच्छादित किया गया है, जिससे भरण कारक (प्रतिबिंब संवेदक) को लगभग 50 प्रतिशत और प्रभावी परिमाण दक्षता को एक समान मात्रा में छोड़ दिया जाता है। आधुनिक अभिकल्पनाओं ने अपारदर्शी क्षेत्रों से दूर और सक्रिय क्षेत्र पर प्रकाश को निर्देशित करने के लिए उपकरण की सतह पर माइक्रोलेंस जोड़कर इस हानिकारक विशेषता को संबोधित किया है। पिक्सेल आकार और समग्र प्रणाली के प्रकाशिक अभिकल्पना के आधार पर माइक्रोलेंस भरण कारक को 90 प्रतिशत या उससे अधिक तक वापस ला सकते हैं।

वास्तुकला का विकल्प उपयोगिता में से एक के लिए नीचे आता है। यदि अनुप्रयोग महंगा, विफलता-प्रवण, बिजली-गहन यांत्रिक शटर बर्दाश्त नहीं कर सकता है, तो एक अस्तर उपकरण सही विकल्प है। उपभोक्ता आशुचित्र कैमरों ने अस्तर उपकरणों का उपयोग किया है। दूसरी ओर, उन अनुप्रयोगों के लिए जिन्हें सर्वोत्तम संभव प्रकाश संग्रह की आवश्यकता होती है और धन, शक्ति और समय के विषय कम महत्वपूर्ण होते हैं, पूर्ण-प्रधार उपकरण सही विकल्प है। खगोलविद पूर्ण-प्रधार उपकरणों को प्राथमिकता देते हैं। प्रधार-स्थानान्तरण बीच में आता है और अस्तर उपकरणों के भरण-कारक विषय को संबोधित करने से पहले एक सामान्य विकल्प था। आज, प्रधार-स्थानान्तरण सामान्यतः तब चुना जाता है जब अस्तर शिल्प विद्या उपलब्ध नहीं होता है, जैसे पार्श्व-प्रकाशित उपकरण में होता है।

पिक्सेल के संजाल वाले सीसीडी का उपयोग डिजिटल कैमरा, प्रकाशिक क्रमवीक्षक और वीडियो कैमरों में प्रकाश-संवेदन उपकरण के रूप में किया जाता है। वे सामान्यतः 70 प्रतिशत आपतित किरण प्रकाश (अर्थात् लगभग 70 प्रतिशत की परिमाण दक्षता) का जवाब देते हैं, जिससे वे फ़ोटोग्राफिक फिल्म की तुलना में कहीं अधिक कुशल हो जाते हैं, जो घटना प्रकाश का लगभग 2 प्रतिशत ही प्रग्रहण करता है।

अधिकांश सामान्य प्रकार के सीसीडी निकट-अवरक्त प्रकाश के प्रति संवेदनशील होते हैं, जो अवरक्त छायाचित्रण, रात्रि-दृष्टि उपकरणों और शून्य लूक्रस (या शून्य लक्स के पास) वीडियो-रिकॉर्डिंग/छायाचित्रण की अनुमति देता है। सामान्य सिलिकॉन-आधारित संसूचक के लिए, संवेदनशीलता 1.1 μm तक सीमित है। अवरक्त के प्रति उनकी संवेदनशीलता का एक अन्य परिणाम यह है कि दूरस्थ नियंत्रण से अवरक्त प्रायः सीसीडी-आधारित डिजिटल कैमरों या कैमकोर्डर पर दिखाई देते हैं यदि उनके पास अवरक्त अवरोधक नहीं होते हैं।

शीतलन सरणि के अदीप्त धारा (भौतिकी) को कम करता है, सीसीडी की संवेदनशीलता को कम रोशनी की तीव्रता में सुधार करता है, यहां तक ​​कि पराबैंगनी और दृश्य तरंग दैर्ध्य के लिए भी सुधार करता है। व्यावसायिक वेधशालाएं प्रायः अपने संसूचक को तरल नाइट्रोजन से ठंडा करती हैं ताकि अदीप्त धारा को कम किया जा सके, और इसलिए ऊष्मीय नॉइज़ को नगण्य स्तर तक कम किया जा सके।

प्रधार स्थानान्तरण सीसीडी

एक प्रधार स्थानांतरण सीसीडी संवेदक

प्रधार स्थानान्तरण सीसीडी प्रतिबिंबित्र बेल लेबोरेटरीज में माइकल टॉम्पेसेट द्वारा सीसीडी प्रतिबिंबन के लिए प्रस्तावित पहली प्रतिबिंबन संरचना थी। एक प्रधार स्थानान्तरण सीसीडी एक विशेष सीसीडी है, जिसका उपयोग प्रायः खगोल विज्ञान और कुछ व्यावसायिक वीडियो कैमरों में किया जाता है, जिसे उच्च जोखिम दक्षता और शुद्धता के लिए अभिकल्पित किया गया है।

सीसीडी के सामान्य कामकाज, खगोलीय या अन्यथा, दो चरण अनावृत्ति और अनुशीर्षक में विभाजित किया जा सकता है। पहले चरण के उपरान्त, सीसीडी निष्क्रिय रूप से आने वाले फोटॉनों को इकट्ठा करता है, इसकी कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉनों को जमा करता है। अनावृत्ति का समय बीत जाने के बाद, कोशिकाओं को एक समय में एक पंक्ति में पढ़ा जाता है। अनुशीर्षक चरण के उपरान्त, कोशिकाओं को सीसीडी के पूरे क्षेत्र में स्थानांतरित कर दिया जाता है। जबकि उन्हें स्थानांतरित किया जाता है, वे प्रकाश एकत्र करना जारी रखते हैं। इस प्रकार, यदि स्थानांतरण पर्याप्त तीव्र नहीं है, तो स्थानांतरण के उपरान्त कोशिका धारक प्रभार पर पड़ने वाले प्रकाश से त्रुटियां हो सकती हैं। इन त्रुटियों को ऊर्ध्वाधर आलेपन के रूप में संदर्भित किया जाता है और इसके सटीक स्थान के ऊपर और नीचे एक लंबवत रेखा बनाने के लिए एक शक्तिशाली प्रकाश स्रोत का कारण बनता है। इसके अतिरिक्त, सीसीडी का उपयोग प्रकाश को इकट्ठा करने के लिए नहीं किया जा सकता है, जबकि इसे पढ़ा जा रहा है। एक तीव्र स्थानांतरण के लिए तीव्र अनुशीर्षक की आवश्यकता होती है, और तीव्र अनुशीर्षक से कोशिका प्रभार माप में त्रुटियां हो सकती हैं, जिससे उच्च रव प्रबलता स्तर हो सकता है।

एक वृत्ति स्थानान्तरण सीसीडी दोनों समस्याओं का समाधान करता है: इसमें एक परिरक्षित, प्रकाश के प्रति संवेदनशील नहीं, क्षेत्र होता है जिसमें उतनी ही कोशिकाएँ होती हैं जितनी प्रकाश के संपर्क में आने वाला क्षेत्र होता है।। सामान्यतः, यह क्षेत्र एल्यूमीनियम जैसी परावर्तक सामग्री से ढका होता है। जब अनावृत्ति का समय समाप्त हो जाता है, तो कोशिकाओं को बहुत तीव्रता से छिपे हुए क्षेत्र में स्थानांतरित कर दिया जाता है। यहां, किसी भी आने वाली रोशनी से सुरक्षित, कोशिकाओं को किसी भी गति से पढ़ा जा सकता है, जो कोशिकाओं के प्रभार को सही ढंग से मापने के लिए जरूरी है। साथ ही, सीसीडी का खुला हिस्सा फिर से प्रकाश एकत्र कर रहा है, इसलिए लगातार अनावृत्ति के बीच कोई देरी नहीं होती है।

ऐसे सीसीडी की हानि उच्च लागत है: कोशिका क्षेत्र मूल रूप से दोगुना हो जाता है, और अधिक जटिल नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता होती है।

तीव्र प्रभार-युग्मित उपकरण

Main article: प्रतिबिम्ब तीव्रक

एक गहन प्रभार-युग्मित उपकरण (आईसीसीडी) एक सीसीडी है जो सीसीडी के सामने घुड़सवार छवि गहनता से वैकल्पिक रूप से जुड़ा हुआ है।

एक प्रतिबिम्ब तीव्रक में तीन कार्यात्मक तत्व सम्मिलित होते हैं: एक प्रकाशिक ऋणाग्र, एक सूक्ष्म प्रणाल प्लेट (एमसीपी) और एक स्फुर चित्रपट है। इन तीन तत्वों को उल्लिखित क्रम में एक के पीछे एक करके रखा गया है। प्रकाश स्रोत से आने वाले फोटॉन प्रकाशिक ऋणाग्र पर गिरते हैं, जिससे फोटोइलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। प्रकाशिक ऋणाग्र और एमसीपी के बीच लगाए गए विद्युत नियंत्रण वोल्टेज द्वारा फोटोइलेक्ट्रॉनों को एमसीपी की ओर त्वरित किया जाता है। इलेक्ट्रॉनों को एमसीपी के अंदर गुणा किया जाता है और उसके बाद फॉस्फर चित्रपट की ओर त्वरित किया जाता है। फॉस्फोर चित्रपट अंत में गुणा किए गए इलेक्ट्रॉनों को वापस फोटॉनों में परिवर्तित कर देती है जो कि सीसीडी को तंतु प्रकाशिकी या लेंस द्वारा निर्देशित किया जाता है।

एक प्रतिबिम्ब तीव्रक में स्वाभाविक रूप से एक शटर (छायाचित्रण) कार्यक्षमता सम्मिलित होती है: यदि प्रकाशिक ऋणाग्र और एमसीपी के बीच नियंत्रण वोल्टेज उलट दिया जाता है, तो उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रॉन एमसीपी की ओर त्वरित नहीं होते हैं लेकिन प्रकाशिक ऋणाग्र पर वापस आ जाते हैं। इस प्रकार, एमसीपी द्वारा कोई इलेक्ट्रॉन गुणा और उत्सर्जित नहीं होता है, कोई इलेक्ट्रॉन फॉस्फर चित्रपट पर नहीं जा रहा है और छवि गहनता से कोई प्रकाश उत्सर्जित नहीं होता है। इस स्तिथि में सीसीडी पर कोई प्रकाश नहीं पड़ता है, जिसका अर्थ है कि शटर सवृत है। प्रकाशिक ऋणाग्र पर नियंत्रण वोल्टेज को उलटने की प्रक्रिया को अवरोधन कहा जाता है और इसलिए आईसीसीडी को गेटेबल सीसीडी कैमरा भी कहा जाता है।

आईसीसीडी कैमरों की अत्यधिक उच्च संवेदनशीलता के अतिरिक्त, जो एकल फोटॉन का पता लगाने में सक्षम है, इलेक्ट्रॉन-गुणा करने वाले सीसीडी कैमरों पर आईसीसीडी के प्रमुख लाभों में से एक गेटेबिलिटी है। उच्चतम प्रदर्शन करने वाले आईसीसीडी कैमरे शटर समय को 200 पीकोसैकन्ड तक कम करने में सक्षम बनाते हैं।

आईसीसीडी कैमरों की कीमत ईएमसीसीडी कैमरों की तुलना में सामान्य रूप से कुछ अधिक होती है क्योंकि उन्हें महंगे प्रतिबिम्ब तीव्रक की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, ईएमसीसीडी कैमरों को ईएमसीसीडी चिप को 170 K (−103 °C) तापमान के आसपास ठंडा करने के लिए शीतलन प्रणाली की आवश्यकता होती है। यह शीतलन प्रणाली ईएमसीसीडी कैमरे में अतिरिक्त लागत जोड़ती है और प्रायः आवेदन में भारी संघनन की समस्या उत्पन्न करती है।

आईसीसीडी का उपयोग रात्रि दृष्टि उपकरणों और विभिन्न वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में किया जाता है।

इलेक्ट्रॉन-गुणा सीसीडी

इलेक्ट्रॉन-गुणा करने वाले सीसीडी के गुणन पंजिका को बनाने वाले लाभ चरणों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को क्रमिक रूप से स्थानांतरित किया जाता है। इन सीरियल स्थानान्तरण में उपयोग किए जाने वाले उच्च वोल्टेज प्रभाव आयनीकरण के माध्यम से अतिरिक्त प्रभार वाहकों के निर्माण को प्रेरित करते हैं।
एक इलेक्ट्रॉन-गुणा सीसीडी में निविष्ट इलेक्ट्रॉनों की दी गई (निश्चित) संख्या के लिए गुणन पंजिका द्वारा इलेक्ट्रॉनों के निष्पाद की संख्या में फैलाव (भिन्नता) होता है (दाईं ओर किंवदंती में दिखाया गया है)। गुणन पंजिका के अनुकरण के लिए निष्पाद इलेक्ट्रॉनों की संख्या के लिए संभाव्यता वितरण ऊर्ध्वाधर अक्ष पर लघुगणकीय रूप से आलेख किया जाता है। इस पृष्ठ पर दिखाए गए अनुभववाद फिट समीकरण के परिणाम भी दिखाए गए हैं।

एक इलेक्ट्रॉन-गुणक सीसीडी (ईएमसीसीडी, जिसे एल3विज़न सीसीडी के रूप में भी जाना जाता है, ई2वी लिमिटेड., जीबी, एल3सीसीडी या इम्पैक्ट्रोन सीसीडी द्वारा व्यावसायीकृत उत्पाद, टेक्सास उपकरण द्वारा पूर्वकालिक में प्रस्तुत किया गया एक अब-सवृत उत्पाद है) एक प्रभार-युग्मित उपकरण है जिसमें एक वृद्धि पंजिका विस्थापन पंजी और निष्पाद प्रवर्धक के बीच रखा जाता है। लाभ पंजिका बड़ी संख्या में चरणों में विभाजित है। प्रत्येक चरण में, इलेक्ट्रॉनों को एवेलांश डायोड के समान प्रभाव आयनीकरण द्वारा गुणा किया जाता है। पंजिका के प्रत्येक चरण में लाभ की संभावना कम (पी <2%) है, लेकिन चूंकि तत्वों की संख्या बड़ी (एन> 500) है, समग्र लाभ बहुत अधिक () हो सकता है, एकल निविष्ट इलेक्ट्रॉनों के साथ कई हजारों निष्पाद इलेक्ट्रॉन देते हैं। सीसीडी से एक संकेत पढ़ना एक नॉइज़ पृष्ठभूमि देता है, सामान्यतः कुछ इलेक्ट्रॉन हैं। एक ईएमसीसीडी में, यह नॉइज़ एक इलेक्ट्रॉन के स्थान पर कई हजारों इलेक्ट्रॉनों पर आरोपित होता है; उपकरणों का प्राथमिक लाभ इस प्रकार उनका नगण्य अनुशीर्षक नॉइज़ है। फोटो प्रभार के प्रवर्धन के लिए एवेलांश विघटन का उपयोग पहले ही U.S. Patent 3,761,744 1973 में जॉर्ज ई. स्मिथ/बेल द्वारा टेलीफोन प्रयोगशालाओं में वर्णित किया गया था।

ईएमसीसीडी प्रभार-युग्मित उपकरण (आईसीसीडी) के समान संवेदनशीलता दिखाते हैं। हालाँकि, जैसा कि आईसीसीडी के साथ होता है, लाभ जो लाभ पंजिका में लागू किया जाता है वह प्रसंभाव्य है और सटीक लाभ जो पिक्सेल के प्रभार पर लागू किया गया है, उसे जानना असंभव है। उच्च लाभ (> 30) पर, इस अनिश्चितता का संकेत बाधानुपात (एसएनआर) पर उतना ही प्रभाव पड़ता है जितना कि एकता के लाभ के साथ संचालन के संबंध में परिमाण दक्षता (क्यूई) को आधा करना होता है। इस प्रभाव को अतिरिक्त नॉइज़ कारक (ईएनएफ) कहा जाता है। हालांकि, बहुत कम रोशनी के स्तर पर (जहां परिमाण दक्षता सबसे महत्वपूर्ण है), यह माना जा सकता है कि एक पिक्सेल में या तो इलेक्ट्रॉन होता है या नहीं। यह एक ही पिक्सेल में एक ही इलेक्ट्रॉन के रूप में कई इलेक्ट्रॉनों की गिनती के जोखिम पर प्रसंभाव्य गुणन से जुड़े नॉइज़ को हटा देता है। संचालन के इस मोड में संयोग फोटॉनों के कारण एक पिक्सेल में कई गणनाओं से बचने के लिए, उच्च प्रधार दर आवश्यक हैं। लाभ में फैलाव दाईं ओर लेखाचित्र में दिखाया गया है। गुणा रजिस्टरों के लिए कई तत्वों और बड़े लाभ के साथ यह समीकरण द्वारा अच्छी तरह से तैयार किया गया है:

जहां पी एन निष्पाद इलेक्ट्रॉनों को एम निविष्ट इलेक्ट्रॉनों और जी के कुल औसत गुणा पंजिका लाभ प्राप्त करने की संभावना है। बहुत बड़ी संख्या में निविष्ट इलेक्ट्रॉनों के लिए, यह जटिल वितरण प्रकार्य गॉसियन की ओर अभिसरण करता है।

कम लागत और बेहतर समाधान के कारण, ईएमसीसीडी कई अनुप्रयोगों में आईसीसीडी को बदलने में सक्षम हैं। आईसीसीडी का अभी भी यह लाभ है कि उन्हें बहुत तीव्रता से द्वार किया जा सकता है और इस प्रकार वे श्रेणी-द्वार प्रतिबिंबन जैसे अनुप्रयोगों में उपयोगी हैं। ईएमसीसीडी कैमरों को अपरिहार्य रूप से एक शीतलन प्रणाली की आवश्यकता होती है - या तो तापविद्युत् शीतलन या तरल नाइट्रोजन का उपयोग करके - चिप को तापमान की सीमा −65 to −95 °C (−85 to −139 °F) में ठंडा करने के लिए है। यह शीतलन प्रणाली ईएमसीसीडी प्रतिबिंबन प्रणाली में अतिरिक्त लागत जोड़ता है और अनुप्रयोग में संक्षेपण की समस्या उत्पन्न कर सकता है। हालांकि, उच्च अंत ईएमसीसीडी कैमरे एक स्थायी वायुरुद्ध निर्वात तंत्र से लैस हैं, जो संक्षेपण के विषयों से बचने के लिए चिप को सीमित करता है।

ईएमसीसीडी की निम्न-प्रकाश क्षमताएं अन्य क्षेत्रों के साथ-साथ खगोल विज्ञान और जैव चिकित्सा अनुसंधान में उपयोग की जाती हैं। विशेष रूप से, उच्च अनुशीर्षक गति पर उनका कम नॉइज़ उन्हें विभिन्न प्रकार के खगोलीय अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयोगी बनाता है जिसमें कम प्रकाश स्रोत और क्षणिक घटनाएं सम्मिलित हैं जैसे मंद सितारों की सुकृत प्रतिबिंबन, हाई स्पीड फोटॉन गणन प्रकाशमिति, फैब्री-पेरोट स्पेक्ट्रोस्कोपी और उच्च संकल्प स्पेक्ट्रोस्कोपी। हाल ही में, इस प्रकार के सीसीडी प्रीक्लीनिकल प्रतिबिंबन, एकल-अणु प्रतिबिंबन, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, सुपर रेजोल्यूशन सूक्ष्मदर्शिकी के साथ-साथ आधुनिक प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शिकी की तकनीक पारंपरिक सीसीडी और आईसीसीडी की तुलना में कम रोशनी की स्थिति में अधिक एसएनआर के कारण एक विस्तृत विविधता सहित अल्प प्रकाश अनुप्रयोगों में जैव चिकित्सा अनुसंधान के क्षेत्र में टूट गए हैं।

नॉइज़ के संदर्भ में, वाणिज्यिक ईएमसीसीडी कैमरों में सामान्यतः कालद-प्रेरित प्रभार (CIC) और अदीप्त धारा (शीतलन की सीमा पर निर्भर) होते हैं जो एक साथ 0.01 से 1 इलेक्ट्रॉन प्रति पिक्सेल पढ़ने के लिए एक प्रभावी अनुशीर्षक नॉइज़ का नेतृत्व करते हैं। हालांकि, ईएमसीसीडी प्रौद्योगिकी में हाल के सुधारों ने नई जनन के कैमरों को काफी कम सीआईसी, उच्च प्रभार स्थानान्तरण दक्षता और पहले उपलब्ध की तुलना में 5 गुना अधिक ईएम लाभ देने में सक्षम बनाया है। कम रोशनी की पहचान में ये प्रगति प्रति पिक्सेल 0.001 इलेक्ट्रॉनों के एक प्रभावी कुल पृष्ठभूमि नॉइज़ की ओर ले जाती है, किसी भी अन्य कम-प्रकाश प्रतिबिंबन उपकरण द्वारा बेजोड़ नॉइज़ तल है। [25]


खगोल विज्ञान में प्रयोग

स्लोन डिजिटल स्काई सर्वे दूरदर्शक प्रतिबिंबन कैमरे पर इस्तेमाल किए गए 30 सीसीडी की सरणी, अभिप्राय-रेखाचित्रण का एक उदाहरण।

प्रभार-युग्मित उपकरण (सीसीडी) की उच्च परिमाण क्षमता के कारण (आदर्श परिमाण दक्षता 100% है, प्रति घटना फोटॉन एक उत्पन्न इलेक्ट्रॉन), उनके निष्पाद की रैखिकता, फोटोग्राफिक पटटिका की तुलना में उपयोग में आसानी, और कई अन्य कारण लगभग सभी यूवी-टू-अवरक्त अनुप्रयोगों के लिए खगोलविदों द्वारा सीसीडी को बहुत तीव्रता से अपनाया गया था।

ऊष्मीय नॉइज़ और ब्रह्मांडीय किरणें सीसीडी सरणी में पिक्सेल को बदल सकती हैं। इस तरह के प्रभावों का मुकाबला करने के लिए, खगोलविद सीसीडी शटर को सवृत और खोलकर कई जोखिम लेते हैं। यादृच्छिक नॉइज़ को कम करने के लिए सवृत शटर के साथ ली गई छवियों का औसत आवश्यक है। एक बार विकसित होने के बाद, सीसीडी में अदीप्त धारा और अन्य व्यवस्थित दोषों (त्रुटिपूर्ण पिक्सेल, हॉट पिक्सल, आदि) को दूर करने के लिए विवृत-शटर प्रतिरूप से अदीप्त प्रधार व्यवकलन है। नए प्लुतक सीसीडी एक ही एकत्रित प्रभार के साथ कई बार डेटा एकत्र करके नॉइज़ का प्रत्युत्तर करते हैं और इसमें सटीक प्रकाश गहरे द्रव्य खोज और न्युट्रीनो माप में अनुप्रयोग होते हैं। [26][27][28]

हबल अंतरिक्ष सूक्ष्मदर्शी, विशेष रूप से, कच्चे सीसीडी डेटा को उपयोगी छवियों में बदलने के लिए चरणों की एक अत्यधिक विकसित श्रृंखला ("डेटा घटाव पाइपलाइन") है।[29] खगोलफोटोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले सीसीडी कैमरों को प्रायः अधिकांश प्रतिबिंबन प्लेटफॉर्म के जबरदस्त भार के साथ-साथ हवा और अन्य स्रोतों से कंपन से निपटने के लिए शक्तिशाली आलंबन की आवश्यकता होती है। आकाशगंगाओं और नीहारिकाओं का लंबा जोखिम लेने के लिए, कई खगोलविद ऑटो-गाइडिंग नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। प्रतिबिंबन के उपरान्त विचलन की निगरानी के लिए अधिकांश ऑटोगाइडर्स दूसरी सीसीडी चिप का उपयोग करते हैं। यह चिप तीव्रता से अनुवर्तन में त्रुटियों का पता लगा सकती है और आलंबन प्रेरक को उनके लिए सही करने का आदेश दे सकती है।

सीसीडी का एक असामान्य खगोलीय अनुप्रयोग, जिसे अभिप्राय-रेखाचित्रण कहा जाता है, एक सीसीडी का उपयोग एक निश्चित दूरदर्शक को एक अनुवर्तन दूरदर्शक की तरह व्यवहार करने और आकाश की गति का पालन करने के लिए करता है। सीसीडी में आवेश आकाश की गति के समानान्तर और उसी गति से एक दिशा में स्थानांतरित और पढ़े जाते हैं। इस तरह, दूरदर्शक अपने सामान्य दृश्य क्षेत्र की तुलना में आकाश के एक बड़े क्षेत्र की छवि बना सकता है। स्लोन डिजिटल खगोल सर्वेक्षण इसका सबसे प्रसिद्ध उदाहरण है, इस तकनीक का उपयोग करके आकाश के एक चौथाई से अधिक का सर्वेक्षण तैयार किया जाता है।

इमेजर्स के अतिरिक्त, सीसीडी का उपयोग वर्णक्रममापी और व्यतिकरणमापी के प्रकारों की सूची सहित विश्लेषणात्मक उपकरणों की एक श्रृंखला में भी किया जाता है। [30] [31]


रंगीन कैमरे

एक सीसीडी पर एक बायर निस्यंदक
240 लाइन सोनी सीसीडी पीएएल कैमकॉर्डर सीसीडी संवेदक पर आरजीजीबी बायर फ़िल्टर का x80 माइक्रोस्कोप दृश्य

डिजिटल रंगीन कैमरे सामान्यतः सीसीडी पर बायर निस्यंदक का उपयोग करते हैं। चार पिक्सेल के प्रत्येक वर्ग में एक निस्यंदित लाल, एक नीला और दो हरा होता है (मानव आँख लाल या नीले रंग की तुलना में हरे रंग के प्रति अधिक संवेदनशील होती है)। इसका परिणाम यह होता है कि प्रत्येक पिक्सेल पर दीप्ति की जानकारी एकत्र की जाती है, लेकिन रंग विश्लेषण ज्योतिर्मयता विश्लेषण से कम होता है।

तीन-सीसीडी उपकरणों (3सीसीडी) और एक द्विवर्णी वर्णक्रम द्वारा बेहतर रंग पृथक्करण प्राप्त किया जा सकता है, जो छवि को लाल, हरे और नीले घटकों में विभाजित करता है। तीन सीसीडी में से प्रत्येक को एक विशेष रंग का जवाब देने के लिए व्यवस्थित किया गया है। कई व्यावसायिक वीडियो कैमरा कैमकोर्डर, और कुछ अर्ध-व्यावसायिक कैमकोर्डर, इस तकनीक का उपयोग करते हैं, हालांकि प्रतिस्पर्धी सीएमओएस प्रौद्योगिकी के विकास ने किरणपुंज विपाटक और बायर निस्यंदक दोनों के साथ सीएमओएस संवेदक बनाए हैं, जो उच्च अंत वीडियो और डिजिटल सिनेमा कैमरों में तीव्रता से लोकप्रिय हैं। बायर प्रच्छद उपकरण पर 3सीसीडी का एक अन्य लाभ उच्च परिमाण दक्षता (उच्च प्रकाश संवेदनशीलता) है, क्योंकि लेंस से अधिकांश प्रकाश सिलिकॉन संवेदक में से एक में प्रवेश करता है, जबकि बायर प्रच्छद एक उच्च अनुपात (2/3 से अधिक) को अवशोषित करता है। प्रकाश प्रत्येक पिक्सेल स्थान पर गिर रहा है।

अभी भी दृश्यों के लिए, उदाहरण के लिए सूक्ष्मदर्शिकी में, बायर प्रच्छद उपकरण के विश्लेषण को माइक्रोस्कैनिंग तकनीक द्वारा बढ़ाया जा सकता है। रंग सह-स्थल प्रतिदर्श की प्रक्रिया के उपरान्त, दृश्य के कई प्रधार तैयार किए जाते हैं। संकलन के बीच, संवेदक को पिक्सेल आयामों में ले जाया जाता है, जिससे कि दृश्य क्षेत्र में प्रत्येक बिंदु को प्रच्छद के तत्वों द्वारा लगातार प्राप्त किया जाता है जो इसके रंग के लाल, हरे और नीले घटकों के प्रति संवेदनशील होते हैं। आखिरकार छवि में प्रत्येक पिक्सेल को प्रत्येक रंग में कम से कम एक बार क्रमवीक्षण किया गया है और तीन प्रणालों का विश्लेषण बराबर हो गया है (लाल और नीले प्रणालों का विश्लेषण चौगुना हो गया है जबकि ग्रीन प्रणाल दोगुना हो गया है)।

संवेदक आकार

Main article: छवि संवेदक प्रारूप

संवेदक (सीसीडी / सीएमओएस) विभिन्न आकारों, या छवि संवेदक प्रारूपों में आते हैं। इन आकारों को प्रायः एक इंच अंश पदनाम के साथ संदर्भित किया जाता है जैसे कि 1/1.8″ या 2/3″ जिसे प्रकाशिक प्रारूप कहा जाता है। यह माप 1950 के दशक और वीडियो कैमरा तुबे के समय में वापस आता है।

विलेपन

लंबवत आलेपन

जब एक सीसीडी अनावृत्ति काफी लंबा होता है, तो अंततः इलेक्ट्रॉन जो छवि के सबसे चमकीले हिस्से में डिब्बे में इकट्ठा होते हैं, बिन को अधिप्रवाह कर देंगे, जिसके परिणामस्वरूप विलेपन होगा। सीसीडी की संरचना इलेक्ट्रॉनों को एक दिशा में दूसरे की तुलना में अधिक आसानी से प्रवाहित करने की अनुमति देती है, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्ध्वाधर लकीरें होती हैं। [32][33][34]

कुछ प्रति-विलेपन विशेषताएं जिन्हें सीसीडी में बनाया जा सकता है, निकासन संरचना के लिए कुछ पिक्सेल क्षेत्र का उपयोग करके प्रकाश की संवेदनशीलता को कम कर देती हैं। [35] जेम्स एम अर्ली ने एक ऊर्ध्वाधर प्रति-विलेपन निकासन विकसित किया जो प्रकाश संग्रह क्षेत्र से अलग नहीं होगा, और इसलिए प्रकाश संवेदनशीलता को कम नहीं किया।

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

urnal Article On Basics of CCDs

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