دستگاه بارجفت‌شده

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 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.

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.

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.

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.

CCD-Colorsensor.

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.

• ویکی‌پدیای انگلیسی، نسخهٔ ۱۲ مارس ۲۰۰۷.

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ دستگاه بارجفت‌شده موجود است.