Lādiņa saites matricu veido liels skaits regulāri izkārtotu gaismas jutīgu elementu (pikseļu), kuros krītošās gaismas enerģija tiek pārveidota elektriskā signālā, uzkrāta un nolasīta. Lādiņa saites matricas fizikālos darbības principus skaidro pusvadītāju fizika.
Saistītie šķirkļi
Lādiņa saites matrica digitālajā kamerā.
Satura rādītājs
Iedalījums, struktūra
Lādiņa saites matricas var iedalīt dažādās kategorijās pēc to konstrukcijas un darbības parametriem – sensora izmēra (matricas ģeometriskā izmēra vai pikseļu skaita), kvantu efektivitātes (gaismas pārveidošanai elektriskajā signālā), spektrālā jutības reģiona, gaismas fokusēšanas sistēmas, ātrdarbības, signāla pret trokšņa attiecības, cenas un citiem. Ņemot vērā šos parametrus, var piemeklēt lādiņa saites matricu, kas nodrošina konkrētajam pielietojumam nepieciešamo funkcionalitāti.
Izgudrošanas un attīstības vēsture
Lādiņa saites matricu 1969. gadā izgudroja AT&T Bella laboratorijas fiziķi – kanādietis Vilārds Boils (Willard Sterling Boyle) un amerikānis Džordžs Smits (George Elwood Smith). Sākotnēji bija iecerēts, ka ierīci varētu izmantot kā atmiņas ierīci. Pirmo patentu par lādiņa saites matricas pielietošanu attēla uzņemšanai 1971. gadā piešķīra britu izcelsmes izgudrotājam Maiklam Tompsetam (Michael Francis Tompsett). Izgudrojuma komercializēšanai pievērsās vairākas augsto tehnoloģiju kompānijas (Fairchild Semiconductor, RCA, Texas Instruments un citas). Eastman Kodak elektrotehnikas inženieris Stīvens Sasons (Steven Sasson) 1975. gadā izveidoja pirmo digitālo fotoaparātu. Kameras masa bija 3,6 kilogrami, un par gaismas detektoru kalpoja 100x100 pikseļu (0,01 megapikseļa) Fairchild izstrādāts lādiņa saites matricas sensors. Lielus līdzekļus lādiņa saites matricas ieviešanai videokamerās 20. gs. 80. gados investēja Sony.
Lādiņa saites matricas ir daudzu mūsdienu elektronikas ierīču neatņemama sastāvdaļa. Par lādiņa saites matricas koncepcijas izstrādāšanu V. Boilam un Dž. Smitam 2009. gadā piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Nobela prēmijas laureāti Vilārds Boils (no kreisās) un Džordžs Smits ar savu radīto lādiņa saites matricu. ASV, 1974. gads.
Ierīces raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi
Lādiņa saites matricu veido liels skaits regulāri izkārtotu gaismas jutīgu metāla oksīda pusvadītāja (metal oxide semiconductor, MOS) elementu, kas pilda fotodiodes funkciju. Līdzīgi kā Saules šūnā, fotodiodes p-n pārejas apgabalā krītošo fotonu rezultātā tiek ģenerēti lādiņnesēji (elektroni vai caurumi). Katrs matricas pikselis reizē kalpo kā potenciāla bedre un uzkrāj lādiņnesējus proporcionāli krītošās gaismas intensitātei. Informācijas nolasīšanas laikā, variējot kondensatoriem pieliktos spriegumus, uzkrātais lādiņš tiek pārvirzīts no vienas elementu rindas uz nākamo. Pēdējās rindas pikseļu uzkrātais lādiņš tiek pa vienam pārvērsts sprieguma vērtībā, pastiprināts un nolasīts. Process tiek atkārtots visām matricas rindām, pikseļos uzkrātā informācija tiek pārvērsta spriegumu vērtībās, digitalizēta un saglabāta atmiņas ierīcē.
Uzkrātā lādiņa nolasīšana lādiņa saites matricā.
Lai ierakstītu informāciju par objekta krāsu, var izmantot dažādas pieejas. Visplašāk izmantotā metode krāsu informācijas kodēšanai ir dažādu filtru izmantošana. Alternatīva metode ir izmantot trīs lādiņa saites matricu kombināciju, kur katra no matricām ir optimizēta konkrētas krāsas intensitātes uztveršanai. Pirmā metode ir vienkāršāka un lētāka, taču tai ir lielāki zudumi, jo filtros tiek absorbēta daļa no krītošā starojuma.
Nozīmīga ir arī CMOS (complementary metal oxide semiconductor) jeb komplementārā metālu oksīdu pusvadītāju tehnoloģija. Atšķirībā no lādiņa saites matricas, CMOS sensoriem katram pikselim ir atsevišķa elektronika uzkrātā signāla nolasīšanai, kas padara ierīces ātrdarbīgākas, turklāt ražošanas izmaksas ir mazākas. Līdz ar to CMOS sensori mūsdienās tiek pārsvarā lietoti ikdienas elektronikas ierīcēs, kamēr lādiņa saites matricas – profesionālajās attēlveidošanas ierīcēs, kā arī zinātnes mērķiem.
Lādiņa saites matricas pamatelementu struktūras shēma.
Ierīces pielietojumi zinātnē, pētniecībā
Daudzos zinātnes eksperimentos tiek izmantots elektromagnētiskais starojums un pētīta tā mijiedarbība ar vielu. Viens no svarīgākajiem tehniskajiem aspektiem iegūto rezultātu ticamībai ir pēc iespējas precīzāka starojuma detektēšana. Lādiņa saites matricas ir piemēroti elektromagnētiskā starojuma detektori no ultravioletā līdz infrasarkanajam spektra diapazonam. Lādiņa saites matricas izmanto dažādu veidu sensoros, mikroskopos, spektrometros un citās ierīcēs. Nozīmīgs ir lādiņa saites matricas pielietojums astronomijā, kur vāju signālu uztveršanai svarīgi ir detektēt katru fotonu. Pateicoties lādiņa saites matricu augstajai kvantu efektivitātei, tas ir viens no izplatītākajiem teleskopos izmantoto sensoru veidiem.
Ierīces pielietojumi tautsaimniecībā, ražošanā
Lādiņa saites matricas tiek izmantotas kā gaismas detektori daudzās ikdienā lietojamās elektronikas ierīcēs – digitālajās fotokamerās, videokamerās, faksa aparātos, skeneros un citur.
Nozīmīgākie ražotāji
Lādiņa saites matricu sensorus ražo Sony, Hamamatsu, Teledyne e2v. Mūsdienās uzņēmumi vairāk koncentrējas CMOS sensoru ražošanā.
Mūsdienu atklājumi, problemātika
Digitālās attēlveidošanas pieejamības veicināšanai ikdienas pielietojumiem tiek aktīvi pētīta un uzlabota lādiņa saites matricas alternatīvā tehnoloģija gaismas detektēšanai – CMOS. Turpinoties tālākiem uzlabojumiem reģistrēto signālu kvalitātē, varētu sagaidīt, ka CMOS sensori kļūst par dominējošu tehnoloģiju arī augstas veiktspējas pielietojumos.
Aktuāli pētījumi norisinās ierīču izveidē atsevišķu fotonu detektēšanai istabas temperatūrā. 2017. gadā zinātniskajā žurnālā Optica publicētā rakstā aplūkota daudzsološas sensora tehnoloģijas – kvantu attēla sensora (quanta image sensor) – koncepcija.
Multivide
Lādiņa saites matrica digitālajā kamerā.
Nobela prēmijas laureāti Vilārds Boils (no kreisās) un Džordžs Smits ar savu radīto lādiņa saites matricu. ASV, 1974. gads.
Uzkrātā lādiņa nolasīšana lādiņa saites matricā.
Lādiņa saites matricas pamatelementu struktūras shēma.