جهاز اقتران الشحنة: الفرق بين النسختين

'''جهاز اقتران الشحنات''' (Charge-Coupled-Device والذي يرمز له اختصاراً '''CCD''' ويعرف أحيانا باسم '''مجس سي سي دي''') هو أسهل أنواع [[مكشاف ضوئي|المكشافات الضوئية]] صنعاً , وله حساسية ضوئية أفضل عن منتجات أخرى ([[موسفت|كالموسفت]]) , ولكن بسبب حساسيته تنتقل الشحنة الكهربية خلاله بطيئا نسبياً. اخترعه العالم [[جورج سميث]] و [[ويلارد بويل]] في [[مختبرات بل]] عام 1969 (بسببها حازا على [[جائزة نوبل للفيزياء]] عام 2009). .<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/index.html The Nobel Prize in Physics 2009] (engl.)</ref>وقد استخدم بسرعة في الدراسات الفلكية , وفي [[استشعار عن بعد |الاستشعار عن بعد ]] بواسطة [[قمر صناعي|الأقمار الصناعية]] ، كما عم الاستخدام في [[كاميرا رقمية|الكاميرات الرقمية]].

يتكون مجس سي سي دي للتصوير من مصفوف من [[ثنائي ضوئي]] . و من الممكن أن تكون مربعات أو مستطيلات الشكل ، يبلغ طول كل منها من 4و1 [[ميكرومتر]] إلى 20 ميكرومتر . وكلما زادت مساحة [[بكسل|البكسل]] كلما زادت حساسيته للضوء ودينامية مجس السي سي دي ، ولكن مساحات البكسل الكبيرة تقلل من [[تباين]] الصورة (يقل وضوح الصورة إذا كان عدد البكسل فيها قليل ).

معظم السي سي دي لها بنية مكونة من [[بنية معدن-عازل-شبه موصل]]: توجد على شبه الموصل [[تشويب|المشوب ]] طبقة عازلة وتغطيها طبقة من موصل كهربائي شفاف (أقطاب). توجد بين البكسل والبكسل توصيلات لنقل الشحنات .

ينقل الضوء الساقط عن طريق [[تأثير كهرضوئي| التأثير الكهرضوئي الداخلي]] طاقته إلى الإلكترونات في شبه الموصل. وتنشأ تحت هذا التأثير إلكترونات حرة (سالبة) و [[فجوات]] موجبة الشحنة ، وتبقى معزولة عن بعضها البعض تحت تأثير جهد كهربائي يمنعها من الاتحاد . ولكن لا تمر الشحنات إلى الخارج في الحال كما هو في [[ثنائي ضوئي]] وإنما تتجمع في خلية تخزين فيما يسمى [[تقييد كمومي| بئر جهد ]] ، وهذا يعمل على تخزين الشحنات مثل عمل [[مكثف|لمكثف]].

ويتناسب عدد الشحنات مع كمية الضوء الساقطة على السي سي دي عندما تبدأ قراءة المخزون ، قبل أن يصلها جهد محو الثنائي الضوئي لمحوها.

بعد تمام التصوير تنتقل الشحنات الواحدة تلو الأخرى كالسلسلة إلى مضخم إلكتروني يقوم بقراءتها . تتكون نبضات كهربية تتناسب في جهدها مع عدد الشحنات وبالتالي تتناسب مع كمية الضوء التي سقطت على وحدات المجس.

نبضات الجهد الخارجة من المجس تكون متتالية . أي أن شحنة كل بكسل تخرج متتالية ، بينما التقطت الصورة في نفس الوقت حيث سجلت جميع البكسلات الضوء الساقط عليها . في حالة سي سي دي في كاميرا فيديو تقوم البكسلات بتسجيل نصف صور (أولا تسجيل الأسطر الإزدواجية ثم الأسطر الفردية ) . ولكن لجميع التطبيقات الاخرى فتتبع طريقة مسح السي سي دي على التوالي طبقا لتتالي البكسلات الطبيعي .

== نقل الشحنات ==

* سي سي دي ناقل الصورةأسطر جانبية ( FrameInterline-Transfer (FT,IT ،

[[ملف:CCD types schematic.png|thumb |left| 210px|hochkant=0.7|أنواع السي سي دي .<br />L – بكسل حساس للضوء,<br />T – مصفوف نقل الشحنات,<br />A – مضخم النبضات .]]

ونظرا لأن مجس الس سي دي ذو الغالق الميكانيكي يستغل كل مساحة الشريحة Chip لتسجيل كل بيانات الصورة ، فإن ذلك المجس يسمى "سي سي سي كامل الصورة " Full Frame Transfer CCD .

تستخدم المجسات التي تعمل بتلك الطريقة في [[رصد الفضاء|الرصد الفلكي ]] و في التجارب العلمية ، إلا أن طريقة الإغلاق الميكانيكي يتعرض أحيانا إلى الاختلال .

ويطلق التعبير سي سي دي كامل الصورة ليس فقط على البنية الداخلية لمجس سي سي دي وإنما كذلك على سي سي دي بمساحة 36&nbsp;mm&nbsp;×&nbsp;24&nbsp;mm, وهي نفس مساحة صور أفلام الكاميرات المعتادة . ولكننا نعني في هذه المقالة البنية الداخلية للمجس وطريقة قراءة نبضات الصورة .

بعد التقاط الصورة مباشرة ، تنتقل إلي منطقة مظلمة من شريحة السي سي دي . وتتم بعد ذلك قراءة الصورة المسجلة سطرا ة تلو السطر . لذلك يجب أن يكون زمن نقل أو إزاحة الصورة أقصر كثيرا من وقت التقاط الصورة حتى لا يحدث خلط بين نبضات الصورة الأولى مع الصورة التالية.

لهذا تكون مجسات سي سي دي نقل الصورة التي لا تستخدم لغالق ميكانيكي غير صالحة للتصوير بزمن التقاط الصورة قصير . وفي العادة تبنى كاميرات الفيديو للمحترفين وفيها غالق دوّار يقوم بالإغلاق دوريا .

ونظرا لاحتياج مساحة ومكان إضافي في الكاميرا للمكان المظلم للمجس فإن المجس FT-CCD يحوي خلايا (أبار الجهد) تعادل ضعف عدد نقاط الصورة وبالتالي فهو يكون في حجمه أيضا ضعف مساحة الصورة .

=== سي سي دي ناقل الأسطر الجانبية ===

في نوع سي سي دي ناقل الاسطر الجانبية IT-CCD يزاح كل بكسل جانبيا إلى خلية تخزين جانبية مغطاة (مظلمة ) ، وتتم تلك العملية لجميع البكسلات في نفس الوقت.

تنتقل أولا الشحنات إلى الصفوف المظلمة (فيما يسمى "مصفوف النقل ") ومنه إلى المضخم والقاريء . وإذا استخدم غالق ميكانيكي فيمكن ضبط وقت التقات الصورة إلكترونيا خلال تفريغ البكسلات بعد التقاط صورة إلى مصفوف النقل . بذلك يصبح من الممكن التصوير خلال أوقات قصيرة جدا لالتقاط الصور .

تستغرق قراءة النبضات في IT-CCDs وقتا أطول بالمقارنة بس يس دي ناقل الصورة ، حيث تبقى الشحنات وقتا أطول في خلاليا التخزين الموجودة بجانب البكسلات الحساسة للضوء . ومع ان خلايا التخزين تكون مغطاة ولكنها تكون أيضا لا زالت حساسة للضوء . ويمكن عن طريق [[تشتت الضوء]] أن تصل [[فوتون|فوتونات ]]ات إلى خلايا التخزين ، وتثير فيه شحنات مشوشرة . ومنها ينشأ "سيحان النقاط " ويضعف [[تباين]] الصورة .

[[ملف:CFA Pattern fuer quadratische und rechteckige Pixel.png|thumb |left |270px| توزيعات مختلفة تستخدم لتكوين شريحة ملونة لسي سي دي . ]]

=== مجس باير ===

يستخدم مجس باير ذو شريحة واحدة في كاميرا الفيديو وتباع بأسعار مختلفة ( مقاس 1/4 بوصة لكاميرات الهواة حتى مقاس 36&nbsp;mm&nbsp;×&nbsp;20&nbsp;mm للهواة والمحترفين ) . وبالإضافة إلى ذلك فهو يستخدم في جميع أنواع ألات التصوير ومن ضمنها الهاتف المحمول.

== تطبيقات ==

[[ملف:Ccd-sensor.jpg|thumb |left |220px| مجس CCD ألوان لكاميرا و لوحة توصيلات مرنة .]]

تستخدم مجسات سي سي دي في التقاط صور في نطاق [[الضوء المرئي]] وكذلك في نطاقات [[الأشعة تحت الحمراء]] و [[الأشعة فوق البنفسجية]] و كذلك [[الأشعة السينية|للأشعة السينية]]. كل نوع حساس لأحدى تلك النطاقات . بذلك اتسعت استخدامات [[طيف ]] [[موجة كهرومغناطيسية|الموجات الكهرومغناطيسية]] ما بين 1و0 [[سوابق SI|بيكو ]] متر إلى نحو 1100 [[نانومتر]] . وتتحدد تلك طول الموجة الطويلة بسبب مال لدي [[شبه الموصل ]] من مسافة بين نطاقات طاقته (نحو 1و1 [[إلكترون فولط]] للسليكون و 66و0 إلكترون فولت للجرمانيوم ) .

لذلك يكثر استخدامها في البحث العلمي وفي التقنية . وبصفة خاصة تستخدم في [[رصد فلكي|الرصد الفلكي ]]

وتغلب على الطريقة القديمة للرصد بواسطة [[لوح فوتغرافي|الألواح الفوتوغرافية ]] ، حيث تتميز بحساسية عالية وتستطيع تصوير أجرام ضعيفة اللمعان .

=== سي سي دي و سيموس ===

تستخدم منذ عام 2009 في التصوير مجسات سيموس (وهي مجسات بكسل نشط) إلى جانب مجسات سي سي دي . ولكن بعد تحسن صناعة وأداء السيموس فقد تفوق على السي سي دي في مجال الكاميرات الرقمية ذات المرآة العاكسة .

وتطهر هنا ميزات السيموس مع تساوي جودة الصور فهو يقوم بقراءة النبضات وشوشرة أقل . لا تزال السي سي دي يستخدم في الكاميرات المتوسطة الحجم ذات [[تباين ]] عالي (40 ميجا بكسل وأكثر) حيث تطهر فيها إمكانياتها الخاصة. كما تستخدم معظم الكاميرات الرقمية الصغيرة مجسات سي سي دي ، ولا تزيد أسعارها عن 700 [[دولار أمريكي]].

* [[مقحل حقلي حساس للإشعاع]]

* [[مقحل]]

* [[مقحل حقلي موصول]]