CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

APSTRAKT

Čarls Kuen Kao, Viljard S. Bojl i Džordž E. Smit dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za 2009. godinu za revolucionarna otkrića prenosa svetlosti kroz optička vlakna i interakciju sa poluprovodnicima. Prema saopštenju Nobelovog komiteta za fiziku Švedske kraljevske akademije nauka, priznanje je dodeljeno za dve revolucionarne optičke tehnologije koje su odigrale, svaka za sebe, ključnu ulogu u informatičkoj revoluciji. Doprinos koji je Kao dao tehnologiji proizvodnje ultračistih optičkih vlakana omogućio je realizaciju globalne optičke telekomunikacione mreže. Otkriće do koga su došli Bojl i Smit, CCD senzor, osnovna je komponenta praktično svakog digitalnog fotoaparata i kamere. Njegova masovna primena unela je vizuelnu komponentu multimedijalnog sveta u svaki dom i pomerila granice performansi naučne instrumentacije. Članak razmatra tehnološke osnove na kojima su budući nobelovci konstruisali prvi CCD i prikazuje jednu praktičnu primenu CCD tehnologije u industriji, u čast velikom priznanju koje su doneli u okrilje optoelektronike.

1. UVOD

Detektori sa prelivanjem naelektrisanja (Charge-Coupled Devices - CCD) su danas dominantno rešenje za elektronsku akviziciju slike, pokrivajući praktično sve aplikacije, od komercijalnih preko naučno-istraživačkih do vojnih i aplikacija posebne namene. Prošle su četiri decenije od daleke 1969. godine kada su dva američka fizičara, Viljard S. Bojl i Džordž E. Smit, radeći u Belovim laboratorijama (Bell Laboratories), osmislili i napravili prvi prototip CCD-a. Treba napomenuti da motiv za istraživanje nije bio povezan sa današnjom primenom CCD-a. Rukovodstvo firme tražilo je da Bojl, tadašnji direktor Laboratorije za razvoj poluprovodničkih naprava, razvije poluprovodnički ekvivalent magnetskim memorijama koje su tada bile anticipirane kao tehnologija budućnosti [1]. Suočeni sa potencijalnim uskraćivanjem razvojnog fonda, Bojl i Smit su prihvatili izazov i krenuli u istraživanje tehnološkim pravcem koji je tih godina bio velika nada poluprovodničke industrije – pravcem integrisanih kola na bazi MOS tranzistora. Poluprovodnički ekvivalent nosiocu informacije u magnetskim memorijama je naelektrisanje, koje se može zadržati u MOS strukturi u režimu osiromašenja. MOS tranzistor je i danas jedna od najmanjih struktura u integrisanoj tehnici, što znači da bi ovakva memorija imala potencijalno veliki kapacitet uz malo zauzeće površine integrisanog kola. Kada je problem kapaciteta razrešen, preostalo je još da se razreši drugi od dva velika problema u svakom memorijskom uređaju – adresiranje. Iščitavanje količine naelektrisanja u MOS kondenzatoru merenjem napona na elektrodi zahtevalo bi puno veza unutar kola što bi ograničilo potencijalno veliki kapacitet. Naučni radovi i patenti iz konstruisanja analognih šift registara koji prenose naelektrisanje između MOS tranzistora dali su im ideju kako da razreše ovaj problem [2]. Umesto kontinualnog prelivanja elektrona preko MOS struktura, tvorci CCD-a su se opredelili da naelektrisanja prebacuju diskretno, po fazama, čime se postižu zanemarljivi gubici u prenosu. Prvi prototip konstruisan na bazi ovog koncepta demonstrirao je ispravnost ideje i njenu primenljivost u proizvodnji memorijskih uređaja.

Paralelno sa ovim istraživanjima tekao je i razvoj poluprovodničkog senzora slike za potrebe video telefona, kao novog korisničkog servisa firme AT&T, velikog provajdera telefonskih usluga i vlasnika laboratorije gde su radili Bojl i Smit. Prvi koncept video telefona zasnivao se na tada dostupnoj vidikon kameri koja je bila lako lomljiva i imala je kratak vek eksploatacije. U drugoj fazi, fotoaktivna površina antimon sulfida u vidikon cevi zamenjena je nizom fotodioda kod kojih se u zoni osiromašenja pn spoja javlja unutrašnji fotoefekat. Shvativši da CCD struktura može obaviti i ovaj zadatak, dva naučnika su objedinila prednosti CCD tehnologije kao memorijskog elementa i njene sposobnosti da posedovanjem zone osiromašenja detektuje fotone isto kao i fotodioda. Konstruisan je prvi prototip kamere kod koje je aktivna detektorska površina realizovana kao CCD struktura (Slika 1.).

Slika 1. Prototip prve CCD kamere za videotelefonski sistem

Dalji razvoj CCD uređaja preselio se prvo u kompaniju Ferčajld (Fairchild) gde su 1974. godine konstruisani linearni CCD senzori sa 500 elemenata i 2D senzor rezolucije 100 x 100 tačaka. Dodatna velika finansijska ulaganja, ogroman istraživački trud koji je uložen u razvoj tehnologije kao i popravljanje performansi i integraciju CCD senzora sa elektronskim sistemima za akviziciju i snimanje slike, na svojim plećima je iznela kompanija Sony. Investicija je urodila plodom, jer je 1980. godine Sony na tržište plasirao prvu komercijalnu kolor CCD video kameru posle koje su usledili i CCD fotoaparati. Implementacija fleš tehnologije i optičkih medija kao masovne memorije, zaokružila je ciklus razvoja omogućivši eksploziju ponude digitalnih kamera i fotoaparata na savremenom tržištu.

2.PRINCIP RADA

Osnovni gradivni element CCD matrice je MOS kondenzator, poluprovodnička struktura (Slika 2.) konstruisana epitaksijalnim narastanjem ili jonskom implantacijom tankog (0,1 μm do 0,3 μm) kanala n tipa na podlogu p tipa debljine oko 700 μm [3]. Izolovanje ovog poluprovodničkog spoja od kontrolne elektrode (gejt) obavlja sloj silicijum dioksida koji sa gornje strane ograničava protok elektrona. Kontrolne elektrode prave se depozicijom polikristalnog silicijuma koji je transparentan u većem delu vidljivog spektra, pošto kroz njega moraju proći incidentni fotoni do zone osiromašenja. Pozitivna polarizacija gejta odbija šupljine ka supstratu, formirajući zonu osiromašenja između n kanala i p supstrata (nije prikazano na Slici 2.).

Slika 2. Struktura CCD senzora

Unutrašnji fotoefekat se odvija u zoni osiromašenja gde incidentni fotoni generišu parove elektron-šupljina koji se razdvajaju pod dejstvom prisutnog električnog polja. Između prostora ispod elektroda koje nisu polarizovane i polarizovanog gejta javlja se potencijalna barijera koja sprečava elektrone da napuste potencijalnu jamu. Na taj način, elektroni nastali fotoefektom ostaju zarobljeni unutar potencijalne jame, slično naelektrisanju unutar polarizovanog kondenzatora.

Broj elektrona u jami direktno je proporcionalan iradijansi optičkog zračenja kojem je površina polarizovanog gejta bila izložena. CCD struktura je kontinualna, samo geometrija gejta određuje zone u kojima dolazi do unutrašnjeg fotoefekta, što znači da je dimenzija piksela određena gejtom. Kako se poluprovodničke komponente proizvode standardno u planarnom procesu na velikoj površini, lako je moguće konstruisati 2D CCD senzor slike ređanjem gejtova u matrice. Na taj način se vrši prostorna diskretizacija optičkog zračenja na piksele čija je dimenzija, kod savremenih senzora, ušla u zonu ispod 10 μm.

Pogodnosti koje CCD struktura pruža kao elektronski detektor optičkog zračenja beskorisne su ako se ukupna količina naelektrisanja u jami ne može „prebrojati“ kako bi se ustanovio nivo radijanse na svakom pikselu. Ispostavlja se da CCD struktura poseduje ugrađeni mehanizam koji omogućava iščitavanje sadržaja jame serijskim postupkom [4]. Elektroni (simbol e^-) koji su nastali unutrašnjim fotoefektom u trenutku t₁ zadržani su u jami ispod gejta P1, kako je prikazano na Slici 3.

Elektroni se mogu prebaciti iz potencijalne jame ispod polarizovanog gejta u prostor ispod susednog gejta formiranjem njegove potencijalne jame. Izjednačavanjem potencijala polarizacije dva gejta (trenutak t₂), a potom pozitivnom polarizacijom gejta P2 (trenutak t₃), elektroni se mogu prebaciti iz jame ispod P1 u jamu ispod P2. Proces formiranja jame ispod susedne elektrode, i prebacivanja elektrona iz jame u jamu u potpunosti se kontroliše elektronskim putem, naponima na elektrodama.

Slika 3.Tehnika prenosa fotogenerisanog naelektrisanja

Elektronska kontrola procesa adresiranja digitalnim logičkim kolima omogućava kontrolu vremena toka prenosa čime se otvara nova mogućnost – elektronska ekspozicija. Svakom fotoosetljivom elementu pridružen je još jedan čiji gejt nije optički transparentan. Vreme ekspozicije se kontroliše prelivanjem optički generisanih elektrona ispod transparentnog gejta u jamu ispod njegovog neprovidnog parnjaka. Dok se sadržaj ispod neprovidnog gejta iščitava serijskim postupkom, providan gejt može ponovo biti eksponiran i vršiti akviziciju slike. Na ovaj način se veoma precizno može kontrolisati vreme ekspozicije bez gubitka vremena za prenos, čime se održava maksimalna brzina akvizicije slike. Elektronska ekspozicija superiorna je u odnosu na mehaničke metode i tipično omogućava mikrosekundne vrednosti vremena ekspozicije slike, dok posebno konstruisane kamere dosežu i nanosekundne vrednosti.

Sa druge strane skale ekspozicije, u zoni trajanja od nekoliko sati, hlađenje CCD kamere omogućava snimanje objekata vrlo niskog nivoa svetljenja. Ovakvi objekti sporo generišu fotoelektrone u jami. Spuštanjem radne temperature smanjuje se inherentni termički šum detektora a time i broj termički generisanih elektrona, a eksponiranje u velikom vremenskom intervalu omogućava veliki broj fotogenerisanih elektrona. Na taj način se dobijaju izuzetne slike astronomskih objekata, kao na primer na Slici 4, iz koje se jasno vide prednosti CCD senzora u odnosu na fotografski film. Dodatno, pre svakog snimanja može se eksponirati tzv. „prazan“ ili „mračni“ snimak, kada je CCD prekriven blendom. Tako dobijena slika sadrži informaciju o termički generisanim elektronima u jami koji se razlikuju od piksela do piksela. Ovaj nivo elektrona zapravo predstavlja crnu boju, i digitalno se oduzima od predmetne slike, pa se na taj način poništava efekat neuniformnosti piksela. CCD senzor se može eksponirati i uniformnim belim svetlom i tako dobijena slika može se koristiti za eliminaciju različite detektivnosti svakog pojedinog piksela kroz digitalnu obradu slike. Ovakve digitalne tehnike obrade slike koje su moguće akvizicijom slike preko CCD senzora, otvaraju potpuno novu dimenziju u primeni slike i fotografije kao instrumentacione metode.

Slika 4. Snimak dela svemira dobijen klasičnim fotografskim postupkom (levo) i CCD senzorom (desno)

Za naučna istraživanja je važna činjenica da detektor ispoljava i dobra spektralna svojstva. CCD senzor ima sličnu spektralnu karakteristiku kao i poluprovodničke diode, dobru detektivnost u vidljivom delu spektra, ali i u infracrvenoj i ultraljubičastoj zoni (Slika 5, preuzeto iz [5]).

Slika 5. Spektralna karakteristika CCD senzora

Popravljanje spektralne karakteristike kod CCD senzora postiže se primenom posebnih tehnika osvetljavanja aktivnih elemenata. Kod CCD senzora sa pozadinskim osvetljenjem (back-illuminated), moguće je proširiti IC i UV zone nanošenjem antirefleksivnog sloja [5]. Primenom individualnih optičkih filtera za svaki piksel pojedinačno, može se izjednačiti odzivnost u zoni talasnih dužina, čime se dobija odličan radiometrijski detektor, ili pak postići dobra aproksimacija ljudskog oka. Sa ovakvim spektralnim karakteristikama, CCD senzor daleko nadmašuje fotografski film i omogućava čitav niz novih istraživanja, pre svega u oblasti medicine i biologije, ali i nove vojne primene.

3. PRAKTIČNA PRIMENA CCD TEHNOLOGIJE - SISTEM ZA DETEKCIJU DEFEKATA U PROCESU PROIZVODNJE KARTONA

Industrijski sistemi za vizuelnu inspekciju procesa proizvodnje predstavljaju jednu od vitalnih karika proizvodnog procesa, koja je po značaju u istoj ravni sa tehnologijom proizvodnje. Zahvaljujući visokoj rezoluciji i malim dimenzijama CCD senzora, kao i lakoj integraciji sa elektronskim sistemima, praktično svi industrijski sistemi za vizuelnu inspekciju koriste ovaj tip detektora. Razvoj elektronskih sistema za digitalizaciju video signala za potrebe TV produkcije obezbedio je drugu značajnu kariku u lancu – komercijalno dostupnu tehnologiju za digitalizaciju slike u kameri. Ovako digitalizovana slika se ili obrađuje u samoj kameri pomoću digitalnih procesora signala (DSP) ili se preko nekog od komercijalnih digitalnih interfejsa za prenos video signala (IEEE 1394 Firewire, USB, Camera link) prenosi do namenskog računara za obradu slike, bez gubitaka u kvalitetu slike tipičnih za analognu distribuciju video signala. Savremeni komercijalni mikroprocesori opremljeni su integrisanom keš memorijom čija je veličina dovoljna za procesiranje slike iz keša (tipično nekoliko megabajta), što zajedno sa velikom procesorskom snagom istih, otvara vrata za procesiranje slike visoke rezolucije u realnom vremenu. Značaj otkrića ilustrovaćemo kroz realizaciju industrijskog sistema namenski konstruisanog za potrebe fabrike kartona „Umka“ iz Beograda [6].

Proizvodnja kartona je tehnološki složen proces kojim se stari papir mehanički i hemijski razgrađuje do nivoa vlakana od kojih je sastavljen, a koja se koriste kao osnova za proizvodnju kartona. Izlazni proizvod automatizovanog procesa proizvodnje je karton sa premazom, osnovna sirovina za industriju ambalaže. Od ovog kartona se očekuje visok mehanički kvalitet, ispravan kolorit premaza i potpuno odsustvo defekata, kako na premazu tako i u vlaknima kartona – jednom rečju, savršen proizvod. Velika brzina proizvodnog procesa koja je neophodna radi postizanja tržišno prihvatljive niske cene čini manuelnu inspekciju neadekvatnom, a potencijalni propusti u istoj povlače plaćanje skupih nadoknada kupcima kartona zbog neispravnosti isporučenog materijala. Sistem za automatsku vizuelnu inspekciju proizvedenog kartona se nameće kao prirodno i optimalno rešenje problema kontrole kvaliteta proizvedenog kartona, a realizovan je uz pomoć tri CCD kamere, namenskog osvetljenja i PC računara, prema postavci prikazanoj na Slici 6.

Slika 6. Postavka sistema za detekciju defekata

Karton je poprečno, u odnosu na smer kretanja, podeljen u tri zone (pogonska, srednja i radna) koje se nezavisno prate radi uočavanja potencijalnih nedostataka na površini premaza kartona. Geometrija sistema, prikazana na Slici 7, projektovana je tako da obezbedi da svaki piksel na aktivnoj površini CCD senzora odgovara kvadratu dimenzija 1 mm x 1 mm na površini kartona.

Slika 7. Geometrija sistema za inspekciju kartona

Podesnim izborom optičkog podsistema i pozicije reflektora koji osvetljavaju površinu kartona, omogućeno je da se komponente sistema nalaze visoko iznad kartona u pokretu, pa instalacija sistema ne ometa proces proizvodnje. Slike sa kamera su u rezoluciji 800 x 1024 piksela, pa je ukupna pokrivena širina slike 2,4 m, što je veće od maksimalne moguće širine kartona. Karton se osvetljava belim svetlosnim izvorom čijim se zračenjem preko reflektora ravnomerno pokriva površina kartona od interesa. Slike sa kamera se prenose preko IEE1394 interfejsa do PC računara gde počinje proces obrade slike, prikazan na Slici 8.

Slika 8. Faze algoritma za obradu slike

Segment slike kartona koji sadrži defekt filtrira se prostornim filtrom niskopropusnikom opsega radi smanjivanja šuma CCD senzora. U sledećem koraku se primenom tehnike detektora ivice izdvajaju geometrijske forme u slici koje bi mogle odgovarati ivicama defekta. Dobijena slika u nijansama sive se zatim konvertuje u crno belu sliku na kojoj se može uočiti oblik defekta, ali uz prisutne lažne ivice u vidu malih objekata. U narednom koraku se morfološkim operacijama erozije i dilatacije slika „čisti“ od malih objekata i proračunavaju se geometrijski parametri defekta koji se koriste za njegovu klasifikaciju radi procene kvaliteta kartona.

Slika 9. Primeri uočenih i klasifikovanih defekata

Defekt se na originalnoj slici jasno prikazuje oivičen crvenim pravougaonikom minimalnih dimenzija. Ovakav univerzalan algoritam detekcije defekata dozvoljava i klasifikaciju istih po geometrijskim svojstvima (Slika 9.) na osnovu kojih se statističkom obradom dolazi do zaključka o uzrocima defekata i vrši korekcija proizvodnog procesa u realnom vremenu radi njihovog uklanjanja.

Efekti primene ovakvog sistema vizuelne inspekcije uključuju smanjivanje škarta na zanemarljiv nivo, objektivnu analizu kvaliteta kartona na osnovu numeričkih parametara radi klasifikacije i otkrivanja, u realnom vremenu, mesta u tehnološkom procesu gde se javlja problem i formiranja statističke slike procesa proizvodnje.

4. ZAKLJUČAK

CCD senzor koji su otkrili Bojl i Smit nastao je kao izvanredan spoj rešenja dva nezavisna problema u poluprovodničkoj tehnologiji. Njegova masovna komercijalna primena čiji smo svedoci, iako nesumnjivo značajna, nije ništa atraktivnija od prednosti koje CCD nudi industriji i naučnoj instrumentaciji. Daljim razvojem tehnologije izrade ovih naprava, performanse CCD senzora dostigle su vrhunski nivo. Dobijanje rezultata u realnom vremenu koje pruža digitalna obrada slike u sprezi sa CCD senzorom, omogućilo je nove industrijske aplikacije u oblasti automatskih sistema za vizuelnu inspekciju, ali i mnoge nove naučne primene.

Literatura

[1] G. E. Smith: “The Invention and early history of the CCD”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Volume 607, 2009.

[2] Royal Swedish Academy of Sciences, Two revolutionary optical technologies, Scientifi c Background on the Nobel Prize in Physics 2009, October 2009, available at: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/phyadv09.pdf

[3] B. Burke, P. Jorden, P.Vu: “CCD Technology”, Experimental Astronomy, Volume 19, 2005.

[4] D. Malacara, B. J. Thompson: Handbook of Optical Engineering, Marcel Dekker Inc., New York, 2001.

[5] http://www.microscopyu.com/articles/digitalimaging/ccdintro.html

[6] M. Barjaktarović, S. Petričević, J. Radunović: “High performance coated board inspection system based on commercial components”, Journal of Instrumentation, Volume 2, July 2007, T07001.

Autor

Slobodan J. Petričević je diplomirao, magistrirao i doktorirao na Elektrotehničkom fakultetu Univerziteta u Beogradu gde je trenutno zaposlen kao docent. Oblast interesovanja dr. Petričevića su optoelektronski merni sistemi iz kojih je objavio više od 20 stručnih radova i podneo 2 patenta. Dobitnik je Tesline nagrade i Nagrade za najbolju tehnološku inovaciju. Član je IEEE i recenzent u nekoliko međunarodnih stručnih časopisa iz oblasti interesovanja.