Nama : Gilang Brian RamadhanKelas : XII – TKR1

CCD (Charge Coupled Device)

CCD (Charge Coupled Device) adalah merupakan chip pengganti film yang digunakan pada kamera digital untuk merekam objek. CCD terdiri atas jutaan sensor kecil cahaya. Besar kecilnya CCD diukur dalam satuan yang disebut dengan megapixel. Semakin besar pixel maka semakin bagus hasil gambarnya atau sebuah sensor untuk merekam gambar, terdiri dari sirkuit terintegrasi berisi larikan kondensator yang berhubungan, atau berpasangan. Di bawah kendali sirkuit luar, setiap kondensor dapat menyalurkan muatan listriknya ke tetanggannya. CCD digunakan dalam fotografi digital dan astronomi (terutama dalamfotometri), optikal dan spektroskopi UV dan teknik kecepatan tinggi seperti penggambaran untung.

Definisi :

Integrated Circuit (IC) yang sensitif terhadap cahaya dan mampu menyimpan dan menampilkan data dari sebuah gambar dengan cara tiap pixel dari gambar dikonversi ke dalam bentuk muatan elektrik dengan intensitas yang sesuai dengan spektrum warna. CCD mempunyai sejumlah

1

besar (mungkin 1000) gerbang/gate yang berjarak dekat, di antara sumber dan drain, sehingga susunan demikian dapat dibuat komponen yang berfungsi sebagai register geser. CCD merupakan peralatan unipolar.

Operasi arus searah (dc) dari CCD tidak mungkin dilakukan. Pembawa-pembawa yang ditimbulkan secara teknis terperangkap dalam kanal energi potensial yang kosong dan pada saat yang sama merubah keadaan logika dari 0 ke 1. gejala perubahan ini dinamakan pengaruh arus gelap yang dapat menentukan batas bawah frekuensi clock (50 Khz – 1 Mhz). Sel CCD tidak memerlukan daya yang stationer, karena daya didisipasikan hanya untuk pengisian kapasitansi sel aktif. Akibatnya batas atas dari frekuensi clock (1 sampai 10 Mhz) mungkin dapat ditentukan oleh disipasi daya maksimum yang diperkenankan.

Kelebihan dan kekurangan CCD:

Kelebihan:

Matang secara teknologi Desain sensor sederhana (lebih murah) Sensitivitas tinggi Tiap piksel punya kinerja yang sama (uniform)

Kekurangan:

Desain sistem keseluruhan (CCD + ADC) jadi lebih rumit dan boros daya

Kecepatan proses keseluruhan lebih lambat dibanding CMOS Sensitif terhadap smearing atau blooming (kebocoran piksel) saat

menangkap cahaya terang

Struktur CCD

Peralatan kopel muatan tidak dapat dirakit dari komponen-komponen diskrit, karena suatu kanal kontinu tunggal diperlukan untuk mengkopel antara daerah di bawah elektroda-elektroda. Gerbang-gerbang arus dipisahkan oleh

2

jarak yang sangat sempit (sekitar 1 μm). Celah yang sangat sempit ini sangat sulit sekali dietsa secara handal karena adanya ketidaksempurnaan kedok (mask), cacat pada fotoemulsi, partikel debu dan sebagainya.

Organisasi Memori CCD

Pengingat CCD menjembatani pebedaan antara RAM dan pengingat piringan magnetik berkala tetap (disk). Pengingat CCD lebih murah dibandingkan dengan RAM, tetapi waktu aksesnya lebih lambat karena operasinya secara seri.

Tiga (3) Organisasi yang Umum dipergunakan :

a. Operasi yang berliku-liku (Serpentive)

Suatu organisasi sinkron di mana data digeserkan dari sel satu ke sel berikutnya, yang panjang pada konfigurasi register geser resirkulasi. Perpindahan sel satu ke sel berikutnya sangat efisien.

b. LARAM (Line-Adressable Random Acces Memory)

LARAM adalah organisasi yang dioptimasikan untuk memberikan waktu akses yang singkat. Organisasi ini terdiri dari sejumlah pengingat resirkulasi CCD singkat yang bekerja secara paralel, yang meliputi baris-baris masukan dan keluaran yang umum.

c. Organisasi SPS (Seri-Paralel-Seri)

Konfigurasi ini menggambarkan suatu bentuk masukan bit yang di susun secara paralel lalu disimpan ke dalam register vertikal dan dipindahkan ke register keluar horisontal lalu keluarannya digeser secara seri dan kemudian masuk ke dalam sistem. Beberapa keuntungan dari SPS adalah daya yang rendah, hilangnya penguat geser di dalam, kapasitansi clock yang rendah, dan kecepatan yang sangat tinggi.

3

Cara Kerja CCD

· Lensa menerima cahaya dan meneruskan ke CCD

· Fotodioda pada CCD merespon cahaya yang mengenainya. Cahaya ini direspon fotodioda dengan menghasilkan muatan sesuai dengan spektrum warna yang diterimanya.

· Muatan tersebut akhirnya ditransfer ke kapasitor. Dan tiap kapasitor dapat mentransfer muatan listrik dari satu kapasitor ke kapasitor lain.

· Muatan listrik tersebut masuk ke analog signal chain untuk diolah di ADC. Semua proses ini dikontrol oleh sebuah clock signal.

Contoh Aplikasi

· Kamera digital

· Scanner

· Barcode reader

· Sensor Visual untuk Robot

Operasi

Ketika sebuah foton membentur atom, ini dapat mengangkat sebuah elektron ke

tingkat energi yang lebih tinggi, atau dalam beberapa kasus, melepaskan elektron

dari atom. Ketika cahaya menimpa permukaan CCD, ini membebaskan beberapa

elektron untuk bergerak dan berkumpul di kondensator. Elektron tersebut digeser

sepanjang CCD oleh pulsa-pulsa elektronik dan dihitung oleh sebuah sirkuit yang

mengambil elektron dari setiap piksel kedalam sebuah kondensator lalu mengukur

4

dan menguatkan tegangan yang membentanginya, lalu mengosongkan

kondensator. Ini memberikan sebuah citraan hitam-putih yang efektif dengan

mengukur seberapa banyak cahaya yang jatuh disetiap piksel.

CCD yang memiliki baris tunggal dapat digunakan sebagai saluran tunda. Sebuah

tegangan analog dikenakan pada kondensator pertama dalam larikan, dan perintah

yang berselang tetap diberikan kepada setiap kondensator untuk memindahkan

muatannya ke tetangganya. Dengan demikian seluruh larikan digeser setiap satu

lokasi. Setelah sebuah tundaan yang setara dengan jumlah kondensator dikalikan

interval geser, muatan yang mencerminkan sinyal masukan tiba di kondensator

terakhir di larikan, dimana muatan ini dikuatkan untuk menjadi sinyal keluaran.

Proses ini terus berlanjut, menciptakan sebuah sinyal di keluaran yang merupakan

versi tertunda dari masukan, dengan beberapa cacat dikarenakan frekuensi

pencuplikan. Sebuah CCD yang digunakan untuk hal ini juga dikenal

dengan saluran tunda regu-ember. Penggunaan CCD dalam hal ini sering

digantikan dengan saluran tunda digital.

CCD dengan beberapa baris piksel menggeser muatannya secara vertikal menuju

ke baris terbawah, dan hanya baris terbawah yang dibaca keluarannya secara

konvensional. Kecepatan dari sirkuit pengukur harus cukup cepat untuk

menghitung semua baris bawah, lalu menggeser baris tersebut kebawah dan

mengulanginya untuk setiap baris yang lain, hingga seluruh baris terbaca. Di

kamera video, seluruh proses ini membutuhkan kira-kira 40 kali setiap detik.

Beberapa faktor dapat memengaruhi ketika foton mengakibatkan bumn

membebaskan elektron, sirkuit dalam CCD dapat menghalangi cahaya untuk

masuk, gelombang yang lebih panjang dapat menembus kedalam CCD tanpa

berinteraksi dengan atom-atom, beberapa gelombang yang lebih pendek dapat

memantul di permukaan, dan lain sebagainya. Mengetahui berapa banyak foton

yang jatuh ke permukaan fotoreaktif akan membebaskan elektron adalah ukuran

akurat sensitivitas CCD. Hal ini disebut dengan efisiensi kuantum dan dinyatakan

dalam persentase.

Penggunaan

5

CCD yang memiliki beberapa piksel digunakan di kamera digital, pemindai

gambar, dan kamera video sebagai peranti pengindera cahaya. CCD biasanya

merespon 70% cahaya (sama dengan efisiensi kuantum sebesar 70%) membuatnya

lebih efisien daripada film fotografi, yang hanya menangkap kira-kira 2% cahaya.

Sebagai hasilnya, CCD dengan cepat menjadi pilihan bagi para astronom. which

captures only about 2% of the incident light. Sebuah citra diarahkan ke larikan

kondensator oleh lensa, menyebabkan setiap kondensator untuk menampung

muatan listrik sesuai dengan intensitas bahaya pada tempat tersebut. Sebuah

larikan satu dimensi, yang digunakan di kamera pindai-garis, menangkap

potongan tunggal dari gambar, secangkan larikan dua dimensi, yang digunakan di

kamera dan kamera video, menangkap seluruh gambar atau sebagian persegi

darinya. Setelah larikan dipaparkan kepada gambar, sebuah sirkuit kontrol

menyebabkan setiap kondensator untuk memindahkan muatannya ke tetangganya.

Kondensator terakhir dalam larikan membuang muatannya kedalam sebuah

penguat yang mengubah muatan menjadi tegangan listrik. Dengan mengulangi

proses ini, sirkuit kontrol mengubah seluruh isi larikan menjadi tegangan yang

bervariasi, yang disimpan di memori. Gambar yang tersimpan dipindahkan ke

pencetak, peranti penyimpan, atau penampil gambar. CCD juga digunakan secara

luas sebagai sensor untuk teleskop, dan peranti penglihatan malam. Sebuah

penggunaan menarik dalam astronomi adalah penggunaan CCD untuk membuat

sebuah teleskop tetap, berperilaku seperti teleskop penjejak dan mengikuti

pergerakan langit. Muatan di CCD dipindah dan dibaca paralel dengan pergerakan

langit dan dengan kecepatan yang sama. Dengan cara ini, teleskop dapat

mengambil gambar langit yang lebih luar daripada bidang pandang normal. CCD

biasanya sensitif terhadap cahaya inframerah, yang memungkinkan fotografi

inframerah, peranti penglihatan malam, dan perekaman video tanpa pencahayaan

(atau nyaris tanpa cahaya). Karena sensitivitasnya terhadap inframerah, CCD yang

digunakan di astronomi biasanya didinginkan dengan nitrogen cair, dikarenakan

radiasi benda hitam inframerah dikeluarkan oleh sumber berpui ruangan. Satu lagi

konsekuensi dari sensitivitasnya terhadap inframeral adalah inframerah dari

remote control sering terlihat di kamera CCD, jika tidak dilengkapi dengan filter

inframerah. Pendinginan juga mengurangi arus gelap larikan, meningkatkan

6

sensitivitas pada cahaya intensitas lemah, bahkan untuk ultraviolet dan gelombang

terlihat.

Desah bahang, arus gelap, dan sinar kosmik dapat mengubah piksel di larikan

CCD. Untuk menghindari diek ini, astronom mengambil pengungkapan dengan

shutter tertutup. Bingkai gelap ini lalu dikurangkan dari gambar asli untuk

membuang efek desah bahang.

Kamera warna

Kamera digital biasanya menggunakan tapis Bayer sebelum CCD. Setiap persegi

dari empat piksel ditapis merah, biru dan dua hijau (mata manusia kecil sensitif

terhadap hijau). Sebagai hasilnya informasi diambil disetiap piksel, tetapi piksel

warna memiliki resolusi yang lebih rendah daripada piksel sebenarnya. Pemisahan

warna yang lebih baik dapat dicapai dengan tiga peranti CCD dan sebuah prisma

dikroik pemisah warna, ini memisahkan gambar menjadi komponen merah, hijau,

dan biru (RGB). Setiap CCD disusun sedemikian pura sehingga merespon warna

tertentu. Beberapa perekam video semiprofesional dan semua perekam video

profesional menggunakan teknik ini. Sejak sensor CCD beresolusi tinggi panitau

mahal, bahkan seorang fotografer profesional sulit menjangkau kamera 3CCD

beresolusi tinggi. Ada beberapa kamera yang menggunakan filter warna berputar

untuk mencapai kejernihan warna dan resolusi tinggi dengan harga yang relatif

rendah. Kamera jenis ini sangat jarang dan hanya dapat digunakan untuk memotret

obyek diam.

Teknologi Saingan

Belakangan ini telah menjadi lebih mudah untuk menciptakan sensor gambar

dari semikonduktor yang menggunakan teknologi CMOS. Karena ini merupakan

teknologi dominan untuk seluruh pembuatan chip, sensor gambar CMOS murah

untuk dibuat dan sirkuit pengkondisian signal dapat dimasukkan ke dalam alat

yang sama. Keuntungan yang terakhir tersebut menolong mengurangi

kelemahannya terhadap desah, yang masih merupakan problem. Sensor CMOS

juga memiliki keuntungan pengkonsumsian daya yang lebih rendah dari CCD.

7

KesimpulanCharge-coupled device adalah sebuah sensor untuk merekam gambar, terdiridari sirkuit terintegrasi berisi “array” kapasitor yang berhubungan, atau berpasangan. Di bawah kendali sirkuit luar, setiap kapasitor dapat menyalurkan muatan listriknya ke tetangganya. CCD digunakan dalam fotografi digital dan astronomi (terutama dalam fotometri), optikal dan spektroskopi UV, dan teknik kecepatan tinggi seperti penggambaran cepat.

8