सी. सी. डी. – विद्युत भार युग्मित प्रयुक्ती :
विद्युत भार युग्मित प्रयुक्तीचा शोध इ.स. १९६९ मध्ये विलार्द बॉयल आणि जॉर्ज स्मिथ या दोन शास्त्रज्ञांनी लावला. या घन अवस्था प्रयुक्तीचा उपयोग मुख्यत्वेकरून विद्युत भार, प्रयुक्तीच्या एका भागातून दुसऱ्या भागाकडे (पुढील प्रक्रियेकरता) वहनाकरता केला जातो. या प्रयुक्तीचा उपयोग विस्थापन रजिस्टर (Register) म्हणून करता येतो आणि मुख्यत्वे अंकात्मक प्रकाशचित्रण करणाऱ्या चित्रकात (कॅमेरात) करण्यात येतो. अशा प्रकारच्या प्रयुक्तीमध्ये एक अक्षकेंद्री सिलिकॉनचा प्रकाश संवेदनशील भाग (epitaxial layer of Silicon) असतो आणि दुसरा भाग विद्युतभार वहनाकरता (प्रत्यक्ष विद्युत भार युग्मित प्रयुक्ती) असतो. एखादी प्रतिमा जेव्हा भिंगाद्वारे प्रकाश संवेदनशील भागावर पडते, तेव्हा तिथले इलेक्ट्रॉन विमुक्त होतात आणि त्यामुळे लगतच्या विद्युत धरित्रांच्या मांडणीमधील प्रत्येक धरित्रावर विद्युत भार जमा होतो. प्रत्येक धरित्रावर जमा होणारा विद्युत भार हा त्या धरित्रावर पडणाऱ्या प्रकाशाच्या प्रमाणात असतो. हा भार जमा झाल्यावर तो एका विशिष्ट परीपथाद्वारे वाहून नेऊन त्यावर प्रक्रिया करून त्याचे अंकात्मक प्रकाशचित्र अथवा चलत्-चित्र तयार होते. प्रत्येक प्रयुक्तीमध्ये जेवढी धरित्रे असतील तेवढ्याच बिंदुपुंजांचे – पिक्स्केल (pixel) असलेले प्रकाशचित्र यातून तयार होते.
ढोबळमानाने ह्या प्रयुक्तीची संरचना पुढीलप्रमाणे असते. सिलिकॉनाच्या प्रस्तरावर, अपद्रव्य मिश्रणाने पोकळीयुक्त (p-doped) बनलेल्या सिलीकॉनच्या अधःस्तरावर, सिलिकॉन डायऑक्साईडचा थर दिलेला असतो आणि त्यावर धातूचा (ॲल्युमिनियमचा) थर असतो; या धातूच्या थराला ‘द्वार’ असे म्हणतात. त्याच बरोबर विद्युत भार वहनासाठी परिपथ आणि विद्युत अग्रे यांची योजना केलेली असते. जेव्हा या प्रयुक्तीवर प्रकाशकण (photon) आदळतात तेव्हा त्यात विमुक्त इलेक्ट्रॉन तयार होतात. अर्थात, निसर्गात सहसा असमतोल आढळून येत नसतो. त्यामुळे समतोल साधण्याकरता तेवढीच धनभारीत छिद्रे (hole) सुद्धा तयार होतात. साधारणत: ऋणभारीत इलेक्ट्रॉन आणि धनभारीत छिद्र एकत्र होऊन त्याचे रूपांतर उष्म्यामध्ये व्हायला हवे. परंतु द्वार हे उरलेल्या प्रयुक्तीपेक्षा धनभारीत ठेवलेले असते, त्यामुळे विमुक्त इलेक्ट्रॉन द्वाराकडे आकर्षित होतात (तर धनभारीत छिद्र प्रस्तराकडे). परंतु हे इलेक्ट्रॉन द्वारापर्यंत मधल्या विद्युत अर्धसंवाहकामुळे पोहोचू शकत नाहीत आणि तेथेच अडकतात. याप्रमाणे प्रत्येक धरित्रामध्ये इलेक्ट्रॉन्स (अर्थातच विद्युत भार) जमा होतात. प्रत्येक धरित्रात जमा झालेले इलेक्ट्रॉन ठराविक परीपथाचा वापर करून प्रयुक्तीच्या कडेच्या अग्रांना वाहून नेण्यात येतात. जिथे ते मोजून आणि पुढील प्रक्रिया करून त्याचे स्थिर-प्रतिमा चित्र किंवा चलत्-चित्र तयार करण्यात येते.
याचबरोबर प्रत्येक प्रयुक्तीमध्ये अंतस्थ उष्म्यामुळेही इलेक्ट्रॉन विमुक्त होतात. हे इलेक्ट्रॉन प्रकाशाशिवायच विमुक्त होत असतात, त्यांना कृष्ण प्रवाह (dark current) असेही म्हणतात. हे इलेक्ट्रॉन आणि प्रकाश संवेदनाने विमुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन हे वेगवेगळे करता येत नाहीत. परिणामी, ह्या दोन प्रकारच्या इलेक्ट्रॉनमुळे तयार झालेले प्रतिमाचित्र हे फक्त प्रकाश संवेदनाने तयार झालेल्या इलेक्ट्रॉनपासून तयार केलेल्या प्रतिमाचित्रापेक्षा गुणवत्तेमध्ये दुय्यम असते. प्रयुक्तीचे एकूण तापमान कमी केले तर उष्म्यामुळे तयार होणारे इलेक्ट्रॉन कमी करता येतात, परिणामी तयार होणारे प्रतिमाचित्र गुणवत्तेमध्ये अधिक चांगले तयार होते. म्हणूनच अनेकदा अशी प्रयुक्ती असलेली साधने सामान्य वातावरणापेक्षा शीत करून कमी तापमानात वापरली जातात; ज्यामुळे कृष्ण प्रवाह कमी होईल आणि परिणामी प्रतिमाचित्राची गुणवत्ता खालावणार नाही. दर ६ ते ७ अंश सेल्सिअसने प्रयुक्तीचे तापमान कमी केल्यास कृष्ण प्रवाह तयार होण्याच दर सुमारे अर्ध्याने कमी होतो.
प्रयुक्तीचा प्रत्येक प्रकाशबिंदुपुंज-पिक्स्केल जास्तीत जास्त किती इलेक्ट्रॉन जमा करू शकतो त्याला ‘काठोकाठ कूप क्षमता’ (Full Well Capacity) म्हणतात. एखाद्या पिक्स्केलमध्ये त्याच्या काठोकाठ कूप क्षमतेपेक्षा जास्त इलेक्ट्रॉन जमा होऊ लागले तर ते उतू जाऊन लगतच्या पिक्स्केलमध्ये पडतात याला ‘फुलोरा / बिनिंग’ (Blooming / Binning) असे म्हणतात. अशा बिनिंगमुळे अर्थातच प्रतिमेची गुणवत्ता खालावते. हा परिणाम कमी करावयाचा असेल तर प्रयुक्तीमधील प्रत्येक पिक्स्केलचे आकारमान वाढवावे लागते. ज्या प्रयुक्तीची काठोकाठ कूप क्षमता जास्त, त्या प्रयुक्तीची विस्तार श्रेणी (Dynamic Range) सुद्धा जास्त असते. अशा उच्च विस्तार श्रेणी असलेल्या प्रयुक्तीपासून तयार केलेल्या चित्रकाची (कॅमेराची) विस्तार श्रेणी उच्च असते. असे प्रकाशचित्रक एकाच चौकटीमध्ये एकाच वेळी अतिप्रखर लक्ष्य आणि अतिमंद लक्ष्य यांच्या प्रतिमा ग्रहणासाठी अत्यंत उपयोगी असतात. असे प्रकाशचित्रक रंगांचे वैविध्यसुद्धा अधिक अचूकपणे टिपू शकतात.
प्रकाशसंवेदनेचे विद्युत भारामध्ये रूपांतर करण्याकरता अनेक तंत्रज्ञाने उपलब्ध आहेत. या प्रत्येक तंत्रज्ञानाची स्वत:ची पुंजीय क्षमता [Quantum Efficiency, म्हणजे विमुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन भागिले त्याकरता लागलेले प्रकाशकण (photons) यांचे गुणोत्तर असते.] ज्या तंत्रज्ञानाची पुंजीय क्षमता अधिक, ते तंत्रज्ञान कमी प्रकाशातही चांगल्या गुणवत्तेची प्रतिमाग्रहण करण्यास उपयोगी पडते.
सध्या उपलब्ध तंत्रज्ञानांमध्ये विद्युत भार युग्मित प्रयुक्तीची पुंजीय क्षमता उत्तम असल्यामुळे, अतिशीत विद्युत भार युग्मित प्रयुक्तीचा कृष्ण प्रवाह अत्यल्प असल्यामुळे आणि या प्रयुक्तीची विस्तार श्रेणी चांगली वाढवता येत असल्यामुळे या प्रयुक्तीचा वापर कमी प्रकाशातील प्रतिमाग्रहणाकरता अधिकाधिक करण्यात येतो. अतिशीत विद्युत भार युग्मित प्रयुक्तीचा कृष्ण प्रवाह अत्यल्प असल्यामुळे पुरेसे प्रकाशकण (photon) गोळा करण्याकरता अशा शीत चित्रकाची झडप अक्षरश: अर्धा तास सुद्धा उघडी ठेवता येते. याच कारणाकरता खगोलशास्त्रीय प्रतिमाग्रहणाकरता विद्युत भार युग्मित प्रयुक्तीचा वापर मोठ्या प्रमाणावर करण्यात येतो. उदाहरणार्थ, हबल अंतराळ दुर्बिणीमधले प्रकाशचित्रक हे विद्युत भार युग्मित प्रयुक्ती वापरून तयार करण्यात आलेले आहेत. असे प्रकाशचित्रक खगोलशास्त्रज्ञ अतिनील ते अवरक्त अशा व्यापक तरंग लहरींच्या माध्यमातून प्रतिमाग्रहणाकरता वापरतात.
समीक्षक : आनंद घैसास