25/07/31Alhoewel CMOS-sensors in 2025 wetenskaplike en verbruikersbeelding oorheers, was dit nie altyd die geval nie.
CCD staan vir 'Charge-Coupled Device', en CCD-sensors was die oorspronklike digitale kamerasensors, wat die eerste keer in 1970 ontwikkel is. CCD- en EMCCD-gebaseerde kameras is tot 'n paar jaar gelede algemeen aanbeveel vir wetenskaplike toepassings. Beide tegnologieë bestaan vandag nog, hoewel hul gebruike nis geword het.
Die tempo van verbetering en ontwikkeling van CMOS-sensors bly toeneem. Die verskil tussen hierdie tegnologieë lê hoofsaaklik in die manier waarop hulle die opgespoorde elektroniese lading verwerk en uitlees.
Wat is 'n CCD-sensor?
'n CCD-sensor is 'n tipe beeldsensor wat gebruik word om lig vas te vang en dit in digitale seine om te skakel. Dit bestaan uit 'n reeks ligsensitiewe pixels wat fotone versamel en dit in elektriese ladings omskakel.
CCD-sensorlesing verskil op drie belangrike maniere van CMOS:
● Laai-oordragFoto-elektrone wat vasgelê word, word elektrostaties piksel-vir-pixel oor die sensor na 'n uitleesarea aan die onderkant beweeg.
● LeesmeganismeIn plaas van 'n hele ry analoog-na-digitale omsetters (ADC's) wat parallel werk, gebruik CCD's net een of twee ADC's (of soms meer) wat pixels opeenvolgend lees.
Kapasitor- en Versterkerplasing: In plaas van kapasitors en versterkers in elke pixel, het elke ADC een kapasitor en versterker.
Hoe werk 'n CCD-sensor?
Hier is hoe 'n CCD-sensor werk om 'n beeld te verkry en te verwerk:
Figuur: Uitleesproses vir 'n CCD-sensor
Aan die einde van hul blootstelling skuif CCD-sensors eers versamelde ladings na 'n gemaskerde stoorarea binne elke pixel (nie getoon nie). Dan word ladings, een ry op 'n slag, na 'n uitleesregister geskuif. Een kolom op 'n slag word ladings binne die uitleesregister uitgelees.
1. LaaiverwyderingOm die verkryging te begin, word lading gelyktydig van die hele sensor verwyder (globale sluiter).
2. LadingakkumulasieLading versamel tydens blootstelling.
3. LaaibergingAan die einde van die blootstelling word versamelde ladings na 'n gemaskerde area binne elke pixel (genoem interlyn-oordrag-CCD) verskuif, waar hulle kan wag vir uitlesing sonder dat nuwe opgespoorde fotone getel word.
4. Blootstelling van volgende raamMet die opgespoorde ladings wat in die gemaskerde area van pixels gestoor is, kan die aktiewe area van pixels die blootstelling van die volgende raam begin (oorvleuelmodus).
5. Sekwensiële uitlesingEen ry op 'n slag word ladings van elke ry van die voltooide raam na 'n 'uitleesregister' geskuif.
6. Finale uitleesEen kolom op 'n slag word ladings van elke pixel na die uitleesknoop gestuur vir uitlees by die ADC.
7. HerhalingHierdie proses word herhaal totdat die opgespoorde ladings in alle pixels getel is.
Hierdie bottelnek, wat veroorsaak word deurdat alle opgespoorde ladings deur 'n klein aantal (soms een) uitleespunte gelees word, lei tot ernstige beperkings in die data-deurset van CCD-sensors in vergelyking met CMOS.
Voordele en Nadele van CCD-sensors
| Voordele | Nadele |
| Lae Donkerstroom Tipies ~0.001 e⁻/p/s wanneer afgekoel. | Beperkte spoed. Tipiese deurset ~20 MP/s — baie stadiger as CMOS. |
| On-Pixel Binning Charges word opgesom voor uitlesing, wat geraas verminder. | Hoë leesgeraas 5–10 e⁻ is algemeen as gevolg van enkelpunt-ADC-lesing. |
| Globale Sluiter Ware globale of amper-globale sluiter in interlyn-/raamoordrag-CCD's. | Groter pixelgroottes kan nie ooreenstem met die miniaturisering wat CMOS bied nie. |
| Hoë beelduniformiteit. Uitstekend vir kwantitatiewe beeldvorming. | Hoë kragverbruik Vereis meer krag vir ladingverskuiwing en uitlees. |
Voordele van CCD-sensor
● Lae donkerstroomInherent as 'n tegnologie, is CCD-sensors geneig om baie lae donkerstroom te hê, tipies in die orde van 0.001 e-/p/s wanneer dit afgekoel word.
● 'Op-pixel' BinningWanneer dit gebin word, voeg CCD's ladings by voor die uitlesing, nie daarna nie, wat beteken dat geen bykomende leesgeraas ingebring word nie. Donkerstroom neem wel toe, maar soos hierbo genoem, is dit gewoonlik baie laag.
● Globale Sluiter'Interlyn' CCD-sensors werk met 'n ware globale sluiter. 'Raamoordrag' CCD-sensors gebruik 'n 'halwe globale' sluiter (sien 'Gemaskerde' gebied van Figuur 45) – die raamoordragproses om blootstelling te begin en te eindig is nie werklik gelyktydig nie, maar neem tipies ongeveer 1-10 mikrosekondes. Sommige CCD's gebruik meganiese sluiter.
Nadele van CCD-sensors
● Beperkte spoedTipiese datadeurset in pixels per sekonde kan ongeveer 20 megapixels per sekonde (MP/s) wees, gelykstaande aan 'n 4 MP-beeld teen 5 fps. Dit is ongeveer 20 keer stadiger as ekwivalente CMOS, en ten minste 100 keer stadiger as hoëspoed-CMOS.
● Hoë leesgeraasLeesgeraas in CCD's is hoog, hoofsaaklik as gevolg van die behoefte om die ADC('s) teen 'n hoë tempo te laat loop om bruikbare kameraspoed te bereik. 5 tot 10 e- is algemeen vir hoë-end CCD-kameras.
● Groter pikselsVir baie toepassings bied kleiner pixels voordele. Tipiese CMOS-argitektuur laat kleiner minimum pixelgroottes toe as CCD.
● Hoë kragverbruikDie kragvereistes vir die gebruik van CCD-sensors is baie hoër as CMOS.
Toepassings van CCD-sensors in wetenskaplike beeldvorming
Alhoewel CMOS-tegnologie gewild geword het, word CCD-sensors steeds verkies in sekere wetenskaplike beeldtoepassings waar beeldkwaliteit, sensitiwiteit en konsekwentheid van die allergrootste belang is. Hul uitstekende vermoë om lae-lig seine met minimale geraas vas te lê, maak hulle ideaal vir presisietoepassings.
Sterrekunde
CCD-sensors is van kritieke belang in astronomiese beeldvorming as gevolg van hul vermoë om dowwe lig van verre sterre en sterrestelsels vas te vang. Hulle word wyd gebruik in beide sterrewagte en gevorderde amateursterrekunde vir langblootstellings-astrofotografie, wat duidelike, gedetailleerde beelde lewer.
Mikroskopie en Lewenswetenskappe
In lewenswetenskappe word CCD-sensors gebruik om swak fluoresensieseine of subtiele sellulêre strukture vas te lê. Hul hoë sensitiwiteit en eenvormigheid maak hulle perfek vir toepassings soos fluoresensiemikroskopie, lewende selbeelding en digitale patologie. Hul lineêre ligrespons verseker akkurate kwantitatiewe analise.
Halfgeleierinspeksie
CCD-sensors is van kardinale belang in halfgeleiervervaardiging, veral vir waferinspeksie. Hul hoë resolusie en konsekwente beeldkwaliteit is noodsaaklik vir die identifisering van mikroskaalse defekte in skyfies, wat die presisie verseker wat in halfgeleierproduksie benodig word.
X-straal en wetenskaplike beeldvorming
CCD-sensors word ook in X-straalopsporingstelsels en ander gespesialiseerde beeldtoepassings gebruik. Hul vermoë om hoë sein-tot-ruisverhoudings te handhaaf, veral wanneer dit afgekoel word, is noodsaaklik vir duidelike beeldvorming in uitdagende toestande soos kristallografie, materiaalanalise en nie-vernietigende toetsing.
Is CCD-sensors steeds relevant vandag?
Tucsen H-694 & 674 CCD-kamera
Ten spyte van die vinnige ontwikkeling van CMOS-tegnologie, is CCD-sensors ver van verouderd. Hulle bly 'n voorkeurkeuse in ultra-lae lig- en hoë-presisie-beeldtake, waar hul ongeëwenaarde beeldkwaliteit en geraaskenmerke van kritieke belang is. In velde soos diepruimte-sterrekunde of gevorderde fluoresensiemikroskopie, oortref CCD-kameras dikwels baie CMOS-alternatiewe.
Deur die sterk- en swakpunte van CCD-sensors te verstaan, help dit navorsers en ingenieurs om die regte tegnologie vir hul spesifieke behoeftes te kies, wat optimale prestasie in hul wetenskaplike of industriële toepassings verseker.
Gereelde vrae
Wanneer moet ek 'n CCD-sensor kies?
CCD-sensors is vandag baie skaarser as tien jaar gelede, aangesien CMOS-tegnologie selfs hul lae donkerstroomprestasie begin beïnvloed. Daar sal egter altyd toepassings wees waar hul kombinasie van prestasie-eienskappe – soos superieure beeldkwaliteit, lae geraas en hoë sensitiwiteit – 'n voordeel bied.
Waarom gebruik wetenskaplike kameras verkoelde CCD-sensors?
Verkoeling verminder termiese geraas tydens beeldopname, wat beeldhelderheid en sensitiwiteit verbeter. Dit is veral belangrik vir wetenskaplike beeldvorming in lae lig en met lang blootstelling, en daarom is baie hoë-endwetenskaplike kamerasstaatmaak op verkoelde CCD's vir skoner, meer akkurate resultate.
Wat is oorvleuelmodus in CCD- en EMCCD-sensors, en hoe verbeter dit kameraprestasie?
CCD- en EMCCD-sensors is tipies in staat tot 'oorvleuelmodus'. Vir globale sluiterkameras verwys dit na die vermoë om die vorige raam uit te lees tydens die blootstelling van die volgende raam. Dit lei tot 'n hoë (byna 100%) werksiklus, wat beteken dat minimale tyd vermors word deur rame nie aan lig bloot te stel nie, en dus hoër raamtempo's.
Let wel: Oorvleuelmodus het 'n ander betekenis vir rollende sluitersensors.
As jy meer wil leer oor roldeure, klik asseblief:
Hoe Rolluikbeheermodus Werk en Hoe om dit te Gebruik
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle regte voorbehou. Wanneer u aanhaal, erken asseblief die bron:www.tucsen.com
