فهم أجهزة استشعار CCD: ما هي وكيف تعمل |

على الرغم من أنه بحلول عام 2025، ستسيطر أجهزة استشعار CMOS على التصوير العلمي والاستهلاكي على حد سواء، إلا أن هذا لم يكن الحال دائمًا.

CCD هو اختصار لعبارة "جهاز اقتران الشحنة"، وكانت مستشعرات CCD هي مستشعرات الكاميرات الرقمية الأصلية، التي طُوّرت لأول مرة عام ١٩٧٠. كانت الكاميرات المعتمدة على CCD وEMCCD تُوصى بها على نطاق واسع للتطبيقات العلمية حتى سنوات قليلة مضت. ولا تزال هاتان التقنيتان قائمتين حتى اليوم، على الرغم من أن استخداماتهما أصبحت محدودة.

يتزايد معدل تحسين وتطوير مستشعرات CMOS باستمرار. يكمن الاختلاف الرئيسي بين هذه التقنيات في طريقة معالجتها وقراءة الشحنات الإلكترونية المكتشفة.

ما هو مستشعر CCD؟

مستشعر CCD هو نوع من مستشعرات الصور يُستخدم لالتقاط الضوء وتحويله إلى إشارات رقمية. يتكون من مصفوفة من وحدات البكسل الحساسة للضوء التي تجمع الفوتونات وتحولها إلى شحنات كهربائية.

تختلف قراءة مستشعر CCD عن CMOS في ثلاث طرق مهمة:

● نقل الرسوم:يتم نقل الإلكترونات الضوئية الملتقطة بطريقة كهربائية ساكنة من بكسل إلى بكسل عبر المستشعر إلى منطقة القراءة في الأسفل.
● آلية القراءة:بدلاً من صف كامل من المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) التي تعمل بالتوازي، تستخدم أجهزة CCD محول تناظري إلى رقمي واحد أو اثنين (أو أكثر في بعض الأحيان) لقراءة وحدات البكسل بشكل متسلسل.

وضع المكثفات والمكبرات: بدلاً من المكثفات والمكبرات في كل بكسل، يحتوي كل محول تناظري إلى رقمي على مكثف ومكبر واحد.

كيف يعمل مستشعر CCD؟

فيما يلي كيفية عمل مستشعر CCD لالتقاط الصورة ومعالجتها:

الشكل: عملية القراءة لمستشعر CCD

بعد انتهاء فترة التعريض، تنقل مستشعرات CCD الشحنات المُجمّعة إلى منطقة تخزين مُقنّعة داخل كل بكسل (غير موضحة). ثم تُنقل الشحنات، صفًا تلو الآخر، إلى سجل القراءة. ثم تُقرأ الشحنات داخل سجل القراءة، عمودًا تلو الآخر.

1. تصفية الرسوم:لبدء عملية الاستحواذ، يتم مسح الشحنة في نفس الوقت من المستشعر بأكمله (الغالق العالمي).
2. تراكم الشحنة:تتراكم الشحنة أثناء التعرض.
3. تخزين الشحن:في نهاية التعرض، يتم نقل الشحنات المجمعة إلى منطقة مقنعة داخل كل بكسل (تسمى CCD للنقل بين الخطوط)، حيث يمكنها انتظار القراءة دون احتساب الفوتونات الجديدة المكتشفة.
4. تعرض الإطار التالي:مع تخزين الشحنات المكتشفة في المنطقة المقنعة من وحدات البكسل، يمكن لمنطقة وحدات البكسل النشطة أن تبدأ في عرض الإطار التالي (وضع التداخل).
5. قراءة متسلسلة:يتم نقل الشحنات من كل صف من الإطار النهائي إلى "سجل القراءة"، صفًا واحدًا في كل مرة.
6. القراءة النهائية:عمود واحد في كل مرة، يتم نقل الشحنات من كل بكسل إلى عقدة القراءة للقراءة في المحول التناظري الرقمي.
7. تكرار:تتكرر هذه العملية حتى يتم حساب الشحنات المكتشفة في جميع وحدات البكسل.

يؤدي هذا الاختناق الناجم عن قراءة جميع الشحنات المكتشفة بواسطة عدد صغير (أحيانًا نقطة واحدة) من نقاط القراءة، إلى قيود شديدة في معدل نقل البيانات لأجهزة استشعار CCD مقارنة بأجهزة استشعار CMOS.

إيجابيات وسلبيات أجهزة استشعار CCD

الايجابيات	سلبيات
تيار الظلام المنخفض عادة ما يكون حوالي 0.001 e⁻/p/s عند التبريد.	سرعة محدودة الإنتاج النموذجي ~20 ميجابايت/ثانية — أبطأ بكثير من CMOS.
يتم جمع الشحنات على البكسل قبل القراءة، مما يقلل الضوضاء.	تعتبر ضوضاء القراءة العالية 5–10 e⁻ أمرًا شائعًا بسبب قراءة المحول التناظري الرقمي ذات النقطة الواحدة.
مصراع عالمي مصراع عالمي حقيقي أو شبه عالمي في أجهزة CCD ذات النقل بين الخطوط/الإطارات.	أحجام البكسل الأكبر لا يمكن أن تتطابق مع التصغير الذي توفره تقنية CMOS.
اتساق الصورة العالي ممتاز للتصوير الكمي.	استهلاك عالي للطاقة يتطلب مزيدًا من الطاقة لتحويل الشحنة وقراءتها.

إيجابيات مستشعر CCD

● تيار مظلم منخفض:باعتبارها تقنية، تميل مستشعرات CCD إلى أن يكون لديها تيار مظلم منخفض للغاية، عادةً في حدود 0.001 e-/p/s عند تبريدها.
● التجميع "على البكسل"عند التجميع، تُضيف أجهزة CCD شحنات قبل القراءة، وليس بعدها، مما يعني عدم وجود أي تشويش قراءة إضافي. يزداد تيار الظلام، ولكن كما ذُكر سابقًا، عادةً ما يكون منخفضًا جدًا.
● مصراع عالميتعمل مستشعرات CCD "المتداخلة" بغالق شامل حقيقي. تستخدم مستشعرات CCD "نقل الإطارات" غالقًا "نصف شامل" (انظر المنطقة "المُقنّعة" في الشكل 45) - عملية نقل الإطارات لبدء ونهاية التعريض ليست متزامنة تمامًا، بل تستغرق عادةً ما بين 1 و10 ميكروثانية. تستخدم بعض مستشعرات CCD غالقًا ميكانيكيًا.

سلبيات أجهزة استشعار CCD

● سرعة محدودةيبلغ معدل نقل البيانات النموذجي بالبكسل في الثانية حوالي ٢٠ ميجابكسل في الثانية، وهو ما يعادل صورة بدقة ٤ ميجابكسل بمعدل ٥ إطارات في الثانية. وهذا أبطأ بحوالي ٢٠ مرة من CMOS المكافئ، وأبطأ بما لا يقل عن ١٠٠ مرة من CMOS عالي السرعة.
● ضوضاء قراءة عالية:ضوضاء القراءة في أجهزة CCD عالية، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الحاجة إلى تشغيل المحول التناظري الرقمي (ADC) بمعدل مرتفع لتحقيق سرعة قابلة للاستخدام في الكاميرا. 5 إلى 10 الإلكترونات هي سرعة شائعة في كاميرات CCD المتطورة.
● بكسلات أكبرفي العديد من التطبيقات، تُوفّر وحدات البكسل الأصغر حجمًا مزايا. تسمح بنية CMOS النموذجية بأحجام بكسل دنيا أصغر من وحدات CCD.
● استهلاك عالي للطاقة:متطلبات الطاقة لتشغيل أجهزة استشعار CCD أعلى بكثير من CMOS.

تطبيقات أجهزة استشعار CCD في التصوير العلمي

على الرغم من شيوع تقنية CMOS، لا تزال مستشعرات CCD تُفضّل في بعض تطبيقات التصوير العلمي، حيث تُعدّ جودة الصورة وحساسيتها وثباتها أمرًا بالغ الأهمية. قدرتها الفائقة على التقاط إشارات الإضاءة الخافتة بأقل قدر من الضوضاء تجعلها مثالية للتطبيقات الدقيقة.

علم الفلك

تُعدّ مستشعرات CCD بالغة الأهمية في التصوير الفلكي نظرًا لقدرتها على التقاط الضوء الخافت من النجوم والمجرات البعيدة. وتُستخدم على نطاق واسع في المراصد وعلم الفلك المتقدم للهواة في التصوير الفلكي طويل التعريض، حيث تُنتج صورًا واضحة ومفصلة.

المجهر وعلوم الحياة

في علوم الحياة، تُستخدم مستشعرات CCD لالتقاط إشارات الفلورسنت الضعيفة أو البنى الخلوية الدقيقة. حساسيتها العالية وتجانسها يجعلها مثالية لتطبيقات مثل المجهر الفلوري، وتصوير الخلايا الحية، وعلم الأمراض الرقمي. تضمن استجابتها الضوئية الخطية تحليلًا كميًا دقيقًا.

فحص أشباه الموصلات

تُعدّ مستشعرات CCD أساسية في تصنيع أشباه الموصلات، وخاصةً لفحص الرقاقات. دقتها العالية وجودة تصويرها الثابتة أساسيتان لتحديد العيوب الدقيقة في الرقاقات، مما يضمن الدقة المطلوبة في إنتاج أشباه الموصلات.

الأشعة السينية والتصوير العلمي

تُستخدم مستشعرات CCD أيضًا في أنظمة الكشف بالأشعة السينية وتطبيقات التصوير المتخصصة الأخرى. وتُعدّ قدرتها على الحفاظ على نسب إشارة إلى ضوضاء عالية، خاصةً عند تبريدها، أمرًا بالغ الأهمية للحصول على صور واضحة في ظروف صعبة مثل علم البلورات، وتحليل المواد، والاختبارات غير الإتلافية.

هل لا تزال أجهزة استشعار CCD ذات أهمية اليوم؟

كاميرا CCD من طراز Tucsen H-694 و674

على الرغم من التطور السريع لتقنية CMOS، إلا أن مستشعرات CCD لا تزال تُعدّ خيارًا مفضلًا في مهام التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة جدًا والدقة العالية، حيث تُعدّ جودة صورها الفريدة وخصائص الضوضاء فيها أمرًا بالغ الأهمية. في مجالات مثل علم فلك الفضاء العميق أو المجهر الفلوري المتقدم، غالبًا ما تتفوق كاميرات CCD على العديد من بدائل CMOS.

يساعد فهم نقاط القوة والضعف في أجهزة استشعار CCD الباحثين والمهندسين على اختيار التكنولوجيا المناسبة لاحتياجاتهم المحددة، مما يضمن الأداء الأمثل في تطبيقاتهم العلمية أو الصناعية.

الأسئلة الشائعة

متى يجب علي اختيار مستشعر CCD؟

أصبحت مستشعرات CCD اليوم أكثر ندرة مما كانت عليه قبل عشر سنوات، حيث بدأت تقنية CMOS تتعدى حتى على أدائها المنخفض في ظلام الليل. ومع ذلك، ستظل هناك تطبيقات توفر فيها خصائص أدائها - مثل جودة الصورة الفائقة، وانخفاض الضوضاء، والحساسية العالية - ميزة إضافية.

لماذا تستخدم الكاميرات العلمية أجهزة استشعار CCD المبردة؟

يُقلل التبريد الضوضاء الحرارية أثناء التقاط الصور، مما يُحسّن وضوحها وحساسيتها. وهذا مهمٌّ بشكل خاص للتصوير العلمي في ظروف الإضاءة المنخفضة والتعريض الطويل، ولهذا السبب تُفضّل العديد من الكاميرات عالية الجودةالكاميرات العلميةالاعتماد على أجهزة CCD المبردة للحصول على نتائج أنظف وأكثر دقة.

ما هو وضع التداخل في أجهزة استشعار CCD وEMCCD، وكيف يعمل على تحسين أداء الكاميرا؟

عادةً ما تكون مستشعرات CCD وEMCCD قادرة على "وضع التداخل". في كاميرات الغالق الشامل، يشير هذا إلى القدرة على قراءة الإطار السابق أثناء تعريض الإطار التالي. يؤدي هذا إلى دورة عمل عالية (قريبة من 100%)، مما يعني ضياع الحد الأدنى من الوقت في عدم تعريض الإطارات للضوء، وبالتالي معدلات إطارات أعلى.

ملاحظة: وضع التداخل له معنى مختلف بالنسبة لمستشعرات الغالق المتدحرج.

إذا كنت تريد معرفة المزيد عن الستائر الدوارة، يرجى النقر فوق:

كيف يعمل وضع التحكم في الغالق المتدحرج وكيفية استخدامه