25.07.31Нягледзячы на тое, што ў 2025 годзе CMOS-датчыкі дамінавалі як у навуковай, так і ў спажывецкай візуалізацыі, так было не заўсёды.
CCD расшыфроўваецца як «Charge-Coupled Device» (прылада з зараднай сувяззю), і CCD-датчыкі былі першымі лічбавымі датчыкамі камер, упершыню распрацаванымі ў 1970 годзе. Камеры на аснове CCD і EMCCD шырока рэкамендаваліся для навуковых прымяненняў яшчэ некалькі гадоў таму. Абедзве тэхналогіі існуюць і сёння, хоць іх выкарыстанне стала нішавым.
Тэмпы ўдасканалення і развіцця CMOS-датчыкаў працягваюць расці. Розніца паміж гэтымі тэхналогіямі заключаецца ў асноўным у тым, як яны апрацоўваюць і счытваюць выяўлены электронны зарад.
Што такое CCD-датчык?
ПЗС-матрыца — гэта тып матрыцы выявы, якая выкарыстоўваецца для захопу святла і пераўтварэння яго ў лічбавыя сігналы. Яна складаецца з масіва святлоадчувальных пікселяў, якія збіраюць фатоны і пераўтвараюць іх у электрычныя зарады.
Счытванне дадзеных CCD-датчыка адрозніваецца ад CMOS-датчыка трыма істотнымі асаблівасцямі:
● Перадача плацяжуЗахопленыя фотаэлектроны электрастатычна перамяшчаюцца піксель за пікселем праз датчык у вобласць счытвання ўнізе.
● Механізм зчытванняЗамест цэлага шэрагу аналага-лічбавых пераўтваральнікаў (АЛП), якія працуюць паралельна, ПЗС-матры выкарыстоўваюць толькі адзін або два АЛП (а часам і больш), якія счытваюць пікселі паслядоўна.
Размяшчэнне кандэнсатараў і ўзмацняльнікаў: замест кандэнсатараў і ўзмацняльнікаў у кожным пікселі кожны АЦП мае адзін кандэнсатар і ўзмацняльнік.
Як працуе CCD-датчык?
Вось як працуе CCD-датчык для атрымання і апрацоўкі выявы:
Малюнак: Працэс зчытвання дадзеных для CCD-датчыка
Пасля заканчэння экспазіцыі CCD-датчыкі спачатку перамяшчаюць сабраныя зарады ў замаскіраваную вобласць захоўвання ўнутры кожнага пікселя (не паказана). Затым, па радку за раз, зарады перамяшчаюцца ў рэгістр счытвання. Па слупку за раз зарады ў рэгістры счытвання счытваюцца.
1. Ачыстка плацяжоўКаб пачаць збор дадзеных, зарад адначасова скідаецца з усяго датчыка (глабальны затвор).
2. Назапашванне зарадаЗарад назапашваецца падчас уздзеяння.
3. Зарадка захоўванняПасля заканчэння экспазіцыі сабраныя зарады перамяшчаюцца ў замаскіраваную вобласць унутры кожнага пікселя (якую называюць міжрадковай пераноснай ПЗС-матрыцай), дзе яны могуць чакаць счытвання без падліку новых выяўленых фатонаў.
4. Экспазіцыя наступнага кадра: Калі выяўленыя зарады захоўваюцца ў замаскіраванай вобласці пікселяў, актыўная вобласць пікселяў можа пачаць экспазіцыю наступнага кадра (рэжым перакрыцця).
5. Паслядоўнае зчытваннеРадок за радком зарады з кожнага радка гатовай рамкі перамяшчаюцца ў «рэгістр зчытвання».
6. Заключнае зчытваннеПа адным слупку за раз зарады з кожнага пікселя перадаюцца ў вузел счытвання для зчытвання на АЦП.
7. ПаўтарэннеГэты працэс паўтараецца, пакуль не будуць падлічаны выяўленыя зарады ва ўсіх пікселях.
Гэтае вузкае месца, выкліканае тым, што ўсе выяўленыя зарады счытваюцца невялікай колькасцю (часам адной) кропак счытвання, прыводзіць да сур'ёзных абмежаванняў прапускной здольнасці CCD-датчыкаў у параўнанні з CMOS.
Плюсы і мінусы CCD-датчыкаў
| Плюсы | Мінусы |
| Нізкі цёмны ток. Звычайна ~0,001 e⁻/p/s пры астуджэнні. | Абмежаваная хуткасць Тыповая прапускная здольнасць ~20 МП/с — значна павольней, чым у CMOS. |
| Зарады пры аб'яднанні пікселяў сумуюцца перад зчытваннем, што памяншае шум. | Высокі шум чытання 5–10 e⁻ з'яўляецца распаўсюджанай з'явай з-за аднакропкавага счытвання АЦП. |
| Глабальны затвор Сапраўдны глабальны або амаль глабальны затвор у міжрадковых/кадрава-пераносных ПЗС-матрыцах. | Большыя памеры пікселяў не могуць параўнацца з тым, што прапануе мініяцюрызацыя CMOS. |
| Высокая аднастайнасць выявы. Выдатна падыходзіць для колькаснай візуалізацыі. | Высокае спажыванне энергіі Патрабуецца больш энергіі для зрушэння зарада і счытвання. |
Перавагі CCD-датчыка
● Нізкі цёмны токПа сваёй сутнасці, CCD-датчыкі, як тэхналогія, маюць вельмі нізкі цёмны ток, звычайна каля 0,001 э-/п/с пры астуджэнні.
● «Папіксельнае» згрупаваннеПры бінінгу ПЗС-матрыцы дадаюць зарады перад счытваннем, а не пасля, гэта значыць, што дадатковага шуму счытвання не ўводзіцца. Цёмны ток павялічваецца, але, як адзначалася вышэй, звычайна гэтая лічба вельмі нізкая.
● Глабальны затворПЗС-матрыцы з функцыяй «Interline» працуюць з глабальным затворам. ПЗС-матрыцы з функцыяй перадачы кадраў выкарыстоўваюць паўглабальны затвор (гл. вобласць «Masked» на малюнку 45) — працэс перадачы кадраў для пачатку і заканчэння экспазіцыі не з'яўляецца цалкам адначасовым, але звычайна займае каля 1-10 мікрасекунд. Некаторыя ПЗС-матрыцы выкарыстоўваюць механічны затвор.
Мінусы CCD-датчыкаў
● Абмежаваная хуткасцьТыповая прапускная здольнасць дадзеных у пікселях у секунду можа складаць каля 20 мегапікселяў у секунду (МП/с), што эквівалентна выяве з дазволам 4 МП пры частаце 5 кадраў у секунду. Гэта прыкладна ў 20 разоў павольней, чым у эквівалентнай CMOS-матрыцы, і як мінімум у 100 разоў павольней, чым у высакахуткаснай CMOS-матрыцы.
● Высокі ўзровень шуму пры чытанніШум чытання ў ПЗС-матрыцах высокі, галоўным чынам з-за неабходнасці працаваць з АЦП на высокай частаце для дасягнення карыснай хуткасці камеры. Для высакаякасных ПЗС-матрыц характэрны дыяпазон ад 5 да 10 e-.
● Большыя пікселіДля многіх ужыванняў меншыя пікселі маюць перавагі. Тыповая архітэктура CMOS дазваляе меншыя мінімальныя памеры пікселяў, чым CCD.
● Высокае энергаспажываннеПатрабаванні да харчавання для працы CCD-датчыкаў значна вышэйшыя, чым для CMOS-датчыкаў.
Прымяненне CCD-датчыкаў у навуковай візуалізацыі
Нягледзячы на папулярнасць CMOS-тэхналогіі, CCD-датчыкі ўсё яшчэ пераважна выкарыстоўваюцца ў некаторых навуковых візуалізацыях, дзе якасць выявы, адчувальнасць і стабільнасць маюць першараднае значэнне. Іх выдатная здольнасць захопліваць сігналы пры слабым асвятленні з мінімальным шумам робіць іх ідэальнымі для дакладных задач.
Астраномія
ПЗС-датчыкі маюць вырашальнае значэнне ў астранамічнай візуалізацыі дзякуючы сваёй здольнасці ўлоўліваць слабае святло ад далёкіх зорак і галактык. Яны шырока выкарыстоўваюцца як у абсерваторыях, так і ў перадавых аматарскіх астраномах для астрафатаграфіі з доўгай вытрымкай, забяспечваючы выразныя і дэталізаваныя выявы.
Мікраскапія і навукі аб жыцці
У навуках аб жыцці ПЗС-датчыкі выкарыстоўваюцца для захопу слабых флуарэсцэнтных сігналаў або тонкіх клетачных структур. Іх высокая адчувальнасць і аднастайнасць робяць іх ідэальнымі для такіх ужыванняў, як флуарэсцэнтная мікраскапія, візуалізацыя жывых клетак і лічбавая паталогія. Іх лінейная светлавая характарыстыка забяспечвае дакладны колькасны аналіз.
Праверка паўправаднікоў
ПЗС-датчыкі маюць вырашальнае значэнне ў вытворчасці паўправаднікоў, асабліва для кантролю пласцін. Іх высокае разрозненне і стабільная якасць выявы неабходныя для выяўлення мікрамаштабных дэфектаў у чыпах, што забяспечвае неабходную дакладнасць у вытворчасці паўправаднікоў.
Рэнтгенаграфія і навуковая візуалізацыя
ПЗС-датчыкі таксама выкарыстоўваюцца ў сістэмах выяўлення рэнтгенаўскіх прамянёў і іншых спецыялізаваных прыкладаннях візуалізацыі. Іх здольнасць падтрымліваць высокія суадносіны сігнал/шум, асабліва пры астуджэнні, мае жыццёва важнае значэнне для атрымання выразнай візуалізацыі ў складаных умовах, такіх як крышталаграфія, аналіз матэрыялаў і неразбуральны кантроль.
Ці актуальныя CCD-датчыкі сёння?
ПЗС-камера Tucsen H-694 і 674
Нягледзячы на хуткае развіццё CMOS-тэхналогіі, CCD-датчыкі далёка не састарэлі. Яны застаюцца пераважным выбарам у задачах звышнізкай асветленасці і высокадакладнай візуалізацыі, дзе іх непераўзыдзеная якасць выявы і шумавыя характарыстыкі маюць вырашальнае значэнне. У такіх галінах, як астраномія глыбокага космасу або перадавая флуарэсцэнтная мікраскапія, CCD-камеры часта пераўзыходзяць многія CMOS-альтэрнатывы.
Разуменне моцных і слабых бакоў CCD-датчыкаў дапамагае даследчыкам і інжынерам выбраць правільную тэхналогію для сваіх канкрэтных патрэб, забяспечваючы аптымальную прадукцыйнасць у навуковых або прамысловых прымяненнях.
Часта задаваныя пытанні
Калі варта выбіраць CCD-датчык?
ПЗС-датчыкі сёння сустракаюцца значна радзей, чым дзесяць гадоў таму, бо тэхналогія CMOS пачынае саступаць нават іх прадукцыйнасці пры нізкім цёмнавым току. Аднак заўсёды будуць існаваць сферы прымянення, дзе спалучэнне іх характарыстык, такіх як выдатная якасць выявы, нізкі ўзровень шуму і высокая адчувальнасць, дае перавагу.
Чаму ў навуковых камерах выкарыстоўваюцца астуджаныя CCD-датчыкі?
Астуджэнне памяншае цеплавы шум падчас здымкі выявы, паляпшаючы яе выразнасць і адчувальнасць. Гэта асабліва важна для навуковай здымкі пры слабым асвятленні і працяглай вытрымцы, таму многія высакаякасныя...навуковыя камерыДля атрымання больш чыстых і дакладных вынікаў спадзявайцеся на астуджаныя ПЗС-матрыцы.
Што такое рэжым перакрыцця ў CCD і EMCCD датчыках, і як ён паляпшае прадукцыйнасць камеры?
CCD- і EMCCD-датчыкі звычайна здольныя працаваць у «рэжыме перакрыцця». Для камер з глабальным затворам гэта азначае магчымасць зчытвання папярэдняга кадра падчас экспазіцыі наступнага кадра. Гэта прыводзіць да высокага (каля 100%) каэфіцыента запаўнення, што азначае мінімальную страту часу на адсутнасць асвятлення ў кадрах і, такім чынам, больш высокую частату кадраў.
Заўвага: Рэжым перакрыцця мае іншае значэнне для датчыкаў рухомага затвора.
Калі вы хочаце даведацца больш пра рулонныя аканіцы, націсніце:
Як працуе рэжым кіравання рулоннымі засаўкамі і як ім карыстацца
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
