25/07/31Въпреки че през 2025 г. CMOS сензорите доминират както в научните, така и в потребителските изображения, това не винаги е било така.
CCD е съкращение от „Charge-Coupled Device“ (устройство със зарядно свързване), а CCD сензорите са били оригиналните сензори за цифрови фотоапарати, разработени за първи път през 1970 г. Камерите, базирани на CCD и EMCCD, са били широко препоръчвани за научни приложения само допреди няколко години. И двете технологии все още съществуват днес, въпреки че употребата им е станала нишова.
Темпът на усъвършенстване и развитие на CMOS сензорите продължава да се увеличава. Разликата между тези технологии се състои главно в начина, по който те обработват и отчитат открития електронен заряд.
Какво е CCD сензор?
CCD сензорът е вид сензор за изображения, използван за улавяне на светлина и преобразуването ѝ в цифрови сигнали. Той се състои от масив от светлочувствителни пиксели, които събират фотони и ги превръщат в електрически заряди.
Отчитането на CCD сензора се различава от CMOS сензора по три съществени начина:
● Прехвърляне на таксаЗаснетите фотоелектрони се преместват електростатично пиксел по пиксел през сензора до зона за отчитане в долната част.
● Механизъм за отчитанеВместо цял ред аналогово-цифрови преобразуватели (ADC), работещи паралелно, CCD матриците използват само един или два ADC (или понякога повече), които четат пикселите последователно.
Разположение на кондензатор и усилвател: Вместо кондензатори и усилватели във всеки пиксел, всеки аналогово-цифров преобразувател (ADC) има един кондензатор и усилвател.
Как работи CCD сензорът?
Ето как работи CCD сензорът, за да придобие и обработи изображение:
Фигура: Процес на отчитане на данни за CCD сензор
В края на експозицията си, CCD сензорите първо преместват събраните заряди в маскирана област за съхранение във всеки пиксел (не е показана). След това, ред по ред, зарядите се преместват в регистър за отчитане. Зарядите в регистъра за отчитане се отчитат колона по колона.
1. Изчистване на такситеЗа да започне събирането на данни, зарядът се изчиства едновременно от целия сензор (глобален затвор).
2. Натрупване на зарядЗарядът се натрупва по време на експозиция.
3. Зареждане на съхранениеВ края на експозицията, събраните заряди се преместват в маскирана област във всеки пиксел (наречена CCD с междуредово прехвърляне), където могат да изчакат отчитане, без да се броят новооткритите фотони.
4. Експозиция на следващия кадърСлед като засечените заряди се съхраняват в маскираната област на пикселите, активната област на пикселите може да започне експозицията на следващия кадър (режим на припокриване).
5. Последователно отчитанеРед по ред, зарядите от всеки ред на готовата рамка се преместват в „регистър за отчитане“.
6. Окончателно отчитанеЗарядите от всеки пиксел, колона по колона, се прехвърлят към възела за отчитане от аналогово-цифровия преобразувател (ADC).
7. ПовторениеТози процес се повтаря, докато се преброят засечените заряди във всички пиксели.
Това затруднение, причинено от факта, че всички засечени заряди се отчитат от малък брой (понякога една) точки за отчитане, води до сериозни ограничения в пропускателната способност на CCD сензорите в сравнение с CMOS.
Плюсове и минуси на CCD сензорите
| Плюсове | Недостатъци |
| Нисък тъмен ток. Обикновено ~0,001 e⁻/p/s при охлаждане. | Ограничена скорост Типична пропускателна способност ~20 MP/s — много по-бавно от CMOS. |
| Зарядите за On-Pixel Binning се сумират преди отчитане, което намалява шума. | Високият шум при четене 5–10 e⁻ е често срещан поради едноточковото отчитане на аналогово-цифровия преобразувател (АЦП). |
| Глобален затвор Истински глобален или почти глобален затвор в CCD с междуредов/кадров трансфер. | По-големи размери на пикселите не могат да се сравнят с миниатюризацията, която предлага CMOS. |
| Висока еднородност на изображението. Отлично за количествено изобразяване. | Висока консумация на енергия. Изисква повече енергия за пренасочване на заряда и отчитане. |
Предимства на CCD сензора
● Нисък тъмен токПо своята същност CCD сензорите са склонни да имат много нисък тъмен ток, обикновено от порядъка на 0,001 e-/p/s при охлаждане.
● „Напикселно“ групиранеПри групиране (binning), CCD матриците добавят заряди преди отчитането, а не след това, което означава, че не се въвежда допълнителен шум при отчитане. Тъмният ток се увеличава, но както бе отбелязано по-горе, това обикновено е много ниско.
● Глобален затворCCD сензорите с „Interline“ работят с истински глобален затвор. CCD сензорите с „Frame Transfer“ използват „половин глобален“ затвор (вижте „маскираната“ област на Фигура 45) – процесът на прехвърляне на кадри за начало и край на експозицията не е наистина едновременен, а обикновено отнема от порядъка на 1-10 микросекунди. Някои CCD използват механичен затвор.
Недостатъци на CCD сензорите
● Ограничена скоростТипичният капацитет на данните в пиксели в секунда може да бъде около 20 мегапиксела в секунда (MP/s), което е еквивалентно на 4 MP изображение при 5 кадъра в секунда. Това е около 20 пъти по-бавно от еквивалентния CMOS и поне 100 пъти по-бавно от високоскоростния CMOS.
● Висок шум при четенеШумът при четене в CCD-тата е висок, до голяма степен поради необходимостта аналогово-цифровите преобразуватели (АЦП) да работят с висока честота, за да се постигне използваема скорост на камерата. 5 до 10 e- е обичайно за висок клас CCD камери.
● По-големи пикселиЗа много приложения, по-малките пиксели предоставят предимства. Типичната CMOS архитектура позволява по-малки минимални размери на пикселите от CCD.
● Висока консумация на енергияИзискванията за захранване за работа на CCD сензори са много по-високи от тези на CMOS.
Приложения на CCD сензори в научната обработка на изображения
Въпреки че CMOS технологията е набрала популярност, CCD сензорите все още са предпочитани в определени научни приложения за изображения, където качеството на изображението, чувствителността и консистентността са от първостепенно значение. Тяхната превъзходна способност да улавят сигнали при слаба светлина с минимален шум ги прави идеални за прецизни приложения.
Астрономия
CCD сензорите са от решаващо значение в астрономическото изобразяване поради способността им да улавят слаба светлина от далечни звезди и галактики. Те се използват широко както в обсерватории, така и в напредналата любителска астрономия за астрофотография с дълга експозиция, предоставяйки ясни и детайлни изображения.
Микроскопия и науки за живота
В науките за живота CCD сензорите се използват за улавяне на слаби флуоресцентни сигнали или фини клетъчни структури. Тяхната висока чувствителност и еднородност ги правят идеални за приложения като флуоресцентна микроскопия, изобразяване на живи клетки и дигитална патология. Линейният им светлинен отклик осигурява точен количествен анализ.
Инспекция на полупроводници
CCD сензорите са от решаващо значение в производството на полупроводници, особено за инспекция на пластини. Тяхната висока резолюция и постоянно качество на изображението са от съществено значение за идентифициране на микромащабни дефекти в чиповете, осигурявайки прецизността, необходима при производството на полупроводници.
Рентгенова и научна образна диагностика
CCD сензорите се използват и в системи за рентгеново откриване и други специализирани приложения за изображения. Способността им да поддържат високо съотношение сигнал/шум, особено при охлаждане, е жизненоважна за ясното изобразяване в трудни условия като кристалография, анализ на материали и безразрушителен контрол.
Все още ли са актуални CCD сензорите днес?
CCD камера Tucsen H-694 и 674
Въпреки бързото развитие на CMOS технологията, CCD сензорите далеч не са остарели. Те остават предпочитан избор при задачи за ултра-слаба светлина и високопрецизна обработка на изображения, където несравнимото им качество на изображението и шумови характеристики са от решаващо значение. В области като астрономията в дълбокия космос или усъвършенстваната флуоресцентна микроскопия, CCD камерите често превъзхождат много CMOS алтернативи.
Разбирането на силните и слабите страни на CCD сензорите помага на изследователите и инженерите да изберат правилната технология за своите специфични нужди, осигурявайки оптимална производителност в техните научни или промишлени приложения.
Често задавани въпроси
Кога трябва да избера CCD сензор?
CCD сензорите са много по-редки днес, отколкото преди десет години, тъй като CMOS технологията започва да ограничава дори производителността им при нисък тъмен ток. Въпреки това, винаги ще има приложения, където комбинацията от характеристики на производителност – като превъзходно качество на изображението, нисък шум и висока чувствителност – осигурява предимство.
Защо научните камери използват охладени CCD сензори?
Охлаждането намалява топлинния шум по време на заснемане на изображението, подобрявайки яснотата и чувствителността на изображението. Това е особено важно за научни изображения при слаба светлина и дълга експозиция, поради което много висок клас...научни камериразчитайте на охладени CCD матрици за по-чисти и по-точни резултати.
Какво е режим на припокриване в CCD и EMCCD сензорите и как той подобрява производителността на камерата?
CCD и EMCCD сензорите обикновено са способни на „режим на припокриване“. При камерите с глобален затвор това се отнася до способността за прочитане на предишния кадър по време на експозицията на следващия кадър. Това води до висок (близо 100%) работен цикъл, което означава, че се губи минимално време, докато кадрите не се излагат на светлина, и следователно по-висока честота на кадрите.
Забележка: Режимът на припокриване има различно значение за сензорите за ролетна щора.
Ако искате да научите повече за ролетните щори, моля, кликнете върху:
Как работи режимът за управление на ролетна щора и как да го използвате
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
