25.07.2031.Iako 2025. godine CMOS senzori dominiraju podjednako u naučnoj i potrošačkoj obradi slika, to nije uvijek bio slučaj.
CCD je skraćenica za "Charge-Coupled Device" (device sa spregnutim nabojem), a CCD senzori su bili originalni senzori digitalnih kamera, prvi put razvijeni 1970. godine. Kamere zasnovane na CCD-u i EMCCD-u su se obično preporučivale za naučne primjene do prije samo nekoliko godina. Obje tehnologije i danas opstaju, iako je njihova upotreba postala nišna.
Stopa poboljšanja i razvoja CMOS senzora nastavlja da raste. Razlika između ovih tehnologija leži prvenstveno u načinu na koji obrađuju i očitavaju detektovano elektronsko naelektrisanje.
Šta je CCD senzor?
CCD senzor je vrsta senzora slike koji se koristi za hvatanje svjetlosti i njeno pretvaranje u digitalne signale. Sastoji se od niza piksela osjetljivih na svjetlost koji sakupljaju fotone i pretvaraju ih u električne naboje.
Očitavanje CCD senzora se razlikuje od CMOS senzora na tri značajna načina:
● Prijenos naplateUhvaćeni fotoelektroni se elektrostatički pomiču piksel po piksel preko senzora do područja za očitavanje na dnu.
● Mehanizam za očitavanjeUmjesto cijelog niza analogno-digitalnih pretvarača (ADC) koji rade paralelno, CCD-ovi koriste samo jedan ili dva ADC-a (ili ponekad više) koji sekvencijalno čitaju piksele.
Postavljanje kondenzatora i pojačala: Umjesto kondenzatora i pojačala u svakom pikselu, svaki ADC ima jedan kondenzator i pojačalo.
Kako funkcioniše CCD senzor?
Evo kako CCD senzor radi na snimanju i obradi slike:
Slika: Proces očitavanja za CCD senzor
Na kraju ekspozicije, CCD senzori prvo premještaju prikupljena naboja unutar maskiranog područja za pohranu unutar svakog piksela (nije prikazano). Zatim se, red po red, naboji premještaju u registar za očitavanje. Kolona po kolona, naboji unutar registra za očitavanje se očitavaju.
1. Obrađivanje naplateDa bi se započelo snimanje, naboj se istovremeno briše iz cijelog senzora (globalni zatvarač).
2. Akumulacija nabojaNaboj se akumulira tokom ekspozicije.
3. Skladištenje punjenjaNa kraju ekspozicije, prikupljeni naboji se premještaju u maskirano područje unutar svakog piksela (tzv. interline transfer CCD), gdje mogu čekati očitavanje bez brojanja novo detektovanih fotona.
4. Ekspozicija sljedećeg kadraSa detektovanim nabojima pohranjenim u maskiranom području piksela, aktivno područje piksela može započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (režim preklapanja).
5. Sekvencijalno očitavanjeRed po red, naboji iz svakog reda gotovog okvira se premještaju u 'registar za očitavanje'.
6. Konačno očitavanjeJedna kolona istovremeno, naboji iz svakog piksela se prenose u čvor za očitavanje radi očitavanja na ADC-u.
7. PonavljanjeOvaj proces se ponavlja sve dok se ne prebroje detektovani naboji u svim pikselima.
Ovo usko grlo uzrokovano time što sva detektovana naboja očitava mali broj (ponekad i jedna) tačaka očitavanja, dovodi do ozbiljnih ograničenja u propusnosti podataka CCD senzora u poređenju sa CMOS senzorima.
Prednosti i mane CCD senzora
| Prednosti | Nedostaci |
| Niska tamna struja Tipično ~0,001 e⁻/p/s kada se ohladi. | Ograničena brzina Tipična propusnost ~20 MP/s — mnogo sporije od CMOS-a. |
| Naboji za grupisanje na pikselu se sabiraju prije očitavanja, smanjujući šum. | Visok šum očitavanja 5–10 e⁻ je uobičajen zbog očitavanja ADC-a iz jedne tačke. |
| Globalni zatvarač Pravi globalni ili gotovo globalni zatvarač kod CCD-ova sa interlinijskim/slikovnim prenosom. | Veće veličine piksela ne mogu se mjeriti s minijaturizacijom koju nudi CMOS. |
| Visoka ujednačenost slike Odlična za kvantitativno snimanje. | Visoka potrošnja energije Zahtijeva više energije za pomicanje naboja i očitavanje. |
Prednosti CCD senzora
● Niska tamna strujaCCD senzori, inherentno kao tehnologija, imaju tendenciju vrlo niske tamne struje, obično reda veličine 0,001 e-/p/s kada se ohlade.
● Binning 'na pikselu'Prilikom grupisanja, CCD-ovi dodaju naboje prije očitavanja, a ne nakon toga, što znači da se ne uvodi dodatni šum očitavanja. Tamna struja se povećava, ali kao što je gore navedeno, to je obično vrlo nisko.
● Globalni zatvarač'Interline' CCD senzori rade s pravim globalnim zatvaračem. CCD senzori s 'Frame Transfer' koriste 'half-global' zatvarač (pogledajte 'Masked' područje na slici 45) – proces prijenosa kadrova za početak i kraj ekspozicije nije zaista istovremen, već obično traje reda veličine 1-10 mikrosekundi. Neki CCD-ovi koriste mehanički zatvarač.
Nedostaci CCD senzora
● Ograničena brzinaTipičan protok podataka u pikselima u sekundi može biti oko 20 megapiksela u sekundi (MP/s), što je ekvivalentno slici od 4 MP pri 5 fps. Ovo je oko 20 puta sporije od ekvivalentnog CMOS-a i najmanje 100 puta sporije od brzog CMOS-a.
● Visok šum pri čitanjuŠum pri čitanju kod CCD-ova je visok, uglavnom zbog potrebe za radom ADC-a velikom brzinom kako bi se postigla upotrebljiva brzina kamere. 5 do 10 e- je uobičajeno za vrhunske CCD kamere.
● Veći pikseliZa mnoge primjene, manji pikseli pružaju prednosti. Tipična CMOS arhitektura omogućava manje minimalne veličine piksela nego CCD.
● Visoka potrošnja energijeZahtjevi za napajanje CCD senzora su mnogo veći nego za CMOS.
Primjena CCD senzora u naučnom snimanju
Iako je CMOS tehnologija stekla popularnost, CCD senzori su i dalje preferirani u određenim naučnim primjenama snimanja gdje su kvalitet slike, osjetljivost i konzistentnost od najveće važnosti. Njihova superiorna sposobnost snimanja signala u uslovima slabog osvjetljenja uz minimalan šum čini ih idealnim za precizne primjene.
Astronomija
CCD senzori su ključni u astronomskom snimanju zbog svoje sposobnosti da uhvate slabu svjetlost udaljenih zvijezda i galaksija. Široko se koriste i u opservatorijama i u naprednoj amaterskoj astronomiji za astrofotografiju s dugom ekspozicijom, pružajući jasne i detaljne slike.
Mikroskopija i nauke o životu
U prirodnim naukama, CCD senzori se koriste za snimanje slabih fluorescentnih signala ili suptilnih ćelijskih struktura. Njihova visoka osjetljivost i ujednačenost čine ih savršenim za primjene poput fluorescentne mikroskopije, snimanja živih ćelija i digitalne patologije. Njihov linearni svjetlosni odziv osigurava tačnu kvantitativnu analizu.
Inspekcija poluprovodnika
CCD senzori su ključni u proizvodnji poluprovodnika, posebno za inspekciju pločica. Njihova visoka rezolucija i konzistentan kvalitet slike su neophodni za identifikaciju mikrodefekata u čipovima, osiguravajući preciznost potrebnu u proizvodnji poluprovodnika.
Rendgensko i naučno snimanje
CCD senzori se također koriste u sistemima za detekciju rendgenskih zraka i drugim specijaliziranim primjenama snimanja. Njihova sposobnost održavanja visokog odnosa signal-šum, posebno kada se hlade, ključna je za jasno snimanje u zahtjevnim uvjetima kao što su kristalografija, analiza materijala i nerazorna ispitivanja.
Da li su CCD senzori i danas relevantni?
Tucsen H-694 i 674 CCD kamera
Uprkos brzom razvoju CMOS tehnologije, CCD senzori su daleko od zastarjelih. Oni ostaju preferirani izbor u zadacima snimanja u uslovima ultra-slabog osvjetljenja i visoke preciznosti, gdje su njihov neuporedivi kvalitet slike i karakteristike šuma ključni. U oblastima poput astronomije dubokog svemira ili napredne fluorescentne mikroskopije, CCD kamere često nadmašuju mnoge CMOS alternative.
Razumijevanje snaga i slabosti CCD senzora pomaže istraživačima i inženjerima da odaberu pravu tehnologiju za svoje specifične potrebe, osiguravajući optimalne performanse u svojim naučnim ili industrijskim primjenama.
Često postavljana pitanja
Kada trebam odabrati CCD senzor?
CCD senzori su danas mnogo rjeđi nego prije deset godina, jer CMOS tehnologija počinje da zadire čak i u njihove performanse pri niskim tamnim strujama. Međutim, uvijek će postojati primjene gdje njihova kombinacija karakteristika performansi - kao što su vrhunski kvalitet slike, nizak šum i visoka osjetljivost - pruža prednost.
Zašto naučne kamere koriste hlađene CCD senzore?
Hlađenje smanjuje termalni šum tokom snimanja slike, poboljšavajući jasnoću i osjetljivost slike. Ovo je posebno važno za naučno snimanje pri slabom osvjetljenju i dugoj ekspoziciji, zbog čega mnogi vrhunski...naučne kamereZa čistije i preciznije rezultate oslonite se na hlađene CCD senzore.
Šta je preklapajući način rada kod CCD i EMCCD senzora i kako poboljšava performanse kamere?
CCD i EMCCD senzori obično imaju mogućnost 'preklapanja'. Kod kamera sa globalnim zatvaračem, ovo se odnosi na sposobnost očitavanja prethodnog kadra tokom ekspozicije sljedećeg kadra. To dovodi do visokog (blizu 100%) radnog ciklusa, što znači da se gubi minimalno vrijeme zbog neizlaganja kadrova svjetlosti, a samim tim i veće brzine kadrova.
Napomena: Režim preklapanja ima drugačije značenje za senzore rolo zatvarača.
Ako želite saznati više o rolo vratima, kliknite na:
Kako funkcioniše režim upravljanja rolo zatvaračem i kako ga koristiti
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
