25/07/31Tot i que el 2025 els sensors CMOS dominen la imatge científica i la de consum per igual, no sempre va ser així.
CCD significa "Charge-Coupled Device" (Dispositiu d'Acoblament de Càrrega), i els sensors CCD van ser els sensors originals de les càmeres digitals, desenvolupats per primera vegada el 1970. Les càmeres basades en CCD i EMCCD es recomanaven habitualment per a aplicacions científiques fins fa només uns anys. Ambdues tecnologies encara sobreviuen avui dia, tot i que els seus usos s'han convertit en un nínxol.
El ritme de millora i desenvolupament dels sensors CMOS continua augmentant. La diferència entre aquestes tecnologies rau principalment en la manera com processen i llegeixen la càrrega electrònica detectada.
Què és un sensor CCD?
El sensor CCD és un tipus de sensor d'imatge que s'utilitza per capturar la llum i convertir-la en senyals digitals. Consisteix en una matriu de píxels sensibles a la llum que recullen fotons i els converteixen en càrregues elèctriques.
La lectura del sensor CCD difereix de la del CMOS en tres aspectes importants:
● Transferència de càrregaEls fotoelectrons capturats es mouen electrostàticament píxel a píxel a través del sensor fins a una àrea de lectura a la part inferior.
● Mecanisme de lecturaEn lloc d'una fila sencera de convertidors analògic-digitals (ADC) que funcionen en paral·lel, els CCD utilitzen només un o dos ADC (o de vegades més) que llegeixen els píxels seqüencialment.
Col·locació de condensadors i amplificadors: En lloc de condensadors i amplificadors a cada píxel, cada ADC té un condensador i un amplificador.
Com funciona un sensor CCD?
Així és com funciona un sensor CCD per adquirir i processar una imatge:
Figura: Procés de lectura per a un sensor CCD
Al final de la seva exposició, els sensors CCD primer mouen les càrregues recollides a una àrea d'emmagatzematge emmascarada dins de cada píxel (no mostrada). A continuació, una fila a la vegada, les càrregues es mouen a un registre de lectura. Una columna a la vegada, es llegeixen les càrregues del registre de lectura.
1. Liquidació de càrrecsPer començar l'adquisició, la càrrega s'elimina simultàniament de tot el sensor (obturador global).
2. Acumulació de càrregaLa càrrega s'acumula durant l'exposició.
3. Emmagatzematge de càrregaAl final de l'exposició, les càrregues recollides es mouen a una zona emmascarada dins de cada píxel (anomenada CCD de transferència interlínia), on poden esperar la lectura sense que es comptin els nous fotons detectats.
4. Exposició del següent fotogramaAmb les càrregues detectades emmagatzemades a l'àrea emmascarada de píxels, l'àrea activa de píxels pot començar l'exposició del següent fotograma (mode de superposició).
5. Lectura seqüencialUna fila a la vegada, les càrregues de cada fila del marc acabat es mouen a un "registre de lectura".
6. Lectura finalUna columna a la vegada, les càrregues de cada píxel es transporten al node de lectura per a la lectura a l'ADC.
7. RepeticióAquest procés es repeteix fins que es compten les càrregues detectades en tots els píxels.
Aquest coll d'ampolla causat pel fet que totes les càrregues detectades són llegides per un nombre reduït (de vegades un) de punts de lectura, condueix a limitacions importants en el rendiment de dades dels sensors CCD en comparació amb els CMOS.
Avantatges i inconvenients dels sensors CCD
| Pros | Contres |
| Corrent de foscor baix Normalment ~0,001 e⁻/p/s quan es refreda. | Velocitat limitada Rendiment típic ~20 MP/s, molt més lent que el CMOS. |
| Les càrregues d'agrupació en píxels es sumen abans de la lectura, cosa que redueix el soroll. | Un soroll de lectura elevat de 5–10 e⁻ és habitual a causa de la lectura ADC d'un sol punt. |
| Obturador global Obturador global o quasi global real en CCD de transferència entre línies/fotograma. | Les mides de píxel més grans no poden igualar la miniaturització que ofereix el CMOS. |
| Alta uniformitat d'imatge Excel·lent per a imatges quantitatives. | Alt consum d'energia Requereix més potència per al canvi de càrrega i la lectura. |
Avantatges del sensor CCD
● Corrent de foscor baixInherentment com a tecnologia, els sensors CCD tendeixen a tenir un corrent de foscor molt baix, normalment de l'ordre de 0,001 e-/p/s quan es refreden.
● Agrupació 'en píxel'Quan s'agrupen, els CCD afegeixen càrregues abans de la lectura, no després, cosa que significa que no s'introdueix cap soroll de lectura addicional. El corrent de foscor augmenta, però com s'ha esmentat anteriorment, normalment és molt baix.
● Obturador globalEls sensors CCD «interlínia» funcionen amb un obturador global real. Els sensors CCD de «transferència de fotogrames» utilitzen un obturador «mig global» (vegeu la regió «emmascarada» de la figura 45): el procés de transferència de fotogrames per iniciar i finalitzar l'exposició no és realment simultani, sinó que normalment triga entre 1 i 10 microsegons. Alguns CCD utilitzen obturador mecànic.
Contres dels sensors CCD
● Velocitat limitadaEl rendiment típic de dades en píxels per segon pot ser d'uns 20 megapíxels per segon (MP/s), equivalent a una imatge de 4 MP a 5 fps. Això és unes 20 vegades més lent que un CMOS equivalent i com a mínim 100 vegades més lent que un CMOS d'alta velocitat.
● Alt soroll de lecturaEl soroll de lectura als CCD és elevat, principalment a causa de la necessitat d'executar els ADC a una velocitat alta per aconseguir una velocitat de càmera utilitzable. De 5 a 10 e- és habitual per a les càmeres CCD d'alta gamma.
● Píxels més gransPer a moltes aplicacions, els píxels més petits proporcionen avantatges. L'arquitectura CMOS típica permet mides mínimes de píxel més petites que les CCD.
● Alt consum d'energiaEls requisits d'energia per al funcionament dels sensors CCD són molt més alts que els CMOS.
Aplicacions dels sensors CCD en imatges científiques
Tot i que la tecnologia CMOS ha guanyat popularitat, els sensors CCD encara es prefereixen en certes aplicacions d'imatge científica on la qualitat de la imatge, la sensibilitat i la consistència són primordials. La seva capacitat superior per capturar senyals de poca llum amb un soroll mínim els fa ideals per a aplicacions de precisió.
Astronomia
Els sensors CCD són fonamentals en la imatge astronòmica per la seva capacitat de capturar llum tènue d'estrelles i galàxies distants. S'utilitzen àmpliament tant en observatoris com en astronomia amateur avançada per a l'astrofotografia de llarga exposició, oferint imatges clares i detallades.
Microscòpia i Ciències de la Vida
En ciències de la vida, els sensors CCD s'utilitzen per capturar senyals de fluorescència febles o estructures cel·lulars subtils. La seva alta sensibilitat i uniformitat els fan perfectes per a aplicacions com la microscòpia de fluorescència, la imatge de cèl·lules vives i la patologia digital. La seva resposta lineal a la llum garanteix una anàlisi quantitativa precisa.
Inspecció de semiconductors
Els sensors CCD són crucials en la fabricació de semiconductors, especialment per a la inspecció d'oblies. La seva alta resolució i la seva qualitat d'imatge consistent són essencials per identificar defectes a microescala en xips, garantint la precisió necessària en la producció de semiconductors.
Raigs X i imatges científiques
Els sensors CCD també s'utilitzen en sistemes de detecció de raigs X i altres aplicacions d'imatge especialitzades. La seva capacitat per mantenir una alta relació senyal-soroll, especialment quan es refreden, és vital per obtenir imatges nítides en condicions difícils com ara la cristal·lografia, l'anàlisi de materials i els assaigs no destructius.
Els sensors CCD encara són rellevants avui dia?
Càmera CCD Tucsen H-694 i 674
Malgrat el ràpid desenvolupament de la tecnologia CMOS, els sensors CCD estan lluny de ser obsolets. Continuen sent una opció preferida en tasques d'imatges d'alta precisió i amb llum ultrabaixa, on la seva qualitat d'imatge i les seves característiques de soroll inigualables són crucials. En camps com l'astronomia de l'espai profund o la microscòpia de fluorescència avançada, les càmeres CCD sovint superen moltes alternatives CMOS.
Comprendre els punts forts i febles dels sensors CCD ajuda els investigadors i enginyers a seleccionar la tecnologia adequada per a les seves necessitats específiques, garantint un rendiment òptim en les seves aplicacions científiques o industrials.
Preguntes freqüents
Quan hauria de triar un sensor CCD?
Els sensors CCD són molt més rars avui dia que fa deu anys, ja que la tecnologia CMOS comença a envair fins i tot el seu baix rendiment de corrent fosc. Tanmateix, sempre hi haurà aplicacions on la seva combinació de característiques de rendiment, com ara una qualitat d'imatge superior, baix soroll i alta sensibilitat, ofereixi un avantatge.
Per què les càmeres científiques utilitzen sensors CCD refrigerats?
El refredament redueix el soroll tèrmic durant la captura d'imatges, millorant la claredat i la sensibilitat de la imatge. Això és particularment important per a imatges científiques amb poca llum i llarga exposició, motiu pel qual molts dispositius d'alta gammacàmeres científiquesconfieu en CCD refrigerats per obtenir resultats més nets i precisos.
Què és el mode de superposició en els sensors CCD i EMCCD i com millora el rendiment de la càmera?
Els sensors CCD i EMCCD solen ser capaços de "mode de superposició". Per a les càmeres d'obturador global, això es refereix a la capacitat de llegir el fotograma anterior durant l'exposició del següent fotograma. Això porta a un cicle de treball alt (prop del 100%), la qual cosa significa que es perd un temps mínim sense exposar els fotogrames a la llum i, per tant, freqüències de fotogrames més altes.
Nota: El mode de superposició té un significat diferent per als sensors de l'obturador rodant.
Si voleu saber-ne més sobre les persianes enrotllables, feu clic a:
Com funciona el mode de control de l'obturador rodant i com s'utilitza
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
