Capiscendu i Sensori CCD: Ciò chì sò è cumu funzionanu |

Ancu s'è in u 2025, i sensori CMOS duminanu l'imaghjini scientifica è di cunsumu, questu ùn hè micca sempre statu u casu.

CCD significa "Charge-Coupled Device", è i sensori CCD eranu i sensori originali di e camere digitale, sviluppati per a prima volta in u 1970. E camere basate nantu à CCD è EMCCD eranu cumunemente raccomandate per applicazioni scientifiche finu à pochi anni fà. E duie tecnulugie sopravvivenu sempre oghje, ancu s'è i so usi sò diventati di nicchia.

U ritmu di migliurazione è di sviluppu di i sensori CMOS cuntinueghja à cresce. A differenza trà ste tecnulugie stà principalmente in u modu in cui processanu è leghjenu a carica elettronica rilevata.

Chì ghjè un sensore CCD?

Sensore d'imagine CCD di zona di furmatu di 1 pollice

U sensore CCD hè un tipu di sensore d'imagine utilizatu per catturà a luce è cunvertiscela in signali digitali. Si compone di una matrice di pixel sensibili à a luce chì raccolgenu fotoni è li trasformanu in cariche elettriche.

A lettura di u sensore CCD hè diversa da a lettura di u CMOS in trè modi significativi:

● Trasferimentu di caricaI fotoelettroni catturati sò spostati elettrostaticamente pixel per pixel attraversu u sensore versu una zona di lettura in fondu.
● Meccanismu di letturaInvece di una fila sana di cunvertitori analogicu-digitale (ADC) chì operanu in parallelu, i CCD utilizanu solu unu o dui ADC (o qualchì volta più) chì leghjenu i pixel in sequenza.

Piazzamentu di condensatori è amplificatori: Invece di condensatori è amplificatori in ogni pixel, ogni ADC hà un condensatore è un amplificatore.

Cumu funziona un sensore CCD?

Eccu cumu funziona un sensore CCD per acquistà è processà una maghjina:

Illustrazione di u travagliu di un sensore CCD

Figura: Prucessu di lettura per un sensore CCD

À a fine di a so esposizione, i sensori CCD movenu prima e cariche raccolte in una zona di almacenamentu mascherata in ogni pixel (micca mostrata). Dopu, una riga à a volta, e cariche sò spostate in un registru di lettura. Una colonna à a volta, e cariche in u registru di lettura sò lette.

1. Cancellazione di caricaPer principià l'acquisizione, a carica hè simultaneamente eliminata da tuttu u sensore (otturatore globale).
2. Accumulazione di caricaA carica s'accumula durante l'esposizione.
3. Carica di almacenamentuÀ a fine di l'esposizione, e cariche raccolte sò spostate in una zona mascherata in ogni pixel (chjamata CCD di trasferimentu interlinea), induve ponu aspittà a lettura senza chì i novi fotoni rilevati sianu cuntati.
4. Esposizione di u prossimu quadruCù e cariche rilevate almacenate in l'area mascherata di pixel, l'area attiva di pixel pò cumincià l'esposizione di u prossimu quadru (modalità di sovrapposizione).
5. Lettura SequenzialeUna fila à a volta, e cariche di ogni fila di u quadru finitu sò spostate in un "registru di lettura".
6. Lettura FinaleUna colonna à a volta, e cariche di ogni pixel sò mandate in u nodu di lettura per a lettura à l'ADC.
7. RipetizioneStu prucessu si ripete finu à chì e cariche rilevate in tutti i pixel sò cuntate.

Stu collu di buttiglia causatu da tutte e cariche rilevate chì sò lette da un picculu numeru (qualchì volta unu) di punti di lettura, porta à limitazioni severe in u rendimentu di i sensori CCD paragunatu à u CMOS.

Vantaghji è svantaghji di i sensori CCD

Pro	Inconvénienti
Corrente di bughjura bassa Tipicamente ~ 0,001 e⁻/p/s quandu hè raffreddata.	Velocità limitata Rendimentu tipicu ~ 20 MP/s - assai più lentu chè CMOS.
I carichi di Binning in Pixel sò summati prima di a lettura, riducendu u rumore.	Un rumore di lettura elevatu 5–10 e⁻ hè cumunu per via di a lettura ADC à puntu unicu.
Otturatore Globale Otturatore globale veru o quasi globale in CCD à trasferimentu interlinea/di fotogramma.	Dimensioni di pixel più grande ùn ponu micca currisponde à a miniaturizazione offerta da u CMOS.
Alta uniformità di l'imagine Eccellente per l'imaghjini quantitativa.	Elevatu cunsumu energeticu Richiede più putenza per u cambiamentu di carica è a lettura.

Vantaghji di u sensore CCD

● Bassa corrente di bughjuraIntrinsecamente cum'è tecnulugia, i sensori CCD tendenu à avè una corrente di bughjura assai bassa, tipicamente di l'ordine di 0,001 e-/p/s quandu sò raffreddati.
● Raggruppamentu "nantu à u pixel"Quandu si face binning, i CCD aghjunghjenu cariche prima di a lettura, micca dopu, ciò chì significa chì ùn hè introduttu alcun rumore di lettura supplementu. A corrente scura aumenta, ma cum'è nutatu sopra, questu hè di solitu assai bassu.
● Otturatore GlobaleI sensori CCD "Interline" funzionanu cù un veru otturatore globale. I sensori CCD "Trasferimentu di fotogramma" utilizanu un otturatore "mezu globale" (vede a regione "Mascherata" di a Figura 45) - u prucessu di trasferimentu di fotogramma per inizià è finisce l'esposizione ùn hè micca veramente simultaneu, ma tipicamente dura circa 1-10 microsecondi. Certi CCD utilizanu otturatori meccanichi.

Svantaghji di i sensori CCD

● Velocità LimitataU rendimentu tipicu di i dati in pixel per seconda pò esse intornu à 20 Megapixel per seconda (MP/s), equivalente à una maghjina di 4 MP à 5 fps. Questu hè circa 20 volte più lentu chè un CMOS equivalente, è almenu 100 volte più lentu chè un CMOS à alta velocità.
● Rumore di lettura elevatuU rumore di lettura in i CCD hè altu, in gran parte per via di a necessità di fà funziunà l'ADC(s) à una velocità elevata per ottene una velocità di camera utilizabile. Da 5 à 10 e- hè cumunu per e camere CCD di fascia alta.
● Pixel più grandiPer parechje applicazioni, i pixel più chjuchi offrenu vantaghji. L'architettura CMOS tipica permette dimensioni minime di pixel più chjuche cà CCD.
● Cunsumu energeticu elevatuI requisiti di putenza per fà funziunà i sensori CCD sò assai più alti chè quelli di CMOS.

Applicazioni di i sensori CCD in l'imaghjini scientifica

Ancu s'è a tecnulugia CMOS hà guadagnatu pupularità, i sensori CCD sò sempre preferiti in certe applicazioni d'imaghjini scientifiche induve a qualità di l'imagine, a sensibilità è a cunsistenza sò di primura. A so capacità superiore di catturà signali di poca luce cù un rumore minimu li rende ideali per applicazioni di precisione.

Astronomia

I sensori CCD sò cruciali in l'imaghjini astronomiche per via di a so capacità di catturà a luce debule da stelle è galassie luntane. Sò largamente usati sia in l'usservatorii sia in l'astronomia amatoriale avanzata per l'astrofotografia à longa esposizione, furnendu imagine chjare è dettagliate.

Microscopia è Scienze di a Vita

In e scienze di a vita, i sensori CCD sò aduprati per catturà signali di fluorescenza debuli o strutture cellulari suttili. A so alta sensibilità è uniformità li rendenu perfetti per applicazioni cum'è a microscopia di fluorescenza, l'imaghjini di cellule vive è a patologia digitale. A so risposta lineare à a luce assicura un'analisi quantitativa precisa.

Ispezione di semiconduttori

I sensori CCD sò cruciali in a fabricazione di semiconduttori, in particulare per l'ispezione di wafer. A so alta risoluzione è a qualità d'imaghjini consistente sò essenziali per identificà difetti à microscala in i chip, assicurendu a precisione necessaria in a pruduzzione di semiconduttori.

Raggi X è Imaging Scientificu

I sensori CCD sò ancu impiegati in i sistemi di rilevazione di raggi X è altre applicazioni di imaging specializate. A so capacità di mantene alti rapporti segnale-rumore, in particulare quandu sò raffreddati, hè vitale per un'imaging chiara in cundizioni difficili cum'è a cristallografia, l'analisi di i materiali è i testi non distruttivi.

I sensori CCD sò sempre pertinenti oghje?

Camera CCD Tucsen H-694 è 674

Malgradu u rapidu sviluppu di a tecnulugia CMOS, i sensori CCD sò luntanu da esse obsoleti. Restanu una scelta preferita in i travaglii d'imaghjini à bassa luce è d'alta precisione, induve a so qualità d'imaghjini è e so caratteristiche di rumore senza paragone sò cruciali. In campi cum'è l'astronomia di u spaziu prufondu o a microscopia à fluorescenza avanzata, e camere CCD spessu superanu parechje alternative CMOS.

Capisce i punti di forza è di debulezza di i sensori CCD aiuta i circadori è l'ingegneri à sceglie a tecnulugia adatta per i so bisogni specifici, assicurendu prestazioni ottimali in e so applicazioni scientifiche o industriali.

FAQ

Quandu devu sceglie un sensore CCD?

I sensori CCD sò assai più rari oghje chè dece anni fà, postu chì a tecnulugia CMOS cumencia à invade ancu e so prestazioni di bassa corrente scura. Tuttavia, ci saranu sempre applicazioni induve a so cumbinazione di caratteristiche di prestazione - cum'è una qualità d'immagine superiore, un rumore bassu è una alta sensibilità - furnisce un vantaghju.

Perchè e camere scientifiche utilizanu sensori CCD raffreddati?

U raffreddamentu riduce u rumore termicu durante a cattura di l'imagine, migliurendu a chiarezza è a sensibilità di l'imagine. Questu hè particularmente impurtante per l'imaghjini scientifiche in poca luce è à longa esposizione, hè per quessa chì parechji dispositivi di fascia altacamere scientificheaffidatevi à i CCD raffreddati per risultati più puliti è precisi.

Chì ghjè a modalità di sovrapposizione in i sensori CCD è EMCCD, è cumu migliora e prestazioni di a camera?

I sensori CCD è EMCCD sò tipicamente capaci di "modalità di sovrapposizione". Per e camere à otturatore globale, questu si riferisce à a capacità di leghje u quadru precedente durante l'esposizione di u quadru prossimu. Questu porta à un ciclu di travagliu altu (vicinu à u 100%), ciò chì significa chì si perde un tempu minimu senza espone i quadri à a luce, è dunque frequenze di quadru più elevate.

Nota: A modalità di sovrapposizione hà un significatu differente per i sensori di otturatore rotante.

Sè vo vulete sapè ne di più nantu à e persiane avvolgibili, cliccate nant'à:

Cumu funziona a modalità di cuntrollu di l'otturatore rotante è cumu aduprà