25. 7. 2031Ačkoli v roce 2025 dominují CMOS senzory jak ve vědeckém, tak i spotřebitelském zobrazování, nebylo tomu tak vždy.
CCD je zkratka pro „Charge-Coupled Device“ (Charge-Coupled Device) a senzory CCD byly původními senzory digitálních fotoaparátů, poprvé vyvinutými v roce 1970. Kamery založené na CCD a EMCCD byly běžně doporučovány pro vědecké aplikace až do doby před několika lety. Obě technologie přežívají dodnes, i když jejich využití se stalo specifickým.
Tempo zdokonalování a vývoje CMOS senzorů se neustále zvyšuje. Rozdíl mezi těmito technologiemi spočívá především ve způsobu, jakým zpracovávají a čte detekovaný elektronický náboj.
Co je CCD snímač?
CCD snímač je typ obrazového snímače používaného k zachycení světla a jeho převodu na digitální signály. Skládá se z pole světlocitlivých pixelů, které shromažďují fotony a přeměňují je na elektrické náboje.
Odečet CCD senzoru se liší od CMOS senzoru ve třech významných ohledech:
● Převod poplatkuZachycené fotoelektrony jsou elektrostaticky přenášeny pixel po pixelu přes senzor do čtecí oblasti ve spodní části.
● Mechanismus odečtuMísto celé řady analogově-digitálních převodníků (ADC) pracujících paralelně používají CCD snímače pouze jeden nebo dva ADC (nebo někdy i více), které čtou pixely postupně.
Umístění kondenzátoru a zesilovače: Místo kondenzátorů a zesilovačů v každém pixelu má každý ADC jeden kondenzátor a zesilovač.
Jak funguje CCD snímač?
Zde je návod, jak CCD snímač pracuje při snímání a zpracování obrazu:
Obrázek: Proces odečtu dat z CCD senzoru
Na konci expozice CCD senzory nejprve přesunou nashromážděné náboje do maskované paměťové oblasti uvnitř každého pixelu (není znázorněna). Poté se náboje, jeden řádek po druhém, přesunou do čtecího registru. Náboje v čtecím registru se odečtou, jeden sloupec po druhém.
1. Zúčtování poplatkůPro zahájení snímání se současně vybije náboj z celého senzoru (globální závěrka).
2. Akumulace nábojeNáboj se během expozice hromadí.
3. Úložiště nábojeNa konci expozice jsou nashromážděné náboje přesunuty do maskované oblasti v každém pixelu (tzv. interline transfer CCD), kde mohou čekat na načtení, aniž by byly počítány nově detekované fotony.
4. Expozice dalšího snímku: Po detekci nábojů uložených v maskované oblasti pixelů může aktivní oblast pixelů zahájit expozici dalšího snímku (režim překrytí).
5. Sekvenční odečetNáboje z každé řady hotového rámce se po řadě přesouvají do „registru pro odečítání“.
6. Závěrečný odečetNáboje z každého pixelu jsou po jednom sloupci přenášeny do čtecího uzlu pro odečet v ADC.
7. OpakováníTento proces se opakuje, dokud nejsou spočítány detekované náboje ve všech pixelech.
Toto úzké hrdlo způsobené tím, že všechny detekované náboje jsou čteny malým počtem (někdy i jedním) odečítacích bodů, vede k vážným omezením datové propustnosti CCD senzorů ve srovnání s CMOS.
Výhody a nevýhody CCD senzorů
| Výhody | Nevýhody |
| Nízký temný proud Typicky ~0,001 e⁻/p/s po ochlazení. | Omezená rychlost Typická propustnost ~20 MP/s – mnohem pomalejší než CMOS. |
| Náboje pro binning na pixelech se před načtením sčítají, čímž se snižuje šum. | Vysoký šum při čtení 5–10 e⁻ je běžný kvůli jednobodovému čtení ADC. |
| Globální závěrka Skutečná globální nebo téměř globální závěrka v meziřádkových/snímkově přenosových CCD snímačích. | Větší velikosti pixelů se nemohou rovnat miniaturizaci, kterou nabízí CMOS. |
| Vysoká uniformita obrazu Vynikající pro kvantitativní zobrazování. | Vysoká spotřeba energie Vyžaduje více energie pro přesun náboje a odečet. |
Výhody CCD senzoru
● Nízký temný proudCCD senzory jako technologie mají ze své podstaty velmi nízký temný proud, obvykle řádově 0,001 e-/p/s po ochlazení.
● Binning „na pixel“Při binningu CCD čipy přidávají náboje před čtením, nikoli po něm, což znamená, že nevzniká žádný další šum při čtení. Temný proud se sice zvyšuje, ale jak je uvedeno výše, obvykle je velmi nízký.
● Globální závěrkaCCD snímače typu „Interline“ fungují se skutečnou globální závěrkou. CCD snímače typu „Frame Transfer“ používají „poloviční globální“ závěrku (viz „maskovaná“ oblast na obrázku 45) – proces přenosu snímků pro zahájení a ukončení expozice neprobíhá skutečně simultánně, ale obvykle trvá řádově 1–10 mikrosekund. Některé CCD snímače používají mechanickou závěrku.
Nevýhody CCD senzorů
● Omezená rychlostTypická propustnost dat v pixelech za sekundu může být přibližně 20 megapixelů za sekundu (MP/s), což odpovídá 4MP snímku při 5 fps. To je přibližně 20x pomalejší než ekvivalentní CMOS a nejméně 100x pomalejší než vysokorychlostní CMOS.
● Vysoký šum při čteníŠum při čtení u CCD snímačů je vysoký, a to především kvůli nutnosti provozovat ADC převodníky s vysokou frekvencí pro dosažení použitelné rychlosti kamery. U špičkových CCD kamer je běžná hodnota 5 až 10 e-.
● Větší pixelyPro mnoho aplikací poskytují menší pixely výhody. Typická architektura CMOS umožňuje menší minimální velikosti pixelů než CCD.
● Vysoká spotřeba energiePožadavky na napájení pro provoz CCD senzorů jsou mnohem vyšší než u CMOS.
Aplikace CCD senzorů ve vědeckém zobrazování
Přestože technologie CMOS získala na popularitě, CCD senzory jsou stále preferovány v určitých vědeckých zobrazovacích aplikacích, kde je prvořadá kvalita obrazu, citlivost a konzistence. Jejich vynikající schopnost zachytit signály při slabém osvětlení s minimálním šumem je činí ideálními pro přesné aplikace.
Astronomie
CCD senzory jsou v astronomickém zobrazování klíčové díky své schopnosti zachytit slabé světlo vzdálených hvězd a galaxií. Jsou široce používány jak v observatořích, tak v pokročilé amatérské astronomii pro astrofotografii s dlouhou expozicí a poskytují jasné a detailní snímky.
Mikroskopie a biologické vědy
V biologických vědách se CCD senzory používají k zachycení slabých fluorescenčních signálů nebo jemných buněčných struktur. Díky své vysoké citlivosti a uniformitě jsou ideální pro aplikace, jako je fluorescenční mikroskopie, zobrazování živých buněk a digitální patologie. Jejich lineární světelná odezva zajišťuje přesnou kvantitativní analýzu.
Inspekce polovodičů
CCD senzory jsou klíčové ve výrobě polovodičů, zejména pro kontrolu waferů. Jejich vysoké rozlišení a konzistentní kvalita obrazu jsou nezbytné pro identifikaci mikroskopických defektů v čipech a zajištění přesnosti potřebné při výrobě polovodičů.
Rentgenové a vědecké zobrazování
CCD senzory se používají také v systémech pro detekci rentgenového záření a dalších specializovaných zobrazovacích aplikacích. Jejich schopnost udržovat vysoký poměr signálu k šumu, zejména při chlazení, je zásadní pro jasné zobrazování v náročných podmínkách, jako je krystalografie, analýza materiálů a nedestruktivní testování.
Jsou CCD senzory dnes stále relevantní?
CCD kamera Tucsen H-694 a 674
Navzdory rychlému rozvoji technologie CMOS nejsou CCD senzory zdaleka zastaralé. Zůstávají preferovanou volbou pro zobrazování za velmi slabého osvětlení a s vysokou přesností, kde je jejich bezkonkurenční kvalita obrazu a šumové charakteristiky klíčové. V oblastech, jako je hluboká vesmírná astronomie nebo pokročilá fluorescenční mikroskopie, CCD kamery často překonávají mnoho CMOS alternativ.
Pochopení silných a slabých stránek CCD senzorů pomáhá výzkumníkům a inženýrům vybrat správnou technologii pro jejich specifické potřeby a zajistit optimální výkon ve vědeckých nebo průmyslových aplikacích.
Často kladené otázky
Kdy bych si měl/a vybrat CCD snímač?
CCD senzory jsou dnes mnohem vzácnější než před deseti lety, protože technologie CMOS začíná zasahovat i do jejich výkonu při nízkých temných proudech. Vždy však budou existovat aplikace, kde jejich kombinace výkonnostních charakteristik – jako je vynikající kvalita obrazu, nízký šum a vysoká citlivost – poskytuje výhodu.
Proč vědecké kamery používají chlazené CCD senzory?
Chlazení snižuje tepelný šum během snímání obrazu, čímž zlepšuje jasnost a citlivost obrazu. To je obzvláště důležité pro vědecké snímkování za slabého osvětlení a s dlouhou expozicí, a proto mnoho špičkovýchvědecké kameryPro čistší a přesnější výsledky se spolehněte na chlazené CCD snímače.
Co je režim překrývání u CCD a EMCCD senzorů a jak zlepšuje výkon kamery?
Snímače CCD a EMCCD jsou obvykle schopny „režimu překrývání“. U kamer s globální závěrkou se to týká schopnosti načíst předchozí snímek během expozice dalšího snímku. To vede k vysokému (téměř 100%) pracovnímu cyklu, což znamená minimální ztrátu času neexponováním snímků světlem, a tedy vyšší snímkovou frekvenci.
Poznámka: Režim překrytí má pro senzory rolet jiný význam.
Pokud se chcete dozvědět více o rolovacích vratech, klikněte prosím:
Jak funguje režim ovládání rolety a jak jej používat
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
