25/07/31Er bod synwyryddion CMOS yn dominyddu delweddu gwyddonol a defnyddwyr fel ei gilydd yn 2025, nid oedd hyn yn wir bob amser.
Mae CCD yn sefyll am 'Dyfais Gyplysedig Gwefr', a synwyryddion CCD oedd y synwyryddion camera digidol gwreiddiol, a ddatblygwyd gyntaf ym 1970. Roedd camerâu seiliedig ar CCD ac EMCCD yn cael eu hargymell yn gyffredin ar gyfer cymwysiadau gwyddonol hyd at ychydig flynyddoedd yn ôl. Mae'r ddwy dechnoleg yn dal i oroesi heddiw, er bod eu defnyddiau wedi dod yn niche.
Mae cyfradd gwella a datblygu synwyryddion CMOS yn parhau i gynyddu. Y gwahaniaeth rhwng y technolegau hyn yn gorwedd yn bennaf yn y ffordd maen nhw'n prosesu ac yn darllen gwefr electronig a ganfyddir.
Beth yw Synhwyrydd CCD?
Mae synhwyrydd CCD yn fath o synhwyrydd delwedd a ddefnyddir i ddal golau a'i drosi'n signalau digidol. Mae'n cynnwys arae o bicseli sy'n sensitif i olau sy'n casglu ffotonau ac yn eu troi'n wefrau trydanol.
Mae darlleniad synhwyrydd CCD yn wahanol i CMOS mewn tair ffordd arwyddocaol:
● Trosglwyddo TâlMae ffotoelectronau sy'n cael eu dal yn cael eu symud yn electrostatig picsel-wrth-bicsel ar draws y synhwyrydd i ardal ddarllen ar y gwaelod.
● Mecanwaith DarllenYn lle rhes gyfan o drawsnewidyddion analog i ddigidol (ADCs) yn gweithredu ochr yn ochr, mae CCDs yn defnyddio dim ond un neu ddau ADC (neu weithiau mwy) sy'n darllen picseli yn olynol.
Lleoliad Cynhwysydd ac Mwyhadur: Yn lle cynwysyddion ac fwyhaduron ym mhob picsel, mae gan bob ADC un cynhwysydd ac fwyhadur.
Sut Mae Synhwyrydd CCD yn Gweithio?
Dyma sut mae synhwyrydd CCD yn gweithio i gaffael a phrosesu delwedd:
Ffigur: Proses darllen ar gyfer synhwyrydd CCD
Ar ddiwedd eu hamlygiad, mae synwyryddion CCD yn symud y gwefrau a gasglwyd yn gyntaf i mewn i ardal storio wedi'i mwgwdio y tu mewn i bob picsel (heb ei ddangos). Yna, un rhes ar y tro, caiff y gwefrau eu symud i gofrestr darllen. Un golofn ar y tro, caiff y gwefrau o fewn y gofrestr darllen eu darllen.
1. Clirio TâlI ddechrau'r caffael, caiff y gwefr ei glirio o'r synhwyrydd cyfan ar yr un pryd (caead byd-eang).
2. Cronni GwefrMae gwefr yn cronni yn ystod amlygiad.
3. Storio GwefrAr ddiwedd yr amlygiad, mae gwefrau a gesglir yn cael eu symud i ardal wedi'i mwgwdio o fewn pob picsel (a elwir yn CCD trosglwyddo rhynglinell), lle gallant aros i gael eu darllen heb gyfrif ffotonau newydd a ganfuwyd.
4. Amlygiad y Ffrâm NesafGyda'r gwefrau a ganfuwyd wedi'u storio yn yr ardal gudd o bicseli, gall yr ardal weithredol o bicseli ddechrau amlygiad y ffrâm nesaf (modd gorgyffwrdd).
5. Darlleniad DilyniannolUn rhes ar y tro, mae gwefrau o bob rhes o'r ffrâm orffenedig yn cael eu symud i 'gofrestr darlleniad'.
6. Darlleniad TerfynolUn golofn ar y tro, mae gwefrau o bob picsel yn cael eu cludo i'r nod darllen allan i'w darllen allan yn yr ADC.
7. AiladroddMae'r broses hon yn ailadrodd nes bod y gwefrau a ganfuwyd ym mhob picsel yn cael eu cyfrif.
Mae'r tagfa hon a achosir gan yr holl wefrau a ganfyddir yn cael eu darllen gan nifer fach (weithiau un) o bwyntiau darllen, yn arwain at gyfyngiadau difrifol yn nhrwybyddiaeth data synwyryddion CCD o'i gymharu â CMOS.
Manteision ac Anfanteision Synwyryddion CCD
| Manteision | Anfanteision |
| Cerrynt Tywyll Isel Fel arfer ~0.001 e⁻/p/s pan gaiff ei oeri. | Cyflymder Cyfyngedig Trwybwn nodweddiadol ~20 MP/s — llawer arafach na CMOS. |
| Mae Gweithredoedd Binnio Ar-Bicsel yn cael eu crynhoi cyn eu darllen allan, gan leihau sŵn. | Mae Sŵn Darllen Uchel o 5–10 e⁻ yn gyffredin oherwydd darlleniad ADC un pwynt. |
| Caead Byd-eang Caead byd-eang gwirioneddol neu bron yn fyd-eang mewn CCDs rhynglinell/trosglwyddo ffrâm. | Ni all Meintiau Picseli Mwy gydweddu â'r miniatureiddio y mae CMOS yn ei gynnig. |
| Unffurfiaeth Delwedd Uchel. Ardderchog ar gyfer delweddu meintiol. | Defnydd Pŵer Uchel Angen mwy o bŵer ar gyfer symud a darllen gwefr. |
Manteision Synhwyrydd CCD
● Cerrynt tywyll iselFel technoleg yn ei hanfod, mae synwyryddion CCD yn tueddu i fod â cherrynt tywyll isel iawn, fel arfer tua 0.001 e-/p/s pan gânt eu hoeri.
● Binnio 'Ar y picsel'Wrth binio, mae CCDs yn ychwanegu gwefrau cyn darlleniad, nid ar ôl, sy'n golygu nad oes unrhyw sŵn darllen ychwanegol yn cael ei gyflwyno. Mae cerrynt tywyll yn cynyddu, ond fel y nodwyd uchod, mae hyn fel arfer yn isel iawn.
● Caead Byd-eangMae synwyryddion CCD 'Rhynglinell' yn gweithredu gyda chaead byd-eang gwirioneddol. Mae synwyryddion CCD 'Trosglwyddo Ffrâm' yn defnyddio caead 'hanner byd-eang' (gweler rhanbarth 'Wedi'i Fasgio' Ffigur 45) – nid yw'r broses trosglwyddo ffrâm i ddechrau a gorffen amlygiad yn wirioneddol gydamserol, ond fel arfer mae'n cymryd tua 1-10 microeiliad. Mae rhai CCDs yn defnyddio caead mecanyddol.
Anfanteision Synwyryddion CCD
● Cyflymder CyfyngedigGall trwybwn data nodweddiadol mewn picseli yr eiliad fod tua 20 Megapixel yr eiliad (MP/s), sy'n cyfateb i ddelwedd 4 MP ar 5 fps. Mae hyn tua 20 gwaith yn arafach na CMOS cyfatebol, ac o leiaf 100 gwaith yn arafach na CMOS cyflymder uchel.
● Sŵn Darllen UchelMae sŵn darllen mewn CCDs yn uchel, yn bennaf oherwydd yr angen i redeg yr ADC(au) ar gyfradd uchel i gyflawni cyflymder camera defnyddiadwy. Mae 5 i 10 e- yn gyffredin ar gyfer camerâu CCD pen uchel.
● Picseli MwyAr gyfer llawer o gymwysiadau, mae picseli llai yn cynnig manteision. Mae pensaernïaeth CMOS nodweddiadol yn caniatáu meintiau picsel lleiaf llai na CCD.
● Defnydd Pŵer UchelMae'r gofynion pŵer ar gyfer rhedeg synwyryddion CCD yn llawer uwch na CMOS.
Cymwysiadau Synwyryddion CCD mewn Delweddu Gwyddonol
Er bod technoleg CMOS wedi ennill poblogrwydd, mae synwyryddion CCD yn dal i gael eu ffafrio mewn rhai cymwysiadau delweddu gwyddonol lle mae ansawdd delwedd, sensitifrwydd a chysondeb yn hollbwysig. Mae eu gallu uwch i ddal signalau golau isel gyda sŵn lleiaf yn eu gwneud yn ddelfrydol ar gyfer cymwysiadau manwl gywir.
Seryddiaeth
Mae synwyryddion CCD yn hanfodol mewn delweddu seryddol oherwydd eu gallu i ddal golau gwan o sêr a galaethau pell. Fe'u defnyddir yn helaeth mewn arsyllfeydd ac mewn seryddiaeth amatur uwch ar gyfer astroffotograffiaeth amlygiad hir, gan ddarparu delweddau clir a manwl.
Microsgopeg a Gwyddorau Bywyd
Mewn gwyddorau bywyd, defnyddir synwyryddion CCD i ddal signalau fflwroleuedd gwan neu strwythurau cellog cynnil. Mae eu sensitifrwydd uchel a'u unffurfiaeth yn eu gwneud yn berffaith ar gyfer cymwysiadau fel microsgopeg fflwroleuedd, delweddu celloedd byw, a phatholeg ddigidol. Mae eu hymateb golau llinol yn sicrhau dadansoddiad meintiol cywir.
Arolygiad Lled-ddargludyddion
Mae synwyryddion CCD yn hanfodol mewn gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion, yn enwedig ar gyfer archwilio wafferi. Mae eu datrysiad uchel a'u hansawdd delweddu cyson yn hanfodol ar gyfer nodi diffygion ar raddfa fach mewn sglodion, gan sicrhau'r cywirdeb sydd ei angen mewn cynhyrchu lled-ddargludyddion.
Pelydr-X a Delweddu Gwyddonol
Defnyddir synwyryddion CCD hefyd mewn systemau canfod pelydr-X a chymwysiadau delweddu arbenigol eraill. Mae eu gallu i gynnal cymhareb signal-i-sŵn uchel, yn enwedig pan gânt eu hoeri, yn hanfodol ar gyfer delweddu clir mewn amodau heriol fel crisialograffeg, dadansoddi deunyddiau, a phrofion annistrywiol.
A yw Synwyryddion CCD yn Dal yn Berthnasol Heddiw?
Camera CCD Tucsen H-694 a 674
Er gwaethaf datblygiad cyflym technoleg CMOS, mae synwyryddion CCD ymhell o fod yn hen ffasiwn. Maent yn parhau i fod yn ddewis a ffefrir mewn tasgau delweddu golau isel iawn a manwl iawn, lle mae eu hansawdd delwedd a'u nodweddion sŵn heb eu hail yn hanfodol. Mewn meysydd fel seryddiaeth gofod dwfn neu ficrosgopeg fflwroleuol uwch, mae camerâu CCD yn aml yn perfformio'n well na llawer o ddewisiadau amgen CMOS.
Mae deall cryfderau a gwendidau synwyryddion CCD yn helpu ymchwilwyr a pheirianwyr i ddewis y dechnoleg gywir ar gyfer eu hanghenion penodol, gan sicrhau perfformiad gorau posibl yn eu cymwysiadau gwyddonol neu ddiwydiannol.
Cwestiynau Cyffredin
Pryd ddylwn i ddewis synhwyrydd CCD?
Mae synwyryddion CCD yn llawer prinnach heddiw nag oeddent ddeng mlynedd yn ôl, wrth i dechnoleg CMOS ddechrau amharu hyd yn oed ar eu perfformiad cerrynt tywyll isel. Fodd bynnag, bydd yna bob amser gymwysiadau lle mae eu cyfuniad o nodweddion perfformiad—megis ansawdd delwedd uwch, sŵn isel, a sensitifrwydd uchel—yn darparu mantais.
Pam mae camerâu gwyddonol yn defnyddio synwyryddion CCD wedi'u hoeri?
Mae oeri yn lleihau sŵn thermol wrth dynnu delweddau, gan wella eglurder a sensitifrwydd delweddau. Mae hyn yn arbennig o bwysig ar gyfer delweddu gwyddonol mewn golau isel ac amlygiad hir, a dyna pam mae llawer o ddyfeisiau pen uchel yn...camerâu gwyddonoldibynnu ar CCDs wedi'u hoeri am ganlyniadau glanach a mwy cywir.
Beth yw modd gorgyffwrdd mewn synwyryddion CCD ac EMCCD, a sut mae'n gwella perfformiad camera?
Mae synwyryddion CCD ac EMCCD fel arfer yn gallu defnyddio 'modd gorgyffwrdd'. Ar gyfer camerâu caead byd-eang, mae hyn yn cyfeirio at y gallu i ddarllen y ffrâm flaenorol yn ystod amlygiad y ffrâm nesaf. Mae hyn yn arwain at gylch dyletswydd uchel (bron i 100%), sy'n golygu bod lleiafswm o amser yn cael ei wastraffu heb amlygu fframiau i olau, ac felly cyfraddau ffrâm uwch.
Nodyn: Mae gan y modd gorgyffwrdd ystyr gwahanol ar gyfer synwyryddion caead rholio.
Os ydych chi eisiau dysgu mwy am gaeadau rholio, cliciwch:
Sut mae Modd Rheoli Caead Rholio yn Gweithio a Sut i'w Ddefnyddio
Tucsen Photonics Co., Ltd. Cedwir pob hawl. Wrth ddyfynnu, cydnabyddwch y ffynhonnell:www.tucsen.com
