25/07/31Kvankam en 2025, CMOS-sensiloj dominas sciencan kaj konsumantan bildigon egale, tio ne ĉiam estis la kazo.
CCD signifas "Ŝarĝ-Kunigita Aparato", kaj CCD-sensiloj estis la originalaj diĝitkameraaj sensiloj, unue evoluigitaj en 1970. CCD- kaj EMCCD-bazitaj fotiloj estis ofte rekomenditaj por sciencaj aplikoj ĝis antaŭ nur kelkaj jaroj. Ambaŭ teknologioj ankoraŭ pluvivas hodiaŭ, kvankam iliaj uzoj fariĝis niĉaj.
La rapideco de plibonigo kaj evoluigo de CMOS-sensiloj daŭre kreskas. La diferenco inter ĉi tiuj teknologioj kuŝas ĉefe en la maniero kiel ili prilaboras kaj legas detektitan elektronikan ŝargon.
Kio estas CCD-sensilo?
CCD-sensilo estas tipo de bildsensilo uzata por kapti lumon kaj konverti ĝin en ciferecajn signalojn. Ĝi konsistas el aro de lumsentemaj pikseloj, kiuj kolektas fotonojn kaj transformas ilin en elektrajn ŝargojn.
CCD-sensilrezulto diferencas de CMOS laŭ tri signifaj manieroj:
● Ŝarĝa TranslokigoKaptitaj fotoelektronoj estas elektrostatike movitaj pikselon-al-pikselo trans la sensilon al lega areo ĉe la fundo.
● LegmekanismoAnstataŭ tuta vico de analogaj al ciferecaj konvertiloj (ADC-oj) funkciantaj paralele, CCD-oj uzas nur unu aŭ du ADC-ojn (aŭ kelkfoje pli) kiuj legas pikselojn sinsekve.
Lokigo de kondensatoro kaj amplifilo: Anstataŭ kondensatoroj kaj amplifiloj en ĉiu pikselo, ĉiu ADC havas unu kondensatoron kaj amplifilon.
Kiel Funkcias CCD-Sensilo?
Jen kiel CCD-sensilo funkcias por akiri kaj prilabori bildon:
Figuro: Legprocezo por CCD-sensilo
Ĉe la fino de sia eksponado, CCD-sensiloj unue movas kolektitajn ŝargojn ene de maskita stokada areo ene de ĉiu pikselo (ne montrita). Poste, unu vicon samtempe, ŝargoj estas movataj en legregistron. Unu kolumnon samtempe, ŝargoj ene de la legregistro estas legataj.
1. Ŝarĝa ForigoPor komenci la akiron, ŝargo estas samtempe forigita de la tuta sensilo (tutmonda obturatoro).
2. Ŝarĝa AmasiĝoŜarĝo akumuliĝas dum eksponiĝo.
3. Ŝarĝa StokadoĈe la fino de eksponado, kolektitaj ŝargoj estas movitaj al maskita areo ene de ĉiu pikselo (nomata interlinia translokiga CCD), kie ili povas atendi legadon sen ke novaj detektitaj fotonoj estu kalkulitaj.
4. Ekspozicio de Sekva KadroKun la detektitaj ŝargoj konservitaj en la maskita areo de pikseloj, la aktiva areo de pikseloj povas komenci la eksponadon de la sekva kadro (interkovra reĝimo).
5. Sinsekva LegadoUnu vico samtempe, ŝargoj de ĉiu vico de la preta kadro estas movitaj en 'legadregistron'.
6. Fina RezultoUnu kolumno samtempe, ŝargoj de ĉiu pikselo estas transportitaj en la legnodon por legado ĉe la ADC.
7. RipetoĈi tiu procezo ripetiĝas ĝis detektitaj ŝargoj en ĉiuj pikseloj estas kalkulitaj.
Ĉi tiu proplempunkto kaŭzita de ĉiuj detektitaj ŝargoj legitaj de malgranda nombro (foje unu) da legpunktoj, kondukas al severaj limigoj en la datentrairo de CCD-sensiloj kompare kun CMOS.
Avantaĝoj kaj Malavantaĝoj de CCD-Sensiloj
| Avantaĝoj | Malavantaĝoj |
| Malalta Malluma Kurento Tipe ~0.001 e⁻/p/s kiam malvarmigita. | Limigita Rapido Tipa trairo ~20 MP/s — multe pli malrapida ol CMOS. |
| Sur-pikselaj kombinaj ŝargoj estas sumigitaj antaŭ legado, reduktante bruon. | Alta legbruo 5–10 e⁻ estas ofta pro unu-punkta ADC-legado. |
| Tutmonda Obturatoro Vere tutmonda aŭ preskaŭ-tutmonda obturatoro en interliniaj/kadro-transigaj CCD-oj. | Pli grandaj pikselaj grandecoj ne povas egali la miniaturigon kiun CMOS ofertas. |
| Alta Bilda Homogeneco Elstara por kvanta bildigo. | Alta energikonsumo postulas pli da potenco por ŝargoŝovado kaj legado. |
Avantaĝoj de CCD-sensilo
● Malalta malluma kurentoEsence kiel teknologio, CCD-sensiloj emas havi tre malaltan malluman kurenton, tipe en la ordo de 0.001 e-/p/s kiam malvarmigitaj.
● 'Sur-piksela' BiningDum kombinado, CCD-oj aldonas ŝargojn antaŭ la legado, ne poste, kio signifas, ke neniu plia legada bruo estas enkondukita. Malluma kurento ja pliiĝas, sed kiel menciite supre, ĉi tio kutime estas tre malalta.
● Tutmonda Obturatoro'Interliniaj' CCD-sensiloj funkcias per vera tutmonda obturatoro. 'Kadra Translokigaj' CCD-sensiloj uzas 'duontutmondan' obturatoron (vidu 'Maskitan' regionon de Figuro 45) - la kadra translokiga procezo por komenci kaj fini ekspozicion ne estas vere samtempa, sed tipe daŭras ĉirkaŭ 1-10 mikrosekundojn. Kelkaj CCD-oj uzas mekanikan obturatoron.
Malavantaĝoj de CCD-sensiloj
● Limigita RapidoTipa datentrairo en pikseloj por sekundo povas esti ĉirkaŭ 20 megapikseloj por sekundo (MP/s), ekvivalente al 4-megapiksela bildo je 5 kadroj po sekundo. Ĉi tio estas ĉirkaŭ 20-oble pli malrapida ol ekvivalenta CMOS, kaj almenaŭ 100-oble pli malrapida ol alt-rapida CMOS.
● Alta LegbruoLegbruo en CCD-oj estas alta, plejparte pro la bezono funkciigi la ADC-ojn je alta rapideco por atingi uzeblan fotilrapidecon. 5 ĝis 10 e- estas ofta por altkvalitaj CCD-fotiloj.
● Pli grandaj pikselojPor multaj aplikoj, pli malgrandaj pikseloj provizas avantaĝojn. Tipa CMOS-arkitekturo permesas pli malgrandajn minimumajn pikselgrandecojn ol CCD.
● Alta EnergikonsumoLa potencpostuloj por funkciigi CCD-sensilojn estas multe pli altaj ol CMOS.
Aplikoj de CCD-Sensiloj en Scienca Bildigo
Kvankam CMOS-teknologio gajnis popularecon, CCD-sensiloj estas ankoraŭ preferataj en certaj sciencaj bildigaj aplikoj, kie bildkvalito, sentemeco kaj konsistenco estas plej gravaj. Ilia supera kapablo kapti malaltlumajn signalojn kun minimuma bruo igas ilin idealaj por precizaj aplikoj.
Astronomio
CCD-sensiloj estas kritikaj en astronomia bildigo pro sia kapablo kapti malfortan lumon de malproksimaj steloj kaj galaksioj. Ili estas vaste uzataj kaj en observatorioj kaj en progresinta amatora astronomio por longdaŭra astrofotografio, liverante klarajn, detalajn bildojn.
Mikroskopio kaj Vivsciencoj
En vivsciencoj, CCD-sensiloj estas uzataj por kapti malfortajn fluoreskajn signalojn aŭ subtilajn ĉelajn strukturojn. Ilia alta sentiveco kaj homogeneco igas ilin perfektaj por aplikoj kiel fluoreska mikroskopio, bildigo de vivaj ĉeloj kaj cifereca patologio. Ilia lineara lumrespondo certigas precizan kvantan analizon.
Inspektado de Duonkonduktaĵoj
CCD-sensiloj estas esencaj en semikonduktaĵa fabrikado, precipe por inspektado de oblatoj. Ilia alta rezolucio kaj konstanta bildkvalito estas esencaj por identigi mikroskalajn difektojn en ĉipoj, certigante la precizecon bezonatan en semikonduktaĵa produktado.
Rentgena radiografio kaj scienca bildigo
CCD-sensiloj ankaŭ estas uzataj en rentgen-detektaj sistemoj kaj aliaj specialigitaj bildigaj aplikoj. Ilia kapablo konservi altajn signalo-bruo-proporciojn, precipe kiam malvarmigitaj, estas esenca por klara bildigo en malfacilaj kondiĉoj kiel kristalografio, materialanalizo kaj nedetrua testado.
Ĉu CCD-sensiloj ankoraŭ gravas hodiaŭ?
Tucsen H-694 kaj 674 CCD-fotilo
Malgraŭ la rapida evoluo de CMOS-teknologio, CCD-sensiloj estas malproksimaj de malaktualaj. Ili restas preferata elekto en ultramalalta lumo kaj altprecizaj bildigaj taskoj, kie ilia nekomparebla bildkvalito kaj bruokarakterizaĵoj estas decidaj. En kampoj kiel profundspaca astronomio aŭ progresinta fluoreska mikroskopio, CCD-fotiloj ofte superas multajn CMOS-alternativojn.
Kompreni la fortojn kaj malfortojn de CCD-sensiloj helpas esploristojn kaj inĝenierojn elekti la ĝustan teknologion por iliaj specifaj bezonoj, certigante optimuman rendimenton en iliaj sciencaj aŭ industriaj aplikoj.
Oftaj demandoj
Kiam mi devus elekti CCD-sensilon?
CCD-sensiloj estas multe pli maloftaj hodiaŭ ol antaŭ dek jaroj, ĉar CMOS-teknologio komencas eĉ troŝarĝi ilian malalt-malhelan kurentan rendimenton. Tamen, ĉiam estos aplikoj, kie ilia kombinaĵo de rendimentaj karakterizaĵoj - kiel ekzemple supera bildkvalito, malalta bruo kaj alta sentiveco - provizas avantaĝon.
Kial sciencaj fotiloj uzas malvarmigitajn CCD-sensilojn?
Malvarmigo reduktas termikan bruon dum bildkaptado, plibonigante bildklarecon kaj sentemon. Ĉi tio estas precipe grava por scienca bildigo en malalta lumo kaj longdaŭra eksponado, tial multaj altkvalitaj aparatojsciencaj fotilojfidi je malvarmigitaj CCD-oj por pli puraj, pli precizaj rezultoj.
Kio estas interkovrreĝimo en CCD kaj EMCCD sensiloj, kaj kiel ĝi plibonigas la rendimenton de la fotilo?
CCD kaj EMCCD sensiloj tipe kapablas je "interkovra reĝimo". Por tutmondaj obturatoraj fotiloj, tio rilatas al la kapablo legi la antaŭan kadron dum la eksponado de la sekva kadro. Tio kondukas al alta (preskaŭ 100%) ŝarĝciklo, kio signifas, ke minimuma tempo estas malŝparita ne eksponante kadrojn al lumo, kaj tial pli altaj bildfrekvencoj.
Noto: Interkovra reĝimo havas malsaman signifon por ruliĝantaj obturatoraj sensiloj.
Se vi volas lerni pli pri rulkurtenoj, bonvolu alklaki:
Kiel Funkcias la Rulanta Ŝtupara Kontrola Reĝimo kaj Kiel Uzi ĝin
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ĉiuj rajtoj rezervitaj. Kiam vi citas, bonvolu agnoski la fonton:www.tucsen.com
