25.07.31Kuigi 2025. aastal domineerivad CMOS-sensorid nii teaduslikus kui ka tarbijale suunatud pildistamises, ei ole see alati nii olnud.
CCD tähistab „laengsidestatud seadet“ ja CCD-sensorid olid algsed digitaalkaamerate sensorid, mis töötati esmakordselt välja 1970. aastal. CCD- ja EMCCD-põhiseid kaameraid soovitati teaduslikeks rakendusteks veel mõni aasta tagasi. Mõlemad tehnoloogiad on tänapäevalgi alles, kuigi nende kasutusalad on muutunud niššiks.
CMOS-sensorite täiustamise ja arendamise tempo jätkuvalt kasvab. Nende tehnoloogiate erinevus seisneb peamiselt selles, kuidas nad tuvastatud elektrilaengut töötlevad ja loevad.
Mis on CCD-sensor?
CCD-sensor on teatud tüüpi pildisensor, mida kasutatakse valguse püüdmiseks ja digitaalsignaalideks teisendamiseks. See koosneb valgustundlike pikslite massiivist, mis koguvad footoneid ja muudavad need elektrilaenguteks.
CCD-sensori näit erineb CMOS-sensorist kolmel olulisel moel:
● TasuülekanneJäädvustatud fotoelektronid liigutatakse elektrostaatiliselt pikslilt anduri allosas asuvasse lugemisalasse.
● NäidumehhanismTerve rea paralleelselt töötavate analoog-digitaalmuundurite (ADC-de) asemel kasutavad CCD-d vaid ühte või kahte (või mõnikord rohkemat) ADC-d, mis loevad piksleid järjestikku.
Kondensaatori ja võimendi paigutus: Igas pikslis olevate kondensaatorite ja võimendite asemel on igal ADC-l üks kondensaator ja võimendi.
Kuidas CCD-sensor töötab?
CCD-sensor pildi hankimiseks ja töötlemiseks töötab järgmiselt.
Joonis: CCD-sensori näitude lugemisprotsess
Särituse lõpus liigutavad CCD-sensorid kogutud laengud esmalt iga piksli (pole näidatud) maskeeritud salvestusalasse. Seejärel liigutatakse laengud ridahaaval lugemisregistrisse. Lugemisregistris olevad laengud loetakse välja üks veerg korraga.
1. Tasu kustutamine: Salvestamise alustamiseks tühjendatakse samaaegselt kogu sensor (globaalne katik).
2. Laengu kogunemineLaeng akumuleerub särituse ajal.
3. Laadimise salvestusruumSärituse lõpus viiakse kogutud laengud iga piksli sees olevasse maskeeritud alasse (nn reavaheülekandega CCD), kus need saavad oodata lugemist ilma uusi tuvastatud footoneid loendamata.
4. Järgmise kaadri säritus: Kui tuvastatud laengud on pikslite maskeeritud alale salvestatud, saab pikslite aktiivne ala alustada järgmise kaadri säritust (kattuvusrežiim).
5. Järjestikune näitÜks rida korraga, valmis kaadri iga rea laengud liigutatakse „lugemisregistrisse“.
6. Lõplik näitÜks veerg korraga, iga piksli laengud suunatakse lugemissõlme, et neid ADC-s lugeda.
7. Kordus: See protsess kordub seni, kuni kõigis pikslites tuvastatud laengud on loendatud.
See kitsaskoht, mille põhjustab see, et kõiki tuvastatud laenguid loeb väike arv (mõnikord üks) lugemispunkte, viib CCD-sensorite andmeedastusvõime tõsiste piiranguteni võrreldes CMOS-sensoritega.
CCD-andurite plussid ja miinused
| Plussid | Miinused |
| Nõrk tumevool. Tavaliselt ~0,001 e⁻/p/s jahutamisel. | Piiratud kiirus Tüüpiline läbilaskevõime ~20 MP/s — palju aeglasem kui CMOS-il. |
| Pikslipõhine liigitamine Enne lugemist summeeritakse laengud, mis vähendab müra. | Kõrge lugemismüra 5–10 e⁻ on ühepunktilise ADC näidu tõttu tavaline. |
| Globaalne katik Tõeline globaalne või peaaegu globaalne katik reavaheliste/kaadriülekandega CCD-de puhul. | Suuremad pikslisuurused ei suuda miniatuurse CMOS-i pakkumistega sammu pidada. |
| Kõrge pildi ühtlus Suurepärane kvantitatiivseks pildistamiseks. | Suur energiatarve. Nõuab laengu nihutamiseks ja lugemiseks rohkem energiat. |
CCD-sensori plussid
● Nõrk tumevoolTehnoloogiana on CCD-sensoritel oma olemuselt väga madal tumevool, jahutatult tavaliselt suurusjärgus 0,001 e-/p/s.
● Pikslipõhine liigitamineLagundamise ajal lisavad CCD-d laenguid enne lugemist, mitte pärast, mis tähendab, et täiendavat lugemismüra ei teki. Tumevool küll suureneb, kuid nagu eespool märgitud, on see tavaliselt väga madal.
● Globaalne katik„Interline” CCD-sensorid töötavad tõelise globaalse katikuga. „Frame Transfer” CCD-sensorid kasutavad „poolglobaalset” katikut (vt joonisel 45 „Maskeeritud” piirkond) – kaadri edastusprotsess särituse alustamiseks ja lõpetamiseks ei ole tegelikult samaaegne, vaid võtab tavaliselt aega 1–10 mikrosekundit. Mõned CCD-sensorid kasutavad mehaanilist katikut.
CCD-andurite miinused
● Piiratud kiirusTüüpiline andmeedastuskiirus pikslites sekundis võib olla umbes 20 megapikslit sekundis (MP/s), mis on samaväärne 4 MP pildiga kiirusel 5 kaadrit sekundis. See on umbes 20 korda aeglasem kui samaväärsel CMOS-il ja vähemalt 100 korda aeglasem kui kiirel CMOS-il.
● Suur lugemismüraCCD-de lugemismüra on kõrge, peamiselt seetõttu, et kasutatava kaamerakiiruse saavutamiseks tuleb analoog-digimuundurit (ADC-sid) suurel kiirusel käitada. 5–10 e- on tipptasemel CCD-kaamerate puhul tavaline.
● Suuremad pikslidPaljude rakenduste puhul pakuvad väiksemad pikslid eeliseid. Tüüpiline CMOS-arhitektuur võimaldab väiksemaid minimaalseid pikslite suurusi kui CCD.
● Suur energiatarveCCD-sensorite käitamise energiatarve on palju suurem kui CMOS-sensorite puhul.
CCD-andurite rakendused teaduslikus pildistamises
Kuigi CMOS-tehnoloogia on populaarsust kogunud, eelistatakse CCD-sensoreid siiski teatud teaduslikes pildistamisrakendustes, kus pildikvaliteet, tundlikkus ja järjepidevus on esmatähtsad. Nende suurepärane võime jäädvustada hämaras signaale minimaalse müraga muudab need ideaalseks täppisrakenduste jaoks.
Astronoomia
CCD-sensorid on astronoomilise pildistamise puhul kriitilise tähtsusega, kuna nad suudavad jäädvustada kaugete tähtede ja galaktikate nõrka valgust. Neid kasutatakse laialdaselt nii observatooriumides kui ka edasijõudnud amatöörastronoomias pika säriajaga astrofotograafias, pakkudes selgeid ja detailseid pilte.
Mikroskoopia ja eluteadused
Bioteadustes kasutatakse CCD-andureid nõrkade fluorestsentssignaalide või peente rakustruktuuride jäädvustamiseks. Nende kõrge tundlikkus ja ühtlus muudavad need ideaalseks selliste rakenduste jaoks nagu fluorestsentsmikroskoopia, elusrakkude pildistamine ja digitaalne patoloogia. Nende lineaarne valgustundlikkus tagab täpse kvantitatiivse analüüsi.
Pooljuhtide kontroll
CCD-andurid on pooljuhtide tootmises, eriti kiipide kontrollimisel, üliolulised. Nende kõrge eraldusvõime ja ühtlane pildikvaliteet on olulised kiipide mikrodefektide tuvastamiseks, tagades pooljuhtide tootmisel vajaliku täpsuse.
Röntgen ja teaduslik pildistamine
CCD-andureid kasutatakse ka röntgenkiirguse tuvastamise süsteemides ja muudes spetsiaalsetes pildistamisrakendustes. Nende võime säilitada kõrge signaali-müra suhe, eriti jahutatult, on ülioluline selge pildistamise jaoks keerulistes tingimustes, nagu kristallograafia, materjalianalüüs ja mittepurustav testimine.
Kas CCD-andurid on tänapäeval endiselt asjakohased?
Tucsen H-694 ja 674 CCD-kaamera
Vaatamata CMOS-tehnoloogia kiirele arengule pole CCD-sensorid kaugeltki vananenud. Need on endiselt eelistatud valik ülihämaras valguses ja suure täpsusega pildistamisülesannete puhul, kus nende võrratu pildikvaliteet ja müraomadused on üliolulised. Sellistes valdkondades nagu süvakosmose astronoomia või täiustatud fluorestsentsmikroskoopia edestavad CCD-kaamerad sageli paljusid CMOS-alternatiive.
CCD-andurite tugevate ja nõrkade külgede mõistmine aitab teadlastel ja inseneridel valida oma konkreetsetele vajadustele vastava tehnoloogia, tagades optimaalse jõudluse teaduslikes või tööstuslikes rakendustes.
KKK
Millal peaksin valima CCD-sensori?
CCD-sensorid on tänapäeval palju haruldasemad kui kümme aastat tagasi, kuna CMOS-tehnoloogia hakkab piirama isegi nende madala tumevoolu jõudlust. Siiski leidub alati rakendusi, kus nende jõudlusomaduste kombinatsioon – näiteks suurepärane pildikvaliteet, madal müratase ja kõrge tundlikkus – annab eelise.
Miks teaduskaamerad kasutavad jahutatud CCD-sensoreid?
Jahutus vähendab pildistamise ajal termilist müra, parandades pildi selgust ja tundlikkust. See on eriti oluline hämaras valguses ja pika säriajaga teadusliku pildistamise puhul, mistõttu paljud tipptasemel...teaduskaameradPuhtamate ja täpsemate tulemuste saamiseks tuginege jahutatud CCD-dele.
Mis on CCD- ja EMCCD-sensorite kattuvusrežiim ning kuidas see kaamera jõudlust parandab?
CCD- ja EMCCD-andurid on tavaliselt võimelised kattuvusrežiimiks. Globaalse katikuga kaamerate puhul viitab see võimele lugeda eelmist kaadrit järgmise kaadri särituse ajal. See viib kõrge (peaaegu 100%) töötsüklini, mis tähendab, et kaadrite valguse kätte sattumata jätmiseks kulub minimaalselt aega ja seega on kaadrisagedus suurem.
Märkus: Kattuvuse režiimil on rull-katiku andurite puhul erinev tähendus.
Kui soovite rulookardinate kohta rohkem teada saada, klõpsake siin:
Kuidas rull-luugi juhtimisrežiim töötab ja kuidas seda kasutada
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidata allikale:www.tucsen.com
