۲۵/۰۷/۳۱اگرچه در سال ۲۰۲۵، حسگرهای CMOS بر تصویربرداری علمی و مصرفی تسلط خواهند داشت، اما همیشه اینطور نبوده است.
CCD مخفف «دستگاه جفت‌شده با بار» است و حسگرهای CCD حسگرهای اصلی دوربین دیجیتال بودند که برای اولین بار در سال ۱۹۷۰ توسعه یافتند. دوربین‌های مبتنی بر CCD و EMCCD تا همین چند سال پیش معمولاً برای کاربردهای علمی توصیه می‌شدند. هر دو فناوری هنوز هم پابرجا هستند، اگرچه کاربردهای آنها محدود شده است.
سرعت بهبود و توسعه حسگرهای CMOS همچنان در حال افزایش است. تفاوت بین این فناوری‌ها در درجه اول در نحوه پردازش و خواندن بار الکترونیکی شناسایی شده نهفته است.
سنسور CCD چیست؟
حسگر CCD نوعی حسگر تصویر است که برای دریافت نور و تبدیل آن به سیگنال‌های دیجیتال استفاده می‌شود. این حسگر از آرایه‌ای از پیکسل‌های حساس به نور تشکیل شده است که فوتون‌ها را جمع‌آوری کرده و آنها را به بارهای الکتریکی تبدیل می‌کند.
خوانش اطلاعات در حسگر CCD از سه جهت با CMOS متفاوت است:
● انتقال وجهفوتوالکترون‌های جذب‌شده به صورت الکترواستاتیکی پیکسل به پیکسل در سراسر حسگر به ناحیه‌ی خوانش در پایین منتقل می‌شوند.
● مکانیسم بازخوانیبه جای یک ردیف کامل از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) که به صورت موازی کار می‌کنند، CCDها فقط از یک یا دو ADC (یا گاهی اوقات بیشتر) استفاده می‌کنند که پیکسل‌ها را به ترتیب می‌خوانند.
جایگذاری خازن و تقویت‌کننده: به جای خازن‌ها و تقویت‌کننده‌ها در هر پیکسل، هر ADC یک خازن و یک تقویت‌کننده دارد.
سنسور CCD چگونه کار می‌کند؟
نحوه‌ی عملکرد حسگر CCD برای دریافت و پردازش تصویر به صورت زیر است:
شکل: فرآیند بازخوانی برای یک حسگر CCD
حسگرهای CCD در پایان نوردهی خود، ابتدا بارهای جمع‌آوری‌شده را به یک ناحیه ذخیره‌سازی پنهان در داخل هر پیکسل (که نشان داده نشده است) منتقل می‌کنند. سپس، هر بار یک ردیف، بارها به یک رجیستر بازخوانی منتقل می‌شوند. هر بار یک ستون، بارهای درون رجیستر بازخوانی خوانده می‌شوند.
1. تسویه حساببرای شروع تصویربرداری، شارژ به طور همزمان از کل حسگر (شاتر سراسری) پاک می‌شود.
2. تجمع بار: بار در طول نوردهی جمع می‌شود.
3. ذخیره سازی شارژدر پایان نوردهی، بارهای جمع‌آوری‌شده به ناحیه‌ای پوشیده در داخل هر پیکسل (به نام CCD انتقال بین‌خطی) منتقل می‌شوند، جایی که می‌توانند بدون شمارش فوتون‌های شناسایی‌شده جدید، منتظر بازخوانی بمانند.
4. نوردهی فریم بعدی: با بارهای شناسایی شده ذخیره شده در ناحیه ماسک شده پیکسل‌ها، ناحیه فعال پیکسل‌ها می‌تواند نوردهی فریم بعدی را آغاز کند (حالت همپوشانی).
5. خوانش متوالی: هر بار یک ردیف، بارهای الکتریکی از هر ردیف قاب تکمیل‌شده به یک «رجیستر بازخوانی» منتقل می‌شوند.
6. قرائت نهایی: هر بار یک ستون، بارهای هر پیکسل به گره قرائت منتقل می‌شوند تا در ADC قرائت شوند.
7. تکرار: این فرآیند تا زمانی که بارهای شناسایی شده در تمام پیکسل‌ها شمارش شوند، تکرار می‌شود.
این تنگنا ناشی از خواندن تمام بارهای شناسایی شده توسط تعداد کمی (گاهی اوقات یکی) از نقاط بازخوانی، منجر به محدودیت‌های شدید در توان عملیاتی داده‌های حسگرهای CCD در مقایسه با CMOS می‌شود.
مزایا و معایب سنسورهای CCD
| مزایا | معایب |
| جریان تاریک کم، معمولاً حدود 0.001 e⁻/p/s هنگام سرد شدن. | سرعت محدود، توان عملیاتی معمول حدود ۲۰ مگاپیکسل بر ثانیه - بسیار کندتر از CMOS. |
| شارژهای ترکیب پیکسلی قبل از بازخوانی با هم جمع می‌شوند و نویز را کاهش می‌دهند. | نویز خوانش بالا ۵ تا ۱۰ الکترون⁻ به دلیل خوانش ADC تک نقطه‌ای رایج است. |
| شاتر سراسری شاتر سراسری یا تقریباً سراسری واقعی در CCD های بین خطی/انتقال فریم. | اندازه پیکسل‌های بزرگتر نمی‌توانند با کوچک‌سازی ارائه شده توسط CMOS مطابقت داشته باشند. |
| یکنواختی تصویر بالا، عالی برای تصویربرداری کمی. | مصرف برق بالا به توان بیشتری برای انتقال شارژ و خواندن اطلاعات نیاز دارد. |
مزایای حسگر CCD
● جریان تاریک کمحسگرهای CCD ذاتاً به عنوان یک فناوری، جریان تاریک بسیار کمی دارند، معمولاً در حالت خنک‌شده در حدود 0.001 e-/p/s.
● ترکیب «روی پیکسل»هنگام binning، CCDها قبل از بازخوانی بار اضافه می‌کنند، نه بعد از آن، به این معنی که هیچ نویز اضافی برای خواندن ایجاد نمی‌شود. جریان تاریک افزایش می‌یابد، اما همانطور که در بالا ذکر شد، این مقدار معمولاً بسیار کم است.
● شاتر سراسریحسگرهای CCD «بین‌خطی» با یک شاتر سراسری واقعی کار می‌کنند. حسگرهای CCD «انتقال فریم» از یک شاتر «نیمه‌سراسری» استفاده می‌کنند (به ناحیه «ماسک‌شده» در شکل ۴۵ مراجعه کنید) - فرآیند انتقال فریم برای شروع و پایان نوردهی واقعاً همزمان نیست، اما معمولاً حدود ۱ تا ۱۰ میکروثانیه طول می‌کشد. برخی از CCDها از شاتر مکانیکی استفاده می‌کنند.
معایب حسگرهای CCD
● سرعت محدود: توان عملیاتی معمول داده‌ها بر حسب پیکسل در ثانیه می‌تواند حدود ۲۰ مگاپیکسل در ثانیه (MP/s) باشد، معادل یک تصویر ۴ مگاپیکسلی با سرعت ۵ فریم در ثانیه. این حدود ۲۰ برابر کندتر از CMOS معادل و حداقل ۱۰۰ برابر کندتر از CMOS پرسرعت است.
● نویز خوانش بالانویز خواندن در CCDها زیاد است، که عمدتاً به دلیل نیاز به اجرای ADC(ها) با نرخ بالا برای دستیابی به سرعت قابل استفاده دوربین است. 5 تا 10 e- برای دوربین‌های CCD رده بالا رایج است.
● پیکسل‌های بزرگتربرای بسیاری از کاربردها، پیکسل‌های کوچک‌تر مزایایی را ارائه می‌دهند. معماری معمول CMOS امکان حداقل اندازه پیکسل‌های کوچک‌تر را نسبت به CCD فراهم می‌کند.
● مصرف برق بالا: توان مورد نیاز برای راه‌اندازی حسگرهای CCD بسیار بیشتر از CMOS است.
کاربردهای حسگرهای CCD در تصویربرداری علمی
اگرچه فناوری CMOS محبوبیت زیادی پیدا کرده است، اما حسگرهای CCD هنوز در برخی از کاربردهای تصویربرداری علمی که کیفیت تصویر، حساسیت و ثبات از اهمیت بالایی برخوردار است، ترجیح داده می‌شوند. توانایی برتر آنها در ثبت سیگنال‌های کم نور با حداقل نویز، آنها را برای کاربردهای دقیق ایده‌آل می‌کند.
نجوم
حسگرهای CCD به دلیل توانایی‌شان در ثبت نور ضعیف از ستاره‌ها و کهکشان‌های دوردست، در تصویربرداری نجومی بسیار مهم هستند. آنها به طور گسترده در رصدخانه‌ها و نجوم آماتوری پیشرفته برای عکاسی نجومی با نوردهی طولانی استفاده می‌شوند و تصاویر واضح و دقیقی ارائه می‌دهند.
میکروسکوپ و علوم زیستی
در علوم زیستی، از حسگرهای CCD برای ثبت سیگنال‌های فلورسانس ضعیف یا ساختارهای سلولی ظریف استفاده می‌شود. حساسیت بالا و یکنواختی آنها، آنها را برای کاربردهایی مانند میکروسکوپ فلورسانس، تصویربرداری از سلول‌های زنده و آسیب‌شناسی دیجیتال ایده‌آل می‌کند. پاسخ نوری خطی آنها، تجزیه و تحلیل کمی دقیق را تضمین می‌کند.
بازرسی نیمه هادی
حسگرهای CCD در تولید نیمه‌هادی‌ها، به‌ویژه برای بازرسی ویفر، بسیار مهم هستند. وضوح بالا و کیفیت تصویربرداری ثابت آنها برای شناسایی نقص‌های ریز در تراشه‌ها ضروری است و دقت مورد نیاز در تولید نیمه‌هادی را تضمین می‌کند.
اشعه ایکس و تصویربرداری علمی
حسگرهای CCD همچنین در سیستم‌های تشخیص اشعه ایکس و سایر کاربردهای تصویربرداری تخصصی به کار می‌روند. توانایی آنها در حفظ نسبت سیگنال به نویز بالا، به ویژه هنگام سرد شدن، برای تصویربرداری واضح در شرایط چالش برانگیز مانند کریستالوگرافی، تجزیه و تحلیل مواد و آزمایش‌های غیر مخرب حیاتی است.
آیا حسگرهای CCD هنوز هم امروزه کاربرد دارند؟
دوربین CCD توسن H-694 و 674
با وجود توسعه سریع فناوری CMOS، حسگرهای CCD هنوز منسوخ نشده‌اند. آنها همچنان در تصویربرداری با نور بسیار کم و دقت بالا، که کیفیت تصویر بی‌نظیر و ویژگی‌های نویز آنها بسیار مهم است، انتخاب ارجح هستند. در زمینه‌هایی مانند نجوم اعماق فضا یا میکروسکوپ فلورسانس پیشرفته، دوربین‌های CCD اغلب از بسیاری از جایگزین‌های CMOS بهتر عمل می‌کنند.
درک نقاط قوت و ضعف حسگرهای CCD به محققان و مهندسان کمک می‌کند تا فناوری مناسب را برای نیازهای خاص خود انتخاب کنند و عملکرد بهینه را در کاربردهای علمی یا صنعتی خود تضمین کنند.
سوالات متداول
چه زمانی باید یک سنسور CCD انتخاب کنم؟
حسگرهای CCD امروزه بسیار نادرتر از ده سال پیش هستند، زیرا فناوری CMOS حتی به عملکرد جریان تاریک پایین آنها نیز تجاوز می‌کند. با این حال، همیشه کاربردهایی وجود خواهد داشت که ترکیب ویژگی‌های عملکردی آنها - مانند کیفیت تصویر برتر، نویز کم و حساسیت بالا - مزیتی را فراهم می‌کند.
چرا دوربین‌های علمی از حسگرهای CCD خنک‌شونده استفاده می‌کنند؟
خنک‌سازی، نویز حرارتی را در طول ثبت تصویر کاهش می‌دهد و وضوح و حساسیت تصویر را بهبود می‌بخشد. این امر به ویژه برای تصویربرداری علمی در نور کم و با نوردهی طولانی اهمیت دارد، به همین دلیل است که بسیاری از دوربین‌های پیشرفتهدوربین‌های علمیبرای نتایج دقیق‌تر و واضح‌تر، به CCD های خنک‌شده تکیه کنید.
حالت همپوشانی در سنسورهای CCD و EMCCD چیست و چگونه عملکرد دوربین را بهبود می‌بخشد؟
حسگرهای CCD و EMCCD معمولاً قابلیت «حالت همپوشانی» را دارند. برای دوربین‌های شاتر جهانی، این به توانایی خواندن فریم قبلی در طول نوردهی فریم بعدی اشاره دارد. این امر منجر به چرخه کاری بالا (نزدیک به ۱۰۰٪) می‌شود، به این معنی که حداقل زمان برای قرار نگرفتن فریم‌ها در معرض نور تلف می‌شود و از این رو نرخ فریم بالاتری خواهیم داشت.
نکته: حالت همپوشانی برای حسگرهای شاتر چرخشی معنای متفاوتی دارد.
اگر می‌خواهید درباره کرکره برقی بیشتر بدانید، لطفاً کلیک کنید:
نحوه کار حالت کنترل شاتر غلتکی و نحوه استفاده از آن
شرکت توسن فوتونیک. تمامی حقوق محفوظ است. هنگام نقل قول، لطفاً منبع را ذکر کنید:www.tucsen.com
