CCD-kennojen ymmärtäminen: Mitä ne ovat ja miten ne toimivat |

Vaikka CMOS-kennot hallitsevat vuonna 2025 sekä tieteellistä että kuluttajakuvantamista, näin ei ole aina ollut.

CCD on lyhenne sanoista "Charge-Coupled Device", ja CCD-anturit olivat alkuperäisiä digitaalikameroiden antureita, jotka kehitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1970. CCD- ja EMCCD-pohjaisia kameroita suositeltiin yleisesti tieteellisiin sovelluksiin vielä muutama vuosi sitten. Molemmat tekniikat ovat edelleen olemassa, vaikka niiden käyttötarkoitukset ovat tulleet marginaalisiksi.

CMOS-kennojen parannus- ja kehitysvauhti jatkaa kiihtymistään. Näiden tekniikoiden välinen ero on pääasiassa siinä, miten ne käsittelevät ja lukevat havaitun sähköisen varauksen.

Mikä on CCD-kenno?

CCD-kenno on kuvakenno, jota käytetään valon kaappaamiseen ja muuntamiseen digitaalisiksi signaaleiksi. Se koostuu joukosta valoherkkiä pikseleitä, jotka keräävät fotoneja ja muuttavat ne sähkövarauksiksi.

CCD-kennon lukema eroaa CMOS-kennon lukemasta kolmella merkittävällä tavalla:

● Maksun siirtoKaapatut fotoelektronit siirretään sähköstaattisesti pikseli pikseliltä anturin poikki alareunassa olevaan lukualueeseen.
● LukumekanismiKokonaisen rinnakkain toimivien analogia-digitaalimuuntimien (ADC) rivin sijaan CCD-kennoissa käytetään vain yhtä tai kahta (tai joskus useampaa) AD-muunninta, jotka lukevat pikseleitä peräkkäin.

Kondensaattorin ja vahvistimen sijoittelu: Kunkin pikselin kondensaattoreiden ja vahvistimien sijasta jokaisessa ADC:ssä on yksi kondensaattori ja vahvistin.

Miten CCD-kenno toimii?

Näin CCD-kenno ottaa ja käsittelee kuvan:

Kuva: CCD-anturin lukuprosessi

Valotuksen lopussa CCD-anturit siirtävät ensin kerätyt varaukset jokaisen pikselin sisällä olevaan peitettyyn tallennusalueeseen (ei kuvassa). Sitten varaukset siirretään rivi kerrallaan lukurekisteriin. Lukurekisterin varaukset luetaan sarake kerrallaan.

1. Veloitusten selvitysKuvankeruun aloittamiseksi koko anturi tyhjennetään samanaikaisesti (yleissuljin).
2. Varauksen kertyminenVaraus kertyy valotuksen aikana.
3. LatausvarastointiValotuksen lopussa kerätyt varaukset siirretään kunkin pikselin sisällä olevalle maskatulle alueelle (jota kutsutaan viivojenväliseksi CCD:ksi), jossa ne voivat odottaa lukemista ilman, että uusia havaittuja fotoneja lasketaan.
4. Seuraavan kuvan valotusKun havaitut varaukset on tallennettu pikselien peitetylle alueelle, aktiivinen pikselialue voi aloittaa seuraavan kuvan valotuksen (päällekkäisyystila).
5. PeräkkäislukemaYksi rivi kerrallaan, valmiin kehyksen jokaisen rivin varaukset siirretään 'lukurekisteriin'.
6. LopputulosYksi sarake kerrallaan, kunkin pikselin varaukset johdetaan lukusolmuun ADC:n lukemista varten.
7. Toisto: Tämä prosessi toistuu, kunnes kaikkien pikseleiden havaitut varaukset on laskettu.

Tämä pullonkaula, jonka aiheuttaa se, että kaikki havaitut varaukset luetaan pienellä määrällä (joskus yhdellä) lukupisteitä, johtaa CCD-kennojen tiedonsiirtonopeuden vakaviin rajoituksiin CMOS-kennoihin verrattuna.

CCD-kennojen plussat ja miinukset

Hyvät puolet	Haittoja
Alhainen pimeävirta. Tyypillisesti ~0,001 e⁻/p/s jäähdytettynä.	Rajoitettu nopeus Tyypillinen läpimenoaika ~20 MP/s — paljon hitaampi kuin CMOS.
Pikselin ryhmittely Varaukset summataan ennen lukemista, mikä vähentää kohinaa.	Korkea lukukohina 5–10 e⁻ on yleistä yhden pisteen AD-muuntimen lukeman vuoksi.
Globaali suljin. Todellinen globaali tai lähes globaali suljin linjojen välisissä/kuvansiirtoon perustuvissa CCD-kennoissa.	Suuremmat pikselikoot eivät voi vastata CMOS-näytön miniatyrisoinnin tarjoamiin mahdollisuuksiin.
Korkea kuvan tasaisuus Erinomainen kvantitatiiviseen kuvantamiseen.	Suuri virrankulutus Vaatii enemmän tehoa varauksen siirtoon ja lukemiseen.

CCD-kennon plussat

● Alhainen pimeävirtaTeknologiana CCD-antureilla on luonnostaan hyvin alhainen pimeävirta, tyypillisesti luokkaa 0,001 e-/p/s jäähdytettynä.
● Pikselikohtainen ryhmittelyBinning-menetelmällä CCD-keihotteet lisäävät varauksia ennen lukemista, eivät sen jälkeen, mikä tarkoittaa, että lukukohinaa ei synny. Pimeävirta kyllä kasvaa, mutta kuten edellä todettiin, se on yleensä hyvin pieni.
● Globaali suljin'Interline' CCD-kennot toimivat aidolla globaalilla sulkimella. 'Frame Transfer' CCD-kennot käyttävät 'puoliglobaalia' suljinta (katso 'Maskattu' alue kuvassa 45) – kuvansiirtoprosessi valotuksen aloittamiseksi ja lopettamiseksi ei ole aidosti samanaikainen, vaan kestää tyypillisesti 1–10 mikrosekuntia. Joissakin CCD-kennoissa käytetään mekaanista suljinta.

CCD-kennojen haitat

● Rajoitettu nopeusTyypillinen tiedonsiirtonopeus pikseleinä sekunnissa voi olla noin 20 megapikseliä sekunnissa (MP/s), mikä vastaa 4 megapikselin kuvaa 5 kuvaa sekunnissa. Tämä on noin 20 kertaa hitaampaa kuin vastaava CMOS-kenno ja vähintään 100 kertaa hitaampaa kuin nopea CMOS.
● Korkea lukukohinaCCD-kennojen lukukohina on korkeaa, mikä johtuu pääasiassa siitä, että analogia-digitaalimuuntimia on käytettävä suurella nopeudella käyttökelpoisen kameran nopeuden saavuttamiseksi. 5–10 e- on yleinen huippuluokan CCD-kameroissa.
● Suuremmat pikselitMonissa sovelluksissa pienemmät pikselit tarjoavat etuja. Tyypillinen CMOS-arkkitehtuuri sallii pienemmät pikselikoot kuin CCD.
● Korkea virrankulutusCCD-kennojen virrankulutus on paljon suurempi kuin CMOS-kennojen.

CCD-antureiden sovellukset tieteellisessä kuvantamisessa

Vaikka CMOS-teknologia on saavuttanut suosiota, CCD-kennot ovat edelleen suosittuja tietyissä tieteellisissä kuvantamissovelluksissa, joissa kuvanlaatu, herkkyys ja yhdenmukaisuus ovat ensiarvoisen tärkeitä. Niiden erinomainen kyky tallentaa hämärässä tapahtuvia signaaleja minimaalisella kohinalla tekee niistä ihanteellisia tarkkuussovelluksiin.

Tähtitiede

CCD-anturit ovat kriittisen tärkeitä tähtitieteellisessä kuvantamisessa, koska ne pystyvät tallentamaan heikkoa valoa kaukaisista tähdistä ja galakseista. Niitä käytetään laajalti sekä observatorioissa että edistyneessä amatööriastronomiassa pitkän valotusajan astrofotografiassa, mikä tuottaa selkeitä ja yksityiskohtaisia kuvia.

Mikroskopia ja biotieteet

Biotieteissä CCD-antureita käytetään heikkojen fluoresenssisignaalien tai hienovaraisten solurakenteiden tallentamiseen. Niiden korkea herkkyys ja tasaisuus tekevät niistä täydellisiä sovelluksiin, kuten fluoresenssimikroskopiaan, elävien solujen kuvantamiseen ja digitaaliseen patologiaan. Niiden lineaarinen valovaste varmistaa tarkan kvantitatiivisen analyysin.

Puolijohteiden tarkastus

CCD-anturit ovat ratkaisevan tärkeitä puolijohdevalmistuksessa, erityisesti kiekkojen tarkastuksessa. Niiden korkea resoluutio ja tasainen kuvanlaatu ovat olennaisia sirujen mikroskooppisten virheiden tunnistamisessa ja varmistavat puolijohdetuotannossa vaadittavan tarkkuuden.

Röntgen ja tieteellinen kuvantaminen

CCD-antureita käytetään myös röntgensäteilyä havaitsevissa järjestelmissä ja muissa erikoistuneissa kuvantamissovelluksissa. Niiden kyky ylläpitää korkeaa signaali-kohinasuhdetta, erityisesti jäähdytettyinä, on elintärkeää selkeän kuvantamisen kannalta haastavissa olosuhteissa, kuten kristallografiassa, materiaalianalyyseissä ja rikkomattomissa testauksissa.

Ovatko CCD-anturit edelleen ajankohtaisia?

Tucsen H-694 & 674 CCD-kamera

CMOS-teknologian nopeasta kehityksestä huolimatta CCD-kennot eivät ole suinkaan vanhentuneita. Ne ovat edelleen ensisijainen valinta erittäin hämärässä ja tarkassa kuvantamisessa, jossa niiden vertaansa vailla oleva kuvanlaatu ja kohinaominaisuudet ovat ratkaisevan tärkeitä. Aloilla, kuten syvän avaruuden tähtitieteessä tai edistyneessä fluoresenssimikroskopiassa, CCD-kamerat usein päihittävät monet CMOS-vaihtoehdot.

CCD-antureiden vahvuuksien ja heikkouksien ymmärtäminen auttaa tutkijoita ja insinöörejä valitsemaan oikean teknologian erityistarpeisiinsa varmistaen optimaalisen suorituskyvyn tieteellisissä tai teollisissa sovelluksissa.

Usein kysytyt kysymykset

Milloin minun pitäisi valita CCD-kenno?

CCD-anturit ovat nykyään paljon harvinaisempia kuin kymmenen vuotta sitten, koska CMOS-teknologia alkaa heikentää jopa niiden suorituskykyä pienellä pimeävirralla. On kuitenkin aina sovelluksia, joissa niiden suorituskykyominaisuuksien yhdistelmä – kuten erinomainen kuvanlaatu, alhainen kohina ja korkea herkkyys – tarjoaa etua.

Miksi tieteellisissä kameroissa käytetään jäähdytettyjä CCD-kennoja?

Jäähdytys vähentää lämpökohinaa kuvan ottamisen aikana, mikä parantaa kuvan selkeyttä ja herkkyyttä. Tämä on erityisen tärkeää hämärässä ja pitkällä valotusajalla tehtävässä tieteellisessä kuvantamisessa, minkä vuoksi monet huippuluokantieteelliset kameratLuota jäähdytettyihin CCD-kennoihin puhtaampien ja tarkempien tulosten saamiseksi.

Mikä on CCD- ja EMCCD-kennon päällekkäisyystila ja miten se parantaa kameran suorituskykyä?

CCD- ja EMCCD-kennot pystyvät tyypillisesti päällekkäisyyteen. Globaalilla sulkimella varustetuissa kameroissa tämä tarkoittaa kykyä lukea edellinen kuva seuraavan kuvan valotuksen aikana. Tämä johtaa korkeaan (lähes 100 %) käyttösuhteeseen, mikä tarkoittaa, että kuvien valottamatta jättämiseen kuluu mahdollisimman vähän aikaa ja siten suurempi kuvataajuus.

Huomautus: Päällekkäisyystilalla on eri merkitys rullaavan sulkimen antureille.

Jos haluat lisätietoja rullaverhoista, napsauta:

Kuinka rullaavan sulkimen ohjaustila toimii ja miten sitä käytetään

Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com