25/07/31Hoewol't yn 2025 CMOS-sensoren sawol wittenskiplike as konsuminteôfbylding dominearje, wie dit net altyd it gefal.
CCD stiet foar 'Charge-Coupled Device', en CCD-sensoren wiene de orizjinele digitale kamerasensoren, earst ûntwikkele yn 1970. Kamera's basearre op CCD en EMCCD waarden oant in pear jier lyn faak oanrikkemandearre foar wittenskiplike tapassingen. Beide technologyen besteane hjoed de dei noch, hoewol har gebrûk niche wurden is.
De snelheid fan ferbettering en ûntwikkeling fan CMOS-sensoren bliuwt tanimme. It ferskil tusken dizze technologyen leit benammen yn 'e manier wêrop se detektearre elektroanyske lading ferwurkje en útlêze.
Wat is in CCD-sensor?
In CCD-sensor is in soarte ôfbyldingssensor dy't brûkt wurdt om ljocht op te fangen en om te setten yn digitale sinjalen. It bestiet út in rige ljochtgefoelige piksels dy't fotonen sammelje en se omsette yn elektryske ladingen.
De CCD-sensorútlêzing ferskilt op trije wichtige manieren fan de CMOS-útlêzing:
● Oerdracht fan kostenOpnommen fotoelektronen wurde elektrostatysk piksel foar piksel oer de sensor nei in útlêsgebiet oan 'e ûnderkant ferpleatst.
● ÚtlêsmeganismeYnstee fan in hiele rige fan analooch-nei-digitale converters (ADC's) dy't parallel wurkje, brûke CCD's mar ien of twa ADC's (of soms mear) dy't piksels sekwinsjeel lêze.
Pleatsing fan kondensator en fersterker: Yn plak fan kondensatoren en fersterkers yn elke piksel hat elke ADC ien kondensator en fersterker.
Hoe wurket in CCD-sensor?
Hjir is hoe't in CCD-sensor wurket om in ôfbylding te krijen en te ferwurkjen:
Ofbylding: Útlêsproses foar in CCD-sensor
Oan 'e ein fan harren bleatstelling ferpleatse CCD-sensoren earst sammele ladingen nei in maskere opslachgebiet binnen elke piksel (net werjûn). Dan wurde ladingen, rige foar rige, nei in útlêsregister ferpleatst. Kolom foar kolom wurde ladingen binnen it útlêsregister útlêzen.
1. Kosten wiskjeOm de akwisysje te begjinnen, wurdt de lading tagelyk fan 'e hiele sensor wiske (globale sluter).
2. LadingakkumulaasjeLading sammelet him op tidens bleatstelling.
3. Opslach fan ladingOan 'e ein fan 'e bleatstelling wurde sammele ladingen ferpleatst nei in maskere gebiet binnen elke piksel (in saneamde interline transfer CCD), dêr't se kinne wachtsje op útlêzen sûnder dat nije detektearre fotonen teld wurde.
4. Bleatstelling fan folgjende frameMei de detektearre ladingen opslein yn it maskere gebiet fan piksels, kin it aktive gebiet fan piksels begjinne mei de bleatstelling fan it folgjende frame (oerlaapmodus).
5. Sekwinsjele útlêzingIen rige tagelyk wurde ladingen fan elke rige fan it foltôge frame nei in 'útlêsregister' ferpleatst.
6. Finale útlêzingIen kolom tagelyk wurde ladingen fan elke piksel nei it útlêsknooppunt brocht foar útlêzen by de ADC.
7. WerhellingDit proses wurdt werhelle oant de detektearre ladingen yn alle piksels teld binne.
Dizze knelpunt feroarsake troch alle detektearre ladingen dy't lêzen wurde troch in lyts oantal (soms ien) útlêspunten, liedt ta swiere beheiningen yn 'e datatrochfier fan CCD-sensoren yn ferliking mei CMOS.
Foar- en neidielen fan CCD-sensoren
| Foardielen | Neidielen |
| Lege tsjustere stroom Typysk ~0.001 e⁻/p/s as it ôfkuolle is. | Beheinde snelheid Typyske trochfier ~20 MP/s - folle stadiger as CMOS. |
| On-Pixel Binning-kosten wurde foar it útlêzen gearfette, wêrtroch't rûs wurdt fermindere. | Hege lêsrûs 5–10 e⁻ komt faak foar fanwegen ienpunts ADC-útlêzing. |
| Globale sluter Echte globale of hast globale sluter yn ynterline/frame-transfer CCD's. | Gruttere pikselgruttes kinne net oerienkomme mei de miniaturisaasje dy't CMOS biedt. |
| Hege ôfbyldingsuniformiteit. Uitstekend foar kwantitative ôfbylding. | Heech enerzjyferbrûk Fereasket mear enerzjy foar it ferskowen en útlêzen fan lading. |
Foardielen fan CCD-sensor
● Lege tsjustere stroomYnherint as technology hawwe CCD-sensors de neiging om in tige lege tsjustere stroom te hawwen, typysk yn 'e oarder fan 0,001 e-/p/s as se ôfkuolle binne.
● 'Op-piksel' BinningBy it binnjen foegje CCD's ladingen ta foar it útlêzen, net dêrnei, wat betsjut dat der gjin ekstra lêsrûs yntrodusearre wurdt. Tsjustere stroom nimt wol ta, mar lykas hjirboppe neamd, is dit meastentiids tige leech.
● Globale sluter'Interline' CCD-sensoren wurkje mei in echte globale sluter. 'Frame Transfer' CCD-sensoren brûke in 'heale globale' sluter (sjoch 'Masked' gebiet fan figuer 45) - it frame-oerdrachtproses om de bleatstelling te begjinnen en te einigjen is net echt simultane, mar duorret typysk sawat 1-10 mikrosekonden. Guon CCD's brûke meganyske sluting.
Neidielen fan CCD-sensoren
● Beheinde snelheidTypyske gegevenstrochfier yn piksels per sekonde kin sawat 20 megapiksels per sekonde (MP/s) wêze, lykweardich oan in 4 MP-ôfbylding mei 5 fps. Dit is sawat 20 kear stadiger as lykweardige CMOS, en teminsten 100 kear stadiger as hege-snelheid CMOS.
● Hege lêsrûsLêsrûs yn CCD's is heech, foar in grut part fanwegen de needsaak om de ADC('s) mei in hege snelheid te draaien om in brûkbere kamerasnelheid te berikken. 5 oant 10 e- is gewoan foar high-end CCD-kamera's.
● Gruttere pikselsFoar in protte tapassingen biede lytsere piksels foardielen. Typyske CMOS-arsjitektuer makket lytsere minimale pikselgrutte mooglik as CCD.
● Hege enerzjyferbrûkDe stroomeasken foar it brûken fan CCD-sensoren binne folle heger as CMOS.
Tapassingen fan CCD-sensoren yn wittenskiplike ôfbylding
Hoewol CMOS-technology oan populariteit wûn hat, wurde CCD-sensoren noch altyd foarkar jûn yn bepaalde wittenskiplike ôfbyldingstapassingen wêr't ôfbyldingskwaliteit, gefoelichheid en konsistinsje fan it grutste belang binne. Harren superieure fermogen om sinjalen by leech ljocht mei minimale rûs op te fangen makket se ideaal foar presyzjetapassingen.
Stjerrekunde
CCD-sensoren binne krúsjaal yn astronomyske ôfbylding fanwegen har fermogen om swak ljocht fan fiere stjerren en stjerrestelsels op te fangen. Se wurde in soad brûkt yn sawol observatoria as avansearre amateurastronomy foar astrofotografy mei lange bleatstelling, en leverje dúdlike, detaillearre ôfbyldings.
Mikroskopie en libbenswittenskippen
Yn 'e libbenswittenskippen wurde CCD-sensoren brûkt om swakke fluoreszinsjesignalen of subtile sellulêre struktueren te fangen. Harren hege gefoelichheid en uniformiteit meitsje se perfekt foar tapassingen lykas fluoreszinsjemikroskopie, live selôfbylding en digitale patology. Harren lineêre ljochtreaksje soarget foar krekte kwantitative analyze.
Ynspeksje fan healgeleiders
CCD-sensoren binne krúsjaal yn 'e produksje fan healgeleiders, benammen foar waferynspeksje. Harren hege resolúsje en konsekwinte ôfbyldingskwaliteit binne essensjeel foar it identifisearjen fan mikroskaaldefekten yn chips, wêrtroch't de presyzje dy't nedich is yn 'e produksje fan healgeleiders wurdt garandearre.
Röntgen- en wittenskiplike ôfbylding
CCD-sensors wurde ek brûkt yn röntgendeteksjesystemen en oare spesjalisearre ôfbyldingstapassingen. Harren fermogen om hege sinjaal-lûdsferhâldingen te behâlden, foaral as se ôfkuolle wurde, is essensjeel foar dúdlike ôfbylding yn útdaagjende omstannichheden lykas kristallografy, materiaalanalyse en net-destruktive testen.
Binne CCD-sensoren hjoed de dei noch relevant?
Tucsen H-694 & 674 CCD-kamera
Nettsjinsteande de rappe ûntwikkeling fan CMOS-technology binne CCD-sensoren fier fan ferâldere. Se bliuwe in foarkar yn ultra-leech ljocht en hege-presyzje ôfbyldingstaken, wêr't har ûnfergelykbere ôfbyldingskwaliteit en rûskeigenskippen krúsjaal binne. Yn fjilden lykas djippe romte-astronomy of avansearre fluoreszinsjemikroskopie prestearje CCD-kamera's faak better as in protte CMOS-alternativen.
It begripen fan 'e sterke en swakke punten fan CCD-sensoren helpt ûndersikers en yngenieurs om de juste technology te kiezen foar har spesifike behoeften, wêrtroch optimale prestaasjes yn har wittenskiplike of yndustriële tapassingen garandearre wurde.
FAQ's
Wannear moat ik in CCD-sensor kieze?
CCD-sensoren binne hjoed-de-dei folle seldsumer as tsien jier lyn, om't CMOS-technology sels har prestaasjes mei lege tsjustere stroom begjint te beynfloedzjen. D'r sille lykwols altyd tapassingen wêze wêr't har kombinaasje fan prestaasjekarakteristiken - lykas superieure ôfbyldingskwaliteit, lege rûs en hege gefoelichheid - in foardiel biedt.
Wêrom brûke wittenskiplike kamera's koelde CCD-sensoren?
Koeling ferminderet termyske rûs by it meitsjen fan ôfbyldings, wêrtroch't de dúdlikens en gefoelichheid fan 'e ôfbylding ferbettere wurde. Dit is foaral wichtich foar wittenskiplike ôfbyldings by leech ljocht en lange bleatstelling, dêrom in protte high-end apparatenwittenskiplike kamera'sfertrou op koele CCD's foar skjinnere, krektere resultaten.
Wat is oerlaapmodus yn CCD- en EMCCD-sensoren, en hoe ferbetteret it de prestaasjes fan 'e kamera?
CCD- en EMCCD-sensoren binne typysk by steat ta 'oerlaapmodus'. Foar globale sluterkamera's ferwiist dit nei de mooglikheid om it foarige frame út te lêzen tidens de bleatstelling fan it folgjende frame. Dit liedt ta in hege (hast 100%) duty cycle, wat betsjut dat minimale tiid fergriemd wurdt oan it net bleatstellen fan frames oan ljocht, en dus hegere frameraten.
Opmerking: Oerlaapmodus hat in oare betsjutting foar rôljende slutersensors.
As jo mear witte wolle oer rôljende shutters, klik dan op:
Hoe't de rôljende sluterkontrôlemodus wurket en hoe't jo it brûke kinne
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rjochten foarbehâlden. By it sitearjen, neam asjebleaft de boarne:www.tucsen.com
