25/07/31Aínda que en 2025 os sensores CMOS dominan a imaxe científica e de consumo por igual, non sempre foi así.
CCD significa "Dispositivo de carga acoplada" e os sensores CCD foron os sensores orixinais das cámaras dixitais, desenvolvidos por primeira vez en 1970. As cámaras baseadas en CCD e EMCCD recomendábanse habitualmente para aplicacións científicas ata hai só uns anos. Ambas as tecnoloxías aínda sobreviven hoxe en día, aínda que os seus usos se converteron en nichos.
A taxa de mellora e desenvolvemento dos sensores CMOS continúa a aumentar. A diferenza entre estas tecnoloxías reside principalmente na forma en que procesan e len a carga electrónica detectada.
Que é un sensor CCD?
O sensor CCD é un tipo de sensor de imaxe que se emprega para capturar a luz e convertela en sinais dixitais. Consta dunha matriz de píxeles sensibles á luz que recollen fotóns e os converten en cargas eléctricas.
A lectura do sensor CCD difire da do CMOS en tres aspectos significativos:
● Transferencia de cargaOs fotoelectróns capturados móvense electrostaticamente píxel a píxel a través do sensor ata unha área de lectura na parte inferior.
● Mecanismo de lecturaEn lugar dunha fila enteira de conversores analóxico-dixitais (ADC) que funcionan en paralelo, os CCD empregan só un ou dous ADC (ou ás veces máis) que len os píxeles secuencialmente.
Colocación de condensadores e amplificadores: en lugar de condensadores e amplificadores en cada píxel, cada ADC ten un condensador e un amplificador.
Como funciona un sensor CCD?
Así funciona un sensor CCD para adquirir e procesar unha imaxe:
Figura: Proceso de lectura para un sensor CCD
Ao final da súa exposición, os sensores CCD primeiro moven as cargas recollidas a unha área de almacenamento enmascarada dentro de cada píxel (non mostrada). Despois, fila por fila, as cargas móvense a un rexistro de lectura. Columna por columna, lense as cargas dentro do rexistro de lectura.
1. Compensación de cargosPara comezar a adquisición, a carga elimínase simultaneamente de todo o sensor (obturador global).
2. Acumulación de cargaAcumúlase carga durante a exposición.
3. Almacenamento de cargaAo final da exposición, as cargas recollidas móvense a unha área enmascarada dentro de cada píxel (chamada CCD de transferencia entre liñas), onde poden agardar a lectura sen que se conten os novos fotóns detectados.
4. Exposición do seguinte fotogramaCoas cargas detectadas almacenadas na área enmascarada de píxeles, a área activa de píxeles pode comezar a exposición do seguinte fotograma (modo de superposición).
5. Lectura secuencialUnha fila á vez, as cargas de cada fila do marco rematado móvense a un "rexistro de lectura".
6. Lectura finalUnha columna á vez, as cargas de cada píxel envíanse ao nodo de lectura para a súa lectura no ADC.
7. RepeticiónEste proceso repítese ata que se conten as cargas detectadas en todos os píxeles.
Este colo de botella causado pola lectura de todas as cargas detectadas por un pequeno número (ás veces un) de puntos de lectura, leva a graves limitacións no rendemento de datos dos sensores CCD en comparación cos CMOS.
Vantaxes e desvantaxes dos sensores CCD
| Vantaxes | Contras |
| Corrente de escuridade baixa Normalmente ~0,001 e⁻/p/s cando se arrefría. | Velocidade limitada Rendemento típico ~20 MP/s (moito máis lento que o CMOS). |
| As cargas de agrupamento en píxeles súmanse antes da lectura, o que reduce o ruído. | Ruído de lectura elevado de 5 a 10 e⁻ é común debido á lectura ADC dun só punto. |
| Obturador global Obturador global ou case global verdadeiro en CCD de transferencia entre liñas/fotogramas. | Os tamaños de píxeles máis grandes non poden igualar a miniaturización que ofrece o CMOS. |
| Alta uniformidade de imaxe. Excelente para imaxes cuantitativas. | Alto consumo de enerxía Require máis enerxía para o cambio de carga e a lectura. |
Vantaxes do sensor CCD
● Corrente de escuridade baixaInherentemente como tecnoloxía, os sensores CCD tenden a ter unha corrente de escuridade moi baixa, normalmente da orde de 0,001 e-/p/s cando se arrefrían.
● Agrupación "en píxeles"Ao realizar o binning, os CCD engaden cargas antes da lectura, non despois, o que significa que non se introduce ruído de lectura adicional. A corrente de escuridade aumenta, pero como se indicou anteriormente, adoita ser moi baixa.
● Obturador globalOs sensores CCD «interliña» funcionan cun obturador global real. Os sensores CCD de «transferencia de fotogramas» empregan un obturador «medio global» (véxase a rexión «enmascarada» da Figura 45): o proceso de transferencia de fotogramas para iniciar e finalizar a exposición non é realmente simultáneo, senón que normalmente tarda da orde de 1 a 10 microsegundos. Algúns CCD empregan obturador mecánico.
Desvantaxes dos sensores CCD
● Velocidade limitadaO rendemento típico de datos en píxeles por segundo pode ser duns 20 megapíxeles por segundo (MP/s), o que equivale a unha imaxe de 4 MP a 5 fps. Isto é unhas 20 veces máis lento que un CMOS equivalente e polo menos 100 veces máis lento que un CMOS de alta velocidade.
● Alto ruído de lecturaO ruído de lectura nos CCD é elevado, debido en gran parte á necesidade de executar o(s) ADC(s) a unha velocidade alta para lograr unha velocidade de cámara utilizable. De 5 a 10 e- é habitual para as cámaras CCD de gama alta.
● Píxeles máis grandesPara moitas aplicacións, os píxeles máis pequenos ofrecen vantaxes. A arquitectura CMOS típica permite tamaños mínimos de píxeles máis pequenos que os CCD.
● Alto consumo de enerxíaOs requisitos de enerxía para executar sensores CCD son moito maiores que os CMOS.
Aplicacións dos sensores CCD na imaxe científica
Aínda que a tecnoloxía CMOS gañou popularidade, os sensores CCD seguen sendo os preferidos en certas aplicacións de imaxe científica onde a calidade, a sensibilidade e a consistencia da imaxe son primordiais. A súa capacidade superior para capturar sinais de pouca luz con ruído mínimo fainos ideais para aplicacións de precisión.
Astronomía
Os sensores CCD son fundamentais na obtención de imaxes astronómicas debido á súa capacidade para capturar a luz tenue de estrelas e galaxias distantes. Úsanse amplamente tanto en observatorios como en astronomía afeccionada avanzada para a astrofotografía de longa exposición, proporcionando imaxes claras e detalladas.
Microscopía e Ciencias da Vida
Nas ciencias da vida, os sensores CCD utilízanse para capturar sinais de fluorescencia débiles ou estruturas celulares sutís. A súa alta sensibilidade e uniformidade fan que sexan perfectos para aplicacións como a microscopía de fluorescencia, a obtención de imaxes de células vivas e a patoloxía dixital. A súa resposta lineal á luz garante unha análise cuantitativa precisa.
Inspección de semicondutores
Os sensores CCD son cruciais na fabricación de semicondutores, especialmente para a inspección de obleas. A súa alta resolución e a súa calidade de imaxe consistente son esenciais para identificar defectos a microescala nos chips, garantindo a precisión requirida na produción de semicondutores.
Raios X e imaxe científica
Os sensores CCD tamén se empregan en sistemas de detección de raios X e outras aplicacións especializadas de imaxe. A súa capacidade para manter unha alta relación sinal-ruído, especialmente cando se arrefrían, é vital para obter imaxes nítidas en condicións desafiantes como a cristalografía, a análise de materiais e as probas non destrutivas.
Os sensores CCD seguen sendo relevantes hoxe en día?
Cámara CCD Tucsen H-694 e 674
Malia o rápido desenvolvemento da tecnoloxía CMOS, os sensores CCD están lonxe de ser obsoletos. Seguen a ser unha opción preferida en tarefas de imaxe de alta precisión e con pouca luz, onde a súa inigualable calidade de imaxe e as súas características de ruído son cruciais. En campos como a astronomía espacial profunda ou a microscopía de fluorescencia avanzada, as cámaras CCD adoitan superar a moitas alternativas CMOS.
Comprender os puntos fortes e débiles dos sensores CCD axuda aos investigadores e enxeñeiros a seleccionar a tecnoloxía axeitada para as súas necesidades específicas, garantindo un rendemento óptimo nas súas aplicacións científicas ou industriais.
Preguntas frecuentes
Cando debería escoller un sensor CCD?
Os sensores CCD son moito máis raros hoxe en día que hai dez anos, xa que a tecnoloxía CMOS comeza a afectar incluso ao seu rendemento de baixa corrente escura. Non obstante, sempre haberá aplicacións nas que a súa combinación de características de rendemento, como unha calidade de imaxe superior, baixo ruído e alta sensibilidade, proporcione unha vantaxe.
Por que as cámaras científicas usan sensores CCD refrixerados?
O arrefriamento reduce o ruído térmico durante a captura de imaxes, mellorando a claridade e a sensibilidade da imaxe. Isto é especialmente importante para imaxes científicas con pouca luz e longa exposición, razón pola cal moitos dispositivos de gama altacámaras científicasconfíen en CCD refrixerados para obter resultados máis limpos e precisos.
Que é o modo de superposición nos sensores CCD e EMCCD e como mellora o rendemento da cámara?
Os sensores CCD e EMCCD adoitan ser capaces de usar o "modo de superposición". Para as cámaras de obturador global, isto refírese á capacidade de ler o fotograma anterior durante a exposición do seguinte. Isto leva a un ciclo de traballo alto (preto do 100 %), o que significa que se perde un tempo mínimo sen expoñer os fotogramas á luz e, polo tanto, taxas de fotogramas máis altas.
Nota: O modo de superposición ten un significado diferente para os sensores de obturador rodante.
Se queres saber máis sobre as persianas enrollables, fai clic en:
Como funciona o modo de control do obturador rodante e como usalo
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos os dereitos reservados. Ao citar, indique a fonte:www.tucsen.com
