सीसीडी सेंसर को समझना: वे क्या हैं और कैसे काम करते हैं |

यद्यपि 2025 में, CMOS सेंसर वैज्ञानिक और उपभोक्ता इमेजिंग दोनों में हावी हो जाएंगे, लेकिन हमेशा ऐसा नहीं था।

सीसीडी का अर्थ है 'चार्ज-कपल्ड डिवाइस', और सीसीडी सेंसर मूल डिजिटल कैमरा सेंसर थे, जिनका विकास पहली बार 1970 में हुआ था। कुछ साल पहले तक वैज्ञानिक अनुप्रयोगों के लिए सीसीडी और ईएमसीसीडी-आधारित कैमरों की आमतौर पर सिफारिश की जाती थी। दोनों तकनीकें आज भी मौजूद हैं, हालाँकि उनका उपयोग सीमित हो गया है।

CMOS सेंसरों के सुधार और विकास की दर लगातार बढ़ रही है। इन तकनीकों के बीच का अंतर मुख्यतः उनके द्वारा पता लगाए गए इलेक्ट्रॉनिक आवेश को संसाधित करने और पढ़ने के तरीके में निहित है।

सीसीडी सेंसर क्या है?

सीसीडी सेंसर एक प्रकार का इमेज सेंसर है जिसका उपयोग प्रकाश को कैप्चर करके उसे डिजिटल सिग्नल में बदलने के लिए किया जाता है। इसमें प्रकाश-संवेदी पिक्सल्स की एक सरणी होती है जो फोटॉन को एकत्रित करके उन्हें विद्युत आवेशों में परिवर्तित करती है।

सीसीडी सेंसर रीडआउट सीएमओएस से तीन महत्वपूर्ण तरीकों से भिन्न है:

● चार्ज ट्रांसफरकैप्चर किए गए फोटोइलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से सेंसर के पार पिक्सेल-टू-पिक्सेल नीचे स्थित रीडआउट क्षेत्र में ले जाया जाता है।
● रीडआउट तंत्र: समानांतर रूप से संचालित होने वाले एनालॉग से डिजिटल कन्वर्टर्स (ADCs) की पूरी पंक्ति के बजाय, CCDs केवल एक या दो ADCs (या कभी-कभी अधिक) का उपयोग करते हैं जो क्रमिक रूप से पिक्सेल पढ़ते हैं।

संधारित्र और एम्पलीफायर का स्थान: प्रत्येक पिक्सेल में संधारित्र और एम्पलीफायर के स्थान पर, प्रत्येक ADC में एक संधारित्र और एम्पलीफायर होता है।

सीसीडी सेंसर कैसे काम करता है?

यहां बताया गया है कि सीसीडी सेंसर किसी छवि को प्राप्त करने और संसाधित करने के लिए कैसे काम करता है:

चित्र: सीसीडी सेंसर के लिए रीडआउट प्रक्रिया

अपने एक्सपोज़र के अंत में, सीसीडी सेंसर पहले एकत्रित आवेशों को प्रत्येक पिक्सेल के अंदर एक छिपे हुए भंडारण क्षेत्र (दिखाया नहीं गया) में ले जाते हैं। फिर, एक-एक पंक्ति में, आवेशों को एक रीडआउट रजिस्टर में ले जाया जाता है। एक-एक कॉलम में, रीडआउट रजिस्टर के भीतर के आवेशों को पढ़ा जाता है।

1. शुल्क समाशोधनअधिग्रहण शुरू करने के लिए, पूरे सेंसर (ग्लोबल शटर) से एक साथ चार्ज साफ़ किया जाता है।
2. चार्ज संचय: एक्सपोजर के दौरान चार्ज जमा होता है।
3. चार्ज स्टोरेजएक्सपोजर के अंत में, एकत्रित चार्ज को प्रत्येक पिक्सेल के भीतर एक मास्क्ड क्षेत्र में ले जाया जाता है (जिसे इंटरलाइन ट्रांसफर सीसीडी कहा जाता है), जहां वे नए पता लगाए गए फोटॉनों की गणना किए बिना रीडआउट की प्रतीक्षा कर सकते हैं।
4. अगले फ़्रेम का एक्सपोज़र: पिक्सेल के मास्क्ड क्षेत्र में संग्रहीत पता लगाए गए चार्ज के साथ, पिक्सेल का सक्रिय क्षेत्र अगले फ्रेम (ओवरलैप मोड) का एक्सपोजर शुरू कर सकता है।
5. अनुक्रमिक रीडआउटएक समय में एक पंक्ति, तैयार फ्रेम की प्रत्येक पंक्ति से चार्ज को 'रीडआउट रजिस्टर' में ले जाया जाता है।
6. अंतिम रीडआउट: एक समय में एक कॉलम, प्रत्येक पिक्सेल से चार्ज को एडीसी पर रीडआउट के लिए रीडआउट नोड में भेजा जाता है।
7. दुहरावयह प्रक्रिया तब तक दोहराई जाती है जब तक सभी पिक्सल में पाए गए चार्ज की गणना नहीं हो जाती।

सभी ज्ञात आवेशों को एक छोटी संख्या (कभी-कभी एक) रीडआउट बिंदुओं द्वारा पढ़े जाने के कारण उत्पन्न होने वाली इस बाधा के कारण CMOS की तुलना में CCD सेंसरों के डेटा थ्रूपुट में गंभीर सीमाएं आ जाती हैं।

सीसीडी सेंसर के फायदे और नुकसान

पेशेवरों	दोष
कम डार्क करंट आमतौर पर ठंडा होने पर ~ 0.001 e⁻/p/s।	सीमित गति विशिष्ट थ्रूपुट ~20 MP/s - CMOS की तुलना में बहुत धीमी।
ऑन-पिक्सेल बिनिंग शुल्क को रीडआउट से पहले जोड़ दिया जाता है, जिससे शोर कम हो जाता है।	एकल-बिंदु ADC रीडआउट के कारण उच्च रीड शोर 5–10 e⁻ आम है।
ग्लोबल शटर इंटरलाइन/फ्रेम-ट्रांसफर सीसीडी में वास्तविक ग्लोबल या निकट-ग्लोबल शटर।	बड़े पिक्सेल आकार CMOS द्वारा प्रस्तुत लघुकरण से मेल नहीं खा सकते।
उच्च छवि एकरूपता मात्रात्मक इमेजिंग के लिए उत्कृष्ट।	उच्च विद्युत खपत चार्ज स्थानांतरण और रीडआउट के लिए अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है।

सीसीडी सेंसर के फायदे

● कम डार्क करंटस्वाभाविक रूप से एक प्रौद्योगिकी के रूप में, सीसीडी सेंसर में बहुत कम डार्क करंट होता है, जो ठंडा होने पर आमतौर पर 0.001 e-/p/s के क्रम में होता है।
● 'ऑन-पिक्सेल' बिनिंग: बाइनिंग करते समय, सीसीडी रीडआउट से पहले चार्ज जोड़ते हैं, बाद में नहीं, यानी कोई अतिरिक्त रीड नॉइज़ नहीं आता। डार्क करंट बढ़ता है, लेकिन जैसा कि ऊपर बताया गया है, यह आमतौर पर बहुत कम होता है।
● ग्लोबल शटर'इंटरलाइन' सीसीडी सेंसर एक सच्चे ग्लोबल शटर के साथ काम करते हैं। 'फ़्रेम ट्रांसफ़र' सीसीडी सेंसर एक 'हाफ़ ग्लोबल' शटर का उपयोग करते हैं (चित्र 45 का 'मास्क्ड' क्षेत्र देखें) - एक्सपोज़र शुरू करने और खत्म करने के लिए फ़्रेम ट्रांसफ़र प्रक्रिया वास्तव में एक साथ नहीं होती है, बल्कि आमतौर पर 1-10 माइक्रोसेकंड का समय लेती है। कुछ सीसीडी मैकेनिकल शटरिंग का उपयोग करते हैं।

सीसीडी सेंसर के नुकसान

● सीमित गतिपिक्सेल प्रति सेकंड में सामान्य डेटा थ्रूपुट लगभग 20 मेगापिक्सेल प्रति सेकंड (MP/s) हो सकता है, जो 5 fps पर 4 MP इमेज के बराबर है। यह समकक्ष CMOS से लगभग 20 गुना धीमा है, और उच्च गति वाले CMOS से कम से कम 100 गुना धीमा है।
● उच्च पठन शोरसीसीडी में रीड नॉइज़ उच्च होता है, जिसका मुख्य कारण उपयोगी कैमरा गति प्राप्त करने के लिए एडीसी को उच्च दर पर चलाने की आवश्यकता होती है। 5 से 10 ई- उच्च-स्तरीय सीसीडी कैमरों के लिए सामान्य है।
● बड़े पिक्सेलकई अनुप्रयोगों के लिए, छोटे पिक्सेल लाभ प्रदान करते हैं। विशिष्ट CMOS आर्किटेक्चर, CCD की तुलना में छोटे न्यूनतम पिक्सेल आकार की अनुमति देता है।
● उच्च बिजली खपतसीसीडी सेंसर चलाने के लिए बिजली की आवश्यकता सीएमओएस की तुलना में बहुत अधिक है।

वैज्ञानिक इमेजिंग में सीसीडी सेंसर के अनुप्रयोग

हालाँकि CMOS तकनीक ने लोकप्रियता हासिल कर ली है, फिर भी कुछ वैज्ञानिक इमेजिंग अनुप्रयोगों में, जहाँ छवि गुणवत्ता, संवेदनशीलता और स्थिरता सर्वोपरि है, CCD सेंसर अभी भी पसंद किए जाते हैं। कम रोशनी में भी न्यूनतम शोर के साथ सिग्नल कैप्चर करने की उनकी उत्कृष्ट क्षमता उन्हें सटीक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती है।

खगोल

सीसीडी सेंसर खगोलीय इमेजिंग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं क्योंकि वे दूर के तारों और आकाशगंगाओं से आने वाले मंद प्रकाश को पकड़ने में सक्षम होते हैं। इनका व्यापक रूप से वेधशालाओं और उन्नत शौकिया खगोल विज्ञान में लंबे समय तक एक्सपोज़र वाली खगोल फोटोग्राफी के लिए उपयोग किया जाता है, जिससे स्पष्ट और विस्तृत चित्र प्राप्त होते हैं।

माइक्रोस्कोपी और जीवन विज्ञान

जीव विज्ञान में, सीसीडी सेंसर का उपयोग कमज़ोर प्रतिदीप्ति संकेतों या सूक्ष्म कोशिकीय संरचनाओं को पकड़ने के लिए किया जाता है। उनकी उच्च संवेदनशीलता और एकरूपता उन्हें प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी, सजीव कोशिका इमेजिंग और डिजिटल पैथोलॉजी जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती है। उनकी रैखिक प्रकाश प्रतिक्रिया सटीक मात्रात्मक विश्लेषण सुनिश्चित करती है।

अर्धचालक निरीक्षण

सीसीडी सेंसर अर्धचालक निर्माण में, विशेष रूप से वेफर निरीक्षण के लिए, अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। चिप्स में सूक्ष्म-स्तरीय दोषों की पहचान करने और अर्धचालक उत्पादन में आवश्यक परिशुद्धता सुनिश्चित करने के लिए उनकी उच्च रिज़ॉल्यूशन और सुसंगत इमेजिंग गुणवत्ता आवश्यक है।

एक्स-रे और वैज्ञानिक इमेजिंग

सीसीडी सेंसर एक्स-रे डिटेक्शन सिस्टम और अन्य विशिष्ट इमेजिंग अनुप्रयोगों में भी उपयोग किए जाते हैं। उच्च सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात बनाए रखने की उनकी क्षमता, विशेष रूप से ठंडा होने पर, क्रिस्टलोग्राफी, सामग्री विश्लेषण और गैर-विनाशकारी परीक्षण जैसी चुनौतीपूर्ण परिस्थितियों में स्पष्ट इमेजिंग के लिए महत्वपूर्ण है।

क्या सीसीडी सेंसर आज भी प्रासंगिक हैं?

टक्सन एच-694 और 674 सीसीडी कैमरा

CMOS तकनीक के तेज़ी से विकास के बावजूद, CCD सेंसर अभी भी पुराने नहीं हुए हैं। ये अल्ट्रा-लो लाइट और उच्च-परिशुद्धता इमेजिंग कार्यों में एक पसंदीदा विकल्प बने हुए हैं, जहाँ उनकी बेजोड़ छवि गुणवत्ता और शोर विशेषताएँ महत्वपूर्ण हैं। गहन अंतरिक्ष खगोल विज्ञान या उन्नत प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी जैसे क्षेत्रों में, CCD कैमरे अक्सर कई CMOS विकल्पों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।

सीसीडी सेंसरों की ताकत और कमजोरियों को समझने से शोधकर्ताओं और इंजीनियरों को अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सही तकनीक का चयन करने में मदद मिलती है, जिससे उनके वैज्ञानिक या औद्योगिक अनुप्रयोगों में इष्टतम प्रदर्शन सुनिश्चित होता है।

पूछे जाने वाले प्रश्न

मुझे सीसीडी सेंसर कब चुनना चाहिए?

सीसीडी सेंसर आज दस साल पहले की तुलना में बहुत दुर्लभ हैं, क्योंकि सीएमओएस तकनीक उनके कम डार्क करंट प्रदर्शन को भी प्रभावित करने लगी है। हालाँकि, ऐसे अनुप्रयोग हमेशा मौजूद रहेंगे जहाँ उनकी प्रदर्शन विशेषताओं—जैसे बेहतर छवि गुणवत्ता, कम शोर और उच्च संवेदनशीलता—का संयोजन लाभ प्रदान करता है।

वैज्ञानिक कैमरे ठंडे सीसीडी सेंसर का उपयोग क्यों करते हैं?

शीतलन छवि कैप्चर के दौरान तापीय शोर को कम करता है, जिससे छवि की स्पष्टता और संवेदनशीलता में सुधार होता है। यह कम रोशनी और लंबे समय तक एक्सपोज़र वाली वैज्ञानिक इमेजिंग के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, यही कारण है कि कई उच्च-स्तरीयवैज्ञानिक कैमरेस्वच्छ एवं अधिक सटीक परिणामों के लिए ठण्डे सी.सी.डी. पर निर्भर रहें।

सीसीडी और ईएमसीसीडी सेंसर में ओवरलैप मोड क्या है, और यह कैमरे के प्रदर्शन को कैसे बेहतर बनाता है?

सीसीडी और ईएमसीसीडी सेंसर आमतौर पर 'ओवरलैप मोड' में सक्षम होते हैं। ग्लोबल शटर कैमरों के लिए, यह अगले फ्रेम के एक्सपोज़र के दौरान पिछले फ्रेम को पढ़ने की क्षमता को दर्शाता है। इससे उच्च (लगभग 100%) ड्यूटी साइकिल प्राप्त होती है, जिसका अर्थ है कि फ्रेम को प्रकाश में न लाने में कम से कम समय बर्बाद होता है, और इसलिए फ्रेम दर अधिक होती है।

नोट: रोलिंग शटर सेंसर के लिए ओवरलैप मोड का एक अलग अर्थ है।

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