25.07.2031.Iako 2025. godine CMOS senzori dominiraju podjednako u znanstvenoj i potrošačkoj slikovnoj industriji, to nije uvijek bio slučaj.
CCD je kratica za 'Charge-Coupled Device' (uređaj s nabojno spregnutim nabojem), a CCD senzori bili su originalni senzori digitalnih fotoaparata, prvi put razvijeni 1970. godine. Kamere temeljene na CCD-u i EMCCD-u obično su se preporučivale za znanstvene primjene do prije samo nekoliko godina. Obje tehnologije i danas postoje, iako je njihova upotreba postala nišna.
Stopa poboljšanja i razvoja CMOS senzora i dalje raste. Razlika između ovih tehnologija leži prvenstveno u načinu na koji obrađuju i očitavaju detektirani elektronički naboj.
Što je CCD senzor?
CCD senzor je vrsta slikovnog senzora koji se koristi za hvatanje svjetlosti i njezino pretvaranje u digitalne signale. Sastoji se od niza svjetlosno osjetljivih piksela koji skupljaju fotone i pretvaraju ih u električne naboje.
Očitavanje CCD senzora razlikuje se od CMOS senzora na tri značajna načina:
● Prijenos naplateUhvaćeni fotoelektroni se elektrostatički pomiču piksel po piksel preko senzora do područja za očitavanje na dnu.
● Mehanizam za očitavanjeUmjesto cijelog niza analogno-digitalnih pretvarača (ADC) koji rade paralelno, CCD-ovi koriste samo jedan ili dva ADC-a (ili ponekad više) koji sekvencijalno čitaju piksele.
Postavljanje kondenzatora i pojačala: Umjesto kondenzatora i pojačala u svakom pikselu, svaki ADC ima jedan kondenzator i pojačalo.
Kako radi CCD senzor?
Evo kako CCD senzor radi za snimanje i obradu slike:
Slika: Postupak očitavanja za CCD senzor
Na kraju ekspozicije, CCD senzori prvo premještaju prikupljene naboje unutar maskiranog područja za pohranu unutar svakog piksela (nije prikazano). Zatim se, red po red, naboji premještaju u registar za očitavanje. Stupac po stupac, naboji unutar registra za očitavanje se očitavaju.
1. Brisanje naplateZa početak snimanja, naboj se istovremeno briše s cijelog senzora (globalni zatvarač).
2. Akumulacija nabojaNaboj se akumulira tijekom ekspozicije.
3. Naplata za pohranuNa kraju ekspozicije, prikupljeni naboji se premještaju u maskirano područje unutar svakog piksela (tzv. interline transfer CCD), gdje mogu čekati očitavanje bez brojanja novo detektiranih fotona.
4. Ekspozicija sljedećeg kadraS detektiranim nabojima pohranjenim u maskiranom području piksela, aktivno područje piksela može započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (način preklapanja).
5. Sekvencijalno očitavanjeRed po red, naboji iz svakog reda gotovog okvira premještaju se u 'registar za očitavanje'.
6. Završno očitavanjeJedan po jedan stupac, naboji iz svakog piksela se prenose u čvor za očitavanje radi očitavanja na ADC-u.
7. PonavljanjeOvaj se postupak ponavlja sve dok se ne prebroje detektirani naboji u svim pikselima.
Ovo usko grlo uzrokovano time što sve detektirane naboje očitava mali broj (ponekad i jedna) točaka očitavanja, dovodi do ozbiljnih ograničenja u propusnosti podataka CCD senzora u usporedbi s CMOS-om.
Prednosti i nedostaci CCD senzora
| Prednosti | Nedostaci |
| Niska tamna struja Tipično ~0,001 e⁻/p/s kada se ohladi. | Ograničena brzina Tipična propusnost ~20 MP/s — puno sporije od CMOS-a. |
| Naboji za binning na pikselu zbrajaju se prije očitavanja, smanjujući šum. | Visok šum očitavanja 5–10 e⁻ je uobičajen zbog očitavanja ADC-a s jednom točkom. |
| Globalni zatvarač Pravi globalni ili gotovo globalni zatvarač u CCD-ovima s međulinijskim/slikovnim prijenosom. | Veće veličine piksela ne mogu se mjeriti s minijaturizacijom koju nudi CMOS. |
| Visoka ujednačenost slike Izvrsno za kvantitativno snimanje. | Visoka potrošnja energije Zahtijeva više energije za pomicanje naboja i očitavanje. |
Prednosti CCD senzora
● Niska tamna strujaCCD senzori, inherentno kao tehnologija, imaju tendenciju vrlo niske tamne struje, obično reda veličine 0,001 e-/p/s kada se ohlade.
● Binning 'na pikselu'Prilikom binninga, CCD-ovi dodaju naboje prije očitavanja, a ne nakon toga, što znači da se ne uvodi dodatni šum očitavanja. Tamna struja se povećava, ali kao što je gore navedeno, to je obično vrlo nisko.
● Globalni zatvaračCCD senzori s 'interline' tehnologijom rade s pravim globalnim zatvaračem. CCD senzori s 'prijenosom okvira' koriste 'poluglobalni' zatvarač (vidi 'maskirano' područje na slici 45) – proces prijenosa okvira za početak i kraj ekspozicije nije uistinu istovremen, već obično traje oko 1-10 mikrosekundi. Neki CCD-ovi koriste mehanički zatvarač.
Nedostaci CCD senzora
● Ograničena brzinaTipična propusnost podataka u pikselima u sekundi može biti oko 20 megapiksela u sekundi (MP/s), što je ekvivalentno slici od 4 MP pri 5 fps. To je oko 20 puta sporije od ekvivalentnog CMOS-a i najmanje 100 puta sporije od brzog CMOS-a.
● Visok šum pri čitanjuŠum čitanja u CCD-ovima je visok, uglavnom zbog potrebe za radom ADC-a velikom brzinom kako bi se postigla upotrebljiva brzina kamere. 5 do 10 e- je uobičajeno za vrhunske CCD kamere.
● Veći pikseliZa mnoge primjene, manji pikseli pružaju prednosti. Tipična CMOS arhitektura omogućuje manje minimalne veličine piksela od CCD-a.
● Visoka potrošnja energijeZahtjevi za napajanje CCD senzora su mnogo veći nego za CMOS.
Primjena CCD senzora u znanstvenom snimanju
Iako je CMOS tehnologija stekla popularnost, CCD senzori su i dalje preferirani u određenim znanstvenim primjenama snimanja gdje su kvaliteta slike, osjetljivost i konzistentnost od najveće važnosti. Njihova vrhunska sposobnost snimanja signala u uvjetima slabog osvjetljenja s minimalnim šumom čini ih idealnim za precizne primjene.
Astronomija
CCD senzori su ključni u astronomskom snimanju zbog svoje sposobnosti hvatanja slabe svjetlosti udaljenih zvijezda i galaksija. Široko se koriste i u opservatorijama i u naprednoj amaterskoj astronomiji za astrofotografiju s dugom ekspozicijom, pružajući jasne i detaljne slike.
Mikroskopija i znanosti o životu
U znanostima o životu, CCD senzori se koriste za snimanje slabih fluorescentnih signala ili suptilnih staničnih struktura. Njihova visoka osjetljivost i ujednačenost čine ih savršenim za primjene poput fluorescentne mikroskopije, snimanja živih stanica i digitalne patologije. Njihov linearni svjetlosni odziv osigurava točnu kvantitativnu analizu.
Inspekcija poluvodiča
CCD senzori su ključni u proizvodnji poluvodiča, posebno za inspekciju pločica. Njihova visoka rezolucija i dosljedna kvaliteta slike bitne su za identifikaciju mikrodefekata u čipovima, osiguravajući preciznost potrebnu u proizvodnji poluvodiča.
Rendgensko i znanstveno snimanje
CCD senzori se također koriste u sustavima za detekciju rendgenskih zraka i drugim specijaliziranim primjenama snimanja. Njihova sposobnost održavanja visokog omjera signala i šuma, posebno kada se hlade, ključna je za jasno snimanje u zahtjevnim uvjetima kao što su kristalografija, analiza materijala i nerazorna ispitivanja.
Jesu li CCD senzori još uvijek relevantni danas?
Tucsen H-694 i 674 CCD kamera
Unatoč brzom razvoju CMOS tehnologije, CCD senzori su daleko od zastarjelih. Ostaju preferirani izbor u zadacima snimanja u uvjetima ultra-slabog osvjetljenja i visoke preciznosti, gdje su njihova neusporediva kvaliteta slike i karakteristike šuma ključne. U područjima poput astronomije dubokog svemira ili napredne fluorescentne mikroskopije, CCD kamere često nadmašuju mnoge CMOS alternative.
Razumijevanje snaga i slabosti CCD senzora pomaže istraživačima i inženjerima da odaberu pravu tehnologiju za svoje specifične potrebe, osiguravajući optimalne performanse u svojim znanstvenim ili industrijskim primjenama.
Često postavljana pitanja
Kada trebam odabrati CCD senzor?
CCD senzori su danas mnogo rjeđi nego prije deset godina, jer CMOS tehnologija počinje zadirati čak i u njihove performanse pri niskim tamnim strujama. Međutim, uvijek će postojati primjene gdje njihova kombinacija karakteristika performansi - poput vrhunske kvalitete slike, niskog šuma i visoke osjetljivosti - pruža prednost.
Zašto znanstvene kamere koriste hlađene CCD senzore?
Hlađenje smanjuje termalni šum tijekom snimanja slike, poboljšavajući jasnoću i osjetljivost slike. To je posebno važno za znanstveno snimanje pri slabom osvjetljenju i dugoj ekspoziciji, zbog čega mnogi vrhunskiznanstvene kamereZa čišće i točnije rezultate oslonite se na hlađene CCD-ove.
Što je način preklapanja u CCD i EMCCD senzorima i kako poboljšava performanse kamere?
CCD i EMCCD senzori obično mogu raditi u 'načinu preklapanja'. Kod kamera s globalnim zatvaračem to se odnosi na mogućnost očitavanja prethodnog kadra tijekom ekspozicije sljedećeg kadra. To dovodi do visokog (gotovo 100%) radnog ciklusa, što znači da se gubi minimalno vrijeme zbog neizlaganja kadrova svjetlu, a time i do većeg broja sličica u sekundi.
Napomena: Način preklapanja ima drugačije značenje za senzore rolo zatvarača.
Ako želite saznati više o rolo vratima, kliknite:
Kako funkcionira način rada upravljanja rolo zatvaračem i kako ga koristiti
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
