2031.07.25.Bár 2025-ben a CMOS érzékelők uralják a tudományos és a fogyasztói képalkotást egyaránt, ez nem volt mindig így.
A CCD a „Charge-Coupled Device” (töltéscsatolt eszköz) rövidítése, és a CCD-érzékelők voltak az eredeti digitális fényképezőgép-érzékelők, amelyeket először 1970-ben fejlesztettek ki. A CCD- és EMCCD-alapú kamerákat néhány évvel ezelőttig általánosan ajánlották tudományos alkalmazásokhoz. Mindkét technológia ma is létezik, bár felhasználási területeik rést kaptak.
A CMOS érzékelők fejlesztésének és fejlesztésének üteme folyamatosan növekszik. E technológiák közötti különbség elsősorban abban rejlik, ahogyan feldolgozzák és kiolvassák az érzékelt elektronikus töltést.
Mi az a CCD-érzékelő?
A CCD-érzékelő egy olyan képérzékelő, amelyet a fény rögzítésére és digitális jelekké alakítására használnak. Fényérzékeny pixelek tömbjéből áll, amelyek fotonokat gyűjtenek össze és elektromos töltésekké alakítják azokat.
A CCD-érzékelő leolvasása három lényeges módon különbözik a CMOS-tól:
● DíjátvitelA befogott fotoelektronokat elektrosztatikusan mozgatják pixelről pixelre a szenzoron keresztül az alsó kiolvasó területre.
● Kiolvasó mechanizmusA párhuzamosan működő analóg-digitális átalakítók (ADC-k) teljes sora helyett a CCD-k csak egy vagy két (vagy néha több) ADC-t használnak, amelyek szekvenciálisan olvassák a pixeleket.
Kondenzátor és erősítő elhelyezése: A kondenzátorok és erősítők helyett minden pixelben minden ADC egy kondenzátorral és erősítővel rendelkezik.
Hogyan működik egy CCD-érzékelő?
Így működik egy CCD-érzékelő a képalkotás és -feldolgozás során:
Ábra: CCD-érzékelő kiolvasási folyamata
Az expozíció végén a CCD-érzékelők először az összegyűjtött töltéseket az egyes pixelek maszkolt tárolóterületére mozgatják (nem látható). Ezután a töltések soronként egy kiolvasó regiszterbe kerülnek. A kiolvasó regiszterben lévő töltések oszloponként kerülnek kiolvasásra.
1. Terheléselszámolás: A képalkotás megkezdéséhez a teljes érzékelőről egyidejűleg törlődik a töltés (globális zár).
2. TöltésfelhalmozódásExpozíció közben töltés halmozódik fel.
3. Töltési tárolásAz expozíció végén az összegyűjtött töltések az egyes pixeleken belüli maszkolt területre (interline transfer CCD-re) kerülnek, ahol az új detektált fotonok számlálása nélkül várhatják a kiolvasást.
4. A következő képkocka expozíciója: Miután a detektált töltések a pixelek maszkolt területén tárolódnak, az aktív pixelterületen elkezdődhet a következő képkocka expozíciója (átfedéses mód).
5. Szekvenciális kiolvasásSoronként, a kész keret minden sorából a töltések egy „kiolvasó regiszterbe” kerülnek.
6. Végső leolvasásOszloponként, minden pixelből származó töltések a kiolvasó csomópontba kerülnek, ahonnan az ADC kiolvassa őket.
7. Ismétlés: Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg az összes pixelben észlelt töltések megszámlálásra nem kerülnek.
Ez a szűk keresztmetszet, amelyet az okoz, hogy az összes detektált töltést csak kis számú (néha egyetlen) kiolvasási pont olvassa le, a CCD-érzékelők adatátvitelének súlyos korlátait eredményezi a CMOS-hoz képest.
A CCD-érzékelők előnyei és hátrányai
| Előnyök | Hátrányok |
| Alacsony sötétáram Jellemzően ~0,001 e⁻/p/s lehűlés után. | Korlátozott sebesség Tipikus átviteli sebesség ~20 MP/s — sokkal lassabb, mint a CMOS. |
| A képponton belüli bontás (On-Pixel Binning) funkció a töltéseket a kiolvasás előtt összegzi, csökkentve ezzel a zajt. | A magas, 5–10 e⁻ olvasási zaj gyakori az egypontos ADC-kiolvasás miatt. |
| Globális zár Valódi globális vagy közel globális zár interline/frame-transzfer CCD-kben. | Nagyobb pixelméretek Nem tudják felvenni a versenyt a CMOS miniatürizálási ajánlataival. |
| Nagy képminőség, kiváló kvantitatív képalkotáshoz. | Magas energiafogyasztás Több energiát igényel a töltésváltáshoz és a kiolvasáshoz. |
A CCD érzékelő előnyei
● Alacsony sötétáramTechnológiának tekintve a CCD-érzékelők általában nagyon alacsony sötétárammal rendelkeznek, jellemzően 0,001 e-/p/s nagyságrendben hűtés esetén.
● „Képpontonkénti” szelvényezésA binning során a CCD-k a kiolvasás előtt, nem pedig utána adnak hozzá töltéseket, ami azt jelenti, hogy nem keletkezik további olvasási zaj. A sötétáram valóban növekszik, de ahogy fentebb említettük, ez általában nagyon alacsony.
● Globális zárAz „Interline” CCD-érzékelők valódi globális zárral működnek. A „Frame Transfer” CCD-érzékelők „fél globális” zárat használnak (lásd a 45. ábra „Maszkolt” régióját) – a képkockaátviteli folyamat az expozíció elejéhez és végéhez nem valóban egyidejű, hanem jellemzően 1-10 mikroszekundum nagyságrendű időt vesz igénybe. Egyes CCD-k mechanikus zárat használnak.
A CCD-érzékelők hátrányai
● Korlátozott sebességA tipikus adatátviteli sebesség pixel/másodpercben körülbelül 20 megapixel/másodperc (MP/s) lehet, ami egy 4 MP-es kép 5 képkocka/másodperc sebességgel történő rögzítésének felel meg. Ez körülbelül 20-szor lassabb, mint a hasonló CMOS szenzoroké, és legalább 100-szor lassabb, mint a nagy sebességű CMOS szenzoroké.
● Magas olvasási zajA CCD-k olvasási zaja magas, nagyrészt azért, mert az ADC-ket nagy sebességgel kell futtatni a használható kamerasebesség eléréséhez. Az 5-10 e- gyakori a csúcskategóriás CCD-kamerák esetében.
● Nagyobb pixelekSok alkalmazásnál a kisebb pixelek előnyöket biztosítanak. A tipikus CMOS architektúra kisebb minimális pixelméretet tesz lehetővé, mint a CCD.
● Magas energiafogyasztásA CCD-érzékelők működtetéséhez sokkal nagyobb energiaigény szükséges, mint a CMOS-hoz.
CCD-érzékelők alkalmazásai a tudományos képalkotásban
Bár a CMOS technológia népszerűvé vált, a CCD-érzékelőket továbbra is előnyben részesítik bizonyos tudományos képalkotási alkalmazásokban, ahol a képminőség, az érzékenység és a konzisztencia kiemelkedő fontosságú. A gyenge fényviszonyok melletti jelek minimális zajjal történő rögzítésének kiváló képessége ideálissá teszi őket a precíziós alkalmazásokhoz.
Csillagászat
A CCD-érzékelők kritikus fontosságúak a csillagászati képalkotásban, mivel képesek a távoli csillagok és galaxisok halvány fényét rögzíteni. Széles körben használják őket mind az obszervatóriumokban, mind a fejlett amatőr csillagászatban hosszú expozíciós asztrofotózáshoz, tiszta, részletes képeket készítve.
Mikroszkópia és élettudományok
Az élettudományokban a CCD-érzékelőket gyenge fluoreszcencia-jelek vagy finom sejtszerkezetek rögzítésére használják. Nagy érzékenységük és egyenletességük tökéletessé teszi őket olyan alkalmazásokhoz, mint a fluoreszcens mikroszkópia, az élő sejtek képalkotása és a digitális patológia. Lineáris fényválaszuk pontos kvantitatív elemzést biztosít.
Félvezető-vizsgálat
A CCD-érzékelők kulcsfontosságúak a félvezetőgyártásban, különösen a wafer-vizsgálatban. Nagy felbontásuk és állandó képminőségük elengedhetetlen a chipek mikroméretű hibáinak azonosításához, biztosítva a félvezetőgyártásban szükséges pontosságot.
Röntgen és tudományos képalkotás
A CCD-érzékelőket röntgensugár-érzékelő rendszerekben és más speciális képalkotó alkalmazásokban is alkalmazzák. A magas jel-zaj arány fenntartásának képessége, különösen hűtés esetén, létfontosságú a tiszta képalkotáshoz olyan kihívást jelentő körülmények között, mint a kristálytani, anyagvizsgálati és roncsolásmentes vizsgálati vizsgálatok.
Ma is relevánsak a CCD-érzékelők?
Tucsen H-694 és 674 CCD kamera
A CMOS technológia gyors fejlődése ellenére a CCD-érzékelők korántsem elavultak. Továbbra is előnyben részesítik őket az ultragyenge fényviszonyok melletti és nagy pontosságú képalkotási feladatokban, ahol páratlan képminőségük és zajjellemzőik kulcsfontosságúak. Az olyan területeken, mint a mélyűri csillagászat vagy a fejlett fluoreszcens mikroszkópia, a CCD-kamerák gyakran felülmúlják a CMOS alternatívák nagy részét.
A CCD-érzékelők erősségeinek és gyengeségeinek megértése segít a kutatóknak és a mérnököknek a megfelelő technológia kiválasztásában az adott igényeikhez, biztosítva az optimális teljesítményt tudományos vagy ipari alkalmazásaikban.
GYIK
Mikor válasszak CCD szenzort?
A CCD-érzékelők ma már sokkal ritkábbak, mint tíz évvel ezelőtt, mivel a CMOS technológia már az alacsony sötétáram-teljesítményüket is kezdi korlátozni. Azonban mindig lesznek olyan alkalmazások, ahol a teljesítményjellemzőik – mint például a kiváló képminőség, az alacsony zajszint és a nagy érzékenység – kombinációja előnyt biztosít.
Miért használnak a tudományos kamerák hűtött CCD-érzékelőket?
A hűtés csökkenti a hőzajt a képrögzítés során, javítva a kép tisztaságát és érzékenységét. Ez különösen fontos a gyenge fényviszonyok melletti és hosszú expozíciós idő alatti tudományos képalkotásnál, ezért sok csúcskategóriás...tudományos kamerákA tisztább és pontosabb eredmények érdekében hűtött CCD-kre van szükség.
Mi az átfedési mód a CCD és EMCCD érzékelőkben, és hogyan javítja a kamera teljesítményét?
A CCD és EMCCD érzékelők jellemzően képesek „átfedéses módra”. A globális záras kamerák esetében ez arra a képességre utal, hogy a következő képkocka expozíciója során kiolvassák az előző képkockát. Ez magas (közel 100%-os) kitöltési tényezőt eredményez, ami azt jelenti, hogy minimális időpazarlás történik a képkockák fénynek való kitettségének hiányában, így magasabb képkockasebességet eredményez.
Megjegyzés: Az Átfedési módnak más jelentése van a gördülő redőny érzékelők esetében.
Ha többet szeretne megtudni a redőnyökről, kattintson ide:
Hogyan működik a Redőny Vezérlő Mód és Hogyan Használja?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
