25/07/31Չնայած 2025 թվականին CMOS սենսորները գերիշխող դեր կխաղան ինչպես գիտական, այնպես էլ սպառողական պատկերագրության մեջ, սակայն դա միշտ չէ, որ այդպես է եղել։
CCD-ն նշանակում է «Լիցքավորվող սարք», իսկ CCD սենսորները թվային տեսախցիկների սկզբնական սենսորներն էին, որոնք առաջին անգամ մշակվել են 1970 թվականին: CCD և EMCCD-ի վրա հիմնված տեսախցիկները լայնորեն խորհուրդ էին տրվում գիտական կիրառությունների համար մինչև մի քանի տարի առաջ: Երկու տեխնոլոգիաներն էլ մինչ օրս գոյատևում են, չնայած դրանց կիրառությունը դարձել է նեղ մասնագիտացված:
CMOS սենսորների կատարելագործման և զարգացման տեմպը շարունակում է աճել: Այս տեխնոլոգիաների միջև տարբերությունը հիմնականում կայանում է հայտնաբերված էլեկտրոնային լիցքը մշակելու և կարդալու եղանակի մեջ:
Ի՞նչ է CCD սենսորը։
CCD սենսորը պատկերի սենսորի տեսակ է, որն օգտագործվում է լույսը որսալու և այն թվային ազդանշանների փոխակերպելու համար: Այն բաղկացած է լուսազգայուն պիքսելների զանգվածից, որոնք հավաքում են ֆոտոններ և դրանք վերածում էլեկտրական լիցքերի:
CCD սենսորի ցուցմունքը տարբերվում է CMOS սենսորի ցուցմունքից երեք կարևոր ձևով.
● Վճարման փոխանցումՍտացված ֆոտոէլեկտրոնները էլեկտրաստատիկորեն տեղափոխվում են պիքսել-պիքսել սենսորի վրայով դեպի ներքևի մասում գտնվող ընթերցման գոտի։
● Հաշվարկման մեխանիզմԱնալոգային-թվային փոխարկիչների (ADC) զուգահեռ աշխատող ամբողջ շարքի փոխարեն, CCD-ները օգտագործում են ընդամենը մեկ կամ երկու (կամ երբեմն ավելի) ADC, որոնք հաջորդաբար կարդում են պիքսելները։
Կոնդենսատորի և ուժեղացուցիչի տեղադրում. Յուրաքանչյուր պիքսելում կոնդենսատորների և ուժեղացուցիչների փոխարեն, յուրաքանչյուր ADC ունի մեկ կոնդենսատոր և ուժեղացուցիչ։
Ինչպե՞ս է աշխատում CCD սենսորը։
Ահա, թե ինչպես է CCD սենսորը աշխատում պատկեր ստանալու և մշակելու համար.
Նկար՝ CCD սենսորի ցուցմունքի գործընթացը
Իրենց ազդեցության ավարտին CCD սենսորները նախ տեղափոխում են հավաքված լիցքերը յուրաքանչյուր պիքսելի ներսում գտնվող դիմակավորված պահեստային տարածք (չի ցուցադրվում): Այնուհետև, մեկ տող առ մեկ, լիցքերը տեղափոխվում են ընթերցման գրանցամատյան: Մեկ սյուն առ մեկ, ընթերցվում են ընթերցման գրանցամատյանի լիցքերը:
1. Վճարների մաքրումՆկարահանումը սկսելու համար ամբողջ սենսորից միաժամանակ լիցքը մաքրվում է (գլոբալ փակիչ):
2. Լիցքի կուտակումԼիցքը կուտակվում է ազդեցության ընթացքում։
3. Լիցքավորման պահեստԷքսպոզիցիայի ավարտին հավաքված լիցքերը տեղափոխվում են յուրաքանչյուր պիքսելի ներսում գտնվող դիմակավորված տարածք (կոչվում է միջգծային փոխանցման CCD), որտեղ դրանք կարող են սպասել ընթերցմանը՝ առանց նոր հայտնաբերված ֆոտոնները հաշվելու։
4. Հաջորդ կադրի էքսպոզիցիանԵրբ հայտնաբերված լիցքերը պահվում են պիքսելների դիմակավորված տարածքում, պիքսելների ակտիվ տարածքը կարող է սկսել հաջորդ կադրի էքսպոզիցիաները (համընկնման ռեժիմ):
5. Հաջորդական ընթերցումՄեկ տող առ մեկ, պատրաստի կադրի յուրաքանչյուր տողից լիցքերը տեղափոխվում են «ընթերցման ռեգիստր»։
6. Վերջնական ընթերցումՄիաժամանակ մեկ սյունակով, յուրաքանչյուր պիքսելից լիցքերը տեղափոխվում են ընթերցման հանգույց՝ ADC-ում ընթերցման համար։
7. ԿրկնությունԱյս գործընթացը կրկնվում է մինչև բոլոր պիքսելներում հայտնաբերված լիցքերը հաշվեն։
Այս խոչընդոտը, որն առաջանում է բոլոր հայտնաբերված լիցքերը կարդալու փոքր թվով (երբեմն մեկ) ընթերցման կետերի կողմից, հանգեցնում է CCD սենսորների տվյալների թողունակության լուրջ սահմանափակումների՝ CMOS-ի համեմատ։
CCD սենսորների դրական և բացասական կողմերը
| Առավելություններ | Դեմ կողմերը |
| Ցածր մթության հոսանք։ Սովորաբար սառեցման դեպքում ~0.001 e⁻/p/v է։ | Սահմանափակ արագություն։ Տիպիկ թողունակություն՝ ~20 ՄՊ/վ՝ շատ ավելի դանդաղ, քան CMOS-ը։ |
| Պիքսելների վրա խմբավորման լիցքերը գումարվում են ընթերցումից առաջ՝ նվազեցնելով աղմուկը։ | Բարձր ընթերցման աղմուկը՝ 5–10 e⁻, տարածված է միակետային ADC ցուցմունքի պատճառով։ |
| Գլոբալ փակիչ։ Իրական գլոբալ կամ գրեթե գլոբալ փակիչ գծային/կադրերի փոխանցման CCD-ներում։ | Ավելի մեծ պիքսելների չափերը չեն կարող համեմատվել մինիատուրիզացման CMOS-ի առաջարկների հետ։ |
| Բարձր պատկերի միատարրություն։ Գերազանց է քանակական պատկերման համար։ | Բարձր էներգիայի սպառում։ Պահանջում է ավելի շատ էներգիա լիցքավորման տեղափոխման և չափման համար։ |
CCD սենսորի առավելությունները
● Ցածր մութ հոսանքՈրպես տեխնոլոգիա, CCD սենսորները հակված են շատ ցածր մթության հոսանք ունենալ, սովորաբար 0.001 e-/p/v կարգի, երբ սառեցվում են։
● «Մի պիքսելային» խմբաքանակԲինինգ անելիս CCD-ները լիցքեր են ավելացնում ընթերցումից առաջ, այլ ոչ թե հետո, ինչը նշանակում է, որ լրացուցիչ ընթերցման աղմուկ չի առաջանում: Մութ հոսանքը մեծանում է, բայց ինչպես նշվեց վերևում, սա սովորաբար շատ ցածր է:
● Գլոբալ փակիչ«Միջգծային» CCD սենսորները աշխատում են իրական գլոբալ փակաղակով։ «Կադրերի փոխանցման» CCD սենսորները օգտագործում են «կիսա-գլոբալ» փակաղակ (տե՛ս նկար 45-ի «Դիմակավորված» հատվածը)՝ էքսպոզիցիայի մեկնարկի և ավարտի համար կադրերի փոխանցման գործընթացը իրականում միաժամանակյա չէ, այլ սովորաբար տևում է 1-10 միկրովայրկյան։ Որոշ CCD-ներ օգտագործում են մեխանիկական փակաղակ։
CCD սենսորների թերությունները
● Սահմանափակ արագությունՏվյալների փոխանցման միջին արագությունը պիքսելներով վայրկյանում կարող է կազմել մոտ 20 մեգապիքսել վայրկյանում (ՄՊ/վ), ինչը համարժեք է 4 մՊ պատկերի 5 կադր/վրկ արագությամբ։ Սա մոտ 20 անգամ ավելի դանդաղ է, քան համարժեք CMOS-ը, և առնվազն 100 անգամ ավելի դանդաղ, քան բարձր արագության CMOS-ը։
● Բարձր ընթերցման աղմուկCCD-ներում ընթերցման աղմուկը բարձր է, հիմնականում պայմանավորված տեսախցիկի օգտագործելի արագություն ապահովելու համար ADC(ներ)ը բարձր հաճախականությամբ աշխատեցնելու անհրաժեշտությամբ: 5-ից 10 e- հաճախականությունը սովորական է բարձրակարգ CCD տեսախցիկների համար:
● Ավելի մեծ պիքսելներՇատ կիրառությունների համար փոքր պիքսելները առավելություններ են տալիս: CMOS տիպիկ ճարտարապետությունը թույլ է տալիս ավելի փոքր նվազագույն պիքսելային չափեր, քան CCD-ն:
● Բարձր էներգիայի սպառումCCD սենսորների աշխատանքի համար անհրաժեշտ հզորությունը շատ ավելի բարձր է, քան CMOS սենսորներինը։
CCD սենսորների կիրառությունները գիտական պատկերման մեջ
Չնայած CMOS տեխնոլոգիան ձեռք է բերել ժողովրդականություն, CCD սենսորները դեռևս նախընտրելի են որոշակի գիտական պատկերագրման կիրառություններում, որտեղ պատկերի որակը, զգայունությունը և կայունությունը գերակա են: Նրանց գերազանց ունակությունը՝ թույլ լուսավորության ազդանշանները նվազագույն աղմուկով որսալու, դրանք իդեալական են դարձնում ճշգրիտ կիրառությունների համար:
Աստղագիտություն
CCD սենսորները կարևոր դեր են խաղում աստղագիտական պատկերման մեջ՝ հեռավոր աստղերից և գալակտիկաներից եկող թույլ լույսը որսալու իրենց ունակության շնորհիվ։ Դրանք լայնորեն օգտագործվում են ինչպես աստղադիտարաններում, այնպես էլ առաջադեմ սիրողական աստղագիտության մեջ՝ երկար էքսպոզիցիոն աստղաֆոտոգրաֆիայի համար՝ ապահովելով պարզ և մանրամասն պատկերներ։
Մանրադիտակ և կենսաբանական գիտություններ
Կենսաբանական գիտություններում CCD սենսորները օգտագործվում են թույլ ֆլուորեսցենտային ազդանշաններ կամ նուրբ բջջային կառուցվածքներ որսալու համար: Դրանց բարձր զգայունությունը և միատարրությունը դրանք կատարյալ են դարձնում այնպիսի կիրառությունների համար, ինչպիսիք են ֆլուորեսցենտային մանրադիտակը, կենդանի բջիջների պատկերումը և թվային պաթոլոգիան: Դրանց գծային լույսի արձագանքը ապահովում է ճշգրիտ քանակական վերլուծություն:
Կիսահաղորդիչների ստուգում
CCD սենսորները կարևոր դեր են խաղում կիսահաղորդիչների արտադրության մեջ, մասնավորապես՝ թիթեղների ստուգման համար: Դրանց բարձր լուծաչափը և հաստատուն պատկերման որակը կարևոր են չիպերի միկրոմասշտաբի թերությունները հայտնաբերելու համար՝ ապահովելով կիսահաղորդիչների արտադրության մեջ անհրաժեշտ ճշգրտությունը:
Ռենտգեն և գիտական պատկերագրություն
CCD սենսորները կիրառվում են նաև ռենտգենյան հայտնաբերման համակարգերում և այլ մասնագիտացված պատկերագրման կիրառություններում: Նրանց ունակությունը՝ պահպանելու բարձր ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը, հատկապես սառեցման դեպքում, կենսական նշանակություն ունի հստակ պատկերման համար այնպիսի բարդ պայմաններում, ինչպիսիք են բյուրեղագրությունը, նյութերի վերլուծությունը և ոչ դեստրուկտիվ փորձարկումը:
Արդյո՞ք CCD սենսորները դեռևս արդիական են այսօր։
Tucsen H-694 և 674 CCD տեսախցիկ
Չնայած CMOS տեխնոլոգիայի արագ զարգացմանը, CCD սենսորները դեռևս հնացած չեն։ Դրանք շարունակում են մնալ նախընտրելի ընտրություն գերցածր լուսավորության և բարձր ճշգրտության պատկերման աշխատանքներում, որտեղ դրանց անզուգական պատկերի որակը և աղմուկի բնութագրերը կարևոր են։ Խորը տիեզերական աստղագիտության կամ առաջադեմ ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի նման ոլորտներում CCD տեսախցիկները հաճախ գերազանցում են CMOS-ի շատ այլընտրանքներին։
CCD սենսորների ուժեղ և թույլ կողմերի հասկացողությունը օգնում է հետազոտողներին և ինժեներներին ընտրել իրենց կոնկրետ կարիքներին համապատասխանող ճիշտ տեխնոլոգիան՝ ապահովելով օպտիմալ աշխատանք իրենց գիտական կամ արդյունաբերական կիրառություններում։
Հաճախակի տրվող հարցեր
Ե՞րբ պետք է ընտրեմ CCD սենսոր։
CCD սենսորներն այսօր շատ ավելի հազվադեպ են հանդիպում, քան տասը տարի առաջ, քանի որ CMOS տեխնոլոգիան սկսում է ներխուժել նույնիսկ դրանց ցածր մթության հոսանքի կատարողականության վրա: Այնուամենայնիվ, միշտ կլինեն կիրառություններ, որտեղ դրանց կատարողական բնութագրերի համադրությունը՝ ինչպիսիք են գերազանց պատկերի որակը, ցածր աղմուկը և բարձր զգայունությունը, առավելություն են տալիս:
Ինչո՞ւ են գիտական տեսախցիկները օգտագործում սառեցվող CCD սենսորներ։
Սառեցումը նվազեցնում է ջերմային աղմուկը պատկերի նկարահանման ժամանակ՝ բարելավելով պատկերի պարզությունն ու զգայունությունը: Սա հատկապես կարևոր է թույլ լուսավորության և երկար էքսպոզիցիայի պայմաններում գիտական պատկերման համար, այդ իսկ պատճառով շատ բարձրակարգ...գիտական տեսախցիկներԱվելի մաքուր և ճշգրիտ արդյունքներ ստանալու համար ապավինեք սառեցված CCD-ներին։
Ի՞նչ է CCD և EMCCD սենսորների համընկնման ռեժիմը, և ինչպե՞ս է այն բարելավում տեսախցիկի աշխատանքը։
CCD և EMCCD սենսորները սովորաբար ունեն «համընկնման ռեժիմ»։ Գլոբալ փակիչով տեսախցիկների համար սա վերաբերում է նախորդ կադրը հաջորդ կադրի էքսպոզիցիայի ընթացքում կարդալու ունակությանը։ Սա հանգեցնում է բարձր (մոտ 100%) աշխատանքային ցիկլի, ինչը նշանակում է, որ կադրերը լույսի ազդեցության տակ չենթարկելու վրա նվազագույն ժամանակ է վատնվում, և, հետևաբար, կադրերի ավելի բարձր հաճախականություն։
Նշում. Համընկնման ռեժիմը տարբեր նշանակություն ունի գլանաձև փակաղակի սենսորների համար:
Եթե ցանկանում եք ավելին իմանալ գլանաձև վարագույրների մասին, խնդրում ենք սեղմել՝
Ինչպես է գործում գլանափաթեթի կառավարման ռեժիմը և ինչպես օգտագործել այն
Tucsen Photonics Co., Ltd. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են։ Մեջբերելիս խնդրում ենք նշել աղբյուրը։www.tucsen.com
