Memahami Sensor CCD: Apa Itu dan Cara Kerjanya |

Meskipun pada tahun 2025, sensor CMOS mendominasi pencitraan ilmiah dan konsumen, hal ini tidak selalu terjadi.

CCD adalah singkatan dari 'Charge-Coupled Device', dan sensor CCD merupakan sensor kamera digital asli yang pertama kali dikembangkan pada tahun 1970. Kamera berbasis CCD dan EMCCD umumnya direkomendasikan untuk aplikasi ilmiah hingga beberapa tahun yang lalu. Kedua teknologi ini masih bertahan hingga saat ini, meskipun penggunaannya telah menjadi niche.

Laju penyempurnaan dan pengembangan sensor CMOS terus meningkat. Perbedaan utama antara kedua teknologi ini terletak pada cara mereka memproses dan membaca muatan elektronik yang terdeteksi.

Apa itu Sensor CCD?

Sensor CCD adalah jenis sensor gambar yang digunakan untuk menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal digital. Sensor ini terdiri dari serangkaian piksel peka cahaya yang mengumpulkan foton dan mengubahnya menjadi muatan listrik.

Pembacaan sensor CCD berbeda dari CMOS dalam tiga hal penting:

● Transfer Biaya: Fotoelektron yang ditangkap dipindahkan secara elektrostatis piksel ke piksel melintasi sensor ke area pembacaan di bagian bawah.
● Mekanisme Pembacaan:Daripada serangkaian konverter analog ke digital (ADC) yang beroperasi secara paralel, CCD hanya menggunakan satu atau dua ADC (atau terkadang lebih) yang membaca piksel secara berurutan.

Penempatan Kapasitor dan Penguat: Sebagai pengganti kapasitor dan penguat di setiap piksel, setiap ADC memiliki satu kapasitor dan penguat.

Bagaimana Cara Kerja Sensor CCD?

Berikut ini cara kerja sensor CCD untuk memperoleh dan memproses gambar:

Gambar: Proses pembacaan untuk sensor CCD

Di akhir paparannya, sensor CCD pertama-tama memindahkan muatan yang terkumpul ke dalam area penyimpanan bertopeng di dalam setiap piksel (tidak ditampilkan). Kemudian, satu baris pada satu waktu, muatan dipindahkan ke register pembacaan. Satu kolom pada satu waktu, muatan di dalam register pembacaan dibacakan.

1. Pembersihan Biaya:Untuk memulai akuisisi, muatan dibersihkan secara bersamaan dari seluruh sensor (global shutter).
2. Akumulasi Muatan: Muatan terakumulasi selama pemaparan.
3. Penyimpanan Muatan:Pada akhir pemaparan, muatan yang terkumpul dipindahkan ke area tertutup di dalam setiap piksel (disebut CCD transfer interline), di mana muatan tersebut dapat menunggu pembacaan tanpa foton baru yang terdeteksi dihitung.
4. Paparan Frame Berikutnya: Dengan muatan terdeteksi yang tersimpan dalam area piksel yang ditutupi, area piksel yang aktif dapat memulai pemaparan bingkai berikutnya (mode tumpang tindih).
5. Pembacaan Berurutan:Satu baris pada satu waktu, muatan dari tiap baris bingkai yang telah selesai dipindahkan ke 'daftar pembacaan'.
6. Pembacaan Akhir:Satu kolom pada satu waktu, muatan dari setiap piksel dipindahkan ke simpul pembacaan untuk pembacaan di ADC.
7. Pengulangan: Proses ini berulang hingga muatan yang terdeteksi dalam semua piksel terhitung.

Kemacetan ini disebabkan oleh semua muatan yang terdeteksi dibaca oleh sejumlah kecil (kadang-kadang satu) titik pembacaan, menyebabkan keterbatasan parah dalam keluaran data sensor CCD dibandingkan dengan CMOS.

Pro dan Kontra Sensor CCD

Kelebihan	Kontra
Arus Gelap Rendah Biasanya ~0,001 e⁻/p/s saat didinginkan.	Kecepatan Terbatas Throughput khas ~20 MP/s — jauh lebih lambat daripada CMOS.
Pengelompokan Pada Piksel Muatan dijumlahkan sebelum pembacaan, untuk mengurangi gangguan.	Kebisingan Baca Tinggi 5–10 e⁻ umum terjadi karena pembacaan ADC titik tunggal.
Rana Global Rana global atau mendekati global yang sesungguhnya dalam CCD interline/frame-transfer.	Ukuran Piksel yang Lebih Besar Tidak dapat menandingi miniaturisasi yang ditawarkan CMOS.
Keseragaman Gambar Tinggi Sangat baik untuk pencitraan kuantitatif.	Konsumsi Daya Tinggi Membutuhkan lebih banyak daya untuk pemindahan dan pembacaan muatan.

Kelebihan Sensor CCD

● Arus Gelap Rendah:Secara inheren sebagai sebuah teknologi, sensor CCD cenderung memiliki arus gelap yang sangat rendah, biasanya sekitar 0,001 e-/p/s saat didinginkan.
● Pengelompokan 'Pada Piksel'Saat melakukan binning, CCD menambahkan muatan sebelum pembacaan, bukan setelahnya, yang berarti tidak ada gangguan pembacaan tambahan. Arus gelap memang meningkat, tetapi seperti yang telah disebutkan sebelumnya, biasanya sangat rendah.
● Rana GlobalSensor CCD 'Interline' beroperasi dengan rana global sejati. Sensor CCD 'Frame Transfer' menggunakan rana 'setengah global' (lihat bagian 'Tertutup' pada Gambar 45) – proses transfer bingkai untuk memulai dan mengakhiri pencahayaan tidak sepenuhnya bersamaan, tetapi biasanya membutuhkan waktu sekitar 1-10 mikrodetik. Beberapa CCD menggunakan rana mekanis.

Kekurangan Sensor CCD

● Kecepatan TerbatasThroughput data tipikal dalam piksel per detik bisa mencapai sekitar 20 Megapiksel per detik (MP/s), setara dengan gambar 4 MP pada 5 fps. Ini sekitar 20 kali lebih lambat daripada CMOS yang setara, dan setidaknya 100 kali lebih lambat daripada CMOS berkecepatan tinggi.
● Kebisingan Baca Tinggi:Kebisingan pembacaan dalam CCD tinggi, sebagian besar disebabkan oleh kebutuhan untuk menjalankan ADC pada kecepatan tinggi untuk mencapai kecepatan kamera yang dapat digunakan. 5 hingga 10 e- umum untuk kamera CCD kelas atas.
● Piksel Lebih BesarUntuk banyak aplikasi, piksel yang lebih kecil memberikan keuntungan. Arsitektur CMOS pada umumnya memungkinkan ukuran piksel minimum yang lebih kecil daripada CCD.
● Konsumsi Daya Tinggi:Kebutuhan daya untuk menjalankan sensor CCD jauh lebih tinggi daripada CMOS.

Aplikasi Sensor CCD dalam Pencitraan Ilmiah

Meskipun teknologi CMOS telah semakin populer, sensor CCD masih lebih disukai dalam aplikasi pencitraan ilmiah tertentu yang mengutamakan kualitas, sensitivitas, dan konsistensi gambar. Kemampuannya yang unggul dalam menangkap sinyal cahaya rendah dengan noise minimal menjadikannya ideal untuk aplikasi presisi.

Astronomi

Sensor CCD sangat penting dalam pencitraan astronomi karena kemampuannya menangkap cahaya redup dari bintang dan galaksi yang jauh. Sensor ini banyak digunakan di observatorium maupun astronomi amatir tingkat lanjut untuk astrofotografi eksposur panjang, menghasilkan gambar yang jernih dan detail.

Mikroskopi dan Ilmu Hayati

Dalam ilmu hayati, sensor CCD digunakan untuk menangkap sinyal fluoresensi lemah atau struktur seluler yang halus. Sensitivitas dan keseragamannya yang tinggi menjadikannya sempurna untuk aplikasi seperti mikroskop fluoresensi, pencitraan sel hidup, dan patologi digital. Respons cahaya linearnya memastikan analisis kuantitatif yang akurat.

Inspeksi Semikonduktor

Sensor CCD sangat penting dalam manufaktur semikonduktor, terutama untuk inspeksi wafer. Resolusi tinggi dan kualitas gambar yang konsisten sangat penting untuk mengidentifikasi cacat skala mikro pada chip, memastikan presisi yang dibutuhkan dalam produksi semikonduktor.

Sinar-X dan Pencitraan Ilmiah

Sensor CCD juga digunakan dalam sistem deteksi sinar-X dan aplikasi pencitraan khusus lainnya. Kemampuannya untuk mempertahankan rasio sinyal terhadap derau yang tinggi, terutama saat didinginkan, sangat penting untuk pencitraan yang jernih dalam kondisi menantang seperti kristalografi, analisis material, dan pengujian non-destruktif.

Apakah Sensor CCD Masih Relevan Saat Ini?

Kamera CCD Tucsen H-694 & 674

Meskipun teknologi CMOS berkembang pesat, sensor CCD masih jauh dari usang. Sensor ini tetap menjadi pilihan utama dalam tugas pencitraan dengan cahaya sangat rendah dan presisi tinggi, di mana kualitas gambar dan karakteristik noise-nya yang tak tertandingi sangat krusial. Dalam bidang seperti astronomi luar angkasa atau mikroskop fluoresensi tingkat lanjut, kamera CCD seringkali mengungguli banyak alternatif CMOS.

Memahami kekuatan dan kelemahan sensor CCD membantu peneliti dan insinyur memilih teknologi yang tepat untuk kebutuhan spesifik mereka, memastikan kinerja optimal dalam aplikasi ilmiah atau industri mereka.

Tanya Jawab Umum

Kapan saya harus memilih sensor CCD?

Sensor CCD kini jauh lebih langka dibandingkan sepuluh tahun lalu, karena teknologi CMOS mulai merambah kinerja arus gelapnya yang rendah. Namun, akan selalu ada aplikasi di mana kombinasi karakteristik kinerjanya—seperti kualitas gambar yang superior, noise rendah, dan sensitivitas tinggi—memberikan keunggulan.

Mengapa kamera ilmiah menggunakan sensor CCD yang didinginkan?

Pendinginan mengurangi noise termal selama pengambilan gambar, sehingga meningkatkan kejernihan dan sensitivitas gambar. Hal ini sangat penting untuk pencitraan ilmiah dalam kondisi pencahayaan rendah dan pencahayaan lama, sehingga banyak kamera kelas ataskamera ilmiahmengandalkan CCD yang didinginkan untuk hasil yang lebih bersih dan akurat.

Apa itu mode tumpang tindih dalam sensor CCD dan EMCCD, dan bagaimana cara meningkatkan kinerja kamera?

Sensor CCD dan EMCCD biasanya mampu menggunakan 'mode tumpang tindih'. Untuk kamera rana global, ini mengacu pada kemampuan untuk membaca bingkai sebelumnya saat bingkai berikutnya diekspos. Hal ini menghasilkan siklus kerja yang tinggi (hampir 100%), yang berarti waktu yang terbuang untuk tidak mengekspos bingkai ke cahaya sangat minim, sehingga menghasilkan frame rate yang lebih tinggi.

Catatan: Mode tumpang tindih memiliki arti berbeda untuk sensor rana bergulir.

Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang rolling shutter, silakan klik:

Cara Kerja Mode Rolling Shutter Control dan Cara Menggunakannya