25/07/31Þó að CMOS-skynjarar séu ráðandi í bæði vísindalegri og neytendamyndgreiningu árið 2025, þá var það ekki alltaf raunin.
CCD stendur fyrir „Charge-Coupled Device“ og CCD-skynjarar voru upprunalegu skynjararnir í stafrænum myndavélum, fyrst þróaðir árið 1970. Myndavélar byggðar á CCD og EMCCD voru almennt mæltar með í vísindalegum tilgangi þar til fyrir aðeins nokkrum árum. Báðar tæknirnar eru enn til staðar í dag, þó að notkun þeirra hafi orðið sérhæfð.
Þróun og framfarir CMOS skynjara halda áfram að aukast. Munurinn á þessum tæknim liggur fyrst og fremst í því hvernig þeir vinna úr og lesa út greind rafeindahleðslu.
Hvað er CCD skynjari?
CCD-skynjari er tegund myndskynjara sem notaður er til að fanga ljós og breyta því í stafræn merki. Hann samanstendur af röð ljósnæmra pixla sem safna ljóseindum og breyta þeim í rafhleðslur.
Lestur CCD skynjara er frábrugðinn CMOS skynjara á þrjá mikilvæga vegu:
● Flutningur gjaldsLjósrafeindir sem teknar eru eru færðar með rafstöðuvæðingu, pixla fyrir pixla, yfir skynjarann að lestrarsvæði neðst.
● LeskerfiÍ stað þess að hafa heila röð af hliðrænum í stafræna breytum (ADC) sem starfa samsíða, nota CCD-breytur aðeins einn eða tvo ADC-breyta (eða stundum fleiri) sem lesa pixla í röð.
Staðsetning þétta og magnara: Í stað þétta og magnara í hverri pixlu hefur hver ADC einn þétta og magnara.
Hvernig virkar CCD skynjari?
Svona virkar CCD skynjari til að taka og vinna úr mynd:
Mynd: Lesferli fyrir CCD skynjara
Í lok lýsingartíma færa CCD-skynjarar fyrst safnaðar hleðslur innan grímaðs geymslusvæðis innan hverrar pixlu (ekki sýnd). Síðan eru hleðslur færðar, eina röð í einu, inn í lesskrá. Hleðslur innan lesskrárinnar eru lesnar út, einum dálki í einu.
1. GjaldajöfnunTil að hefja myndatökuna er hleðslan hreinsuð samtímis úr öllum skynjaranum (alheimslokari).
2. HleðslusöfnunHleðsla safnast fyrir við útsetningu.
3. Geymsla hleðsluÍ lok lýsingar eru safnaðar hleðslur færðar á grímukennt svæði innan hverrar pixlu (kallað millilínuflutnings-CCD), þar sem þær geta beðið eftir lestri án þess að nýjar greindar ljóseindir séu taldar.
4. Lýsing næsta rammaÞegar greind hleðslur hafa verið geymdar á grímuðu pixlasvæðinu getur virka pixlasvæðið hafið lýsingu næsta ramma (skörunarstilling).
5. Raðbundin lesturEina röð í einu eru hleðslur úr hverri röð fullunna rammans færðar í „lestrarskrá“.
6. LokaupplesturEin dálkur í einu eru hleðslur frá hverjum pixli fluttar inn í leshnútinn til lesturs í ADC.
7. EndurtekningÞetta ferli endurtekur sig þar til greindar hleðslur í öllum pixlum hafa verið taldar.
Þessi flöskuháls, sem orsakast af því að allar greindar hleðslur eru lesnar af fáeinum (stundum einum) aflestrarpunktum, leiðir til alvarlegra takmarkana á gagnaflutningsgetu CCD skynjara samanborið við CMOS.
Kostir og gallar CCD skynjara
| Kostir | Ókostir |
| Lágur dökkstraumur. Yfirleitt ~0,001 e⁻/p/s þegar kælt er. | Takmarkaður hraði. Dæmigert afköst ~20 MP/s — mun hægari en CMOS. |
| Hleðslur á pixla eru lagðar saman áður en þær eru lesnar út, sem dregur úr suði. | Mikill lestrarhávaði, 5–10 e⁻, er algengur vegna einpunkts ADC-lestrar. |
| Alheimslokari Sannur alheims- eða næstum alheimslokari í millilínu-/rammaflutnings-CCD-myndavélum. | Stærri pixlastærðir geta ekki keppt við smækkunar-CMOS. |
| Mikil myndjöfnun. Frábært fyrir megindlega myndgreiningu. | Mikil orkunotkun Krefst meiri orku til að færa hleðslu og lesa af. |
Kostir CCD skynjara
● Lágt myrkurstraumurCCD-skynjarar eru í eðli sínu tæknilega mjög lítt straumvirkir, yfirleitt um 0,001 e-/p/s þegar þeir eru kældir.
● Röðun á pixlumVið flokkun bæta CCD-diskar við hleðslum fyrir aflestur, ekki eftir aflestur, sem þýðir að enginn viðbótar lestrarhávaði myndast. Myrkrastraumur eykst, en eins og fram kemur hér að ofan er hann venjulega mjög lágur.
● Alþjóðlegur lokariCCD-skynjarar með „millilínu“ virka með raunverulegri alhliða lokara. CCD-skynjarar með „rammaflutningi“ nota „hálf-alhliða“ lokara (sjá „grímu“ svæðið á mynd 45) – rammaflutningsferlið til að hefja og enda lýsingu er ekki sannarlega samtímis, en tekur venjulega á bilinu 1-10 míkrósekúndur. Sumir CCD-skynjarar nota vélræna lokara.
Ókostir CCD skynjara
● Takmarkaður hraðiAlgeng gagnaflutningshraði í pixlum á sekúndu getur verið um 20 megapixlar á sekúndu (MP/s), sem jafngildir 4 MP mynd við 5 ramma á sekúndu. Þetta er um 20 sinnum hægara en sambærilegt CMOS og að minnsta kosti 100 sinnum hægara en háhraða CMOS.
● Mikill lestrarhávaðiLestrarsuð í CCD-myndavélum er mikill, aðallega vegna þess að keyra þarf ADC-inn/a á miklum hraða til að ná nothæfum myndavélarhraða. 5 til 10 e- er algengt fyrir hágæða CCD-myndavélar.
● Stærri pixlarFyrir mörg forrit bjóða minni pixlar upp á kosti. Algeng CMOS-arkitektúr leyfir minni lágmarks pixlastærðir en CCD.
● Mikil orkunotkunOrkuþörfin fyrir CCD-skynjara er mun meiri en CMOS-skynjara.
Notkun CCD skynjara í vísindalegri myndgreiningu
Þótt CMOS-tækni hafi notið vaxandi vinsælda eru CCD-skynjarar enn vinsælir í ákveðnum vísindalegum myndgreiningarforritum þar sem myndgæði, næmi og samræmi eru í fyrirrúmi. Framúrskarandi geta þeirra til að fanga merki í litlu ljósi með lágmarks suð gerir þá tilvalda fyrir nákvæmniforrit.
Stjörnufræði
CCD-skynjarar eru mikilvægir í stjörnufræðimyndatöku vegna getu þeirra til að fanga dauft ljós frá fjarlægum stjörnum og vetrarbrautum. Þeir eru mikið notaðir bæði í stjörnustöðvum og í háþróaðri áhugamannastjörnufræði fyrir stjörnuljósmyndun með langri lýsingartíma og skila skýrum og nákvæmum myndum.
Smásjárskoðun og lífvísindi
Í lífvísindum eru CCD-skynjarar notaðir til að fanga veik flúrljómunarmerki eða fíngerð frumubygging. Mikil næmni þeirra og einsleitni gerir þá fullkomna fyrir notkun eins og flúrljómunarsmásjárskoðun, myndgreiningu lifandi frumna og stafræna sjúkdómsgreiningu. Línuleg ljóssvörun þeirra tryggir nákvæma megindlega greiningu.
Skoðun á hálfleiðurum
CCD-skynjarar eru mikilvægir í framleiðslu hálfleiðara, sérstaklega til skoðunar á skífum. Há upplausn þeirra og stöðug myndgæði eru nauðsynleg til að greina örgalla í örgjörvum og tryggja þannig þá nákvæmni sem krafist er í framleiðslu hálfleiðara.
Röntgenmyndataka og vísindaleg myndgreining
CCD-skynjarar eru einnig notaðir í röntgengreiningarkerfum og öðrum sérhæfðum myndgreiningarforritum. Hæfni þeirra til að viðhalda háu merkis-til-suðhlutfalli, sérstaklega þegar það er kælt, er mikilvæg fyrir skýra myndgreiningu við krefjandi aðstæður eins og kristöllunarfræði, efnisgreiningu og óeyðileggjandi prófanir.
Eru CCD skynjarar ennþá viðeigandi í dag?
Tucsen H-694 og 674 CCD myndavél
Þrátt fyrir hraða þróun CMOS-tækni eru CCD-skynjarar langt frá því að vera úreltir. Þeir eru enn ákjósanlegur kostur í myndgreiningarverkefnum sem krefjast mjög lítillar birtu og mikillar nákvæmni, þar sem óviðjafnanleg myndgæði þeirra og suðeiginleikar eru lykilatriði. Á sviðum eins og stjörnufræði í geimnum eða háþróaðri flúrljómunarsmásjárskoðun standa CCD-myndavélar sig oft betur en margir CMOS-valkostir.
Að skilja styrkleika og veikleika CCD-skynjara hjálpar vísindamönnum og verkfræðingum að velja rétta tækni fyrir sínar sérþarfir og tryggja þannig bestu mögulegu afköst í vísindalegum eða iðnaðarlegum tilgangi.
Algengar spurningar
Hvenær ætti ég að velja CCD skynjara?
CCD-skynjarar eru mun sjaldgæfari í dag en fyrir tíu árum, þar sem CMOS-tæknin fer að skerða jafnvel afköst þeirra við lágan dökkstraum. Hins vegar munu alltaf vera forrit þar sem samsetning afkösta þeirra - svo sem framúrskarandi myndgæði, lítið suð og mikil næmni - veitir kost.
Hvers vegna nota vísindamyndavélar kælda CCD-skynjara?
Kæling dregur úr hitauppstreymi við myndatöku, sem bætir skýrleika og næmni myndarinnar. Þetta er sérstaklega mikilvægt fyrir vísindalegar myndgreiningar við litla birtu og langa lýsingu, og þess vegna eru margar hágæða myndavélar...vísindamyndavélarTreystið á kældar CCD-myndavélar fyrir hreinni og nákvæmari niðurstöður.
Hvað er skörunarstilling í CCD og EMCCD skynjurum og hvernig bætir hún afköst myndavélarinnar?
CCD og EMCCD skynjarar eru yfirleitt færir um „skörunarstillingu“. Fyrir myndavélar með alþjóðlegri lokara vísar þetta til þess að geta lesið fyrri ramma upp við lýsingu á næsta ramma. Þetta leiðir til mikillar (næstum 100%) vinnuhringrásar, sem þýðir að lágmarks tími fer til spillis í að láta ramma ekki verða fyrir ljósi og þar af leiðandi hærri rammatíðni.
Athugið: Skerunarstilling hefur aðra merkingu fyrir rúllandi lokaraskynjara.
Ef þú vilt læra meira um rúllugluggana, vinsamlegast smelltu á:
Hvernig rúllulokunarstýringarstilling virkar og hvernig á að nota hana
Tucsen Photonics Co., Ltd. Allur réttur áskilinn. Vinsamlegast getið heimildar þegar vitnað er í:www.tucsen.com
