25/07/31למרות שבשנת 2025, חיישני CMOS שולטים בהדמיה מדעית וצרכנית כאחד, זה לא תמיד היה המצב.
CCD הוא ראשי תיבות של 'התקן מצומד מטען', וחיישני CCD היו חיישני המצלמה הדיגיטלית המקוריים, שפותחו לראשונה בשנת 1970. מצלמות מבוססות CCD ו-EMCCD הומלצו בדרך כלל ליישומים מדעיים עד לפני מספר שנים בלבד. שתי הטכנולוגיות עדיין שורדות כיום, אם כי השימושים בהן הפכו לנישתיים.
קצב השיפור והפיתוח של חיישני CMOS ממשיך לעלות. ההבדל בין טכנולוגיות אלו טמון בעיקר באופן שבו הן מעבדות וקוראות מטען אלקטרוני שזוהה.
מהו חיישן CCD?
חיישן CCD הוא סוג של חיישן תמונה המשמש ללכידת אור והמרתו לאותות דיגיטליים. הוא מורכב ממערך של פיקסלים רגישים לאור שאוספים פוטונים והופכים אותם למטענים חשמליים.
קריאת חיישן CCD שונה מקריאת CMOS בשלוש דרכים משמעותיות:
● העברת תשלוםפוטואלקטרונים שנלכדו מועברים באופן אלקטרוסטטי פיקסל לפיקסל על פני החיישן לאזור קריאה בתחתית.
● מנגנון קריאת נתוניםבמקום שורה שלמה של ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADCs) הפועלים במקביל, ממירי CCD משתמשים רק ב-ADC אחד או שניים (או לפעמים יותר) שקוראים פיקסלים ברצף.
מיקום קבלים ומגברים: במקום קבלים ומגברים בכל פיקסל, לכל ADC יש קבל ומגבר אחד.
כיצד עובד חיישן CCD?
כך פועל חיישן CCD כדי ללכוד ולעבד תמונה:
איור: תהליך קריאת חיישן CCD
בסוף החשיפה שלהם, חיישני CCD מעבירים תחילה את המטענים שנאספו לתוך אזור אחסון מוסווה בתוך כל פיקסל (לא מוצג). לאחר מכן, שורה אחת בכל פעם, המטענים מועברים לאוגר קריאה. עמודה אחת בכל פעם, המטענים בתוך אוגר הקריאה נקראים.
1. סליקת חיובכדי להתחיל את תהליך הרכישה, המטען מנוקה בו זמנית מכל החיישן (תריס גלובלי).
2. צבירת מטעןמטען מצטבר במהלך החשיפה.
3. אחסון טעינהבסוף החשיפה, מטענים שנאספו מועברים לאזור מוסווה בתוך כל פיקסל (הנקרא CCD של העברה בין-קוית), שם הם יכולים להמתין לקריאה מבלי שפוטונים חדשים שזוהו ייספרו.
4. חשיפה של הפריים הבאכאשר המטענים שזוהו מאוחסנים באזור הפיקסלים המוסווה, אזור הפיקסלים הפעיל יכול להתחיל את החשיפה של הפריים הבא (מצב חפיפה).
5. קריאה סדרתיתשורה אחת בכל פעם, מטענים מכל שורה של המסגרת המוגמרת מועברים ל'אוגר קריאה'.
6. קריאה סופיתעמודה אחת בכל פעם, מטענים מכל פיקסל מועברים אל צומת הקריאה לצורך קריאה ב-ADC.
7. חֲזָרָהתהליך זה חוזר על עצמו עד שסופרים את המטענים שזוהו בכל הפיקסלים.
צוואר בקבוק זה, הנגרם מכך שכל המטענים שזוהו נקראים על ידי מספר קטן (לפעמים אחת) של נקודות קריאה, מוביל למגבלות חמורות בתפוקת הנתונים של חיישני CCD בהשוואה ל-CMOS.
יתרונות וחסרונות של חיישני CCD
| יתרונות | חסרונות |
| זרם חושך נמוך בדרך כלל ~0.001 e⁻/p/s כאשר מקורר. | מהירות מוגבלת תפוקה אופיינית ~20 מגה פיקסל/שנייה - איטי בהרבה מ-CMOS. |
| חיובים של קבוצת הפיקסלים מסוכמים לפני הקריאה, מה שמפחית את הרעש. | רעש קריאה גבוה של 5–10 e⁻ נפוץ עקב קריאת ADC נקודתית. |
| תריס גלובלי תריס גלובלי אמיתי או כמעט גלובלי במסכי CCD בין-קו/העברת פריימים. | גדלי פיקסלים גדולים יותר אינם יכולים להתאים למזעור שמציע CMOS. |
| אחידות תמונה גבוהה. מצוין להדמיה כמותית. | צריכת חשמל גבוהה דורשת יותר חשמל עבור העברת מטען וקריאת מטען. |
יתרונות חיישן CCD
● זרם חושך נמוךמטבעם, כטכנולוגיה, חיישני CCD נוטים להיות בעלי זרם חושך נמוך מאוד, בדרך כלל בסדר גודל של 0.001 e-/p/s כאשר הם מקוררים.
● שילוב של פיקסלבעת חלוקה ל-binning, ממירי CCD מוסיפים מטענים לפני הקריאה, לא אחריה, כלומר לא מוצג רעש קריאה נוסף. זרם החושך אכן עולה, אך כפי שצוין לעיל, הוא בדרך כלל נמוך מאוד.
● תריס גלובליחיישני CCD 'בין-ליין' פועלים עם תריס גלובלי אמיתי. חיישני CCD 'העברת פריימים' משתמשים בתריס 'חצי גלובלי' (ראה אזור 'מסוך' באיור 45) - תהליך העברת הפריימים לתחילת וסיום החשיפה אינו בו זמנית באמת, אך בדרך כלל אורך בין 1 ל-10 מיקרו-שניות. חלק מה-CCDs משתמשים בתריס מכני.
חסרונות של חיישני CCD
● מהירות מוגבלתתפוקת נתונים אופיינית בפיקסלים לשנייה יכולה להיות כ-20 מגה-פיקסל לשנייה (MP/s), שווה ערך לתמונה של 4 מגה-פיקסל ב-5 פריימים לשנייה. זה איטי בערך פי 20 מ-CMOS מקביל, ולפחות פי 100 מ-CMOS במהירות גבוהה.
● רעש קריאה גבוהרעש הקריאה במצלמות CCD גבוה, בעיקר בשל הצורך להפעיל את ה-ADC/ים בקצב גבוה כדי להשיג מהירות מצלמה שמישה. 5 עד 10 e- נפוץ במצלמות CCD מתקדמות.
● פיקסלים גדולים יותרעבור יישומים רבים, פיקסלים קטנים יותר מספקים יתרונות. ארכיטקטורת CMOS טיפוסית מאפשרת גדלי פיקסלים מינימליים קטנים יותר מאשר CCD.
● צריכת חשמל גבוההדרישות החשמל להפעלת חיישני CCD גבוהות בהרבה מאשר חיישני CMOS.
יישומים של חיישני CCD בהדמיה מדעית
למרות שטכנולוגיית CMOS צברה פופולריות, חיישני CCD עדיין עדיפים ביישומי הדמיה מדעיים מסוימים שבהם איכות התמונה, הרגישות והעקביות הן בעלות חשיבות עליונה. יכולתם המעולה ללכוד אותות בתאורה חלשה עם רעש מינימלי הופכת אותם לאידיאליים עבור יישומים מדויקים.
אַסטרוֹנוֹמִיָה
חיישני CCD חיוניים בהדמיה אסטרונומית בשל יכולתם ללכוד אור חלש מכוכבים וגלקסיות רחוקים. הם נמצאים בשימוש נרחב הן במצפי כוכבים והן באסטרונומיה חובבנית מתקדמת לאסטרופוטוגרפיה בעלת חשיפה ארוכה, ומספקים תמונות ברורות ומפורטות.
מיקרוסקופיה ומדעי החיים
במדעי החיים, חיישני CCD משמשים ללכידת אותות פלואורסצנציה חלשים או מבנים תאיים עדינים. הרגישות הגבוהה והאחידות שלהם הופכות אותם למושלמים עבור יישומים כמו מיקרוסקופ פלואורסצנציה, הדמיית תאים חיים ופתולוגיה דיגיטלית. תגובת האור הליניארית שלהם מבטיחה ניתוח כמותי מדויק.
בדיקת מוליכים למחצה
חיישני CCD חיוניים בייצור מוליכים למחצה, במיוחד לבדיקת פרוסות סיליקון. הרזולוציה הגבוהה שלהם ואיכות ההדמיה העקבית שלהם חיוניים לזיהוי פגמים בקנה מידה מיקרוסקופי בשבבים, ומבטיחים את הדיוק הנדרש בייצור מוליכים למחצה.
רנטגן והדמיה מדעית
חיישני CCD משמשים גם במערכות גילוי קרני רנטגן וביישומי הדמיה מיוחדים אחרים. יכולתם לשמור על יחסי אות לרעש גבוהים, במיוחד כאשר הם מקוררים, חיונית להדמיה ברורה בתנאים מאתגרים כגון קריסטלוגרפיה, ניתוח חומרים ובדיקות לא הרסניות.
האם חיישני CCD עדיין רלוונטיים כיום?
מצלמת CCD טוסן H-694 ו-674
למרות ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית CMOS, חיישני CCD רחוקים מלהיות מיושנים. הם נותרים בחירה מועדפת במשימות הדמיה בעלות אור נמוך במיוחד ומדויקות, שבהן איכות התמונה ומאפייני הרעש שאין שני להם הם קריטיים. בתחומים כמו אסטרונומיה של חלל עמוק או מיקרוסקופ פלואורסצנטי מתקדם, מצלמות CCD עולות לרוב על חלופות CMOS רבות.
הבנת החוזקות והחולשות של חיישני CCD עוזרת לחוקרים ומהנדסים לבחור את הטכנולוגיה המתאימה לצרכיהם הספציפיים, תוך הבטחת ביצועים אופטימליים ביישומים המדעיים או התעשייתיים שלהם.
שאלות נפוצות
מתי כדאי לי לבחור חיישן CCD?
חיישני CCD נדירים הרבה יותר כיום מאשר לפני עשר שנים, שכן טכנולוגיית CMOS מתחילה לפגוע אפילו בביצועי זרם החושך הנמוך שלהם. עם זאת, תמיד יהיו יישומים שבהם השילוב של מאפייני ביצועים - כגון איכות תמונה מעולה, רעש נמוך ורגישות גבוהה - מספק יתרון.
מדוע מצלמות מדעיות משתמשות בחיישני CCD מקוררים?
קירור מפחית רעש תרמי במהלך צילום תמונה, ומשפר את בהירות התמונה והרגישות. זה חשוב במיוחד עבור הדמיה מדעית בתאורה חלשה ובחשיפה ארוכה, ולכן מכשירים מתקדמים רבים...מצלמות מדעיותהסתמכו על CCDs מקוררים לקבלת תוצאות נקיות ומדויקות יותר.
מהו מצב חפיפה בחיישני CCD ו-EMCCD, וכיצד הוא משפר את ביצועי המצלמה?
חיישני CCD ו-EMCCD מסוגלים בדרך כלל ל'מצב חפיפה'. עבור מצלמות עם תריס גלובלי, משמעות הדבר היא היכולת לקרוא את הפריים הקודם במהלך חשיפת הפריים הבא. זה מוביל למחזור עבודה גבוה (כמעט 100%), כלומר זמן מינימלי מבוזבז על אי חשיפת פריימים לאור, ולכן קצב פריימים גבוה יותר.
הערה: למצב חפיפה יש משמעות שונה עבור חיישני תריס מתגלגל.
אם אתם רוצים ללמוד עוד על תריסי גלילה, אנא לחצו:
כיצד פועל מצב בקרת תריס גלילה וכיצד להשתמש בו
Tucsen Photonics Co., Ltd. כל הזכויות שמורות. בעת ציטוט, אנא ציינו את המקור:www.tucsen.com
