25/07/31მიუხედავად იმისა, რომ 2025 წელს CMOS სენსორები დომინირებს როგორც სამეცნიერო, ასევე სამომხმარებლო ფოტოგრაფიაში, ეს ყოველთვის ასე არ იყო.
CCD ნიშნავს „დამუხტვასთან დაკავშირებული მოწყობილობას“ (Charge-Coupled Device) და CCD სენსორები წარმოადგენდა ციფრული კამერის თავდაპირველ სენსორებს, რომლებიც პირველად 1970 წელს შეიქმნა. CCD და EMCCD-ზე დაფუძნებული კამერები სამეცნიერო გამოყენებისთვის რეკომენდებული იყო სულ რამდენიმე წლის წინ. ორივე ტექნოლოგია დღემდე შემორჩენილია, თუმცა მათი გამოყენება ნიშური გახდა.
CMOS სენსორების გაუმჯობესებისა და განვითარების ტემპი კვლავ იზრდება. ამ ტექნოლოგიებს შორის განსხვავება, ძირითადად, იმაში მდგომარეობს, თუ როგორ ამუშავებენ და კითხულობენ ისინი აღმოჩენილ ელექტრონულ მუხტს.
რა არის CCD სენსორი?
CCD სენსორი არის გამოსახულების სენსორის ტიპი, რომელიც გამოიყენება სინათლის დასაფიქსირებლად და მისი ციფრულ სიგნალებად გარდასაქმნელად. ის შედგება სინათლისადმი მგრძნობიარე პიქსელების მასივისგან, რომლებიც აგროვებენ ფოტონებს და გარდაქმნიან მათ ელექტრულ მუხტებად.
CCD სენსორის ჩვენება CMOS-ისგან სამი მნიშვნელოვანი ფაქტორით განსხვავდება:
● თანხის გადარიცხვადაფიქსირებული ფოტოელექტრონები ელექტროსტატიკურად გადაადგილდება პიქსელ-პიქსელზე სენსორის გასწვრივ ქვედა ნაწილში არსებულ წაკითხვის არეალში.
● წაკითხვის მექანიზმიპარალელურად მოქმედი ანალოგურ-ციფრული გადამყვანების (ADC) მთელი რიგის ნაცვლად, CCD-ები იყენებენ მხოლოდ ერთ ან ორ (ან ზოგჯერ მეტ) ADC-ს, რომლებიც პიქსელებს თანმიმდევრულად კითხულობენ.
კონდენსატორისა და გამაძლიერებლის განლაგება: თითოეულ პიქსელში კონდენსატორებისა და გამაძლიერებლების ნაცვლად, თითოეულ ანალოგურ-ციფრულ გადამყვანს აქვს ერთი კონდენსატორი და გამაძლიერებელი.
როგორ მუშაობს CCD სენსორი?
აი, როგორ მუშაობს CCD სენსორი გამოსახულების მისაღებად და დასამუშავებლად:
სურათი: CCD სენსორის წაკითხვის პროცესი
ექსპოზიციის დასრულების შემდეგ, CCD სენსორები თავდაპირველად შეგროვებულ მუხტებს გადააქვთ თითოეული პიქსელის შიგნით არსებულ ნიღბიან საცავის ზონაში (ნაჩვენებია არ არის). შემდეგ, თითო რიგით, მუხტები გადადის წაკითხვის რეგისტრში. თითო სვეტით, თითო სვეტით, წაიკითხავენ წაკითხვის რეგისტრში არსებულ მუხტებს.
1. ხარჯების გასუფთავებაგადაღების დასაწყებად, მთელი სენსორი ერთდროულად იწმინდება დამუხტვით (გლობალური ჩამკეტი).
2. მუხტის დაგროვებაექსპოზიციის დროს მუხტი გროვდება.
3. დატენვის საცავიექსპოზიციის დასრულების შემდეგ, შეგროვებული მუხტები გადადის თითოეული პიქსელის შიგნით არსებულ ნიღბიან ზონაში (ე.წ. ხაზთაშორისი გადაცემის CCD), სადაც მათ შეუძლიათ წაკითხვას დაელოდონ ახალი აღმოჩენილი ფოტონების დათვლის გარეშე.
4. შემდეგი კადრის ექსპოზიციაპიქსელების ნიღბიან არეალში შენახული აღმოჩენილი მუხტების შემდეგ, პიქსელების აქტიურ არეალს შეუძლია დაიწყოს შემდეგი კადრის ექსპოზიცია (გადაფარვის რეჟიმი).
5. თანმიმდევრული წაკითხვადასრულებული ჩარჩოს თითოეული რიგიდან მუხტები თითო რიგით გადადის „წაკითხვის რეგისტრში“.
6. საბოლოო წაკითხვათითო სვეტი ერთდროულად, თითოეული პიქსელიდან მუხტები გადადის წაკითხვის კვანძში ანალოგურ-ციფრულ ტრანსფორმატორში წასაკითხად.
7. გამეორებაეს პროცესი მეორდება მანამ, სანამ ყველა პიქსელში აღმოჩენილი მუხტები არ დაითვლება.
ეს შეფერხება, რომელიც გამოწვეულია იმით, რომ ყველა აღმოჩენილი მუხტი იკითხება მცირე რაოდენობის (ზოგჯერ ერთი) წაკითხვის წერტილის მიერ, იწვევს CCD სენსორების მონაცემთა გამტარუნარიანობის სერიოზულ შეზღუდვებს CMOS-თან შედარებით.
CCD სენსორების დადებითი და უარყოფითი მხარეები
| დადებითი მხარეები | უარყოფითი მხარეები |
| დაბალი სიბნელის დენი. როგორც წესი, გაციების შემდეგ ~0.001 e⁻/p/s. | შეზღუდული სიჩქარე ტიპიური გამტარუნარიანობა ~20 MP/s — გაცილებით ნელია, ვიდრე CMOS. |
| პიქსელზე დაჯგუფების მუხტები წაკითხვამდე ჯამდება, რაც ხმაურს ამცირებს. | მაღალი წაკითხვის ხმაური 5–10 e⁻ ხშირია ერთწერტილიანი ანალოგური ტრანსფორმატორის წაკითხვის გამო. |
| გლობალური ჩამკეტი - ნამდვილი გლობალური ან თითქმის გლობალური ჩამკეტი ხაზთაშორისი/კადრების გადაცემის CCD-ებში. | უფრო დიდი პიქსელების ზომები ვერ შეედრება მინიატურიზაციის CMOS-ის შემოთავაზებებს. |
| მაღალი გამოსახულების ერთგვაროვნება - შესანიშნავია რაოდენობრივი გამოსახულების მისაღებად. | მაღალი ენერგომოხმარება. დამუხტვის გადატანისა და წაკითხვისთვის მეტი ენერგიაა საჭირო. |
CCD სენსორის უპირატესობები
● დაბალი სიბნელის დენიტექნოლოგიად ქცეული CCD სენსორებს, როგორც წესი, ძალიან დაბალი სიბნელის დენი აქვთ, როგორც წესი, გაგრილებისას დაახლოებით 0.001 e-/p/s.
● „პიქსელზე“ ბინინგიბინირებისას, CCD-ები მუხტებს წაკითხვამდე ამატებენ და არა წაკითხვის შემდეგ, რაც ნიშნავს, რომ დამატებითი ხმაური არ წარმოიქმნება. ბნელი დენი იზრდება, მაგრამ როგორც ზემოთ აღინიშნა, ეს მაჩვენებელი, როგორც წესი, ძალიან დაბალია.
● გლობალური ჩამკეტი„ხაზგარეშე“ CCD სენსორები მუშაობენ ნამდვილი გლობალური ჩამკეტით. „კადრის გადაცემის“ CCD სენსორები იყენებენ „ნახევრად გლობალურ“ ჩამკეტს (იხილეთ სურათი 45-ის „ნიღბიანი“ რეგიონი) - კადრის გადაცემის პროცესი ექსპოზიციის დასაწყებად და დასასრულებლად არ არის რეალურად ერთდროული, მაგრამ, როგორც წესი, 1-10 მიკროწამის დაახლოებით დროს იღებს. ზოგიერთი CCD იყენებს მექანიკურ ჩამკეტს.
CCD სენსორების უარყოფითი მხარეები
● შეზღუდული სიჩქარეპიქსელებში წამში მონაცემთა გადაცემის ტიპიური სიჩქარე წამში დაახლოებით 20 მეგაპიქსელია (MP/s), რაც 5 კადრი/წმ სიჩქარით 4 მეგაპიქსელიანი გამოსახულების ექვივალენტურია. ეს დაახლოებით 20-ჯერ ნელია, ვიდრე ექვივალენტური CMOS და სულ მცირე 100-ჯერ ნელი, ვიდრე მაღალსიჩქარიანი CMOS.
● მაღალი ხმაური წაკითხვისთვისCCD-ებში წაკითხვის ხმაური მაღალია, ძირითადად იმის გამო, რომ კამერის გამოსაყენებელი სიჩქარის მისაღწევად საჭიროა ანალოგურ-ციფრული გადამყვანის (ანალოგური გადამყვანის) მაღალი სიჩქარით გაშვება. მაღალი კლასის CCD კამერებისთვის 5-დან 10-მდე e- სიხშირე ხშირია.
● უფრო დიდი პიქსელებიბევრი აპლიკაციისთვის, მცირე ზომის პიქსელები უპირატესობას იძლევა. ტიპიური CMOS არქიტექტურა CCD-სთან შედარებით პიქსელების უფრო მცირე მინიმალურ ზომებს იძლევა.
● მაღალი ენერგომოხმარებაCCD სენსორების მუშაობისთვის საჭირო ენერგომოხმარება გაცილებით მაღალია, ვიდრე CMOS სენსორების.
CCD სენსორების გამოყენება სამეცნიერო ვიზუალიზაციაში
მიუხედავად იმისა, რომ CMOS ტექნოლოგიამ პოპულარობა მოიპოვა, CCD სენსორები კვლავ უპირატესობას ანიჭებენ სამეცნიერო ვიზუალიზაციის გარკვეულ სფეროებში, სადაც გამოსახულების ხარისხი, მგრძნობელობა და თანმიმდევრულობა უმთავრესია. მათი შესანიშნავი უნარი, მინიმალური ხმაურით დააფიქსირონ დაბალი განათების სიგნალები, მათ იდეალურს ხდის ზუსტი აპლიკაციებისთვის.
ასტრონომია
CCD სენსორები კრიტიკულად მნიშვნელოვანია ასტრონომიული ვიზუალიზაციისთვის, რადგან მათ შეუძლიათ შორეული ვარსკვლავებიდან და გალაქტიკებიდან მკრთალი სინათლის დაფიქსირება. ისინი ფართოდ გამოიყენება როგორც ობსერვატორიებში, ასევე მოწინავე სამოყვარულო ასტრონომიაში ხანგრძლივი ექსპოზიციის ასტროფოტოგრაფიისთვის, რაც უზრუნველყოფს მკაფიო და დეტალურ სურათებს.
მიკროსკოპია და სიცოცხლის შემსწავლელი მეცნიერებები
სიცოცხლის შემსწავლელ მეცნიერებებში CCD სენსორები გამოიყენება სუსტი ფლუორესცენტული სიგნალების ან დახვეწილი უჯრედული სტრუქტურების დასაფიქსირებლად. მათი მაღალი მგრძნობელობა და ერთგვაროვნება მათ იდეალურს ხდის ისეთი აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა ფლუორესცენტული მიკროსკოპია, ცოცხალი უჯრედების ვიზუალიზაცია და ციფრული პათოლოგია. მათი წრფივი სინათლის რეაქცია უზრუნველყოფს ზუსტ რაოდენობრივ ანალიზს.
ნახევარგამტარული ინსპექტირება
CCD სენსორები გადამწყვეტ როლს თამაშობენ ნახევარგამტარების წარმოებაში, განსაკუთრებით ვაფლების შემოწმებისთვის. მათი მაღალი გარჩევადობა და თანმიმდევრული გამოსახულების ხარისხი აუცილებელია ჩიპებში მიკრომასშტაბიანი დეფექტების იდენტიფიცირებისთვის, რაც უზრუნველყოფს ნახევარგამტარების წარმოებაში საჭირო სიზუსტეს.
რენტგენი და სამეცნიერო ვიზუალიზაცია
CCD სენსორები ასევე გამოიყენება რენტგენის დეტექციის სისტემებსა და სხვა სპეციალიზებულ ვიზუალიზაციის აპლიკაციებში. მათი უნარი, შეინარჩუნონ სიგნალი-ხმაურის მაღალი თანაფარდობა, განსაკუთრებით გაცივების დროს, სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია მკაფიო ვიზუალიზაციისთვის ისეთ რთულ პირობებში, როგორიცაა კრისტალოგრაფია, მასალების ანალიზი და არადესტრუქციული ტესტირება.
CCD სენსორები დღესაც აქტუალურია?
Tucsen H-694 და 674 CCD კამერა
CMOS ტექნოლოგიის სწრაფი განვითარების მიუხედავად, CCD სენსორები ჯერ კიდევ მოძველებულია. ისინი კვლავ სასურველ არჩევნად რჩებიან ულტრადაბალი განათების და მაღალი სიზუსტის გამოსახულების ამოცანებში, სადაც მათი შეუდარებელი გამოსახულების ხარისხი და ხმაურის მახასიათებლები გადამწყვეტია. ისეთ სფეროებში, როგორიცაა ღრმა კოსმოსური ასტრონომია ან მოწინავე ფლუორესცენტული მიკროსკოპია, CCD კამერები ხშირად აჯობებენ CMOS-ის ბევრ ალტერნატივას.
CCD სენსორების ძლიერი და სუსტი მხარეების გააზრება ეხმარება მკვლევარებსა და ინჟინრებს, აირჩიონ სწორი ტექნოლოგია მათი კონკრეტული საჭიროებებისთვის, რაც უზრუნველყოფს ოპტიმალურ მუშაობას მათ სამეცნიერო თუ სამრეწველო პროგრამებში.
ხშირად დასმული კითხვები
როდის უნდა ავირჩიო CCD სენსორი?
CCD სენსორები დღეს გაცილებით იშვიათია, ვიდრე ათი წლის წინ, რადგან CMOS ტექნოლოგია იწყებს მათი დაბალი სიბნელის დენის მაჩვენებლის შეზღუდვას. თუმცა, ყოველთვის იქნება ისეთი გამოყენება, სადაც მათი მახასიათებლების კომბინაცია - როგორიცაა უმაღლესი გამოსახულების ხარისხი, დაბალი ხმაური და მაღალი მგრძნობელობა - უპირატესობას ანიჭებს.
რატომ იყენებენ სამეცნიერო კამერები გაცივებულ CCD სენსორებს?
გაგრილება ამცირებს თერმულ ხმაურს გამოსახულების გადაღების დროს, რაც აუმჯობესებს გამოსახულების სიცხადეს და მგრძნობელობას. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია დაბალი განათების და ხანგრძლივი ექსპოზიციის სამეცნიერო გამოსახულების გადაღებისთვის, რის გამოც ბევრი მაღალი კლასის...სამეცნიერო კამერებიუფრო სუფთა და ზუსტი შედეგების მისაღებად დაეყრდნობით გაცივებულ CCD-ებს.
რა არის გადაფარვის რეჟიმი CCD და EMCCD სენსორებში და როგორ აუმჯობესებს ის კამერის მუშაობას?
CCD და EMCCD სენსორებს, როგორც წესი, აქვთ „გადაფარვის რეჟიმის“ ფუნქცია. გლობალური ჩამკეტის მქონე კამერებისთვის ეს გულისხმობს წინა კადრის წაკითხვის შესაძლებლობას შემდეგი კადრის ექსპოზიციის დროს. ეს იწვევს მაღალ (თითქმის 100%) სამუშაო ციკლს, რაც ნიშნავს, რომ კადრების სინათლის გარეშე მინიმალური დრო იკარგება და, შესაბამისად, უფრო მაღალი კადრების სიხშირე.
შენიშვნა: გადაფარვის რეჟიმს განსხვავებული მნიშვნელობა აქვს მოძრავი ჩამკეტის სენსორებისთვის.
თუ გსურთ მეტი გაიგოთ როლიკებიანი ჟალუზების შესახებ, გთხოვთ, დააჭიროთ:
როგორ მუშაობს მოძრავი ჩამკეტის მართვის რეჟიმი და როგორ გამოვიყენოთ იგი
Tucsen Photonics Co., Ltd. ყველა უფლება დაცულია. ციტირებისას, გთხოვთ, მიუთითოთ წყარო:www.tucsen.com
