25/07/312025 жылы CMOS сенсорлары ғылыми және тұтынушылық бейнелеуде бірдей басым болғанымен, бұл әрдайым бола бермейді.
CCD «Зарядтаумен біріктірілген құрылғы» дегенді білдіреді және CCD сенсорлары 1970 жылы алғаш рет жасалған сандық камераның түпнұсқа сенсорлары болды. CCD және EMCCD негізіндегі камералар әдетте бірнеше жыл бұрын ғылыми қолданбаларға ұсынылды. Екі технология да бүгінгі күнге дейін сақталады, бірақ олардың қолданылуы тауашаға айналды.
CMOS сенсорларының жетілу және даму қарқыны өсуде. Бұл технологиялар арасындағы айырмашылық, ең алдымен, анықталған электрондық зарядты өңдеу және оқу тәсілінде.
CCD сенсоры дегеніміз не?
CCD сенсоры - жарық түсіру және оны сандық сигналдарға түрлендіру үшін қолданылатын кескін сенсорының түрі. Ол фотондарды жинап, оларды электр зарядтарына айналдыратын жарық сезгіш пикселдер жиымынан тұрады.
CCD сенсорының көрсеткіші CMOS-тен үш маңызды жолмен ерекшеленеді:
● Charge Transfer: Түсірілген фотоэлектрондар сенсор арқылы төменгі жағындағы оқу аймағына электростатикалық түрде пиксельден пикселге жылжытылады.
● Оқу механизмі: Параллель жұмыс істейтін аналогты-цифрлық түрлендіргіштердің (ADC) бүкіл қатарының орнына, CCD құрылғылары пикселдерді ретімен оқитын бір немесе екі ADC (немесе кейде одан да көп) пайдаланады.
Конденсатор мен күшейткішті орналастыру: Әрбір пиксельдегі конденсаторлар мен күшейткіштердің орнына әрбір ADC бір конденсатор мен күшейткіш бар.
CCD сенсоры қалай жұмыс істейді?
Міне, CCD сенсоры кескінді алу және өңдеу үшін қалай жұмыс істейді:
Сурет: CCD сенсорының оқу процесі
Экспозицияның соңында ПЗС сенсорлары алдымен жиналған зарядтарды әрбір пикселдің (көрсетілмеген) ішіндегі маскаланған сақтау аймағына жылжытады. Содан кейін бір уақытта зарядтар оқу регистріне көшіріледі. Бір уақытта бір баған, оқу регистріндегі алымдар оқылады.
1. Зарядты тазалау: Сатып алуды бастау үшін заряд бір уақытта бүкіл сенсордан (жаһандық ысырма) тазартылады.
2. Зарядтың жинақталуы: әсер ету кезінде заряд жиналады.
3. Зарядты сақтау: Экспозицияның соңында жиналған зарядтар әрбір пиксельдің бетперделенген аймағына (жоларалық тасымалдау CCD деп аталады) жылжытылады, онда олар жаңа анықталған фотондарды санамай-ақ оқуды күте алады.
4. Келесі кадрдың экспозициясы: Пикселдердің маскирленген аймағында сақталған анықталған зарядтармен, пикселдердің белсенді аймағы келесі кадрдың экспозициясын бастауы мүмкін (қабаттасу режимі).
5. Тізбекті оқу: Бір уақытта бір жол, дайын кадрдың әрбір жолындағы зарядтар «оқу регистріне» жылжытылады.
6. Қорытынды оқу: Бір уақытта бір баған, әрбір пикселден алынатын зарядтар ADC-де оқу үшін оқу түйініне жіберіледі.
7. Қайталау: Бұл процесс барлық пикселдерде анықталған зарядтар есептелгенше қайталанады.
Барлық анықталған зарядтарды оқу нүктелерінің аз саны (кейде біреу) арқылы оқудан туындаған бұл тығырыққа тіреу CMOS-пен салыстырғанда CCD сенсорларының деректер өткізу қабілетінде қатты шектеулерге әкеледі.
CCD сенсорларының артықшылықтары мен кемшіліктері
| Артықшылықтары | Кемшіліктері |
| Төмен қараңғы ток Әдетте салқындатылған кезде ~0,001 e⁻/p/s. | Шектеулі жылдамдық Әдеттегі өткізу қабілеті ~20 МП/с — CMOS-қа қарағанда әлдеқайда баяу. |
| Он-Пиксельді қосу зарядтары шуды азайтып, оқуға дейін жинақталады. | Жоғары оқу шуы 5–10 e⁻ бір нүктелі ADC көрсеткішіне байланысты жиі кездеседі. |
| Жаһандық ысырма Interline/кадр-тасымалдау ПЗС-леріндегі шынайы жаһандық немесе ғаламдық ысырма. | Үлкенірек пиксель өлшемдері CMOS ұсынатын миниатюризацияға сәйкес келмейді. |
| Жоғары кескін біркелкілігі Сандық бейнелеу үшін тамаша. | Жоғары қуат тұтыну Зарядты ауыстыру және оқу үшін көбірек қуат қажет. |
CCD сенсорының артықшылықтары
● Төмен қараңғы ток: Технология ретінде ПЗС сенсорлары әдетте салқындатылған кезде 0,001 e-/p/s деңгейінде өте төмен қараңғы токқа ие болады.
● "Пиксель бойынша" бөлу: Қаптау кезінде ПЗС зарядтарды оқудан кейін емес, алдында қосады, яғни қосымша оқу шуы енгізілмейді. Қараңғы ток күшейеді, бірақ жоғарыда айтылғандай, бұл әдетте өте төмен.
● Ғаламдық ысырма: 'Interline' CCD сенсорлары нағыз ғаламдық ысырмамен жұмыс істейді. 'Frame Transfer' CCD сенсорлары «жарты ғаламдық» ысырманы пайдаланады (45-суреттің «Масктелген» аймағын қараңыз) – экспозицияны бастау және аяқтау үшін кадрды тасымалдау процесі шын мәнінде бір уақытта емес, бірақ әдетте 1-10 микросекунд тәртібін қабылдайды. Кейбір CCD құрылғылары механикалық жабуды пайдаланады.
CCD сенсорларының кемшіліктері
● Шектеулі жылдамдық: секундына пиксельдегі әдеттегі деректер өткізу жылдамдығы шамамен секундына 20 мегапиксельді (МП/с) құрауы мүмкін, бұл 5 кадр/сек жылдамдықтағы 4 МП кескінге тең. Бұл балама CMOS-қа қарағанда шамамен 20 есе баяу және жоғары жылдамдықты CMOS-қа қарағанда кемінде 100 есе баяу.
● Жоғары оқу шуы: CCD құрылғыларындағы оқу шуы жоғары, бұл негізінен камераның қолайлы жылдамдығына жету үшін ADC(лар)ды жоғары жылдамдықпен іске қосу қажеттілігіне байланысты. 5-тен 10-ға дейін e- жоғары сапалы CCD камералары үшін кең таралған.
● Үлкенірек пиксельдер: Көптеген қолданбалар үшін кішірек пикселдер артықшылық береді. Әдеттегі CMOS архитектурасы CCD қарағанда кішірек пиксель өлшемдерін береді.
● Жоғары қуат тұтыну: CCD сенсорларын іске қосу үшін қуат талаптары CMOS-қа қарағанда әлдеқайда жоғары.
Ғылыми бейнелеудегі CCD сенсорларының қолданылуы
CMOS технологиясы танымал болғанымен, CCD сенсорлары кескін сапасы, сезімталдық және консистенция маңызды болып табылатын кейбір ғылыми бейнелеу қолданбаларында әлі де артықшылық береді. Олардың төмен жарық сигналдарын ең аз шумен түсіру қабілеті оларды дәлдіктегі қолданбалар үшін тамаша етеді.
Астрономия
CCD сенсорлары алыстағы жұлдыздар мен галактикалардан әлсіз жарық түсіру қабілетіне байланысты астрономиялық бейнелеуде маңызды болып табылады. Олар обсерваторияларда да, алдыңғы қатарлы әуесқой астрономияда да айқын, егжей-тегжейлі кескіндерді беретін ұзақ экспозициялық астрофотография үшін кеңінен қолданылады.
Микроскопия және өмір туралы ғылымдар
Өмір туралы ғылымдарда CCD сенсорлары әлсіз флуоресценция сигналдарын немесе нәзік ұялы құрылымдарды түсіру үшін қолданылады. Олардың жоғары сезімталдығы мен біркелкілігі оларды флуоресцентті микроскопия, тірі жасушаларды бейнелеу және цифрлық патология сияқты қолданбалар үшін тамаша етеді. Олардың жарыққа сызықтық реакциясы дәл сандық талдауды қамтамасыз етеді.
Жартылай өткізгішті тексеру
CCD сенсорлары жартылай өткізгішті өндіруде, әсіресе пластинаны тексеру үшін өте маңызды. Олардың жоғары ажыратымдылығы мен дәйекті бейнелеу сапасы жартылай өткізгіш өндірісінде талап етілетін дәлдікті қамтамасыз ететін чиптердегі микро масштабты ақауларды анықтау үшін өте маңызды.
Рентген және ғылыми бейнелеу
CCD сенсорлары сонымен қатар рентгендік анықтау жүйелерінде және басқа мамандандырылған бейнелеу қолданбаларында қолданылады. Олардың жоғары сигнал-шу қатынасын сақтау қабілеті, әсіресе салқындатылған кезде, кристаллография, материалдарды талдау және бұзбайтын сынақтар сияқты қиын жағдайларда анық кескін алу үшін өте маңызды.
CCD сенсорлары бүгінгі күнге дейін өзекті ме?
Tucsen H-694 & 674 CCD камерасы
CMOS технологиясының қарқынды дамуына қарамастан, CCD сенсорлары ескірген жоқ. Олар өте төмен жарық және жоғары дәлдіктегі кескіндеу тапсырмаларында таңдаулы таңдау болып қала береді, мұнда олардың теңдессіз кескін сапасы мен шу сипаттамалары өте маңызды. Терең ғарыштық астрономия немесе жетілдірілген флуоресцентті микроскопия сияқты салаларда CCD камералары көбінесе CMOS баламаларынан асып түседі.
CCD сенсорларының күшті және әлсіз жақтарын түсіну зерттеушілер мен инженерлерге олардың нақты қажеттіліктері үшін дұрыс технологияны таңдауға көмектеседі, олардың ғылыми немесе өндірістік қолданбаларында оңтайлы өнімділікті қамтамасыз етеді.
Жиі қойылатын сұрақтар
Мен CCD сенсорын қашан таңдауым керек?
CCD сенсорлары бүгінде он жыл бұрынғыға қарағанда әлдеқайда сирек, өйткені CMOS технологиясы тіпті олардың төмен қараңғы ток өнімділігіне де қол сұға бастайды. Дегенмен, жоғары сурет сапасы, төмен шу және жоғары сезімталдық сияқты өнімділік сипаттамаларының үйлесімі артықшылық беретін қолданбалар әрқашан болады.
Неліктен ғылыми камералар салқындатылған CCD сенсорларын пайдаланады?
Салқындату суретке түсіру кезінде термиялық шуды азайтып, кескіннің анықтығы мен сезімталдығын жақсартады. Бұл әсіресе жарық аз және ұзақ экспозициялық ғылыми бейнелеу үшін маңызды, сондықтан көптеген жоғары деңгейліғылыми камераларТазарақ, дәлірек нәтижелер алу үшін салқындатылған CCD құрылғыларына сеніңіз.
CCD және EMCCD сенсорларындағы қабаттасу режимі дегеніміз не және ол камера өнімділігін қалай жақсартады?
CCD және EMCCD сенсорлары әдетте «қабаттасу режиміне» қабілетті. Жаһандық ысырма камералары үшін бұл келесі кадрдың экспозициясы кезінде алдыңғы кадрды оқу мүмкіндігін білдіреді. Бұл жоғары (100%-ға жуық) жұмыс цикліне әкеледі, яғни кадрларды жарыққа түсірмей, ең аз уақыт босқа кетеді, демек, кадр жиілігі де жоғары.
Ескертпе: қабаттасу режимі жылжымалы ысырма сенсорлары үшін басқа мағынаға ие.
Жылжымалы жалюзи туралы көбірек білгіңіз келсе, басыңыз:
Айналмалы ысырманы басқару режимі қалай жұмыс істейді және оны қалай пайдалану керек
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
