25/07/31Och wann am Joer 2025 CMOS-Sensoren souwuel d'wëssenschaftlech wéi och d'Konsumentenbildgebung dominéieren, war dat net ëmmer de Fall.
CCD steet fir 'Charge-Coupled Device', an CCD-Sensore waren déi originell Digitalkamera-Sensore, déi fir d'éischt am Joer 1970 entwéckelt goufen. CCD- an EMCCD-baséiert Kamerae goufen bis virun e puer Joer allgemeng fir wëssenschaftlech Uwendungen recommandéiert. Béid Technologien existéieren haut nach ëmmer, obwuel hir Uwendungen zu enger Nisch ginn sinn.
D'Verbesserungs- a Weiderentwécklungsquote vu CMOS-Sensore klëmmt weider. Den Ënnerscheed tëscht dësen Technologien läit haaptsächlech an der Aart a Weis, wéi se déi detektéiert elektronesch Ladung veraarbechten an ausliesen.
Wat ass e CCD-Sensor?
E CCD-Sensor ass eng Zort Bildsensor, deen benotzt gëtt fir Liicht opzehuelen an et an digital Signaler ëmzewandelen. E besteet aus enger Rei vu liichtempfindleche Pixelen, déi Photonen sammelen an se an elektresch Ladungen ëmwandelen.
De CCD-Sensor-Ausliesung ënnerscheet sech op dräi wichteg Weeër vum CMOS:
● KäschtetransferDéi agefaange Photoelektrone ginn elektrostatesch Pixel fir Pixel iwwer de Sensor an e Liesberäich um Buedem beweegt.
● AusliesmechanismusAmplaz vun enger ganzer Rei vun Analog-Digital-Konverter (ADCs), déi parallel funktionéieren, benotzen CCDs just een oder zwee ADCs (oder heiansdo méi), déi Pixel sequenziell liesen.
Placement vu Kondensator a Verstärker: Amplaz vu Kondensatoren a Verstärker an all Pixel huet all ADC ee Kondensator an e Verstärker.
Wéi funktionéiert e CCD-Sensor?
Hei ass, wéi e CCD-Sensor funktionéiert fir e Bild ze kréien an ze veraarbechten:
Figur: Ausliesprozess fir e CCD-Sensor
Um Enn vun hirer Beliichtung beweegen d'CCD-Sensore fir d'éischt déi gesammelt Ladungen an e maskéierte Späicherberäich an all Pixel (net gewisen). Dann ginn d'Ladungen, eng Zeil no der anerer, an en Ausliesregister geréckelt. Eng Kolonn no der anerer ginn d'Ladungen am Ausliesregister ausgelies.
1. KäschtevereinfachungFir d'Erfassung unzefänken, gëtt d'Ladung gläichzäiteg vum ganze Sensor geläscht (globalen Ausléiser).
2. LadungsakkumulatiounLadung sammelt sech während der Beliichtung un.
3. Späicherung vun der LadungUm Enn vun der Beliichtung ginn déi gesammelt Ladungen an e maskéierte Beräich an all Pixel (genannt Interline-Transfer-CCD) verlagert, wou se op Ausliesung waarden kënnen, ouni datt nei detektéiert Photonen gezielt ginn.
4. Beliichtung vum nächste FrameWann déi detektéiert Ladungen am maskéierte Beräich vun de Pixel gespäichert sinn, kann den aktiven Beräich vun de Pixel d'Beliichtung vum nächste Bild ufänken (Iwwerlappungsmodus).
5. Sequentiell AusliesungEng Rei gläichzäiteg ginn d'Ladungen aus all Rei vum fäerdege Frame an e 'Ausliesregister' geréckelt.
6. SchlussausliesungEng Kolonn gläichzäiteg ginn d'Ladungen vun all Pixel an den Ausliesknuet fir d'Ausliesung um ADC geschéckt.
7. WidderhuelungDëse Prozess widderhëlt sech, bis déi detektéiert Ladungen an alle Pixel gezielt sinn.
Dëse Engpass, deen doduerch verursaacht gëtt, datt all detektéiert Ladungen vun enger klenger Zuel (heiansdo ee) Ausliespunkten gelies ginn, féiert zu schwéiere Limitatiounen am Datenduerchlaf vun CCD-Sensoren am Verglach mat CMOS.
Vir- an Nodeeler vu CCD-Sensoren
| Virdeeler | Nodeeler |
| Niddregsten Däischterstroum Typesch ~0,001 e⁻/p/s wann ofgekillt. | Limitéiert Geschwindegkeet Typesch Duerchgangsquote ~20 MP/s - vill méi lues wéi CMOS. |
| On-Pixel Binning-Käschte ginn virum Ausliesen zesummegefaasst, wat de Rauschen reduzéiert. | Héije Liesrauschen vun 5–10 e⁻ ass heefeg wéinst engem Punkt-ADC-Ausliesung. |
| Globale Verschluss Echt global oder bal global Verschluss an Interline/Frame-Transfer CCDs. | Gréisser Pixelgréissten kënnen net mat der Miniaturiséierung CMOS mithalen. |
| Héich Bilduniformitéit Excellent fir quantitativ Bildgebung. | Héije Stroumverbrauch Erfuerdert méi Stroum fir d'Ladungsverschiebung an d'Ausliesen. |
Virdeeler vum CCD-Sensor
● Niddreg donkel StroumInherent als Technologie hunn CCD-Sensore meeschtens e ganz niddregen Däischterstroum, typescherweis an der Gréisstenuerdnung vun 0,001 e-/p/s wann se ofgekillt sinn.
● 'On-Pixel' BinningBeim Binning addéieren CCDen Ladungen virum Ausliesen, net duerno, dat heescht, et gëtt kee zousätzleche Liesrauschen agefouert. Den Donkelstroum klëmmt zwar, awer wéi uewe scho gesot, ass dëse meeschtens ganz niddreg.
● Globale Shutter'Interline' CCD-Sensore funktionéieren mat engem richtege globale Shutter. 'Frame Transfer' CCD-Sensore benotzen en 'hallefglobalen' Shutter (kuckt d''Masked'' Regioun vun der Figur 45) - de Frame Transfer Prozess fir d'Beliichtung unzefänken an ze beenden ass net wierklech gläichzäiteg, mä dauert typescherweis an der Gréisstenuerdnung vun 1-10 Mikrosekonnen. E puer CCDs benotzen mechanesch Shuttering.
Nodeeler vu CCD-Sensoren
● Limitéiert GeschwindegkeetDen typeschen Datenduerchgank a Pixel pro Sekonn kann ongeféier 20 Megapixel pro Sekonn (MP/s) sinn, wat engem 4 MP Bild mat 5 fps entsprécht. Dëst ass ongeféier 20x méi lues wéi en gläichwäertege CMOS, an op d'mannst 100x méi lues wéi en High-Speed CMOS.
● Héije LiesrauschenLiesrauschen an CCDs ass héich, haaptsächlech well den ADC(s) mat enger héijer Geschwindegkeet musse lafen, fir eng brauchbar Kamerageschwindegkeet z'erreechen. 5 bis 10 e- ass üblech fir High-End CCD Kameraen.
● Méi grouss PixelenFir vill Uwendungen bidden méi kleng Pixel Virdeeler. Typesch CMOS-Architektur erlaabt méi kleng minimal Pixelgréissten wéi CCD.
● Héije StroumverbrauchDe Stroumverbrauch fir CCD-Sensore ass vill méi héich wéi dee vu CMOS.
Uwendungen vun CCD-Sensoren an der wëssenschaftlecher Bildgebung
Obwuel d'CMOS-Technologie u Popularitéit gewonnen huet, gi CCD-Sensore weiderhin a bestëmmte wëssenschaftleche Bildgebungsapplikatioune bevorzugt, wou Bildqualitéit, Empfindlechkeet a Konsistenz vun essentiellen Bedeitung sinn. Hir iwwerleeën Fäegkeet, Signaler bei schwaachem Liicht mat minimalem Rauschen opzehuelen, mécht se ideal fir Präzisiounsapplikatiounen.
Astronomie
CCD-Sensore si wichteg an der astronomescher Bildgebung wéinst hirer Fäegkeet, schwaacht Liicht vu wäiten Stären a Galaxien opzehuelen. Si gi wäit verbreet souwuel an Observatoiren ewéi och an der fortgeschrattener Amateurastronomie fir d'Astrofotografie mat laanger Beliichtungszäit agesat, wouduerch si kloer, detailléiert Biller liwweren.
Mikroskopie a Liewenswëssenschaften
An de Liewenswëssenschafte gi CCD-Sensore benotzt fir schwaach Fluoreszenzsignaler oder subtil Zellstrukturen z'erfassen. Hir héich Empfindlechkeet an Uniformitéit maachen se perfekt fir Uwendungen ewéi Fluoreszenzmikroskopie, Live-Zell-Imaging a digital Pathologie. Hir linear Liichtreaktioun garantéiert eng korrekt quantitativ Analyse.
Hallefleiterinspektioun
CCD-Sensore si wichteg an der Hallefleederproduktioun, besonnesch fir d'Inspektioun vu Waferen. Hir héich Opléisung a konsequent Bildqualitéit si wesentlech fir d'Identifikatioun vu Mikrodefekter a Chips, wat d'Prezisioun garantéiert, déi an der Hallefleederproduktioun erfuerderlech ass.
Röntgen- a wëssenschaftlech Bildgebung
CCD-Sensore ginn och a Röntgendetektiounssystemer an aner spezialiséiert Bildgebungsapplikatiounen agesat. Hir Fäegkeet, héich Signal-Rausch-Verhältnisser ze halen, besonnesch wann se ofgekillt sinn, ass entscheedend fir eng kloer Bildgebung ënner usprochsvollen Bedéngungen ewéi Kristallographie, Materialanalyse an net-destruktiv Tester.
Sinn CCD-Sensoren haut nach ëmmer relevant?
Tucsen H-694 & 674 CCD Kamera
Trotz der schneller Entwécklung vun der CMOS-Technologie sinn CCD-Sensore wäit net veraltet. Si bleiwen eng bevorzugt Wiel bei ultra-schwaachem Liicht a bei héichpräzisen Bildgebungsaufgaben, wou hir ongeëwennt Bildqualitéit a Rauscheigenschaften entscheedend sinn. A Beräicher wéi Déifraumastronomie oder fortgeschratt Fluoreszenzmikroskopie iwwertrëffen CCD-Kameraen dacks vill CMOS-Alternativen.
D'Verständnis vun de Stäerkten a Schwächten vun CCD-Sensoren hëlleft Fuerscher an Ingenieuren déi richteg Technologie fir hir spezifesch Bedierfnesser ze wielen, fir eng optimal Leeschtung an hire wëssenschaftlechen oder industriellen Uwendungen ze garantéieren.
FAQs
Wéini soll ech e CCD-Sensor wielen?
CCD-Sensore si haut vill méi rar wéi virun zéng Joer, well d'CMOS-Technologie ufänkt, souguer hir Leeschtung bei niddregem Däischterstroum ze beeinträchtigen. Wéi och ëmmer, et gëtt ëmmer Uwendungen, wou hir Kombinatioun vu Leeschtungseigenschaften - wéi z. B. iwwerleeën Bildqualitéit, niddrege Rauschen an héich Empfindlechkeet - e Virdeel bitt.
Firwat benotze wëssenschaftlech Kameraen ofgekillte CCD-Sensoren?
D'Ofkillung reduzéiert den Thermorauschen beim Opname vun de Biller, wat d'Bildkloerheet an d'Sensibilitéit verbessert. Dëst ass besonnesch wichteg fir wëssenschaftlech Bildgebung bei schwaachem Liicht a laanger Beliichtungszäit, dofir si vill High-End-Kameraen...wëssenschaftlech KameraenVerlaasst Iech op gekillte CCDs fir méi propper a méi präzis Resultater.
Wat ass den Iwwerlappungsmodus a CCD- an EMCCD-Sensoren, a wéi verbessert en d'Kameraleistung?
CCD- an EMCCD-Sensore si meeschtens fäeg, en "Iwwerlappungsmodus" ze benotzen. Fir Global Shutter-Kameraen bezitt sech dat op d'Fäegkeet, de virege Bild während der Beliichtung vum nächste Bild auszeliesen. Dëst féiert zu engem héijen (bal 100%) Duty Cycle, dat heescht, datt minimal Zäit verschwend gëtt, fir Biller net dem Liicht auszesetzen, an dofir méi héich Bildfrequenzen.
Bemierkung: Den Iwwerlappungsmodus huet eng aner Bedeitung fir Rolling Shutter-Sensoren.
Wann Dir méi iwwer Rolllueden wësse wëllt, klickt w.e.g. op:
Wéi de Rolling Shutter Control Modus funktionéiert a wéi een en benotzt
Tucsen Photonics Co., Ltd. All Rechter reservéiert. Wann Dir zitéiert, gitt w.e.g. d'Quell un:www.tucsen.com
