2031-07-25Nors 2025 m. CMOS jutikliai dominuoja tiek mokslinėje, tiek vartotojų vaizdavimo srityje, taip buvo ne visada.
CCD reiškia „krūvio susietasis įtaisas“ (angl. „Charge-Coupled Device“), o CCD jutikliai buvo originalūs skaitmeninių fotoaparatų jutikliai, sukurti 1970 m. CCD ir EMCCD pagrindu sukurtos kameros buvo dažnai rekomenduojamos moksliniams tikslams dar prieš kelerius metus. Abi technologijos išliko iki šiol, nors jų panaudojimas tapo nišiniu.
CMOS jutiklių tobulinimo ir plėtros tempas nuolat didėja. Skirtumas tarp šių technologijų pirmiausia slypi tame, kaip jos apdoroja ir nuskaito aptiktą elektroninį krūvį.
Kas yra CCD jutiklis?
CCD jutiklis yra vaizdo jutiklio tipas, naudojamas šviesai fiksuoti ir paversti ją skaitmeniniais signalais. Jį sudaro šviesai jautrių pikselių masyvas, kuris surenka fotonus ir paverčia juos elektros krūviais.
CCD jutiklio rodmenys skiriasi nuo CMOS trimis svarbiais būdais:
● Mokesčių pervedimasSugaudyti fotoelektronai elektrostatiniu būdu perkeliami pikseliu po pikselio per jutiklį į nuskaitymo sritį apačioje.
● Nuskaitymo mechanizmasVietoj visos eilės analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC), veikiančių lygiagrečiai, CCD naudoja tik vieną ar du ADC (o kartais ir daugiau), kurie nuskaito pikselius nuosekliai.
Kondensatoriaus ir stiprintuvo išdėstymas: Vietoj kondensatorių ir stiprintuvų kiekviename pikselyje kiekvienas ADC turi vieną kondensatorių ir stiprintuvą.
Kaip veikia CCD jutiklis?
Štai kaip CCD jutiklis veikia, kad gautų ir apdorotų vaizdą:
Paveikslėlis: CCD jutiklio nuskaitymo procesas
Ekspozicijos pabaigoje CCD jutikliai pirmiausia perkelia surinktus krūvius į užmaskuotą saugojimo sritį kiekviename pikselyje (neparodyta). Tada, po vieną eilutę, krūviai perkeliami į nuskaitymo registrą. Po vieną stulpelį vienu metu nuskaitomi nuskaitymo registre esantys krūviai.
1. Mokesčių išvalymasNorint pradėti duomenų rinkimą, vienu metu iš viso jutiklio iškraunamas krūvis (bendras užraktas).
2. Įkrovos kaupimasEkspozicijos metu kaupiasi krūvis.
3. Įkrovimo saugyklaEkspozicijos pabaigoje surinkti krūviai perkeliami į užmaskuotą kiekvieno pikselio sritį (vadinamą tarpląstelinio perdavimo CCD), kur jie gali laukti nuskaitymo neskaičiuojant naujai aptiktų fotonų.
4. Kito kadro ekspozicijaKai aptikti krūviai išsaugomi užmaskuotoje pikselių srityje, aktyvi pikselių sritis gali pradėti kito kadro ekspoziciją (persidengiamasis režimas).
5. Nuoseklus rodmuoPo vieną eilutę, kiekvienos baigto kadro eilutės krūviai perkeliami į „nuskaitymo registrą“.
6. Galutinis rodmuoPo vieną stulpelį kiekvieno pikselio krūviai perduodami į nuskaitymo mazgą, kad juos nuskaitytų ADC.
7. Kartojimas: Šis procesas kartojasi tol, kol suskaičiuojami visų pikselių aptikti krūviai.
Ši kliūtis, kurią sukelia tai, kad visus aptiktus krūvius nuskaito nedidelis skaičius (kartais vienas) nuskaitymo taškų, lemia didelius CCD jutiklių duomenų pralaidumo apribojimus, palyginti su CMOS.
CCD jutiklių privalumai ir trūkumai
| Privalumai | Trūkumai |
| Silpna tamsioji srovė. Paprastai ~0,001 e⁻/p/s atvėsus. | Ribotas greitis. Įprastas pralaidumas ~20 MP/s – daug lėtesnis nei CMOS. |
| Pikselio sugrupavimo krūviai sumuojami prieš nuskaitymą, taip sumažinant triukšmą. | Dėl vieno taško ADC rodmenų dažnas yra didelis skaitymo triukšmas (5–10 e⁻). |
| Globalus užraktas Tikrasis globalus arba beveik globalus užraktas tarplinijiniuose / kadrų perdavimo CCD jutikliuose. | Didesni pikselių dydžiai negali prilygti CMOS miniatiūrizacijos pasiūlymams. |
| Didelis vaizdo vienodumas Puikiai tinka kiekybiniam vaizdavimui. | Didelės energijos sąnaudos. Reikia daugiau energijos krūvio perkėlimui ir nuskaitymui. |
CCD jutiklio privalumai
● Silpna tamsi srovėCCD jutikliai, kaip technologija, iš esmės turi labai mažą tamsiąją srovę, kuri atvėsus paprastai yra apie 0,001 e-/p/s.
● „Vieno pikselio“ grupavimasSujungimo metu CCD prideda krūvius prieš nuskaitymą, o ne po jo, todėl neatsiranda jokio papildomo skaitymo triukšmo. Tamsioji srovė padidėja, bet, kaip minėta anksčiau, ji paprastai yra labai maža.
● Visuotinis užraktas„Tarplinijiniai“ CCD jutikliai veikia su tikru globaliu užraktu. „Kadro perkėlimo“ CCD jutikliai naudoja „pusiau globalią“ užraktą (žr. 45 paveikslo „Užmaskuotą“ sritį) – kadro perkėlimo procesas ekspozicijai pradėti ir baigti nėra iš tikrųjų vienalaikis, bet paprastai trunka apie 1–10 mikrosekundžių. Kai kurie CCD naudoja mechaninį užraktą.
CCD jutiklių trūkumai
● Ribotas greitisĮprastas duomenų pralaidumas pikseliais per sekundę gali būti apie 20 megapikselių per sekundę (MP/s), o tai atitinka 4 MP vaizdą 5 kadrų per sekundę greičiu. Tai maždaug 20 kartų lėčiau nei atitinkamos CMOS ir bent 100 kartų lėčiau nei didelės spartos CMOS.
● Didelis skaitymo triukšmasCCD jutiklių skaitymo triukšmas yra didelis, daugiausia dėl to, kad norint pasiekti tinkamą kameros greitį, ADC reikia naudoti dideliu dažniu. 5–10 e- dažnis yra įprastas aukštos klasės CCD kameroms.
● Didesni pikseliaiDaugeliu atvejų mažesni pikseliai suteikia pranašumų. Įprasta CMOS architektūra leidžia mažesnius minimalius pikselių dydžius nei CCD.
● Didelis energijos suvartojimasCCD jutiklių veikimo energijos poreikiai yra daug didesni nei CMOS jutiklių.
CCD jutiklių taikymas moksliniame vaizdavime
Nors CMOS technologija išpopuliarėjo, CCD jutikliai vis dar yra pageidaujami tam tikrose mokslinio vaizdavimo srityse, kur svarbiausia yra vaizdo kokybė, jautrumas ir nuoseklumas. Dėl puikių jų gebėjimo fiksuoti signalus esant silpnam apšvietimui su minimaliu triukšmu jie idealiai tinka tiksliam naudojimui.
Astronomija
CCD jutikliai yra labai svarbūs astronominių vaizdų kūrime dėl jų gebėjimo užfiksuoti silpną šviesą iš tolimų žvaigždžių ir galaktikų. Jie plačiai naudojami tiek observatorijose, tiek pažangioje mėgėjų astronomijoje ilgo išlaikymo astrofotografijai, užtikrinant aiškius ir detalius vaizdus.
Mikroskopija ir gyvybės mokslai
Gyvybės moksluose CCD jutikliai naudojami silpniems fluorescencijos signalams arba subtilioms ląstelių struktūroms fiksuoti. Dėl didelio jautrumo ir vienodumo jie puikiai tinka tokioms sritims kaip fluorescencinė mikroskopija, gyvų ląstelių vaizdavimas ir skaitmeninė patologija. Jų tiesinis šviesos atsakas užtikrina tikslią kiekybinę analizę.
Puslaidininkių inspekcija
CCD jutikliai yra labai svarbūs puslaidininkių gamyboje, ypač plokštelių tikrinimui. Jų didelė skiriamoji geba ir pastovi vaizdo kokybė yra būtini norint nustatyti mikroschemų defektus, užtikrinant puslaidininkių gamyboje reikalingą tikslumą.
Rentgeno ir mokslinis vaizdavimas
CCD jutikliai taip pat naudojami rentgeno spindulių aptikimo sistemose ir kitose specializuotose vaizdo gavimo srityse. Jų gebėjimas išlaikyti aukštą signalo ir triukšmo santykį, ypač aušinant, yra gyvybiškai svarbus norint gauti aiškų vaizdą sudėtingomis sąlygomis, tokiomis kaip kristalografija, medžiagų analizė ir neardomoji kontrolė.
Ar CCD jutikliai vis dar aktualūs šiandien?
„Tucsen H-694“ ir „674“ CCD kamera
Nepaisant sparčios CMOS technologijos plėtros, CCD jutikliai toli gražu nėra pasenę. Jie išlieka pageidaujamu pasirinkimu itin prasto apšvietimo ir didelio tikslumo vaizdavimo užduotims, kur jų neprilygstama vaizdo kokybė ir triukšmo charakteristikos yra labai svarbios. Tokiose srityse kaip tolimojo kosmoso astronomija ar pažangi fluorescencinė mikroskopija, CCD kameros dažnai pranoksta daugelį CMOS alternatyvų.
CCD jutiklių stipriųjų ir silpnųjų pusių supratimas padeda tyrėjams ir inžinieriams pasirinkti tinkamą technologiją pagal konkrečius jų poreikius, užtikrinant optimalų našumą jų mokslinėse ar pramoninėse srityse.
DUK
Kada turėčiau rinktis CCD jutiklį?
Šiandien CCD jutikliai yra daug retesni nei prieš dešimt metų, nes CMOS technologija pradeda žlugdyti net jų veikimą esant mažam tamsiosios srovės stiprumui. Tačiau visada bus pritaikymų, kuriuose jų našumo charakteristikų derinys, pvz., puiki vaizdo kokybė, mažas triukšmas ir didelis jautrumas, suteikia pranašumą.
Kodėl mokslinėse kamerose naudojami aušinami CCD jutikliai?
Aušinimas sumažina šiluminį triukšmą fiksuojant vaizdą, pagerindamas vaizdo aiškumą ir jautrumą. Tai ypač svarbu fotografuojant mokslinius vaizdus esant silpnam apšvietimui ir ilgai išlaikant, todėl daugelis aukštos klasės įrenginių...mokslinės kamerosNorėdami gauti švaresnius ir tikslesnius rezultatus, pasikliaukite aušinamais CCD jutikliais.
Kas yra persidengimo režimas CCD ir EMCCD jutikliuose ir kaip jis pagerina kameros našumą?
CCD ir EMCCD jutikliai paprastai gali veikti „persidengiančiu režimu“. Visuotinio užrakto kamerose tai reiškia galimybę nuskaityti ankstesnį kadrą kito kadro ekspozicijos metu. Tai lemia aukštą (beveik 100 %) darbo ciklą, o tai reiškia, kad sugaištama minimaliai laiko, kol kadrai neapšviečiami šviesa, todėl kadrų dažnis padidėja.
Pastaba: persidengimo režimas riedančių sklendžių jutikliams turi kitokią reikšmę.
Jei norite sužinoti daugiau apie roletus, spustelėkite:
Kaip veikia riedančio užrakto valdymo režimas ir kaip jį naudoti
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
