25.07.31.Lai gan 2025. gadā CMOS sensori dominē gan zinātniskajā, gan patērētāju attēlveidošanā, tas ne vienmēr ir bijis tā.
CCD apzīmē “lādiņsaistes ierīci” (“charge-coupled Device”), un CCD sensori bija oriģinālie digitālo kameru sensori, kas pirmo reizi tika izstrādāti 1970. gadā. CCD un EMCCD bāzes kameras tika plaši ieteiktas zinātniskiem lietojumiem vēl pirms dažiem gadiem. Abas tehnoloģijas joprojām pastāv, lai gan to pielietojums ir kļuvis nišas.
CMOS sensoru uzlabošanas un attīstības temps turpina pieaugt. Atšķirība starp šīm tehnoloģijām galvenokārt ir veidā, kā tās apstrādā un nolasa noteikto elektronisko lādiņu.
Kas ir CCD sensors?
CCD sensors ir attēla sensora veids, ko izmanto gaismas uztveršanai un pārveidošanai digitālos signālos. Tas sastāv no gaismas jutīgu pikseļu masīva, kas savāc fotonus un pārvērš tos elektriskajos lādiņos.
CCD sensora rādījums atšķiras no CMOS sensora trīs būtiskos veidos:
● Maksas pārskaitījumsUztvertos fotoelektronus elektrostatiski pārvieto pikselis uz pikseli pāri sensoram uz nolasīšanas zonu apakšā.
● Nolasīšanas mehānismsCCD izmanto tikai vienu vai divus ADC (vai dažreiz vairākus), kas secīgi nolasa pikseļus, nevis veselu paralēli darbojošos analogciparu pārveidotāju (ADC) rindu.
Kondensatora un pastiprinātāja izvietojums: Katrā pikselī esošo kondensatoru un pastiprinātāju vietā katram ADC ir viens kondensators un pastiprinātājs.
Kā darbojas CCD sensors?
Lūk, kā CCD sensors darbojas, lai iegūtu un apstrādātu attēlu:
Attēls: CCD sensora nolasīšanas process
Ekspozīcijas beigās CCD sensori vispirms pārvieto savāktos lādiņus uz maskētu uzglabāšanas zonu katra pikseļa iekšpusē (nav parādīta). Pēc tam, pa vienai rindai, lādiņi tiek pārvietoti uz nolasīšanas reģistru. Pa vienai kolonnai vienlaikus tiek nolasīti lādiņi nolasīšanas reģistrā.
1. Maksājumu klīringsLai sāktu datu iegūšanu, vienlaikus no visa sensora tiek noņemts lādiņš (globālais slēdzis).
2. Uzlādes uzkrāšanāsEkspozīcijas laikā uzkrājas lādiņš.
3. Uzlādes uzglabāšanaEkspozīcijas beigās savāktie lādiņi tiek pārvietoti uz katra pikseļa maskētu zonu (sauktu par starplīniju pārneses CCD), kur tie var gaidīt nolasīšanu, neskaitot jaunus detektētos fotonus.
4. Nākamā kadra ekspozīcijaKad detektētie lādiņi ir saglabāti pikseļu maskētajā zonā, aktīvā pikseļu zona var sākt nākamā kadra ekspozīciju (pārklāšanās režīms).
5. Secīga nolasīšanaPa vienai rindai vienlaikus lādiņi no katras gatavā kadra rindas tiek pārvietoti uz “nolasīšanas reģistru”.
6. Galīgais nolasījumsPa vienai kolonnai vienlaikus lādiņi no katra pikseļa tiek pārvietoti uz nolasīšanas mezglu nolasīšanai ADC.
7. AtkārtošanaŠis process atkārtojas, līdz tiek saskaitīti visos pikseļos noteiktie lādiņi.
Šī sašaurinājuma vieta, ko rada tas, ka visus noteiktos lādiņus nolasa neliels skaits (dažreiz viens) nolasīšanas punktu, noved pie nopietniem CCD sensoru datu caurlaidspējas ierobežojumiem salīdzinājumā ar CMOS sensoriem.
CCD sensoru plusi un mīnusi
| Plusi | Mīnusi |
| Zema tumšās strāvas vērtība. Atdzesējot, parasti ~0,001 e⁻/p/s. | Ierobežots ātrums. Tipiskā caurlaidspēja ~20 MP/s — daudz lēnāka nekā CMOS. |
| Pikseļa grupēšanas lādiņi tiek summēti pirms nolasīšanas, tādējādi samazinot troksni. | Augsts nolasīšanas troksnis 5–10 e⁻ ir bieži sastopams viena punkta ADC nolasīšanas dēļ. |
| Globālais slēdzis. Patiesi globāls vai gandrīz globāls slēdzis starprindu/kadru pārsūtīšanas CCD sensoros. | Lielāki pikseļu izmēri nevar līdzināties CMOS miniaturizācijas piedāvājumiem. |
| Augsta attēla vienmērība. Lieliski piemērots kvantitatīvai attēlveidošanai. | Augsts enerģijas patēriņš. Nepieciešama lielāka jauda lādiņa pārslēgšanai un nolasīšanai. |
CCD sensora priekšrocības
● Zema tumšā strāvaKā tehnoloģijai CCD sensoriem parasti ir ļoti zema tumšā strāva, atdzesējot, parasti aptuveni 0,001 e-/p/s.
● “Uz pikseļa” grupēšanaVeicot grupēšanu, CCD čipi pievieno lādiņus pirms nolasīšanas, nevis pēc tam, kas nozīmē, ka netiek radīts papildu lasīšanas troksnis. Tumšā strāva palielinās, bet, kā minēts iepriekš, tā parasti ir ļoti zema.
● Globālā aizvara funkcija“Starplīniju” CCD sensori darbojas ar patiesu globālu slēdzi. “Kadru pārsūtīšanas” CCD sensori izmanto “pusglobālu” slēdzi (skatiet 45. attēla “Maskēto” apgabalu) – kadru pārsūtīšanas process ekspozīcijas sākumam un beigām nav patiesi vienlaicīgs, bet parasti ilgst 1–10 mikrosekundes. Daži CCD izmanto mehānisku slēdzi.
CCD sensoru trūkumi
● Ierobežots ātrumsTipiska datu caurlaidspēja pikseļos sekundē var būt aptuveni 20 megapikseļi sekundē (MP/s), kas ir līdzvērtīgi 4 MP attēlam ar 5 kadriem sekundē. Tas ir aptuveni 20 reizes lēnāk nekā līdzvērtīgai CMOS un vismaz 100 reizes lēnāk nekā ātrdarbīgai CMOS.
● Augsts lasīšanas troksnisCCD nolasīšanas troksnis ir augsts, galvenokārt tāpēc, ka ADC ir jādarbina ar lielu ātrumu, lai sasniegtu izmantojamu kameras ātrumu. 5 līdz 10 e- ir izplatīta frekvence augstas klases CCD kamerām.
● Lielāki pikseļiDaudzos pielietojumos mazāki pikseļi sniedz priekšrocības. Tipiska CMOS arhitektūra pieļauj mazākus minimālos pikseļu izmērus nekā CCD.
● Augsts enerģijas patēriņšCCD sensoru darbības jaudas prasības ir daudz lielākas nekā CMOS sensoriem.
CCD sensoru pielietojums zinātniskajā attēlveidošanā
Lai gan CMOS tehnoloģija ir ieguvusi popularitāti, CCD sensori joprojām ir vēlamāki noteiktos zinātniskās attēlveidošanas pielietojumos, kur attēla kvalitāte, jutība un konsekvence ir ārkārtīgi svarīgas. To izcilā spēja uztvert vāja apgaismojuma signālus ar minimālu troksni padara tos ideāli piemērotus precīziem pielietojumiem.
Astronomija
CCD sensori ir kritiski svarīgi astronomiskajā attēlveidošanā, jo tie spēj uztvert vāju gaismu no tālām zvaigznēm un galaktikām. Tos plaši izmanto gan observatorijās, gan progresīvā amatieru astronomijā ilgstošas ekspozīcijas astrofotogrāfijai, nodrošinot skaidrus un detalizētus attēlus.
Mikroskopija un dzīvības zinātnes
Dzīvības zinātnēs CCD sensorus izmanto, lai uztvertu vājus fluorescences signālus vai smalkas šūnu struktūras. To augstā jutība un vienmērīgums padara tos ideāli piemērotus tādām lietojumprogrammām kā fluorescences mikroskopija, dzīvu šūnu attēlveidošana un digitālā patoloģija. To lineārā gaismas reakcija nodrošina precīzu kvantitatīvu analīzi.
Pusvadītāju pārbaude
CCD sensori ir ļoti svarīgi pusvadītāju ražošanā, jo īpaši plākšņu pārbaudē. To augstā izšķirtspēja un nemainīgā attēlveidošanas kvalitāte ir būtiska, lai identificētu mikroshēmu mikrodefektus, nodrošinot pusvadītāju ražošanā nepieciešamo precizitāti.
Rentgena un zinātniskā attēlveidošana
CCD sensorus izmanto arī rentgenstaru detektoru sistēmās un citās specializētās attēlveidošanas lietojumprogrammās. To spēja uzturēt augstu signāla un trokšņa attiecību, īpaši atdzesējot, ir ļoti svarīga skaidrai attēlveidošanai sarežģītos apstākļos, piemēram, kristalogrāfijā, materiālu analīzē un nesagraujošajā testēšanā.
Vai CCD sensori joprojām ir aktuāli mūsdienās?
Tucsen H-694 un 674 CCD kamera
Neskatoties uz CMOS tehnoloģijas straujo attīstību, CCD sensori nebūt nav novecojuši. Tie joprojām ir iecienīta izvēle īpaši vāja apgaismojuma un augstas precizitātes attēlveidošanas uzdevumos, kur to nepārspējamā attēla kvalitāte un trokšņu raksturlielumi ir izšķiroši. Tādās jomās kā tālā kosmosa astronomija vai progresīvā fluorescences mikroskopija CCD kameras bieži vien pārspēj daudzas CMOS alternatīvas.
Izpratne par CCD sensoru stiprajām un vājajām pusēm palīdz pētniekiem un inženieriem izvēlēties pareizo tehnoloģiju atbilstoši savām īpašajām vajadzībām, nodrošinot optimālu veiktspēju zinātniskos vai rūpnieciskos pielietojumos.
Bieži uzdotie jautājumi
Kad man vajadzētu izvēlēties CCD sensoru?
Mūsdienās CCD sensori ir daudz retāk sastopami nekā pirms desmit gadiem, jo CMOS tehnoloģija sāk ietekmēt pat to veiktspēju pie zemas tumšās strāvas. Tomēr vienmēr būs pielietojumi, kuros to veiktspējas raksturlielumu kombinācija, piemēram, izcila attēla kvalitāte, zems trokšņu līmenis un augsta jutība, sniedz priekšrocības.
Kāpēc zinātniskajās kamerās tiek izmantoti atdzesēti CCD sensori?
Dzesēšana samazina termisko troksni attēlu uzņemšanas laikā, uzlabojot attēlu skaidrību un jutību. Tas ir īpaši svarīgi zinātniskai attēlveidošanai vājā apgaismojumā un ilgstošas ekspozīcijas apstākļos, tāpēc daudzi augstas klaseszinātniskās kamerasLai iegūtu tīrākus un precīzākus rezultātus, paļaujieties uz atdzesētiem CCD sensoriem.
Kas ir pārklāšanās režīms CCD un EMCCD sensoros un kā tas uzlabo kameras veiktspēju?
CCD un EMCCD sensori parasti spēj darboties ar “pārklāšanās režīmu”. Globālā slēdža kamerām tas attiecas uz spēju nolasīt iepriekšējo kadru nākamā kadra ekspozīcijas laikā. Tas nodrošina augstu (gandrīz 100%) darba ciklu, kas nozīmē, ka tiek tērēts minimāls laiks, nepakļaujot kadrus gaismai, un līdz ar to tiek panākts lielāks kadru ātrums.
Piezīme: Pārklāšanās režīmam ir atšķirīga nozīme ritošā slēdža sensoriem.
Ja vēlaties uzzināt vairāk par ruļļveida slēģiem, lūdzu, noklikšķiniet:
Kā darbojas ritošā slēģa vadības režīms un kā to lietot
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
