25/07/31Иако во 2025 година, CMOS сензорите доминираат подеднакво и во научното и во потрошувачкото снимање, тоа не беше секогаш случај.
CCD е кратенка за „Уред поврзан со полнење“, а CCD сензорите беа оригиналните сензори за дигитални фотоапарати, првпат развиени во 1970 година. Камерите базирани на CCD и EMCCD беа вообичаено препорачувани за научни апликации до пред само неколку години. Двете технологии сè уште постојат денес, иако нивната употреба стана нишна.
Стапката на подобрување и развој на CMOS сензорите продолжува да се зголемува. Разликата помеѓу овие технологии лежи првенствено во начинот на кој тие го обработуваат и читаат детектираниот електронски полнеж.
Што е CCD сензор?
CCD сензорот е тип на сензор за слика што се користи за снимање на светлина и нејзино претворање во дигитални сигнали. Се состои од низа пиксели чувствителни на светлина кои собираат фотони и ги претвораат во електрични полнежи.
Отчитувањето на CCD сензорот се разликува од CMOS сензорот на три значајни начини:
● Пренос на трошоциЗафатените фотоелектрони се електростатски поместуваат пиксел-до-пиксел низ сензорот до област за отчитување на дното.
● Механизам за отчитувањеНаместо цел ред аналогно-дигитални конвертори (ADC) што работат паралелно, CCD-ата користат само еден или два ADC (или понекогаш и повеќе) кои читаат пиксели секвенцијално.
Поставување на кондензатор и засилувач: Наместо кондензатори и засилувачи во секој пиксел, секој аналогно-дигитален конвертор има еден кондензатор и засилувач.
Како работи CCD сензорот?
Еве како работи CCD сензорот за снимање и обработка на слика:
Слика: Процес на отчитување за CCD сензор
На крајот од нивната изложеност, CCD сензорите прво ги преместуваат собраните полнежи во маскирана област за складирање во секој пиксел (не е прикажано). Потоа, ред по ред, полнежите се преместуваат во регистар за отчитување. Колона по колона, полнежите во регистарот за отчитување се отчитуваат.
1. Чистење на трошоциЗа да започне снимањето, полнењето се брише истовремено од целиот сензор (глобален затворач).
2. Акумулација на полнеж: Полнежот се акумулира за време на експозицијата.
3. Складирање на полнењеНа крајот од експозицијата, собраните полнежи се преместуваат во маскирана област во рамките на секој пиксел (наречена меѓулиниски трансфер CCD), каде што можат да чекаат отчитување без да се бројат нови детектирани фотони.
4. Експозиција на следниот кадарСо детектираните полнежи складирани во маскираната област на пиксели, активната област на пиксели може да ја започне експозицијата на следниот кадар (режим на преклопување).
5. Секвенцијално отчитувањеРед по ред, полнежите од секој ред од завршената рамка се преместуваат во „регистар за отчитување“.
6. Конечно читање: Една колона одеднаш, полнежите од секој пиксел се пренесуваат во јазолот за отчитување за отчитување на ADC.
7. ПовторувањеОвој процес се повторува сè додека не се избројат детектираните полнежи во сите пиксели.
Ова тесно грло предизвикано од тоа што сите откриени полнежи се читаат од мал број (понекогаш една) точки на читање, доведува до сериозни ограничувања во протокот на податоци на CCD сензорите во споредба со CMOS.
Предности и недостатоци на CCD сензорите
| Професионалци | Недостатоци |
| Ниска струја на темнина Типично ~0,001 e⁻/p/s кога е ладено. | Ограничена брзина Типичен проток ~20 MP/s — многу побавен од CMOS. |
| Полнењата за собирање на пиксели се собираат пред отчитувањето, намалувајќи го шумот. | Висок шум за читање 5–10 e⁻ е чест поради отчитување на ADC во една точка. |
| Глобален бленда Вистински глобален или речиси глобален бленда кај CCD-а со меѓулиниски/фрлање на слики. | Поголемите големини на пиксели не можат да се споредат со понудите на минијатуризацијата на CMOS. |
| Висока униформност на сликата Одлична за квантитативно снимање. | Висока потрошувачка на енергија Потребна е повеќе енергија за поместување на полнењето и отчитување. |
Предности на CCD сензорот
● Ниска струја во темна бојаКако по природа технологија, CCD сензорите имаат тенденција да имаат многу ниска темна струја, обично од редот на 0,001 e-/p/s кога се ладат.
● „На пиксел“ собирањеПри бинирање, CCD уредите додаваат полнежи пред отчитувањето, а не потоа, што значи дека не се воведува дополнителен шум за отчитување. Темната струја се зголемува, но како што е наведено погоре, ова е обично многу ниско.
● Глобален затворач„Меѓуслојните“ CCD сензори работат со вистински глобален затворач. CCD сензорите за „пренос на кадри“ користат „полуглобален“ затворач (видете го „Маскираниот“ регион на Слика 45) – процесот на пренос на кадри за почеток и крај на експозицијата не е вистински истовремен, туку обично трае од 1 до 10 микросекунди. Некои CCD сензори користат механичко затворање.
Недостатоци на CCD сензорите
● Ограничена брзинаТипичниот проток на податоци во пиксели во секунда може да биде околу 20 мегапиксели во секунда (MP/s), што е еквивалентно на слика од 4 MP при 5 fps. Ова е околу 20 пати побавно од еквивалентниот CMOS и најмалку 100 пати побавно од брзиот CMOS.
● Висок шум за читањеШумот при читање кај CCD уредите е висок, главно поради потребата ADC(ите) да се користат со голема брзина за да се постигне употреблива брзина на камерата. 5 до 10 e- е вообичаено за CCD камерите од висока класа.
● Поголеми пикселиЗа многу апликации, помалите пиксели нудат предности. Типичната CMOS архитектура овозможува помали минимални големини на пиксели од CCD.
● Висока потрошувачка на енергијаПотребните моќности за работа на CCD сензори се многу повисоки од CMOS.
Примени на CCD сензори во научно снимање
Иако CMOS технологијата доби на популарност, CCD сензорите сè уште се претпочитаат во одредени научни апликации за снимање каде што квалитетот на сликата, чувствителноста и конзистентноста се од најголема важност. Нивната супериорна способност да снимаат сигнали при слаба осветленост со минимален шум ги прави идеални за прецизни апликации.
Астрономија
CCD сензорите се клучни во астрономското снимање поради нивната способност да снимаат слаба светлина од далечни ѕвезди и галаксии. Тие се широко користени и во опсерваториите и во напредната аматерска астрономија за астрофотографија со долга експозиција, обезбедувајќи јасни, детални слики.
Микроскопија и биолошки науки
Во биолошките науки, CCD сензорите се користат за снимање на слаби флуоресцентни сигнали или суптилни клеточни структури. Нивната висока чувствителност и униформност ги прават совршени за апликации како што се флуоресцентна микроскопија, снимање на живи клетки и дигитална патологија. Нивниот линеарен одговор на светлината обезбедува прецизна квантитативна анализа.
Полупроводничка инспекција
CCD сензорите се клучни во производството на полупроводници, особено за инспекција на плочки. Нивната висока резолуција и конзистентен квалитет на сликање се неопходни за идентификување на дефекти на микро-размер кај чиповите, обезбедувајќи ја прецизноста потребна во производството на полупроводници.
Рентген и научно снимање
CCD сензорите се користат и во системи за детекција на Х-зраци и други специјализирани апликации за снимање. Нивната способност да одржуваат висок сооднос сигнал-шум, особено кога се ладат, е од витално значење за јасно снимање во предизвикувачки услови како што се кристалографија, анализа на материјали и недеструктивно тестирање.
Дали CCD сензорите се уште се релевантни денес?
CCD камера Tucsen H-694 и 674
И покрај брзиот развој на CMOS технологијата, CCD сензорите се далеку од застарени. Тие остануваат префериран избор во задачи за снимање со ултра слаба светлина и висока прецизност, каде што нивниот неспоредлив квалитет на сликата и карактеристиките на шумот се клучни. Во области како што се астрономијата во длабоката вселена или напредната флуоресцентна микроскопија, CCD камерите честопати ги надминуваат многу CMOS алтернативи.
Разбирањето на силните и слабите страни на CCD сензорите им помага на истражувачите и инженерите да ја изберат вистинската технологија за нивните специфични потреби, обезбедувајќи оптимални перформанси во нивните научни или индустриски апликации.
Најчесто поставувани прашања
Кога треба да изберам CCD сензор?
CCD сензорите се многу поретки денес отколку пред десет години, бидејќи CMOS технологијата почнува да ги зафаќа дури и нивните перформанси при ниска темна струја. Сепак, секогаш ќе има апликации каде што нивната комбинација од карактеристики на перформанси - како што се супериорен квалитет на сликата, низок шум и висока чувствителност - обезбедува предност.
Зошто научните камери користат ладени CCD сензори?
Ладењето го намалува термичкиот шум за време на снимањето на сликата, подобрувајќи ја јасноста и чувствителноста на сликата. Ова е особено важно за научно снимање при слаба осветленост и долга експозиција, поради што многу врвни фотоапарати...научни камерипотпирајте се на ладени CCD-ја за почисти и поточни резултати.
Што е режим на преклопување кај CCD и EMCCD сензорите и како ги подобрува перформансите на камерата?
CCD и EMCCD сензорите обично се способни за „режим на преклопување“. За камерите со глобален затворач, ова се однесува на можноста за читање на претходниот кадар за време на експозицијата на следниот кадар. Ова води до висок (близу 100%) работен циклус, што значи дека се губи минимално време без изложување на кадри на светлина, а со тоа и повисоки стапки на слики.
Забелешка: Режимот на преклопување има различно значење за сензорите на ролетните бленди.
Доколку сакате да дознаете повеќе за ролетните, кликнете на:
Како функционира режимот за контрола на ролетната и како да се користи
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
