25/07/31Walaupun pada tahun 2025, penderia CMOS mendominasi pengimejan saintifik dan pengguna, ini tidak selalu berlaku.
CCD adalah singkatan kepada 'Charge-Coupled Device', dan penderia CCD ialah penderia kamera digital asal, pertama kali dibangunkan pada tahun 1970. Kamera berasaskan CCD dan EMCCD biasanya disyorkan untuk aplikasi saintifik sehingga hanya beberapa tahun yang lalu. Kedua-dua teknologi masih bertahan hari ini, walaupun penggunaannya telah menjadi khusus.
Kadar peningkatan dan pembangunan penderia CMOS terus meningkat. Perbezaan antara teknologi ini terletak terutamanya pada cara ia memproses dan membaca cas elektronik yang dikesan.
Apakah Sensor CCD?
Penderia CCD ialah sejenis penderia imej yang digunakan untuk menangkap cahaya dan menukarkannya kepada isyarat digital. Ia terdiri daripada pelbagai piksel sensitif cahaya yang mengumpul foton dan mengubahnya menjadi cas elektrik.
Bacaan sensor CCD berbeza daripada CMOS dalam tiga cara penting:
● Pemindahan Caj: Fotoelektron yang ditangkap dialihkan secara elektrostatik piksel-ke-piksel merentasi penderia ke kawasan bacaan di bahagian bawah.
● Mekanisme Bacaan: Daripada keseluruhan baris penukar analog kepada digital (ADC) yang beroperasi secara selari, CCD hanya menggunakan satu atau dua ADC (atau kadangkala lebih) yang membaca piksel secara berurutan.
Penempatan Kapasitor dan Penguat: Sebagai ganti kapasitor dan penguat dalam setiap piksel, setiap ADC mempunyai satu kapasitor dan penguat.
Bagaimana Sensor CCD Berfungsi?
Begini cara penderia CCD berfungsi untuk memperoleh dan memproses imej:
Rajah: Proses bacaan untuk penderia CCD
Pada penghujung pendedahan mereka, penderia CCD mula-mula mengalihkan caj yang dikumpul ke dalam kawasan storan bertopeng di dalam setiap piksel (tidak ditunjukkan). Kemudian, satu baris pada satu masa, caj dipindahkan ke dalam daftar bacaan. Satu lajur pada satu masa, caj dalam daftar bacaan dibacakan.
1. Pembersihan Caj: Untuk memulakan pemerolehan, caj dikosongkan secara serentak daripada keseluruhan sensor (pengatup global).
2. Pengumpulan Caj: Caj terkumpul semasa pendedahan.
3. Simpanan Caj: Pada penghujung pendedahan, caj yang dikumpul dialihkan ke kawasan bertopeng dalam setiap piksel (dipanggil CCD pemindahan antara talian), di mana mereka boleh menunggu bacaan tanpa foton baharu yang dikesan dikira.
4. Pendedahan Bingkai Seterusnya: Dengan cas yang dikesan disimpan dalam kawasan bertopeng piksel, kawasan aktif piksel boleh memulakan pendedahan bingkai seterusnya (mod pertindihan).
5. Bacaan Berurutan: Satu baris pada satu masa, caj dari setiap baris bingkai siap dipindahkan ke dalam 'daftar bacaan'.
6. Bacaan Akhir: Satu lajur pada satu masa, caj daripada setiap piksel dialihkan ke dalam nod bacaan untuk bacaan di ADC.
7. Pengulangan: Proses ini berulang sehingga cas yang dikesan dalam semua piksel dikira.
Kesesakan ini disebabkan oleh semua caj yang dikesan dibaca oleh sebilangan kecil (kadang-kadang satu) titik bacaan, membawa kepada pengehadan yang teruk dalam pemprosesan data penderia CCD berbanding CMOS.
Kebaikan dan Keburukan Penderia CCD
| Kebaikan | Keburukan |
| Arus Gelap Rendah Biasanya ~0.001 e⁻/p/s apabila disejukkan. | Kelajuan Terhad Daya tampung biasa ~20 MP/s — jauh lebih perlahan daripada CMOS. |
| Caj Binning On-Pixel dijumlahkan sebelum bacaan, mengurangkan hingar. | Hingar Bacaan Tinggi 5–10 e⁻ adalah perkara biasa disebabkan bacaan ADC satu titik. |
| Pengatup Global Pengatup global atau hampir global sebenar dalam CCD antara baris/pemindahan bingkai. | Saiz Piksel yang Lebih Besar Tidak dapat menandingi tawaran CMOS pengecilan. |
| Keseragaman Imej Tinggi Sangat baik untuk pengimejan kuantitatif. | Penggunaan Kuasa Tinggi Memerlukan lebih banyak kuasa untuk peralihan cas dan bacaan. |
Kelebihan Sensor CCD
● Arus gelap rendah: Secara semulajadi sebagai teknologi, penderia CCD cenderung mempunyai arus gelap yang sangat rendah, biasanya pada urutan 0.001 e-/p/s apabila disejukkan.
● Binning 'On-pixel': Apabila binning, CCD menambah caj sebelum bacaan, bukan selepas, bermakna tiada bunyi bacaan tambahan diperkenalkan. Arus gelap memang meningkat, tetapi seperti yang dinyatakan di atas, ini biasanya sangat rendah.
● Pengatup Global: Penderia CCD 'Interline' beroperasi dengan pengatup global sebenar. Penderia CCD 'Pemindahan Bingkai' menggunakan pengatup 'separuh global' (lihat rantau 'Bertopeng' dalam Rajah 45) – proses pemindahan bingkai untuk memulakan dan menamatkan pendedahan tidak benar-benar serentak, tetapi biasanya mengambil urutan 1-10 mikrosaat. Sesetengah CCD menggunakan pengatup mekanikal.
Keburukan Penderia CCD
● Kelajuan Terhad: pemprosesan data biasa dalam piksel sesaat boleh menjadi sekitar 20 Megapiksel sesaat (MP/s), bersamaan dengan imej 4 MP pada 5 fps. Ini adalah sekitar 20x lebih perlahan daripada CMOS yang setara, dan sekurang-kurangnya 100x lebih perlahan daripada CMOS berkelajuan tinggi.
● Bunyi Bacaan Tinggi: Bunyi baca dalam CCD adalah tinggi, sebahagian besarnya disebabkan oleh keperluan untuk menjalankan ADC pada kadar yang tinggi untuk mencapai kelajuan kamera yang boleh digunakan. 5 hingga 10 e- adalah biasa untuk kamera CCD mewah.
● Piksel Lebih Besar: Untuk kebanyakan aplikasi, piksel yang lebih kecil memberikan kelebihan. Seni bina CMOS biasa membenarkan saiz piksel minimum yang lebih kecil daripada CCD.
● Penggunaan Kuasa Tinggi: Keperluan kuasa untuk menjalankan penderia CCD jauh lebih tinggi daripada CMOS.
Aplikasi Penderia CCD dalam Pengimejan Saintifik
Walaupun teknologi CMOS telah mendapat populariti, penderia CCD masih diutamakan dalam aplikasi pengimejan saintifik tertentu di mana kualiti imej, kepekaan dan konsistensi adalah yang terpenting. Keupayaan unggul mereka untuk menangkap isyarat cahaya malap dengan bunyi yang minimum menjadikannya sesuai untuk aplikasi ketepatan.
Astronomi
Penderia CCD adalah kritikal dalam pengimejan astronomi kerana keupayaannya menangkap cahaya samar dari bintang dan galaksi yang jauh. Ia digunakan secara meluas dalam kedua-dua balai cerap dan astronomi amatur lanjutan untuk astrofotografi pendedahan lama, memberikan imej yang jelas dan terperinci.
Mikroskopi dan Sains Hayat
Dalam sains hayat, penderia CCD digunakan untuk menangkap isyarat pendarfluor yang lemah atau struktur selular halus. Kepekaan dan keseragaman yang tinggi menjadikannya sempurna untuk aplikasi seperti mikroskop pendarfluor, pengimejan sel hidup dan patologi digital. Tindak balas cahaya linear mereka memastikan analisis kuantitatif yang tepat.
Pemeriksaan Semikonduktor
Penderia CCD adalah penting dalam pembuatan semikonduktor, terutamanya untuk pemeriksaan wafer. Resolusi tinggi dan kualiti pengimejan yang konsisten adalah penting untuk mengenal pasti kecacatan skala mikro dalam cip, memastikan ketepatan yang diperlukan dalam pengeluaran semikonduktor.
X-ray dan Pengimejan Saintifik
Penderia CCD juga digunakan dalam sistem pengesanan sinar-X dan aplikasi pengimejan khusus lain. Keupayaan mereka untuk mengekalkan nisbah isyarat kepada hingar yang tinggi, terutamanya apabila disejukkan, adalah penting untuk pengimejan yang jelas dalam keadaan yang mencabar seperti kristalografi, analisis bahan dan ujian tidak merosakkan.
Adakah Penderia CCD Masih Relevan Hari Ini?
Kamera CCD Tucsen H-694 & 674
Walaupun perkembangan pesat teknologi CMOS, penderia CCD adalah jauh dari usang. Mereka kekal sebagai pilihan pilihan dalam tugas pengimejan ultra-rendah dan pengimejan berketepatan tinggi, di mana kualiti imej yang tidak dapat ditandingi dan ciri hingar adalah penting. Dalam bidang seperti astronomi ruang dalam atau mikroskop pendarfluor lanjutan, kamera CCD sering mengatasi banyak alternatif CMOS.
Memahami kekuatan dan kelemahan penderia CCD membantu penyelidik dan jurutera memilih teknologi yang sesuai untuk keperluan khusus mereka, memastikan prestasi optimum dalam aplikasi saintifik atau perindustrian mereka.
Soalan Lazim
Bilakah saya harus memilih sensor CCD?
Penderia CCD jauh lebih jarang hari ini berbanding sepuluh tahun yang lalu, kerana teknologi CMOS mula menceroboh walaupun prestasi semasa gelap rendah mereka. Walau bagaimanapun, akan sentiasa ada aplikasi di mana gabungan ciri prestasi mereka—seperti kualiti imej unggul, hingar rendah dan kepekaan tinggi—memberikan kelebihan
Mengapakah kamera saintifik menggunakan penderia CCD yang disejukkan?
Penyejukan mengurangkan hingar haba semasa menangkap imej, meningkatkan kejelasan dan kepekaan imej. Ini amat penting untuk pengimejan saintifik cahaya malap dan pendedahan lama, itulah sebabnya mengapa banyak pengimejan mewahkamera saintifikbergantung pada CCD yang disejukkan untuk hasil yang lebih bersih dan tepat.
Apakah mod pertindihan dalam penderia CCD dan EMCCD, dan bagaimanakah ia meningkatkan prestasi kamera?
Penderia CCD dan EMCCD biasanya mampu 'mod pertindihan'. Untuk kamera pengatup global, ini merujuk kepada keupayaan untuk membaca bingkai sebelumnya semasa pendedahan bingkai seterusnya. Ini membawa kepada kitaran tugas yang tinggi (hampir 100%), bermakna masa minimum terbuang tanpa mendedahkan bingkai kepada cahaya, dan dengan itu kadar bingkai yang lebih tinggi.
Nota: Mod tindih mempunyai makna yang berbeza untuk penderia pengatup berguling.
Jika anda ingin mengetahui lebih lanjut tentang rolling shutters, sila klik:
Cara Mod Kawalan Pengatup Berguling Berfungsi Dan Cara Menggunakannya
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta terpelihara. Apabila memetik, sila maklumkan sumbernya:www.tucsen.com
