CCD-sensoren begrijpen: wat ze zijn en hoe ze werken |

Hoewel CMOS-sensoren in 2025 zowel de wetenschappelijke als de consumentenbeeldvorming domineren, is dit niet altijd het geval geweest.

CCD staat voor 'Charge-Coupled Device', en CCD-sensoren waren de oorspronkelijke sensoren voor digitale camera's, voor het eerst ontwikkeld in 1970. CCD- en EMCCD-camera's werden tot een paar jaar geleden vaak aanbevolen voor wetenschappelijke toepassingen. Beide technologieën bestaan nog steeds, hoewel hun toepassingen niche zijn geworden.

De snelheid waarmee CMOS-sensoren worden verbeterd en ontwikkeld, neemt nog steeds toe. Het verschil tussen deze technologieën zit hem voornamelijk in de manier waarop ze gedetecteerde elektronische lading verwerken en uitlezen.

Wat is een CCD-sensor?

Een CCD-sensor is een type beeldsensor dat wordt gebruikt om licht op te vangen en om te zetten in digitale signalen. Het bestaat uit een reeks lichtgevoelige pixels die fotonen opvangen en omzetten in elektrische ladingen.

De uitlezing van CCD-sensoren verschilt op drie belangrijke manieren van CMOS:

● Kostenoverdracht:De opgevangen foto-elektronen worden elektrostatisch pixel voor pixel over de sensor verplaatst naar een uitleesgebied aan de onderkant.
● Uitleesmechanisme:In plaats van een hele rij analoog-naar-digitaal-converters (ADC's) die parallel werken, gebruiken CCD's slechts één of twee ADC's (of soms meer) die de pixels sequentieel uitlezen.

Plaatsing van condensatoren en versterkers: in plaats van condensatoren en versterkers in elke pixel, heeft elke ADC één condensator en versterker.

Hoe werkt een CCD-sensor?

Dit is hoe een CCD-sensor een beeld verkrijgt en verwerkt:

Figuur: Uitleesproces voor een CCD-sensor

Aan het einde van hun belichting verplaatsen CCD-sensoren eerst de verzamelde ladingen naar een gemaskeerd opslaggebied binnen elke pixel (niet weergegeven). Vervolgens worden de ladingen rij voor rij naar een uitleesregister verplaatst. De ladingen in het uitleesregister worden kolom voor kolom uitgelezen.

1. Kosten vereffenen:Om de opname te starten, wordt de lading gelijktijdig uit de hele sensor verwijderd (globale sluiter).
2. Ladingaccumulatie: Tijdens blootstelling ontstaat er lading.
3. Laadopslag:Aan het einde van de belichting worden de verzamelde ladingen verplaatst naar een gemaskeerd gebied binnen elke pixel (interline transfer CCD genoemd), waar ze kunnen wachten tot ze worden uitgelezen zonder dat er nieuwe gedetecteerde fotonen worden geteld.
4. Belichting van het volgende frame:Met de gedetecteerde ladingen opgeslagen in het gemaskeerde gebied van pixels, kan het actieve gebied van pixels beginnen met de belichting van het volgende frame (overlapmodus).
5. Sequentiële uitlezing:De ladingen van elke rij van het voltooide frame worden één voor één naar een 'uitleesregister' verplaatst.
6. Eindresultaat:De ladingen van elke pixel worden één kolom per keer naar het uitleesknooppunt gestuurd, waar ze bij de ADC worden uitgelezen.
7. Herhaling: Dit proces herhaalt zich totdat alle gedetecteerde ladingen in alle pixels zijn geteld.

Deze knelpunt, die ontstaat doordat alle gedetecteerde ladingen door een klein aantal (soms één) uitleespunten worden gelezen, leidt tot ernstige beperkingen in de gegevensdoorvoer van CCD-sensoren vergeleken met CMOS-sensoren.

Voor- en nadelen van CCD-sensoren

Voordelen	Nadelen
Lage donkerstroom: doorgaans ~0,001 e⁻/p/s bij afkoeling.	Beperkte snelheid Typische doorvoer ~20 MP/s — veel langzamer dan CMOS.
On-Pixel Binning Charges worden opgeteld vóór het uitlezen, waardoor ruis wordt verminderd.	Hoge leesruis 5–10 e⁻ is gebruikelijk vanwege een enkelvoudige ADC-uitlezing.
Globale sluiter Echte globale of bijna-globale sluiter in interline/frame-transfer CCD's.	Grotere pixelgroottes kunnen niet tippen aan de miniaturisatie die CMOS biedt.
Hoge beelduniformiteit Uitstekend voor kwantitatieve beeldvorming.	Hoog stroomverbruik: vereist meer vermogen voor ladingverschuiving en uitlezing.

Voordelen van CCD-sensoren

● Lage donkere stroom: CCD-sensoren hebben als technologie inherent een zeer lage donkerstroom, doorgaans in de orde van 0,001 e-/p/s bij koeling.
● 'Op-pixel'-binning: Bij binning voegen CCD's lading toe vóór de uitlezing, niet erna, wat betekent dat er geen extra leesruis wordt geïntroduceerd. De donkerstroom neemt wel toe, maar zoals hierboven vermeld, is deze meestal erg laag.
● Globale sluiter: 'Interline' CCD-sensoren werken met een echte globale sluiter. 'Frame Transfer' CCD-sensoren gebruiken een 'half-globale' sluiter (zie het 'Gemaskeerde' gedeelte van Afbeelding 45) – het frameoverdrachtsproces om de belichting te starten en te beëindigen is niet echt gelijktijdig, maar duurt doorgaans ongeveer 1-10 microseconden. Sommige CCD's maken gebruik van mechanische sluiters.

Nadelen van CCD-sensoren

● Beperkte snelheid: de typische gegevensdoorvoer in pixels per seconde kan ongeveer 20 megapixels per seconde (MP/s) bedragen, wat overeenkomt met een 4 MP-afbeelding bij 5 fps. Dit is ongeveer 20x langzamer dan een vergelijkbare CMOS-processor en minstens 100x langzamer dan een high-speed CMOS-processor.
● Hoge leesruis:Er is veel leesruis in CCD's, wat grotendeels komt doordat de ADC's op een hoge snelheid moeten draaien om een bruikbare camerasnelheid te bereiken. 5 tot 10 e- is gebruikelijk voor geavanceerde CCD-camera's.
● Grotere pixels: Voor veel toepassingen bieden kleinere pixels voordelen. Een typische CMOS-architectuur maakt kleinere minimale pixelgroottes mogelijk dan CCD.
● Hoog stroomverbruik:De stroomvereisten voor het gebruik van CCD-sensoren zijn veel hoger dan voor CMOS-sensoren.

Toepassingen van CCD-sensoren in wetenschappelijke beeldvorming

Hoewel CMOS-technologie aan populariteit heeft gewonnen, genieten CCD-sensoren nog steeds de voorkeur in bepaalde wetenschappelijke beeldvormingstoepassingen waar beeldkwaliteit, gevoeligheid en consistentie van het grootste belang zijn. Hun superieure vermogen om signalen bij weinig licht met minimale ruis vast te leggen, maakt ze ideaal voor precisietoepassingen.

Astronomie

CCD-sensoren zijn cruciaal voor astronomische beeldvorming vanwege hun vermogen om zwak licht van verre sterren en sterrenstelsels vast te leggen. Ze worden veel gebruikt in zowel observatoria als de gevorderde amateurastronomie voor astrofotografie met lange belichtingstijden, en leveren heldere, gedetailleerde beelden.

Microscopie en levenswetenschappen

In de levenswetenschappen worden CCD-sensoren gebruikt om zwakke fluorescentiesignalen of subtiele celstructuren vast te leggen. Hun hoge gevoeligheid en uniformiteit maken ze perfect voor toepassingen zoals fluorescentiemicroscopie, live cell imaging en digitale pathologie. Hun lineaire lichtrespons zorgt voor nauwkeurige kwantitatieve analyses.

Halfgeleiderinspectie

CCD-sensoren zijn cruciaal in de halfgeleiderproductie, met name voor waferinspectie. Hun hoge resolutie en consistente beeldkwaliteit zijn essentieel voor het identificeren van microscopische defecten in chips en garanderen de vereiste precisie bij de halfgeleiderproductie.

Röntgen- en wetenschappelijke beeldvorming

CCD-sensoren worden ook gebruikt in röntgendetectiesystemen en andere gespecialiseerde beeldvormingstoepassingen. Hun vermogen om een hoge signaal-ruisverhouding te behouden, vooral wanneer gekoeld, is essentieel voor heldere beelden onder uitdagende omstandigheden zoals kristallografie, materiaalanalyse en niet-destructief onderzoek.

Zijn CCD-sensoren nog steeds relevant?

Tucsen H-694 & 674 CCD-camera

Ondanks de snelle ontwikkeling van CMOS-technologie zijn CCD-sensoren verre van verouderd. Ze blijven een voorkeurskeuze voor toepassingen met zeer weinig licht en hoge precisie, waarbij hun ongeëvenaarde beeldkwaliteit en ruiskarakteristieken cruciaal zijn. In vakgebieden zoals deep-space astronomie of geavanceerde fluorescentiemicroscopie presteren CCD-camera's vaak beter dan veel CMOS-alternatieven.

Inzicht in de sterke en zwakke punten van CCD-sensoren helpt onderzoekers en ingenieurs bij het selecteren van de juiste technologie voor hun specifieke behoeften. Zo kunnen ze optimale prestaties garanderen in hun wetenschappelijke of industriële toepassingen.

Veelgestelde vragen

Wanneer moet ik een CCD-sensor kiezen?

CCD-sensoren zijn tegenwoordig veel zeldzamer dan tien jaar geleden, omdat CMOS-technologie zelfs hun prestaties bij lage donkerstroom begint te ondermijnen. Er zullen echter altijd toepassingen blijven waarbij hun combinatie van prestatiekenmerken – zoals superieure beeldkwaliteit, lage ruis en hoge gevoeligheid – een voordeel biedt.

Waarom gebruiken wetenschappelijke camera's gekoelde CCD-sensoren?

Koeling vermindert thermische ruis tijdens het vastleggen van beelden, wat de helderheid en gevoeligheid van de beelden verbetert. Dit is vooral belangrijk voor wetenschappelijke beelden bij weinig licht en met lange belichtingstijden. Daarom gebruiken veel high-endwetenschappelijke camera'svertrouwen op gekoelde CCD's voor schonere, nauwkeurigere resultaten.

Wat is de overlappingsmodus bij CCD- en EMCCD-sensoren en hoe verbetert het de cameraprestaties?

CCD- en EMCCD-sensoren beschikken doorgaans over een 'overlapmodus'. Bij camera's met een globale sluitertijd verwijst dit naar de mogelijkheid om het vorige frame uit te lezen tijdens de belichting van het volgende frame. Dit leidt tot een hoge (bijna 100%) duty cycle, wat betekent dat er minimale tijd verloren gaat door frames niet aan licht bloot te stellen, en dus hogere framesnelheden.

Let op: de overlappingsmodus heeft een andere betekenis voor rolling shutter-sensoren.

Wilt u meer weten over rolluiken, klik dan:

Hoe de Rolling Shutter Control-modus werkt en hoe u deze gebruikt