25/07/31Selv om CMOS-sensorer dominerer både vitenskapelig og forbrukerbasert bildebehandling i 2025, var dette ikke alltid tilfelle.
CCD står for «Charge-Coupled Device», og CCD-sensorer var de originale digitale kamerasensorene, først utviklet i 1970. CCD- og EMCCD-baserte kameraer ble ofte anbefalt for vitenskapelige applikasjoner frem til for bare noen få år siden. Begge teknologiene overlever fortsatt i dag, selv om bruksområdene deres har blitt nisje.
Forbedrings- og utviklingstakten for CMOS-sensorer fortsetter å øke. Forskjellen mellom disse teknologiene ligger først og fremst i måten de behandler og leser ut detektert elektronisk ladning på.
Hva er en CCD-sensor?
CCD-sensoren er en type bildesensor som brukes til å fange opp lys og konvertere det til digitale signaler. Den består av en rekke lysfølsomme piksler som samler fotoner og omdanner dem til elektriske ladninger.
CCD-sensoravlesningen skiller seg fra CMOS på tre viktige måter:
● Overføring av kostnaderFotoelektroner som fanges opp flyttes elektrostatisk piksel for piksel over sensoren til et avlesningsområde nederst.
● AvlesningsmekanismeI stedet for en hel rad med analog-til-digital-omformere (ADC-er) som opererer parallelt, bruker CCD-er bare én eller to ADC-er (eller noen ganger flere) som leser piksler sekvensielt.
Plassering av kondensator og forsterker: I stedet for kondensatorer og forsterkere i hver piksel har hver ADC én kondensator og forsterker.
Hvordan fungerer en CCD-sensor?
Slik fungerer en CCD-sensor for å innhente og behandle et bilde:
Figur: Avlesningsprosess for en CCD-sensor
På slutten av eksponeringen flytter CCD-sensorene først de innsamlede ladningene til et maskert lagringsområde inne i hver piksel (ikke vist). Deretter flyttes ladningene, én rad om gangen, inn i et avlesningsregister. Ladningene i avlesningsregisteret leses ut én kolonne om gangen.
1. Avregning av kostnaderFor å starte innsamlingen fjernes ladningen samtidig fra hele sensoren (global lukker).
2. LadeakkumuleringLadning akkumuleres under eksponering.
3. LadelagringVed slutten av eksponeringen flyttes de innsamlede ladningene til et maskert område innenfor hver piksel (kalt interlinjeoverførings-CCD), hvor de kan vente på avlesning uten at nye detekterte fotoner telles.
4. Eksponering av neste bildeNår de oppdagede ladningene er lagret i det maskerte området med piksler, kan det aktive området med piksler starte eksponeringen av neste bilde (overlappingsmodus).
5. Sekvensiell avlesningÉn rad om gangen flyttes ladninger fra hver rad i den ferdige rammen til et «avlesningsregister».
6. Endelig avlesningÉn kolonne om gangen sendes ladninger fra hver piksel inn i avlesningsnoden for avlesning ved ADC-en.
7. GjentakelseDenne prosessen gjentas til detekterte ladninger i alle piksler er telt.
Denne flaskehalsen, forårsaket av at alle detekterte ladninger leses av et lite antall (noen ganger ett) avlesningspunkter, fører til alvorlige begrensninger i datagjennomstrømningen til CCD-sensorer sammenlignet med CMOS.
Fordeler og ulemper med CCD-sensorer
| Fordeler | Ulemper |
| Lav mørkestrøm. Typisk ~0,001 e⁻/p/s ved avkjøling. | Begrenset hastighet Typisk gjennomstrømning ~20 MP/s – mye tregere enn CMOS. |
| Pikselkombinasjonsladninger summeres før avlesning, noe som reduserer støy. | Høy lesestøy på 5–10 e⁻ er vanlig på grunn av enkeltpunkts ADC-avlesning. |
| Global lukker Ekte global eller nesten global lukker i interline/frame-transfer CCD-er. | Større pikselstørrelser kan ikke matche miniatyriseringen som CMOS tilbyr. |
| Høy bildeuniformitet Utmerket for kvantitativ avbildning. | Høyt strømforbruk Krever mer strøm for ladeskifting og avlesning. |
Fordeler med CCD-sensor
● Lav mørk strømCCD-sensorer er en teknologi som iboende har en tendens til å ha svært lav mørkestrøm, vanligvis i størrelsesorden 0,001 e-/p/s når de avkjøles.
● «Pikselbasert» binningVed binning legger CCD-er til ladninger før avlesning, ikke etter, noe som betyr at det ikke introduseres ytterligere lesestøy. Mørkestrømmen øker, men som nevnt ovenfor er denne vanligvis veldig lav.
● Global lukker«Interline»-CCD-sensorer opererer med en ekte global lukker. «Bildeoverføring»-CCD-sensorer bruker en «halv global» lukker (se «Maskert»-område i figur 45) – bildeoverføringsprosessen for å starte og avslutte eksponeringen er ikke helt samtidig, men tar vanligvis rundt 1–10 mikrosekunder. Noen CCD-er bruker mekanisk lukker.
Ulemper med CCD-sensorer
● Begrenset hastighetTypisk datagjennomstrømning i piksler per sekund kan være rundt 20 megapiksler per sekund (MP/s), tilsvarende et 4 MP-bilde med 5 fps. Dette er rundt 20 ganger tregere enn tilsvarende CMOS, og minst 100 ganger tregere enn høyhastighets-CMOS.
● Høy lesestøyLesestøyen i CCD-er er høy, hovedsakelig på grunn av behovet for å kjøre ADC-en(e) med høy hastighet for å oppnå brukbar kamerahastighet. 5 til 10 e- er vanlig for avanserte CCD-kameraer.
● Større pikslerFor mange applikasjoner gir mindre piksler fordeler. Typisk CMOS-arkitektur tillater mindre minimum pikselstørrelser enn CCD.
● Høyt strømforbrukStrømkravene for å kjøre CCD-sensorer er mye høyere enn CMOS.
Anvendelser av CCD-sensorer i vitenskapelig avbildning
Selv om CMOS-teknologi har blitt populær, er CCD-sensorer fortsatt foretrukket i visse vitenskapelige bildebehandlingsapplikasjoner der bildekvalitet, følsomhet og konsistens er avgjørende. Deres overlegne evne til å fange opp signaler i svakt lys med minimal støy gjør dem ideelle for presisjonsapplikasjoner.
Astronomi
CCD-sensorer er avgjørende i astronomisk avbildning på grunn av deres evne til å fange opp svakt lys fra fjerne stjerner og galakser. De er mye brukt i både observatorier og avansert amatørastronomi for astrofotografering med lang eksponering, og gir klare og detaljerte bilder.
Mikroskopi og biovitenskap
Innen biovitenskap brukes CCD-sensorer til å fange opp svake fluorescenssignaler eller subtile cellestrukturer. Deres høye følsomhet og ensartethet gjør dem perfekte for applikasjoner som fluorescensmikroskopi, levende celleavbildning og digital patologi. Deres lineære lysrespons sikrer nøyaktig kvantitativ analyse.
Halvlederinspeksjon
CCD-sensorer er avgjørende i halvlederproduksjon, spesielt for waferinspeksjon. Deres høye oppløsning og konsistente bildekvalitet er avgjørende for å identifisere mikroskalafeil i brikker, noe som sikrer presisjonen som kreves i halvlederproduksjon.
Røntgen og vitenskapelig avbildning
CCD-sensorer brukes også i røntgendeteksjonssystemer og andre spesialiserte bildebehandlingsapplikasjoner. Deres evne til å opprettholde høye signal-til-støy-forhold, spesielt når de er avkjølt, er avgjørende for klar avbildning under utfordrende forhold som krystallografi, materialanalyse og ikke-destruktiv testing.
Er CCD-sensorer fortsatt relevante i dag?
Tucsen H-694 og 674 CCD-kamera
Til tross for den raske utviklingen av CMOS-teknologi, er CCD-sensorer langt fra foreldet. De er fortsatt et foretrukket valg for bildebehandlingsoppgaver med ultrasvak lys og høy presisjon, der deres uovertrufne bildekvalitet og støyegenskaper er avgjørende. Innen felt som astronomi i dyp rom eller avansert fluorescensmikroskopi, utkonkurrerer CCD-kameraer ofte mange CMOS-alternativer.
Å forstå styrkene og svakhetene til CCD-sensorer hjelper forskere og ingeniører med å velge riktig teknologi for deres spesifikke behov, og sikrer optimal ytelse i deres vitenskapelige eller industrielle applikasjoner.
Vanlige spørsmål
Når bør jeg velge en CCD-sensor?
CCD-sensorer er mye sjeldnere i dag enn for ti år siden, ettersom CMOS-teknologi begynner å gå utover selv deres ytelse ved lav mørkestrøm. Det vil imidlertid alltid være bruksområder der kombinasjonen av ytelsesegenskaper – som overlegen bildekvalitet, lav støy og høy følsomhet – gir en fordel.
Hvorfor bruker vitenskapelige kameraer avkjølte CCD-sensorer?
Kjøling reduserer termisk støy under bildeopptak, noe som forbedrer bildeklarhet og -følsomhet. Dette er spesielt viktig for vitenskapelig avbildning i svakt lys og med lang eksponering, og det er derfor mange avansertevitenskapelige kameraerStol på avkjølte CCD-er for renere og mer nøyaktige resultater.
Hva er overlappingsmodus i CCD- og EMCCD-sensorer, og hvordan forbedrer det kameraets ytelse?
CCD- og EMCCD-sensorer er vanligvis i stand til «overlappingsmodus». For kameraer med global lukker refererer dette til muligheten til å lese ut forrige bilde under eksponeringen av neste bilde. Dette fører til en høy (nesten 100 %) driftssyklus, noe som betyr at minimal tid går tapt på å ikke eksponere bilder for lys, og dermed høyere bildefrekvenser.
Merk: Overlappingsmodus har en annen betydning for rullende lukkersensorer.
Hvis du vil vite mer om rulleporter, kan du klikke:
Hvordan rulleportkontrollmodus fungerer og hvordan du bruker den
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
