25.07.31Chociaż w roku 2025 w obrazowaniu naukowym i konsumenckim dominują matryce CMOS, nie zawsze tak było.
CCD to skrót od „Charge-Coupled Device” (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym), a matryce CCD były pierwszymi matrycami aparatów cyfrowych, opracowanymi po raz pierwszy w 1970 roku. Kamery oparte na CCD i EMCCD były powszechnie zalecane do zastosowań naukowych jeszcze kilka lat temu. Obie technologie przetrwały do dziś, choć ich zastosowania stały się niszowe.
Tempo udoskonalania i rozwoju czujników CMOS stale rośnie. Różnica między tymi technologiami polega przede wszystkim na sposobie przetwarzania i odczytu wykrytego ładunku elektronicznego.
Czym jest czujnik CCD?
Matryca CCD to rodzaj matrycy obrazu służącej do rejestrowania światła i przekształcania go w sygnały cyfrowe. Składa się ona z matrycy światłoczułych pikseli, które zbierają fotony i zamieniają je w ładunki elektryczne.
Odczyt z czujnika CCD różni się od odczytu z czujnika CMOS na trzy istotne sposoby:
● Przelewy opłat:Przechwycone fotoelektrony są elektrostatycznie przemieszczane piksel po pikselu wzdłuż czujnika do obszaru odczytu u dołu.
● Mechanizm odczytuZamiast całego szeregu przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) pracujących równolegle, matryce CCD wykorzystują tylko jeden lub dwa przetworniki ADC (czasem więcej), które odczytują piksele sekwencyjnie.
Rozmieszczenie kondensatorów i wzmacniaczy: Zamiast kondensatorów i wzmacniaczy w każdym pikselu, każdy przetwornik ADC ma jeden kondensator i wzmacniacz.
Jak działa czujnik CCD?
Oto w jaki sposób przetwornik CCD działa, aby pozyskać i przetworzyć obraz:
Rysunek: Proces odczytu dla czujnika CCD
Po zakończeniu ekspozycji, matryce CCD najpierw przenoszą zebrane ładunki do zamaskowanego obszaru pamięci wewnątrz każdego piksela (niepokazanego na rysunku). Następnie, wiersz po wierszu, ładunki są przenoszone do rejestru odczytu. Kolejno, kolumna po kolumnie, ładunki z rejestru odczytu są odczytywane.
1. Rozliczanie opłat:Aby rozpocząć akwizycję, konieczne jest jednoczesne usunięcie ładunku z całego czujnika (migawka globalna).
2. Akumulacja ładunku:Ładunek gromadzi się podczas ekspozycji.
3. Ładowanie Przechowywanie:Pod koniec ekspozycji zebrane ładunki są przenoszone do zamaskowanego obszaru w obrębie każdego piksela (tzw. matrycy CCD z transferem międzyliniowym), gdzie mogą oczekiwać na odczyt bez zliczania nowych wykrytych fotonów.
4. Ekspozycja następnej klatki:Po zgromadzeniu wykrytych ładunków w zamaskowanym obszarze pikseli, aktywny obszar pikseli może rozpocząć naświetlanie następnej klatki (tryb nakładania).
5. Odczyt sekwencyjny:Ładunki z każdego wiersza ukończonej ramki są kolejno przenoszone do „rejestru odczytu”.
6. Odczyt końcowy:Ładunki z każdego piksela są przekazywane kolumna po kolumnie do węzła odczytu w celu odczytu w przetworniku ADC.
7. Powtórzenie:Proces ten powtarza się, aż zostaną zliczone wykryte ładunki we wszystkich pikselach.
To wąskie gardło spowodowane tym, że wszystkie wykryte ładunki są odczytywane przez niewielką liczbę (czasem jeden) punktów odczytu, prowadzi do poważnych ograniczeń przepustowości danych czujników CCD w porównaniu z czujnikami CMOS.
Zalety i wady czujników CCD
| Zalety | Wady |
| Niski prąd ciemny, typowo ~0,001 e⁻/p/s po schłodzeniu. | Ograniczona prędkość Typowa przepustowość ~20 MP/s — znacznie wolniejsza niż CMOS. |
| Opłaty za łączenie pikseli są sumowane przed odczytem, co redukuje szum. | Wysoki poziom szumów odczytu 5–10 e⁻ jest powszechny ze względu na pojedynczy punkt odczytu ADC. |
| Globalna migawka Prawdziwa globalna lub prawie globalna migawka w przetwornikach CCD z transferem międzyliniowym/klatkowym. | Większe rozmiary pikseli nie są w stanie dorównać miniaturyzacji, jaką oferuje technologia CMOS. |
| Wysoka jednorodność obrazu. Doskonale nadaje się do obrazowania ilościowego. | Wysokie zużycie energii Wymaga więcej energii do przesuwania ładunku i odczytu. |
Zalety czujnika CCD
● Niski prąd ciemny:Technologia czujników CCD charakteryzuje się bardzo niskim prądem ciemnym, wynoszącym zazwyczaj około 0,001 e-/p/s po schłodzeniu.
● Binning „na pikselu”:Podczas sortowania, matryce CCD dodają ładunki przed odczytem, a nie po nim, co oznacza, że nie wprowadzają dodatkowego szumu odczytu. Prąd ciemny wzrasta, ale jak wspomniano powyżej, jest on zazwyczaj bardzo niski.
● Globalna migawka: Matryce CCD typu „interline” działają z prawdziwą migawką globalną. Matryce CCD typu „Frame Transfer” wykorzystują migawkę „półglobalną” (patrz obszar „Masked” na rysunku 45) – proces transferu klatek do rozpoczęcia i zakończenia ekspozycji nie jest w pełni jednoczesny, ale zazwyczaj trwa około 1–10 mikrosekund. Niektóre matryce CCD wykorzystują migawkę mechaniczną.
Wady czujników CCD
● Ograniczona prędkość:typowa przepustowość danych w pikselach na sekundę może wynosić około 20 megapikseli na sekundę (MP/s), co odpowiada obrazowi 4 MP przy 5 kl./s. Jest to około 20 razy wolniej niż w przypadku równoważnych matryc CMOS i co najmniej 100 razy wolniej niż w przypadku szybkich matryc CMOS.
● Wysoki poziom szumu odczytu: Szum odczytu w kamerach CCD jest wysoki, głównie ze względu na konieczność użycia przetworników ADC z dużą szybkością w celu uzyskania użytecznej szybkości kamery. W przypadku kamer CCD najwyższej klasy typowy jest szum 5–10 e-.
● Większe pikseleW wielu zastosowaniach mniejsze piksele zapewniają przewagę. Typowa architektura CMOS pozwala na mniejsze minimalne rozmiary pikseli niż CCD.
● Wysokie zużycie energii:Wymagania dotyczące zasilania czujników CCD są znacznie wyższe niż w przypadku czujników CMOS.
Zastosowania czujników CCD w obrazowaniu naukowym
Chociaż technologia CMOS zyskała na popularności, matryce CCD są nadal preferowane w niektórych zastosowaniach obrazowania naukowego, gdzie jakość, czułość i spójność obrazu są kluczowe. Ich doskonała zdolność do rejestrowania sygnałów o słabym oświetleniu z minimalnym szumem sprawia, że idealnie nadają się do zastosowań precyzyjnych.
Astronomia
Matryce CCD odgrywają kluczową rolę w obrazowaniu astronomicznym ze względu na zdolność do rejestrowania słabego światła odległych gwiazd i galaktyk. Są szeroko stosowane zarówno w obserwatoriach, jak i w zaawansowanej astronomii amatorskiej do astrofotografii z długim czasem naświetlania, zapewniając wyraźne i szczegółowe obrazy.
Mikroskopia i nauki o życiu
W naukach przyrodniczych matryce CCD służą do rejestrowania słabych sygnałów fluorescencji lub subtelnych struktur komórkowych. Ich wysoka czułość i jednorodność sprawiają, że idealnie nadają się do zastosowań takich jak mikroskopia fluorescencyjna, obrazowanie żywych komórek i patologia cyfrowa. Ich liniowa reakcja świetlna zapewnia precyzyjną analizę ilościową.
Inspekcja półprzewodników
Czujniki CCD odgrywają kluczową rolę w produkcji półprzewodników, szczególnie w inspekcji płytek półprzewodnikowych. Ich wysoka rozdzielczość i spójna jakość obrazowania są niezbędne do identyfikacji mikrouszkodzeń w układach scalonych, zapewniając precyzję wymaganą w produkcji półprzewodników.
Rentgenowskie i obrazowanie naukowe
Czujniki CCD są również wykorzystywane w systemach detekcji promieniowania rentgenowskiego i innych specjalistycznych zastosowaniach obrazowania. Ich zdolność do utrzymania wysokiego stosunku sygnału do szumu, zwłaszcza po schłodzeniu, ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wyraźnego obrazu w trudnych warunkach, takich jak krystalografia, analiza materiałów i badania nieniszczące.
Czy czujniki CCD są dziś nadal istotne?
Kamera CCD Tucsen H-694 i 674
Pomimo szybkiego rozwoju technologii CMOS, matryce CCD wcale nie są przestarzałe. Nadal są preferowanym wyborem w zadaniach obrazowania o bardzo słabym oświetleniu i wysokiej precyzji, gdzie ich niezrównana jakość obrazu i charakterystyka szumów mają kluczowe znaczenie. W dziedzinach takich jak astronomia głębokiego kosmosu czy zaawansowana mikroskopia fluorescencyjna, kamery CCD często przewyższają wiele alternatywnych rozwiązań CMOS.
Zrozumienie mocnych i słabych stron czujników CCD pomaga badaczom i inżynierom wybrać odpowiednią technologię odpowiadającą ich potrzebom, gwarantując optymalną wydajność w zastosowaniach naukowych lub przemysłowych.
Często zadawane pytania
Kiedy powinienem wybrać czujnik CCD?
Matryce CCD są dziś znacznie rzadsze niż dziesięć lat temu, ponieważ technologia CMOS zaczyna ustępować nawet ich niskim parametrom prądu ciemnego. Zawsze jednak będą istnieć zastosowania, w których połączenie ich cech wydajnościowych – takich jak doskonała jakość obrazu, niski poziom szumów i wysoka czułość – zapewni przewagę.
Dlaczego w kamerach naukowych stosuje się chłodzone matryce CCD?
Chłodzenie redukuje szum termiczny podczas rejestrowania obrazu, poprawiając jego przejrzystość i czułość. Jest to szczególnie ważne w przypadku obrazowania naukowego przy słabym oświetleniu i długim czasie naświetlania, dlatego wiele zaawansowanych aparatów…kamery naukowepolegaj na chłodzonych matrycach CCD, aby uzyskać czystsze i dokładniejsze wyniki.
Na czym polega tryb nakładania się w przetwornikach CCD i EMCCD i w jaki sposób poprawia on wydajność aparatu?
Matryce CCD i EMCCD zazwyczaj obsługują tryb nakładania się klatek. W przypadku aparatów z migawką globalną oznacza to możliwość odczytu poprzedniej klatki podczas naświetlania kolejnej. Prowadzi to do wysokiego (prawie 100%) współczynnika wypełnienia, co oznacza minimalną stratę czasu na nienaświetlanie klatek, a tym samym wyższą liczbę klatek na sekundę.
Uwaga: tryb nakładania się ma inne znaczenie w przypadku czujników migawki toczącej.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o roletach, kliknij:
Jak działa tryb sterowania roletą i jak go używać
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
