25/07/31Deși în 2025, senzorii CMOS domină atât imagistica științifică, cât și cea pentru consumatori, acest lucru nu a fost întotdeauna cazul.
CCD înseamnă „Charge-Coupled Device” (Dispozitiv cu cuplare de sarcină), iar senzorii CCD au fost primii senzori digitali ai camerelor, dezvoltați pentru prima dată în 1970. Camerele bazate pe CCD și EMCCD erau recomandate în mod obișnuit pentru aplicații științifice până acum câțiva ani. Ambele tehnologii supraviețuiesc și astăzi, deși utilizările lor au devenit nișate.
Rata de îmbunătățire și dezvoltare a senzorilor CMOS continuă să crească. Diferența dintre aceste tehnologii constă în principal în modul în care procesează și citesc sarcina electronică detectată.
Ce este un senzor CCD?
Senzorul CCD este un tip de senzor de imagine utilizat pentru a capta lumina și a o converti în semnale digitale. Acesta constă dintr-o matrice de pixeli sensibili la lumină care colectează fotoni și îi transformă în sarcini electrice.
Citirea senzorului CCD diferă de cea a senzorului CMOS în trei moduri semnificative:
● Transfer de sarcinăFotoelectronii captați sunt deplasați electrostatic, pixel cu pixel, prin senzor, către o zonă de citire din partea de jos.
● Mecanism de citireÎn loc de un rând întreg de convertoare analog-digitale (ADC) care funcționează în paralel, CCD-urile utilizează doar unul sau două ADC-uri (sau uneori mai multe) care citesc pixelii secvențial.
Plasarea condensatoarelor și amplificatoarelor: În locul condensatoarelor și amplificatoarelor din fiecare pixel, fiecare ADC are un condensator și un amplificator.
Cum funcționează un senzor CCD?
Iată cum funcționează un senzor CCD pentru a achiziționa și procesa o imagine:
Figura: Procesul de citire pentru un senzor CCD
La sfârșitul expunerii, senzorii CCD mută mai întâi sarcinile colectate într-o zonă de stocare mascată din interiorul fiecărui pixel (neprezentată). Apoi, pe rând, sarcinile sunt mutate într-un registru de citire. Pe rând, sarcinile din registrul de citire sunt citite.
1. Compensarea taxelorPentru a începe achiziția, încărcarea este eliminată simultan din întregul senzor (obturator global).
2. Acumulare de încărcareSarcina se acumulează în timpul expunerii.
3. Stocarea încărcăriiLa sfârșitul expunerii, sarcinile colectate sunt mutate într-o zonă mascată din interiorul fiecărui pixel (numită CCD cu transfer interlinie), unde pot aștepta citirea fără a fi numărați noii fotoni detectați.
4. Expunerea cadrului următorOdată cu sarcinile detectate stocate în zona mascată de pixeli, zona activă de pixeli poate începe expunerea următorului cadru (mod suprapunere).
5. Citire secvențialăCâștigurile din fiecare rând al cadrului finalizat sunt mutate într-un „registru de citire”.
6. Citire finalăCâte o coloană pe rând, sarcinile de la fiecare pixel sunt transferate în nodul de citire pentru citire la ADC.
7. RepetiţieAcest proces se repetă până când sunt numărate încărcăturile detectate în toți pixelii.
Acest blocaj cauzat de citirea tuturor sarcinilor detectate de către un număr mic (uneori unul) de puncte de citire duce la limitări severe ale debitului de date al senzorilor CCD în comparație cu CMOS.
Avantajele și dezavantajele senzorilor CCD
| Avantaje | Contra |
| Curent de întuneric scăzut De obicei ~0,001 e⁻/p/s după răcire. | Viteză limitată Randament tipic ~20 MP/s — mult mai lent decât CMOS. |
| Taxele de binning pe pixel sunt însumate înainte de citire, reducând zgomotul. | Zgomot de citire ridicat 5–10 e⁻ este comun din cauza citirii ADC într-un singur punct. |
| Obturator global Obturator global real sau aproape global în CCD-uri cu transfer interlinie/cadru. | Dimensiunile mai mari ale pixelilor nu pot egala miniaturizarea oferită de CMOS. |
| Uniformitate ridicată a imaginii Excelentă pentru imagistica cantitativă. | Consum ridicat de energie Necesită mai multă putere pentru schimbarea încărcării și citire. |
Avantajele senzorului CCD
● Curent de întuneric scăzutCa tehnologie inerentă, senzorii CCD tind să aibă un curent de întuneric foarte scăzut, de obicei de ordinul a 0,001 e-/p/s atunci când sunt răciți.
● Binning „pe pixel”În timpul procesului de binning, CCD-urile adaugă sarcini înainte de citire, nu după, ceea ce înseamnă că nu se introduce zgomot suplimentar de citire. Curentul de întuneric crește, dar, așa cum s-a menționat mai sus, acesta este de obicei foarte scăzut.
● Obturator globalSenzorii CCD „interlinie” funcționează cu un obturator global real. Senzorii CCD „transfer de cadre” utilizează un obturator „jumătate de global” (vezi regiunea „mascată” din Figura 45) – procesul de transfer de cadre pentru începerea și încheierea expunerii nu este cu adevărat simultan, ci durează de obicei între 1 și 10 microsecunde. Unele CCD utilizează obturator mecanic.
Dezavantajele senzorilor CCD
● Viteză limitatăDebitul tipic de date în pixeli pe secundă poate fi de aproximativ 20 de megapixeli pe secundă (MP/s), echivalentul unei imagini de 4 MP la 5 fps. Aceasta este de aproximativ 20 de ori mai lentă decât un CMOS echivalent și de cel puțin 100 de ori mai lentă decât un CMOS de mare viteză.
● Zgomot ridicat de citireZgomotul de citire în CCD-uri este ridicat, în mare parte datorită necesității de a rula ADC-urile la o rată mare pentru a obține o viteză utilizabilă a camerei. 5 până la 10 e- este o valoare obișnuită pentru camerele CCD de înaltă performanță.
● Pixeli mai mariPentru multe aplicații, pixelii mai mici oferă avantaje. Arhitectura CMOS tipică permite dimensiuni minime ale pixelilor mai mici decât CCD.
● Consum ridicat de energieNecesarul de energie pentru funcționarea senzorilor CCD este mult mai mare decât cel al CMOS.
Aplicații ale senzorilor CCD în imagistica științifică
Deși tehnologia CMOS a câștigat popularitate, senzorii CCD sunt încă preferați în anumite aplicații științifice de imagistică, unde calitatea imaginii, sensibilitatea și consistența sunt primordiale. Capacitatea lor superioară de a capta semnale în condiții de lumină slabă cu zgomot minim îi face ideali pentru aplicații de precizie.
Astronomie
Senzorii CCD sunt esențiali în imagistica astronomică datorită capacității lor de a capta lumina slabă de la stele și galaxii îndepărtate. Aceștia sunt utilizați pe scară largă atât în observatoare, cât și în astronomia avansată de amatori pentru astrofotografie cu expunere lungă, oferind imagini clare și detaliate.
Microscopie și Științe ale Vieții
În științele vieții, senzorii CCD sunt utilizați pentru a capta semnale fluorescente slabe sau structuri celulare subtile. Sensibilitatea și uniformitatea lor ridicate îi fac perfecți pentru aplicații precum microscopia cu fluorescență, imagistica celulelor vii și patologia digitală. Răspunsul lor liniar la lumină asigură o analiză cantitativă precisă.
Inspecția semiconductorilor
Senzorii CCD sunt cruciali în fabricarea semiconductorilor, în special pentru inspecția plachetelor. Rezoluția lor ridicată și calitatea constantă a imaginilor sunt esențiale pentru identificarea defectelor la scară microscopică din cipuri, asigurând precizia necesară în producția de semiconductori.
Radiografie și imagistică științifică
Senzorii CCD sunt utilizați și în sistemele de detectare a razelor X și în alte aplicații specializate de imagistică. Capacitatea lor de a menține rapoarte semnal-zgomot ridicate, în special atunci când sunt răciți, este vitală pentru imagini clare în condiții dificile, cum ar fi cristalografia, analiza materialelor și testarea nedistructivă.
Mai sunt senzorii CCD relevanți astăzi?
Cameră CCD Tucsen H-694 și 674
În ciuda dezvoltării rapide a tehnologiei CMOS, senzorii CCD sunt departe de a fi învechiți. Aceștia rămân o alegere preferată în sarcinile de imagistică în condiții de lumină ultra-slabă și de înaltă precizie, unde calitatea lor de neegalat a imaginii și caracteristicile de zgomot sunt cruciale. În domenii precum astronomia spațială sau microscopia avansată cu fluorescență, camerele CCD depășesc adesea multe alternative CMOS.
Înțelegerea punctelor forte și a punctelor slabe ale senzorilor CCD îi ajută pe cercetători și ingineri să selecteze tehnologia potrivită pentru nevoile lor specifice, asigurând performanțe optime în aplicațiile lor științifice sau industriale.
Întrebări frecvente
Când ar trebui să aleg un senzor CCD?
Senzorii CCD sunt mult mai rari astăzi decât acum zece ani, deoarece tehnologia CMOS începe să le afecteze chiar și performanța la curentul de întuneric redus. Cu toate acestea, vor exista întotdeauna aplicații în care combinația lor de caracteristici de performanță - cum ar fi calitatea superioară a imaginii, zgomotul redus și sensibilitatea ridicată - oferă un avantaj.
De ce folosesc camerele științifice senzori CCD răciți?
Răcirea reduce zgomotul termic în timpul captării imaginii, îmbunătățind claritatea și sensibilitatea imaginii. Acest lucru este important în special pentru imagistica științifică în condiții de lumină slabă și expunere lungă, motiv pentru care multe dispozitive de înaltă performanță...camere științificebazați-vă pe CCD-uri răcite pentru rezultate mai curate și mai precise.
Ce este modul de suprapunere în senzorii CCD și EMCCD și cum îmbunătățește performanța camerei?
Senzorii CCD și EMCCD sunt de obicei capabili de „mod suprapunere”. Pentru camerele cu obturator global, aceasta se referă la capacitatea de a citi cadrul anterior în timpul expunerii cadrului următor. Acest lucru duce la un ciclu de funcționare ridicat (aproape de 100%), ceea ce înseamnă că se pierde un timp minim fără expunerea cadrelor la lumină și, prin urmare, rate de cadre mai mari.
Notă: Modul de suprapunere are o semnificație diferită pentru senzorii cu obturator rulant.
Dacă doriți să aflați mai multe despre obloanele rulante, vă rugăm să faceți clic pe:
Cum funcționează modul de control Rolling Shutter și cum se utilizează
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
