2025/07/31Хотя к 2025 году CMOS-сенсоры будут доминировать как в научной, так и в потребительской фототехнике, так было не всегда.
Аббревиатура CCD расшифровывается как «прибор с зарядовой связью», и CCD-сенсоры были первыми сенсорами для цифровых камер, впервые разработанными в 1970 году. Камеры на основе CCD и EMCCD обычно рекомендовались для научных приложений еще несколько лет назад. Обе технологии до сих пор существуют, хотя их применение стало нишевым.
Темпы совершенствования и развития CMOS-сенсоров продолжают расти. Разница между этими технологиями заключается прежде всего в способе обработки и считывания обнаруженного электронного заряда.
Что такое ПЗС-матрица?
ПЗС-матрица — это тип датчика изображения, используемый для захвата света и преобразования его в цифровые сигналы. Она состоит из массива светочувствительных пикселей, которые собирают фотоны и преобразуют их в электрические заряды.
Способ считывания данных с ПЗС-матрицы отличается от способа считывания данных с КМОП-матрицы тремя существенными способами:
● Передача зарядаЗахваченные фотоэлектроны электростатически перемещаются от пикселя к пикселю по сенсору к области считывания в нижней части.
● Механизм считыванияВместо целого ряда аналого-цифровых преобразователей (АЦП), работающих параллельно, в ПЗС-матрицах используется всего один или два АЦП (а иногда и больше), которые считывают пиксели последовательно.
Размещение конденсаторов и усилителей: Вместо конденсаторов и усилителей в каждом пикселе каждый АЦП имеет один конденсатор и один усилитель.
Как работает ПЗС-матрица?
Вот как работает ПЗС-матрица для получения и обработки изображения:
По окончании экспозиции ПЗС-датчики сначала перемещают собранные заряды в замаскированную область хранения внутри каждого пикселя (не показана). Затем, по одной строке за раз, заряды перемещаются в регистр считывания. По одному столбцу за раз, заряды из регистра считывания считываются.
1. Снятие зарядаДля начала съемки заряд одновременно сбрасывается со всего датчика (глобальный затвор).
2. Накопление зарядаВ процессе воздействия накапливается заряд.
3. Хранение зарядаПо окончании экспозиции собранные заряды перемещаются в замаскированную область внутри каждого пикселя (так называемый межстрочный ПЗС-матрица), где они могут ожидать считывания без подсчета новых обнаруженных фотонов.
4. Экспозиция следующего кадраБлагодаря обнаруженным зарядам, хранящимся в замаскированной области пикселей, активная область пикселей может начать экспозицию следующего кадра (режим перекрытия).
5. Последовательное считываниеЗаряды из каждого ряда готовой рамы поочередно перемещаются в «регистр считывания».
6. Итоговые показанияПоочередно заряды от каждого пикселя подаются в узел считывания для последующего считывания на АЦП.
7. ПовторениеЭтот процесс повторяется до тех пор, пока не будет подсчитано количество обнаруженных зарядов во всех пикселях.
Это узкое место, вызванное тем, что все обнаруженные заряды считываются небольшим количеством (иногда одним) точек считывания, приводит к серьезным ограничениям пропускной способности данных CCD-сенсоров по сравнению с CMOS-сенсорами.
Преимущества и недостатки ПЗС-сенсоров
| Плюсы | Минусы |
| Низкий темновой ток, обычно ~0,001 e⁻/пс при охлаждении. | Ограниченная скорость. Типичная пропускная способность ~20 Мп/с — значительно медленнее, чем у CMOS-технологии. |
| При использовании технологии группировки пикселей заряды суммируются перед считыванием, что снижает уровень шума. | Высокий уровень шума считывания (5–10 e⁻) является распространенным явлением из-за одноточечного считывания АЦП. |
| Глобальный затвор. Истинный глобальный или почти глобальный затвор в ПЗС-матрицах с межстрочным/кадровым переносом. | Большие размеры пикселей не могут сравниться с миниатюризацией, которую обеспечивает технология CMOS. |
| Высокая однородность изображения. Отлично подходит для количественной визуализации. | Высокое энергопотребление. Требует больше энергии для переноса заряда и считывания. |
Преимущества ПЗС-сенсора
● Низкий темновой токПо своей природе ПЗС-сенсоры, как правило, обладают очень низким темновым током, обычно порядка 0,001 электронов/пик/с при охлаждении.
● Объединение пикселейПри биннинге ПЗС-матрицы добавляют заряды до считывания, а не после, что означает отсутствие дополнительного шума при считывании. Темновой ток увеличивается, но, как отмечалось выше, обычно он очень невелик.
● Глобальный затворПЗС-матрицы типа «межстрочный» работают с настоящим глобальным затвором. ПЗС-матрицы типа «перенос кадра» используют «полуглобальный» затвор (см. «замаскированную» область на рисунке 45) – процесс переноса кадра для начала и окончания экспозиции не является по-настоящему одновременным, а обычно занимает порядка 1-10 микросекунд. Некоторые ПЗС-матрицы используют механический затвор.
Недостатки ПЗС-сенсоров
● Ограниченная скоростьТипичная пропускная способность данных в пикселях в секунду может составлять около 20 мегапикселей в секунду (МП/с), что эквивалентно изображению с разрешением 4 МП при 5 кадрах в секунду. Это примерно в 20 раз медленнее, чем у эквивалентных CMOS-матриц, и как минимум в 100 раз медленнее, чем у высокоскоростных CMOS-матриц.
● Высокий уровень шума считыванияШум считывания в ПЗС-матрицах высок, в основном из-за необходимости работы АЦП(ов) с высокой частотой для достижения приемлемой скорости камеры. 5–10 e– — это типичный показатель для высококачественных ПЗС-камер.
● Более крупные пикселиДля многих применений меньшие размеры пикселей обеспечивают преимущества. Типичная архитектура CMOS позволяет использовать меньшие минимальные размеры пикселей, чем CCD.
● Высокое энергопотреблениеПотребляемая мощность ПЗС-матриц значительно выше, чем у КМОП-матриц.
Применение ПЗС-датчиков в научной визуализации.
Несмотря на растущую популярность технологии CMOS, датчики CCD по-прежнему предпочтительны в некоторых научных приложениях обработки изображений, где качество изображения, чувствительность и стабильность имеют первостепенное значение. Их превосходная способность улавливать сигналы при слабом освещении с минимальным уровнем шума делает их идеальными для высокоточных приложений.
Астрономия
ПЗС-матрицы играют решающую роль в астрономической съемке благодаря своей способности улавливать слабый свет от далеких звезд и галактик. Они широко используются как в обсерваториях, так и в любительской астрономии для астрофотографии с длительной выдержкой, обеспечивая получение четких и детализированных изображений.
Микроскопия и науки о жизни
В биологических науках ПЗС-датчики используются для регистрации слабых сигналов флуоресценции или тонких клеточных структур. Их высокая чувствительность и однородность делают их идеальными для таких применений, как флуоресцентная микроскопия, визуализация живых клеток и цифровая патология. Линейная зависимость отклика от света обеспечивает точный количественный анализ.
Контроль полупроводниковых компонентов
ПЗС-датчики играют решающую роль в производстве полупроводников, особенно для контроля качества пластин. Их высокое разрешение и стабильное качество изображения необходимы для выявления микроскопических дефектов в микросхемах, обеспечивая точность, требуемую в полупроводниковом производстве.
Рентгеновская и научная визуализация
ПЗС-датчики также используются в системах обнаружения рентгеновского излучения и других специализированных приложениях для получения изображений. Их способность поддерживать высокое отношение сигнал/шум, особенно при охлаждении, имеет решающее значение для получения четких изображений в сложных условиях, таких как кристаллография, анализ материалов и неразрушающий контроль.
Актуальны ли сегодня ПЗС-датчики?
ПЗС-камера Tucsen H-694 и 674
Несмотря на стремительное развитие технологии CMOS, датчики CCD далеко не устарели. Они остаются предпочтительным выбором в задачах получения изображений в условиях сверхнизкой освещенности и высокой точности, где их непревзойденное качество изображения и шумовые характеристики имеют решающее значение. В таких областях, как астрономия дальнего космоса или передовая флуоресцентная микроскопия, камеры CCD часто превосходят многие альтернативы на основе CMOS.
Понимание сильных и слабых сторон ПЗС-датчиков помогает исследователям и инженерам выбирать подходящую технологию для своих конкретных нужд, обеспечивая оптимальную производительность в научных или промышленных приложениях.
Часто задаваемые вопросы
В каких случаях следует выбирать CCD-сенсор?
Сегодня ПЗС-сенсоры встречаются гораздо реже, чем десять лет назад, поскольку технология КМОП начинает доминировать даже над ними, демонстрируя низкий темновой ток. Однако всегда будут существовать области применения, где сочетание их характеристик — таких как превосходное качество изображения, низкий уровень шума и высокая чувствительность — обеспечит преимущество.
Почему в научных камерах используются охлаждаемые ПЗС-матрицы?
Охлаждение снижает тепловой шум во время съемки, улучшая четкость изображения и чувствительность. Это особенно важно для научной съемки в условиях низкой освещенности и с длительной выдержкой, поэтому многие высококачественные камеры...научные камерыИспользование охлаждаемых ПЗС-матриц обеспечивает более чистые и точные результаты.
Что такое режим перекрытия в CCD и EMCCD сенсорах, и как он улучшает характеристики камеры?
CCD и EMCCD сенсоры обычно поддерживают «режим перекрытия». Для камер с глобальным затвором это означает возможность считывания предыдущего кадра во время экспозиции следующего кадра. Это приводит к высокому (близкому к 100%) коэффициенту заполнения, что означает минимальную потерю времени, затрачиваемого на предотвращение экспозиции кадров, и, следовательно, более высокую частоту кадров.
Примечание: для датчиков с эффектом «скользящего затвора» режим перекрытия имеет другое значение.
Если вы хотите узнать больше о рольставнях, пожалуйста, перейдите по ссылке:
Как работает режим управления рулонной затворной рамкой и как им пользоваться.
