25. 7. 2031Hoci v roku 2025 dominujú CMOS senzory vo vedeckom aj spotrebiteľskom zobrazovaní, nebolo to vždy tak.
CCD je skratka pre „Charge-Coupled Device“ (zariadenie s nábojovou väzbou) a CCD snímače boli pôvodné snímače digitálnych fotoaparátov, ktoré boli prvýkrát vyvinuté v roku 1970. Kamery založené na CCD a EMCCD sa bežne odporúčali na vedecké aplikácie ešte pred niekoľkými rokmi. Obe technológie prežívajú dodnes, hoci ich využitie sa stalo špecifickým.
Tempo zdokonaľovania a vývoja CMOS senzorov neustále rastie. Rozdiel medzi týmito technológiami spočíva predovšetkým v spôsobe, akým spracovávajú a čítajú detekovaný elektronický náboj.
Čo je CCD snímač?
CCD snímač je typ obrazového snímača, ktorý sa používa na zachytávanie svetla a jeho prevod na digitálne signály. Pozostáva zo sústavy svetlocitlivých pixelov, ktoré zhromažďujú fotóny a premieňajú ich na elektrické náboje.
Odčítanie údajov z CCD snímača sa líši od CMOS snímača v troch významných ohľadoch:
● Prenos poplatkuZachytené fotoelektróny sú elektrostaticky presúvané pixel po pixeli cez senzor do oblasti odčítania v spodnej časti.
● Mechanizmus odčítaniaNamiesto celého radu analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC) pracujúcich paralelne používajú CCD snímače iba jeden alebo dva ADC (alebo niekedy aj viac), ktoré čítajú pixely postupne.
Umiestnenie kondenzátora a zosilňovača: Namiesto kondenzátorov a zosilňovačov v každom pixeli má každý ADC jeden kondenzátor a zosilňovač.
Ako funguje CCD snímač?
Tu je postup, ako CCD snímač pracuje na získavaní a spracovaní obrazu:
Obrázok: Proces odčítania údajov z CCD snímača
Na konci expozície CCD snímače najprv presunú nazbierané náboje do maskovanej pamäťovej oblasti vo vnútri každého pixelu (nie je znázornená). Potom sa náboje, jeden riadok po druhom, presúvajú do odčítavacieho registra. Náboje v odčítacom registri sa načítavajú stĺpec po stĺpci.
1. Zúčtovanie poplatkovNa začatie snímania sa súčasne vybije náboj z celého senzora (globálna uzávierka).
2. Akumulácia nábojaPočas expozície sa akumuluje náboj.
3. Úložisko nabíjaniaNa konci expozície sa zozbierané náboje presunú do maskovanej oblasti v rámci každého pixelu (nazývanej medziriadkový prenosový CCD), kde môžu čakať na načítanie bez toho, aby sa počítali nové detekované fotóny.
4. Expozícia nasledujúceho záberuPo zistených nábojoch uložených v maskovanej oblasti pixelov môže aktívna oblasť pixelov začať s expozíciou ďalšieho snímku (režim prekrývania).
5. Sekvenčné odčítanieNáboje z každého riadku hotového rámca sa po jednom riadku presúvajú do „registra na odčítanie“.
6. Záverečné odčítanieNáboje z každého pixelu sú po stĺpci po stĺpci prenášané do čítacieho uzla na čítanie v ADC.
7. OpakovanieTento proces sa opakuje, kým sa nespočítajú detekované náboje vo všetkých pixeloch.
Toto úzke hrdlo spôsobené tým, že všetky detekované náboje sú čítané malým počtom (niekedy jedným) čítacích bodov, vedie k vážnym obmedzeniam priepustnosti dát CCD snímačov v porovnaní s CMOS.
Výhody a nevýhody CCD senzorov
| Výhody | Nevýhody |
| Nízky tmavý prúd Typicky ~0,001 e⁻/p/s po ochladení. | Obmedzená rýchlosť Typická priepustnosť ~20 MP/s – oveľa pomalšie ako CMOS. |
| Poplatky za binning na pixeloch sa pred načítaním sčítajú, čím sa znižuje šum. | Vysoký šum pri čítaní 5–10 e⁻ je bežný kvôli jednobodovému čítaniu ADC. |
| Globálna uzávierka Skutočná globálna alebo takmer globálna uzávierka v medziriadkových/snímkovo-prenosových CCD snímačoch. | Väčšie veľkosti pixelov sa nemôžu porovnávať s miniaturizáciou, ktorú ponúka CMOS. |
| Vysoká uniformita obrazu Vynikajúca pre kvantitatívne zobrazovanie. | Vysoká spotreba energie Vyžaduje viac energie na posun náboja a odčítanie. |
Výhody CCD snímača
● Nízky tmavý prúdCCD senzory ako technológia majú vo svojej podstate veľmi nízky tmavý prúd, zvyčajne rádovo 0,001 e-/p/s po ochladení.
● „On-pixel“ BinningPri binningu CCD čipy pridávajú náboje pred čítaním, nie po ňom, čo znamená, že nevzniká žiadny ďalší šum pri čítaní. Tmavý prúd sa zvyšuje, ale ako je uvedené vyššie, zvyčajne je veľmi nízky.
● Globálna uzávierkaCCD snímače typu „Interline“ pracujú so skutočnou globálnou uzávierkou. CCD snímače typu „Frame Transfer“ používajú „polovičnú globálnu“ uzávierku (pozri „maskovanú“ oblasť na obrázku 45) – proces prenosu snímok na začiatok a koniec expozície nie je skutočne simultánny, ale zvyčajne trvá rádovo 1 – 10 mikrosekúnd. Niektoré CCD snímače používajú mechanickú uzávierku.
Nevýhody CCD senzorov
● Obmedzená rýchlosťTypická priepustnosť dát v pixeloch za sekundu môže byť približne 20 megapixelov za sekundu (MP/s), čo zodpovedá 4 MP obrázku pri 5 snímkach za sekundu. To je približne 20-krát pomalšie ako ekvivalentný CMOS a najmenej 100-krát pomalšie ako vysokorýchlostný CMOS.
● Vysoký šum pri čítaníŠum pri čítaní v CCD snímačoch je vysoký, najmä kvôli potrebe prevádzkovať ADC s vysokou frekvenciou na dosiahnutie použiteľnej rýchlosti kamery. Pre špičkové CCD kamery je bežná hodnota 5 až 10 e-.
● Väčšie pixelyPre mnohé aplikácie poskytujú menšie pixely výhody. Typická architektúra CMOS umožňuje menšie minimálne veľkosti pixelov ako CCD.
● Vysoká spotreba energiePožiadavky na napájanie CCD snímačov sú oveľa vyššie ako pri CMOS.
Aplikácie CCD senzorov vo vedeckom zobrazovaní
Hoci technológia CMOS získala na popularite, CCD snímače sú stále uprednostňované v určitých vedeckých zobrazovacích aplikáciách, kde sú prvoradé kvalita obrazu, citlivosť a konzistentnosť. Ich vynikajúca schopnosť zachytiť signály pri slabom osvetlení s minimálnym šumom ich robí ideálnymi pre presné aplikácie.
Astronómia
CCD snímače sú v astronomickom zobrazovaní kľúčové vďaka svojej schopnosti zachytiť slabé svetlo vzdialených hviezd a galaxií. Sú široko používané v observatóriách aj v pokročilej amatérskej astronómii na astrofotografiu s dlhou expozíciou a poskytujú jasné a detailné snímky.
Mikroskopia a biologické vedy
V biologických vedách sa CCD senzory používajú na zachytávanie slabých fluorescenčných signálov alebo jemných bunkových štruktúr. Vďaka svojej vysokej citlivosti a uniformite sú ideálne pre aplikácie ako fluorescenčná mikroskopia, zobrazovanie živých buniek a digitálna patológia. Ich lineárna svetelná odozva zaisťuje presnú kvantitatívnu analýzu.
Kontrola polovodičov
CCD senzory sú kľúčové vo výrobe polovodičov, najmä pri kontrole doštičiek (waferov). Ich vysoké rozlíšenie a konzistentná kvalita obrazu sú nevyhnutné na identifikáciu mikroskopických defektov v čipoch, čím sa zabezpečuje presnosť požadovaná pri výrobe polovodičov.
Röntgenové a vedecké zobrazovanie
CCD senzory sa používajú aj v systémoch detekcie röntgenového žiarenia a iných špecializovaných zobrazovacích aplikáciách. Ich schopnosť udržiavať vysoký pomer signálu k šumu, najmä pri chladení, je nevyhnutná pre jasné zobrazovanie v náročných podmienkach, ako je kryštalografia, analýza materiálov a nedeštruktívne testovanie.
Sú CCD snímače dnes stále relevantné?
CCD kamera Tucsen H-694 a 674
Napriek rýchlemu rozvoju technológie CMOS nie sú CCD snímače ani zďaleka zastarané. Zostávajú preferovanou voľbou pri úlohách snímania pri veľmi slabom osvetlení a pri vysoko presnom zobrazovaní, kde je ich bezkonkurenčná kvalita obrazu a šumové charakteristiky kľúčové. V oblastiach, ako je hlbokovesmírna astronómia alebo pokročilá fluorescenčná mikroskopia, CCD kamery často prekonávajú mnohé alternatívy CMOS.
Pochopenie silných a slabých stránok CCD senzorov pomáha výskumníkom a inžinierom vybrať si správnu technológiu pre ich špecifické potreby a zabezpečiť optimálny výkon vo vedeckých alebo priemyselných aplikáciách.
Často kladené otázky
Kedy by som si mal vybrať CCD snímač?
CCD snímače sú dnes oveľa vzácnejšie ako pred desiatimi rokmi, pretože technológia CMOS začína zasahovať aj do ich výkonu pri nízkom tmavom prúde. Vždy však budú existovať aplikácie, kde ich kombinácia výkonnostných charakteristík – ako je vynikajúca kvalita obrazu, nízky šum a vysoká citlivosť – poskytuje výhodu.
Prečo vedecké kamery používajú chladené CCD snímače?
Chladenie znižuje tepelný šum počas snímania obrazu, čím zlepšuje jasnosť a citlivosť obrazu. To je obzvlášť dôležité pre vedecké zobrazovanie pri slabom osvetlení a dlhej expozícii, a preto mnoho špičkových...vedecké kameryPre čistejšie a presnejšie výsledky sa spoliehajte na chladené CCD snímače.
Čo je režim prekrývania v snímačoch CCD a EMCCD a ako zlepšuje výkon fotoaparátu?
Snímače CCD a EMCCD sú zvyčajne schopné „režimu prekrývania“. V prípade kamier s globálnou uzávierkou sa to vzťahuje na schopnosť načítať predchádzajúci záber počas expozície nasledujúceho záberu. To vedie k vysokému (takmer 100 %) pracovnému cyklu, čo znamená minimálnu stratu času pri neexponovaní záberov svetlu, a teda k vyšším snímkovým frekvenciám.
Poznámka: Režim prekrytia má iný význam pre senzory rolety.
Ak sa chcete dozvedieť viac o roletách, kliknite na:
Ako funguje režim ovládania rolovacej uzávierky a ako ho používať
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
