25. 7. 2031Čeprav leta 2025 CMOS senzorji prevladujejo tako v znanstvenem kot potrošniškem slikanju, ni bilo vedno tako.
CCD je kratica za »Charge-Coupled Device« (nabojno sklopljena naprava), senzorji CCD pa so bili prvotni senzorji digitalnih fotoaparatov, prvič razviti leta 1970. Kamere na osnovi CCD in EMCCD so bile do pred nekaj leti pogosto priporočljive za znanstvene aplikacije. Obe tehnologiji še vedno obstajata, čeprav je njuna uporaba postala nišna.
Stopnja izboljšav in razvoja CMOS senzorjev se še naprej povečuje. Razlika med tema tehnologijama je predvsem v načinu obdelave in odčitavanja zaznanega elektronskega naboja.
Kaj je CCD senzor?
CCD senzor je vrsta slikovnega senzorja, ki se uporablja za zajemanje svetlobe in njeno pretvorbo v digitalne signale. Sestavljen je iz niza svetlobno občutljivih slikovnih pik, ki zbirajo fotone in jih pretvarjajo v električne naboje.
Odčitavanje CCD senzorja se od CMOS senzorja razlikuje na tri pomembne načine:
● Prenos bremenitveZajeti fotoelektroni se elektrostatično premikajo piksel za pikslom čez senzor do območja za odčitavanje na dnu.
● Mehanizem za branjeNamesto celotne vrste analogno-digitalnih pretvornikov (ADC), ki delujejo vzporedno, CCD-ji uporabljajo le enega ali dva ADC-ja (ali včasih več), ki piksle berejo zaporedno.
Namestitev kondenzatorja in ojačevalnika: Namesto kondenzatorjev in ojačevalnikov v vsaki slikovni piki ima vsak ADC en kondenzator in ojačevalnik.
Kako deluje CCD senzor?
Takole deluje CCD senzor za zajemanje in obdelavo slike:
Slika: Postopek odčitavanja za CCD senzor
Ob koncu osvetlitve CCD senzorji najprej premaknejo zbrane naboje v maskirano območje za shranjevanje znotraj vsakega slikovnega elementa (ni prikazano). Nato se naboji, po vrsticah naenkrat, premaknejo v register za branje. Stolpci naenkrat se odčitajo naboji znotraj registra za branje.
1. Pobiranje bremenitveZa začetek zajemanja se hkrati izprazni naboj iz celotnega senzorja (globalni zaklop).
2. Kopičenje naboja: Naboj se med izpostavljenostjo kopiči.
3. Shranjevanje polnjenjaOb koncu osvetlitve se zbrani naboji premaknejo na maskirano območje znotraj vsakega slikovnega elementa (imenovano CCD z medvrstičnim prenosom), kjer lahko čakajo na odčitavanje, ne da bi se prešteli novi zaznani fotoni.
4. Osvetlitev naslednjega kadraKo se zaznani naboji shranijo v maskiranem območju slikovnih pik, lahko aktivno območje slikovnih pik začne osvetljevati naslednji kader (način prekrivanja).
5. Zaporedno odčitavanjeNaboji iz vsake vrstice končnega okvirja se vrstico za vrstico premaknejo v 'register za branje'.
6. Končno odčitavanjeStolpec za stolpcem se naboji iz vsakega slikovnega elementa prenesejo v bralno vozlišče za odčitavanje na ADC-ju.
7. PonavljanjeTa postopek se ponavlja, dokler se ne preštejejo zaznani naboji v vseh slikovnih pikah.
To ozko grlo, ki ga povzroča majhno število (včasih ena) odčitavalnih točk, vodi do resnih omejitev pretoka podatkov CCD senzorjev v primerjavi s CMOS.
Prednosti in slabosti CCD senzorjev
| Prednosti | Slabosti |
| Nizek temni tok Običajno ~0,001 e⁻/p/s pri ohlajanju. | Omejena hitrost Tipična prepustnost ~20 MP/s – veliko počasneje kot CMOS. |
| Naboji združevanja na slikovnih pikah se pred odčitavanjem seštejejo, kar zmanjša šum. | Visok šum pri branju 5–10 e⁻ je pogost zaradi enotočkovnega odčitavanja ADC-ja. |
| Globalni zaklop Pravi globalni ali skoraj globalni zaklop pri CCD-jih z medvrstičnim/slikovnim prenosom. | Večje velikosti slikovnih pik se ne morejo kosati z miniaturizacijo, ki jo ponuja CMOS. |
| Visoka enakomernost slike Odlično za kvantitativno slikanje. | Visoka poraba energije Zahteva več energije za premikanje naboja in odčitavanje. |
Prednosti CCD senzorja
● Nizek temni tokCCD senzorji kot tehnologija imajo že po naravi zelo nizek temni tok, običajno okoli 0,001 e-/p/s, ko so ohlajeni.
● Združevanje »na slikovni piki«Pri združevanju CCD-ji dodajajo naboje pred odčitavanjem, ne po njem, kar pomeni, da se ne vnaša dodaten šum pri branju. Temni tok se sicer poveča, vendar je, kot je navedeno zgoraj, ta običajno zelo nizek.
● Globalni zaklopCCD senzorji »Interline« delujejo s pravim globalnim zaklopom. CCD senzorji »Frame Transfer« uporabljajo »pol globalni« zaklop (glejte »Masked« območje na sliki 45) – postopek prenosa sličic za začetek in konec osvetlitve ni resnično sočasen, ampak običajno traja od 1 do 10 mikrosekund. Nekateri CCD-ji uporabljajo mehanski zaklop.
Slabosti CCD senzorjev
● Omejena hitrostTipična prepustnost podatkov v slikovnih pikah na sekundo je lahko približno 20 milijonov slikovnih pik na sekundo (MP/s), kar ustreza sliki s 4 MP pri 5 sličicah na sekundo. To je približno 20-krat počasneje kot pri enakovrednem CMOS-u in vsaj 100-krat počasneje kot pri visokohitrostnem CMOS-u.
● Visok šum pri branjuBralni šum v CCD-jih je visok, predvsem zaradi potrebe po delovanju ADC-jev z visoko hitrostjo za doseganje uporabne hitrosti kamere. Za vrhunske CCD kamere je običajno od 5 do 10 e-.
● Večji slikovni elementiZa številne aplikacije manjši slikovni elementi nudijo prednosti. Tipična arhitektura CMOS omogoča manjše minimalne velikosti slikovnih pik kot CCD.
● Visoka poraba energijeZahteve glede napajanja za delovanje CCD senzorjev so veliko višje kot pri CMOS.
Uporaba CCD senzorjev v znanstvenem slikanju
Čeprav je tehnologija CMOS pridobila na priljubljenosti, so senzorji CCD še vedno prednostna izbira v nekaterih znanstvenih aplikacijah za slikanje, kjer so kakovost slike, občutljivost in doslednost najpomembnejši. Zaradi svoje vrhunske sposobnosti zajemanja signalov pri šibki svetlobi z minimalnim šumom so idealni za natančne aplikacije.
Astronomija
CCD senzorji so ključni pri astronomskem slikanju zaradi svoje sposobnosti zajemanja šibke svetlobe oddaljenih zvezd in galaksij. Široko se uporabljajo tako v observatorijih kot v napredni amaterski astronomiji za astrofotografijo z dolgo osvetlitvijo, saj zagotavljajo jasne in podrobne slike.
Mikroskopija in znanosti o življenju
V znanostih o življenju se CCD senzorji uporabljajo za zajemanje šibkih fluorescenčnih signalov ali subtilnih celičnih struktur. Zaradi visoke občutljivosti in enakomernosti so idealni za aplikacije, kot so fluorescenčna mikroskopija, slikanje živih celic in digitalna patologija. Njihov linearni svetlobni odziv zagotavlja natančno kvantitativno analizo.
Pregled polprevodnikov
CCD senzorji so ključni v proizvodnji polprevodnikov, zlasti za pregled rezin. Njihova visoka ločljivost in dosledna kakovost slikanja sta bistveni za prepoznavanje mikroskopskih napak v čipih, kar zagotavlja natančnost, potrebno pri proizvodnji polprevodnikov.
Rentgensko in znanstveno slikanje
CCD senzorji se uporabljajo tudi v sistemih za zaznavanje rentgenskih žarkov in drugih specializiranih aplikacijah za slikanje. Njihova sposobnost vzdrževanja visokega razmerja signal/šum, zlasti pri hlajenju, je ključnega pomena za jasno slikanje v zahtevnih pogojih, kot so kristalografija, analiza materialov in nedestruktivno testiranje.
Ali so CCD senzorji danes še vedno pomembni?
CCD kamera Tucsen H-694 in 674
Kljub hitremu razvoju CMOS tehnologije CCD senzorji še zdaleč niso zastareli. Ostajajo priljubljena izbira pri nalogah slikanja v izjemno šibki svetlobi in visoko natančnega slikanja, kjer sta njihova neprekosljiva kakovost slike in šumne lastnosti ključnega pomena. Na področjih, kot sta vesoljska astronomija ali napredna fluorescenčna mikroskopija, CCD kamere pogosto prekašajo številne CMOS alternative.
Razumevanje prednosti in slabosti CCD senzorjev pomaga raziskovalcem in inženirjem izbrati pravo tehnologijo za svoje specifične potrebe, kar zagotavlja optimalno delovanje v njihovih znanstvenih ali industrijskih aplikacijah.
Pogosta vprašanja
Kdaj naj izberem CCD senzor?
CCD senzorji so danes veliko redkejši kot pred desetimi leti, saj tehnologija CMOS začenja posegati celo v njihovo zmogljivost pri nizkem temnem toku. Vendar pa bodo vedno obstajale aplikacije, kjer njihova kombinacija značilnosti delovanja – kot so vrhunska kakovost slike, nizek šum in visoka občutljivost – zagotavlja prednost.
Zakaj znanstvene kamere uporabljajo hlajene CCD senzorje?
Hlajenje zmanjša toplotni šum med zajemanjem slik, s čimer izboljša jasnost in občutljivost slike. To je še posebej pomembno za znanstveno slikanje pri šibki svetlobi in dolgi osvetlitvi, zato mnogi vrhunskiznanstvene kamereZa čistejše in natančnejše rezultate se zanašajte na hlajene CCD-je.
Kaj je način prekrivanja v senzorjih CCD in EMCCD in kako izboljša delovanje kamere?
Senzorji CCD in EMCCD so običajno sposobni »načina prekrivanja«. Pri kamerah z globalnim zaklopom se to nanaša na sposobnost branja prejšnjega kadra med osvetlitvijo naslednjega kadra. To vodi do visokega (skoraj 100 %) delovnega cikla, kar pomeni, da se porabi minimalno časa, ko kadri niso izpostavljeni svetlobi, in s tem do višjih hitrosti sličic.
Opomba: Način prekrivanja ima drugačen pomen za senzorje rolo zaklopa.
Če želite izvedeti več o rolo polknih, kliknite:
Kako deluje način upravljanja z zvitkom in kako ga uporabljati
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
