Разумевање CCD сензора: Шта су и како раде |

Иако 2025. године CMOS сензори доминирају подједнако у научној и потрошачкој продукцији снимања, то није увек био случај.

CCD је скраћеница од „Charge-Coupled Device“ (уређај са спрегнутим наелектрисањем), а CCD сензори су били оригинални сензори дигиталних камера, први пут развијени 1970. године. Камере засноване на CCD-у и EMCCD-у су се често препоручивале за научне примене до пре само неколико година. Обе технологије и данас опстају, иако је њихова употреба постала нишна.

Стопа унапређења и развоја CMOS сензора наставља да расте. Разлика између ових технологија лежи првенствено у начину на који обрађују и очитавају детектовано електронско наелектрисање.

Шта је CCD сензор?

CCD сензор је врста сензора слике који се користи за снимање светлости и њено претварање у дигиталне сигнале. Састоји се од низа пиксела осетљивих на светлост који сакупљају фотоне и претварају их у електрична набоја.

Очитавање CCD сензора се разликује од CMOS сензора на три значајна начина:

● Пренос наплатеСнимљени фотоелектрони се електростатички померају пиксел по пиксел преко сензора до подручја за очитавање на дну.
● Механизам за очитавањеУместо целог низа аналогно-дигиталних претварача (ADC) који раде паралелно, CCD уређаји користе само један или два ADC-а (или понекад више) који секвенцијално читају пикселе.

Постављање кондензатора и појачала: Уместо кондензатора и појачала у сваком пикселу, сваки АДЦ има један кондензатор и појачало.

Како функционише CCD сензор?

Ево како CCD сензор ради на снимању и обради слике:

Слика: Процес очитавања за CCD сензор

На крају експозиције, CCD сензори прво премештају сакупљена наелектрисања унутар маскираног подручја за складиштење унутар сваког пиксела (није приказано). Затим, ред по ред, наелектрисања се премештају у регистар за очитавање. Колону по колону, наелектрисања унутар регистра за очитавање се очитавају.

1. Клиринг наплатеДа би се започело снимање, наелектрисање се истовремено брише са целог сензора (глобални затварач).
2. Акумулација наелектрисањаНаелектрисање се акумулира током излагања.
3. Складиштење пуњењаНа крају експозиције, сакупљена наелектрисања се премештају у маскирано подручје унутар сваког пиксела (назива се CCD са међулинијским преносом), где могу чекати очитавање без бројања новодетектованих фотона.
4. Експозиција следећег кадраСа детектованим наелектрисањима сачуваним у маскираном подручју пиксела, активно подручје пиксела може започети експозицију следећег кадра (режим преклапања).
5. Секвенцијално очитавањеРед по ред, наелектрисања из сваког реда завршеног оквира се премештају у „регистар за очитавање“.
6. Завршно очитавањеЈедна по једна колона, наелектрисања из сваког пиксела се преносе у чвор за очитавање ради очитавања на ADC-у.
7. ПонављањеОвај процес се понавља све док се не преброје детектовани набоји у свим пикселима.

Ово уско грло узроковано тиме што сва детектована наелектрисања очитава мали број (понекад и једна) тачака очитавања, доводи до озбиљних ограничења у пропусности података CCD сензора у поређењу са CMOS сензорима.

Предности и мане CCD сензора

Професионалци	Мане
Ниска тамна струја Типично ~0,001 e⁻/p/s када се охлади.	Ограничена брзина Типичан проток ~20 MP/s — много спорије него CMOS.
Набоји за бининг на пикселу се сумирају пре очитавања, смањујући шум.	Висок шум читања 5–10 e⁻ је уобичајен због очитавања ADC-а са једном тачком.
Глобални затварач Прави глобални или скоро глобални затварач код CCD сензора са међулинијским/преносом слика.	Веће величине пиксела не могу да се пореде са минијатуризацијом коју нуди CMOS.
Висока униформност слике Одлична за квантитативно снимање.	Велика потрошња енергије Потребна је већа енергија за померање наелектрисања и очитавање.

Предности CCD сензора

● Ниска струја мракаCCD сензори, по својој природи, имају тенденцију да имају веома ниску струју таме, обично реда величине 0,001 е-/п/с када се охладе.
● „Напикселно“ груписањеПриликом биновања, CCD-ови додају наелектрисање пре очитавања, а не после, што значи да се не уноси додатни шум очитавања. Тамна струја се повећава, али као што је горе наведено, то је обично веома мало.
● Глобални затвор„Interline“ CCD сензори раде са правим глобалним затварачем. CCD сензори са „Frame Transfer“ користе „полуглобални“ затварач (видети „Маскирану“ област на слици 45) – процес преноса кадра за почетак и крај експозиције није заиста истовремен, већ обично траје реда величине 1-10 микросекунди. Неки CCD-ови користе механичко затварање.

Мане CCD сензора

● Ограничена брзинаТипичан проток података у пикселима у секунди може бити око 20 мегапиксела у секунди (MP/s), што је еквивалентно слици од 4 MP при 5 fps. Ово је око 20 пута спорије од еквивалентног CMOS-а и најмање 100 пута спорије од брзог CMOS-а.
● Висок ниво шума при читањуШум при читању код CCD-ова је висок, углавном због потребе да се ADC-ови покрећу великом брзином како би се постигла употребљива брзина камере. 5 до 10 е- је уобичајено за врхунске CCD камере.
● Већи пикселиЗа многе примене, мањи пиксели пружају предности. Типична CMOS архитектура омогућава мање минималне величине пиксела него CCD.
● Велика потрошња енергијеЗахтеви за напајање за рад CCD сензора су много већи него за CMOS.

Примене CCD сензора у научном снимању

Иако је CMOS технологија стекла популарност, CCD сензори су и даље пожељни у одређеним научним применама снимања где су квалитет слике, осетљивост и конзистентност од највеће важности. Њихова супериорна способност снимања сигнала при слабом осветљењу са минималним шумом чини их идеалним за прецизне примене.

Астрономија

CCD сензори су кључни у астрономском снимању због своје способности да ухвате слабу светлост удаљених звезда и галаксија. Широко се користе и у опсерваторијама и у напредној аматерској астрономији за астрофотографију са дугом експозицијом, пружајући јасне, детаљне слике.

Микроскопија и науке о животу

У природним наукама, CCD сензори се користе за снимање слабих флуоресцентних сигнала или суптилних ћелијских структура. Њихова висока осетљивост и униформност чине их савршеним за примене попут флуоресцентне микроскопије, снимања живих ћелија и дигиталне патологије. Њихов линеарни светлосни одзив обезбеђује прецизну квантитативну анализу.

Инспекција полупроводника

CCD сензори су кључни у производњи полупроводника, посебно за инспекцију плочица. Њихова висока резолуција и конзистентан квалитет снимања су неопходни за идентификацију микроскопских дефеката у чиповима, обезбеђујући прецизност потребну у производњи полупроводника.

Рендгенско и научно снимање

CCD сензори се такође користе у системима за детекцију рендгенских зрака и другим специјализованим применама за снимање. Њихова способност да одрже висок однос сигнал-шум, посебно када се хладе, је од виталног значаја за јасно снимање у захтевним условима као што су кристалографија, анализа материјала и недеструктивна испитивања.

Да ли су CCD сензори и даље релевантни данас?

Tucsen H-694 и 674 CCD камера

Упркос брзом развоју CMOS технологије, CCD сензори су далеко од застарелих. Они остају преферирани избор у задацима ултраслабог осветљења и високопрецизног снимања, где су њихов неупоредиви квалитет слике и карактеристике шума кључни. У областима као што су астрономија дубоког свемира или напредна флуоресцентна микроскопија, CCD камере често надмашују многе CMOS алтернативе.

Разумевање предности и слабости CCD сензора помаже истраживачима и инжењерима да одаберу праву технологију за своје специфичне потребе, осигуравајући оптималне перформансе у својим научним или индустријским применама.

Честа питања

Када треба да изаберем CCD сензор?

CCD сензори су данас много ређи него пре десет година, јер CMOS технологија почиње да задире чак и у њихове перформансе при ниској тамној струји. Међутим, увек ће постојати примене где њихова комбинација карактеристика перформанси - као што су врхунски квалитет слике, низак шум и висока осетљивост - пружа предност.

Зашто научне камере користе хлађене CCD сензоре?

Хлађење смањује термички шум током снимања слике, побољшавајући јасноћу слике и осетљивост. Ово је посебно важно за научно снимање при слабом осветљењу и дугој експозицији, због чега многи врхунски...научне камереослањају се на хлађене CCD сензоре за чистије и прецизније резултате.

Шта је режим преклапања код CCD и EMCCD сензора и како побољшава перформансе камере?

CCD и EMCCD сензори су обично способни за „режим преклапања“. Код камера са глобалним затварачем, ово се односи на могућност очитавања претходног кадра током експозиције следећег кадра. Ово доводи до високог (скоро 100%) радног циклуса, што значи да се губи минимално време док се кадрови не излажу светлости, а самим тим и већа брзина кадрова.

Напомена: Режим преклапања има другачије значење за сензоре ролетни.

Ако желите да сазнате више о ролетнама, кликните на:

Како функционише режим управљања ролетном и како га користити

Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com