25/07/31Även om CMOS-sensorer dominerar både vetenskaplig och konsumentbaserad bildbehandling år 2025, var detta inte alltid fallet.
CCD står för 'Charge-Coupled Device', och CCD-sensorer var de ursprungliga digitalkamerornas sensorer, som först utvecklades 1970. CCD- och EMCCD-baserade kameror rekommenderades ofta för vetenskapliga tillämpningar fram till för bara några år sedan. Båda teknikerna lever fortfarande kvar idag, även om deras användningsområden har blivit nischade.
Förbättrings- och utvecklingstakten för CMOS-sensorer fortsätter att öka. Skillnaden mellan dessa tekniker ligger främst i hur de bearbetar och läser av detekterad elektronisk laddning.
Vad är en CCD-sensor?
En CCD-sensor är en typ av bildsensor som används för att fånga ljus och omvandla det till digitala signaler. Den består av en uppsättning ljuskänsliga pixlar som samlar in fotoner och omvandlar dem till elektriska laddningar.
CCD-sensoravläsningen skiljer sig från CMOS på tre viktiga sätt:
● LaddningsöverföringInfångade fotoelektroner flyttas elektrostatiskt pixel för pixel över sensorn till ett avläsningsområde längst ner.
● AvläsningsmekanismIstället för en hel rad analog-till-digital-omvandlare (ADC) som arbetar parallellt använder CCD:er bara en eller två ADC:er (eller ibland fler) som läser pixlar sekventiellt.
Placering av kondensator och förstärkare: I stället för kondensatorer och förstärkare i varje pixel har varje ADC en kondensator och förstärkare.
Hur fungerar en CCD-sensor?
Så här fungerar en CCD-sensor för att ta och bearbeta en bild:
Figur: Avläsningsprocess för en CCD-sensor
Vid slutet av exponeringen flyttar CCD-sensorerna först de insamlade laddningarna till ett maskerat lagringsområde inuti varje pixel (visas ej). Sedan flyttas laddningarna, en rad i taget, till ett avläsningsregister. Laddningarna inom avläsningsregistret avläses en kolumn i taget.
1. AvgiftsrensningFör att påbörja registreringen rensas laddningen samtidigt från hela sensorn (global slutare).
2. LaddningsackumuleringLaddning ackumuleras under exponering.
3. LaddningslagringVid slutet av exponeringen flyttas insamlade laddningar till ett maskerat område inom varje pixel (kallat interline transfer CCD), där de kan vänta på avläsning utan att nya detekterade fotoner räknas.
4. Exponering av nästa bildrutaMed de detekterade laddningarna lagrade i det maskerade pixlområdet kan det aktiva pixlområdet påbörja exponeringen av nästa bildruta (överlappningsläge).
5. Sekventiell avläsningEn rad i taget flyttas laddningar från varje rad i den färdiga ramen till ett "avläsningsregister".
6. Slutlig avläsningEn kolumn i taget skickas laddningar från varje pixel till avläsningsnoden för avläsning vid ADC:n.
7. UpprepningDenna process upprepas tills detekterade laddningar i alla pixlar har räknats.
Denna flaskhals som orsakas av att alla detekterade laddningar avläses av ett litet antal (ibland en) avläsningspunkter, leder till allvarliga begränsningar i dataflödet för CCD-sensorer jämfört med CMOS.
För- och nackdelar med CCD-sensorer
| Fördelar | Nackdelar |
| Låg mörkerström. Typiskt ~0,001 e⁻/p/s vid kylning. | Begränsad hastighet Typisk dataflöde ~20 MP/s — mycket långsammare än CMOS. |
| Avgifter för binning på pixeln summeras före avläsning, vilket minskar brus. | Högt avläsningsbrus på 5–10 e⁻ är vanligt på grund av enpunkts-ADC-avläsning. |
| Global slutare Sann global eller nästan global slutare i interline/bildöverförings-CCD:er. | Större pixelstorlekar kan inte matcha den miniatyrisering som CMOS erbjuder. |
| Hög bilduniformitet Utmärkt för kvantitativ avbildning. | Hög strömförbrukning Kräver mer ström för laddningsförskjutning och avläsning. |
Fördelar med CCD-sensor
● Låg mörkerströmCCD-sensorer är en teknologi som i sig tenderar att ha mycket låg mörkerström, vanligtvis i storleksordningen 0,001 e-/p/s när de kyls.
● 'Pixel-binning'Vid binning lägger CCD:er till laddningar före avläsning, inte efter, vilket innebär att inget ytterligare läsbrus introduceras. Mörkströmmen ökar, men som nämnts ovan är denna vanligtvis mycket låg.
● Global slutare'Interline' CCD-sensorer arbetar med en sann global slutare. 'Bildöverförings' CCD-sensorer använder en 'halv global' slutare (se 'Maskerad' region i figur 45) – bildöverföringsprocessen för att starta och avsluta exponeringen är inte helt samtidig, utan tar vanligtvis i storleksordningen 1–10 mikrosekunder. Vissa CCD-sensorer använder mekanisk slutare.
Nackdelar med CCD-sensorer
● Begränsad hastighetTypisk datagenomströmning i pixlar per sekund kan vara cirka 20 megapixlar per sekund (MP/s), vilket motsvarar en 4 MP-bild vid 5 fps. Detta är cirka 20 gånger långsammare än motsvarande CMOS och minst 100 gånger långsammare än höghastighets-CMOS.
● Högt läsbrusLäsbruset i CCD-kameror är högt, till stor del på grund av behovet av att köra ADC:n/ADC:erna med hög hastighet för att uppnå användbar kamerahastighet. 5 till 10 e- är vanligt för avancerade CCD-kameror.
● Större pixlarFör många tillämpningar ger mindre pixlar fördelar. Typisk CMOS-arkitektur tillåter mindre minsta pixelstorlekar än CCD.
● Hög strömförbrukningStrömkraven för att köra CCD-sensorer är mycket högre än CMOS.
Tillämpningar av CCD-sensorer inom vetenskaplig avbildning
Även om CMOS-tekniken har vunnit popularitet är CCD-sensorer fortfarande att föredra i vissa vetenskapliga bildtillämpningar där bildkvalitet, känslighet och konsistens är av största vikt. Deras överlägsna förmåga att fånga signaler i svagt ljus med minimalt brus gör dem idealiska för precisionstillämpningar.
Astronomi
CCD-sensorer är avgörande för astronomisk avbildning på grund av deras förmåga att fånga svagt ljus från avlägsna stjärnor och galaxer. De används ofta i både observatorier och avancerad amatörastronomi för astrofotografering med lång exponeringstid, vilket ger tydliga och detaljerade bilder.
Mikroskopi och livsvetenskaper
Inom biovetenskap används CCD-sensorer för att fånga svaga fluorescenssignaler eller subtila cellstrukturer. Deras höga känslighet och enhetlighet gör dem perfekta för tillämpningar som fluorescensmikroskopi, avbildning av levande celler och digital patologi. Deras linjära ljusrespons säkerställer noggrann kvantitativ analys.
Halvledarinspektion
CCD-sensorer är avgörande vid halvledartillverkning, särskilt för waferinspektion. Deras höga upplösning och konsekventa bildkvalitet är avgörande för att identifiera mikroskaliga defekter i chip, vilket säkerställer den precision som krävs vid halvledartillverkning.
Röntgen och vetenskaplig avbildning
CCD-sensorer används också i röntgendetekteringssystem och andra specialiserade bildtillämpningar. Deras förmåga att bibehålla höga signal-brusförhållanden, särskilt vid kylning, är avgörande för tydlig bildåtergivning under utmanande förhållanden som kristallografi, materialanalys och oförstörande provning.
Är CCD-sensorer fortfarande relevanta idag?
Tucsen H-694 & 674 CCD-kamera
Trots den snabba utvecklingen av CMOS-teknik är CCD-sensorer långt ifrån föråldrade. De är fortfarande ett föredraget val för ultrasvaga ljus- och högprecisionsavbildningsuppgifter, där deras oöverträffade bildkvalitet och brusegenskaper är avgörande. Inom områden som rymdastronomi eller avancerad fluorescensmikroskopi överträffar CCD-kameror ofta många CMOS-alternativ.
Att förstå styrkorna och svagheterna hos CCD-sensorer hjälper forskare och ingenjörer att välja rätt teknik för sina specifika behov, vilket säkerställer optimal prestanda i sina vetenskapliga eller industriella tillämpningar.
Vanliga frågor
När ska jag välja en CCD-sensor?
CCD-sensorer är mycket mer sällsynta idag än för tio år sedan, eftersom CMOS-tekniken börjar inkräkta på även deras prestanda vid låg mörkström. Det kommer dock alltid att finnas tillämpningar där deras kombination av prestandaegenskaper – såsom överlägsen bildkvalitet, lågt brus och hög känslighet – ger en fördel.
Varför använder vetenskapliga kameror kylda CCD-sensorer?
Kylning minskar termiskt brus under bildtagning, vilket förbättrar bildens skärpa och känslighet. Detta är särskilt viktigt för vetenskaplig avbildning i svagt ljus och med lång exponeringstid, vilket är anledningen till att många avancerade kameraervetenskapliga kamerorförlita dig på kylda CCD-skivor för renare och mer exakta resultat.
Vad är överlappningsläge i CCD- och EMCCD-sensorer, och hur förbättrar det kamerans prestanda?
CCD- och EMCCD-sensorer har vanligtvis "överlappningsläge". För kameror med global slutartid avser detta möjligheten att läsa av föregående bildruta under exponeringen av nästa bildruta. Detta leder till en hög (nästan 100 %) arbetscykel, vilket innebär att minimal tid slösas bort på att inte exponera bilder för ljus, och därmed högre bildfrekvenser.
Obs: Överlappningsläget har en annan betydelse för rullande slutarsensorer.
Om du vill veta mer om rullande jalusier, klicka här:
Hur rullande jalusikontroll fungerar och hur man använder det
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
