25/07/31Ingawa mnamo 2025, sensorer za CMOS hutawala taswira ya kisayansi na ya watumiaji sawa, hii haikuwa hivyo kila wakati.
CCD inasimama kwa 'Charge-Coupled Device', na vitambuzi vya CCD vilikuwa vitambuzi asili vya kamera ya dijiti, vilivyotengenezwa kwa mara ya kwanza mwaka wa 1970. Kamera zenye msingi wa CCD- na EMCCD zilipendekezwa kwa matumizi ya kisayansi hadi miaka michache iliyopita. Teknolojia zote mbili bado zinaendelea kuishi leo, ingawa matumizi yao yamekuwa niche.
Kiwango cha uboreshaji na maendeleo ya vitambuzi vya CMOS kinaendelea kuongezeka. Tofauti kati ya teknolojia hizi kimsingi iko katika jinsi ya kuchakata na kusoma malipo ya kielektroniki yaliyogunduliwa.
Sensorer ya CCD ni nini?
Kihisi cha CCD ni aina ya kitambuzi cha picha kinachotumiwa kunasa mwanga na kuibadilisha kuwa mawimbi ya dijitali. Inajumuisha safu ya pikseli nyeti nyepesi ambazo hukusanya fotoni na kuzigeuza kuwa chaji za umeme.
Usomaji wa kitambuzi wa CCD hutofautiana na CMOS kwa njia tatu muhimu:
● Uhamisho wa Malipo: Photoelectrons zilizonaswa husogezwa kwa njia ya kielektroniki kwa pixel-to-pixel kwenye kihisi hadi eneo la kusoma chini.
● Utaratibu wa Kusoma: Badala ya safu mlalo nzima ya vigeuzi vya analogi hadi dijitali (ADCs) vinavyofanya kazi sambamba, CCD hutumia ADC moja au mbili tu (au wakati mwingine zaidi) zinazosoma pikseli kwa mfuatano.
Uwekaji wa Capacitor na Amplifier: Badala ya capacitor na amplifiers katika kila pikseli, kila ADC ina capacitor moja na amplifier.
Sensorer ya CCD Inafanyaje Kazi?
Hivi ndivyo kihisi cha CCD hufanya kazi kupata na kuchakata picha:
Kielelezo: Mchakato wa kusoma kwa kitambuzi cha CCD
Mwishoni mwa kukaribia aliyeambukizwa, vitambuzi vya CCD kwanza huhamisha malipo yaliyokusanywa hadi ndani ya eneo la hifadhi lililofunikwa ndani ya kila pikseli (haijaonyeshwa). Kisha, safu mlalo moja baada ya nyingine, gharama huhamishwa hadi kwenye rejista ya kusoma. Safu wima moja baada ya nyingine, malipo ndani ya rejista ya kusomwa husomwa.
1. Uondoaji wa malipo: Ili kuanza upataji, malipo yanaondolewa wakati huo huo kutoka kwa kihisi kizima (shutter ya kimataifa).
2. Mkusanyiko wa Malipo: Chaji hujilimbikiza wakati wa kukaribia aliyeambukizwa.
3. Hifadhi ya malipo: Mwisho wa mfiduo, gharama zinazokusanywa huhamishwa hadi eneo lililofunikwa kwa uso la ndani ya kila pikseli (inayoitwa uhamishaji kati ya laini CCD), ambapo zinaweza kusubiri kusomwa bila fotoni mpya zilizotambuliwa kuhesabiwa.
4. Mfiduo wa Fremu Inayofuata: Kwa malipo yaliyotambuliwa yaliyohifadhiwa katika eneo lililofunikwa la pikseli, eneo amilifu la pikseli linaweza kuanza kufichuliwa kwa fremu inayofuata (hali ya kuingiliana).
5. Kusoma kwa Mfuatano: Safu mlalo moja kwa wakati, gharama kutoka kwa kila safu ya fremu iliyokamilishwa huhamishwa hadi kwenye 'rejista ya kusoma'.
6. Somo la Mwisho: Safu wima moja kwa wakati, malipo kutoka kwa kila pikseli huwekwa kwenye nodi ya kusomwa ili kusomwa katika ADC.
7. Kurudia: Mchakato huu unajirudia hadi gharama zilizotambuliwa katika pikseli zote zihesabiwe.
Kikwazo hiki kinachosababishwa na gharama zote zilizotambuliwa kusomwa na idadi ndogo (wakati fulani moja) ya pointi za kusoma, husababisha vikwazo vikali katika upitishaji wa data wa vitambuzi vya CCD ikilinganishwa na CMOS.
Faida na Hasara za Sensorer za CCD
| Faida | Hasara |
| Hali Yenye Giza Chini Kwa Kawaida ~0.001 e⁻/p/s inapopozwa. | Kasi ndogo Upitishaji wa Kawaida ~ 20 MP/s - polepole zaidi kuliko CMOS. |
| Gharama za Binning za On-Pixel hufupishwa kabla ya kusomwa, hivyo basi kupunguza kelele. | Sauti ya Juu ya Kusoma 5–10 e⁻ ni ya kawaida kwa sababu ya usomaji wa ADC wa nukta moja. |
| Shutter ya Global True ya kimataifa au karibu ya kimataifa katika CCD za interline/fremu. | Ukubwa wa Pixel Kubwa Hauwezi kulingana na matoleo madogo ya CMOS. |
| Usawa wa Picha ya Juu Ni bora kwa upigaji picha wa kiasi. | Matumizi ya Juu ya Nishati Inahitaji nishati zaidi kwa kuhamisha chaji na kusoma. |
Faida za Sensorer ya CCD
● Hali ya giza ya chini: Kiasili kama teknolojia, vitambuzi vya CCD huwa na mkondo wa giza wa chini sana, kwa kawaida kwenye mpangilio wa 0.001 e-/p/s unapopozwa.
● Ufungaji wa 'On-pixel': Wakati wa kufunga, CCD huongeza gharama kabla ya kusoma, si baada ya kusoma, kumaanisha hakuna kelele ya ziada ya kusoma inayoletwa. Mkondo wa giza huongezeka, lakini kama ilivyoonyeshwa hapo juu, hii kawaida huwa chini sana.
● Global Shutter: Vihisi vya CCD vya 'Interline' hufanya kazi na shutter ya kweli ya kimataifa. Vihisi vya CCD vya 'Uhamisho wa Fremu' hutumia shutter ya 'nusu ya kimataifa' (ona eneo la 'Iliyofichwa' kwenye Kielelezo 45) - mchakato wa kuhamisha fremu ili kuanza na kukomesha kufichua si kweli wakati mmoja, lakini kwa kawaida huchukua mpangilio wa sekunde 1-10. Baadhi ya CCDs hutumia shuttering ya mitambo.
Hasara za Sensorer za CCD
● Kasi ndogo: Upitishaji wa data wa kawaida katika pikseli kwa sekunde unaweza kuwa karibu Megapikseli 20 kwa sekunde (MP/s), sawa na picha ya MP 4 kwa ramprogrammen 5. Hii ni karibu mara 20 polepole kuliko CMOS sawa, na angalau 100x polepole kuliko CMOS ya kasi ya juu.
● Sauti ya Juu ya Kusoma: Kelele za kusoma katika CCDs ni za juu, hasa kutokana na hitaji la kuendesha ADC kwa kasi ya juu ili kufikia kasi ya kamera inayoweza kutumika. 5 hadi 10 e- ni ya kawaida kwa kamera za CCD za juu.
● Pixels Kubwa zaidi: Kwa programu nyingi, saizi ndogo hutoa faida. Usanifu wa kawaida wa CMOS huruhusu saizi ndogo za pikseli kuliko CCD.
● Matumizi ya Nguvu ya Juu: Mahitaji ya nguvu ya kuendesha vitambuzi vya CCD ni ya juu zaidi kuliko CMOS.
Utumizi wa Sensorer za CCD katika Upigaji picha wa Kisayansi
Ingawa teknolojia ya CMOS imepata umaarufu, vitambuzi vya CCD bado vinapendelewa katika programu fulani za kisayansi za upigaji picha ambapo ubora wa picha, usikivu, na uthabiti ni muhimu. Uwezo wao wa hali ya juu wa kunasa mawimbi ya mwanga hafifu na kelele kidogo huwafanya kuwa bora kwa utumizi sahihi.
Astronomia
Sensa za CCD ni muhimu katika upigaji picha wa unajimu kutokana na uwezo wao wa kunasa mwanga hafifu kutoka kwa nyota za mbali na galaksi. Zinatumika sana katika uchunguzi wa anga na unajimu wa hali ya juu wa unajimu wa muda mrefu, kutoa picha wazi na za kina.
Hadubini na Sayansi ya Maisha
Katika sayansi za maisha, vitambuzi vya CCD hutumiwa kunasa mawimbi dhaifu ya umeme au miundo fiche ya seli. Unyeti wao wa hali ya juu na usawaziko huwafanya kuwa bora kwa programu kama vile hadubini ya fluorescence, taswira ya seli hai na ugonjwa wa kidijitali. Majibu yao ya mwanga wa mstari huhakikisha uchanganuzi sahihi wa kiasi.
Ukaguzi wa Semiconductor
Vihisi vya CCD ni muhimu katika utengenezaji wa semicondukta, hasa kwa ukaguzi wa kaki. Ubora wao wa juu na ubora thabiti wa kupiga picha ni muhimu kwa kutambua kasoro ndogo katika chip, kuhakikisha usahihi unaohitajika katika utengenezaji wa semiconductor.
X-ray na Imaging ya kisayansi
Vihisi vya CCD pia hutumika katika mifumo ya utambuzi wa X-ray na programu zingine maalum za kupiga picha. Uwezo wao wa kudumisha uwiano wa juu wa mawimbi kati ya mawimbi hadi kelele, hasa wakati umepozwa, ni muhimu kwa taswira wazi katika hali ngumu kama vile fuwele, uchanganuzi wa nyenzo na majaribio yasiyo ya uharibifu.
Je, Sensorer za CCD Bado Zinafaa Leo?
Kamera ya CCD ya Tucsen H-694 & 674
Licha ya maendeleo ya haraka ya teknolojia ya CMOS, sensorer za CCD ziko mbali na kizamani. Zinasalia kuwa chaguo linalopendelewa katika kazi za upigaji picha zenye mwanga wa chini zaidi na usahihi wa hali ya juu, ambapo ubora wa picha na sifa zao za kelele ni muhimu. Katika nyanja kama vile unajimu wa anga za juu au hadubini ya hali ya juu ya umeme, kamera za CCD mara nyingi hushinda njia mbadala nyingi za CMOS.
Kuelewa uwezo na udhaifu wa vitambuzi vya CCD huwasaidia watafiti na wahandisi kuchagua teknolojia inayofaa kwa mahitaji yao mahususi, kuhakikisha utendakazi bora katika matumizi yao ya kisayansi au kiviwanda.
Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara
Je, ni lini ninapaswa kuchagua kihisi cha CCD?
Vihisi vya CCD ni nadra zaidi leo kuliko miaka kumi iliyopita, kwani teknolojia ya CMOS inapoanza kuingilia hata utendaji wao wa sasa wa giza. Hata hivyo, kutakuwa na programu kila wakati ambapo mchanganyiko wao wa sifa za utendakazi—kama vile ubora wa juu wa picha, kelele ya chini na usikivu wa juu—hutoa faida.
Kwa nini kamera za kisayansi hutumia vihisi baridi vya CCD?
Kupoeza hupunguza kelele ya joto wakati wa kupiga picha, kuboresha uwazi wa picha na unyeti. Hii ni muhimu sana kwa taswira ya kisayansi yenye mwanga mdogo na ya muda mrefu, ndiyo sababu wengi wa hali ya juukamera za kisayansitegemea CCD zilizopozwa kwa matokeo safi na sahihi zaidi.
Hali ya mwingiliano ni nini katika vitambuzi vya CCD na EMCCD, na inaboresha vipi utendakazi wa kamera?
Vihisi vya CCD na EMCCD kwa kawaida vina uwezo wa 'hali ya kuingiliana'. Kwa kamera za shutter za kimataifa, hii inarejelea uwezo wa kusoma fremu iliyotangulia wakati wa kufichua fremu inayofuata. Hii husababisha mzunguko wa juu wa wajibu (karibu 100%), kumaanisha kuwa muda mdogo unapotea bila kuangazia fremu kwenye mwanga, na hivyo basi viwango vya juu vya fremu.
Kumbuka: Hali ya mwingiliano ina maana tofauti ya vitambuzi vya kusongesha.
Ikiwa unataka kujifunza zaidi kuhusu vifunga vya kusongesha, tafadhali bofya:
Jinsi Njia ya Udhibiti wa Rolling Shutter Inafanya kazi na Jinsi ya Kuitumia
Tucsen Photonics Co., Ltd. Haki zote zimehifadhiwa. Unapotaja, tafadhali tambua chanzo:www.tucsen.com
