ทำความเข้าใจเซ็นเซอร์ CCD: เซ็นเซอร์ CCD คืออะไรและทำงานอย่างไร |

แม้ว่าในปี 2025 เซนเซอร์ CMOS จะครองตลาดการถ่ายภาพทั้งในด้านวิทยาศาสตร์และผู้บริโภค แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นมาตลอด

CCD ย่อมาจาก "Charge-Coupled Device" (อุปกรณ์จับคู่ประจุไฟฟ้า) และเซ็นเซอร์ CCD คือเซ็นเซอร์กล้องดิจิทัลรุ่นแรกๆ ที่พัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2513 กล้องที่ใช้ CCD และ EMCCD มักได้รับการแนะนำสำหรับการใช้งานทางวิทยาศาสตร์จนกระทั่งเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีทั้งสองนี้ยังคงดำรงอยู่จนถึงปัจจุบัน แม้ว่าการใช้งานจะกลายมาเป็นเรื่องเฉพาะกลุ่มไปแล้วก็ตาม

อัตราการพัฒนาและการพัฒนาของเซ็นเซอร์ CMOS ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีเหล่านี้ส่วนใหญ่อยู่ที่วิธีการประมวลผลและการอ่านค่าประจุไฟฟ้าที่ตรวจพบ

เซ็นเซอร์ CCD คืออะไร?

เซ็นเซอร์รับภาพ CCD พื้นที่ฟอร์แมต 1 นิ้ว

เซ็นเซอร์ CCD เป็นเซ็นเซอร์ภาพชนิดหนึ่งที่ใช้จับแสงและแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัล ประกอบด้วยพิกเซลที่ไวต่อแสงจำนวนมาก ซึ่งรวบรวมโฟตอนและแปลงเป็นประจุไฟฟ้า

การอ่านค่าเซนเซอร์ CCD แตกต่างจาก CMOS ในสามประการที่สำคัญ:

● การโอนค่าใช้จ่าย:โฟโตอิเล็กตรอนที่จับได้จะถูกเคลื่อนย้ายด้วยไฟฟ้าสถิตจากพิกเซลหนึ่งไปยังอีกพิกเซลหนึ่งทั่วเซ็นเซอร์ไปยังพื้นที่อ่านข้อมูลที่ด้านล่าง
● กลไกการอ่านข้อมูล:แทนที่จะใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ทั้งแถวที่ทำงานแบบขนาน CCD จะใช้ ADC เพียงหนึ่งหรือสองตัว (หรือบางครั้งอาจมากกว่านั้น) ที่อ่านพิกเซลตามลำดับ

ตำแหน่งของตัวเก็บประจุและเครื่องขยายสัญญาณ: แทนที่ตัวเก็บประจุและเครื่องขยายสัญญาณในแต่ละพิกเซล ADC แต่ละตัวจะมีตัวเก็บประจุและเครื่องขยายสัญญาณหนึ่งตัว

เซ็นเซอร์ CCD ทำงานอย่างไร?

วิธีการทำงานของเซ็นเซอร์ CCD ในการรับและประมวลผลภาพมีดังนี้

รูปภาพ: กระบวนการอ่านค่าสำหรับเซ็นเซอร์ CCD

เมื่อสิ้นสุดการรับแสง เซ็นเซอร์ CCD จะย้ายประจุที่สะสมไว้ไปยังพื้นที่จัดเก็บแบบปิดบังภายในแต่ละพิกเซลก่อน (ไม่ได้แสดงในภาพ) จากนั้น ประจุจะถูกย้ายไปยังรีจิสเตอร์อ่านค่าทีละแถว ประจุภายในรีจิสเตอร์อ่านค่าจะถูกอ่านทีละคอลัมน์

1. การเคลียร์ค่าธรรมเนียม:เมื่อเริ่มการเก็บข้อมูล จะมีการเคลียร์ประจุจากเซ็นเซอร์ทั้งหมด (ชัตเตอร์ทั่วโลก) พร้อมกัน
2. การสะสมประจุ: ประจุจะสะสมในระหว่างการเปิดรับแสง
3. การจัดเก็บประจุไฟฟ้า:เมื่อสิ้นสุดการเปิดรับแสง ประจุที่เก็บรวบรวมไว้จะถูกย้ายไปยังพื้นที่ที่ถูกปิดบังภายในแต่ละพิกเซล (เรียกว่า CCD ถ่ายโอนระหว่างบรรทัด) ซึ่งสามารถรอการอ่านข้อมูลได้โดยไม่ต้องนับโฟตอนที่ตรวจพบใหม่
4. การเปิดรับแสงของเฟรมถัดไป:เมื่อตรวจพบประจุที่ถูกเก็บไว้ในพื้นที่ที่ถูกปิดบังของพิกเซล พื้นที่พิกเซลที่ทำงานอยู่จะสามารถเริ่มการเปิดรับแสงของเฟรมถัดไปได้ (โหมดทับซ้อน)
5. การอ่านข้อมูลแบบต่อเนื่อง:ทีละแถว ประจุจากแต่ละแถวของเฟรมที่เสร็จสิ้นจะถูกย้ายไปยัง 'ทะเบียนอ่านข้อมูล'
6. การอ่านข้อมูลขั้นสุดท้าย:ทีละคอลัมน์ ประจุจากแต่ละพิกเซลจะถูกส่งต่อไปยังโหนดอ่านค่าสำหรับการอ่านค่าที่ ADC
7. การทำซ้ำ:กระบวนการนี้จะทำซ้ำจนกว่าจะนับประจุที่ตรวจพบในพิกเซลทั้งหมด

ปัญหาคอขวดนี้เกิดจากการที่ประจุที่ตรวจพบทั้งหมดถูกอ่านโดยจุดอ่านข้อมูลจำนวนน้อย (บางครั้งอาจเป็นเพียงจุดเดียว) ส่งผลให้มีข้อจำกัดร้ายแรงในการส่งผ่านข้อมูลของเซ็นเซอร์ CCD เมื่อเทียบกับ CMOS

ข้อดีและข้อเสียของเซ็นเซอร์ CCD

ข้อดี	ข้อเสีย
กระแสไฟฟ้ามืดต่ำโดยทั่วไปอยู่ที่ ~0.001 e⁻/p/s เมื่อเย็นลง	ความเร็วจำกัด ปริมาณงานทั่วไป ~20 MP/s — ช้ากว่า CMOS มาก
ค่าใช้จ่าย On-Pixel Binning จะถูกสรุปก่อนการอ่านค่า ช่วยลดสัญญาณรบกวน	สัญญาณรบกวนการอ่านที่สูง 5–10 e⁻ ถือเป็นเรื่องปกติเนื่องจากการอ่าน ADC แบบจุดเดียว
ชัตเตอร์ทั่วโลก ชัตเตอร์ทั่วโลกที่แท้จริงหรือเกือบทั่วโลกใน CCD แบบอินเทอร์ไลน์/ถ่ายโอนเฟรม	ขนาดพิกเซลที่ใหญ่ขึ้นไม่สามารถเทียบได้กับขนาดจิ๋วที่ CMOS นำเสนอ
ความสม่ำเสมอของภาพสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการถ่ายภาพเชิงปริมาณ	การใช้พลังงานสูง ต้องใช้พลังงานมากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนประจุและการอ่านค่า

ข้อดีของเซ็นเซอร์ CCD

● กระแสไฟมืดต่ำ:โดยเนื้อแท้แล้ว เซ็นเซอร์ CCD ถือเป็นเทคโนโลยีที่มีกระแสมืดต่ำมาก โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.001 e-/p/s เมื่อระบายความร้อน
● การจัดกลุ่มแบบ 'ออนพิกเซล':เมื่อทำการ binning CCD จะเพิ่มประจุก่อนการอ่านค่า ไม่ใช่หลังการอ่านค่า ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีสัญญาณรบกวนจากการอ่านค่าเพิ่มขึ้น กระแสมืดจะเพิ่มขึ้น แต่ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น โดยปกติแล้วจะอยู่ในระดับต่ำมาก
● ชัตเตอร์ทั่วโลก:เซ็นเซอร์ CCD แบบ 'Interline' ทำงานด้วยชัตเตอร์แบบโกลบอลที่แท้จริง เซ็นเซอร์ CCD แบบ 'Frame Transfer' ใช้ชัตเตอร์แบบ 'half global' (ดูส่วน 'Masked' ในรูปที่ 45) – กระบวนการถ่ายโอนเฟรมเพื่อเริ่มและสิ้นสุดการรับแสงไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกันอย่างแท้จริง แต่โดยทั่วไปใช้เวลาประมาณ 1-10 ไมโครวินาที CCD บางรุ่นใช้ชัตเตอร์แบบกลไก

ข้อเสียของเซ็นเซอร์ CCD

● ความเร็วจำกัด:โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณข้อมูลในหน่วยพิกเซลต่อวินาทีจะอยู่ที่ประมาณ 20 ล้านพิกเซลต่อวินาที (MP/s) ซึ่งเทียบเท่ากับภาพ 4 ล้านพิกเซลที่ความเร็ว 5 เฟรมต่อวินาที ซึ่งช้ากว่า CMOS เทียบเท่าประมาณ 20 เท่า และช้ากว่า CMOS ความเร็วสูงอย่างน้อย 100 เท่า
● สัญญาณรบกวนการอ่านสูง:สัญญาณรบกวนในการอ่านใน CCD ค่อนข้างสูง ส่วนใหญ่เป็นผลมาจากความจำเป็นในการรัน ADC ในอัตราสูงเพื่อให้ได้ความเร็วกล้องที่ใช้งานได้ ซึ่ง 5 ถึง 10 e- ถือเป็นเรื่องปกติสำหรับกล้อง CCD ระดับไฮเอนด์
● พิกเซลขนาดใหญ่ขึ้น:สำหรับการใช้งานหลายประเภท พิกเซลขนาดเล็กกว่ามีข้อได้เปรียบ สถาปัตยกรรม CMOS ทั่วไปอนุญาตให้มีขนาดพิกเซลขั้นต่ำน้อยกว่า CCD
● การใช้พลังงานสูง:ความต้องการพลังงานในการใช้งานเซ็นเซอร์ CCD นั้นสูงกว่า CMOS มาก

การประยุกต์ใช้เซนเซอร์ CCD ในการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์

แม้ว่าเทคโนโลยี CMOS จะได้รับความนิยมมากขึ้น แต่เซ็นเซอร์ CCD ยังคงได้รับความนิยมในงานถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์บางประเภทที่ให้ความสำคัญกับคุณภาพ ความไว และความสม่ำเสมอของภาพเป็นหลัก ความสามารถที่เหนือกว่าในการจับสัญญาณแสงน้อยโดยมีสัญญาณรบกวนน้อยที่สุด ทำให้เซ็นเซอร์ CCD เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง

ดาราศาสตร์

เซ็นเซอร์ CCD มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการถ่ายภาพดาราศาสตร์ เนื่องจากสามารถจับภาพแสงจางๆ จากดาวฤกษ์และกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลได้ เซ็นเซอร์ CCD ถูกใช้อย่างแพร่หลายทั้งในหอดูดาวและนักดาราศาสตร์สมัครเล่นขั้นสูงสำหรับการถ่ายภาพดาราศาสตร์แบบเปิดรับแสงนาน ซึ่งทำให้ได้ภาพที่คมชัดและมีรายละเอียด

กล้องจุลทรรศน์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

ในสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพ เซ็นเซอร์ CCD ถูกใช้เพื่อจับสัญญาณฟลูออเรสเซนซ์อ่อนๆ หรือโครงสร้างเซลล์ที่ละเอียดอ่อน ความไวสูงและความสม่ำเสมอของเซ็นเซอร์ทำให้เซ็นเซอร์นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ การถ่ายภาพเซลล์สด และพยาธิวิทยาดิจิทัล การตอบสนองของแสงเชิงเส้นช่วยให้การวิเคราะห์เชิงปริมาณแม่นยำ

การตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์

เซ็นเซอร์ CCD มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตรวจสอบเวเฟอร์ ความละเอียดสูงและคุณภาพภาพที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการระบุข้อบกพร่องในระดับไมโครในชิป ซึ่งช่วยให้มั่นใจถึงความแม่นยำที่จำเป็นในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เอกซเรย์และการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์

เซ็นเซอร์ CCD ยังถูกนำมาใช้ในระบบตรวจจับรังสีเอกซ์และการประยุกต์ใช้งานถ่ายภาพเฉพาะทางอื่นๆ ความสามารถในการรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนให้สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อถูกทำให้เย็นลง มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการถ่ายภาพที่ชัดเจนในสภาวะแวดล้อมที่ท้าทาย เช่น การวิเคราะห์ผลึกศาสตร์ การวิเคราะห์วัสดุ และการทดสอบแบบไม่ทำลาย

เซ็นเซอร์ CCD ยังมีความเกี่ยวข้องในปัจจุบันหรือไม่?

กล้อง CCD Tucsen H-694 และ 674

แม้เทคโนโลยี CMOS จะพัฒนาอย่างรวดเร็ว แต่เซ็นเซอร์ CCD ก็ยังถือว่าล้าสมัย เซ็นเซอร์ CCD ยังคงเป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับงานถ่ายภาพที่มีแสงน้อยมากและมีความแม่นยำสูง ซึ่งคุณภาพของภาพและลักษณะสัญญาณรบกวนที่ไม่มีใครเทียบได้นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งยวด ในด้านดาราศาสตร์อวกาศลึกหรือกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ขั้นสูง กล้อง CCD มักมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเซ็นเซอร์ CMOS อื่นๆ มากมาย

การทำความเข้าใจจุดแข็งและจุดอ่อนของเซ็นเซอร์ CCD ช่วยให้นักวิจัยและวิศวกรสามารถเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของตนได้ ซึ่งจะทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์หรือทางอุตสาหกรรม

คำถามที่พบบ่อย

ฉันควรเลือกเซนเซอร์ CCD เมื่อใด?

ปัจจุบันเซ็นเซอร์ CCD หายากกว่าเมื่อสิบปีที่แล้วมาก เนื่องจากเทคโนโลยี CMOS เริ่มเข้ามาแทรกแซงแม้กระทั่งประสิทธิภาพกระแสไฟมืดต่ำ อย่างไรก็ตาม ยังคงมีการใช้งานอย่างต่อเนื่องที่การผสมผสานคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพต่างๆ เช่น คุณภาพของภาพที่เหนือกว่า สัญญาณรบกวนต่ำ และความไวแสงสูง จะเป็นข้อได้เปรียบ

ทำไมกล้องถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์จึงใช้เซ็นเซอร์ CCD ระบายความร้อน?

การระบายความร้อนช่วยลดสัญญาณรบกวนความร้อนระหว่างการถ่ายภาพ ช่วยเพิ่มความคมชัดและความไวของภาพ สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งสำหรับการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์ในสภาพแสงน้อยและการเปิดรับแสงนาน ซึ่งเป็นเหตุผลที่กล้องระดับไฮเอนด์หลายรุ่นกล้องวิทยาศาสตร์อาศัย CCD ระบายความร้อนเพื่อผลลัพธ์ที่สะอาดและแม่นยำยิ่งขึ้น

โหมดทับซ้อนในเซ็นเซอร์ CCD และ EMCCD คืออะไร และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของกล้องได้อย่างไร

โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์ CCD และ EMCCD จะสามารถใช้งานโหมด "ซ้อนทับ" ได้ สำหรับกล้องแบบชัตเตอร์ทั่วไป หมายถึงความสามารถในการอ่านเฟรมก่อนหน้าระหว่างการเปิดรับแสงของเฟรมถัดไป ส่งผลให้มีรอบการทำงานสูง (เกือบ 100%) ซึ่งหมายความว่าจะเสียเวลาน้อยที่สุดในการไม่เปิดรับแสงให้กับเฟรม ส่งผลให้มีอัตราเฟรมที่สูงขึ้น

หมายเหตุ: โหมดทับซ้อนมีความหมายต่างกันสำหรับเซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับประตูม้วน กรุณาคลิก:

โหมดควบคุมชัตเตอร์แบบโรลลิ่งทำงานอย่างไรและวิธีใช้