25/07/31Bagama't noong 2025, nangingibabaw ang mga sensor ng CMOS sa siyentipiko at consumer imaging, hindi ito palaging nangyayari.
Ang ibig sabihin ng CCD ay 'Charge-Coupled Device', at ang mga sensor ng CCD ay ang orihinal na mga sensor ng digital camera, na unang binuo noong 1970. Ang mga camera na nakabatay sa CCD at EMCCD ay karaniwang inirerekomenda para sa mga siyentipikong aplikasyon hanggang ilang taon na ang nakalipas. Ang parehong mga teknolohiya ay nabubuhay pa rin ngayon, kahit na ang kanilang mga gamit ay naging angkop na lugar.
Ang rate ng pagpapabuti at pag-unlad ng mga sensor ng CMOS ay patuloy na tumataas. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga teknolohiyang ito ay pangunahing nakasalalay sa paraan ng pagpoproseso at pagbabasa ng mga ito sa nakitang electronic charge.
Ano ang isang CCD Sensor?
Ang CCD sensor ay isang uri ng sensor ng imahe na ginagamit upang makuha ang liwanag at i-convert ito sa mga digital na signal. Binubuo ito ng hanay ng mga light-sensitive na pixel na kumukolekta ng mga photon at ginagawa itong mga electrical charge.
Ang pagbabasa ng sensor ng CCD ay naiiba sa CMOS sa tatlong makabuluhang paraan:
● Paglipat ng Singilin: Ang mga photoelectron na nakunan ay electrostatically na inilipat pixel-to-pixel sa buong sensor patungo sa isang readout area sa ibaba.
● Readout Mechanism: Sa halip na isang buong row ng analogue to digital converters (ADCs) na gumagana nang magkatulad, ang mga CCD ay gumagamit lamang ng isa o dalawang ADC (o minsan higit pa) na nagbabasa ng mga pixel nang sunud-sunod.
Paglalagay ng Capacitor at Amplifier: Sa halip ng mga capacitor at amplifier sa bawat pixel, ang bawat ADC ay may isang kapasitor at amplifier.
Paano Gumagana ang isang CCD Sensor?
Narito kung paano gumagana ang isang sensor ng CCD upang makakuha at magproseso ng isang imahe:
Figure: Proseso ng pagbabasa para sa isang sensor ng CCD
Sa pagtatapos ng kanilang pagkakalantad, ang mga sensor ng CCD ay unang naglilipat ng mga nakolektang singil sa loob ng isang masked storage area sa loob ng bawat pixel (hindi ipinapakita). Pagkatapos, isang row sa isang pagkakataon, ang mga singil ay inililipat sa isang readout register. Isang column sa isang pagkakataon, ang mga singil sa loob ng readout register ay binabasa.
1. Pag-clear ng Singilin: Upang simulan ang pagkuha, sabay-sabay na na-clear ang singil mula sa buong sensor (global shutter).
2. Pag-iipon ng Singilin: Naiipon ang singil sa panahon ng pagkakalantad.
3. Imbakan ng Singilin: Sa pagtatapos ng pagkakalantad, ang mga nakolektang singil ay inililipat sa isang masked area sa loob ng bawat pixel (tinatawag na interline transfer CCD), kung saan maaari silang maghintay ng readout nang hindi binibilang ang mga bagong nakitang photon.
4. Exposure ng Next Frame: Sa mga natukoy na singil na naka-imbak sa naka-mask na lugar ng mga pixel, ang aktibong bahagi ng mga pixel ay maaaring magsimula sa pagkakalantad ng susunod na frame (overlap mode).
5. Sequential Readout: Isang hilera sa isang pagkakataon, ang mga singil mula sa bawat hilera ng natapos na frame ay inililipat sa isang 'readout register'.
6. Pangwakas na Pagbasa: Isang column sa isang pagkakataon, ang mga singil mula sa bawat pixel ay dinadala sa readout node para sa readout sa ADC.
7. Pag-uulit: Umuulit ang prosesong ito hanggang sa mabilang ang mga natukoy na singil sa lahat ng pixel.
Ang bottleneck na ito na dulot ng lahat ng nakitang singil na binabasa ng isang maliit na bilang (minsan isa) ng mga readout point, ay humahantong sa matinding limitasyon sa data throughput ng mga sensor ng CCD kumpara sa CMOS.
Mga Kalamangan at Kahinaan ng Mga Sensor ng CCD
| Mga pros | Cons |
| Mababang Madilim na Agos Karaniwang ~0.001 e⁻/p/s kapag pinalamig. | Limitadong Bilis Karaniwang throughput ~20 MP/s — mas mabagal kaysa sa CMOS. |
| Ang On-Pixel Binning Charges ay ibinubuo bago basahin, na binabawasan ang ingay. | Ang High Read Noise 5–10 e⁻ ay karaniwan dahil sa single-point ADC readout. |
| Global Shutter True global o near-global shutter sa mga interline/frame-transfer na CCD. | Mas Malaking Mga Sukat ng Pixel Hindi maaaring tumugma sa miniaturization na alok ng CMOS. |
| High Image Uniformity Mahusay para sa quantitative imaging. | High Power Consumption Nangangailangan ng higit na power para sa paglilipat ng singil at pagbabasa. |
Mga kalamangan ng CCD Sensor
● Mababang madilim na Current: Sa likas na katangian bilang isang teknolohiya, ang mga sensor ng CCD ay may posibilidad na magkaroon ng napakababang dark current, kadalasan sa pagkakasunud-sunod ng 0.001 e-/p/s kapag pinalamig.
● 'On-pixel' Binning: Kapag binning, ang mga CCD ay nagdaragdag ng mga singil bago ang readout, hindi pagkatapos, ibig sabihin ay walang karagdagang read noise na ipinakilala. Tumataas ang maitim na agos, ngunit gaya ng nabanggit sa itaas, ito ay kadalasang napakababa.
● Pandaigdigang Shutter: Ang mga sensor ng 'Interline' na CCD ay gumagana gamit ang isang tunay na pandaigdigang shutter. Gumagamit ang mga sensor ng CCD ng 'Frame Transfer' ng 'kalahating pandaigdigang' shutter (tingnan ang 'Masked' na rehiyon ng Figure 45) – ang proseso ng paglilipat ng frame upang simulan at tapusin ang pagkakalantad ay hindi tunay na sabay-sabay, ngunit karaniwang tumatagal ng 1-10 microseconds. Ang ilang mga CCD ay gumagamit ng mekanikal na shuttering.
Kahinaan ng mga CCD Sensor
● Limitadong Bilis: ang karaniwang data throughput sa pixels per second ay maaaring humigit-kumulang 20 Megapixels per second (MP/s), katumbas ng 4 MP na imahe sa 5 fps. Ito ay humigit-kumulang 20x na mas mabagal kaysa sa katumbas na CMOS, at hindi bababa sa 100x na mas mabagal kaysa sa high-speed CMOS.
● Mataas na Ingay sa Pagbasa: Mataas ang ingay sa pagbabasa sa mga CCD, higit sa lahat dahil sa pangangailangang patakbuhin ang (mga) ADC sa mataas na rate upang makamit ang magagamit na bilis ng camera. Ang 5 hanggang 10 e- ay karaniwan para sa mga high-end na CCD camera.
● Mas Malaking Pixel: Para sa maraming mga application, ang mas maliliit na pixel ay nagbibigay ng mga pakinabang. Ang karaniwang arkitektura ng CMOS ay nagbibigay-daan sa mas maliit na minimum na laki ng pixel kaysa sa CCD.
● Mataas na Pagkonsumo ng Power: Ang mga kinakailangan sa kapangyarihan para sa pagpapatakbo ng mga sensor ng CCD ay mas mataas kaysa sa CMOS.
Mga Application ng CCD Sensor sa Scientific Imaging
Bagama't naging popular ang teknolohiya ng CMOS, mas gusto pa rin ang mga sensor ng CCD sa ilang partikular na application ng pang-agham na imaging kung saan ang kalidad ng imahe, sensitivity, at consistency ay pinakamahalaga. Ang kanilang superyor na kakayahang kumuha ng mga low-light na signal na may kaunting ingay ay ginagawa itong perpekto para sa mga aplikasyon ng katumpakan.
Astronomiya
Ang mga sensor ng CCD ay kritikal sa astronomical imaging dahil sa kanilang kakayahang kumuha ng mahinang liwanag mula sa malalayong bituin at galaxy. Malawakang ginagamit ang mga ito sa parehong mga obserbatoryo at advanced na amateur astronomy para sa long-exposure na astrophotography, na naghahatid ng malinaw at detalyadong mga larawan.
Microscopy at Life Sciences
Sa mga agham ng buhay, ang mga sensor ng CCD ay ginagamit upang makuha ang mahinang fluorescence signal o banayad na istruktura ng cellular. Ang kanilang mataas na sensitivity at pagkakapareho ay ginagawa silang perpekto para sa mga aplikasyon tulad ng fluorescence microscopy, live cell imaging, at digital pathology. Tinitiyak ng kanilang linear light response ang tumpak na quantitative analysis.
Semiconductor Inspection
Ang mga sensor ng CCD ay mahalaga sa paggawa ng semiconductor, lalo na para sa inspeksyon ng wafer. Ang kanilang mataas na resolution at pare-parehong kalidad ng imaging ay mahalaga para sa pagtukoy ng mga micro-scale na depekto sa mga chips, na tinitiyak ang katumpakan na kinakailangan sa paggawa ng semiconductor.
X-ray at Scientific Imaging
Ang mga sensor ng CCD ay ginagamit din sa mga sistema ng pag-detect ng X-ray at iba pang mga espesyal na aplikasyon ng imaging. Ang kanilang kakayahang mapanatili ang mataas na signal-to-noise ratio, lalo na kapag pinalamig, ay mahalaga para sa malinaw na imaging sa mga mapanghamong kondisyon gaya ng crystallography, pagsusuri ng mga materyales, at hindi mapanirang pagsubok.
Ang mga CCD Sensor ay May Kaugnayan Pa rin Ngayon?
Tucsen H-694 & 674 CCD Camera
Sa kabila ng mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ng CMOS, ang mga sensor ng CCD ay malayo sa lipas na. Ang mga ito ay nananatiling isang ginustong pagpipilian sa ultra-low light at high-precision na mga gawain sa imaging, kung saan ang kanilang walang kaparis na kalidad ng imahe at mga katangian ng ingay ay mahalaga. Sa mga larangan tulad ng deep-space astronomy o advanced fluorescence microscopy, ang mga camera ng CCD ay kadalasang nangunguna sa maraming alternatibong CMOS.
Ang pag-unawa sa mga kalakasan at kahinaan ng mga sensor ng CCD ay tumutulong sa mga mananaliksik at inhinyero na piliin ang tamang teknolohiya para sa kanilang mga partikular na pangangailangan, na tinitiyak ang pinakamainam na pagganap sa kanilang mga pang-agham o pang-industriyang aplikasyon.
Mga FAQ
Kailan ako dapat pumili ng sensor ng CCD?
Ang mga sensor ng CCD ay mas bihira ngayon kaysa sampung taon na ang nakaraan, dahil ang teknolohiya ng CMOS ay nagsisimulang manghimasok sa kahit na ang kanilang mababang madilim na kasalukuyang pagganap. Gayunpaman, palaging may mga application kung saan ang kanilang kumbinasyon ng mga katangian ng pagganap—tulad ng higit na mataas na kalidad ng imahe, mababang ingay, at mataas na sensitivity—ay nagbibigay ng kalamangan.
Bakit gumagamit ang mga siyentipikong camera ng mga cooled na sensor ng CCD?
Binabawasan ng paglamig ang thermal noise habang kumukuha ng larawan, pinapabuti ang kalinawan at sensitivity ng imahe. Ito ay partikular na mahalaga para sa low-light at long-exposure na scientific imaging, kaya naman maraming high-endmga siyentipikong kameraumasa sa mga pinalamig na CCD para sa mas malinis, mas tumpak na mga resulta.
Ano ang overlap mode sa mga sensor ng CCD at EMCCD, at paano nito pinapahusay ang performance ng camera?
Ang mga sensor ng CCD at EMCCD ay karaniwang may kakayahang 'overlap mode'. Para sa mga global shutter camera, ito ay tumutukoy sa kakayahang basahin ang nakaraang frame sa panahon ng pagkakalantad ng susunod na frame. Ito ay humahantong sa isang mataas na (malapit sa 100%) na ikot ng tungkulin, ibig sabihin, kaunting oras ang nasasayang na hindi inilalantad ang mga frame sa liwanag, at samakatuwid ay mas mataas ang mga rate ng frame.
Tandaan: Ang overlap mode ay may ibang kahulugan para sa mga rolling shutter sensor.
Kung gusto mong matuto nang higit pa tungkol sa rolling shutters, mangyaring i-click ang:
Paano Gumagana ang Rolling Shutter Control Mode At Paano Ito Gamitin
Tucsen Photonics Co., Ltd. Nakalaan ang lahat ng karapatan. Kapag nagbabanggit, mangyaring kilalanin ang pinagmulan:www.tucsen.com
