CCD Sensörlerini Anlamak: Nedirler ve Nasıl Çalışırlar? |

2025 yılında CMOS sensörler hem bilimsel hem de tüketici görüntüleme alanında hakimiyet kuracak olsa da durum her zaman böyle değildi.

CCD, "Yük Bağlantılı Cihaz" anlamına gelir ve CCD sensörleri, ilk olarak 1970 yılında geliştirilen orijinal dijital kamera sensörleriydi. CCD ve EMCCD tabanlı kameralar, birkaç yıl öncesine kadar bilimsel uygulamalar için yaygın olarak öneriliyordu. Her iki teknoloji de günümüzde varlığını sürdürmesine rağmen, kullanım alanları niş bir hal almıştır.

CMOS sensörlerinin iyileştirme ve geliştirme hızı artmaya devam ediyor. Bu teknolojiler arasındaki fark, öncelikle algılanan elektronik yükü işleme ve okuma biçimlerinde yatıyor.

CCD Sensörü Nedir?

CCD sensörü, ışığı yakalayıp dijital sinyallere dönüştürmek için kullanılan bir görüntü sensörü türüdür. Fotonları toplayıp elektrik yüklerine dönüştüren bir dizi ışığa duyarlı pikselden oluşur.

CCD sensör okuması CMOS'tan üç önemli açıdan farklıdır:

● Ücret Transferi: Yakalanan fotoelektronlar, sensörün alt kısmındaki okuma alanına piksel piksel elektrostatik olarak hareket ettirilir.
● Okuma Mekanizması: Paralel olarak çalışan bir dizi analog-dijital dönüştürücü (ADC) yerine, CCD'ler pikselleri sırayla okuyan yalnızca bir veya iki (veya bazen daha fazla) ADC kullanır.

Kondansatör ve Yükselteç Yerleşimi: Her pikseldeki kondansatör ve yükselteç yerine, her ADC'de bir kondansatör ve yükselteç bulunur.

CCD Sensörü Nasıl Çalışır?

Bir CCD sensörünün bir görüntüyü elde etmek ve işlemek için nasıl çalıştığı şöyledir:

Bir CCD Sensör Çalışmasının İllüstrasyonu

Şekil: Bir CCD sensörü için okuma süreci

Pozlamalarının sonunda, CCD sensörleri önce toplanan yükleri her pikselin içindeki maskelenmiş bir depolama alanına (gösterilmemiştir) taşır. Ardından, yükler satır satır bir okuma kaydına taşınır. Okuma kaydındaki yükler sütun sütun okunur.

1. Ücret Temizleme: Edinimi başlatmak için, eş zamanlı olarak tüm sensörden yük temizlenir (küresel deklanşör).
2. Şarj Birikimi: Maruz kalma süresince yük birikir.
3. Şarj Depolama: Pozlamanın sonunda toplanan yükler, her pikselin içindeki maskelenmiş bir alana (satırlar arası transfer CCD olarak adlandırılır) taşınır ve burada yeni algılanan fotonların sayılması olmadan okunmayı beklerler.
4. Sonraki Karenin Pozlanması: Tespit edilen yükler piksellerin maskelenmiş alanına depolandığında, piksellerin aktif alanı bir sonraki karenin pozlamasına başlayabilir (üst üste binme modu).
5. Sıralı Okuma: Bitmiş çerçevenin her satırındaki yükler, her seferinde bir satır olmak üzere 'okuma kaydına' taşınır.
6. Son Okuma: Her seferinde bir sütun olmak üzere, her pikselden gelen yükler ADC'de okunmak üzere okuma düğümüne aktarılır.
7. Tekrarlama: Bu işlem, tüm piksellerdeki tespit edilen yükler sayılana kadar tekrarlanır.

Algılanan tüm yüklerin az sayıda (bazen bir) okuma noktası tarafından okunmasıyla oluşan bu darboğaz, CCD sensörlerinin veri akışında CMOS'a kıyasla ciddi sınırlamalara yol açar.

CCD Sensörlerinin Artıları ve Eksileri

Artıları	Eksileri
Düşük Karanlık Akımı Genellikle soğutulduğunda ~0,001 e⁻/p/s.	Sınırlı Hız Tipik verim ~20 MP/s — CMOS'tan çok daha yavaş.
Piksel Üstü Binning Ücretleri, gürültüyü azaltmak için okuma öncesinde toplanır.	Tek noktalı ADC okuması nedeniyle Yüksek Okuma Gürültüsü 5–10 e⁻ yaygındır.
Global Shutter Interline/kare transfer CCD'lerinde gerçek küresel veya küresele yakın deklanşör.	Daha Büyük Piksel Boyutları CMOS'un sunduğu minyatürleştirmeyle eşleşemez.
Yüksek Görüntü Tekdüzeliği Kantitatif görüntüleme için mükemmeldir.	Yüksek Güç Tüketimi Şarj kaydırma ve okuma için daha fazla güç gerektirir.

CCD Sensörünün Artıları

● Düşük karanlık akım: CCD sensörleri, bir teknoloji olarak, soğutulduklarında genellikle 0,001 e-/p/s mertebesinde olan çok düşük karanlık akımına sahip olma eğilimindedir.
● 'Piksel Üzerinde' Gruplama: Binning sırasında, CCD'ler okumadan önce değil, okumadan sonra yük ekler, bu da ek okuma gürültüsü oluşmayacağı anlamına gelir. Karanlık akım artar, ancak yukarıda belirtildiği gibi, bu genellikle çok düşüktür.
● Küresel Deklanşör: 'Çizgi Arası' CCD sensörleri gerçek küresel deklanşörle çalışır. 'Kare Aktarımı' CCD sensörleri 'yarım küresel' deklanşör kullanır (bkz. Şekil 45'teki 'Maskeli' bölge) - pozlamayı başlatmak ve bitirmek için kare aktarım süreci tam olarak eş zamanlı değildir, genellikle 1-10 mikrosaniye sürer. Bazı CCD'ler mekanik deklanşör kullanır.

CCD Sensörlerinin Eksileri

● Sınırlı Hız: Saniye başına piksel cinsinden tipik veri aktarım hızı, saniyede yaklaşık 20 Megapiksel (MP/s) olabilir; bu da saniyede 5 kare hızında 4 MP'lik bir görüntüye eşdeğerdir. Bu, eşdeğer CMOS'tan yaklaşık 20 kat, yüksek hızlı CMOS'tan ise en az 100 kat daha yavaştır.
● Yüksek Okuma Gürültüsü: CCD'lerde okuma gürültüsü yüksektir ve bu büyük ölçüde kullanılabilir kamera hızına ulaşmak için ADC'leri yüksek bir hızda çalıştırma gereksiniminden kaynaklanır. 5 ila 10 e- üst düzey CCD kameralarda yaygındır.
● Daha Büyük Pikseller: Birçok uygulama için daha küçük pikseller avantaj sağlar. Tipik CMOS mimarisi, CCD'ye göre daha küçük minimum piksel boyutlarına olanak tanır.
● Yüksek Güç Tüketimi:CCD sensörlerinin çalıştırılması için gereken güç gereksinimleri CMOS sensörlerine göre çok daha yüksektir.

CCD Sensörlerinin Bilimsel Görüntülemede Uygulamaları

CMOS teknolojisi popülerlik kazanmış olsa da, CCD sensörler, görüntü kalitesi, hassasiyet ve tutarlılığın ön planda olduğu bazı bilimsel görüntüleme uygulamalarında hâlâ tercih edilmektedir. Düşük ışık sinyallerini minimum gürültüyle yakalama konusundaki üstün yetenekleri, onları hassas uygulamalar için ideal kılmaktadır.

Astronomi

CCD sensörleri, uzak yıldızlardan ve galaksilerden gelen zayıf ışığı yakalama kabiliyetleri nedeniyle astronomik görüntülemede kritik öneme sahiptir. Hem gözlemevlerinde hem de ileri amatör astronomide uzun pozlama astrofotoğrafçılığı için yaygın olarak kullanılırlar ve net ve ayrıntılı görüntüler sunarlar.

Mikroskopi ve Yaşam Bilimleri

Yaşam bilimlerinde, CCD sensörleri zayıf floresan sinyallerini veya ince hücresel yapıları yakalamak için kullanılır. Yüksek hassasiyetleri ve homojenlikleri, onları floresan mikroskopisi, canlı hücre görüntüleme ve dijital patoloji gibi uygulamalar için mükemmel kılar. Doğrusal ışık tepkileri, doğru kantitatif analiz sağlar.

Yarı İletken Muayenesi

CCD sensörler, özellikle yonga plakası incelemesi için yarı iletken üretiminde hayati öneme sahiptir. Yüksek çözünürlükleri ve tutarlı görüntü kaliteleri, yongalardaki mikro ölçekli kusurları tespit etmek ve yarı iletken üretiminde gereken hassasiyeti sağlamak için olmazsa olmazdır.

X-ışını ve Bilimsel Görüntüleme

CCD sensörleri, X-ışını algılama sistemlerinde ve diğer özel görüntüleme uygulamalarında da kullanılır. Özellikle soğutulduklarında yüksek sinyal-gürültü oranlarını koruyabilmeleri, kristalografi, malzeme analizi ve tahribatsız muayene gibi zorlu koşullarda net görüntüleme için hayati önem taşır.

CCD Sensörleri Günümüzde Hala Önemli mi?

Tucsen H-694 ve 674 CCD Kamera

CMOS teknolojisinin hızla gelişmesine rağmen, CCD sensörler artık modası geçmiş değil. Eşsiz görüntü kalitesi ve gürültü özelliklerinin kritik önem taşıdığı ultra düşük ışık ve yüksek hassasiyetli görüntüleme görevlerinde tercih edilen bir seçenek olmaya devam ediyorlar. Derin uzay astronomisi veya gelişmiş floresan mikroskobu gibi alanlarda, CCD kameralar genellikle birçok CMOS alternatifinden daha iyi performans gösteriyor.

CCD sensörlerinin güçlü ve zayıf yönlerini anlamak, araştırmacıların ve mühendislerin kendi özel ihtiyaçlarına uygun doğru teknolojiyi seçmelerine yardımcı olur ve bilimsel veya endüstriyel uygulamalarında optimum performansı garantiler.

SSS

CCD sensörünü ne zaman seçmeliyim?

CCD sensörleri, CMOS teknolojisinin düşük karanlık akım performanslarını bile etkilemeye başlamasıyla, günümüzde on yıl öncesine göre çok daha nadirdir. Ancak, üstün görüntü kalitesi, düşük gürültü ve yüksek hassasiyet gibi performans özelliklerinin bir araya gelmesinin avantaj sağladığı uygulamalar her zaman olacaktır.

Bilimsel kameralarda neden soğutmalı CCD sensörleri kullanılır?

Soğutma, görüntü yakalama sırasında termal gürültüyü azaltarak görüntü netliğini ve hassasiyetini artırır. Bu, özellikle düşük ışık ve uzun pozlama gerektiren bilimsel görüntüleme için önemlidir; bu nedenle birçok üst düzeybilimsel kameralarDaha temiz ve daha doğru sonuçlar için soğutulmuş CCD'lere güvenin.

CCD ve EMCCD sensörlerde örtüşme modu nedir ve kamera performansını nasıl artırır?

CCD ve EMCCD sensörler genellikle 'üst üste binme modu' özelliğine sahiptir. Küresel deklanşörlü kameralarda bu, bir sonraki karenin pozlaması sırasında önceki kareyi okuyabilme yeteneğini ifade eder. Bu, yüksek (neredeyse %100) bir görev döngüsüne yol açar; bu da karelerin ışığa maruz kalmaması için minimum zaman kaybı anlamına gelir ve dolayısıyla daha yüksek kare hızları sağlar.

Not: Örtüşme modu, yuvarlanan deklanşör sensörleri için farklı bir anlama sahiptir.

Kepenkler hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız lütfen tıklayın:

Panjur Kontrol Modu Nasıl Çalışır ve Nasıl Kullanılır?