25/07/31Хоча у 2025 році CMOS-сенсори домінують як у науковій, так і в споживчій візуалізації, так було не завжди.
ПЗЗ розшифровується як «пристрій із зарядовим зв'язком», а ПЗЗ-сенсори були першими цифровими сенсорами камер, вперше розробленими в 1970 році. Камери на основі ПЗЗ та EMCCD зазвичай рекомендувалися для наукових застосувань ще кілька років тому. Обидві технології існують і сьогодні, хоча їх використання стало нішевим.
Темпи вдосконалення та розвитку CMOS-сенсорів продовжують зростати. Різниця між цими технологіями полягає, головним чином, у способі обробки та зчитування виявленого електронного заряду.
Що таке CCD-сенсор?
ПЗС-матриця – це тип датчика зображення, який використовується для захоплення світла та перетворення його на цифрові сигнали. Вона складається з масиву світлочутливих пікселів, які збирають фотони та перетворюють їх на електричні заряди.
Зчитування даних CCD-сенсора відрізняється від CMOS-сенсора трьома суттєвими способами:
● Переказ коштівЗахоплені фотоелектрони електростатично переміщуються піксель за пікселем через датчик до області зчитування внизу.
● Механізм зчитуванняЗамість цілого ряду аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), що працюють паралельно, ПЗЗ-матриці використовують лише один або два АЦП (а іноді й більше), які послідовно зчитують пікселі.
Розміщення конденсатора та підсилювача: Замість конденсаторів та підсилювачів у кожному пікселі кожен АЦП має один конденсатор та підсилювач.
Як працює CCD-сенсор?
Ось як працює CCD-сенсор для отримання та обробки зображення:
Рисунок: Процес зчитування даних для CCD-сенсора
Після завершення експозиції, ПЗС-сенсори спочатку переміщують зібрані заряди в замасковану область зберігання всередині кожного пікселя (не показано). Потім, по рядку за раз, заряди переміщуються в регістр зчитування. По стовпцю за раз зчитуються заряди в регістрі зчитування.
1. Очищення платежу: Щоб розпочати зйомку, заряд одночасно знімається з усього датчика (глобальний затвор).
2. Накопичення зарядуЗаряд накопичується під час експозиції.
3. Зберігання зарядуПісля закінчення експозиції зібрані заряди переміщуються в замасковану область всередині кожного пікселя (так звану ПЗЗ-матрицю з міжрядковим перенесенням), де вони можуть чекати на зчитування без підрахунку нових виявлених фотонів.
4. Експозиція наступного кадру: Коли виявлені заряди зберігаються в замаскованій області пікселів, активна область пікселів може розпочати експозицію наступного кадру (режим перекриття).
5. Послідовне зчитування: Ряд за рядком, заряди з кожного рядка готової рамки переміщуються в «регістр зчитування».
6. Остаточний звітПо одному стовпчику за раз, заряди з кожного пікселя передаються до вузла зчитування для зчитування на АЦП.
7. ПовторенняЦей процес повторюється, доки не будуть підраховані виявлені заряди у всіх пікселях.
Це вузьке місце, спричинене тим, що всі виявлені заряди зчитуються невеликою кількістю (іноді однією) точок зчитування, призводить до серйозних обмежень пропускної здатності CCD-сенсорів порівняно з CMOS.
Плюси та мінуси CCD-сенсорів
| Плюси | Мінуси |
| Низький темновий струм. Зазвичай ~0,001 е⁻/п/с після охолодження. | Обмежена швидкість Типова пропускна здатність ~20 МП/с — набагато повільніше, ніж у CMOS. |
| Заряди від On-Pixel Binning підсумовуються перед зчитуванням, що зменшує шум. | Високий рівень шуму зчитування 5–10 e⁻ є поширеним явищем через одноточкове зчитування АЦП. |
| Глобальний затвор. Справжній глобальний або майже глобальний затвор у міжрядкових/кадрово-передавальними ПЗС-матрицях. | Більші розміри пікселів не можуть зрівнятися з мініатюризацією, яку пропонує CMOS. |
| Висока однорідність зображення. Чудово підходить для кількісної візуалізації. | Високе енергоспоживання. Потрібно більше енергії для зміщення заряду та зчитування. |
Переваги CCD-сенсора
● Низький темновий струмЗа своєю суттю, як технологія, CCD-сенсори, як правило, мають дуже низький темновий струм, зазвичай порядку 0,001 е-/п/с при охолодженні.
● «Напіксельне» групуванняПід час групування ПЗС-матриці додають заряди до зчитування, а не після, тобто додатковий шум зчитування не вноситься. Темновий струм збільшується, але, як зазначалося вище, зазвичай це дуже мало.
● Глобальний затворПЗС-матриці з інтерфейсом «Interline» працюють із справжнім глобальним затвором. ПЗС-матриці з інтерфейсом «Frame Transfer» використовують «напівглобальний» затвор (див. «Маскову» область на рисунку 45) – процес передачі кадрів для початку та завершення експозиції не є повністю одночасним, але зазвичай займає близько 1-10 мікросекунд. Деякі ПЗС-матриці використовують механічний затвор.
Мінуси CCD-сенсорів
● Обмежена швидкістьТипова пропускна здатність даних у пікселях за секунду може становити близько 20 мегапікселів за секунду (МП/с), що еквівалентно 4-мегапіксельному зображенню з частотою 5 кадрів/с. Це приблизно в 20 разів повільніше, ніж у еквівалентної CMOS-матриці, і щонайменше в 100 разів повільніше, ніж у високошвидкісної CMOS-матриці.
● Високий рівень шуму при читанніШум зчитування в ПЗС-матрицях високий, значною мірою через необхідність роботи АЦП з високою частотою для досягнення робочої швидкості камери. Для високоякісних ПЗС-камер типовим є значення від 5 до 10 е-.
● Більші пікселіДля багатьох застосувань менші пікселі мають переваги. Типова архітектура CMOS дозволяє використовувати менші мінімальні розміри пікселів, ніж CCD.
● Високе енергоспоживанняВимоги до живлення для роботи CCD-сенсорів набагато вищі, ніж для CMOS.
Застосування ПЗС-сенсорів у науковій візуалізації
Хоча технологія CMOS набула популярності, CCD-сенсори все ще є кращими в певних наукових застосуваннях візуалізації, де якість зображення, чутливість та стабільність мають першочергове значення. Їхня чудова здатність захоплювати сигнали при слабкому освітленні з мінімальним шумом робить їх ідеальними для точних застосувань.
Астрономія
ПЗС-сенсори мають вирішальне значення в астрономічній візуалізації завдяки своїй здатності вловлювати слабке світло від далеких зірок і галактик. Вони широко використовуються як в обсерваторіях, так і в передовій аматорській астрономії для астрофотографії з тривалою експозицією, забезпечуючи чіткі та детальні зображення.
Мікроскопія та науки про життя
У науках про життя ПЗС-сенсори використовуються для захоплення слабких флуоресцентних сигналів або тонких клітинних структур. Їх висока чутливість та однорідність роблять їх ідеальними для таких застосувань, як флуоресцентна мікроскопія, візуалізація живих клітин та цифрова патологія. Їх лінійна світлова характеристика забезпечує точний кількісний аналіз.
Інспекція напівпровідників
ПЗС-датчики мають вирішальне значення у виробництві напівпровідників, особливо для контролю пластин. Їх висока роздільна здатність та стабільна якість зображення є важливими для виявлення мікродефектів у чіпах, забезпечуючи точність, необхідну у виробництві напівпровідників.
Рентгенівська та наукова візуалізація
ПЗС-сенсори також використовуються в системах рентгенівського виявлення та інших спеціалізованих застосуваннях візуалізації. Їхня здатність підтримувати високе співвідношення сигнал/шум, особливо при охолодженні, є життєво важливою для отримання чіткого зображення в складних умовах, таких як кристалографія, аналіз матеріалів та неруйнівний контроль.
Чи актуальні CCD-сенсори сьогодні?
ПЗС-камера Tucsen H-694 та 674
Незважаючи на швидкий розвиток CMOS-технології, CCD-сенсори далеко не застаріли. Вони залишаються кращим вибором для завдань наднизької освітленості та високоточної візуалізації, де їхня неперевершена якість зображення та шумові характеристики мають вирішальне значення. У таких галузях, як астрономія глибокого космосу або передова флуоресцентна мікроскопія, CCD-камери часто перевершують багато CMOS-альтернатив.
Розуміння сильних та слабких сторін ПЗС-датчиків допомагає дослідникам та інженерам вибрати правильну технологію для своїх конкретних потреб, забезпечуючи оптимальну продуктивність у їхніх наукових чи промислових застосуваннях.
Найчастіші запитання
Коли варто обрати CCD-сенсор?
ПЗС-сенсори сьогодні зустрічаються набагато рідше, ніж десять років тому, оскільки технологія CMOS починає погіршувати навіть їхню продуктивність при низьких темнових струмах. Однак завжди існуватимуть застосування, де їхнє поєднання характеристик, таких як чудова якість зображення, низький рівень шуму та висока чутливість, забезпечуватиме перевагу.
Чому наукові камери використовують охолоджувані CCD-сенсори?
Охолодження зменшує тепловий шум під час зйомки зображень, покращуючи чіткість зображення та чутливість. Це особливо важливо для наукової зйомки в умовах слабкого освітлення та з тривалою експозицією, тому багато високоякіснихнаукові камерипокладайтеся на охолоджувані ПЗЗ-матриці для отримання чистіших і точніших результатів.
Що таке режим перекриття в CCD та EMCCD сенсорах, і як він покращує продуктивність камери?
CCD- та EMCCD-сенсори зазвичай здатні працювати в «режимі перекриття». Для камер із глобальним затвором це означає здатність зчитувати попередній кадр під час експозиції наступного кадру. Це призводить до високого (майже 100%) робочого циклу, а це означає мінімальну втрату часу на те, щоб кадри не експонувалися під світлом, і, отже, вищу частоту кадрів.
Примітка: Режим перекриття має інше значення для датчиків рухомого затвора.
Якщо ви хочете дізнатися більше про рулонні вікна, будь ласка, натисніть:
Як працює режим керування рухомим затвором та як його використовувати
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
