سی سی ڈی سینسر کو سمجھنا: وہ کیا ہیں اور وہ کیسے کام کرتے ہیں۔

اگرچہ 2025 میں، CMOS سینسر سائنسی اور صارفین کی امیجنگ پر یکساں غلبہ رکھتے ہیں، لیکن ایسا ہمیشہ نہیں ہوتا تھا۔

سی سی ڈی کا مطلب 'چارج کپلڈ ڈیوائس' ہے، اور سی سی ڈی سینسرز اصل ڈیجیٹل کیمرہ سینسر تھے، جو پہلی بار 1970 میں تیار کیے گئے تھے۔ CCD- اور EMCCD پر مبنی کیمروں کو سائنسی ایپلی کیشنز کے لیے صرف چند سال پہلے تک تجویز کیا جاتا تھا۔ دونوں ٹکنالوجی آج بھی زندہ ہیں، حالانکہ ان کے استعمال ایک جگہ بن چکے ہیں۔

CMOS سینسر کی بہتری اور ترقی کی شرح میں اضافہ جاری ہے۔ ان ٹکنالوجیوں کے درمیان فرق بنیادی طور پر اس طریقے میں ہے جس پر وہ عمل کرتے ہیں اور پتہ چلا الیکٹرانک چارج کو پڑھتے ہیں۔

سی سی ڈی سینسر کیا ہے؟

سی سی ڈی سینسر ایک قسم کا امیج سینسر ہے جو روشنی کو پکڑنے اور اسے ڈیجیٹل سگنلز میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ یہ روشنی کے حساس پکسلز کی ایک صف پر مشتمل ہے جو فوٹون کو اکٹھا کرتے ہیں اور انہیں برقی چارجز میں تبدیل کرتے ہیں۔

سی سی ڈی سینسر ریڈ آؤٹ CMOS سے تین اہم طریقوں سے مختلف ہے:

● چارج ٹرانسفر: کیپچر کیے گئے فوٹو الیکٹران کو الیکٹرو سٹیٹلی طور پر پکسل ٹو پکسل سینسر کے نیچے ایک ریڈ آؤٹ ایریا میں منتقل کیا جاتا ہے۔
● ریڈ آؤٹ میکانزم: متوازی طور پر کام کرنے والے ڈیجیٹل کنورٹرز (ADCs) کے analogue کی پوری قطار کے بجائے، CCDs صرف ایک یا دو ADCs (یا بعض اوقات زیادہ) استعمال کرتے ہیں جو پکسلز کو ترتیب وار پڑھتے ہیں۔

Capacitor اور Amplifier کی جگہ: ہر پکسل میں capacitors اور amplifiers کی جگہ، ہر ADC میں ایک capacitor اور amplifier ہوتا ہے۔

سی سی ڈی سینسر کیسے کام کرتا ہے؟

یہاں یہ ہے کہ سی سی ڈی سینسر تصویر کو حاصل کرنے اور اس پر کارروائی کرنے کے لیے کیسے کام کرتا ہے:

تصویر: سی سی ڈی سینسر کے لیے ریڈ آؤٹ کا عمل

ان کی نمائش کے اختتام پر، سی سی ڈی سینسرز پہلے جمع شدہ چارجز کو ہر پکسل کے اندر ماسکڈ اسٹوریج ایریا میں منتقل کرتے ہیں (نہیں دکھایا گیا)۔ پھر، ایک وقت میں ایک قطار، چارجز کو ریڈ آؤٹ رجسٹر میں منتقل کیا جاتا ہے۔ ایک وقت میں ایک کالم، ریڈ آؤٹ رجسٹر کے اندر چارجز پڑھے جاتے ہیں۔

1. چارج کلیئرنگ: حصول شروع کرنے کے لیے، چارج کو بیک وقت پورے سینسر (عالمی شٹر) سے صاف کیا جاتا ہے۔
2. چارج جمع کرنا: نمائش کے دوران چارج جمع ہوتا ہے۔
3. چارج اسٹوریج: نمائش کے اختتام پر، جمع شدہ چارجز کو ہر ایک پکسل کے اندر ایک نقاب پوش علاقے میں منتقل کر دیا جاتا ہے (جسے انٹر لائن ٹرانسفر سی سی ڈی کہا جاتا ہے)، جہاں وہ نئے پائے جانے والے فوٹونز کو شمار کیے بغیر پڑھنے کا انتظار کر سکتے ہیں۔
4. اگلے فریم کی نمائش: پکسلز کے نقاب پوش علاقے میں ذخیرہ شدہ چارجز کے ساتھ، پکسلز کا فعال علاقہ اگلے فریم (اوورلیپ موڈ) کی نمائش شروع کر سکتا ہے۔
5. ترتیب وار ریڈ آؤٹ: ایک وقت میں ایک قطار، تیار شدہ فریم کی ہر قطار کے چارجز کو 'ریڈ آؤٹ رجسٹر' میں منتقل کیا جاتا ہے۔
6. فائنل ریڈ آؤٹ: ایک وقت میں ایک کالم، ہر پکسل کے چارجز کو ADC میں ریڈ آؤٹ کے لیے ریڈ آؤٹ نوڈ میں بند کر دیا جاتا ہے۔
7. تکرار: یہ عمل اس وقت تک دہرایا جاتا ہے جب تک کہ تمام پکسلز میں پائے جانے والے چارجز کو شمار نہ کیا جائے۔

ریڈ آؤٹ پوائنٹس کی ایک چھوٹی تعداد (بعض اوقات ایک) کے ذریعہ پڑھے جانے والے تمام پائے جانے والے چارجز کی وجہ سے پیدا ہونے والی یہ رکاوٹ سی سی ڈی سینسرز کے ڈیٹا تھرو پٹ میں CMOS کے مقابلے میں شدید حدود کا باعث بنتی ہے۔

سی سی ڈی سینسر کے فائدے اور نقصانات

پیشہ	Cons
کم گہرا کرنٹ عام طور پر ٹھنڈا ہونے پر ~0.001 e⁻/p/s۔	محدود رفتار عام تھرو پٹ ~20 MP/s — CMOS سے بہت سست۔
آن-پکسل بِننگ چارجز کو ریڈ آؤٹ سے پہلے جمع کیا جاتا ہے، شور کو کم کرتے ہیں۔	ہائی ریڈ شور 5–10 e⁻ سنگل پوائنٹ ADC ریڈ آؤٹ کی وجہ سے عام ہے۔
گلوبل شٹر انٹر لائن/فریم ٹرانسفر CCDs میں حقیقی عالمی یا قریب-عالمی شٹر۔	Pixel کے بڑے سائز چھوٹے CMOS کی پیشکشوں سے مماثل نہیں ہو سکتے۔
اعلی تصویری یکسانیت مقداری امیجنگ کے لیے بہترین ہے۔	ہائی پاور کی کھپت کو چارج شفٹنگ اور ریڈ آؤٹ کے لیے زیادہ پاور کی ضرورت ہوتی ہے۔

سی سی ڈی سینسر کے فوائد

● کم تاریک کرنٹ: فطری طور پر ایک ٹیکنالوجی کے طور پر، CCD سینسر میں بہت کم تاریک کرنٹ ہوتا ہے، عام طور پر ٹھنڈا ہونے پر 0.001 e-/p/s کے آرڈر پر ہوتا ہے۔
● 'آن پکسل' بننگ: بائننگ کرتے وقت، CCDs ریڈ آؤٹ سے پہلے چارجز کا اضافہ کرتے ہیں، اس کے بعد نہیں، یعنی کوئی اضافی پڑھنے کا شور متعارف نہیں ہوتا ہے۔ تاریک کرنٹ میں اضافہ ہوتا ہے، لیکن جیسا کہ اوپر بتایا گیا ہے، یہ عام طور پر بہت کم ہوتا ہے۔
● گلوبل شٹر: 'انٹر لائن' CCD سینسر ایک حقیقی عالمی شٹر کے ساتھ کام کرتے ہیں۔ 'فریم ٹرانسفر' سی سی ڈی سینسرز 'آدھے عالمی' شٹر کا استعمال کرتے ہیں (شکل 45 کا 'ماسکڈ' خطہ دیکھیں) - نمائش شروع کرنے اور ختم کرنے کے لیے فریم کی منتقلی کا عمل صحیح معنوں میں بیک وقت نہیں ہوتا ہے، لیکن عام طور پر 1-10 مائیکرو سیکنڈز کے آرڈر پر ہوتا ہے۔ کچھ سی سی ڈیز مکینیکل شٹرنگ کا استعمال کرتے ہیں۔

سی سی ڈی سینسر کے نقصانات

● محدود رفتار: پکسلز فی سیکنڈ میں عام ڈیٹا تھرو پٹ تقریباً 20 میگا پکسلز فی سیکنڈ (MP/s) ہو سکتا ہے، 5 fps پر 4 MP تصویر کے برابر۔ یہ مساوی CMOS سے تقریباً 20x سست ہے، اور تیز رفتار CMOS سے کم از کم 100x سست ہے۔
● ہائی ریڈ شور: CCDs میں پڑھنے کا شور زیادہ ہے، جس کی بڑی وجہ کیمرے کی استعمال کے قابل رفتار حاصل کرنے کے لیے ADC(s) کو زیادہ شرح پر چلانے کی ضرورت ہے۔ اعلی درجے کے CCD کیمروں کے لیے 5 سے 10 e- عام ہے۔
● بڑے پکسلز: بہت سے ایپلیکیشنز کے لیے، چھوٹے پکسلز فوائد فراہم کرتے ہیں۔ عام سی ایم او ایس آرکیٹیکچر سی سی ڈی کے مقابلے میں چھوٹے پکسل سائز کی اجازت دیتا ہے۔
● ہائی پاور کی کھپت: CCD سینسر چلانے کے لیے بجلی کی ضروریات CMOS سے بہت زیادہ ہیں۔

سائنسی امیجنگ میں سی سی ڈی سینسر کی ایپلی کیشنز

اگرچہ CMOS ٹکنالوجی نے مقبولیت حاصل کی ہے، CCD سینسر کو اب بھی کچھ سائنسی امیجنگ ایپلی کیشنز میں ترجیح دی جاتی ہے جہاں تصویر کا معیار، حساسیت اور مستقل مزاجی سب سے اہم ہے۔ کم سے کم شور کے ساتھ کم روشنی والے سگنلز کو پکڑنے کی ان کی اعلیٰ صلاحیت انہیں درست استعمال کے لیے مثالی بناتی ہے۔

فلکیات

سی سی ڈی سینسر فلکیاتی امیجنگ میں دور دراز ستاروں اور کہکشاؤں سے مدھم روشنی حاصل کرنے کی صلاحیت کی وجہ سے اہم ہیں۔ وہ وسیع پیمانے پر مشاہدہ گاہوں اور جدید شوقیہ فلکیات دونوں میں طویل نمائش والی فلکیاتی تصویر کشی کے لیے استعمال ہوتے ہیں، واضح، تفصیلی تصاویر فراہم کرتے ہیں۔

مائکروسکوپی اور لائف سائنسز

لائف سائنسز میں، سی سی ڈی سینسر کمزور فلوروسینس سگنلز یا باریک سیلولر ڈھانچے کو پکڑنے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں۔ ان کی اعلیٰ حساسیت اور یکسانیت انہیں فلوروسینس مائیکروسکوپی، لائیو سیل امیجنگ، اور ڈیجیٹل پیتھالوجی جیسی ایپلی کیشنز کے لیے بہترین بناتی ہے۔ ان کا لکیری روشنی کا ردعمل درست مقداری تجزیہ کو یقینی بناتا ہے۔

سیمی کنڈکٹر معائنہ

سی سی ڈی سینسر سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ میں بہت اہم ہیں، خاص طور پر ویفر کے معائنہ کے لیے۔ ان کی اعلی ریزولیوشن اور مستقل امیجنگ کوالٹی چپس میں مائیکرو پیمانہ نقائص کی نشاندہی کرنے کے لیے ضروری ہے، سیمی کنڈکٹر کی پیداوار میں درکار درستگی کو یقینی بنانے کے لیے۔

ایکس رے اور سائنسی امیجنگ

سی سی ڈی سینسر ایکس رے کا پتہ لگانے کے نظام اور دیگر خصوصی امیجنگ ایپلی کیشنز میں بھی کام کرتے ہیں۔ ان کی اعلی سگنل سے شور کے تناسب کو برقرار رکھنے کی صلاحیت، خاص طور پر جب ٹھنڈا ہو، کرسٹالگرافی، مواد کے تجزیہ اور غیر تباہ کن جانچ جیسے چیلنجنگ حالات میں واضح تصویر سازی کے لیے ضروری ہے۔

کیا CCD سینسر آج بھی متعلقہ ہیں؟

Tucsen H-694 اور 674 CCD کیمرہ

CMOS ٹیکنالوجی کی تیز رفتار ترقی کے باوجود، CCD سینسر متروک سے بہت دور ہیں۔ وہ انتہائی کم روشنی اور اعلیٰ درستگی والی امیجنگ کے کاموں میں ایک ترجیحی انتخاب بنے ہوئے ہیں، جہاں ان کی بے مثال تصویری معیار اور شور کی خصوصیات اہم ہیں۔ گہری خلائی فلکیات یا اعلی درجے کی فلوروسینس مائکروسکوپی جیسے شعبوں میں، سی سی ڈی کیمرے اکثر سی ایم او ایس کے بہت سے متبادلات کو پیچھے چھوڑ دیتے ہیں۔

CCD سینسر کی طاقتوں اور کمزوریوں کو سمجھنے سے محققین اور انجینئرز کو ان کی سائنسی یا صنعتی ایپلی کیشنز میں بہترین کارکردگی کو یقینی بناتے ہوئے اپنی مخصوص ضروریات کے لیے صحیح ٹیکنالوجی کا انتخاب کرنے میں مدد ملتی ہے۔

اکثر پوچھے گئے سوالات

مجھے سی سی ڈی سینسر کا انتخاب کب کرنا چاہیے؟

CCD سینسر آج دس سال پہلے کے مقابلے میں بہت کم ہیں، کیونکہ CMOS ٹیکنالوجی ان کی کم تاریک موجودہ کارکردگی پر بھی تجاوز کرنا شروع کر دیتی ہے۔ تاہم، ایسی ایپلی کیشنز ہمیشہ موجود رہیں گی جہاں ان کی کارکردگی کی خصوصیات کا مجموعہ — جیسے کہ اعلیٰ تصویر کا معیار، کم شور، اور زیادہ حساسیت — ایک فائدہ فراہم کرتی ہے۔

سائنسی کیمرے ٹھنڈے CCD سینسر کیوں استعمال کرتے ہیں؟

کولنگ تصویر کی گرفت کے دوران تھرمل شور کو کم کرتا ہے، تصویر کی وضاحت اور حساسیت کو بہتر بناتا ہے۔ یہ خاص طور پر کم روشنی اور طویل نمائش والی سائنسی امیجنگ کے لیے اہم ہے، یہی وجہ ہے کہ بہت سے اعلیسائنسی کیمرےکلینر، زیادہ درست نتائج کے لیے ٹھنڈے CCDs پر انحصار کریں۔

CCD اور EMCCD سینسر میں اوورلیپ موڈ کیا ہے، اور یہ کیمرے کی کارکردگی کو کیسے بہتر بناتا ہے؟

CCD اور EMCCD سینسر عام طور پر 'اوورلیپ موڈ' کے قابل ہوتے ہیں۔ عالمی شٹر کیمروں کے لیے، اس سے مراد اگلے فریم کی نمائش کے دوران پچھلے فریم کو پڑھنے کی صلاحیت ہے۔ یہ ایک اعلی (تقریباً 100%) ڈیوٹی سائیکل کی طرف لے جاتا ہے، یعنی فریموں کو روشنی میں لانے میں کم سے کم وقت ضائع ہوتا ہے، اور اس وجہ سے فریم کی شرحیں زیادہ ہوتی ہیں۔

نوٹ: اوورلیپ موڈ رولنگ شٹر سینسرز کے لیے مختلف معنی رکھتا ہے۔

اگر آپ رولنگ شٹر کے بارے میں مزید جاننا چاہتے ہیں، تو براہ کرم کلک کریں:

رولنگ شٹر کنٹرول موڈ کیسے کام کرتا ہے اور اسے کیسے استعمال کیا جائے۔