For å ta et bilde digitalt, må et moderne kamera fange lys og konvertere det til digital informasjon. For å gjøre dette, vil et kamera kreve en sensor som nøyaktig og raskt registrerer fotoner fra miljøet.
Du er sannsynligvis allerede klar over CMOS-sensoren som brukes i smarttelefoner og digitale forbrukerkameraer. Men visste du at det finnes en annen type sensor som gir høyere detaljnivå og dynamisk rekkevidde? Disse kamerasensorene er kjent som CCD-er.
Så, hva er egentlig CCD-er? Hvordan fungerer det, og hvordan brukes det? La oss snakke om det.
Hva er en CCD (Charge-Coupled Device)?
En CCD, eller ladet-koblet enhet, er en elektronisk sensor som konverterer lys til digitale signaler gjennom ladninger generert av sprette fotoner på en tynn silisiumplate.
CCD-er var gullstandarden for kamerasensorer fra tidlig på 80-tallet til slutten av 2000-tallet. Dette er fordi rundt 2010 fikk CMOS-sensorer betydelige teknologiske nyvinninger som ville gjøre dem billigere å produsere som en
system på en chip (SoC) samtidig som bildekvaliteten er sammenlignbar med en CCD-sensor.Siden CMOS ble populær, har det blitt sjelden å se CCD-sensorer på smarttelefoner og kameraer det siste tiåret. CCD-sensorer er imidlertid ikke akkurat foreldet. Selv om de kan ha blitt faset ut av forbrukerkameramarkedet, er CCD-sensorer fortsatt den foretrukne sensoren som brukes i visse områder av fotografering.
Anvendelser av CCD-teknologi i fotografering
Bortsett fra å være dyr å produsere, hadde CCD også andre problemer som førte til at den ble faset ut av forbrukermarkedet. Dette vil inkludere høyeffektkravet, som er 100 ganger mer enn hva CMOS ville bruke, og langsom bildebehandling, som er et problem når du tar bilder i serier og tar opp video.
Til tross for alle disse ulempene, trives CCD-er fortsatt i ulike industrielle og vitenskapelige applikasjoner som trenger maskinsyn. Dette er fordi CCD-er fortsatt gir bilder med lav støykvalitet som disse områdene av spesialfotografering krever. Pluss at kostnadene ved å kjøpe og drive CCD-kameraer er egentlig ikke et problem for velfinansierte institusjoner og bedrifter.
Så, hva er disse spesialiserte områdene innen fotografering som fortsatt bruker CCD? La oss finne ut nedenfor:
Optisk mikroskopi
CCD-er brukes i forskjellige mikroskopiapplikasjoner for å observere mat, kjemi, ingeniørvitenskap og andre applikasjoner der klare bilder av mikroskopiske objekter er nødvendig. En CCD er valgt for optisk mikroskopi fordi den kan ta opp objekter med over 10 piksler med høy følsomhet og lavt støyforhold.
Romfotografering
Å ta bilder av verdensrommet gjøres best på CCD-kameraer. Dette er fordi CCD-sensorer har den høyeste kvanteeffektiviteten, noe som resulterer i lav støy, høyt dynamisk område og bedre ensartethet – alle kritiske aspekter ved romfotografering.
Nær-infrarød bildebehandling
CCD-er brukes i ulike industrielle bildebehandlingsapplikasjoner, hvorav en er nær-infrarød bildebehandling. En sensor må ha svært effektiv fotonabsorpsjon for å gjøre nær-infrarød avbildning, siden infrarøde fotoner er mindre synlige enn vanlig synlige fotoner. Siden CCD-er gir svært følsomme sensorer som kan fange infrarøde fotoner bedre, brukes de alltid i disse applikasjonene.
CCD-er trives i det vitenskapelige, industrielle og medisinske fotograferingsområdet, først og fremst på grunn av deres høye kvanteeffektivitet, bilder med lite støy og høye nivåer av enhetlighet. Men hvordan gir CCD-sensorer slike egenskaper? Du må først lære hvordan CCD-sensorer fungerer for å forstå dette bedre.
Hvordan fungerer et CCD-system?
CCD er bare en av de forskjellige typer kamerasensorer. Og akkurat som andre kamerasensorer, fanger CCD-er lys og konverterer det til digitale signaler, som deretter behandles og vises som piksler når de vises på en elektronisk skjerm, for eksempel en skjerm.
Selv om alle bildesensorer har den samme oppgaven med å fange det analoge for å lage digitale signaler, vil modusen eller prosessen det tar å oppnå nevnte oppgaver være forskjellig fra andre sensorer.
For at en CCD-sensor skal ta bilder, går den gjennom en fem-trinns prosess, som starter med lys-til-lading konvertering, ladningsakkumulering, ladningsoverføring, ladning-til-spenningskonvertering, og deretter signal forsterkning. La oss gå gjennom prosessen trinn for trinn:
Trinn 1: Light-to-Charge-konvertering
En CCD-sensor fanger opp lys ved å la fotoner (energi fra lys) sprette av en tynn silisiumplate som deretter frigjør et elektron. En liten positivt ladet kondensator fungerer da som en bøtte som samler og lagrer de frigjorte elektronene. En enhet av denne tynne silisiumplaten på toppen av en liten kondensator er kjent som en fotoside.
Trinn 2 og 3: Ladningsakkumulering og ladningsoverføring
En CCD-sensor fortsetter å samle og lagre slike elektroner til kameraets lukker lukkes. Alle de lagrede elektronene fra kondensatoren er det som lager ladningen.
Når kamerautløseren lukkes, overføres all ladning fra fotosidene til en sensorkondensatorkrets. Overføringen gjøres ved å forskyve ladningene horisontalt til kanten av sensoren og deretter vertikalt til hver ladning sendes til sensorkondensatorkretsen.
CCD-sensorer bruker denne skiftregistermekanismen til å overføre ladning, mens CMOS-sensorer bruker lokal spenningskonvertering og signalforsterkning. Selv om dette gjør CMOS til den raskere sensoren, gjør det også utgangen deres ganske støyende ettersom det store antallet lokale forsterkere skaper støy eller artefakter i et bilde. I motsetning til dette bruker en CCD bare én forsterkerkrets for å forsterke signaler.
En annen ulempe ved å bruke lokal forsterkning ved høye hastigheter er at det forårsaker ujevnheter i bildene. CCD-sensorer har ikke slike problemer på grunn av deres lineære prosess når de behandler ladninger i hvert fotosted.
Trinn 4 og 5: Lading-til-spenningskonvertering og signalforsterkning
Analoge ladninger som sendes til sensorkondensatoren konverteres automatisk til spenninger som gjør de rå digitale dataene som brukes til å lage bilder. Etter ladning-til-spenningskonverteringen er de digitale signalene fortsatt for lave for en prosessor å bruke.
For å forsterke de digitale signalene brukes en signalforsterker. Dette forsterkede signalet sendes deretter til en bildeprosessor som deretter setter sammen bildet.
CCD-er er kommet for å bli
En gang gullstandarden for digitale kamerasensorer, er CCD-er nå avviklet for vanlig forbrukerbruk. Men med sin høye kvanteeffektivitet, lav støyavbildning, høyere dynamisk område og utmerkede ensartethet, brukes CCD-er fortsatt i mange vitenskapelige og industrielle applikasjoner.
Og selv om det er usannsynlig at produsenter vil bringe tilbake CCD-kameraer av forbrukerkvalitet i nær fremtid, vil CCD-er fortsette å være en stift i vitenskapelig forskning.