Co to jest CCD (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym) i jak jest używane?

Aby zrobić zdjęcie cyfrowo, nowoczesny aparat musi uchwycić światło i przekształcić je w informację cyfrową. Aby to zrobić, kamera wymagałaby czujnika, który dokładnie i szybko rejestruje fotony z otoczenia.

Prawdopodobnie znasz już czujnik CMOS stosowany w smartfonach i konsumenckich aparatach cyfrowych. Ale czy wiesz, że istnieje inny typ czujnika, który zapewnia wyższy poziom szczegółowości i zakres dynamiczny? Te czujniki kamery są znane jako CCD.

Czym dokładnie są przetworniki CCD? Jak to działa i jak się go używa? Porozmawiajmy o tym.

Co to jest CCD (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym)?

CCD, czyli urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym, to elektroniczny czujnik, który przekształca światło na sygnały cyfrowe za pomocą ładunków generowanych przez odbijanie fotonów na cienkiej płytce krzemowej.

CCD były złotym standardem dla czujników kamer od wczesnych lat 80. do późnych lat 2000. Wynika to z faktu, że około 2010 roku czujniki CMOS uzyskały znaczące innowacje technologiczne, dzięki którym ich produkcja jako systemu na chipie (SoC) stałaby się tańsza, a jednocześnie zapewniałaby jakość obrazu porównywalną z czujnikiem CCD.

Odkąd CMOS zyskał popularność, czujniki CCD w smartfonach i aparatach stały się rzadkością w ostatniej dekadzie. Jednak czujniki CCD nie są dokładnie przestarzałe. Chociaż czujniki CCD mogły zostać wycofane z rynku aparatów konsumenckich, nadal są preferowanym czujnikiem używanym w niektórych obszarach fotografii.

Zastosowania technologii CCD w fotografii

Oprócz tego, że CCD był drogi w produkcji, miał również inne problemy, które spowodowały wycofanie go z rynku konsumenckiego. Obejmuje to zapotrzebowanie na dużą moc, która jest 100 razy większa niż w przypadku CMOS, oraz powolne przetwarzanie obrazu, co stanowi problem podczas robienia zdjęć w seriach i nagrywania filmów.

Pomimo tych wszystkich wad przetworniki CCD wciąż dobrze sprawdzają się w różnych zastosowaniach przemysłowych i naukowych, które wymagają widzenia maszynowego. Wynika to z faktu, że matryce CCD nadal zapewniają wyższą jakość obrazów o niskim poziomie szumów, których wymagają te obszary specjalistycznej fotografii. Ponadto koszt zakupu i obsługi kamer CCD nie stanowi problemu dla dobrze finansowanych instytucji i firm.

Czym dokładnie są te wyspecjalizowane obszary fotografii, które wciąż wykorzystują matryce CCD? Dowiedzmy się poniżej:

Mikroskopia optyczna

CCD są używane w różnych zastosowaniach mikroskopowych do obserwacji żywności, chemii, inżynierii i innych zastosowaniach, w których niezbędny jest wyraźny obraz mikroskopijnych obiektów. CCD jest wybierany do mikroskopii optycznej, ponieważ może rejestrować obiekty o wielkości ponad 10 pikseli przy wysokiej czułości i niskim współczynniku szumów.

Fotografia kosmiczna

Zdjęcia kosmosu najlepiej wykonywać aparatami CCD. Dzieje się tak dlatego, że czujniki CCD mają najwyższą wydajność kwantową, co skutkuje niskim poziomem szumów, wysokim zakresem dynamicznym i lepszą jednorodnością — wszystkimi krytycznymi aspektami fotografii kosmicznej.

Obrazowanie w bliskiej podczerwieni

Przetworniki CCD są wykorzystywane w różnych przemysłowych zastosowaniach obrazowania, z których jednym jest obrazowanie w bliskiej podczerwieni. Czujnik musi mieć bardzo wydajną absorpcję fotonów, aby wykonywać obrazowanie w bliskiej podczerwieni, ponieważ fotony podczerwone są mniej widoczne niż zwykłe fotony. Ponieważ CCD zapewniają bardzo czułe czujniki, które mogą lepiej wychwytywać fotony w podczerwieni, są zawsze używane w tych zastosowaniach.

CCD rozwijają się w przestrzeni fotografii naukowej, przemysłowej i medycznej przede wszystkim ze względu na ich wysoką wydajność kwantową, obrazy o niskim poziomie szumów i wysoki poziom jednorodności. Ale w jaki dokładnie sposób czujniki CCD zapewniają takie właściwości? Najpierw musisz dowiedzieć się, jak działają czujniki CCD, aby lepiej to zrozumieć.

Jak działa system CCD?

CCD to tylko jeden z różnych rodzajów czujników aparatu. Podobnie jak inne czujniki aparatu, matryce CCD przechwytują światło i przetwarzają je na sygnały cyfrowe, które są następnie przetwarzane i wyświetlane jako piksele podczas wyświetlania na wyświetlaczu elektronicznym, takim jak monitor.

Chociaż wszystkie czujniki obrazu mają to samo zadanie przechwytywania sygnału analogowego w celu wytworzenia sygnałów cyfrowych, tryb lub proces potrzebny do osiągnięcia tych zadań byłby inny niż w przypadku innych czujników.

Aby czujnik CCD przechwytywał obrazy, przechodzi przez pięcioetapowy proces, zaczynając od konwersji światła na ładunek, akumulacji ładunku, transferu ładunku, konwersji ładunku na napięcie, a następnie wzmocnienia sygnału. Prześledźmy ten proces krok po kroku:

Krok 1: Konwersja światła na ładunek

Czujnik CCD przechwytuje światło, pozwalając fotonom (energii światła) odbijać się od cienkiej płytki krzemowej, która następnie uwalnia elektron. Mały dodatnio naładowany kondensator działa wtedy jak wiadro, które zbiera i przechowuje uwolnione elektrony. Jednostka tej cienkiej płytki krzemowej na szczycie maleńkiego kondensatora jest znana jako fotosyt.

Kroki 2 i 3: Akumulacja ładunku i transfer ładunku

Czujnik CCD kontynuuje zbieranie i przechowywanie takich elektronów, aż do zamknięcia migawki aparatu. Wszystkie zmagazynowane elektrony z kondensatora tworzą ładunek.

Gdy migawka aparatu się zamyka, cały ładunek z fotopozycji jest przekazywany do obwodu kondensatora czujnikowego. Transfer odbywa się poprzez przesuwanie ładunków poziomo do krawędzi czujnika, a następnie pionowo, aż każdy ładunek zostanie przesłany do obwodu kondensatora czujnikowego.

Czujniki CCD wykorzystują ten mechanizm rejestru przesuwnego do przenoszenia ładunku, podczas gdy czujniki CMOS wykorzystują lokalną konwersję napięcia i wzmocnienie sygnału. Chociaż sprawia to, że CMOS jest szybszym czujnikiem, powoduje to również, że ich wyjście jest dość głośne, ponieważ sama liczba lokalnych wzmacniaczy powoduje szum lub artefakty na obrazie. Natomiast CCD wykorzystuje tylko jeden obwód wzmacniacza do wzmocnienia sygnałów.

Inną wadą stosowania lokalnego wzmocnienia przy dużych prędkościach jest to, że powoduje to nierówność obrazu. Czujniki CCD nie mają takich problemów ze względu na ich liniowy proces przetwarzania ładunków w każdym fotocentrum.

Kroki 4 i 5: Konwersja ładunku na napięcie i wzmocnienie sygnału

Ładunki analogowe wysyłane do kondensatora sensora są automatycznie zamieniane na napięcia, które czynią surowymi danymi cyfrowymi wykorzystywanymi do tworzenia obrazów. Po konwersji ładowania na napięcie sygnały cyfrowe są nadal zbyt niskie, aby mógł je wykorzystać procesor.

Do wzmocnienia sygnałów cyfrowych używany jest wzmacniacz sygnału. Ten wzmocniony sygnał jest następnie przesyłany do procesora obrazu, który następnie składa obraz.

CCD już tu zostaną

Niegdyś złoty standard dla czujników aparatów cyfrowych, CCD są obecnie wycofywane z powszechnego użytku konsumenckiego. Jednak dzięki ich wysokiej wydajności kwantowej, obrazowaniu o niskim poziomie szumów, wyższemu zakresowi dynamicznemu i doskonałej jednorodności, matryce CCD są nadal używane w wielu zastosowaniach naukowych i przemysłowych.

I chociaż jest mało prawdopodobne, że producenci przywrócą konsumenckie kamery CCD w najbliższej przyszłości, matryce CCD nadal będą podstawą badań naukowych.