For at tage et billede digitalt skal et moderne kamera fange lys og konvertere det til digital information. For at gøre dette ville et kamera kræve en sensor, der nøjagtigt og hurtigt optager fotoner fra omgivelserne.
Du er sikkert allerede klar over CMOS-sensoren, der bruges i smartphones og digitale forbrugerkameraer. Men vidste du, at der er en anden type sensor, der giver højere detaljeringsniveauer og dynamisk rækkevidde? Disse kamerasensorer er kendt som CCD'er.
Så hvad er CCD'er helt præcist? Hvordan fungerer det, og hvordan bruges det? Lad os tale om det.
Hvad er en CCD (Charge-Coupled Device)?
En CCD, eller ladet-koblet enhed, er en elektronisk sensor, der konverterer lys til digitale signaler gennem ladninger genereret af hoppende fotoner på en tynd siliciumwafer.
CCD'er var guldstandarden for kamerasensorer fra begyndelsen af 80'erne til slutningen af 2000'erne. Dette skyldes, at CMOS-sensorer omkring 2010 opnåede betydelige teknologiske innovationer, der ville gøre dem billigere at fremstille som en
system på en chip (SoC) samtidig med at billedkvaliteten kan sammenlignes med en CCD-sensor.Siden CMOS vandt popularitet, er det blevet sjældent at se CCD-sensorer på smartphones og kameraer det sidste årti. CCD-sensorer er dog ikke ligefrem forældede. Selvom de måske er blevet udfaset fra forbrugerkameramarkedet, er CCD-sensorer stadig den foretrukne sensor, der bruges inden for visse områder af fotografering.
Anvendelser af CCD-teknologi i fotografi
Udover at være dyrt at fremstille, havde CCD også andre problemer, der gjorde, at den blev udfaset fra forbrugermarkedet. Dette vil omfatte dets høje effektbehov, som er 100 gange mere end hvad CMOS ville bruge, og langsom billedbehandling, som er et problem, når du tager billeder i serier og optager video.
På trods af alle disse ulemper trives CCD'er stadig i forskellige industrielle og videnskabelige applikationer, der kræver maskinsyn. Dette skyldes, at CCD'er stadig giver billeder med lav støj i højere kvalitet, som disse områder af specialiseret fotografering kræver. Derudover er omkostningerne ved køb og drift af CCD-kameraer ikke et problem for velfinansierede institutioner og virksomheder.
Så hvad er disse specialiserede områder inden for fotografering, der stadig bruger CCD? Lad os finde ud af det nedenfor:
Optisk mikroskopi
CCD'er bruges i forskellige mikroskopiapplikationer til at observere mad, kemi, teknik og andre applikationer, hvor klare billeder af mikroskopiske objekter er nødvendige. En CCD er valgt til optisk mikroskopi, fordi den kan optage objekter med over 10 pixels med høj følsomhed og lave støjforhold.
Rumfotografering
Det er bedst at tage billeder af rummet på CCD-kameraer. Dette skyldes, at CCD-sensorer har den højeste kvanteeffektivitet, hvilket resulterer i lav støj, højt dynamikområde og bedre ensartethed – alle kritiske aspekter af rumfotografering.
Nær-infrarød billedbehandling
CCD'er bruges i forskellige industrielle billedbehandlingsapplikationer, hvoraf den ene er nær-infrarød billeddannelse. En sensor skal have højeffektiv fotonabsorption for at lave nær-infrarød billeddannelse, da infrarøde fotoner er mindre synlige end almindeligt synlige fotoner. Da CCD'er giver meget følsomme sensorer, der bedre kan fange infrarøde fotoner, bruges de altid i disse applikationer.
CCD'er trives i det videnskabelige, industrielle og medicinske fotograferingsrum, primært på grund af deres høje kvanteeffektivitet, lavt støjbillede og høje niveau af ensartethed. Men hvordan giver CCD-sensorer sådanne egenskaber? Du skal først lære, hvordan CCD-sensorer fungerer for at forstå dette bedre.
Hvordan fungerer et CCD-system?
CCD er blot en af de forskellige typer af kamerasensorer. Og ligesom andre kamerasensorer fanger CCD'er lys og konverterer det til digitale signaler, som derefter behandles og vises som pixels, når de ses på en elektronisk skærm såsom en skærm.
Selvom alle billeddannende sensorer har den samme opgave med at fange det analoge til at lave digitale signaler, den tilstand eller den proces, det tager at opnå de nævnte opgaver, ville være forskellig fra andre sensorer.
For at en CCD-sensor skal tage billeder, gennemgår den en fem-trins proces, der starter med lys-til-opladning konvertering, ladningsakkumulering, ladningsoverførsel, ladning-til-spændingskonvertering og derefter signal forstærkning. Lad os gennemgå processen trin for trin:
Trin 1: Light-to-Charge-konvertering
En CCD-sensor fanger lys ved at lade fotoner (energi fra lys) hoppe af en tynd siliciumwafer, som derefter frigiver en elektron. En lillebitte positivt ladet kondensator fungerer derefter som en spand, der opsamler og opbevarer de frigivne elektroner. En enhed af denne tynde siliciumwafer oven på en lille kondensator er kendt som et fotosite.
Trin 2 og 3: Ladningsakkumulering og afgiftsoverførsel
En CCD-sensor fortsætter med at opsamle og lagre sådanne elektroner, indtil kameraets lukker lukker. Alle de lagrede elektroner fra kondensatoren er det, der laver ladningen.
Når kameraets lukker lukker, overføres al ladningen fra fotostederne til et sensor-kondensatorkredsløb. Overførslen sker ved at flytte ladningerne vandret til kanten af sensoren og derefter lodret, indtil hver ladning sendes til følerkondensatorkredsløbet.
CCD-sensorer bruger denne skiftregistermekanisme til at overføre ladning, mens CMOS-sensorer bruger lokal spændingskonvertering og signalforstærkning. Selvom dette gør CMOS til den hurtigere sensor, gør det også deres output ret støjende, da det store antal lokale forstærkere skaber støj eller artefakter i et billede. I modsætning hertil bruger en CCD kun ét forstærkerkredsløb til at forstærke signaler.
En anden ulempe ved at bruge lokal forstærkning ved høje hastigheder er, at det forårsager ujævnheder i billederne. CCD-sensorer har ikke sådanne problemer på grund af deres lineære proces, når de behandler ladninger i hvert fotosite.
Trin 4 og 5: Opladning-til-spændingskonvertering og signalforstærkning
Analoge ladninger, der sendes til sense-kondensatoren, omdannes automatisk til spændinger, som gør, at de rå digitale data bruges til at lave billeder. Efter ladning-til-spændingskonverteringen er de digitale signaler stadig for lave til, at en processor kan bruge.
For at booste de digitale signaler bruges en signalforstærker. Dette forstærkede signal sendes derefter til en billedprocessor, som derefter samler billedet.
CCD'er er kommet for at blive
Når den gyldne standard for digitale kamerasensorer, er CCD'er nu udgået til almindelig forbrugerbrug. Men med deres høje kvanteeffektiviteter, billeddannelse med lav støj, højere dynamikområde og fremragende ensartethed bruges CCD'er stadig i mange videnskabelige og industrielle applikationer.
Og selvom det er usandsynligt, at producenter vil bringe tilbage forbruger-grade CCD-kameraer i den nærmeste fremtid, vil CCD'er fortsætte med at være en fast bestanddel i videnskabelig forskning.