За да направи цифрова снимка, съвременната камера трябва да улови светлина и да я преобразува в цифрова информация. За да направи това, камерата ще изисква сензор, който точно и бързо записва фотони от околната среда.
Вероятно вече сте запознати с CMOS сензора, използван в смартфони и потребителски цифрови фотоапарати. Но знаете ли, че има друг тип сензор, който осигурява по-високи нива на детайлност и динамичен обхват? Тези сензори на камерата са известни като CCD.
И така, какво точно представляват CCD? Как работи и как се използва? Нека поговорим за това.
Какво е CCD (устройство със зарядна връзка)?
CCD или устройство със заредена връзка е електронен сензор, който преобразува светлината в цифрови сигнали чрез заряди, генерирани от отскачащи фотони върху тънка силиконова пластина.
CCDs бяха златният стандарт за сензори за камери от началото на 80-те до края на 2000-те. Това е така, защото около 2010 г. CMOS сензорите придобиха значителни технологични иновации, които биха ги направили по-евтини за производство като
система на чип (SoC) като същевременно има сравнимо качество на изображението с CCD сензор.Откакто CMOS придоби популярност, през последното десетилетие рядко се виждат CCD сензори на смартфони и камери. Въпреки това, CCD сензорите не са съвсем остарели. Въпреки че може да са изтеглени от пазара на потребителски камери, CCD сензорите все още са предпочитаният сензор, използван в определени области на фотографията.
Приложения на CCD технологията във фотографията
Освен че беше скъп за производство, CCD имаше и други проблеми, които доведоха до изваждането му от потребителския пазар. Това би включвало изискването му за висока мощност, което е 100 пъти повече от това, което би използвал CMOS, и бавна обработка на изображения, което е проблем при заснемане на снимки в серии и заснемане на видео.
Въпреки всички тези недостатъци, CCD все още процъфтяват в различни индустриални и научни приложения, които се нуждаят от машинно зрение. Това е така, защото CCD все още осигуряват изображения с по-високо качество и нисък шум, които тези области на специализираната фотография изискват. Освен това разходите за закупуване и експлоатация на CCD камери всъщност не са проблем за добре финансираните институции и фирми.
И така, кои точно са тези специализирани области на фотографията, които все още използват CCD? Нека разберем по-долу:
Оптична микроскопия
CCD се използват в различни приложения за микроскопия за наблюдение на храна, химия, инженерство и други приложения, където са необходими ясни визуални изображения на микроскопични обекти. CCD е избран за оптична микроскопия, защото може да записва обекти с над 10 пиксела с висока чувствителност и ниски коефициенти на шум.
Космическа фотография
Снимането на космоса се прави най-добре с CCD камери. Това е така, защото CCD сензорите имат най-висока квантова ефективност, което води до нисък шум, висок динамичен обхват и по-добра еднородност - всички критични аспекти на космическата фотография.
Близко инфрачервено изображение
CCD се използват в различни индустриални приложения за изображения, едно от които е за изображения в близката инфрачервена област. Сензорът трябва да има високоефективно поглъщане на фотони, за да прави почти инфрачервени изображения, тъй като инфрачервените фотони са по-малко видими от редовно видимите фотони. Тъй като CCD осигуряват високочувствителни сензори, които могат да улавят инфрачервените фотони по-добре, те винаги се използват в тези приложения.
CCDs процъфтяват в пространството на научната, индустриалната и медицинската фотография главно поради тяхната висока квантова ефективност, ниски шумови изображения и високо ниво на еднородност. Но как точно CCD сензорите осигуряват такива качества? Първо ще трябва да научите как работят CCD сензорите, за да разберете това по-добре.
Как работи CCD системата?
CCD е само един от многото видове сензори за камери. И точно като другите сензори на камерата, CCD улавят светлината и я преобразуват в цифрови сигнали, които след това се обработват и показват като пиксели, когато се гледат на електронен дисплей като монитор.
Въпреки че всички сензори за изображения имат същата задача за улавяне на аналоговия, за да направят цифрови сигнали, режимът или процесът, които са необходими за постигане на споменатите задачи, ще бъдат различни от другите сензори.
За да може CCD сензорът да заснема изображения, той преминава през процес от пет стъпки, започвайки със светлина до зареждане преобразуване, натрупване на заряд, прехвърляне на заряд, преобразуване на заряд към напрежение и след това сигнал усилване. Нека преминем през процеса стъпка по стъпка:
Стъпка 1: Преобразуване от светлина към заряд
CCD сензор улавя светлина, като позволява на фотони (енергия от светлина) да отскачат от тънка силициева пластина, която след това освобождава електрон. След това малък положително зареден кондензатор действа като кофа, която събира и съхранява освободените електрони. Единица от тази тънка силиконова пластина върху малък кондензатор е известна като фотосайт.
Стъпки 2 и 3: Натрупване на заряд и прехвърляне на заряд
CCD сензор продължава да събира и съхранява такива електрони, докато затворът на камерата се затвори. Всички съхранени електрони от кондензатора са това, което прави заряда.
Когато затворът на камерата се затвори, целият заряд от фотосайтовете се прехвърля към верига на сензорен кондензатор. Прехвърлянето се извършва чрез изместване на зарядите хоризонтално към ръба на сензора и след това вертикално, докато всеки заряд бъде изпратен към веригата на сензорния кондензатор.
CCD сензорите използват този механизъм за преместване на регистъра за прехвърляне на заряд, докато CMOS сензорите използват локално преобразуване на напрежение и усилване на сигнала. Въпреки че това прави CMOS по-бързият сензор, това също прави изхода им доста шумен, тъй като големият брой локални усилватели създават шум или артефакти в изображението. За разлика от тях, CCD използва само една усилвателна верига за усилване на сигналите.
Друг недостатък на използването на локално усилване при високи скорости е, че причинява неравномерност на изображенията. CCD сензорите нямат такива проблеми поради техния линеен процес при обработка на заряди във всеки фотосайт.
Стъпки 4 и 5: Преобразуване на заряд към напрежение и усилване на сигнала
Аналоговите заряди, изпратени към сензорния кондензатор, автоматично се преобразуват в напрежения, което прави необработените цифрови данни използвани за създаване на изображения. След преобразуването на заряд към напрежение, цифровите сигнали са все още твърде ниски, за да могат да се използват от процесора.
За усилване на цифровите сигнали се използва усилвател на сигнала. След това този усилен сигнал се изпраща към процесор за обработка на изображения, който след това сглобява изображението.
CCD са тук, за да останат
Някога златен стандарт за сензори за цифрови фотоапарати, CCD матриците вече са преустановени за редовна потребителска употреба. Но с тяхната висока квантова ефективност, изображения с нисък шум, по-висок динамичен диапазон и отлична еднородност, CCDs все още се използват в много научни и промишлени приложения.
И въпреки че е малко вероятно производителите да върнат потребителски клас CCD камери в близко бъдеще, CCD ще продължат да бъдат основна част от научните изследвания.
