För att ta ett foto digitalt måste en modern kamera fånga ljus och omvandla det till digital information. För att göra detta skulle en kamera kräva en sensor som noggrant och snabbt registrerar fotoner från omgivningen.
Du är förmodligen redan medveten om CMOS-sensorn som används i smartphones och digitala konsumentkameror. Men visste du att det finns en annan typ av sensor som ger högre detaljnivåer och dynamiskt omfång? Dessa kamerasensorer är kända som CCD.
Så, vad exakt är CCD? Hur fungerar det och hur används det? Låt oss prata om det.
Vad är en CCD (Charge-Coupled Device)?
En CCD, eller laddad-kopplad enhet, är en elektronisk sensor som omvandlar ljus till digitala signaler genom laddningar som genereras av studsande fotoner på en tunn kiselskiva.
CCD var guldstandarden för kamerasensorer från början av 80-talet till slutet av 2000-talet. Detta beror på att CMOS-sensorer runt 2010 fick betydande tekniska innovationer som skulle göra dem billigare att tillverka som en
system på ett chip (SoC) samtidigt som bildkvaliteten är jämförbar med en CCD-sensor.Sedan CMOS blev populärt har det blivit ovanligt att se CCD-sensorer på smartphones och kameror det senaste decenniet. CCD-sensorer är dock inte direkt föråldrade. Även om de kan ha fasats ut från konsumentkameramarknaden, är CCD-sensorer fortfarande den föredragna sensorn som används inom vissa områden av fotografering.
Tillämpningar av CCD-teknik inom fotografi
Förutom att det var dyrt att tillverka hade CCD även andra problem som gjorde att den fasades ut från konsumentmarknaden. Detta skulle inkludera dess höga effektbehov, vilket är 100 gånger mer än vad CMOS skulle använda, och långsam bildbehandling, vilket är ett problem när man tar bilder i serier och spelar in video.
Trots alla dessa nackdelar frodas CCD: er fortfarande i olika industriella och vetenskapliga tillämpningar som kräver maskinseende. Detta beror på att CCD: er fortfarande ger bilder med låg brus av högre kvalitet som dessa områden av specialiserad fotografering kräver. Dessutom är kostnaden för att köpa och använda CCD-kameror egentligen inte ett problem för välfinansierade institutioner och företag.
Så, exakt vad är dessa specialiserade områden inom fotografering som fortfarande använder CCD? Låt oss ta reda på nedan:
Optisk mikroskopi
CCD: er används i olika mikroskopitillämpningar för att observera mat, kemi, teknik och andra applikationer där tydliga bilder av mikroskopiska föremål är nödvändiga. En CCD är vald för optisk mikroskopi eftersom den kan spela in objekt med över 10 pixlar med hög känslighet och låga brusförhållanden.
Rymdfotografering
Att ta bilder av rymden görs bäst på CCD-kameror. Detta beror på att CCD-sensorer har den högsta kvanteffektiviteten, vilket resulterar i lågt brus, högt dynamiskt omfång och bättre enhetlighet – alla viktiga aspekter av rymdfotografering.
Nära-infraröd bildbehandling
CCD: er används i olika industriella bildbehandlingstillämpningar, varav en är nära-infraröd avbildning. En sensor behöver ha mycket effektiv fotonabsorption för att göra nära-infraröd avbildning, eftersom infraröda fotoner är mindre synliga än vanliga fotoner. Eftersom CCD: er tillhandahåller mycket känsliga sensorer som kan fånga infraröda fotoner bättre, används de alltid i dessa applikationer.
CCD: er frodas inom det vetenskapliga, industriella och medicinska fotograferingsutrymmet främst på grund av deras höga kvanteffektivitet, bilder med lågt brus och höga nivå av enhetlighet. Men exakt hur ger CCD-sensorer sådana egenskaper? Du måste först lära dig hur CCD-sensorer fungerar för att förstå detta bättre.
Hur fungerar ett CCD-system?
CCD är bara en av de olika typer av kamerasensorer. Och precis som andra kamerasensorer, fångar CCD: er ljus och omvandlar det till digitala signaler, som sedan bearbetas och visas som pixlar när de visas på en elektronisk skärm som en monitor.
Även om alla bildsensorer har samma uppgift att fånga det analoga för att skapa digitala signaler, läget eller processen som krävs för att uppnå nämnda uppgifter skulle skilja sig från andra sensorer.
För att en CCD-sensor ska kunna ta bilder går den igenom en process i fem steg, som börjar med ljus-till-laddning omvandling, laddningsackumulering, laddningsöverföring, laddning-till-spänningsomvandling och sedan signal förstärkning. Låt oss gå igenom processen steg för steg:
Steg 1: Light-to-Charge-konvertering
En CCD-sensor fångar ljus genom att låta fotoner (energi från ljus) studsa bort från en tunn kiselskiva som sedan frigör en elektron. En liten positivt laddad kondensator fungerar sedan som en hink som samlar och lagrar de frigjorda elektronerna. En enhet av denna tunna kiselskiva ovanpå en liten kondensator är känd som en fotoplats.
Steg 2 och 3: Laddningsackumulering och avgiftsöverföring
En CCD-sensor fortsätter att samla in och lagra sådana elektroner tills kamerans slutare stängs. Alla lagrade elektroner från kondensatorn är det som gör laddningen.
När kameraslutaren stängs överförs all laddning från fotoplatserna till en avkänningskondensatorkrets. Överföringen görs genom att flytta laddningarna horisontellt till kanten av sensorn och sedan vertikalt tills varje laddning skickas till avkänningskondensatorkretsen.
CCD-sensorer använder denna skiftregistermekanism för att överföra laddning, medan CMOS-sensorer använder lokal spänningsomvandling och signalförstärkning. Även om detta gör CMOS till den snabbare sensorn, gör det också deras utdata ganska brusiga eftersom det stora antalet lokala förstärkare skapar brus eller artefakter i en bild. Däremot använder en CCD bara en förstärkarkrets för att förstärka signaler.
En annan nackdel med att använda lokal förstärkning vid höga hastigheter är att det orsakar ojämnheter i bilderna. CCD-sensorer har inte sådana problem på grund av deras linjära process när de bearbetar laddningar i varje fotoplats.
Steg 4 och 5: Omvandling av laddning till spänning och signalförstärkning
Analoga laddningar som skickas till avkänningskondensatorn omvandlas automatiskt till spänningar som gör att den råa digitala data används för att göra bilder. Efter omvandlingen av laddning till spänning är de digitala signalerna fortfarande för låga för en processor att använda.
För att förstärka de digitala signalerna används en signalförstärkare. Denna förstärkta signal skickas sedan till en bildprocessor som sedan sätter ihop bilden.
CCD är här för att stanna
En gång guldstandarden för digitalkamerasensorer har CCD: er nu upphört för vanlig konsumentanvändning. Men med sin höga kvanteffektivitet, låga brusavbildning, högre dynamiska omfång och utmärkta enhetlighet, används CCD: er fortfarande i många vetenskapliga och industriella tillämpningar.
Och även om det är osannolikt att tillverkare kommer att ta tillbaka CCD-kameror av konsumentkvalitet inom en snar framtid, kommer CCD: er att fortsätta att vara en stapelvara i vetenskaplig forskning.
