A digitális fényképezéshez egy modern fényképezőgépnek rögzítenie kell a fényt, és digitális információvá kell alakítania. Ehhez egy kamerához olyan érzékelőre lenne szükség, amely pontosan és gyorsan rögzíti a környezet fotonjait.
Valószínűleg már ismeri az okostelefonokban és fogyasztói digitális fényképezőgépekben használt CMOS-érzékelőt. De tudtad, hogy létezik egy másik típusú érzékelő is, amely magasabb szintű részletgazdagságot és dinamikus tartományt biztosít? Ezeket a kameraérzékelőket CCD-nek nevezik.
Tehát mik is pontosan a CCD-k? Hogyan működik, és hogyan használják? Beszéljünk róla.
Mi az a CCD (töltéscsatolt eszköz)?
A CCD vagy töltött-csatolt eszköz egy elektronikus érzékelő, amely a fényt digitális jelekké alakítja át egy vékony szilícium lapkán visszaverődő fotonok által generált töltéseken keresztül.
A CCD-k a 80-as évek elejétől a 2000-es évek végéig a kameraérzékelők aranyszabványát jelentették. Ennek az az oka, hogy 2010 körül a CMOS érzékelők jelentős technológiai újításokat értek el, amelyek olcsóbbá tették a gyártásukat.
rendszer chipen (SoC) miközben a CCD-érzékelővel összehasonlítható képminőséggel rendelkezik.Mióta a CMOS népszerűvé vált, az elmúlt évtizedben ritkán látni CCD érzékelőket okostelefonokon és fényképezőgépeken. A CCD-érzékelők azonban nem éppen elavultak. Bár lehet, hogy fokozatosan kikerültek a fogyasztói fényképezőgépek piacáról, a CCD-érzékelők továbbra is a fotózás bizonyos területein használatos érzékelők.
A CCD technológia alkalmazásai a fényképezésben
Amellett, hogy drága volt a gyártás, a CCD-nek más problémák is voltak, amelyek miatt fokozatosan kikerült a fogyasztói piacról. Ez magában foglalja a nagy energiaigényét, amely 100-szor több, mint amit a CMOS használna, valamint a lassú képfeldolgozást, amely sorozatos fotózás és videózás esetén probléma.
Mindezen hátrányok ellenére a CCD-k még mindig virágoznak a különféle ipari és tudományos alkalmazásokban, amelyekhez gépi látás szükséges. Ennek az az oka, hogy a CCD-k még mindig jobb minőségű, alacsony zajszintű képeket biztosítanak, amelyekre a speciális fényképezés ezen területei megkívánnak. Ráadásul a CCD kamerák vásárlásának és üzemeltetésének költsége nem igazán jelent problémát a jól finanszírozott intézményeknek és vállalkozásoknak.
Tehát pontosan melyek azok a speciális fotózási területek, amelyek még mindig CCD-t használnak? Alább megtudjuk:
Optikai mikroszkópia
A CCD-ket különféle mikroszkópos alkalmazásokban használják élelmiszerek, kémia, mérnöki és egyéb alkalmazások megfigyelésére, ahol a mikroszkopikus objektumok tiszta képére van szükség. A CCD-t azért választották optikai mikroszkópiához, mert 10 pixelnél nagyobb objektumokat tud rögzíteni, nagy érzékenységgel és alacsony zajaránnyal.
Űrfotózás
A térről készült fényképeket a legjobb CCD-kamerákkal készíteni. Ennek az az oka, hogy a CCD-érzékelők a legmagasabb kvantumhatékonysággal rendelkeznek, ami alacsony zajszintet, nagy dinamikatartományt és jobb egyenletességet eredményez – mindez az űrfotózás kritikus szempontja.
Közeli infravörös képalkotás
A CCD-ket különféle ipari képalkotási alkalmazásokban használják, amelyek közül az egyik a közeli infravörös képalkotás. A közeli infravörös képalkotáshoz az érzékelőnek rendkívül hatékony fotonabszorpcióval kell rendelkeznie, mivel az infravörös fotonok kevésbé láthatók, mint a rendszeresen látható fotonok. Mivel a CCD-k rendkívül érzékeny érzékelőket biztosítanak, amelyek jobban képesek rögzíteni az infravörös fotonokat, mindig ezeket használják ezekben az alkalmazásokban.
A CCD-k elsősorban nagy kvantumhatékonyságuk, alacsony zajszintjük és magas szintű egységességük miatt boldogulnak a tudományos, ipari és orvosi fotózás területén. De pontosan hogyan biztosítanak ilyen tulajdonságokat a CCD érzékelők? Ennek jobb megértéséhez először meg kell tanulnia a CCD-érzékelők működését.
Hogyan működik a CCD rendszer?
A CCD csak egy a sok közül kamera érzékelők típusai. A többi kameraérzékelőhöz hasonlóan a CCD-k is rögzítik a fényt, és digitális jelekké alakítják át, amelyeket aztán feldolgoznak és pixelként jelenítenek meg, amikor elektronikus kijelzőn, például monitoron nézik.
Bár mind képalkotó érzékelők Ugyanaz a feladatuk, hogy rögzítsék az analógot digitális jelek létrehozásához, az említett feladatok végrehajtásához szükséges mód vagy folyamat különbözne a többi érzékelőtől.
Ahhoz, hogy a CCD-érzékelő a képeket rögzítse, egy ötlépéses folyamaton megy keresztül, kezdve a világítástól a töltésig átalakítás, töltésfelhalmozás, töltésátvitel, töltés-feszültség átalakítás, majd jel erősítés. Lépésről lépésre menjünk végig a folyamaton:
1. lépés: Light-to-Charge átalakítás
A CCD érzékelő úgy rögzíti a fényt, hogy lehetővé teszi a fotonok (fényből származó energia) visszaverődését egy vékony szilícium lapkáról, amely aztán elektront szabadít fel. Egy apró, pozitív töltésű kondenzátor vödörként működik, amely összegyűjti és tárolja a felszabaduló elektronokat. Ennek a vékony szilícium lapkának egy apró kondenzátor tetején lévő egységét fotositeként ismerik.
2. és 3. lépés: Töltés felhalmozása és terhelés átvitele
A CCD-érzékelő továbbra is gyűjti és tárolja ezeket az elektronokat, amíg a kamera zárja be nem zár. A töltést a kondenzátorból származó összes tárolt elektron hozza létre.
Amikor a fényképezőgép zárja becsukódik, a fotóhelyek összes töltése átkerül egy érzékelő kondenzátor áramkörbe. Az átvitel úgy történik, hogy a töltéseket vízszintesen eltoljuk az érzékelő széléhez, majd függőlegesen mindaddig, amíg minden töltés el nem kerül az érzékelő kondenzátor áramkörébe.
A CCD érzékelők ezt az eltolási regiszter mechanizmust használják a töltés átvitelére, míg a CMOS érzékelők helyi feszültségátalakítást és jelerősítést. Bár ettől a CMOS a gyorsabb érzékelő, a kimenetük meglehetősen zajossá válik, mivel a rengeteg helyi erősítő zajt vagy műtermékeket hoz létre a képen. Ezzel szemben a CCD csak egy erősítő áramkört használ a jelek erősítésére.
A nagy sebességű helyi erősítés másik hátránya, hogy egyenetlenséget okoz a képen. A CCD érzékelőknek nincs ilyen problémájuk, mivel lineáris folyamatuk van az egyes fotohelyek töltéseinek feldolgozásakor.
4. és 5. lépés: Töltés-feszültség átalakítás és jelerősítés
Az érzékelő kondenzátorba küldött analóg töltések automatikusan feszültségekké alakulnak, amelyek a nyers digitális adatokat a képek készítéséhez használják fel. A töltés-feszültség átalakítás után a digitális jelek még mindig túl alacsonyak a processzor használatához.
A digitális jelek fokozására jelerősítőt használnak. Ezt az erősített jelet ezután egy képfeldolgozó processzorhoz küldik, amely ezután összeállítja a képet.
A CCD-k itt maradnak
Egykor a digitális fényképezőgépek érzékelőinek aranyszabványa volt, a CCD-k mára megszűntek a szokásos fogyasztói használatra. Magas kvantumhatékonyságuk, alacsony zajszintű képalkotásuk, nagyobb dinamikatartományuk és kiváló egyenletességük miatt a CCD-ket még mindig számos tudományos és ipari alkalmazásban használják.
És bár nem valószínű, hogy a gyártók a közeljövőben visszahoznák a fogyasztói minőségű CCD-kamerákat, a CCD-k továbbra is a tudományos kutatások alappillérei lesznek.
