Pentru a face o fotografie digital, o cameră modernă trebuie să capteze lumina și să o transforme în informații digitale. Pentru a face acest lucru, o cameră ar avea nevoie de un senzor care înregistrează cu precizie și rapid fotonii din mediu.
Probabil că știți deja senzorul CMOS folosit în smartphone-uri și camere digitale de consum. Dar știați că există un alt tip de senzor care oferă niveluri mai ridicate de detaliu și gamă dinamică? Acești senzori de cameră sunt cunoscuți ca CCD.
Deci, ce sunt exact CCD-urile? Cum funcționează și cum se folosește? Să vorbim despre asta.
Ce este un CCD (Dispozitiv cuplat cu încărcare)?
Un CCD, sau dispozitiv cuplat cu încărcare, este un senzor electronic care convertește lumina în semnale digitale prin încărcături generate de fotonii care resping pe o placă subțire de siliciu.
CCD-urile au fost standardul de aur pentru senzorii camerei de la începutul anilor 80 până la sfârșitul anilor 2000. Acest lucru se datorează faptului că în jurul anului 2010, senzorii CMOS au dobândit inovații tehnologice semnificative care i-ar face mai ieftini de fabricat ca un
sistem pe un cip (SoC) având în același timp o calitate a imaginii comparabilă cu cea a unui senzor CCD.De când CMOS a câștigat popularitate, a devenit rar să vezi senzori CCD pe smartphone-uri și camere în ultimul deceniu. Cu toate acestea, senzorii CCD nu sunt tocmai învechiți. Deși este posibil să fi fost eliminate treptat de pe piața camerelor de consum, senzorii CCD sunt încă senzorul preferat utilizat în anumite domenii ale fotografiei.
Aplicații ale tehnologiei CCD în fotografie
Pe lângă faptul că este costisitor de fabricat, CCD a avut și alte probleme care au făcut ca acesta să fie eliminat treptat de pe piața de consum. Aceasta ar include cerința de putere mare, care este de 100 de ori mai mare decât cea pe care ar folosi CMOS, și procesarea lentă a imaginii, care este o problemă atunci când faceți fotografii în rafale și filmați videoclipuri.
În ciuda tuturor acestor dezavantaje, CCD-urile încă prosperă în diverse aplicații industriale și științifice care necesită viziune artificială. Acest lucru se datorează faptului că CCD-urile oferă încă imagini cu zgomot redus de calitate superioară, pe care le necesită aceste domenii ale fotografiei specializate. În plus, costul de cumpărare și operare a camerelor CCD nu este cu adevărat o problemă pentru instituțiile și întreprinderile bine finanțate.
Deci, care sunt exact aceste domenii specializate ale fotografiei care încă folosesc CCD? Să aflăm mai jos:
Microscopia optică
CCD-urile sunt utilizate în diverse aplicații de microscopie pentru a observa alimente, chimie, inginerie și alte aplicații în care sunt necesare imagini clare ale obiectelor microscopice. Un CCD este ales pentru microscopia optică deoarece poate înregistra obiecte cu peste 10 pixeli cu sensibilitate ridicată și raporturi scăzute de zgomot.
Fotografie spațială
Fotografierea spațiului se face cel mai bine cu camere CCD. Acest lucru se datorează faptului că senzorii CCD au cele mai mari eficiențe cuantice, rezultând un zgomot scăzut, un interval dinamic ridicat și o uniformitate mai bună - toate aspectele critice ale fotografiei spațiale.
Imagini în infraroșu apropiat
CCD-urile sunt utilizate în diverse aplicații de imagistică industrială, dintre care una este imagistica în infraroșu apropiat. Un senzor trebuie să aibă o absorbție de fotoni foarte eficientă pentru a realiza imagini în infraroșu apropiat, deoarece fotonii infraroșii sunt mai puțin vizibili decât fotonii vizibili în mod obișnuit. Deoarece CCD-urile oferă senzori foarte sensibili care pot capta mai bine fotonii infraroșii, ele sunt întotdeauna utilizate în aceste aplicații.
CCD-urile prosperă în spațiul fotografic științific, industrial și medical în primul rând datorită eficienței lor cuantice ridicate, imaginilor cu zgomot redus și nivelului ridicat de uniformitate. Dar cum anume oferă senzorii CCD astfel de calități? Mai întâi va trebui să aflați cum funcționează senzorii CCD pentru a înțelege mai bine acest lucru.
Cum funcționează un sistem CCD?
CCD este doar unul dintre diferite tipuri de senzori de cameră. Și la fel ca alți senzori de cameră, CCD-urile captează lumina și o convertesc în semnale digitale, care sunt apoi procesate și afișate ca pixeli atunci când sunt vizualizate pe un afișaj electronic, cum ar fi un monitor.
Deși toate senzori de imagine au aceeași sarcină de a capta analogul pentru a face semnale digitale, modul sau procesul necesar pentru a îndeplini sarcinile menționate ar fi diferit de alți senzori.
Pentru ca un senzor CCD să capteze imagini, acesta trece printr-un proces în cinci etape, începând cu lumina pentru încărcare conversie, acumulare de sarcină, transfer de sarcină, conversie de încărcare la tensiune și apoi semnal amplificare. Să parcurgem procesul pas cu pas:
Pasul 1: Conversie Light-to-Charge
Un senzor CCD captează lumina permițând fotonilor (energia din lumină) să sară de pe o placă subțire de siliciu care apoi eliberează un electron. Un mic condensator încărcat pozitiv acționează apoi ca o găleată care colectează și stochează electronii eliberați. O unitate a acestei plăci subțiri de siliciu deasupra unui condensator minuscul este cunoscută sub numele de fotosit.
Pașii 2 și 3: Acumularea și transferul taxelor
Un senzor CCD continuă să colecteze și să stocheze astfel de electroni până când obturatorul camerei se închide. Toți electronii stocați din condensator sunt cei care fac sarcina.
Când obturatorul camerei se închide, toată încărcarea de la fotosite este transferată într-un circuit de condensator de detectare. Transferul se face prin deplasarea sarcinilor pe orizontală la marginea senzorului și apoi pe verticală până când fiecare sarcină este trimisă la circuitul condensatorului de detectare.
Senzorii CCD folosesc acest mecanism de registru de deplasare pentru a transfera sarcina, în timp ce senzorii CMOS utilizează conversia locală a tensiunii și amplificarea semnalului. Deși acest lucru face ca senzorul CMOS să fie mai rapid, de asemenea, ieșirea lor este destul de zgomotoasă, deoarece numărul mare de amplificatoare locale creează zgomot sau artefacte într-o imagine. În schimb, un CCD utilizează un singur circuit amplificator pentru a amplifica semnalele.
Un alt dezavantaj al utilizării amplificării locale la viteze mari este că provoacă neuniformități imaginii. Senzorii CCD nu au astfel de probleme din cauza procesului lor liniar atunci când procesează încărcăturile în fiecare fotosite.
Pașii 4 și 5: Conversia încărcării la tensiune și amplificarea semnalului
Sarcinile analogice trimise la condensatorul de sens sunt convertite automat în tensiuni, ceea ce face ca datele digitale brute să fie folosite pentru a face imagini. După conversia încărcării în tensiune, semnalele digitale sunt încă prea scăzute pentru a fi utilizate de un procesor.
Pentru a spori semnalele digitale, se folosește un amplificator de semnal. Acest semnal amplificat este apoi trimis unui procesor de imagine care apoi asamblează imaginea.
CCD-urile sunt aici pentru a rămâne
Odată standardul de aur pentru senzorii camerelor digitale, CCD-urile sunt acum întrerupte pentru utilizare obișnuită de către consumatori. Dar cu eficiența lor cuantică ridicată, imaginea cu zgomot redus, intervalul dinamic mai mare și uniformitatea excelentă, CCD-urile sunt încă folosite în multe aplicații științifice și industriale.
Și, deși este puțin probabil ca producătorii să readucă în viitorul apropiat camere CCD de calitate pentru consumatori, CCD-urile vor continua să fie un element de bază în cercetarea științifică.
