Lai digitāli uzņemtu fotoattēlu, modernai kamerai ir jāuztver gaisma un jāpārvērš tā digitālā informācijā. Lai to izdarītu, kamerai būtu nepieciešams sensors, kas precīzi un ātri reģistrē fotonus no vides.
Jūs, iespējams, jau zināt par viedtālruņos un plaša patēriņa digitālajās kamerās izmantoto CMOS sensoru. Bet vai zinājāt, ka ir cita veida sensors, kas nodrošina augstāku detalizācijas līmeni un dinamisko diapazonu? Šie kameru sensori ir pazīstami kā CCD.
Tātad, kas īsti ir CCD? Kā tas darbojas un kā to lieto? Parunāsim par to.
Kas ir CCD (ar uzlādi savienota ierīce)?
CCD jeb uzlādētā savienojuma ierīce ir elektronisks sensors, kas pārvērš gaismu ciparu signālos, izmantojot lādiņus, ko rada atlecošie fotoni uz plānas silīcija plāksnītes.
CCD bija kameru sensoru zelta standarts no 80. gadu sākuma līdz 2000. gadu beigām. Tas ir tāpēc, ka ap 2010. gadu CMOS sensori ieguva nozīmīgus tehnoloģiskus jauninājumus, kas padarīja to ražošanu lētāku.
sistēma mikroshēmā (SoC) vienlaikus attēla kvalitāte ir salīdzināma ar CCD sensoru.Kopš CMOS ieguva popularitāti, pēdējo desmit gadu laikā ir kļuvis reti redzēt CCD sensorus viedtālruņos un kamerās. Tomēr CCD sensori nav gluži novecojuši. Lai gan tie, iespējams, ir pakāpeniski izņemti no patērētāju kameru tirgus, CCD sensori joprojām ir vēlamais sensors, ko izmanto noteiktās fotografēšanas jomās.
CCD tehnoloģijas pielietojumi fotogrāfijā
Papildus dārgajai ražošanai CCD bija arī citas problēmas, kuru dēļ tas tika pakāpeniski izņemts no patēriņa tirgus. Tas ietvertu tā lieljaudas prasības, kas ir 100 reizes vairāk nekā CMOS izmantotās, un lēno attēlu apstrādi, kas ir problēma, uzņemot fotoattēlus sērijveidā un uzņemot video.
Neskatoties uz visiem šiem trūkumiem, CCD joprojām plaukst dažādos rūpnieciskos un zinātniskos lietojumos, kuriem nepieciešama mašīnredze. Tas ir tāpēc, ka CCD joprojām nodrošina augstākas kvalitātes attēlus ar zemu trokšņa līmeni, kas nepieciešams šīm specializētās fotografēšanas jomām. Turklāt CCD kameru iegādes un ekspluatācijas izmaksas nav īsti problēma labi finansētām iestādēm un uzņēmumiem.
Tātad, kas īsti ir šīs specializētās fotogrāfijas jomas, kurās joprojām tiek izmantots CCD? Noskaidrosim tālāk:
Optiskā mikroskopija
CCD izmanto dažādās mikroskopijas lietojumprogrammās, lai novērotu pārtiku, ķīmiju, inženieriju un citus lietojumus, kur ir nepieciešami skaidri mikroskopisko objektu vizuālie attēli. Optiskajai mikroskopijai ir izvēlēts CCD, jo tas var ierakstīt objektus ar vairāk nekā 10 pikseļiem ar augstu jutību un zemu trokšņu attiecību.
Kosmosa fotogrāfija
Kosmosa fotoattēlus vislabāk var veikt ar CCD kamerām. Tas ir tāpēc, ka CCD sensoriem ir visaugstākā kvantu efektivitāte, kas nodrošina zemu trokšņa līmeni, augstu dinamisko diapazonu un labāku viendabīgumu — visi svarīgie kosmosa fotografēšanas aspekti.
Tuvo infrasarkano staru attēlveidošana
CCD izmanto dažādās rūpnieciskās attēlveidošanas lietojumprogrammās, no kurām viena ir gandrīz infrasarkanā attēlveidošana. Sensoram ir jābūt ļoti efektīvai fotonu absorbcijai, lai veiktu gandrīz infrasarkano attēlveidošanu, jo infrasarkanie fotoni ir mazāk redzami nekā regulāri redzamie fotoni. Tā kā CCD nodrošina ļoti jutīgus sensorus, kas var labāk uztvert infrasarkanos fotonus, tos vienmēr izmanto šajās lietojumprogrammās.
CCD plaukst zinātniskajā, rūpnieciskajā un medicīniskajā fotografēšanas telpā galvenokārt to augstās kvantu efektivitātes, zema trokšņa attēla un augsta vienmērīguma dēļ. Bet kā tieši CCD sensori nodrošina šādas īpašības? Vispirms jums jāapgūst, kā darbojas CCD sensori, lai to labāk izprastu.
Kā darbojas CCD sistēma?
CCD ir tikai viens no dažādajiem kameru sensoru veidi. Un tāpat kā citi kameru sensori, CCD uztver gaismu un pārvērš to ciparu signālos, kas pēc tam tiek apstrādāti un parādīti kā pikseļi, skatoties elektroniskā displejā, piemēram, monitorā.
Lai gan visi attēlveidošanas sensori ir tāds pats uzdevums, lai uztvertu analogo, lai radītu ciparu signālus, režīms vai process, kas nepieciešams, lai izpildītu šos uzdevumus, atšķirtos no citiem sensoriem.
Lai CCD sensors uzņemtu attēlus, tas iziet piecu posmu procesu, sākot ar gaismas uzlādi pārveidošana, lādiņa uzkrāšana, lādiņa pārnešana, lādiņa pārveidošana pret spriegumu un pēc tam signāls pastiprināšana. Apskatīsim procesu soli pa solim:
1. darbība. Pārvēršana no vieglas uzlādes
CCD sensors uztver gaismu, ļaujot fotoniem (gaismas enerģijai) atlēkt no plānas silīcija plāksnes, kas pēc tam atbrīvo elektronu. Mazs pozitīvi uzlādēts kondensators tad darbojas kā spainis, kas savāc un uzglabā atbrīvotos elektronus. Šīs plānās silīcija vafeles vienība, kas atrodas uz neliela kondensatora, ir pazīstama kā fotovieta.
2. un 3. darbība: maksas uzkrāšana un pārsūtīšana
CCD sensors turpina savākt un uzglabāt šādus elektronus, līdz kameras aizvars aizveras. Visi kondensatorā saglabātie elektroni ir tie, kas veido lādiņu.
Kad kameras aizvars aizveras, viss lādiņš no fotovietām tiek pārsūtīts uz sensora kondensatora ķēdi. Pārnešana tiek veikta, pārvietojot lādiņus horizontāli uz sensora malu un pēc tam vertikāli, līdz katrs lādiņš tiek nosūtīts uz sensora kondensatora ķēdi.
CCD sensori izmanto šo maiņu reģistra mehānismu, lai pārsūtītu lādiņu, savukārt CMOS sensori izmanto lokālo sprieguma pārveidošanu un signāla pastiprināšanu. Lai gan tas padara CMOS par ātrāku sensoru, tas arī padara to izvadi diezgan trokšņainu, jo lielais skaits vietējo pastiprinātāju rada attēlā troksni vai artefaktus. Turpretim CCD izmanto tikai vienu pastiprinātāja ķēdi, lai pastiprinātu signālus.
Vēl viens trūkums, izmantojot vietējo pastiprinājumu lielā ātrumā, ir tas, ka tas rada attēlu nevienmērīgumu. CCD sensoriem šādu problēmu nav, jo tie ir lineāri, apstrādājot lādiņus katrā fotoobjektā.
4. un 5. darbība: uzlādes un sprieguma pārveidošana un signāla pastiprināšana
Analogie lādiņi, kas tiek nosūtīti uz sensora kondensatoru, tiek automātiski pārveidoti spriegumos, kas veido neapstrādātus digitālos datus, ko izmanto attēlu veidošanai. Pēc uzlādes-sprieguma pārveidošanas ciparu signāli joprojām ir pārāk zemi, lai procesors tos varētu izmantot.
Lai uzlabotu digitālos signālus, tiek izmantots signāla pastiprinātājs. Pēc tam šis pastiprinātais signāls tiek nosūtīts uz attēla procesoru, kas pēc tam apkopo attēlu.
CCD ir šeit, lai paliktu
Kādreiz digitālo kameru sensoru zelta standarts, CCD tagad vairs netiek ražots regulārai patērētāju lietošanai. Bet ar augstu kvantu efektivitāti, zemu trokšņu attēlveidošanu, lielāku dinamisko diapazonu un izcilu viendabīgumu, CCD joprojām tiek izmantoti daudzos zinātniskos un rūpnieciskos lietojumos.
Un, lai gan ir maz ticams, ka ražotāji tuvākajā nākotnē atgriezīs patēriņa klases CCD kameras, CCD joprojām būs zinātnisko pētījumu pamatelements.
