Digitaalseks pildistamiseks peab kaasaegne kaamera jäädvustama valgust ja teisendama selle digitaalseks teabeks. Selleks vajaks kaamera sensorit, mis salvestab täpselt ja kiiresti keskkonnast pärit footonid.
Tõenäoliselt olete juba teadlik nutitelefonides ja tarbijatele mõeldud digikaamerates kasutatavast CMOS-andurist. Kuid kas teadsite, et on olemas ka teist tüüpi andur, mis tagab suurema detailsuse ja dünaamilise ulatuse? Neid kaamerasensoreid tuntakse CCD-dena.
Niisiis, mis täpselt on CCD-d? Kuidas see töötab ja kuidas seda kasutatakse? Räägime sellest.
Mis on CCD (laadimisega seotud seade)?
CCD ehk laetud sidestatud seade on elektrooniline andur, mis muudab valguse digitaalseteks signaalideks laengute kaudu, mis tekivad õhukesel räniplaadil põrkuvate footonite poolt.
CCD-d olid kaameraandurite kuldstandard 80ndate algusest kuni 2000ndate lõpuni. Seda seetõttu, et 2010. aasta paiku saavutasid CMOS-andurid märkimisväärseid tehnoloogilisi uuendusi, mis muutsid nende valmistamise odavamaks.
süsteem kiibil (SoC) samas kui pildikvaliteet on võrreldav CCD sensoriga.Pärast CMOS-i populaarsuse saavutamist on viimasel kümnendil nutitelefonides ja kaamerates CCD-andureid harva näha. Kuid CCD-andurid pole just vananenud. Kuigi need võivad olla tarbijakaamerate turult kõrvaldatud, on CCD-andurid endiselt eelistatud andurid, mida kasutatakse teatud fotograafia valdkondades.
CCD-tehnoloogia rakendused fotograafias
Lisaks kallile tootmisele oli CCD-l ka muid probleeme, mis põhjustasid selle tarbijaturult järkjärgulise kõrvaldamise. See hõlmaks selle suure võimsuse vajadust, mis on 100 korda suurem kui CMOS-i jaoks, ja aeglast pilditöötlust, mis on probleem sarivõtete tegemisel ja video salvestamisel.
Kõigist nendest puudustest hoolimata on CCD-d endiselt edukad erinevates tööstuslikes ja teaduslikes rakendustes, mis vajavad masinnägemist. Selle põhjuseks on asjaolu, et CCD-d pakuvad endiselt kõrgema kvaliteediga madala müratasemega pilte, mida need spetsialiseeritud fotograafia valdkonnad nõuavad. Lisaks ei ole CCD-kaamerate ostmise ja käitamise kulud hästi rahastatud asutuste ja ettevõtete jaoks probleemiks.
Mis siis täpselt on need fotograafia erivaldkonnad, mis ikka veel CCD-d kasutavad? Uurime allpool:
Optiline mikroskoopia
CCD-sid kasutatakse erinevates mikroskoopiarakendustes toidu, keemia, inseneriteaduse ja muude rakenduste jälgimiseks, kus on vaja mikroskoopiliste objektide selget visuaali. Optiliseks mikroskoopiaks valitakse CCD, kuna see suudab salvestada üle 10 piksliga objekte suure tundlikkuse ja madala mürasuhtega.
Kosmosefotograafia
Ruumi pildistamist on kõige parem teha CCD-kaameratega. Seda seetõttu, et CCD-anduritel on kõrgeim kvantefektiivsus, mille tulemuseks on madal müra, suur dünaamiline ulatus ja parem ühtlus – kõik kosmosefotograafia kriitilised aspektid.
Lähi-infrapuna pildistamine
CCD-sid kasutatakse erinevates tööstuslikes pilditöötlusrakendustes, millest üks on lähi-infrapuna pildistamine. Lähis-infrapuna pildistamiseks peab anduril olema väga tõhus footonite neeldumine, kuna infrapuna footonid on vähem nähtavad kui regulaarselt nähtavad footonid. Kuna CCD-d pakuvad ülitundlikke andureid, mis suudavad infrapunafootoneid paremini tabada, kasutatakse neid nendes rakendustes alati.
CCD-d arenevad teaduslikus, tööstuslikus ja meditsiinilises fotograafiaruumis peamiselt tänu nende suurele kvantefektiivsusele, madala müratasemega kujutistele ja kõrgele ühtlusele. Kuid kuidas täpselt CCD-andurid selliseid omadusi pakuvad? Selle paremaks mõistmiseks peate esmalt õppima, kuidas CCD-andurid töötavad.
Kuidas CCD-süsteem töötab?
CCD on vaid üks paljudest kaamera andurite tüübid. Ja nagu teised kaameraandurid, püüavad CCD-d valgust ja muudavad selle digitaalseteks signaalideks, mida seejärel töödeldakse ja kuvatakse pikslitena, kui neid vaadatakse elektroonilisel kuvaril, näiteks monitoril.
Kuigi kõik pildiandurid neil on sama ülesanne digitaalsete signaalide saamiseks analoogi hõivamiseks, erineks nimetatud ülesannete täitmiseks vajalik režiim või protsess teistest anduritest.
CCD-sensor piltide jäädvustamiseks läbib viieetapilise protsessi, alustades valguse laadimisest muundamine, laengu kogunemine, laengu ülekandmine, laengust pingeks muundamine ja seejärel signaal võimendus. Vaatame protsessi samm-sammult läbi:
1. toiming: kergest laadimiseks teisendamine
CCD-andur püüab valgust, lastes footonitel (valgusenergial) õhukese räniplaadilt tagasi põrgata, mis seejärel elektroni vabastab. Väike positiivselt laetud kondensaator toimib seejärel ämbrina, mis kogub ja salvestab vabanenud elektronid. Selle õhukese räniplaadi ühikut väikese kondensaatori peal nimetatakse fotosiidiks.
2. ja 3. sammud: laengu kogumine ja tasu ülekandmine
CCD-andur jätkab selliste elektronide kogumist ja salvestamist, kuni kaamera katik sulgub. Kõik kondensaatorisse salvestatud elektronid moodustavad laengu.
Kui kaamera katik sulgub, kantakse kogu fotosaitide laeng üle sensorkondensaatori ahelasse. Ülekanne toimub, nihutades laenguid horisontaalselt anduri servale ja seejärel vertikaalselt, kuni iga laeng saadetakse sensorkondensaatori ahelasse.
CCD-andurid kasutavad seda nihkeregistri mehhanismi laengu edastamiseks, CMOS-andurid aga kohalikku pingemuundust ja signaali võimendamist. Kuigi see muudab CMOS-i kiiremaks anduriks, muudab see ka nende väljundi üsna mürarikkaks, kuna suur arv kohalikke võimendeid tekitab pildil müra või artefakte. Seevastu CCD kasutab signaalide võimendamiseks ainult ühte võimendiahelat.
Suurel kiirusel kohaliku võimenduse kasutamise teine puudus on see, et see põhjustab kujutise ebaühtlust. CCD-anduritel pole selliseid probleeme nende lineaarse protsessi tõttu igas fotokohas laengute töötlemisel.
4. ja 5. sammud: laengu pingeks teisendamine ja signaali võimendamine
Sensorkondensaatorisse saadetud analooglaengud teisendatakse automaatselt pingeteks, mis muudab kujutiste tegemiseks kasutatavad digitaalsed töötlemata andmed. Pärast laadimisest pingeks teisendamist on digitaalsed signaalid protsessori jaoks endiselt liiga madalad.
Digitaalsete signaalide võimendamiseks kasutatakse signaalivõimendit. See võimendatud signaal saadetakse seejärel pildiprotsessorisse, mis seejärel pildi koostab.
CCD-d on siin, et jääda
Kunagi oli digitaalkaamerate sensorite kuldstandard, siis nüüdseks on CCD-de tootmine tavatarbijate jaoks lõpetatud. Kuid tänu nende suurele kvantefektiivsusele, madala müratasemega pildistamisele, suuremale dünaamilisele ulatusele ja suurepärasele ühtlikkusele kasutatakse CCD-sid endiselt paljudes teaduslikes ja tööstuslikes rakendustes.
Ja kuigi on ebatõenäoline, et tootjad lähitulevikus tarbijatele mõeldud CCD-kaameraid tagasi toovad, jäävad CCD-d ka edaspidi teadusuuringute põhialuseks.