Za digitalno fotografiranje mora sodoben fotoaparat zajeti svetlobo in jo pretvoriti v digitalno informacijo. Za to bi kamera potrebovala senzor, ki natančno in hitro beleži fotone iz okolja.
Verjetno že poznate senzor CMOS, ki se uporablja v pametnih telefonih in potrošniških digitalnih fotoaparatih. Toda ali ste vedeli, da obstaja še ena vrsta senzorja, ki zagotavlja višjo raven podrobnosti in dinamičnega razpona? Ti senzorji kamere so znani kot CCD.
Torej, kaj točno so CCD-ji? Kako deluje in kako se uporablja? Pogovorimo se o tem.
Kaj je CCD (naprava s sklopom naboja)?
CCD ali naprava s sklopljeno napetostjo je elektronski senzor, ki pretvarja svetlobo v digitalne signale prek nabojev, ki nastanejo z odbijanjem fotonov na tanki silicijevi rezini.
CCD-ji so bili zlati standard za senzorje fotoaparatov od zgodnjih 80-ih do poznih 2000-ih. To je zato, ker so okrog leta 2010 senzorji CMOS pridobili pomembne tehnološke inovacije, zaradi katerih bi bila njihova proizvodnja cenejša kot
sistem na čipu (SoC) hkrati pa je kakovost slike primerljiva s senzorjem CCD.Odkar je CMOS postal priljubljen, je v zadnjem desetletju le redko videti senzorje CCD na pametnih telefonih in fotoaparatih. Vendar senzorji CCD niso ravno zastareli. Čeprav so senzorji CCD morda postopoma umaknjeni s trga potrošniških fotoaparatov, so še vedno prednostni senzorji, ki se uporabljajo na nekaterih področjih fotografije.
Uporaba tehnologije CCD v fotografiji
Poleg drage proizvodnje je imel CCD tudi druge težave, zaradi katerih so ga postopoma umaknili s potrošniškega trga. To bi vključevalo njegovo zahtevo po visoki moči, ki je 100-krat večja od tiste, ki bi jo porabil CMOS, in počasno obdelavo slik, kar je težava pri fotografiranju v rafalih in snemanju videa.
Kljub vsem tem slabostim CCD-ji še vedno uspevajo v različnih industrijskih in znanstvenih aplikacijah, ki potrebujejo strojni vid. To je zato, ker CCD-ji še vedno zagotavljajo kakovostnejše slike z nizkim šumom, ki jih potrebujejo ta področja specializirane fotografije. Poleg tega stroški nakupa in delovanja kamer CCD pravzaprav niso problem za dobro financirane ustanove in podjetja.
Torej, katera točno so ta specializirana področja fotografije, ki še vedno uporabljajo CCD? Ugotovimo spodaj:
Optična mikroskopija
CCD se uporabljajo v različnih mikroskopskih aplikacijah za opazovanje hrane, kemije, inženiringa in drugih aplikacij, kjer so potrebne jasne slike mikroskopskih predmetov. CCD je izbran za optično mikroskopijo, ker lahko posname predmete z več kot 10 slikovnimi pikami z visoko občutljivostjo in nizkimi razmerji šuma.
Vesoljska fotografija
Fotografiranje vesolja je najbolje narediti s kamerami CCD. To je zato, ker imajo senzorji CCD najvišje kvantne izkoristke, kar ima za posledico nizek šum, visok dinamični razpon in boljšo enakomernost – vse to so kritični vidiki vesoljske fotografije.
Bližnje infrardeče slikanje
CCD se uporabljajo v različnih aplikacijah za industrijsko slikanje, ena od njih je slikanje v bližnjem infrardečem območju. Senzor mora imeti visoko učinkovito absorpcijo fotonov, da lahko slika skoraj infrardeče, saj so infrardeči fotoni manj vidni kot redno vidni fotoni. Ker CCD-ji zagotavljajo zelo občutljive senzorje, ki lahko bolje zajamejo infrardeče fotone, se vedno uporabljajo v teh aplikacijah.
CCD-ji uspevajo v prostoru znanstvene, industrijske in medicinske fotografije predvsem zaradi svojih visokih kvantnih izkoristkov, posnetkov z nizkim šumom in visoke ravni enotnosti. Toda kako točno senzorji CCD zagotavljajo takšne lastnosti? Najprej se morate naučiti, kako delujejo senzorji CCD, da boste to bolje razumeli.
Kako deluje sistem CCD?
CCD je le eden od različnih vrste senzorjev kamere. In tako kot drugi senzorji fotoaparatov, CCD zajemajo svetlobo in jo pretvarjajo v digitalne signale, ki se nato obdelajo in prikažejo kot slikovne pike, ko jih gledamo na elektronskem zaslonu, kot je monitor.
Čeprav vse slikovni senzorji imajo enako nalogo zajemanja analognih za ustvarjanje digitalnih signalov, bi se način ali postopek, ki je potreben za dosego omenjenih nalog, razlikoval od drugih senzorjev.
Da senzor CCD zajema slike, gre skozi postopek v petih korakih, ki se začne s svetlobo za polnjenje pretvorba, kopičenje naboja, prenos naboja, pretvorba naboja v napetost in nato signal ojačanje. Pojdimo skozi postopek korak za korakom:
1. korak: Pretvorba svetlobe v polnjenje
Senzor CCD zajema svetlobo tako, da omogoča fotonom (energiji iz svetlobe), da se odbijejo od tanke silicijeve rezine, ki nato sprosti elektron. Majhen pozitivno nabit kondenzator nato deluje kot vedro, ki zbira in shranjuje sproščene elektrone. Enota te tanke silicijeve rezine na vrhu majhnega kondenzatorja je znana kot fotomesto.
2. in 3. korak: kopičenje in prenos naboja
Senzor CCD še naprej zbira in shranjuje takšne elektrone, dokler se zaklop kamere ne zapre. Vsi shranjeni elektroni iz kondenzatorja tvorijo naboj.
Ko se zaklop fotoaparata zapre, se ves naboj iz fotositeov prenese v vezje senzorskega kondenzatorja. Prenos se izvede tako, da se naboji premaknejo vodoravno na rob senzorja in nato navpično, dokler se vsak naboj ne pošlje v vezje senzorskega kondenzatorja.
Senzorji CCD uporabljajo ta mehanizem premikalnega registra za prenos naboja, medtem ko senzorji CMOS uporabljajo lokalno pretvorbo napetosti in ojačanje signala. Čeprav je zaradi tega CMOS hitrejši senzor, je tudi njihov izhod precej šumen, saj samo število lokalnih ojačevalnikov ustvarja šum ali artefakte na sliki. Nasprotno pa CCD uporablja samo eno ojačevalno vezje za ojačanje signalov.
Druga pomanjkljivost uporabe lokalnega ojačanja pri visokih hitrostih je, da povzroča neenakomernost slike. CCD senzorji nimajo takšnih težav zaradi njihovega linearnega procesa pri obdelavi nabojev v posameznem foto mestu.
4. in 5. korak: pretvorba naboja v napetost in ojačanje signala
Analogni naboji, poslani senzorskemu kondenzatorju, se samodejno pretvorijo v napetosti, zaradi česar se neobdelani digitalni podatki uporabijo za izdelavo slik. Po pretvorbi naboja v napetost so digitalni signali še vedno prenizki, da bi jih procesor lahko uporabil.
Za povečanje digitalnih signalov se uporablja ojačevalnik signala. Ta ojačani signal se nato pošlje v slikovni procesor, ki nato sestavi sliko.
CCD-ji so tu, da ostanejo
CCD-ji, ki so bili nekoč zlati standard za senzorje digitalnih fotoaparatov, so zdaj ukinjeni za redno potrošniško uporabo. Toda s svojimi visokimi kvantnimi izkoristki, nizkim šumom slikanja, višjim dinamičnim razponom in odlično enotnostjo se CCD-ji še vedno uporabljajo v številnih znanstvenih in industrijskih aplikacijah.
In čeprav je malo verjetno, da bodo proizvajalci v bližnji prihodnosti vrnili potrošniške kamere CCD, bodo CCD-ji še naprej stalnica znanstvenih raziskav.