CCD (دستگاه متصل به شارژ) چیست و چگونه از آن استفاده می شود؟

CCD ها در زمینه های تخصصی عکاسی استفاده می شوند زیرا در برخی موارد بهتر از سنسورهای CMOS هستند. در اینجا همه چیزهایی است که باید بدانید.

برای گرفتن عکس دیجیتالی، یک دوربین مدرن نیاز به گرفتن نور و تبدیل آن به اطلاعات دیجیتال دارد. برای انجام این کار، یک دوربین به سنسوری نیاز دارد که فوتون‌های محیط را با دقت و سرعت ثبت کند.

احتمالاً از سنسور CMOS مورد استفاده در گوشی‌های هوشمند و دوربین‌های دیجیتال مصرف‌کننده مطلع هستید. اما آیا می دانستید که نوع دیگری از سنسور وجود دارد که سطوح بالاتری از جزئیات و محدوده دینامیکی را ارائه می دهد؟ این سنسورهای دوربین به CCD معروف هستند.

بنابراین، CCD ها دقیقا چیست؟ چگونه کار می کند، و چگونه از آن استفاده می شود؟ بیایید در مورد آن صحبت کنیم.

CCD (دستگاه متصل به شارژ) چیست؟

CCD یا دستگاه باردار-کوپل شده، یک حسگر الکترونیکی است که نور را از طریق بارهای تولید شده توسط فوتون های جهشی روی یک ویفر سیلیکونی نازک به سیگنال های دیجیتال تبدیل می کند.

CCD ها استاندارد طلایی برای سنسورهای دوربین از اوایل دهه 80 تا اواخر دهه 2000 بودند. این امر به این دلیل است که در حدود سال 2010، حسگرهای CMOS نوآوری‌های تکنولوژیکی قابل توجهی به دست آوردند که ساخت آنها را به عنوان یک سیستم روی تراشه (SoC) ارزان‌تر می‌کرد، در حالی که کیفیت تصویر قابل مقایسه با سنسور CCD داشت.

از زمانی که CMOS محبوبیت پیدا کرد، در دهه گذشته مشاهده سنسورهای CCD در تلفن‌های هوشمند و دوربین‌ها نادر شده است. با این حال، سنسورهای CCD دقیقاً منسوخ نیستند. اگرچه سنسورهای CCD ممکن است به تدریج از بازار دوربین های مصرف کننده کنار گذاشته شده باشند، سنسورهای CCD همچنان حسگر ترجیحی مورد استفاده در زمینه های خاصی از عکاسی هستند.

کاربردهای تکنولوژی CCD در عکاسی

علاوه بر گران بودن ساخت، CCD مشکلات دیگری نیز داشت که باعث شد آن را به تدریج از بازار مصرف حذف کند. این شامل نیاز به انرژی بالای آن است که 100 برابر بیشتر از آنچه CMOS استفاده می‌کند و پردازش کند تصویر، که هنگام عکس‌برداری پشت سر هم و فیلم‌برداری یک مشکل ایجاد می‌کند.

با وجود تمام این معایب، CCD ها هنوز در کاربردهای مختلف صنعتی و علمی که نیاز به بینایی ماشین دارند، در حال پیشرفت هستند. این به این دلیل است که CCD ها هنوز هم تصاویر کم نویز با کیفیت بالاتری را ارائه می دهند که این بخش های عکاسی تخصصی به آن نیاز دارند. به علاوه، هزینه خرید و راه اندازی دوربین های CCD واقعاً برای مؤسسات و مشاغل با بودجه خوب مشکلی ایجاد نمی کند.

بنابراین، این حوزه های تخصصی عکاسی که هنوز از CCD استفاده می کنند دقیقاً چه هستند؟ بیایید در زیر بدانیم:

میکروسکوپ نوری

CCD ها در کاربردهای مختلف میکروسکوپی برای مشاهده مواد غذایی، شیمی، مهندسی و سایر کاربردها در مواردی که تصاویر واضح اجسام میکروسکوپی ضروری است استفاده می شود. یک CCD برای میکروسکوپ نوری انتخاب می شود زیرا می تواند اشیاء با بیش از 10 پیکسل را با حساسیت بالا و نسبت نویز کم ضبط کند.

عکاسی فضا

گرفتن عکس از فضا به بهترین وجه در دوربین های CCD انجام می شود. این به این دلیل است که سنسورهای CCD بالاترین راندمان کوانتومی را دارند و در نتیجه نویز کم، دامنه دینامیکی بالا و یکنواختی بهتر را دارند که همه جنبه‌های حیاتی عکاسی فضایی هستند.

تصویربرداری مادون قرمز نزدیک

CCD ها در کاربردهای مختلف تصویربرداری صنعتی استفاده می شوند که یکی از آنها تصویربرداری نزدیک به مادون قرمز است. یک حسگر برای انجام تصویربرداری نزدیک به فروسرخ نیاز به جذب فوتون بسیار کارآمد دارد، زیرا فوتون‌های فروسرخ کمتر از فوتون‌های معمولی قابل مشاهده هستند. از آنجایی که CCD ها حسگرهای بسیار حساسی را ارائه می دهند که می توانند فوتون های مادون قرمز را بهتر ضبط کنند، همیشه در این برنامه ها استفاده می شوند.

CCD ها در فضای عکاسی علمی، صنعتی و پزشکی در درجه اول به دلیل راندمان کوانتومی بالا، تصاویر با نویز کم و سطح بالای یکنواختی خود رشد می کنند. اما حسگرهای CCD دقیقاً چگونه چنین ویژگی هایی را ارائه می دهند؟ برای درک بهتر این موضوع ابتدا باید نحوه عملکرد حسگرهای CCD را بیاموزید.

سیستم CCD چگونه کار می کند؟

CCD تنها یکی از انواع سنسورهای دوربین است. و درست مانند سایر سنسورهای دوربین، CCD ها نور را جذب می کنند و آن را به سیگنال های دیجیتال تبدیل می کنند، که پس از مشاهده بر روی یک نمایشگر الکترونیکی مانند مانیتور، پردازش می شوند و به صورت پیکسل نمایش داده می شوند.

اگرچه همه حسگرهای تصویربرداری وظیفه یکسانی در گرفتن آنالوگ برای ایجاد سیگنال های دیجیتال دارند، حالت یا فرآیندی که برای دستیابی به وظایف گفته شده لازم است با سایر حسگرها متفاوت است.

برای اینکه حسگر CCD بتواند تصاویر را ثبت کند، یک فرآیند پنج مرحله ای را طی می کند که با تبدیل نور به شارژ، انباشت بار، انتقال شارژ، تبدیل شارژ به ولتاژ و سپس تقویت سیگنال شروع می شود. بیایید مراحل را مرحله به مرحله طی کنیم:

مرحله 1: تبدیل نور به شارژ

حسگر CCD نور را با اجازه دادن به فوتون ها (انرژی حاصل از نور) از یک ویفر سیلیکونی نازک که سپس یک الکترون آزاد می کند، جذب می کند. سپس یک خازن کوچک با بار مثبت به عنوان سطلی عمل می کند که الکترون های آزاد شده را جمع آوری و ذخیره می کند. واحدی از این ویفر سیلیکونی نازک در بالای یک خازن کوچک به عنوان فتوسیت شناخته می شود.

مراحل 2 و 3: انباشت شارژ و انتقال شارژ

یک حسگر CCD تا زمانی که شاتر دوربین بسته شود به جمع آوری و ذخیره چنین الکترون هایی ادامه می دهد. تمام الکترون های ذخیره شده از خازن، آن چیزی هستند که بار را ایجاد می کنند.

هنگامی که شاتر دوربین بسته می شود، تمام شارژ فتوسایت ها به مدار خازن حسی منتقل می شود. انتقال با جابجایی بارها به صورت افقی به لبه سنسور و سپس به صورت عمودی تا زمانی که هر بار به مدار خازن حسی ارسال شود، انجام می شود.

سنسورهای CCD از این مکانیسم ثبت تغییر برای انتقال شارژ استفاده می کنند، در حالی که سنسورهای CMOS از تبدیل ولتاژ محلی و تقویت سیگنال استفاده می کنند. اگرچه این امر باعث می‌شود که CMOS به سنسور سریع‌تری تبدیل شود، اما خروجی آن‌ها را کاملاً نویز می‌کند زیرا تعداد زیاد تقویت‌کننده‌های محلی باعث ایجاد نویز یا مصنوعات در یک تصویر می‌شوند. در مقابل، یک CCD تنها از یک مدار تقویت کننده برای تقویت سیگنال ها استفاده می کند.

یکی دیگر از معایب استفاده از تقویت موضعی در سرعت های بالا این است که باعث ایجاد ناهمواری در تصاویر می شود. سنسورهای CCD به دلیل فرآیند خطی آنها هنگام پردازش بارها در هر فتوسیت، چنین مشکلاتی ندارند.

مراحل 4 و 5: تبدیل شارژ به ولتاژ و تقویت سیگنال

بارهای آنالوگ ارسال شده به خازن حسی به طور خودکار به ولتاژ تبدیل می شود که باعث می شود داده های دیجیتال خام برای ساخت تصاویر استفاده شوند. پس از تبدیل شارژ به ولتاژ، سیگنال های دیجیتال هنوز برای پردازنده بسیار کم هستند.

برای تقویت سیگنال های دیجیتال، از تقویت کننده سیگنال استفاده می شود. سپس این سیگنال تقویت شده به یک پردازشگر تصویر ارسال می شود که سپس تصویر را مونتاژ می کند.

CCD ها اینجا هستند تا بمانند

زمانی که استاندارد طلایی برای سنسورهای دوربین های دیجیتال بود، CCD ها اکنون برای استفاده معمول مصرف کنندگان متوقف شده اند. اما با بازده کوانتومی بالا، تصویربرداری با نویز کم، محدوده دینامیکی بالاتر و یکنواختی عالی، CCD ها هنوز در بسیاری از کاربردهای علمی و صنعتی استفاده می شوند.

و اگرچه بعید است که سازندگان دوربین‌های CCD درجه مصرف‌کننده را در آینده نزدیک بازگردانند، CCD‌ها همچنان جزء اصلی تحقیقات علمی خواهند بود.

منبع مقاله