Digitaalisen valokuvan ottamiseksi nykyaikaisen kameran on vangittava valo ja muutettava se digitaaliseksi tiedoksi. Tätä varten kamera vaatisi anturin, joka tallentaa tarkasti ja nopeasti fotoneja ympäristöstä.
Olet luultavasti jo tietoinen älypuhelimissa ja kuluttajien digitaalikameroissa käytetystä CMOS-kennosta. Mutta tiesitkö, että on olemassa toisenlainen anturi, joka tarjoaa korkeamman tason ja dynaamisen alueen? Nämä kameraanturit tunnetaan CCD-kennoina.
Joten mitä CCD: t oikein ovat? Miten se toimii ja miten sitä käytetään? Puhutaan siitä.
Mikä on CCD (Charge-Coupled Device)?
CCD tai varattu laite on elektroninen anturi, joka muuntaa valon digitaalisiksi signaaleiksi varausten kautta, jotka syntyvät pomppivien fotonien ohuella piikiekolla.
CCD: t olivat kamera-antureiden kultastandardi 80-luvun alusta 2000-luvun lopulle. Tämä johtuu siitä, että vuoden 2010 tienoilla CMOS-anturit saivat merkittäviä teknologisia innovaatioita, jotka tekisivät niistä halvempia valmistaa
järjestelmä sirulla (SoC) samalla kun kuvanlaatu on verrattavissa CCD-kennoon.CMOS: n yleistymisen jälkeen on tullut harvinaista nähdä CCD-antureita älypuhelimissa ja kameroissa kuluneen vuosikymmenen aikana. CCD-anturit eivät kuitenkaan ole aivan vanhentuneita. Vaikka ne on saatettu asteittain poistua kuluttajakameramarkkinoilta, CCD-anturit ovat edelleen suosituin anturi tietyillä valokuvauksen alueilla.
CCD-tekniikan sovellukset valokuvauksessa
Sen lisäksi, että CCD oli kallista valmistaa, sillä oli myös muita ongelmia, jotka johtivat sen poistamiseen kuluttajamarkkinoilta. Tämä sisältäisi sen suuren virrantarpeen, joka on 100 kertaa enemmän kuin mitä CMOS käyttäisi, ja hitaan kuvankäsittelyn, joka on ongelma sarjakuvia otettaessa ja videoita kuvattaessa.
Kaikista näistä haitoista huolimatta CCD: t kukoistavat edelleen erilaisissa teollisissa ja tieteellisissä sovelluksissa, jotka vaativat konenäköä. Tämä johtuu siitä, että CCD: t tarjoavat edelleen korkealaatuisempia vähäkohinaisia kuvia, joita nämä erikoisvalokuvausalueet vaativat. Lisäksi CCD-kameroiden osto- ja käyttökustannukset eivät ole ongelma hyvin rahoitetuille laitoksille ja yrityksille.
Joten mitkä tarkalleen ovat nämä valokuvauksen erikoisalat, jotka käyttävät edelleen CCD: tä? Otetaan selvää alla:
Optinen mikroskopia
CCD: itä käytetään erilaisissa mikroskooppisovelluksissa ruoan, kemian, tekniikan ja muiden sovellusten tarkkailuun, joissa tarvitaan selkeää visuaalista mikroskooppista esinettä. CCD valitaan optiseen mikroskopiaan, koska se voi tallentaa yli 10 pikselin kohteita korkealla herkkyydellä ja alhaisilla kohinasuhteilla.
Avaruusvalokuvaus
Avaruuden valokuvien ottaminen onnistuu parhaiten CCD-kameroilla. Tämä johtuu siitä, että CCD-antureilla on korkein kvanttitehokkuus, mikä johtaa alhaiseen kohinaan, suureen dynaamiseen alueeseen ja parempaan tasaisuuteen – kaikki avaruuskuvauksen kriittiset näkökohdat.
Lähi-infrapunakuvaus
CCD: itä käytetään erilaisissa teollisissa kuvantamissovelluksissa, joista yksi on lähi-infrapunakuvaus. Anturilla on oltava erittäin tehokas fotoniabsorptio lähi-infrapunakuvauksen tekemiseksi, koska infrapunafotonit ovat vähemmän näkyvissä kuin säännöllisesti näkyvät fotonit. Koska CCD: t tarjoavat erittäin herkkiä antureita, jotka pystyvät sieppaamaan infrapunafotoneja paremmin, niitä käytetään aina näissä sovelluksissa.
CCD: t menestyvät tieteellisessä, teollisessa ja lääketieteellisessä valokuvauksessa ensisijaisesti korkean kvanttitehokkuuden, vähäkohinaisen kuvan ja korkean yhdenmukaisuuden vuoksi. Mutta kuinka tarkkaan ottaen CCD-anturit tarjoavat tällaisia ominaisuuksia? Sinun on ensin opittava CCD-anturien toiminta ymmärtääksesi tämän paremmin.
Kuinka CCD-järjestelmä toimii?
CCD on vain yksi monista kameran anturityypit. Ja kuten muutkin kameran anturit, CCD: t vangitsevat valoa ja muuntavat sen digitaalisiksi signaaleiksi, jotka sitten käsitellään ja näytetään pikseleinä, kun niitä katsotaan elektronisella näytöllä, kuten näytöllä.
Vaikka kaikki kuvantamisanturit on sama tehtävä siepata analoginen digitaalisten signaalien tuottamiseksi, tila tai prosessi, joka tarvitaan mainittujen tehtävien suorittamiseen, olisi erilainen kuin muilla antureilla.
Jotta CCD-kenno voi ottaa kuvia, se käy läpi viisivaiheisen prosessin, joka alkaa valosta lataukseen muunnos, varauksen kerääntyminen, varauksen siirto, latauksesta jännitteeksi muuntaminen ja sitten signaali vahvistusta. Käydään prosessi läpi vaihe vaiheelta:
Vaihe 1: Light-to-Charge-muunnos
CCD-anturi vangitsee valoa sallimalla fotonien (valoenergian) pomppia ohuesta piikiekosta, joka vapauttaa sitten elektronin. Pieni positiivisesti varautunut kondensaattori toimii sitten ämpärinä, joka kerää ja varastoi vapautuneet elektronit. Tämän ohuen piikiekon yksikkö pienen kondensaattorin päällä tunnetaan fotositena.
Vaiheet 2 ja 3: Maksun kerääminen ja siirto
CCD-anturi jatkaa tällaisten elektronien keräämistä ja varastointia, kunnes kameran suljin sulkeutuu. Varauksen muodostavat kaikki kondensaattoriin tallennetut elektronit.
Kun kameran suljin sulkeutuu, kaikki valokuvakohteiden varaus siirtyy sensorikondensaattoripiiriin. Siirto tapahtuu siirtämällä varaukset vaakasuunnassa anturin reunaan ja sitten pystysuoraan, kunnes jokainen varaus lähetetään sensorikondensaattoripiiriin.
CCD-anturit käyttävät tätä siirtorekisterimekanismia varauksen siirtämiseen, kun taas CMOS-anturit käyttävät paikallista jännitteen muuntamista ja signaalin vahvistusta. Vaikka tämä tekee CMOS: sta nopeamman anturin, se tekee myös niiden lähdöstä melko meluisaa, koska paikallisten vahvistimien valtava määrä luo kohinaa tai artefakteja kuvaan. Sitä vastoin CCD käyttää vain yhtä vahvistinpiiriä signaalien vahvistamiseen.
Toinen haitta paikallisen vahvistuksen käyttämisessä suurilla nopeuksilla on, että se aiheuttaa epätasaisuutta kuviin. CCD-antureilla ei ole tällaisia ongelmia niiden lineaarisen prosessin vuoksi, kun ne käsittelevät latauksia kussakin valokuvakohteessa.
Vaiheet 4 ja 5: Muunna latauksesta jännitteeksi ja signaalin vahvistus
Sensorikondensaattoriin lähetetyt analogiset varaukset muunnetaan automaattisesti jännitteiksi, mikä tekee digitaalisesta raakadatasta kuvien tekemiseen. Varaus-jännitteeksi muuntamisen jälkeen digitaaliset signaalit ovat edelleen liian alhaisia prosessorille.
Digitaalisten signaalien tehostamiseksi käytetään signaalivahvistinta. Tämä vahvistettu signaali lähetetään sitten kuvaprosessorille, joka sitten kokoaa kuvan.
CCD: t ovat täällä jäädäkseen
Aikoinaan digitaalikameroiden antureiden kultainen standardi, CCD: t on nyt lopetettu tavallisessa kuluttajakäytössä. Mutta niiden korkean kvanttitehokkuuden, alhaisen kohinan kuvantamisen, suuremman dynaamisen alueen ja erinomaisen tasaisuuden ansiosta CCD: itä käytetään edelleen monissa tieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa.
Ja vaikka on epätodennäköistä, että valmistajat tuovat takaisin kuluttajalaatuisia CCD-kameroita lähitulevaisuudessa, CCD-kamerat ovat jatkossakin tieteellisen tutkimuksen peruskappale.
