Za digitalno snimanje fotografije, moderna kamera mora uhvatiti svjetlost i pretvoriti je u digitalnu informaciju. Da bi to učinila, kamera bi zahtijevala senzor koji točno i brzo bilježi fotone iz okoline.
Vjerojatno ste već svjesni CMOS senzora koji se koristi u pametnim telefonima i potrošačkim digitalnim fotoaparatima. Ali jeste li znali da postoji još jedna vrsta senzora koja pruža više razine detalja i dinamički raspon? Ovi senzori kamere poznati su kao CCD.
Dakle, što su zapravo CCD? Kako djeluje i kako se koristi? Razgovarajmo o tome.
Što je CCD (uređaj s nabojem)?
CCD ili uređaj s nabojem spregnuti elektronički je senzor koji pretvara svjetlost u digitalne signale pomoću naboja generiranih odbijanjem fotona na tankoj silicijskoj pločici.
CCD-ovi su bili zlatni standard za senzore fotoaparata od ranih 80-ih do kasnih 2000-ih. To je zato što su oko 2010. CMOS senzori dobili značajne tehnološke inovacije koje bi ih učinile jeftinijima za proizvodnju kao
sustav na čipu (SoC) dok ima usporedivu kvalitetu slike s CCD senzorom.Otkako je CMOS stekao popularnost, postalo je rijetko vidjeti CCD senzore na pametnim telefonima i kamerama u posljednjem desetljeću. Međutim, CCD senzori nisu baš zastarjeli. Iako su možda postupno uklonjeni s tržišta potrošačkih fotoaparata, CCD senzori su još uvijek preferirani senzori koji se koriste u određenim područjima fotografije.
Primjena CCD tehnologije u fotografiji
Osim što je bio skup za proizvodnju, CCD je imao i druge probleme koji su uzrokovali njegovo postupno uklanjanje s potrošačkog tržišta. To bi uključivalo zahtjeve za visokom snagom, koja je 100 puta veća od one koju bi koristio CMOS, i sporu obradu slike, što je problem pri snimanju fotografija u nizu i snimanju videa.
Unatoč svim ovim nedostacima, CCD-i još uvijek napreduju u raznim industrijskim i znanstvenim primjenama koje trebaju strojni vid. To je zato što CCD još uvijek pružaju kvalitetnije slike s niskim šumom koje zahtijevaju ova područja specijalizirane fotografije. Osim toga, trošak kupnje i rada CCD kamera zapravo nije problem za dobro financirane institucije i tvrtke.
Dakle, koja su točno ta specijalizirana područja fotografije koja još uvijek koriste CCD? Otkrijmo u nastavku:
Optička mikroskopija
CCD se koriste u raznim mikroskopskim aplikacijama za promatranje hrane, kemije, inženjeringa i drugih aplikacija gdje su potrebni jasni vizualni prikazi mikroskopskih objekata. CCD je odabran za optičku mikroskopiju jer može snimati objekte s preko 10 piksela s visokom osjetljivošću i niskim omjerima šuma.
Svemirska fotografija
Fotografiranje prostora najbolje je raditi na CCD kamerama. To je zato što CCD senzori imaju najveću kvantnu učinkovitost, što rezultira niskim šumom, visokim dinamičkim rasponom i boljom ujednačenošću—svi kritični aspekti svemirske fotografije.
Blisko infracrveno snimanje
CCD-ovi se koriste u raznim industrijskim aplikacijama za snimanje slika, od kojih je jedna slika u blizini infracrvenog zračenja. Senzor mora imati vrlo učinkovitu apsorpciju fotona da bi napravio sliku blizu infracrvenog, budući da su infracrveni fotoni manje vidljivi od obično vidljivih fotona. Budući da CCD-ovi daju vrlo osjetljive senzore koji mogu bolje uhvatiti infracrvene fotone, oni se uvijek koriste u ovim aplikacijama.
CCD-ovi napreduju u znanstvenom, industrijskom i medicinskom fotografskom prostoru prvenstveno zbog svoje visoke kvantne učinkovitosti, slike s niskim šumom i visoke razine uniformnosti. Ali kako točno CCD senzori pružaju takve kvalitete? Prvo ćete morati naučiti kako rade CCD senzori da biste to bolje razumjeli.
Kako radi CCD sustav?
CCD je samo jedan od raznih vrste senzora kamere. I baš kao i drugi senzori fotoaparata, CCD-ovi hvataju svjetlost i pretvaraju je u digitalne signale, koji se zatim obrađuju i prikazuju kao pikseli kada se gledaju na elektroničkom zaslonu kao što je monitor.
Iako sve slikovni senzori imaju isti zadatak hvatanja analognog za izradu digitalnih signala, način ili proces koji je potreban za postizanje navedenih zadataka razlikovao bi se od ostalih senzora.
Da bi CCD senzor snimio slike, prolazi kroz proces od pet koraka, počevši od svjetla do punjenja pretvorba, akumulacija naboja, prijenos naboja, pretvorba naboja u napon, a zatim signal pojačanje. Prođimo kroz postupak korak po korak:
Korak 1: Pretvorba svjetla u punjenje
CCD senzor hvata svjetlost dopuštajući fotonima (energiji iz svjetlosti) da se odbiju od tanke silicijske pločice koja zatim oslobađa elektron. Sićušni pozitivno nabijeni kondenzator tada djeluje kao kanta koja skuplja i pohranjuje oslobođene elektrone. Jedinica ove tanke silikonske pločice na vrhu sićušnog kondenzatora poznata je kao fotostranica.
Koraci 2 i 3: Akumulacija i prijenos naboja
CCD senzor nastavlja skupljati i pohranjivati takve elektrone sve dok se zatvarač kamere ne zatvori. Svi pohranjeni elektroni iz kondenzatora su ono što čini naboj.
Kada se zatvarač fotoaparata zatvori, sav naboj s fotostranica prenosi se u krug senzorskog kondenzatora. Prijenos se vrši pomicanjem naboja vodoravno do ruba senzora, a zatim okomito dok se svaki naboj ne pošalje u krug senzorskog kondenzatora.
CCD senzori koriste ovaj mehanizam registra pomaka za prijenos naboja, dok CMOS senzori koriste lokalnu pretvorbu napona i pojačanje signala. Iako ovo čini CMOS bržim senzorom, također čini njihov izlaz prilično šumnim jer sam broj lokalnih pojačala stvara šum ili artefakte na slici. Nasuprot tome, CCD koristi samo jedan krug pojačala za pojačavanje signala.
Još jedan nedostatak korištenja lokalnog pojačanja pri velikim brzinama je taj što uzrokuje neujednačenost slike. CCD senzori nemaju takvih problema zbog svog linearnog procesa pri obradi naboja u svakom foto mjestu.
Koraci 4 i 5: Pretvorba naboja u napon i pojačanje signala
Analogni naboji koji se šalju senzorskom kondenzatoru automatski se pretvaraju u napone što čini sirove digitalne podatke koji se koriste za izradu slika. Nakon pretvorbe naboja u napon, digitalni signali su još uvijek preniski da bi ih procesor mogao koristiti.
Za pojačavanje digitalnih signala koristi se pojačalo signala. Ovaj pojačani signal se zatim šalje slikovnom procesoru koji zatim sastavlja sliku.
CCD uređaji su tu da ostanu
CCD senzori koji su nekada bili zlatni standard za senzore digitalnih kamera, sada se više ne koriste za redovnu potrošačku upotrebu. Ali sa svojom visokom kvantnom učinkovitošću, niskim šumom slike, višim dinamičkim rasponom i izvrsnom ujednačenošću, CCD-ovi se još uvijek koriste u mnogim znanstvenim i industrijskim primjenama.
Iako je malo vjerojatno da će proizvođači u bliskoj budućnosti vratiti potrošačke CCD kamere, CCD će i dalje biti glavni dio znanstvenih istraživanja.