Norint fotografuoti skaitmeniniu būdu, šiuolaikinis fotoaparatas turi užfiksuoti šviesą ir konvertuoti ją į skaitmeninę informaciją. Norėdami tai padaryti, fotoaparatui reikės jutiklio, kuris tiksliai ir greitai fiksuoja fotonus iš aplinkos.
Tikriausiai jau žinote apie išmaniuosiuose telefonuose ir plataus vartojimo skaitmeniniuose fotoaparatuose naudojamą CMOS jutiklį. Bet ar žinojote, kad yra ir kito tipo jutikliai, užtikrinantys aukštesnį detalumo lygį ir dinaminį diapazoną? Šie fotoaparato jutikliai yra žinomi kaip CCD.
Taigi, kas tiksliai yra CCD? Kaip jis veikia ir kaip jis naudojamas? Pakalbėkime apie tai.
Kas yra CCD (su įkrovimu sujungtas įrenginys)?
CCD arba įkrautas įtaisas yra elektroninis jutiklis, kuris paverčia šviesą į skaitmeninius signalus per krūvius, kuriuos sukuria atšokantys fotonai ant plonos silicio plokštelės.
CCD buvo auksinis fotoaparatų jutiklių standartas nuo devintojo dešimtmečio pradžios iki 2000-ųjų pabaigos. Taip yra todėl, kad maždaug 2010 m. CMOS jutikliai įgijo reikšmingų technologinių naujovių, dėl kurių jų gamyba tapo pigesnė.
sistema ant lusto (SoC) o vaizdo kokybė yra panaši į CCD jutiklį.Nuo tada, kai CMOS išpopuliarėjo, pastarąjį dešimtmetį išmaniuosiuose telefonuose ir fotoaparatuose retai galima pamatyti CCD jutiklius. Tačiau CCD jutikliai nėra visiškai pasenę. Nors jie galėjo būti palaipsniui pašalinti iš vartotojų fotoaparatų rinkos, CCD jutikliai vis dar yra tinkamiausias jutiklis, naudojamas tam tikrose fotografijos srityse.
CCD technologijos taikymas fotografijoje
Be to, kad CCD buvo brangu, jis turėjo ir kitų problemų, dėl kurių jis buvo palaipsniui pašalintas iš vartotojų rinkos. Tai apimtų jo didelės galios poreikį, kuris yra 100 kartų didesnis nei CMOS, ir lėtą vaizdo apdorojimą, kuris yra problema fotografuojant serijomis ir filmuojant.
Nepaisant visų šių trūkumų, CCD vis dar klesti įvairiose pramonės ir mokslo srityse, kurioms reikalingas mašininis matymas. Taip yra todėl, kad CCD vis tiek teikia aukštesnės kokybės mažo triukšmo vaizdus, kurių reikia šioms specializuotos fotografijos sritims. Be to, CCD kamerų pirkimo ir eksploatavimo išlaidos tikrai nėra problema gerai finansuojamoms institucijoms ir įmonėms.
Taigi, kokios yra šios specializuotos fotografijos sritys, kuriose vis dar naudojamas CCD? Sužinokime toliau:
Optinė mikroskopija
CCD naudojami įvairiose mikroskopijos programose, kad būtų galima stebėti maistą, chemiją, inžineriją ir kitas programas, kur būtinas aiškus mikroskopinių objektų vaizdas. Optinei mikroskopijai pasirinktas CCD, nes jis gali įrašyti objektus, turinčius daugiau nei 10 pikselių su dideliu jautrumu ir mažu triukšmo santykiu.
Kosmoso fotografija
Kosmoso nuotraukas geriausia daryti naudojant CCD kameras. Taip yra dėl to, kad CCD jutikliai pasižymi didžiausiu kvantiniu efektyvumu, todėl yra mažas triukšmas, didelis dinaminis diapazonas ir geresnis vienodumas – tai visi svarbūs kosminės fotografijos aspektai.
Infraraudonųjų spindulių vaizdavimas
CCD naudojami įvairiose pramoninėse vaizdo gavimo programose, iš kurių vienas yra artimųjų infraraudonųjų spindulių vaizdavimas. Norint atlikti beveik infraraudonųjų spindulių vaizdą, jutiklis turi turėti labai efektyvią fotonų sugertį, nes infraraudonieji fotonai yra mažiau matomi nei reguliariai matomi fotonai. Kadangi CCD yra labai jautrūs jutikliai, galintys geriau užfiksuoti infraraudonųjų spindulių fotonus, jie visada naudojami šiose programose.
CCD klesti mokslinėje, pramoninėje ir medicininėje fotografijoje pirmiausia dėl didelio kvantinio efektyvumo, mažo triukšmo vaizdų ir aukšto vienodumo. Bet kaip tiksliai CCD jutikliai suteikia tokias savybes? Pirmiausia turėsite sužinoti, kaip veikia CCD jutikliai, kad tai geriau suprastumėte.
Kaip veikia CCD sistema?
CCD yra tik vienas iš įvairių kameros jutiklių tipai. Kaip ir kiti fotoaparato jutikliai, CCD fiksuoja šviesą ir paverčia ją skaitmeniniais signalais, kurie vėliau apdorojami ir rodomi kaip pikseliai, kai žiūrima elektroniniame ekrane, pavyzdžiui, monitoriuje.
Nors visi vaizdo jutikliai turi tą pačią užduotį fiksuoti analoginį skaitmeninį signalą, režimas arba procesas, kurio reikia norint atlikti minėtas užduotis, skirsis nuo kitų jutiklių.
Kad CCD jutiklis galėtų užfiksuoti vaizdus, ji atlieka penkių etapų procesą, pradedant nuo šviesos iki įkrovimo konvertavimas, krūvio kaupimas, krūvio perkėlimas, įkrovos konvertavimas į įtampą ir signalas stiprinimas. Pereikime procesą žingsnis po žingsnio:
1 veiksmas: konvertavimas iš lengvo įkrovimo
CCD jutiklis fiksuoja šviesą leisdamas fotonams (šviesos energijai) atšokti nuo plonos silicio plokštelės, kuri išlaisvina elektroną. Mažytis teigiamai įkrautas kondensatorius tada veikia kaip kibiras, kuris surenka ir saugo išlaisvintus elektronus. Šios plonos silicio plokštelės, esančios ant mažo kondensatoriaus, vienetas yra žinomas kaip fotosite.
2 ir 3 žingsniai: mokesčių kaupimas ir pervedimas
CCD jutiklis toliau renka ir saugo tokius elektronus, kol užsidaro fotoaparato užraktas. Visi kondensatoriaus sukaupti elektronai sukuria krūvį.
Kai fotoaparato užraktas užsidaro, visas įkrovimas iš fotoobjektyvų perkeliamas į jutimo kondensatoriaus grandinę. Perdavimas atliekamas horizontaliai perkeliant įkrovas į jutiklio kraštą, o po to vertikaliai, kol kiekvienas įkrovimas siunčiamas į jutiklio kondensatoriaus grandinę.
CCD jutikliai naudoja šį poslinkio registro mechanizmą įkrovimui perduoti, o CMOS jutikliai naudoja vietinės įtampos konvertavimą ir signalo stiprinimą. Nors dėl to CMOS yra greitesnis jutiklis, dėl to jų išvestis yra gana triukšminga, nes daugybė vietinių stiprintuvų sukuria triukšmą arba vaizde atsiranda artefaktų. Priešingai, CCD signalams sustiprinti naudoja tik vieną stiprintuvo grandinę.
Kitas vietinio stiprinimo dideliu greičiu naudojimo trūkumas yra tas, kad dėl to vaizdas atsiranda netolygiai. CCD jutikliai neturi tokių problemų, nes jų linijinis procesas apdoroja krūvius kiekvienoje foto vietoje.
4 ir 5 žingsniai: įkrovos konvertavimas į įtampą ir signalo stiprinimas
Analoginiai įkrovimai, siunčiami į jutimo kondensatorių, automatiškai paverčiami įtampa, todėl neapdoroti skaitmeniniai duomenys naudojami vaizdams kurti. Po įkrovimo į įtampą konvertavimo skaitmeniniai signalai vis dar yra per maži, kad procesorius galėtų juos naudoti.
Norint sustiprinti skaitmeninius signalus, naudojamas signalo stiprintuvas. Tada šis sustiprintas signalas siunčiamas į vaizdo procesorių, kuris vėliau surenka vaizdą.
CCD yra čia, kad liktų
Kadaise buvo auksinis skaitmeninių fotoaparatų jutiklių standartas, CCD dabar nebegaunamas įprastam vartotojų naudojimui. Tačiau dėl didelio kvantinio efektyvumo, mažo triukšmo vaizdo, didesnio dinaminio diapazono ir puikaus vienodumo CCD vis dar naudojami daugelyje mokslo ir pramonės sričių.
Ir nors mažai tikėtina, kad gamintojai artimiausiu metu sugrąžins vartotojams tinkamas CCD kameras, CCD ir toliau bus pagrindinis mokslinių tyrimų elementas.