Om digitaal een foto te maken, moet een moderne camera licht opvangen en omzetten in digitale informatie. Om dit te doen, zou een camera een sensor nodig hebben die nauwkeurig en snel fotonen uit de omgeving registreert.
U bent waarschijnlijk al op de hoogte van de CMOS-sensor die wordt gebruikt in smartphones en digitale camera's voor consumenten. Maar wist u dat er een ander type sensor is dat een hoger detailniveau en dynamisch bereik biedt? Deze camerasensoren staan bekend als CCD's.
Wat zijn CCD's precies? Hoe werkt het en hoe wordt het gebruikt? Laten we erover praten.
Wat is een CCD (Charge-Coupled Device)?
Een CCD, of Charged-Coupled Device, is een elektronische sensor die licht omzet in digitale signalen door middel van ladingen die worden gegenereerd door stuiterende fotonen op een dunne siliciumwafer.
CCD's waren de gouden standaard voor camerasensoren van begin jaren '80 tot eind jaren 2000. Dit komt omdat CMOS-sensoren rond 2010 aanzienlijke technologische innovaties hebben ondergaan waardoor ze goedkoper te produceren zouden zijn
systeem op een chip (SoC) terwijl de beeldkwaliteit vergelijkbaar is met die van een CCD-sensor.Sinds CMOS aan populariteit won, is het de afgelopen tien jaar zeldzaam geworden om CCD-sensoren op smartphones en camera's te zien. CCD-sensoren zijn echter niet bepaald achterhaald. Hoewel ze misschien uit de markt voor consumentencamera's zijn verdwenen, zijn CCD-sensoren nog steeds de voorkeurssensor die in bepaalde gebieden van de fotografie wordt gebruikt.
Toepassingen van CCD-technologie in fotografie
Behalve dat het duur was om te produceren, had CCD ook andere problemen waardoor het geleidelijk uit de consumentenmarkt werd gehaald. Dit omvat onder meer het hoge stroomverbruik, dat 100 keer meer is dan wat CMOS zou gebruiken, en de trage beeldverwerking, wat een probleem is bij het maken van foto's in bursts en het opnemen van video.
Ondanks al deze nadelen doen CCD's het nog steeds goed in verschillende industriële en wetenschappelijke toepassingen die machinevisie nodig hebben. Dit komt omdat CCD's nog steeds beelden van hogere kwaliteit met weinig ruis leveren die deze gebieden van gespecialiseerde fotografie vereisen. Bovendien vormen de kosten van het kopen en gebruiken van CCD-camera's niet echt een probleem voor goed gefinancierde instellingen en bedrijven.
Dus, wat zijn precies deze gespecialiseerde gebieden van fotografie die nog steeds CCD gebruiken? Laten we het hieronder uitzoeken:
Optische microscopie
CCD's worden gebruikt in verschillende microscopietoepassingen om voedsel, chemie, techniek en andere toepassingen waar duidelijke beelden van microscopische objecten nodig zijn, te observeren. Een CCD wordt gekozen voor optische microscopie omdat het objecten met meer dan 10 pixels kan opnemen met hoge gevoeligheid en lage ruisverhoudingen.
Ruimte fotografie
Het maken van foto's van de ruimte kan het beste worden gedaan met CCD-camera's. Dit komt omdat CCD-sensoren de hoogste kwantumefficiëntie hebben, wat resulteert in weinig ruis, een hoog dynamisch bereik en betere uniformiteit - allemaal kritieke aspecten van ruimtefotografie.
Nabij-infrarood beeldvorming
CCD's worden gebruikt in verschillende industriële beeldvormingstoepassingen, waaronder nabij-infraroodbeeldvorming. Een sensor moet zeer efficiënte fotonenabsorptie hebben om nabij-infraroodbeelden te kunnen maken, aangezien infraroodfotonen minder zichtbaar zijn dan regelmatig zichtbare fotonen. Omdat CCD's zeer gevoelige sensoren bieden die infraroodfotonen beter kunnen opvangen, worden ze altijd in deze toepassingen gebruikt.
CCD's gedijen vooral in de wetenschappelijke, industriële en medische fotografieruimte vanwege hun hoge kwantumefficiëntie, beelden met weinig ruis en hoge mate van uniformiteit. Maar hoe bieden CCD-sensoren precies zulke eigenschappen? U moet eerst leren hoe CCD-sensoren werken om dit beter te begrijpen.
Hoe werkt een CCD-systeem?
CCD is slechts een van de verschillende soorten camerasensoren. En net als andere camerasensoren vangen CCD's licht op en zetten het om in digitale signalen, die vervolgens worden verwerkt en weergegeven als pixels wanneer ze worden bekeken op een elektronisch beeldscherm zoals een monitor.
Hoewel allemaal beeldsensoren dezelfde taak hebben om de analoog vast te leggen om digitale signalen te maken, zou de modus of het proces dat nodig is om deze taken te bereiken, anders zijn dan bij andere sensoren.
Voordat een CCD-sensor beelden kan vastleggen, doorloopt hij een proces van vijf stappen, te beginnen met licht om op te laden conversie, ladingsaccumulatie, ladingsoverdracht, lading-naar-spanning-conversie en vervolgens signaal versterking. Laten we het proces stap voor stap doornemen:
Stap 1: Conversie van licht naar lading
Een CCD-sensor vangt licht op door fotonen (energie uit licht) te laten weerkaatsen op een dunne siliciumwafel die vervolgens een elektron vrijgeeft. Een minuscule positief geladen condensator fungeert dan als een emmer die de vrijgekomen elektronen opvangt en opslaat. Een stuk van deze dunne siliciumwafel bovenop een kleine condensator staat bekend als een fotosite.
Stappen 2 en 3: Ladingaccumulatie en ladingoverdracht
Een CCD-sensor blijft dergelijke elektronen verzamelen en opslaan totdat de sluiter van de camera sluit. Alle opgeslagen elektronen van de condensator zorgen voor de lading.
Wanneer de sluiter van de camera sluit, wordt alle lading van de fotosites overgebracht naar een detectiecondensatorcircuit. De overdracht wordt gedaan door de ladingen horizontaal naar de rand van de sensor te verschuiven en vervolgens verticaal totdat elke lading naar het detectiecondensatorcircuit wordt gestuurd.
CCD-sensoren gebruiken dit schuifregistermechanisme om lading over te dragen, terwijl CMOS-sensoren lokale spanningsomzetting en signaalversterking gebruiken. Hoewel CMOS hierdoor de snellere sensor is, zorgt het ook voor behoorlijke ruis in de uitvoer, omdat het grote aantal lokale versterkers ruis of artefacten in een beeld veroorzaakt. Een CCD daarentegen gebruikt slechts één versterkercircuit om signalen te versterken.
Een ander nadeel van het gebruik van lokale versterking bij hoge snelheden is dat het oneffenheden in de beelden veroorzaakt. CCD-sensoren hebben dergelijke problemen niet vanwege hun lineaire proces bij het verwerken van ladingen in elke fotosite.
Stappen 4 en 5: Conversie van lading naar spanning en signaalversterking
Analoge ladingen die naar de detectiecondensator worden gestuurd, worden automatisch omgezet in spanningen, waardoor de onbewerkte digitale gegevens worden gebruikt om afbeeldingen te maken. Na de conversie van lading naar spanning zijn de digitale signalen nog steeds te laag om door een processor te worden gebruikt.
Om de digitale signalen te versterken wordt een signaalversterker gebruikt. Dit versterkte signaal wordt vervolgens naar een beeldprocessor gestuurd die vervolgens het beeld samenstelt.
CCD's zijn er om te blijven
Eens de gouden standaard voor digitale camerasensoren, worden CCD's nu stopgezet voor regulier consumentengebruik. Maar met hun hoge kwantumefficiëntie, beeldvorming met weinig ruis, hoger dynamisch bereik en uitstekende uniformiteit, worden CCD's nog steeds gebruikt in veel wetenschappelijke en industriële toepassingen.
En hoewel het onwaarschijnlijk is dat fabrikanten in de nabije toekomst CCD-camera's van consumentenkwaliteit zullen terugbrengen, zullen CCD's een hoofdbestanddeel van wetenschappelijk onderzoek blijven.
