K digitálnímu pořízení fotografie potřebuje moderní fotoaparát zachytit světlo a převést ho na digitální informace. K tomu by kamera vyžadovala senzor, který přesně a rychle zaznamenává fotony z prostředí.
Pravděpodobně již znáte snímač CMOS používaný v chytrých telefonech a spotřebitelských digitálních fotoaparátech. Věděli jste ale, že existuje jiný typ snímače, který poskytuje vyšší úroveň detailů a dynamického rozsahu? Tyto kamerové senzory jsou známé jako CCD.
Takže, co přesně jsou CCD? Jak to funguje a jak se používá? Pojďme si o tom promluvit.
Co je to CCD (Charge-Coupled Device)?
CCD, neboli nabité zařízení, je elektronický senzor, který převádí světlo na digitální signály prostřednictvím nábojů generovaných odrážejícími se fotony na tenkém křemíkovém plátku.
CCD byly zlatým standardem pro kamerové senzory od počátku 80. let do konce 20. století. Je to proto, že kolem roku 2010 získaly snímače CMOS významné technologické inovace, které by zlevnily jejich výrobu jako
systém na čipu (SoC) a přitom má kvalitu obrazu srovnatelnou s CCD snímačem.Od té doby, co CMOS získal na popularitě, je v posledním desetiletí vzácné vidět CCD snímače na chytrých telefonech a fotoaparátech. CCD snímače však nejsou tak úplně zastaralé. Ačkoli mohly být postupně vyřazeny z trhu spotřebitelských fotoaparátů, CCD snímače jsou stále preferovaným snímačem používaným v určitých oblastech fotografie.
Aplikace CCD technologie ve fotografii
Kromě toho, že výroba CCD byla nákladná, měl také další problémy, které způsobily, že byl postupně vyřazen ze spotřebitelského trhu. To by zahrnovalo jeho vysoký výkon, který je 100krát vyšší, než jaký by používal CMOS, a pomalé zpracování obrazu, což je problém při fotografování v sekvencích a natáčení videa.
Přes všechny tyto nevýhody se CCD stále daří v různých průmyslových a vědeckých aplikacích, které vyžadují strojové vidění. Je to proto, že CCD stále poskytují kvalitnější snímky s nízkým šumem, které tyto oblasti specializované fotografie vyžadují. Navíc náklady na nákup a provoz CCD kamer nejsou pro dobře financované instituce a podniky ve skutečnosti problémem.
Takže, co přesně jsou tyto specializované oblasti fotografie, které stále používají CCD? Pojďme to zjistit níže:
Optická mikroskopie
CCD se používají v různých mikroskopických aplikacích k pozorování potravin, chemie, strojírenství a dalších aplikacích, kde je nutné jasné zobrazení mikroskopických objektů. CCD je vybrán pro optickou mikroskopii, protože dokáže zaznamenat objekty s více než 10 pixely s vysokou citlivostí a nízkým poměrem šumu.
Vesmírná fotografie
Focení prostoru se nejlépe provádí na CCD kamerách. Je to proto, že snímače CCD mají nejvyšší kvantovou účinnost, což vede k nízkému šumu, vysokému dynamickému rozsahu a lepší uniformitě – což jsou všechny kritické aspekty vesmírné fotografie.
Blízké infračervené zobrazování
CCD se používají v různých průmyslových zobrazovacích aplikacích, z nichž jednou je zobrazování v blízké infračervené oblasti. Senzor musí mít vysoce účinnou absorpci fotonů, aby mohl provádět zobrazování v blízké infračervené oblasti, protože infračervené fotony jsou méně viditelné než běžně viditelné fotony. Protože CCD poskytují vysoce citlivé senzory, které dokážou lépe zachytit infračervené fotony, používají se v těchto aplikacích vždy.
CCD se daří ve vědecké, průmyslové a lékařské fotografii především díky jejich vysoké kvantové účinnosti, nízkému šumu a vysoké úrovni uniformity. Ale jak přesně CCD snímače poskytují takové kvality? Abyste tomu lépe porozuměli, musíte se nejprve naučit, jak CCD snímače fungují.
Jak funguje CCD systém?
CCD je jen jedním z různých typy kamerových senzorů. A stejně jako jiné kamerové senzory, CCD zachycují světlo a převádějí ho na digitální signály, které jsou poté zpracovány a zobrazeny jako pixely při prohlížení na elektronickém displeji, jako je monitor.
I když všechny zobrazovací senzory mají stejný úkol zachycovat analogový signál pro vytváření digitálních signálů, režim nebo proces potřebný k dosažení uvedených úkolů by se lišil od jiných senzorů.
Aby snímač CCD zachytil snímky, prochází procesem v pěti krocích, počínaje nabíjením světla konverze, akumulace náboje, přenos náboje, převod náboje na napětí a poté signál zesílení. Pojďme si projít procesem krok za krokem:
Krok 1: Převod světla na nabíjení
CCD senzor zachycuje světlo tím, že umožňuje fotonům (energii ze světla) odrazit se od tenkého křemíkového plátku, který pak uvolní elektron. Malý kladně nabitý kondenzátor pak funguje jako vědro, které shromažďuje a ukládá uvolněné elektrony. Jednotka tohoto tenkého křemíkového plátku na vrcholu malého kondenzátoru je známá jako photosite.
Kroky 2 a 3: Akumulace náboje a převod náboje
CCD snímač pokračuje ve sběru a ukládání takových elektronů, dokud se závěrka fotoaparátu nezavře. Všechny uložené elektrony z kondenzátoru tvoří náboj.
Když se závěrka fotoaparátu zavře, veškerý náboj z fotomíst se přenese do obvodu snímacího kondenzátoru. Přenos se provádí posunem nábojů horizontálně k okraji snímače a poté vertikálně, dokud není každý náboj odeslán do obvodu snímacího kondenzátoru.
Snímače CCD využívají tento mechanismus posuvného registru k přenosu náboje, zatímco snímače CMOS využívají místní konverzi napětí a zesílení signálu. Ačkoli to dělá CMOS rychlejším snímačem, jejich výstup je také poměrně hlučný, protože velké množství místních zesilovačů vytváří šum nebo artefakty v obraze. Naproti tomu CCD používá pouze jeden zesilovací obvod pro zesílení signálů.
Další nevýhodou použití lokálního zesílení při vysokých rychlostech je to, že způsobuje nerovnoměrnost zobrazení. CCD snímače nemají takové problémy kvůli jejich lineárnímu procesu při zpracování nábojů v každém fotomístě.
Kroky 4 a 5: Převod náboje na napětí a zesílení signálu
Analogové náboje zasílané do snímacího kondenzátoru jsou automaticky převedeny na napětí, která tvoří nezpracovaná digitální data používaná k vytváření snímků. Po převodu nabití na napětí jsou digitální signály stále příliš nízké na to, aby je procesor mohl použít.
Pro zesílení digitálních signálů se používá zesilovač signálu. Tento zesílený signál je poté odeslán do obrazového procesoru, který pak sestaví obraz.
CCD tu zůstanou
CCD, kdysi zlatý standard pro snímače digitálních fotoaparátů, se nyní přestaly používat pro běžné spotřebitele. Ale díky jejich vysoké kvantové účinnosti, nízkému šumu, vyššímu dynamickému rozsahu a vynikající uniformitě se CCD stále používají v mnoha vědeckých a průmyslových aplikacích.
A i když je nepravděpodobné, že výrobci v blízké budoucnosti vrátí spotřebitelské CCD kamery, CCD budou i nadále základem vědeckého výzkumu.