Na digitálne zhotovenie fotografie potrebuje moderný fotoaparát zachytiť svetlo a previesť ho na digitálne informácie. Na to by kamera vyžadovala senzor, ktorý presne a rýchlo zaznamenáva fotóny z prostredia.
Pravdepodobne už poznáte snímač CMOS používaný v smartfónoch a spotrebiteľských digitálnych fotoaparátoch. Vedeli ste však, že existuje aj iný typ snímača, ktorý poskytuje vyššiu úroveň detailov a dynamického rozsahu? Tieto kamerové snímače sú známe ako CCD.
Takže, čo presne sú CCD? Ako to funguje a ako sa používa? Poďme sa o tom porozprávať.
Čo je to CCD (Charge-Coupled Device)?
CCD alebo zariadenie s nábojovou väzbou je elektronický senzor, ktorý premieňa svetlo na digitálne signály prostredníctvom nábojov generovaných odrazom fotónov na tenkej kremíkovej doštičke.
CCD boli zlatým štandardom pre kamerové snímače od začiatku 80. do konca 21. storočia. Je to preto, že okolo roku 2010 získali snímače CMOS významné technologické inovácie, vďaka ktorým by bola ich výroba lacnejšia.
systém na čipe (SoC) pričom má kvalitu obrazu porovnateľnú s CCD snímačom.Odkedy si CMOS získal na popularite, v poslednom desaťročí sa v smartfónoch a fotoaparátoch stalo zriedkavosťou vidieť snímače CCD. CCD snímače však nie sú úplne zastarané. Hoci mohli byť postupne vyradené z trhu spotrebiteľských fotoaparátov, snímače CCD sú stále preferovaným snímačom používaným v určitých oblastiach fotografie.
Aplikácia technológie CCD vo fotografii
Okrem toho, že výroba CCD bola drahá, malo aj iné problémy, ktoré spôsobili, že bol postupne vyradený zo spotrebiteľského trhu. To by zahŕňalo jeho vysoký výkon, ktorý je 100-krát väčší, ako by CMOS využíval, a pomalé spracovanie obrazu, čo je problém pri sériovom fotení a natáčaní videa.
Napriek všetkým týmto nevýhodám sa CCD stále darí v rôznych priemyselných a vedeckých aplikáciách, ktoré vyžadujú strojové videnie. Je to preto, že CCD stále poskytujú vyššiu kvalitu obrazu s nízkym šumom, ktorý tieto oblasti špecializovanej fotografie vyžadujú. Navyše, náklady na nákup a prevádzku CCD kamier nie sú pre dobre financované inštitúcie a podniky v skutočnosti problémom.
Takže, čo presne sú tieto špecializované oblasti fotografie, ktoré stále používajú CCD? Dozvieme sa nižšie:
Optická mikroskopia
CCD sa používajú v rôznych mikroskopických aplikáciách na pozorovanie potravín, chémie, inžinierstva a iných aplikácií, kde je potrebné jasné zobrazenie mikroskopických objektov. CCD je vybraný pre optickú mikroskopiu, pretože dokáže zaznamenať objekty s viac ako 10 pixelmi s vysokou citlivosťou a nízkym pomerom šumu.
Vesmírna fotografia
Fotenie vesmíru sa najlepšie robí na CCD kamerách. Je to preto, že snímače CCD majú najvyššiu kvantovú účinnosť, čo vedie k nízkemu šumu, vysokému dynamickému rozsahu a lepšej jednotnosti – všetko kritické aspekty vesmírnej fotografie.
Blízke infračervené zobrazovanie
CCD sa používajú v rôznych priemyselných aplikáciách zobrazovania, jednou z nich je zobrazovanie v blízkej infračervenej oblasti. Senzor musí mať vysoko účinnú absorpciu fotónov, aby mohol vykonávať blízke infračervené zobrazovanie, pretože infračervené fotóny sú menej viditeľné ako bežne viditeľné fotóny. Keďže CCD poskytujú vysoko citlivé senzory, ktoré dokážu lepšie zachytiť infračervené fotóny, používajú sa v týchto aplikáciách vždy.
CCD sa darí vo vedeckom, priemyselnom a medicínskom fotografickom priestore predovšetkým kvôli ich vysokej kvantovej účinnosti, nízkym šumom a vysokej úrovni uniformity. Ale ako presne CCD snímače poskytujú takéto kvality? Aby ste tomu lepšie porozumeli, musíte sa najprv naučiť, ako fungujú snímače CCD.
Ako funguje CCD systém?
CCD je len jedným z rôznych typy kamerových snímačov. A rovnako ako iné kamerové senzory, aj CCD zachytávajú svetlo a premieňajú ho na digitálne signály, ktoré sú potom spracované a zobrazené ako pixely pri pohľade na elektronický displej, ako je monitor.
Hoci všetky zobrazovacie senzory majú rovnakú úlohu zachytiť analógový signál na vytvorenie digitálnych signálov, režim alebo proces potrebný na dosiahnutie uvedených úloh by sa líšil od iných snímačov.
Aby snímač CCD zachytával obrázky, prechádza procesom v piatich krokoch, počnúc nabíjaním svetlom konverzia, akumulácia náboja, prenos náboja, premena náboja na napätie a potom signál zosilnenie. Poďme si prejsť procesom krok za krokom:
Krok 1: Konverzia svetla na nabíjanie
CCD snímač zachytáva svetlo tým, že umožňuje fotónom (energii zo svetla) odraziť sa od tenkého kremíkového plátku, ktorý potom uvoľní elektrón. Malý kladne nabitý kondenzátor potom funguje ako vedro, ktoré zbiera a ukladá uvoľnené elektróny. Jednotka tohto tenkého kremíkového plátku na vrchu malého kondenzátora je známa ako photosite.
Kroky 2 a 3: Akumulácia a prenos poplatkov
CCD snímač pokračuje v zhromažďovaní a ukladaní takýchto elektrónov, kým sa uzávierka fotoaparátu nezatvorí. Všetky uložené elektróny z kondenzátora tvoria náboj.
Keď sa uzávierka fotoaparátu zatvorí, všetok náboj z fotomiest sa prenesie do obvodu snímacieho kondenzátora. Prenos sa vykonáva horizontálnym posunom nábojov k okraju snímača a potom vertikálne, kým sa každý náboj nepošle do obvodu snímacieho kondenzátora.
CCD snímače využívajú tento mechanizmus posuvného registra na prenos náboja, zatiaľ čo snímače CMOS využívajú lokálnu konverziu napätia a zosilnenie signálu. Aj keď to robí CMOS rýchlejším snímačom, ich výstup je tiež dosť hlučný, pretože veľké množstvo lokálnych zosilňovačov vytvára šum alebo artefakty v obraze. Na rozdiel od toho CCD používa iba jeden obvod zosilňovača na zosilnenie signálov.
Ďalšou nevýhodou použitia lokálneho zosilnenia pri vysokých rýchlostiach je to, že spôsobuje nerovnomernosť zobrazenia. CCD snímače nemajú takéto problémy kvôli ich lineárnemu procesu pri spracovaní nábojov v každom fotomieste.
Kroky 4 a 5: Konverzia nabíjania na napätie a zosilnenie signálu
Analógové náboje odosielané do snímacieho kondenzátora sa automaticky konvertujú na napätia, ktoré vytvárajú surové digitálne údaje používané na vytváranie obrázkov. Po konverzii náboja na napätie sú digitálne signály stále príliš nízke na to, aby ich procesor mohol použiť.
Na zosilnenie digitálnych signálov sa používa zosilňovač signálu. Tento zosilnený signál je potom odoslaný do obrazového procesora, ktorý potom zostaví obraz.
CCD sú tu, aby zostali
CCD snímače, ktoré boli kedysi zlatým štandardom pre snímače digitálnych fotoaparátov, sa teraz pre bežné spotrebiteľské používanie prestávajú vyrábať. Ale s ich vysokou kvantovou účinnosťou, nízkym šumom, vyšším dynamickým rozsahom a vynikajúcou uniformitou sa CCD stále používajú v mnohých vedeckých a priemyselných aplikáciách.
A hoci je nepravdepodobné, že by výrobcovia v blízkej budúcnosti vrátili spotrebiteľské CCD kamery, CCD budú aj naďalej základom vedeckého výskumu.