כדי לצלם תמונה דיגיטלית, מצלמה מודרנית צריכה ללכוד אור ולהמיר אותו למידע דיגיטלי. לשם כך, מצלמה תדרוש חיישן המתעד במדויק ובמהירות פוטונים מהסביבה.
אתה בטח כבר מודע לחיישן ה-CMOS המשמש בסמארטפונים ובמצלמות דיגיטליות לצרכן. אבל האם ידעת שיש סוג אחר של חיישן המספק רמות גבוהות יותר של פירוט וטווח דינמי? חיישני מצלמה אלו ידועים בשם CCDs.
אז מה הם בעצם CCDs? איך זה עובד ואיך משתמשים בו? בוא נדבר על זה.
מהו CCD (התקן מצמד טעינה)?
CCD, או מכשיר מצמד מטען, הוא חיישן אלקטרוני הממיר אור לאותות דיגיטליים באמצעות מטענים הנוצרים על ידי הקפצת פוטונים על פרוסת סיליקון דקה.
CCDs היו תקן הזהב עבור חיישני מצלמה מתחילת שנות ה-80 ועד סוף שנות ה-2000. הסיבה לכך היא שבסביבות 2010 חיישני CMOS זכו לחידושים טכנולוגיים משמעותיים שיהפכו אותם לזולים יותר לייצור כ מערכת על שבב (SoC) תוך איכות תמונה דומה לחיישן CCD.
מאז ש-CMOS צבר פופולריות, זה הפך נדיר לראות חיישני CCD בסמארטפונים ומצלמות בעשור האחרון. עם זאת, חיישני CCD לא בדיוק מיושנים. למרות שייתכן שהם הוצאו משוק המצלמות הצרכניות, חיישני CCD הם עדיין החיישן המועדף בשימוש בתחומי צילום מסוימים.
יישומים של טכנולוגיית CCD בצילום
מלבד היותו יקר לייצור, ל-CCD היו גם בעיות אחרות שגרמו לו לצאת בהדרגה משוק הצרכנים. זה יכלול את דרישת ההספק הגבוה שלו, שהיא פי 100 יותר ממה ש-CMOS ישתמש, ועיבוד תמונה איטי, שהיא בעיה בעת צילום תמונות ברצף וצילום וידאו.
למרות כל החסרונות הללו, CCDs עדיין משגשגים ביישומים תעשייתיים ומדעיים שונים הזקוקים לראיית מכונה. הסיבה לכך היא ש-CCD עדיין מספקים תמונות באיכות נמוכה יותר עם רעש נמוך שתחומים אלה של צילום מיוחדים דורשים. בנוסף, עלות הקנייה והתפעול של מצלמות CCD אינה באמת בעיה עבור מוסדות ועסקים הממומנים היטב.
אז, מהם בדיוק תחומי הצילום המיוחדים האלה שעדיין משתמשים ב-CCD? בואו לגלות להלן:
מיקרוסקופיה אופטית
CCDs משמשים ביישומי מיקרוסקופיה שונים כדי לצפות במזון, כימיה, הנדסה ויישומים אחרים שבהם יש צורך בחזות ברורה של עצמים מיקרוסקופיים. CCD נבחר עבור מיקרוסקופיה אופטית מכיוון שהוא יכול להקליט אובייקטים עם מעל 10 פיקסלים עם רגישות גבוהה ויחסי רעש נמוכים.
צילום חלל
צילום חלל נעשה בצורה הטובה ביותר במצלמות CCD. הסיבה לכך היא שלחיישני CCD יש את היעילות הקוונטית הגבוהה ביותר, וכתוצאה מכך רעש נמוך, טווח דינמי גבוה ואחידות טובה יותר - כולם היבטים קריטיים של צילום חלל.
צילום קרוב לאינפרא אדום
CCDs משמשים ביישומי הדמיה תעשייתיים שונים, אחד מהם הוא הדמיה כמעט אינפרא אדום. לחיישן צריך קליטת פוטון יעילה ביותר כדי לבצע הדמיה קרובה לאינפרא אדום, מכיוון שפוטונים אינפרא אדום נראים פחות מפוטונים הנראים באופן קבוע. מכיוון שמכשירי CCD מספקים חיישנים רגישים ביותר שיכולים ללכוד פוטונים אינפרא אדום בצורה טובה יותר, הם משמשים תמיד ביישומים אלה.
CCDs משגשגים במרחב הצילום המדעי, התעשייתי והרפואי, בעיקר בגלל היעילות הקוונטית הגבוהה שלהם, התמונות עם הרעש הנמוך ורמת האחידות הגבוהה שלהם. אבל איך בדיוק חיישני CCD מספקים איכויות כאלה? תחילה תצטרך ללמוד כיצד חיישני CCD פועלים כדי להבין זאת טוב יותר.
כיצד פועלת מערכת CCD?
CCD הוא רק אחד מהמגוון סוגי חיישני מצלמה. ובדיוק כמו חיישני מצלמה אחרים, CCDs לוכדים אור וממירים אותו לאותות דיגיטליים, אשר לאחר מכן מעובדים ומוצגים כפיקסלים כאשר הם צופים בתצוגה אלקטרונית כגון צג.
למרות הכל חיישני הדמיה יש את אותה משימה של לכידת האנלוגי כדי ליצור אותות דיגיטליים, המצב או התהליך הנדרש כדי להשיג את המשימות האמורות יהיו שונים מחיישנים אחרים.
כדי שחיישן CCD יתפוס תמונות, הוא עובר תהליך בן חמישה שלבים, המתחיל באור לטעינה המרה, צבירת מטען, העברת מטען, המרת מטען למתח, ולאחר מכן אות הַגבָּרָה. בואו נעבור את התהליך צעד אחר צעד:
שלב 1: המרת קל לטעינה
חיישן CCD לוכד אור על ידי כך שהוא מאפשר לפוטונים (אנרגיה מאור) להקפיץ פרוסת סיליקון דקה אשר לאחר מכן משחררת אלקטרון. קבל זעיר טעון חיובי פועל אז כדלי שאוסף ומאחסן את האלקטרונים המשוחררים. יחידה של פרוסת סיליקון דקה זו על גבי קבל זעיר ידועה כפוטוסייט.
שלבים 2 ו-3: צבירת חיובים והעברת חיובים
חיישן CCD ממשיך לאסוף ולאגור אלקטרונים כאלה עד לסגירת תריס המצלמה. כל האלקטרונים המאוחסנים מהקבל הם שיוצרים את המטען.
כאשר תריס המצלמה נסגר, כל המטען מאתרי הצילום מועבר למעגל קבלי חישה. ההעברה מתבצעת על ידי הסטה אופקית של המטענים לקצה החיישן ולאחר מכן אנכית עד שכל מטען נשלח למעגל קבלי החישה.
חיישני CCD משתמשים במנגנון אוגר המעבר הזה כדי להעביר מטען, בעוד שחיישני CMOS משתמשים בהמרת מתח מקומית ובהגברת אותות. למרות שזה הופך את CMOS לחיישן המהיר יותר, זה גם הופך את הפלט שלהם לדי רועש שכן המספר העצום של המגברים המקומיים יוצר רעש או חפצים בתמונה. לעומת זאת, CCD משתמש רק במעגל מגבר אחד כדי להגביר אותות.
חיסרון נוסף של שימוש בהגברה מקומית במהירויות גבוהות הוא שהיא גורמת לאי אחידות בתמונות. חיישני CCD אין בעיות כאלה בגלל התהליך הליניארי שלהם בעת עיבוד מטענים בכל אתר פוטו.
שלבים 4 ו-5: המרת טעינה למתח והגברת אותות
מטענים אנלוגיים הנשלחים אל קבל החישה מומרים אוטומטית למתחים מה שהופך את הנתונים הדיגיטליים הגולמיים המשמשים ליצירת תמונות. לאחר המרת הטעינה למתח, האותות הדיגיטליים עדיין נמוכים מדי עבור מעבד לשימוש.
כדי להגביר את האותות הדיגיטליים, נעשה שימוש במגבר אותות. האות המוגבר הזה נשלח לאחר מכן למעבד תמונה אשר מרכיב את התמונה.
CCDs כאן כדי להישאר
פעם תקן הזהב עבור חיישני מצלמה דיגיטלית, CCDs הופסק כעת לשימוש צרכני רגיל. אבל עם היעילות הקוונטית הגבוהה שלהם, הדמיית רעש נמוכה, טווח דינמי גבוה יותר ואחידות מצוינת, CCDs עדיין משמשים ביישומים מדעיים ותעשייתיים רבים.
ולמרות שלא סביר שיצרנים יחזירו מצלמות CCD בדרגת צרכן בעתיד הקרוב, CCDs ימשיכו להיות מרכיב עיקרי במחקר המדעי.