Για να τραβήξετε ψηφιακά μια φωτογραφία, μια σύγχρονη φωτογραφική μηχανή χρειάζεται να συλλάβει το φως και να το μετατρέψει σε ψηφιακές πληροφορίες. Για να γίνει αυτό, μια κάμερα θα απαιτούσε έναν αισθητήρα που καταγράφει με ακρίβεια και ταχύτητα φωτόνια από το περιβάλλον.
Πιθανότατα γνωρίζετε ήδη τον αισθητήρα CMOS που χρησιμοποιείται σε smartphone και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές καταναλωτών. Γνωρίζατε όμως ότι υπάρχει ένας άλλος τύπος αισθητήρα που παρέχει υψηλότερα επίπεδα λεπτομέρειας και δυναμικό εύρος; Αυτοί οι αισθητήρες κάμερας είναι γνωστοί ως CCD.
Λοιπόν, τι ακριβώς είναι τα CCD; Πώς λειτουργεί και πώς χρησιμοποιείται; Ας το συζητήσουμε.
Τι είναι μια συσκευή CCD (Συσκευή φόρτισης);
Μια CCD, ή φορτισμένη-συζευγμένη συσκευή, είναι ένας ηλεκτρονικός αισθητήρας που μετατρέπει το φως σε ψηφιακά σήματα μέσω φορτίων που παράγονται από αναπήδηση φωτονίων σε ένα λεπτό πλακίδιο πυριτίου.
Τα CCD ήταν το χρυσό πρότυπο για τους αισθητήρες κάμερας από τις αρχές της δεκαετίας του '80 έως τα τέλη της δεκαετίας του 2000. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι γύρω στο 2010, οι αισθητήρες CMOS απέκτησαν σημαντικές τεχνολογικές καινοτομίες που θα τους καθιστούσαν φθηνότερους στην κατασκευή τους ως σύστημα σε τσιπ (SoC) ενώ έχει συγκρίσιμη ποιότητα εικόνας με αισθητήρα CCD.
Από τότε που το CMOS απέκτησε δημοτικότητα, είναι σπάνιο να βλέπουμε αισθητήρες CCD σε smartphone και κάμερες την τελευταία δεκαετία. Ωστόσο, οι αισθητήρες CCD δεν είναι ακριβώς απαρχαιωμένοι. Αν και μπορεί να έχουν καταργηθεί σταδιακά από την αγορά καμερών καταναλωτών, οι αισθητήρες CCD εξακολουθούν να είναι ο προτιμώμενος αισθητήρας που χρησιμοποιείται σε ορισμένους τομείς της φωτογραφίας.
Εφαρμογές Τεχνολογίας CCD στη Φωτογραφία
Εκτός από το ότι ήταν ακριβό στην κατασκευή, το CCD είχε επίσης άλλα προβλήματα που προκάλεσαν τη σταδιακή απόσυρσή του από την καταναλωτική αγορά. Αυτό θα περιλαμβάνει την απαίτηση υψηλής ισχύος, η οποία είναι 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή που θα χρησιμοποιούσε το CMOS, και την αργή επεξεργασία εικόνας, η οποία αποτελεί πρόβλημα κατά τη λήψη φωτογραφιών σε ριπές και τη λήψη βίντεο.
Παρά όλα αυτά τα μειονεκτήματα, τα CCD εξακολουθούν να ευδοκιμούν σε διάφορες βιομηχανικές και επιστημονικές εφαρμογές που χρειάζονται μηχανική όραση. Αυτό συμβαίνει επειδή τα CCD εξακολουθούν να παρέχουν υψηλότερης ποιότητας εικόνες χαμηλού θορύβου που απαιτούν αυτοί οι τομείς της εξειδικευμένης φωτογραφίας. Επιπλέον, το κόστος αγοράς και λειτουργίας καμερών CCD δεν είναι πραγματικά πρόβλημα για τα καλά χρηματοδοτούμενα ιδρύματα και επιχειρήσεις.
Λοιπόν, τι ακριβώς είναι αυτοί οι εξειδικευμένοι τομείς της φωτογραφίας που εξακολουθούν να χρησιμοποιούν CCD; Ας μάθουμε παρακάτω:
Οπτική Μικροσκοπία
Τα CCD χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές μικροσκοπίας για την παρατήρηση τροφίμων, χημείας, μηχανικής και άλλων εφαρμογών όπου απαιτούνται καθαρά οπτικά στοιχεία μικροσκοπικών αντικειμένων. Ένα CCD επιλέγεται για οπτική μικροσκοπία επειδή μπορεί να καταγράψει αντικείμενα με πάνω από 10 pixel με υψηλή ευαισθησία και χαμηλές αναλογίες θορύβου.
Διαστημική Φωτογραφία
Η λήψη φωτογραφιών του χώρου γίνεται καλύτερα σε κάμερες CCD. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι αισθητήρες CCD έχουν την υψηλότερη κβαντική απόδοση, με αποτέλεσμα χαμηλό θόρυβο, υψηλό δυναμικό εύρος και καλύτερη ομοιομορφία - όλες οι κρίσιμες πτυχές της διαστημικής φωτογραφίας.
Απεικόνιση κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία
Οι CCD χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές απεικόνισης, μία από τις οποίες είναι η απεικόνιση εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ένας αισθητήρας πρέπει να έχει εξαιρετικά αποτελεσματική απορρόφηση φωτονίων για να κάνει απεικόνιση κοντά στο υπέρυθρο, καθώς τα υπέρυθρα φωτόνια είναι λιγότερο ορατά από τα κανονικά ορατά φωτόνια. Δεδομένου ότι τα CCD παρέχουν πολύ ευαίσθητους αισθητήρες που μπορούν να συλλάβουν καλύτερα υπέρυθρα φωτόνια, χρησιμοποιούνται πάντα σε αυτές τις εφαρμογές.
Τα CCD ευδοκιμούν στον επιστημονικό, βιομηχανικό και ιατρικό χώρο φωτογραφίας κυρίως λόγω των υψηλών κβαντικών αποδόσεων, των εικόνων χαμηλού θορύβου και του υψηλού επιπέδου ομοιομορφίας τους. Αλλά πώς ακριβώς οι αισθητήρες CCD παρέχουν τέτοιες ιδιότητες; Θα πρέπει πρώτα να μάθετε πώς λειτουργούν οι αισθητήρες CCD για να το κατανοήσετε καλύτερα.
Πώς λειτουργεί ένα σύστημα CCD;
Το CCD είναι μόνο ένα από τα διάφορα τύπους αισθητήρων κάμερας. Και όπως και άλλοι αισθητήρες κάμερας, οι CCD συλλαμβάνουν φως και το μετατρέπουν σε ψηφιακά σήματα, τα οποία στη συνέχεια επεξεργάζονται και εμφανίζονται ως pixel όταν προβάλλονται σε μια ηλεκτρονική οθόνη, όπως μια οθόνη.
Αν και όλα αισθητήρες απεικόνισης έχουν το ίδιο καθήκον της σύλληψης του αναλογικού για την παραγωγή ψηφιακών σημάτων, ο τρόπος ή η διαδικασία που απαιτείται για την επίτευξη των εν λόγω εργασιών θα είναι διαφορετική από άλλους αισθητήρες.
Για τη λήψη εικόνων από έναν αισθητήρα CCD, περνάει από μια διαδικασία πέντε βημάτων, ξεκινώντας από το φως στη φόρτιση μετατροπή, συσσώρευση φορτίου, μεταφορά φορτίου, μετατροπή φορτίου σε τάση και μετά σήμα ενίσχυση. Ας δούμε τη διαδικασία βήμα προς βήμα:
Βήμα 1: Μετατροπή Light-to-Charge
Ένας αισθητήρας CCD συλλαμβάνει το φως επιτρέποντας στα φωτόνια (ενέργεια από το φως) να αναπηδήσουν από ένα λεπτό πλακίδιο πυριτίου το οποίο στη συνέχεια απελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο. Στη συνέχεια, ένας μικροσκοπικός θετικά φορτισμένος πυκνωτής λειτουργεί ως κάδος που συλλέγει και αποθηκεύει τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια. Μια μονάδα αυτής της λεπτής γκοφρέτας πυριτίου πάνω από έναν μικροσκοπικό πυκνωτή είναι γνωστή ως φωτοθέτης.
Βήματα 2 και 3: Συσσώρευση φόρτισης και μεταφορά φόρτισης
Ένας αισθητήρας CCD συνεχίζει να συλλέγει και να αποθηκεύει τέτοια ηλεκτρόνια μέχρι να κλείσει το κλείστρο της κάμερας. Όλα τα αποθηκευμένα ηλεκτρόνια από τον πυκνωτή είναι αυτά που δημιουργούν το φορτίο.
Όταν το κλείστρο της κάμερας κλείνει, όλο το φορτίο από τους φωτοτόπους μεταφέρεται σε ένα κύκλωμα πυκνωτή αίσθησης. Η μεταφορά γίνεται μετατοπίζοντας τα φορτία οριζόντια στην άκρη του αισθητήρα και μετά κατακόρυφα μέχρι να σταλεί κάθε φόρτιση στο κύκλωμα του πυκνωτή αίσθησης.
Οι αισθητήρες CCD χρησιμοποιούν αυτόν τον μηχανισμό καταχωρητή μετατόπισης για τη μεταφορά φορτίου, ενώ οι αισθητήρες CMOS χρησιμοποιούν τοπική μετατροπή τάσης και ενίσχυση σήματος. Αν και αυτό καθιστά το CMOS τον ταχύτερο αισθητήρα, κάνει επίσης την έξοδο του αρκετά θορυβώδη, καθώς ο τεράστιος αριθμός τοπικών ενισχυτών δημιουργεί θόρυβο ή τεχνουργήματα σε μια εικόνα. Αντίθετα, ένα CCD χρησιμοποιεί μόνο ένα κύκλωμα ενισχυτή για την ενίσχυση των σημάτων.
Ένα άλλο μειονέκτημα της χρήσης τοπικής ενίσχυσης σε υψηλές ταχύτητες είναι ότι προκαλεί ανομοιομορφία στην εικόνα. Οι αισθητήρες CCD δεν έχουν τέτοια προβλήματα λόγω της γραμμικής τους διαδικασίας κατά την επεξεργασία φορτίων σε κάθε φωτοθέτη.
Βήματα 4 και 5: Μετατροπή φορτίου σε τάση και ενίσχυση σήματος
Τα αναλογικά φορτία που αποστέλλονται στον αισθητήρα πυκνωτή μετατρέπονται αυτόματα σε τάσεις που κάνουν τα ακατέργαστα ψηφιακά δεδομένα να χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία εικόνων. Μετά τη μετατροπή φορτίου σε τάση, τα ψηφιακά σήματα εξακολουθούν να είναι πολύ χαμηλά για να τα χρησιμοποιήσει ένας επεξεργαστής.
Για την ενίσχυση των ψηφιακών σημάτων, χρησιμοποιείται ένας ενισχυτής σήματος. Αυτό το ενισχυμένο σήμα αποστέλλεται στη συνέχεια σε έναν επεξεργαστή εικόνας ο οποίος στη συνέχεια συναρμολογεί την εικόνα.
Τα CCD είναι εδώ για να μείνουν
Κάποτε το χρυσό πρότυπο για τους αισθητήρες ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών, οι CCDs έχουν πλέον καταργηθεί για τακτική χρήση από τους καταναλωτές. Αλλά με την υψηλή κβαντική τους απόδοση, την απεικόνιση χαμηλού θορύβου, το υψηλότερο δυναμικό εύρος και την εξαιρετική ομοιομορφία, τα CCD εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε πολλές επιστημονικές και βιομηχανικές εφαρμογές.
Και παρόλο που είναι απίθανο οι κατασκευαστές να επαναφέρουν κάμερες CCD καταναλωτικής ποιότητας στο εγγύς μέλλον, οι CCD θα συνεχίσουν να αποτελούν βασικό στοιχείο στην επιστημονική έρευνα.
