Dijital olarak fotoğraf çekmek için modern bir kameranın ışığı yakalaması ve onu dijital bilgiye dönüştürmesi gerekir. Bunu yapmak için, bir kamera, çevreden gelen fotonları doğru ve hızlı bir şekilde kaydeden bir sensöre ihtiyaç duyacaktır.
Muhtemelen akıllı telefonlarda ve tüketici dijital kameralarında kullanılan CMOS sensörünün farkındasınızdır. Ancak, daha yüksek düzeyde ayrıntı ve dinamik aralık sağlayan başka bir sensör türü olduğunu biliyor muydunuz? Bu kamera sensörleri CCD'ler olarak bilinir.
Peki, CCD'ler tam olarak nedir? Nasıl çalışır ve nasıl kullanılır? Bunun hakkında konuşalım.
CCD (Charge-Coupled Device) Nedir?
Bir CCD veya şarjlı birleştirilmiş cihaz, ince bir silikon gofret üzerinde sıçrayan fotonlar tarafından üretilen şarjlar aracılığıyla ışığı dijital sinyallere dönüştüren elektronik bir sensördür.
CCD'ler, 80'lerin başından 2000'lerin sonlarına kadar kamera sensörleri için altın standarttı. Bunun nedeni, 2010 yılı civarında, CMOS sensörlerinin bir makine olarak üretimlerini daha ucuz hale getirecek önemli teknolojik yenilikler kazanmasıdır. çip üzerinde sistem (SoC) bir CCD sensörüyle karşılaştırılabilir görüntü kalitesine sahipken.
CMOS popülerlik kazandığından beri, son on yılda akıllı telefonlarda ve kameralarda CCD sensörlerini görmek nadir hale geldi. Bununla birlikte, CCD sensörleri tam olarak eski değildir. Tüketici kamera pazarından aşamalı olarak çıkmış olsalar da CCD sensörleri, fotoğrafçılığın belirli alanlarında kullanılan tercih edilen sensör olmaya devam ediyor.
Fotoğrafçılıkta CCD Teknolojisinin Uygulamaları
Üretiminin pahalı olmasının yanı sıra, CCD'nin tüketici pazarından aşamalı olarak çekilmesine neden olan başka sorunları da vardı. Bu, CMOS'un kullandığından 100 kat daha fazla olan yüksek güç gereksinimini ve arka arkaya fotoğraf çekerken ve video çekerken sorun olan yavaş görüntü işlemeyi içerir.
Tüm bu dezavantajlara rağmen CCD'ler, makine görüşüne ihtiyaç duyan çeşitli endüstriyel ve bilimsel uygulamalarda gelişmeye devam etmektedir. Bunun nedeni, CCD'lerin, bu özel fotoğrafçılık alanlarının gerektirdiği yüksek kaliteli, düşük gürültülü görüntüler sağlamasıdır. Artı, CCD kamera satın alma ve çalıştırma maliyeti, iyi finanse edilen kurumlar ve işletmeler için gerçekten sorun değil.
Peki, hala CCD kullanan bu özel fotoğrafçılık alanları tam olarak nedir? Aşağıda öğrenelim:
Optik mikroskopi
CCD'ler, gıda, kimya, mühendislik ve mikroskobik nesnelerin net görsellerinin gerekli olduğu diğer uygulamaları gözlemlemek için çeşitli mikroskopi uygulamalarında kullanılır. Optik mikroskopi için bir CCD seçilmiştir çünkü 10 pikselin üzerindeki nesneleri yüksek hassasiyet ve düşük gürültü oranlarıyla kaydedebilir.
Uzay Fotoğrafçılığı
Uzayın fotoğraflarını çekmek en iyi şekilde CCD kameralarda yapılır. Bunun nedeni, CCD sensörlerinin en yüksek kuantum verimliliğine sahip olmasıdır, bu da düşük gürültü, yüksek dinamik aralık ve daha iyi tekdüzelik sağlar; bunların tümü uzay fotoğrafçılığının kritik yönleridir.
Yakın Kızılötesi Görüntüleme
CCD'ler, biri yakın kızılötesi görüntüleme olan çeşitli endüstriyel görüntüleme uygulamalarında kullanılır. Kızılötesi fotonlar normal olarak görülebilen fotonlardan daha az görünür olduğundan, bir sensörün yakın kızılötesi görüntüleme yapmak için yüksek verimli foton absorpsiyonuna sahip olması gerekir. CCD'ler, kızılötesi fotonları daha iyi yakalayabilen oldukça hassas sensörler sağladığından, bu uygulamalarda her zaman kullanılırlar.
CCD'ler bilimsel, endüstriyel ve tıbbi fotoğrafçılık alanında, öncelikle yüksek kuantum verimlilikleri, düşük gürültülü görüntüler ve yüksek düzeyde tekdüzelik nedeniyle gelişirler. Ancak CCD sensörleri bu tür nitelikleri tam olarak nasıl sağlıyor? Bunu daha iyi anlamak için öncelikle CCD sensörlerinin nasıl çalıştığını öğrenmeniz gerekir.
Bir CCD Sistemi Nasıl Çalışır?
CCD, çeşitli kamera sensörü türleri. Diğer kamera sensörleri gibi, CCD'ler de ışığı yakalar ve dijital sinyallere dönüştürür; bu sinyaller daha sonra işlenir ve monitör gibi elektronik bir ekranda görüntülendiğinde piksel olarak görüntülenir.
herşeye rağmen görüntüleme sensörleri Dijital sinyaller yapmak için analoğu yakalama görevi aynı olsa da, söz konusu görevleri gerçekleştirmek için gereken mod veya süreç diğer sensörlerden farklı olacaktır.
Bir CCD sensörünün görüntü yakalaması için ışıktan şarja kadar beş adımlı bir süreçten geçer. dönüştürme, yük biriktirme, yük transferi, şarjdan gerilime dönüştürme ve ardından sinyal amplifikasyon. Adım adım süreci inceleyelim:
1. Adım: Hafiften Şarja Dönüştürme
Bir CCD sensörü, fotonların (ışıktan gelen enerji) ince bir silikon gofretten sekmesine izin vererek ışığı yakalar ve ardından bir elektron serbest bırakır. Pozitif yüklü küçük bir kapasitör daha sonra salınan elektronları toplayan ve depolayan bir kova görevi görür. Küçük bir kapasitörün üzerindeki bu ince silikon gofret birimine fotosite denir.
Adım 2 ve 3: Şarj Birikimi ve Şarj Transferi
Bir CCD sensörü, kamera deklanşörü kapanana kadar bu tür elektronları toplamaya ve depolamaya devam eder. Kapasitörden depolanan tüm elektronlar, yükü oluşturan şeydir.
Kamera deklanşörü kapandığında, fotositelerden gelen tüm yük bir duyu kapasitör devresine aktarılır. Aktarım, yükleri yatay olarak sensörün kenarına kaydırarak ve ardından her bir yük duyu kapasitör devresine gönderilene kadar dikey olarak kaydırılarak yapılır.
CCD sensörleri, yükü aktarmak için bu kaydırma yazmacı mekanizmasını kullanırken, CMOS sensörleri yerel voltaj dönüştürme ve sinyal amplifikasyonu kullanır. Bu, CMOS'u daha hızlı sensör yapsa da, çok sayıda yerel amplifikatör bir görüntüde gürültü veya bozulmalar yarattığından çıktılarını oldukça gürültülü hale getirir. Buna karşılık, bir CCD sinyalleri yükseltmek için yalnızca bir amplifikatör devresi kullanır.
Yerel amplifikasyonu yüksek hızlarda kullanmanın bir başka dezavantajı, görüntüde düzensizliğe neden olmasıdır. CCD sensörleri, her bir fotositedeki yükleri işlerken lineer süreçlerinden dolayı bu tür problemler yaşamazlar.
Adım 4 ve 5: Şarjdan Voltaja Dönüştürme ve Sinyal Yükseltme
Algılama kapasitörüne gönderilen analog yükler otomatik olarak ham dijital verilerin görüntü oluşturmak için kullanılmasını sağlayan voltajlara dönüştürülür. Şarjdan voltaja dönüşümden sonra, dijital sinyaller bir işlemcinin kullanması için hala çok düşük.
Dijital sinyalleri artırmak için bir sinyal yükseltici kullanılır. Bu güçlendirilmiş sinyal daha sonra görüntüyü bir araya getiren bir görüntü işlemcisine gönderilir.
CCD'ler Kalmak İçin Burada
Bir zamanlar dijital kamera sensörleri için altın standart olan CCD'ler artık normal tüketici kullanımı için kullanımdan kaldırılmıştır. Ancak yüksek kuantum verimlilikleri, düşük gürültülü görüntüleme, daha yüksek dinamik aralık ve mükemmel tekdüzelik ile CCD'ler hala birçok bilimsel ve endüstriyel uygulamada kullanılmaktadır.
Üreticilerin yakın gelecekte tüketici sınıfı CCD kameraları geri getirmeleri pek olası olmasa da, CCD'ler bilimsel araştırmalarda temel bir unsur olmaya devam edecek.