Чтобы сделать цифровую фотографию, современная камера должна улавливать свет и преобразовывать его в цифровую информацию. Для этого камере потребуется датчик, который точно и быстро регистрирует фотоны из окружающей среды.
Вы, наверное, уже знаете о CMOS-датчике, используемом в смартфонах и бытовых цифровых камерах. Но знаете ли вы, что есть еще один тип сенсора, обеспечивающий более высокий уровень детализации и динамический диапазон? Эти датчики камеры известны как ПЗС.
Итак, что же такое ПЗС? Как это работает и как используется? Давай поговорим об этом.
Что такое ПЗС (устройство с зарядовой связью)?
ПЗС, или устройство с зарядовой связью, представляет собой электронный датчик, который преобразует свет в цифровые сигналы посредством зарядов, генерируемых отражением фотонов на тонкой кремниевой пластине.
ПЗС-матрицы были золотым стандартом для сенсоров камер с начала 80-х до конца 2000-х годов. Это связано с тем, что примерно в 2010 году датчики CMOS получили значительные технологические инновации, которые сделали их производство дешевле.
система на кристалле (SoC) при этом качество изображения сравнимо с ПЗС-сенсором.С тех пор как КМОП приобрела популярность, за последнее десятилетие стало редкостью видеть ПЗС-сенсоры на смартфонах и камерах. Однако датчики CCD не совсем устарели. Хотя они, возможно, постепенно исчезли с рынка потребительских камер, датчики ПЗС по-прежнему являются предпочтительным датчиком, используемым в определенных областях фотографии.
Применение технологии ПЗС в фотографии
Помимо дороговизны производства, ПЗС-матрица также имела и другие проблемы, из-за которых ее постепенно убрали с потребительского рынка. Это будет включать в себя его требования к высокой мощности, которая в 100 раз больше, чем у CMOS, и медленную обработку изображений, что является проблемой при серийной фотосъемке и съемке видео.
Несмотря на все эти недостатки, ПЗС-матрицы по-прежнему процветают в различных промышленных и научных приложениях, требующих машинного зрения. Это связано с тем, что ПЗС-матрицы по-прежнему обеспечивают более качественные изображения с низким уровнем шума, которые требуются в этих областях специализированной фотографии. Кроме того, стоимость покупки и эксплуатации ПЗС-камер не является проблемой для хорошо финансируемых учреждений и предприятий.
Итак, что же представляют собой эти специализированные области фотографии, в которых до сих пор используется ПЗС? Давайте узнаем ниже:
Оптическая микроскопия
ПЗС-матрицы используются в различных приложениях микроскопии для наблюдения за пищевыми продуктами, химией, машиностроением и другими приложениями, где необходимо четкое изображение микроскопических объектов. ПЗС-матрица выбрана для оптической микроскопии, потому что она может регистрировать объекты размером более 10 пикселей с высокой чувствительностью и низким коэффициентом шума.
Космическая Фотография
Фотографировать космос лучше всего на ПЗС-камеры. Это связано с тем, что ПЗС-сенсоры обладают наивысшей квантовой эффективностью, что обеспечивает низкий уровень шума, широкий динамический диапазон и лучшую однородность — все важные аспекты космической фотографии.
Ближняя инфракрасная визуализация
ПЗС-матрицы используются в различных промышленных приложениях для обработки изображений, одним из которых является получение изображений в ближнем инфракрасном диапазоне. Датчик должен иметь высокоэффективное поглощение фотонов для создания изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, поскольку инфракрасные фотоны менее заметны, чем обычно видимые фотоны. Поскольку ПЗС обеспечивают высокочувствительные датчики, которые могут лучше улавливать инфракрасные фотоны, они всегда используются в этих приложениях.
ПЗС-матрицы процветают в области научной, промышленной и медицинской фотографии в первую очередь из-за их высокой квантовой эффективности, изображений с низким уровнем шума и высокого уровня однородности. Но как именно ПЗС-сенсоры обеспечивают такие качества? Сначала вам нужно узнать, как работают датчики CCD, чтобы лучше понять это.
Как работает ПЗС-система?
ПЗС является лишь одним из различных типы датчиков камеры. Как и другие датчики камеры, ПЗС-матрицы улавливают свет и преобразуют его в цифровые сигналы, которые затем обрабатываются и отображаются в виде пикселей при просмотре на электронном дисплее, таком как монитор.
Хотя все датчики изображения имеют ту же задачу захвата аналогового сигнала для создания цифровых сигналов, режим или процесс, необходимый для достижения указанных задач, будет отличаться от других датчиков.
Чтобы ПЗС-сенсор мог захватывать изображения, он проходит пятиэтапный процесс, начиная с зарядки от света до заряда. преобразование, накопление заряда, перенос заряда, преобразование заряда в напряжение, а затем сигнал усиление. Давайте рассмотрим процесс шаг за шагом:
Шаг 1: Преобразование света в заряд
ПЗС-датчик улавливает свет, позволяя фотонам (энергии света) отражаться от тонкой кремниевой пластины, которая затем высвобождает электрон. Затем крошечный положительно заряженный конденсатор действует как ведро, которое собирает и хранит высвободившиеся электроны. Блок этой тонкой кремниевой пластины поверх крошечного конденсатора известен как фотосайт.
Шаги 2 и 3: накопление заряда и передача заряда
Датчик CCD продолжает собирать и хранить такие электроны, пока затвор камеры не закроется. Все сохраненные электроны из конденсатора составляют заряд.
Когда затвор камеры закрывается, весь заряд с фотоэлементов переносится на цепь чувствительного конденсатора. Передача осуществляется путем смещения зарядов по горизонтали к краю датчика, а затем по вертикали до тех пор, пока каждый заряд не будет отправлен в цепь измерительного конденсатора.
Датчики CCD используют этот механизм регистра сдвига для передачи заряда, в то время как датчики CMOS используют локальное преобразование напряжения и усиление сигнала. Хотя это делает CMOS более быстрым датчиком, это также делает их выход довольно шумным, поскольку огромное количество локальных усилителей создает шум или артефакты на изображении. Напротив, ПЗС использует только одну схему усилителя для усиления сигналов.
Еще одним недостатком использования локального усиления на высоких скоростях является то, что оно приводит к неравномерности изображения. Датчики CCD не имеют таких проблем из-за их линейного процесса при обработке зарядов в каждом фотосайте.
Шаги 4 и 5: Преобразование заряда в напряжение и усиление сигнала
Аналоговые заряды, посылаемые на сенсорный конденсатор, автоматически преобразуются в напряжения, которые превращают необработанные цифровые данные в изображения. После преобразования заряда в напряжение цифровые сигналы все еще слишком слабы для использования процессором.
Для усиления цифровых сигналов используется усилитель сигнала. Затем этот усиленный сигнал отправляется на процессор изображений, который собирает изображение.
ПЗС никуда не денутся
ПЗС-матрицы, которые когда-то были золотым стандартом для датчиков цифровых камер, в настоящее время сняты с производства для обычного использования потребителями. Но с их высокой квантовой эффективностью, низким уровнем шума, более широким динамическим диапазоном и превосходной однородностью ПЗС-матрицы по-прежнему используются во многих научных и промышленных приложениях.
И хотя маловероятно, что в ближайшем будущем производители вернут ПЗС-камеры потребительского класса, ПЗС-камеры по-прежнему будут основным продуктом научных исследований.
