لالتقاط صورة رقمياً ، تحتاج الكاميرا الحديثة إلى التقاط الضوء وتحويله إلى معلومات رقمية. للقيام بذلك ، تتطلب الكاميرا مستشعرًا يسجل الفوتونات بدقة وسرعة من البيئة.
ربما تكون على دراية بالفعل بمستشعر CMOS المستخدم في الهواتف الذكية والكاميرات الرقمية الاستهلاكية. لكن هل تعلم أن هناك نوعًا آخر من أجهزة الاستشعار يوفر مستويات أعلى من التفاصيل والنطاق الديناميكي؟ تُعرف مستشعرات الكاميرا هذه باسم CCDs.
إذن ، ما هي بالضبط أجهزة التحكم في الشحنات؟ كيف يعمل وكيف يتم استخدامه؟ دعنا نتحدث عن ذلك.
ما هو CCD (جهاز الشحن المزدوج)؟
CCD ، أو الجهاز المقترن المشحون ، عبارة عن مستشعر إلكتروني يحول الضوء إلى إشارات رقمية من خلال الشحنات المتولدة عن ارتداد الفوتونات على رقاقة سيليكون رقيقة.
كانت CCDs هي المعيار الذهبي لأجهزة استشعار الكاميرا من أوائل الثمانينيات حتى أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ويرجع ذلك إلى أنه في حوالي عام 2010 ، اكتسبت مستشعرات CMOS ابتكارات تكنولوجية مهمة تجعلها أرخص في تصنيعها كملف نظام على شريحة (SoC) مع جودة صورة قابلة للمقارنة بمستشعر CCD.
منذ أن اكتسب CMOS شهرة ، أصبح من النادر رؤية مستشعرات CCD على الهواتف الذكية والكاميرات في العقد الماضي. ومع ذلك ، فإن مستشعرات CCD ليست قديمة تمامًا. على الرغم من أنه ربما تم التخلص التدريجي من سوق الكاميرات الاستهلاكية ، إلا أن مستشعرات CCD لا تزال هي المستشعر المفضل المستخدم في مناطق معينة من التصوير الفوتوغرافي.
تطبيقات تقنية CCD في التصوير الفوتوغرافي
بصرف النظر عن كونه مكلفًا للتصنيع ، كان لدى CCD أيضًا مشاكل أخرى تسببت في التخلص التدريجي من السوق الاستهلاكية. سيشمل ذلك متطلبات الطاقة العالية ، والتي تزيد 100 مرة عن ما قد تستخدمه CMOS ، ومعالجة الصور البطيئة ، وهي مشكلة عند التقاط الصور في دفعات وتصوير الفيديو.
على الرغم من كل هذه العيوب ، لا تزال أجهزة CCD مزدهرة في العديد من التطبيقات الصناعية والعلمية التي تحتاج إلى رؤية الآلة. وذلك لأن أجهزة CCD لا تزال توفر صورًا عالية الجودة منخفضة التشويش تتطلبها مناطق التصوير المتخصص هذه. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة شراء وتشغيل كاميرات CCD ليست مشكلة حقيقية للمؤسسات والشركات الممولة تمويلًا جيدًا.
إذن ، ما هي بالضبط مجالات التصوير المتخصصة هذه التي لا تزال تستخدم CCD؟ دعنا نكتشف أدناه:
المجهر الضوئي
تُستخدم أجهزة CCD في العديد من تطبيقات الفحص المجهري لمراقبة الأغذية والكيمياء والهندسة والتطبيقات الأخرى حيث يلزم وجود صور واضحة للأشياء المجهرية. يتم اختيار CCD للفحص المجهري البصري لأنه يمكنه تسجيل الكائنات بأكثر من 10 بكسل بحساسية عالية ونسب ضوضاء منخفضة.
تصوير الفضاء
من الأفضل التقاط صور للمساحة باستخدام كاميرات CCD. وذلك لأن مستشعرات CCD تتمتع بأعلى كفاءة كمومية ، مما ينتج عنه ضوضاء منخفضة ، ونطاق ديناميكي مرتفع ، وتوحيد أفضل - جميع الجوانب الحاسمة للتصوير الفضائي.
التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة
تُستخدم أجهزة CCD في العديد من تطبيقات التصوير الصناعي ، أحدها التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة. يحتاج المستشعر إلى امتصاص فوتون عالي الكفاءة للقيام بالتصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة ، لأن فوتونات الأشعة تحت الحمراء أقل وضوحًا من الفوتونات المرئية بانتظام. نظرًا لأن أجهزة CCD توفر مستشعرات شديدة الحساسية يمكنها التقاط فوتونات الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل ، فهي تُستخدم دائمًا في هذه التطبيقات.
تزدهر أجهزة CCD في فضاء التصوير العلمي والصناعي والطب في المقام الأول بسبب كفاءتها الكمية العالية ، والصور منخفضة الضوضاء ، والمستوى العالي من التوحيد. ولكن كيف بالضبط توفر مستشعرات CCD مثل هذه الصفات؟ ستحتاج أولاً إلى معرفة كيفية عمل مستشعرات CCD لفهم هذا بشكل أفضل.
كيف يعمل نظام CCD؟
CCD هو مجرد واحد من مختلف أنواع مستشعرات الكاميرا. ومثل مستشعرات الكاميرا الأخرى ، تلتقط أجهزة CCD الضوء وتحوله إلى إشارات رقمية ، والتي تتم معالجتها وعرضها على هيئة وحدات بكسل عند عرضها على شاشة إلكترونية مثل الشاشة.
على الرغم من كل شيء مجسات التصوير لديها نفس المهمة المتمثلة في التقاط التناظرية لعمل إشارات رقمية ، فإن الوضع أو العملية التي يتطلبها تحقيق المهام المذكورة ستكون مختلفة عن أجهزة الاستشعار الأخرى.
لكي يلتقط مستشعر CCD الصور ، فإنه يمر بعملية من خمس خطوات ، بدءًا من الضوء إلى الشحن التحويل ، وتراكم الشحنات ، ونقل الشحنات ، والتحويل من الشحن إلى الجهد ، ثم الإشارة تضخيم. دعنا ننتقل إلى العملية خطوة بخطوة:
الخطوة 1: تحويل الضوء إلى الشحن
يلتقط مستشعر CCD الضوء عن طريق السماح للفوتونات (الطاقة من الضوء) بالارتداد عن رقاقة السيليكون الرقيقة التي تطلق بعد ذلك إلكترونًا. ثم يعمل مكثف صغير شحنة موجبة كدلو يجمع ويخزن الإلكترونات المحررة. تُعرف وحدة من رقاقة السيليكون الرقيقة الموجودة أعلى مكثف صغير بالفوتوزيت.
الخطوتين 2 و 3: تراكم الشحنات وتحويل الرسوم
يستمر مستشعر CCD في جمع هذه الإلكترونات وتخزينها حتى يتم إغلاق مصراع الكاميرا. كل الإلكترونات المخزنة من المكثف هي التي تصنع الشحنة.
عندما يغلق مصراع الكاميرا ، يتم نقل كل الشحنات من الصور إلى دائرة مكثف استشعار. يتم النقل عن طريق تحويل الشحنات أفقيًا إلى حافة المستشعر ثم عموديًا حتى يتم إرسال كل شحنة إلى دائرة مكثف الاستشعار.
تستخدم مستشعرات CCD آلية تسجيل التحول هذه لنقل الشحنة ، بينما تستخدم مستشعرات CMOS تحويل الجهد المحلي وتضخيم الإشارة. على الرغم من أن هذا يجعل CMOS هو المستشعر الأسرع ، إلا أنه يجعل مخرجاته صاخبة جدًا نظرًا لأن العدد الهائل من مكبرات الصوت المحلية يخلق ضوضاء أو تشويشًا في الصورة. في المقابل ، لا يستخدم CCD سوى دائرة مضخم واحدة لتضخيم الإشارات.
عيب آخر لاستخدام التضخيم المحلي بسرعات عالية هو أنه يتسبب في عدم انتظام الصور. لا تواجه مستشعرات CCD مثل هذه المشكلات بسبب عمليتها الخطية عند معالجة الشحنات في كل موقع ضوئي.
الخطوتين 4 و 5: تحويل الشحن إلى الجهد وتضخيم الإشارة
يتم تحويل الشحنات التناظرية المرسلة إلى مكثف الإحساس تلقائيًا إلى جهد كهربي مما يجعل البيانات الرقمية الخام تُستخدم في صنع الصور. بعد التحويل من الشحن إلى الجهد ، تظل الإشارات الرقمية منخفضة جدًا بحيث يتعذر على المعالج استخدامها.
لتعزيز الإشارات الرقمية ، يتم استخدام مضخم إشارة. ثم يتم إرسال هذه الإشارة المكبرة إلى معالج الصور الذي يقوم بعد ذلك بتجميع الصورة.
CCDs هنا لتبقى
بمجرد أن أصبحت المعيار الذهبي لأجهزة استشعار الكاميرا الرقمية ، تم الآن إيقاف استخدام أجهزة CCD للاستخدام المنتظم للمستهلك. ولكن مع كفاءات الكم العالية ، والتصوير المنخفض الضوضاء ، والنطاق الديناميكي العالي ، والتوحيد الممتاز ، لا تزال أجهزة التحكم عن بعد CCD مستخدمة في العديد من التطبيقات العلمية والصناعية.
وعلى الرغم من أنه من غير المحتمل أن يقوم المصنعون بإعادة كاميرات CCD للمستهلكين في المستقبل القريب ، إلا أن أجهزة CCD ستظل عنصرًا أساسيًا في البحث العلمي.
