Obszary zastosowań przetworników CCD

Początkowo przetworniki CCD były wykorzystywane głównie w astronomii jako sensory w teleskopach obserwacyjnych i śledzących ruch obiektów na niebie. W miarę rozwoju badań i postępu technologicznego obszar zastosowań CCD rozszerzył się, obejmując komercyjne i specjalistyczne wykorzystanie matryc CCD w aparatach fotograficznych, w kamerach cyfrowych, filmowych i telewizyjnych oraz różnego rodzaju systemach wizyjnych służących do rejestracji obrazu w czasie rzeczywistym.

Obecne aplikacje przetworników CCD można podzielić na powszechnie spotykane:

 w dziedzinie fotografii (amatorskiej i profesjonalnej) [18,42],

 w przemyśle filmowym i telewizyjnym [42,114],

 w systemach monitoringu i bezpieczeństwa [114]

oraz bardziej wyspecjalizowane w badaniach naukowych:

 w astronomii:

 obserwacja i śledzenie ruchu obiektów [43,51,57,58];

 w biologii:

 badania genetyczne (śledzenie przemian RNA, rozpoznawanie sekwencji DNA) [10,12,13],

 detekcja optycznych właściwości obiektów biologicznych [120],

 symulacja procesów związanych z sekwencjonowaniem DNA [10,1214],

 fotodetekcja w systemach biologicznych (procedura FISH (Fluorescent In Situ Hybridization), detekcja fluorescencji protein, wykrywanie guzów w strukturze organów małych zwierząt) [1,73,102];

 w medycynie:

 autoradiografia (radiografia izotopowa) [8],

 cyfrowa angiografia subtrakcyjna [72],

 wideoendoskopia [15,16],

 systemy monitorowania śródoperacyjnego [40];

 w automatyce i robotyce:

 pomiary położenia i orientacji robotów mobilnych [55,64];

Przetworniki CCD 50

 w spektrometrii:

 spektroskopia fluorescencyjna [2,34],

 spektrometria ramanowska [35];

 w radiometrii:

 radiometria – detektory w radiospektrometrach [19];

 w optoelektronice:

 systemy do rozpoznawania geometrycznych parametrów i struktury wewnętrznej matryc LED [117],

 systemy wizyjne [88];

 w obrazowaniu 2D i 3D:

 mikroskopia stereoskopowa [94],

 mikroskopia fluorescencyjna [22,73,99,100,104],

 systemy obrazowania fluorescencji [1,4,71,89,101,103,106,120];

 w pomiarach temperaturowych:

 detekcja zmian temperatury w systemach zasilania [74],

 termografia trójwymiarowa [119],

 bezkontaktowe pomiary temperatury [79];

 oraz:

 do wykrywania zmian promieniowania azotu i szybkości przepływu na granicach cieplnego strumienia plazmy [29,41,113],

 do określania zawartości azotu w uprawach [29],

 do rozpoznawania wzorów i kształtów [42,117],

 w systemach monitorowania/detekcji pożarów lasów [59,116],

 w systemach biometrycznych [119],

 w militarnych systemach namierzania powietrze-ziemia (detekcja, rozpoznanie i identyfikacja na długie dystanse) [42,98].

Jednak przyrządy z przetwornikami CCD nie są jedynymi urządzeniami stosowanymi do pozyskiwania cyfrowego obrazu, podobne obszary zastosowań znajdują przetworniki CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Oba typy sensorów bazują na technologii MOS i działają na tej samej zasadzie, gdyż piksele tworzące matrycę CCD lub CMOS generują ładunki elektryczne pod wpływem padającego na nie światła. Różnica między tymi przetwornikami dotyczy miejsca konwersji zebranego ładunku na napięcie [120,128131,140142].

Przetworniki CCD 51

W przypadku sensorów CCD, ładunek zakumulowany w poszczególnych pikselach jest transportowany po zakończeniu ekspozycji do odpowiednich rejestrów, gdzie zachodzi jego konwersja na napięcie, a następnie jest przekazywany na wyjście. Natomiast w matrycach CMOS, każdy piksel ma swój własny zintegrowany z nim układ elektroniczny, w którym dochodzi do szeregu konwersji, w tym zamiany ładunku na napięcie (rys. 4.7). Tak więc, oba przetworniki różnią się od siebie nie tylko liczbą funkcji realizowanych bezpośrednio w matrycy czy liczbą procesów w niej zachodzących (rys. 4.8), ale również wartościami szeregu charakterystycznych parametrów (tab. 4.1) [128131,140142].

Rys. 4.7. Porównanie struktury przetworników CCD i CMOS [128]

Rys. 4.8. Porównanie funkcji wbudowanych w przetworniki CCD i CMOS [128]

Jedna i druga technologia ma swoje mocne i słabe strony. Trudno kategorycznie stwierdzić, która z nich jest lepsza: podczas gdy CCD oferuje większą czułość świetlną i lepszy współczynnik wypełnienia, użycie CMOS umożliwia odczyt danych z większą prędkością [8,128131,140142]. Dlatego wybór rodzaju przetwornika zależy przede wszystkim od jego planowanego zastosowania i wymaganych parametrów. W pomiarach promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne takimi parametrami będą między innymi: czułość świetlna, odpowiedź spektralna detektora, małe szumy związane

Przetworniki CCD 52

z akumulacją ładunku czy też jednorodność elementów matrycy. Parametry te są lepsze dla przetwornika CCD niż dla CMOS, stąd też do badań będących tematem niniejszej pracy wybrano kamerę z matrycą CCD. Ponadto zakres spektralny detektora powinien obejmować cały zakres spektralny badanej diody LED [120].

Tab. 4.1. Porównanie parametrów przetworników CCD i CMOS [120,128131,140142]

Przetworniki CCD Przetworniki CMOS

Pojedyncze piksele nie są bezpośrednio zintegrowane z układem elektronicznym

Każdy piksel jest zintegrowany z własnym oddzielnym układem elektronicznym

Odczyt sygnału z poszczególnych wierszy matrycy detektora

Odczyt sygnału jednocześnie z całej matrycy detektora

Długi czas odczytu – ładunki z pikseli doprowadzane są kolejno do jednego układu przetwarzającego

Krótki czas odczytu – przetwarzanie ładunku na napięcie zachodzi równocześnie dla wszystkich pikseli

Występują szumy związane z transportem ładunku

Brak szumów związanych z transportem ładunku Dostęp do pamięci pojedynczego piksela

dopiero po odczycie zawartości całej matrycy

Bezpośredni dostęp do dowolnego piksela – możliwość selektywnego odczytu i przetwarzania wybranego fragmentu obrazu (funkcja okienkowania) Współczynnik wypełnienia czyli stosunek powierzchni zajmowanej przez wszystkie piksele do powierzchni całej matrycy większy w przetwornikach CCD niż w przetwornikach CMOS

Duża czułość Mała czułość

Większa szybkość odczytu (nawet do 1 000 klatek na sekundę) w przetwornikach CMOS niż w przetwornikach CCD, stąd mniejsze opóźnienia i możliwość nagrywania w spowolnionym tempie Wysoka czułość bezwzględna w przetwornikach CCD w porównaniu do przetworników CMOS – duże wzmocnienie sygnału kosztem niewielkiej mocy

Właściwości dynamiczne lepsze w przetwornikach CMOS niż w przetwornikach CCD

Jednorodność pikseli Niejednorodność pikseli z powodu niejednakowych układów elektronicznych związanych z poszczególnymi pikselami

Stosunkowo duży szum związany z niejednorodnością pikseli w przetwornikach CMOS w porównaniu do przetworników CCD, co powoduje większy szum odczytu

Migawkowanie nie wpływa na pogorszenie współczynnika wypełnienia

Migawkowanie wymaga zastosowania dodatkowych tranzystorów, które pogarszają współczynnik wypełnienia

Możliwość przepełnienia piksela – mogą pojawiać się tzw. przesłuchy

Niewrażliwość piksela na przepełnienie – zdolność do odprowadzenia nadmiaru sygnału z prześwietlonych pikseli bez zakłócania pracy sąsiednich komórek

Wymagane zasilanie określonych układów napięciem o różnych wartościach (od 10 V do 15 V)

Wymagane zasilanie napięciem o jednej wartości (5V lub mniej)

Małe wymiary sensora CCD Duże wymiary sensora CMOS Możliwość wymiany układu elektronicznego

na inny zgodnie z danym zastosowaniem bez konieczności zmiany sensora CCD

Brak możliwości wymiany układu elektronicznego na inny zgodnie z danym zastosowaniem bez zmiany sensora CMOS

Wysoki koszt produkcji Niski koszt i łatwość produkcji

Przetworniki CCD 53

Spotykane w dostępnej literaturze zastosowania obejmujące jednoczesne wykorzystanie przetworników CCD jako fotodetektory i diod elektroluminescencyjnych jako fotoemitery obejmują:

 systemy wizyjne do pomiaru lokalizacji robotów mobilnych – przetwornik zabudowany w kamerze CCD wykorzystany jest do rejestracji położenia robota względem znaczników orientacyjnych, których rolę pełnią diody elektroluminescencyjne [55,64],

 układy obrazowania fluorescencji takie jak LIFA (Fluorescence Lifetime Attachment), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), mikroskopia luminescencyjna, systemy detekcji i obrazowania fluorescencji procesów biologicznych i chemicznych, w których luminescencja wzbudzana jest światłem emitowanym przez diody LED a kamera CCD lub spektrometr z przetwornikiem CCD rejestruje to zjawisko [2,22,101,104],

 drogowe systemy pozycjonujące, w których kamera CCD pełni rolę detektora wzorów wyświetlanych z dużą częstotliwością przez matryce LED zamontowane w sygnalizatorach świetlnych na skrzyżowaniach dróg [60],

 monitorowanie optycznych właściwości obiektów biologicznych – diody LED emitujące promieniowanie czerwone, podczerwone lub ich kombinację użyte są do prześwietlania obiektów biologicznych, a kamera CCD rejestruje uzyskany obraz [40].

W rozdziale 5 dokonano analizy procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD.

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 54

5. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych