מהם חיישני CCD?
חיישני CCD (ראשי תיבות של Charge-Coupled Device) הם התקני חישה אלקטרו-אופטיים שנועדו ללכוד אור
ולהמירו לאותות חשמליים.
הם נמצאים בשימוש נרחב במצלמות דיגיטליות, טלסקופים אסטרונומיים, מכשירי הדמיה רפואיים,
ומכשירים מדעיים נוספים.
מאז המצאתם בשנות ה־60, חיישני CCD חוללו מהפכה בתחום הצילום והדימות בזכות הרזולוציה הגבוהה
והדיוק שהם מציעים.
עקרון פעולה של חיישני CCD
קליטת פוטונים
כאשר אור (פוטונים) פוגע בפיקסלים שעל החיישן, הוא מייצר זוגות של אלקטרונים–חור (electron-hole pairs)
בחומר הפוטו-רגיש (בד”כ סיליקון).
ככל שעוצמת האור גבוהה יותר, כך נוצר יותר מטען חשמלי.
אגירת מטען
כל פיקסל במטריצת החיישן מתפקד כקבל זעיר ששומר את המטען החשמלי שנוצר מהאור.
המטען הזה פרופורציונלי לעוצמת האור שפקדה את אותו פיקסל במהלך החשיפה.
העברת מטען
הייחוד של טכנולוגיית CCD הוא בהעברת המטען לאורך השבב: המידע החשמלי מועבר טור אחר טור ועמודה אחר עמודה,
אל מגבר קריאה שבקצה החיישן.
זהו תהליך סדרתי שמזכיר “שרשרת דלי מים”, ומכאן המונח “charge-coupled”.
המרת מטען לאות דיגיטלי
בשלב הסופי, המטען החשמלי מומר לאות אנלוגי ולאחר מכן עובר המרה לאות דיגיטלי על ידי ממיר
ADC (Analog to Digital Converter) – כך נוצרת תמונה.
יתרונות של חיישני CCD
איכות תמונה גבוהה – רעש נמוך, אחידות גבוהה, טווח דינמי רחב.
רגישות גבוהה לאור – מאפשר צילום בתנאי תאורה חלשים.
דיוק בצבע – בזכות איסוף נתונים קפדני מכל פיקסל.
שימושים מדעיים – מאפשרים מדידה מדויקת של אור באסטרונומיה ובמיקרוסקופיה.
חסרונות CCD
מהירות קריאה איטית – ההעברה הסדרתית מגבילה את קצב התמונה.
עלות ייצור גבוהה – ייצור חיישני CCD יקר יחסית ל־CMOS.
צריכת חשמל גבוהה – בהשוואה לחיישני CMOS המודרניים.
רגישות ל־Blooming – כאשר פיקסלים מוצפים במטען, נוצרה בעבר זליגה לשכנים.
השוואת CCD ל־CMOS
| מאפיין | CCD | CMOS |
| אופן קריאת המידע | סדרתי | מקבילי (לכל פיקסל מגבר עצמאי) |
| צריכת חשמל | גבוהה | נמוכה |
| רעש | נמוך | גבוה יחסית (אך משתפר בדגמים מתקדמים) |
| עלות ייצור | גבוהה | נמוכה יותר |
| מהירות קריאה | איטית | מהירה |
| שימושים נפוצים | מדע, צילום מקצועי, אסטרונומיה | סמארטפונים, מצלמות רכב וכו’ |
יישומים של חיישני CCD
אסטרונומיה: טלסקופים כמו Hubble משתמשים ב־CCD בגלל הרגישות והדיוק.
רפואה: סריקות רנטגן והדמיה פלואורסנטית.
ביטחון ומודיעין: מצלמות הדמיה לוויינית, מצלמות מעקב.
מדידה מדעית: ספקטרוסקופיה, פוטומטריה, מיקרוסקופיה.
התפתחויות עתידיות
למרות שהשוק נוטה לטכנולוגיית CMOS, חיישני CCD עדיין משתפרים:
חיישני CCD עם קירור קריוגני לתצפיות חלל.
שיטות קריאה מקבילות להגברת מהירות.
פיתוחי CCD קוואנטיים עם רגישות גבוהה במיוחד.
שאלות ותשובות בנושא חיישני CCD
ש: כיצד נמדדת יעילות קוונטית (QE) של CCD?
ת: QE מייצגת את היחס בין מספר הפוטונים הפוגעים לבין מספר האלקטרונים שנוצרים בפועל.
חיישני CCD איכותיים יכולים להגיע ל־QE של 90% ויותר בתחום האור הנראה.
ש: מהו Blooming וכיצד נמנעים ממנו?
ת: Blooming קורה כשפיקסל מתמלא במטען יתר, שגולש לפיקסלים סמוכים.
חיישנים מתקדמים כוללים מבנה שנקרא Anti-blooming Gate למניעת התופעה.
ש: מה היתרון של CCD מדורג (Interline Transfer CCD)?
ת: CCD מסוג זה כולל אזורי אגירה סמוכים לפיקסלים שמאפשרים חשיפה רציפה תוך כדי קריאה –
חשוב בוידאו ובצילום מהיר.
ש: מהו Dark Current וכיצד מטפלים בו?
ת: זרם כהה הוא רעש שנוצר גם ללא חשיפה לאור, בגלל תנועה תרמית. הפתרון הוא קירור החיישן (למשל -20°C עד -100°C).
