O que é um CCD (dispositivo de carga acoplada) e como é usado?

Para tirar uma foto digitalmente, uma câmera moderna precisa capturar a luz e convertê-la em informação digital. Para fazer isso, uma câmera exigiria um sensor que registrasse com precisão e rapidez os fótons do ambiente.

Você provavelmente já conhece o sensor CMOS usado em smartphones e câmeras digitais de consumo. Mas você sabia que existe outro tipo de sensor que oferece maiores níveis de detalhe e faixa dinâmica? Esses sensores de câmera são conhecidos como CCDs.

Então, o que exatamente são CCDs? Como funciona e como é usado? Vamos conversar a respeito disso.

O que é um CCD (dispositivo de carga acoplada)?

Um CCD, ou dispositivo acoplado a carga, é um sensor eletrônico que converte luz em sinais digitais por meio de cargas geradas por fótons refletidos em uma fina pastilha de silício.

Os CCDs foram o padrão ouro para sensores de câmera desde o início dos anos 80 até o final dos anos 2000. Isso ocorre porque, por volta de 2010, os sensores CMOS ganharam inovações tecnológicas significativas que os tornariam mais baratos de fabricar como um sistema em um chip (SoC) e com qualidade de imagem comparável a um sensor CCD.

Desde que o CMOS ganhou popularidade, tornou-se raro ver sensores CCD em smartphones e câmeras na última década. No entanto, os sensores CCD não são exatamente obsoletos. Embora possam ter sido eliminados do mercado de câmeras de consumo, os sensores CCD ainda são os sensores preferidos usados ​​em certas áreas da fotografia.

Aplicações da tecnologia CCD em fotografia

Além de ser caro para fabricar, o CCD também teve outros problemas que o levaram a ser eliminado do mercado consumidor. Isso incluiria seu requisito de alta potência, que é 100 vezes mais do que o CMOS usaria, e processamento de imagem lento, que é um problema ao tirar fotos em rajadas e gravar vídeos.

Apesar de todas essas desvantagens, os CCDs ainda estão prosperando em várias aplicações industriais e científicas que precisam de visão de máquina. Isso ocorre porque os CCDs ainda fornecem imagens de baixo ruído de alta qualidade que essas áreas de fotografia especializada exigem. Além disso, o custo de compra e operação de câmeras CCD não é realmente um problema para instituições e empresas bem financiadas.

Então, quais são exatamente essas áreas especializadas da fotografia que ainda usam o CCD? Vamos descobrir abaixo:

Microscopia óptica

Os CCDs são usados ​​em várias aplicações de microscopia para observar alimentos, química, engenharia e outras aplicações em que são necessários visuais nítidos de objetos microscópicos. Um CCD é escolhido para microscopia óptica porque pode gravar objetos com mais de 10 pixels com alta sensibilidade e baixas taxas de ruído.

Fotografia Espacial

Tirar fotos do espaço é melhor feito em câmeras CCD. Isso ocorre porque os sensores CCD têm as maiores eficiências quânticas, resultando em baixo ruído, alta faixa dinâmica e melhor uniformidade – todos os aspectos críticos da fotografia espacial.

Imagem de infravermelho próximo

Os CCDs são usados ​​em várias aplicações de imagem industrial, uma das quais é a imagem de infravermelho próximo. Um sensor precisa ter absorção de fótons altamente eficiente para fazer imagens de infravermelho próximo, pois os fótons infravermelhos são menos visíveis do que os fótons visíveis regularmente. Como os CCDs fornecem sensores altamente sensíveis que podem capturar melhor os fótons infravermelhos, eles são sempre usados ​​nessas aplicações.

Os CCDs prosperam no espaço da fotografia científica, industrial e médica principalmente por causa de suas altas eficiências quânticas, imagens de baixo ruído e alto nível de uniformidade. Mas como exatamente os sensores CCD fornecem essas qualidades? Você primeiro precisa aprender como os sensores CCD funcionam para entender isso melhor.

Como funciona um sistema CCD?

O CCD é apenas um dos vários tipos de sensores de câmera. E, assim como outros sensores de câmera, os CCDs capturam a luz e a convertem em sinais digitais, que são então processados ​​e exibidos como pixels quando visualizados em um display eletrônico como um monitor.

Embora todos os sensores de imagem tenham a mesma tarefa de capturar o analógico para fazer sinais digitais, o modo ou processo necessário para realizar essas tarefas seria diferente de outros sensores.

Para um sensor CCD capturar imagens, ele passa por um processo de cinco etapas, começando com a conversão de luz em carga, acúmulo de carga, transferência de carga, conversão de carga em tensão e, em seguida, amplificação do sinal. Vamos ao processo passo a passo:

Passo 1: Conversão Light-to-Charge

Um sensor CCD captura a luz permitindo que os fótons (energia da luz) sejam refletidos em uma fina pastilha de silício que então libera um elétron. Um minúsculo capacitor carregado positivamente atua como um balde que coleta e armazena os elétrons liberados. Uma unidade dessa fina bolacha de silício em cima de um pequeno capacitor é conhecida como photosite.

Etapas 2 e 3: Acumulação de cobrança e transferência de cobrança

Um sensor CCD continua a coletar e armazenar esses elétrons até que o obturador da câmera feche. Todos os elétrons armazenados do capacitor são o que fazem a carga.

Quando o obturador da câmera fecha, toda a carga dos photosites é transferida para um circuito de capacitor de detecção. A transferência é feita deslocando as cargas horizontalmente para a borda do sensor e depois verticalmente até que cada carga seja enviada para o circuito do capacitor de detecção.

Os sensores CCD usam esse mecanismo de registro de deslocamento para transferir carga, enquanto os sensores CMOS usam conversão de tensão local e amplificação de sinal. Embora isso torne o CMOS o sensor mais rápido, também torna sua saída bastante ruidosa, pois o grande número de amplificadores locais cria ruído ou artefatos em uma imagem. Em contraste, um CCD usa apenas um circuito amplificador para amplificar os sinais.

Outra desvantagem de usar amplificação local em altas velocidades é que ela causa irregularidade nas imagens. Os sensores CCD não apresentam tais problemas devido ao seu processo linear ao processar cargas em cada photosite.

Etapas 4 e 5: conversão de carga em tensão e amplificação de sinal

Cargas analógicas enviadas para o capacitor de detecção são automaticamente convertidas em voltagens, o que torna os dados digitais brutos usados ​​para criar imagens. Após a conversão de carga em tensão, os sinais digitais ainda são muito baixos para serem usados ​​por um processador.

Para aumentar os sinais digitais, um amplificador de sinal é usado. Este sinal amplificado é então enviado para um processador de imagem que então monta a imagem.

Os CCDs chegaram para ficar

Outrora o padrão ouro para sensores de câmeras digitais, os CCDs agora foram descontinuados para uso regular do consumidor. Mas com suas altas eficiências quânticas, imagem de baixo ruído, faixa dinâmica mais alta e excelente uniformidade, os CCDs ainda são usados ​​em muitas aplicações científicas e industriais.

E embora seja improvável que os fabricantes tragam de volta câmeras CCD de nível de consumo em um futuro próximo, os CCDs continuarão a ser um elemento básico na pesquisa científica.