CCD Sensör Nedir?

1969 yılında Willard Boyle ve George Smith tarafından keşfedilen CCD (yük bağlaşımlı cihazlar) sensörler, geliştirilerek günümüze kadar gelmiştir. CCD sensörlerin görevi, üzerine düşen ışığı elektronik sinyallere dönüştürmektir. Bu sensörü tarihçesinden başlayarak daha yakından inceleyelim.

A- A+

10.01.2019 tarihli yazı 17200 kez okunmuştur.

Albert Einstein’ın fotoelektrik etkiyi açıklaması, Boyle ve Smith’in ilham kaynağı oldu. Bu ikili, ışığın elektronlarda nasıl bozulmaya neden olduğunu ve nasıl kullanılabileceğini araştırdı. Bunu, dijital görüntünün piksellerini oluşturan bir dizi kapasitörü gruplayarak başardılar.

Başlangıçta şarj kabarcık cihazı olarak adlandırılan cihazın, bir kaydırma kaydı ve doğrusal görüntüleme cihazı olarak çalışması kaydedildi. Cihaz, yükün yarı iletken yüzey boyunca bir kapasitörden diğerine aktarıldığı BBD (Bucket-Brigade Devices) çipine benzemekte. 1970 yılında Bell laboratuvarında, ilk katı hal video kamerası oluşturuldu. 1971’de Michael F. Tompsett ve Bell laboratuvarındaki diğer araştırmacılar, doğrusal CCD dizileriyle görüntü yakalamayı başardılar. İlk ticari CCD cihaz, 1974 yılında Fairchild tarafından üretildi. İlk CCD tabanlı keşif uydusu KH-11 KENNAN 1976’da piyasaya sürüldü. 1983’te CCD’ler astronomik teleskoplardaki fotoğrafik plakaların yerini almaya başladı. 1995’te uygun fiyatlı ve yüksek çözünürlüklü kameralar piyasada yer almaya başlayana kadar, Kodak CCD tabanlı profesyonel kameralar üretiyordu.

►İlginizi Çekebilir: Sensör Füzyonu Nedir?

CCD sensörlerin temeli Metal Oksit Yarı İletken (MOS) kondansatörlerine dayanmaktadır. Gömülü kanal kondansatörleri üretim için kullanıldı. P tipi bir substrat yüzeyine iyon katkılama yoluyla ince bir n tipi gömülü kanal oluşturulur. Silisyum dioksit yalıtkan tabakası, n bölgesinin üstünde oluşur ve kapasitörün dolması için metal veya ağır katkılı polikristal silisyum kapıları, CVD (kimyasal buhar biriktirme) işlemiyle yalıtılmış SiO₂’nin üstüne yerleştirilir.

Hammaddesi genelde silisyum yarı iletkenler olan CCD, ışığa karşı hassas bir yapıya sahiptir. Işık kaynağından gelen fotonları yakalamakla görevli tek bir CCD hücresi, dört işlevi yerine getirir:
►Tabakanın üstündeki hücreden yükü alır.
►Bir süre yükü tutar.
►Bu yükü tabakanın altındaki hücreye aktarır.
►Işık gibi dış etkenlere cevap verir ve kendi yükünü üretir.

CCD Çeşitleri

CCD dizisinden okunan değerin uygulanması için kullanılan üç yapı vardır.

►Tam Kare Okuma: Tüm CCD dizisi aktif alan olarak işlev görür. Yükler dikey CCD’lerden paralel olarak geçer ve daha sonra yatay CCD’lerden seri olarak çıkarılırken ışığın elemanlara ulaşmasını engellemek için deklanşör mekanizması kullanılır. Bu işlem oldukça zaman alır.

►İlginizi Çekebilir: Pasif Kızılötesi Sensör

►Karelerin Aktarımı: Bitişik dizi alanının yarısı pozlama için kullanılır ve kalan yarısı da opaktır. Yükler aktif bölgeden opak bölgeye kısa sürede aktarılır, oradan da okunur. Bu işlem tam kare okumadan daha hızlıdır. Ancak silisyum alanın iki katını kullanması gibi bir dezavantajı vardır.

►İlginizi Çekebilir: Piezoelektrik Sensörler ve Modellenmesi

►Satır İçi Aktarma: Her piksel bir aktif alana ve buna bitişik bir opak alana sahiptir. Yükler, ışığa duyarlı fotodiyottan komşu dikey CCD birimine hızlıca aktarılır. Burda da artan silisyum alan dezavantajı vardır. Ancak modern gelişmeler ile ışığın opak bölgelerden uzağa yönelmesini sağlayan mikro lensler kullanılarak dizinin kuantum verimliliği artırıldı.

►İlginizi Çekebilir: Kondansatör Bankları Nasıl Korunur? Nasıl Kontrol Edilir?

CCD Sensörün Çalışma Sistemi

Işık kaynağından gelen ışınlar, fotoelektronları oluşturur. Bu oluşan fotoelektronlar, ‘Cell’ adı verilen hücrelerde toplanır. Hücrelerdeki oluşan bu elektronlar, sayılıp koordinatları ile beraber saklanır. Hammaddesi genelde silisyum yarı iletkenler olan CCD sensörler, ışığa karşı hassas bir yapıya sahiptirler. Bu hassasiyetleri sayesinde ışığı elektronik sinyallere dönüştürürler ve işlenmek üzere görüntü işlemcilerine gönderilir. Görüntü işlemci üzerinde işlenen sinyaller, dijital sinyale dönüştürülüp hafıza kartlarına depolanırlar.

Bir CCD sensörün hızı, hassasiyeti, çözünürlüğü ve maliyeti performansını etkiler. Hangi CCD çeşidinin seçileceği ise cihazların kullanılacağı alanlara bağlıdır. Astronomide maksimum ışığın yakalanması gerektiğinden tam kare okuma yapısı kullanılır. Ancak fotoğraf makinelerinde en çok kullanılanı satır içi aktarmadır. (interline architecture)

►İlginizi Çekebilir: Arduino ile RGB LED Sürme

CCD dizileri renge değil, sadece yoğunluğa karşı hassastırlar. Renkli görüntü elde etmek için filtreler kullanılır. Bayer filtresi ya da 3CCD ve dikroik ışın ayırıcı prizma kullanılarak renkli görüntüler elde edilebilir.

CCD sensörünün kullanıldığı ilk yıllarda Bayer renk filtresi olmadığı için görüntü siyah-beyazdı. Kodak şirketinde çalışan Bryce Bayer, sensör üzerine daha sonra kendi adıyla anılacak ve her pikselde sadece kırmızı, yeşil, mavi (Red-Green-Blue, RGB) renklerinden oluşan, Bayer renk filtre dizilimini icat etti. Sensör, ışığın sadece şiddet ve kontrastını kaydeder. Renkleri ise sensör üzerine yerleştirilmiş Bayer renk filtresi kaydeder. İnsan gözü yeşil renge duyarlı olduğundan dört ızgaradan ikisinde yeşil filtre bulunur. Kalanlar ise mavi ve kırmızıdır. Dijital sinyal işlemci, iki eksik rengi komşu piksellerin değerlerinden ekler. Bayer modeli ucuz ve basit olsa da, görüntü çözünürlüğünden ödün vermeden bilgileri iletir.

Dikroik ışın ayırıcı prizma, görüntüyü 3CCD cihazlarda ayrı ayrı ortaya çıkabilen kırmızı, yeşil ve mavi bileşenlere ayırır. Işığın çoğu sensörler tarafından yakalandığı ve ara tabakalar tarafından emilmediğinden Bayer filtresine göre daha yüksek kuantum verimliliği sağlar. Profesyonel video kameralarda kullanılır.

Bir CCD cihazının hassasiyeti genellikle çalışma sıcaklığının bir fonksiyonudur. Sıcaklık arttıkça kaçak ışıksız akım da artar, böylece hassasiyet azalır. CCD sensörünün olduğu cihazlarda, foton gürültüsü, okuma gürültüsü veya bunların birleşimi nedeniyle SNR (İşaret Gürültü Oranı) bozulması meydana gelebilir. Bu durumu önlemeye yönelik yapılan çalışmalar ise olumlu sonuç vermiştir.

CCD ve CMOS

CCD ve CMOS, dijital kameralarda bulunan görüntü sensörleridir. Temel görevleri, sensör üzerine düşen ışığı elektronik sinyallere çevirmektir.

►İlginizi Çekebilir: CMOS Nedir?

CCD, ilk dijital kameralarda kullanıldı. Bu yüksek kaliteli sensör ile mükemmel görüntüler elde edilebilir. Ancak, özel üretime ihtiyaç duydukları için CMOS sensörlerden daha pahalıdırlar. Enerjiye diğer sensörlerden daha fazla ihtiyaç duyarlar ve kullanım için oldukça büyük bir alana gereksinimleri vardır. Bu nedenle cep telefonlarında tercih edilmezler.

CMOS sensörler, yüzlerce transistörden oluşmaktadır. Ve her piksel, ayrı bir transistör tarafından oluşturulur. Üretimleri daha kolay olduğundan CCD sensörlerden daha ucuzdur. Ayrıca düşük enerjiye ihtiyaç duymaları, çok yer kaplamamaları gibi etkenler de bu sensörlerin tercih edilmelerinde önemli rol oynayan faktörlerdir.

CCD ve CMOS arasındaki farklardan bazıları şu şekildedir:

►CMOS sensörler, CCD sensörlerden daha fazla gürültü oluştururlar.
►CMOS sensörler, birçok cihazda kullanıldığından üretimi kolay ve ucuzdur. Ancak CCD sensörler için bunu söyleyemeyiz.
►CMOS sensörler, güç tüketimi bakımından CCD sensörlerden daha üstündürler. Bir CMOS kameradan daha uzun pil ömrü alırsınız, bu da daha fazla fotoğraf çekebileceğiniz anlamına gelir.
►CMOS sensörlerde kullanılan algılayıcıların, ışığa karşı duyarlılıkları CCD’ler kadar iyi değildir. Bu nedenle ışığın az olduğu ortamlarda, CCD sensörlere göre daha kötü sonuçlar verirler.