Untuk mengambil foto secara digital, kamera modern perlu menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi informasi digital. Untuk melakukan ini, kamera memerlukan sensor yang secara akurat dan cepat merekam foton dari lingkungan.
Anda mungkin sudah mengetahui sensor CMOS yang digunakan di smartphone dan kamera digital konsumen. Namun tahukah Anda bahwa ada jenis sensor lain yang memberikan tingkat detail dan jangkauan dinamis yang lebih tinggi? Sensor kamera ini dikenal sebagai CCD.
Jadi, apa sebenarnya CCD itu? Bagaimana cara kerjanya, dan bagaimana cara menggunakannya? Mari kita bicarakan.
Apa itu CCD (Charge-Coupled Device)?
CCD, atau perangkat yang dipasangkan dengan muatan, adalah sensor elektronik yang mengubah cahaya menjadi sinyal digital melalui muatan yang dihasilkan oleh foton yang memantul pada wafer silikon tipis.
CCD adalah standar emas untuk sensor kamera dari awal 80-an hingga akhir 2000-an. Ini karena sekitar tahun 2010, sensor CMOS memperoleh inovasi teknologi yang signifikan yang membuatnya lebih murah untuk diproduksi sebagai a
sistem pada chip (SoC) sekaligus memiliki kualitas gambar yang sebanding dengan sensor CCD.Sejak CMOS mendapatkan popularitas, jarang melihat sensor CCD pada smartphone dan kamera dalam dekade terakhir ini. Namun, sensor CCD tidak sepenuhnya usang. Meskipun mungkin telah dihapus dari pasar kamera konsumen, sensor CCD masih menjadi sensor pilihan yang digunakan di area fotografi tertentu.
Aplikasi Teknologi CCD dalam Fotografi
Selain mahal untuk diproduksi, CCD juga memiliki masalah lain yang menyebabkannya tersingkir dari pasar konsumen. Ini akan mencakup persyaratan daya tinggi, yang 100 kali lebih banyak daripada yang akan digunakan CMOS, dan pemrosesan gambar yang lambat, yang menjadi masalah saat mengambil foto dalam semburan dan merekam video.
Terlepas dari semua kelemahan ini, CCD masih berkembang pesat di berbagai aplikasi industri dan ilmiah yang membutuhkan visi mesin. Ini karena CCD masih memberikan gambar dengan noise rendah berkualitas lebih tinggi yang dibutuhkan oleh area fotografi khusus ini. Plus, biaya pembelian dan pengoperasian kamera CCD sebenarnya bukan masalah bagi institusi dan bisnis yang memiliki dana besar.
Lantas, apa sebenarnya bidang khusus fotografi yang masih menggunakan CCD ini? Mari kita cari tahu di bawah ini:
Mikroskop Optik
CCD digunakan dalam berbagai aplikasi mikroskop untuk mengamati makanan, kimia, teknik, dan aplikasi lain yang memerlukan visual yang jelas dari objek mikroskopis. CCD dipilih untuk mikroskop optik karena dapat merekam objek dengan lebih dari 10 piksel dengan sensitivitas tinggi dan rasio noise rendah.
Fotografi Luar Angkasa
Mengambil foto luar angkasa paling baik dilakukan dengan kamera CCD. Ini karena sensor CCD memiliki efisiensi kuantum tertinggi, menghasilkan noise rendah, rentang dinamis tinggi, dan keseragaman yang lebih baik—semua aspek penting fotografi luar angkasa.
Pencitraan Inframerah Dekat
CCD digunakan dalam berbagai aplikasi pencitraan industri, salah satunya adalah pencitraan inframerah-dekat. Sensor harus memiliki penyerapan foton yang sangat efisien untuk melakukan pencitraan inframerah-dekat, karena foton inframerah kurang terlihat daripada foton yang terlihat secara teratur. Karena CCD menyediakan sensor yang sangat sensitif yang dapat menangkap foton inframerah dengan lebih baik, CCD selalu digunakan dalam aplikasi ini.
CCD berkembang pesat di ruang fotografi ilmiah, industri, dan medis terutama karena efisiensi kuantumnya yang tinggi, citra kebisingan yang rendah, dan tingkat keseragaman yang tinggi. Tapi bagaimana tepatnya sensor CCD memberikan kualitas seperti itu? Pertama-tama Anda harus mempelajari cara kerja sensor CCD untuk memahami ini dengan lebih baik.
Bagaimana Cara Kerja Sistem CCD?
CCD hanyalah salah satu dari berbagai jenis sensor kamera. Dan seperti sensor kamera lainnya, CCD menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal digital, yang kemudian diproses dan ditampilkan sebagai piksel saat dilihat di layar elektronik seperti monitor.
Meskipun semua sensor pencitraan memiliki tugas yang sama menangkap analog untuk membuat sinyal digital, mode atau proses yang diperlukan untuk mencapai tugas tersebut akan berbeda dari sensor lainnya.
Untuk sensor CCD untuk menangkap gambar, ia melewati proses lima langkah, dimulai dengan pengisian daya ringan konversi, akumulasi muatan, transfer muatan, konversi muatan ke tegangan, dan kemudian sinyal amplifikasi. Mari kita melalui proses langkah demi langkah:
Langkah 1: Konversi Light-to-Charge
Sensor CCD menangkap cahaya dengan membiarkan foton (energi dari cahaya) memantul dari wafer silikon tipis yang kemudian melepaskan elektron. Kapasitor kecil bermuatan positif kemudian bertindak sebagai ember yang mengumpulkan dan menyimpan elektron yang dilepaskan. Unit wafer silikon tipis ini di atas kapasitor kecil dikenal sebagai photosite.
Langkah 2 dan 3: Akumulasi Tagihan dan Transfer Tagihan
Sensor CCD terus mengumpulkan dan menyimpan elektron tersebut hingga rana kamera menutup. Semua elektron yang disimpan dari kapasitor adalah yang membuat muatan.
Saat rana kamera menutup, semua muatan dari photosites ditransfer ke sirkuit kapasitor indra. Pemindahan dilakukan dengan menggeser muatan secara horizontal ke tepi sensor dan kemudian secara vertikal hingga masing-masing muatan dikirim ke rangkaian kapasitor indera.
Sensor CCD menggunakan mekanisme register geser ini untuk mentransfer muatan, sedangkan sensor CMOS menggunakan konversi voltase lokal dan penguatan sinyal. Meskipun ini menjadikan CMOS sensor yang lebih cepat, ini juga membuat keluarannya cukup berisik karena banyaknya amplifier lokal yang menciptakan noise atau artefak dalam gambar. Sebaliknya, CCD hanya menggunakan satu rangkaian penguat untuk memperkuat sinyal.
Kelemahan lain menggunakan amplifikasi lokal pada kecepatan tinggi adalah menyebabkan ketidakrataan citra. Sensor CCD tidak memiliki masalah seperti itu karena proses liniernya saat memproses muatan di setiap photosite.
Langkah 4 dan 5: Konversi Charge-to-Voltage dan Penguatan Sinyal
Muatan analog yang dikirim ke kapasitor sensor secara otomatis diubah menjadi voltase yang membuat data digital mentah digunakan untuk membuat gambar. Setelah konversi muatan ke voltase, sinyal digital masih terlalu rendah untuk digunakan prosesor.
Untuk meningkatkan sinyal digital, penguat sinyal digunakan. Sinyal yang diperkuat ini kemudian dikirim ke prosesor gambar yang kemudian menyusun gambar.
CCD Di Sini untuk Tetap
Setelah standar emas untuk sensor kamera digital, CCD sekarang dihentikan untuk penggunaan konsumen biasa. Tetapi dengan efisiensi kuantum yang tinggi, pencitraan kebisingan yang rendah, jangkauan dinamis yang lebih tinggi, dan keseragaman yang sangat baik, CCD masih digunakan dalam banyak aplikasi ilmiah dan industri.
Dan meskipun tidak mungkin pabrikan akan menghadirkan kembali kamera CCD tingkat konsumen dalam waktu dekat, CCD akan terus menjadi bahan pokok dalam penelitian ilmiah.
