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CCD傳感器

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電荷耦合器件圖像傳感器CCD(Charge Coupled Device),它使用一種高感光度半導體材料製成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以後由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,並藉助於計算機的處理手段,根據需要和想象來修改圖像。
中文名
CCD傳感器
外文名
Charge Coupled Device
全    稱
電荷耦合器件圖像傳感器
材    料
高感光度半導體材料

CCD傳感器工作原理

CCD傳感器是一種新型光電轉換器件,它能存儲由光產生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈衝時,其存儲的信號電荷便可在CCD內作定向傳輸而實現自掃描。它主要由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成。它具有光電轉換信息存貯和延時等功能,而且集成度高、功耗小,已經在攝像信號處理和存貯3大領域中得到廣泛的應用,尤其是在圖像傳感器應用方面取得令人矚目的發展。CCD有面陣和線陣之分,面陣是把CCD像素排成1個平面的器件;而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。由於在軍事領域主要用的是面陣CCD,因此這裏主要介紹面陣CCD。

CCD傳感器主要種類

面陣CCD
面陣CCD:允許拍攝者在任何快門速度一次曝光拍攝移動物體。
面陣CCD的結構一般有3種。第一種是幀轉性CCD。它由上、下兩部分組成,上半部分是集中了像素的光敏區域,下半部分是被遮光而集中垂直寄存器存儲區域。其優點是結構較簡單並容易增加像素數,缺點是CCD尺寸較大,易產生垂直拖影。第二種是行間轉移性CCD。它是CCD的主流產品,它們是像素羣和垂直寄存器在同一平面上,其特點是在1個單片上,價格低,並容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉移性CCD。它是第一種和第二種的複合型,結構複雜,但能大幅度減少垂直拖影並容易實現可變速電子快門等優點。
線陣CCD:用一排像素掃描過圖片,做三次曝光——分別對應於紅、綠、藍 三色濾鏡,正如名稱所表示的,線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應用於廣告界拍攝靜態圖像,線性陣列,處理高分辨率的圖像時,受侷限於非移動的連續光照的物體。
三線傳感器CCD
CCD傳感器 CCD傳感器
三線傳感器CCD:在三線傳感器中,三排並行的像素分別覆蓋RGB濾鏡,當捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用於高端數碼相機,以產生高的分辨率和光譜色階
交織傳輸CCD:這種傳感器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉化,允許在拍攝下一圖像時在讀取當前圖像。交織傳輸CCD通常用於低端數碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。
全幅面CCD
全幅面CCD:此種CCD具有更多電量處理能力,更好動態範圍,低噪音和傳輸光學分辨率,全幅面CCD允許即時拍攝全綵圖片。全幅面CCD由並行浮點寄存器、串行浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機械快門或閘門控制去保存圖像,並行寄存器用於測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的並行陣列上。此元件接收圖像信息並把它分成離散的由數目決定量化的元素。這些信息流就會由並行寄存器流向串行寄存器。此過程反覆執行,直到所有的信息傳輸完畢。接着,系統進行精確的圖像重組。

CCD傳感器結構構造

CCD傳感器 CCD傳感器
CCD是由許多個光敏像元按一定規律排列組成的。每個像元就是一個MOS電容器(大多為光敏二極管),它是在P 型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A~1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅),在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓,就構成1個MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時,光子穿過透明電極及氧化層,進入P型Si襯底,襯底中處於價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產生的電子躍遷形成電子-空穴對,電子-空穴對在外加電場的作用下,分別向電極的兩端移動,這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的“勢阱”中。
MOS電容器的電荷儲存容量可由下式求得:
QS=Ci×VG×A
式中: QS是電荷儲存量;
CCD傳感器 CCD傳感器
Ci是單位面積氧化層的電容;VG是外加偏置電壓;
A是MOS電容柵的面積。
由此可見,光敏元面積越大,其光電靈敏度越高。1個3相驅動工作的CCD中電荷轉移的過程。
(a)初始狀態;(b)電荷由①電極向②電極轉移;(c)電荷在①、②電極下均勻分佈
(d)電荷繼續由①電極向②電極轉移;(e)電荷完全轉移到②電極;(f)3相交疊脈衝。
假設電荷最初存儲在電極①(加有10V電壓)下面的勢阱中,加在CCD所有電極上的電壓,通常都要保持在高於某一臨界值電壓Vth,Vth稱為CCD閾值電壓,設Vth=2V。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯然,電極①下面的勢阱最深,如果逐漸將電極②的電壓由2V增加到10V,這時,①、②兩個電極下面的勢阱具有同樣的深度,併合並在一起,原先存儲在電極①下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分佈,(b)和(c)所示,然後再逐漸將電極下面的電壓降到2V,使其勢阱深度降低,(d)和(e)所示,這時電荷全部轉移到電極②下面的勢阱中,此過程就是電荷從電極①到電極②的轉移過程。如果電極有許多個,可將其電極按照1、4、7…,2、5、8…和3、6、9…的順序分別連在一起,加上一定時序的驅動脈衝,即可完成電荷從左向右轉移的過程。用3相時鐘驅動的CCD稱為3相CCD。

CCD傳感器產品特性

調製傳遞函數MTF特性:固態圖像傳感器是由像素矩陣與相應轉移部分組成的。固態的像素儘管己做得很小,並且其間隔也很微小,但是,這仍然是識別微小圖像或再現圖像細微部分的主要障礙。
②輸出飽和特性:當飽和曝光量以上的強光像照射到圖像傳感器上時,傳感器的輸出電壓將出現飽和,這種現象稱為輸出飽和特性。產生輸出飽和現象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產生與積蓄一定極限的光生信號電荷所致。
CCD傳感器 CCD傳感器
③暗輸出特性:暗輸出又稱無照輸出,係指無光像信號照射時,傳感器仍有微小輸出的特性,輸出來源於暗(無照)電流。
④靈敏度:單位輻射照度產生的輸出光電流表示固態圖象傳感器的靈敏度,它主要與固態圖像傳感器的像元大小有關。
⑤彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內產生與積蓄起過飽和信號電荷,這時,過飽和電荷便會從一個像素的勢阱經過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣,再生圖像上不應該呈現某種亮度的地方反而呈現出亮度,這種情況稱為彌散現象
殘像:對某像素掃描並讀出其信號電荷之後,下一次掃描後讀出信號仍受上次遺留信號電荷影響的現象叫殘像。
⑦等效噪聲曝光量:產生與暗輸出(電壓)等值時的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。

CCD傳感器優勢區別

CCD傳感器 CCD傳感器
CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電,不像由二極管組成的CCD,CMOS 電路幾乎沒有靜態電量消耗,只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,這有助於改善人們心目中數碼相機是"電老虎"的不良印象。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時,由於電流變化過於頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大,如果抑制得不好就十分容易出現雜點。
此外,CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如,如果分辨率為300萬像素,那麼CCD傳感器可連續掃描300萬個電荷,掃描的方法非常簡單,就好像把水桶從一個人傳給另一個人,並且只有在最後一個數據掃描完成之後才能將信號放大CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此,CMOS傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大,採用這種方法可節省任何無效的傳輸操作,所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描,同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。
CCD與CMOS傳感器是被普遍採用的兩種圖像傳感器,兩者都是利用感光二極管(photodiode)進行光電轉換,將圖像轉換為數字數據,而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。
CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數據都會依次傳送到下一個像素中,由最底端部分輸出,再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路,用類似內存電路的方式將數據輸出
造成這種差異的原因在於:CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真,因此各個像素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理;而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個像素的數據。
由於數據傳送方式不同,因此CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異,這些差異包括:
靈敏度差異
由於CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路),使得每個象素的感光區域遠小於象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS傳感器的靈敏度要低於CCD傳感器。
由於CMOS傳感器採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中,因此可以節省外圍芯片的成本;除此之外,由於CCD採用電荷傳遞的方式傳送數據,只要其中有一個象素不能運行,就會導致一整排的數據不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會高於CMOS傳感器。
分辨率差異
CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器複雜,其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平,因此,當比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時,CCD傳感器的分辨率通常會優於CMOS傳感器的水平。例如,市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸為1/2英寸,象素尺寸為4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率卻能高達513萬象素,象素尺寸也只有2.78μm的水平。
噪聲差異
由於CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器,而放大器屬於模擬電路,很難讓每個放大器所得到的結果保持一致,因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪聲就會增加很多,影響圖像品質
功耗差異
CMOS傳感器的圖像採集方式為主動式,感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動式採集,需外加電壓讓每個象素中的電荷移動,而此外加電壓通常需要達到12~18V;因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC),高驅動電壓更使其功耗遠高於CMOS傳感器的水平。舉例來説,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下運行,功耗僅為40mW;而致力於低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產品,其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發熱量比CMOS大,不能長時間在陽光下工作。
綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優於CMOS傳感器,而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過,隨着CCD與CMOS傳感器技術的進步,兩者的差異有逐漸縮小的態勢,例如,CCD傳感器一直在功耗上作改進,以應用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo);CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足,以應用於更高端的圖像產品。