图像传感器CCD

小小风摘要1图像传感器CCD图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件）和CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但该问题已经基本得到解决。CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。图像传感器又叫感光元件。CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。其特点体现在4个方面：1）体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与振动，寿命长；2）灵敏度高，噪声低，动态范围大；3）响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快；4）利用VLSI技术生产，象素密度高，尺寸精确，批量生产成本低。1CCD分类a.从CCD的工作特性可分为：线性CCD和矩阵式CCD。b.b.从工艺特性又可分为：单CCD、3CCD及SuperCCD三种。c.c.按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。2CCD结构CCD从结构上分为线阵CCD和面阵CCD，从受光方式分为正面光照和背面光照两种。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号读出方式，其中双沟道信号读出方式的信号转移效率高。面阵CCD的结构复杂，常见的有帧转移(FT)CCD、全帧转移(FFT)CCD、隔列内线转移(IIT)CCD、帧内线转移(FIT)CCD、累进扫描内线转移(PSIT)CCD等。3CCD成像原理CCD(ChargeCoupledDevices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元件也叫一个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以小小风摘要2一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。CCD工作过程可分为电荷存储、电荷转移、电荷输出和图像信息还原四个阶段。3.1电荷存储构成CCD基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其他电容器一样，MOS电容器能够储存电荷。当金属电极（称为栅）加正电压时（衬底接地），在电压的作用下就会产生一个垂直于衬底表面的电场。在此电场的作用下，P型硅中的多子空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势能较底，可以形象化地说，形成了电子的势阱，势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，栅电压越大，势阱越深。3.2电荷转移若CCD基本单位MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G，就可改变它们对应的MOS的表面势S，亦即可改变势阱深度，从而使小小风摘要3信号电荷由浅阱向深阱自由移动。就电荷转移方式来讲，CCD有二相、三相、四相等多种结构形式。下面是三相CCD转移图：3.3电荷输出电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构“、浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构应用最广泛，结构如下图：3.4图象信息还原Bayer方式滤色器，R-G-B-G四个单元为一组，G是R和B的两倍，因为人眼的视锥细胞对绿色更敏感。现在数码相机普遍采用的方式：R-Gr-B-Gb混合色亮度等于R、G、B各分量亮度之和，根据R、G、B三分量比例来还原色彩。4CCD主要参数CCD主要参数有：总像素、有效像素、尺寸、灵敏度、量子效率、光谱响应特性、转小小风摘要4移效率、不均匀度、动态范围、采样精度、线性度、噪声等。4.1灵敏度它是指在一定光谱范围内单位曝光量的输出信号电压（电流）。也相当于投射在光敏元上的单位辐射功率所产生的电压（电流）。4.2量子效率如果说灵敏度是从宏观角度描述CCD光电特性，那么量子效率是对同一个问题的微观描述，可以理解为1个光子能产生的电子数。4.3光谱响应特性主要由光电二极管特性决定。下图是Si光电二极管的光谱响应曲线。Si材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波极限，由于波长愈短，半导体对光波的吸收系数愈小，这就决定了光谱响应的短波极限。4.4转移效率转移效率η是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过去，余下1-η部分没有被转移，由于CCD中信号电荷包大都要经历上千次的转移，即使值几乎接近1，但其总效率往往仍然很低。例如，如果转移效小小风摘要5率为0.999，转移2000次的话，总效率只有0.135。S0009CCD的转移效率为0.99999,平均转移2000次，总效率为0.98。4.5不均匀度CCD成像器件不均匀性包括光敏元不均匀和CCD（CMOS）不均匀。一般CCD是近似均匀的，即每次转移效率是一样的。光敏元响应不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，画素越多，均匀性问题越突出，不均匀度是影响像素提高的因素，也是成品率下降的重要原因。CCD的成品率一般不足50%。4.6动态范围/采样精度上限取决于光敏元势阱容量，下限取决于CCD能分辨的最小信号，即等效噪声信号。动态范围=光敏元满阱信号/等效噪声信号采样精度是指输出电荷经A/D转换成数字信号的位(Bit)数。采样精度越高，层次越多，图像摘要：CCD(ChargeCoupledDevices，CCD)自70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件。本文介绍了CCD图像传感器成像原理、工作原理、结构等，并对其电路组成及相关电学参数进行了说明。关键词：图像传感器；CCD图2CCD电荷存储图5图像信息还原越细腻。现在数码单反相机采样精度为12bits。采样精度影响到颜色层次过渡细腻程度，动态范围则影响到整个图像表达明暗动态范围。4.7线性度线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量关系是否成直线关系。通常在弱信号和接近满阱信号时，线性度比较差。在弱信号时，噪声影响大，信噪比低；在接近满阱信号时，耗尽层变窄，使量子效率下降，灵敏度降低，使线性度变差。