一文讀懂三種CCD圖像傳感器
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發(fā)布時(shí)間：2022-08-18 10:15:46
CCD的中文全稱是電荷耦合元件，是一種半導(dǎo)體成像器件。通過被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD攝像機(jī)，其中的核心原件就是CCD圖像傳感器。
CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。
CCD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼，它革新了攝影術(shù)，光可以被電子化地記錄下來，取代了膠片。這一數(shù)字形式大大地方便了對(duì)圖像的處理和發(fā)送，”諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)稱贊說，“無論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠(yuǎn)之處，它都能給我們帶來水晶般清晰的影像。”
CCD圖像傳感器于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬像素。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)(DSC)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。
伴隨著數(shù)碼相機(jī)、帶有攝像頭的手機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)靡全球，人類已經(jīng)進(jìn)入了全民數(shù)碼影像的時(shí)代，每一個(gè)人都可以隨時(shí)、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領(lǐng)我們進(jìn)入如此五彩斑斕世界的，就是美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器。
百多年來，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破，以及精密機(jī)械、化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，照相機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，使用越來越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時(shí)欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯富創(chuàng)意地發(fā)明了一種半導(dǎo)體裝置，可以把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這一裝置，就是CCD圖像傳感器。
CCD圖像傳感器的發(fā)明，實(shí)際上是應(yīng)用愛因斯坦有關(guān)光電效應(yīng)理論的結(jié)果，即光照射到某些物質(zhì)上，能夠引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。但是從理論到實(shí)踐，道路卻并不平坦?？茖W(xué)家遇到的大挑戰(zhàn)，在于如何在很短的時(shí)間內(nèi)，將每一個(gè)點(diǎn)上因?yàn)楣庹斩a(chǎn)生改變的大量電信號(hào)采集并且辨別出來。經(jīng)過多次試驗(yàn)，博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導(dǎo)體材料，將光線照射導(dǎo)致的電信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使得其高效存儲(chǔ)、編輯、傳輸都成為可能。簡(jiǎn)單地說，CCD圖像傳感器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時(shí)費(fèi)力地去沖洗膠片了。
三種CCD圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器體系可分為全幀(FF)、幀傳輸(FT)和行間傳輸(IT)三種CCD架構(gòu)。
半導(dǎo)體區(qū)域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉(zhuǎn)移器件，這有點(diǎn)違反直覺，但這正是FF CCD中發(fā)生的事情。在集成過程中，像素位置響應(yīng)入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過像素位置向水平移位寄存器移動(dòng)。
一般情況下，我們通過應(yīng)用精心定時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)來獲得CCD像素?cái)?shù)據(jù)，這些時(shí)鐘信號(hào)依次在器件的電荷傳輸結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電位阱和電位屏障。在全幀CCD中，我們需要能夠?qū)⑦@些控制電壓應(yīng)用到同樣起光電探測(cè)器作用的區(qū)域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。
全幀CCD相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單且易于制造，并且它們?cè)试S整個(gè)CCD表面具有光敏性。這使硅的給定區(qū)域中可以包含的像素?cái)?shù)量max化，同時(shí)也使每個(gè)像素中實(shí)際上能夠?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)換為電子的部分max化。
然而，一個(gè)主要的限制是需要一個(gè)機(jī)械快門(或一個(gè)同步的、短時(shí)間的光源稱為頻閃)。CCD的光激活區(qū)并不會(huì)因?yàn)槟阋呀?jīng)決定是時(shí)候執(zhí)行讀出而停止光激活。如果沒有在曝光周期完成后阻擋入射光的機(jī)械快門，則在(有意)集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達(dá)的光損壞。
一般來說，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(像任何其他快速移動(dòng)的高精度機(jī)械設(shè)備一樣)使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，最終產(chǎn)品更加昂貴，整個(gè)系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。在電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)物理物體所需的額外能量也是不可取的。
FT-CCD允許我們保持FF-CCD的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)(幾乎)不需要快門。這是通過將FF CCD分成兩個(gè)大小相等的部分來實(shí)現(xiàn)的。其中一個(gè)部分是普通的光敏成像陣列，另一個(gè)部分是屏蔽入射光的存儲(chǔ)陣列。
在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸?shù)酱鎯?chǔ)陣列，然后在存儲(chǔ)陣列中發(fā)生讀出。當(dāng)讀取存儲(chǔ)位置時(shí)，活動(dòng)像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸CCD能夠獲得比全幀CCD更高的幀速率。
說FT架構(gòu)幾乎消除了快門，因?yàn)闊o快門設(shè)計(jì)會(huì)遇到一個(gè)稱為垂直涂抹的問題。電荷包從活動(dòng)像素到存儲(chǔ)位置的傳輸很快，但不是瞬間發(fā)生的，因此在垂直傳輸期間到達(dá)傳感器的光可以改變圖像信息。
FT架構(gòu)的主要缺點(diǎn)是成本較高，并且相對(duì)于圖像質(zhì)量而言面積增大，因?yàn)榛旧鲜鞘褂肍F傳感器，然后將像素?cái)?shù)減少兩倍。
幀傳輸CCD在全幀架構(gòu)中增加了一個(gè)存儲(chǔ)陣列
線間傳輸(Interline-Transfer)CCD
我們需要的一個(gè)主要的架構(gòu)改進(jìn)是將集成電荷快速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線間傳輸CCD通過提供與每個(gè)光活動(dòng)位置相鄰的存儲(chǔ)(和傳輸)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。曝光完成后，傳感器中的每個(gè)電荷包同時(shí)傳輸?shù)椒枪饷舸怪币莆患拇嫫髦小?/section>
因此，它的CCD能夠以min的拖影實(shí)現(xiàn)電子快門，并且像FT-ccd一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發(fā)生一些涂抹。如果應(yīng)用程序不需要高幀速率，則可以通過延遲積分直到讀出完成來消除此問題。
線間CCD不需要幀傳輸CCD中使用的大存儲(chǔ)部分，但它們引入了一個(gè)新的缺點(diǎn)：傳感器成為將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率較低的手段，因?yàn)槊總€(gè)像素位置現(xiàn)在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對(duì)光不敏感，因此相對(duì)于落在像素區(qū)域上的光的量產(chǎn)生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過在傳感器上添加將入射光集中到每個(gè)像素的光活動(dòng)區(qū)域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。
在行間傳輸架構(gòu)中，存儲(chǔ)(和垂直傳輸)區(qū)域位于光活性柱之間。
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