新颖CCD图像传感器最新发展及应用.pdf

新颖 CCD图像传感器最新发展及应用 程开富 中国电子科技集团公司第 44研究所 重庆 400060 摘 要 本文概述了 EMCCD SuperHAD CCD ITO CCD ISIS CCD RGBE CCD FoveonX3全 色 CCD图像传感器等 CCD图像传感器的最新发展现状 同时也介绍了 CCD图像传感器的原理 特点 发展趋势及面临的众多挑战 关键词 图像传感器 CCD EMCCD ITO CCD RGBE CCD FoveonX3全色 CCD图像传感 器 1 引 言 20世纪 70年代初 随着 MOS技术的成熟 三种 典 型的 固 体摄 像 器件 电 荷 耦合 器 件 CCD 电荷注入器件 CID 光电二极管阵列 PDA 得到了迅速发展 在这三种固体摄像器 件中 CCD发展最为迅速 CCD及其应用技术的 研究取得了惊人的进展 到 20世纪 90年代初 CCD技术已比较成熟 作为一种新型光电转换 器件被广泛应用 特别是在图像传感和非接触测 量领域的发展则更为迅猛 随着 CCD应用范围 的扩大 其缺点逐渐暴露出来 为此 人们又开发 出了另外几种固体图像传感器技术 即超级 Su per CCD SuperHAD CCD EXview HAD CCD ITO CCD EBCCD EMCCD和 ISIS CCD等 这里 主要简介最近几年发展起来的电子倍增 CCD I TO CCD ISIS CCD RGBE CCD FoveonX3 全色 CCD图像传感器等固体图像传感器的最新 发展现状同时也介绍了 CCD图像传感器发展趋 势及面临的众多挑战 2 CCD工作原理及其特点简述 电荷耦合器件 CCD 的突出特点是以电荷 为信号 而不同于其它大多数器件是以电流或者 电压为信号 构成 CCD的基本单元是 MOS 金 属 氧化物 半导体 结构 CCD的基本功能是 电荷的存储和电荷的转移 工作时 需要在栅电 极加上一定的偏压 形成势阱以容纳电荷 电荷的 多少基本与光强成线性关系 电荷读出时 在一 定相位关系的移位脉冲作用下 从一个势阱移到 下一个势阱 直到移出 CCD 经过电荷 电压变 换 转换为模拟信号 由于 CCD每个像素的势阱 容纳电荷的能力是有一定限制的 如果光照太强 一旦势阱中被电荷填满 电子将产生 溢出 现 象 另外 CCD 的电荷读出时 是从一个势阱到 下一个势阱的电荷转移过程 存在电荷的转移损 失问题 CCD图像传感器的结构和工作原理 决定了 这类器件有以下优点 CCD是一种固体化器件 体积小 重量轻 可靠性高 寿命长 图像畸变小 尺寸重现性好 具有较高的空间分辨率 光敏元间距的几何尺寸精度高 可获得较 高的定位精度和测量精度 具有较高光电灵敏度和较大动态范围 3 CCD图像传感器最新发展现状 3 1 EMCCD摄像器件 在微光摄像技术领域 微光摄像器件不断推 第 24卷第 3期 2006年 9月 集成电路通讯 JICHENGDIANLU TONGXUN Vo l 24 No 3 Sep 2006 陈出新 电子倍增 CCD是在增强型 CCD ICCD 和电子轰击 CCD EBCCD 的基础上发展起来的 新型微光成像器件 该器件配有特殊的读出寄存 器 可以放大或倍增来自每个像素的信号 它放 大 CCD的内禀读出噪声之上的信号 确保噪声不 再限制微光读出 在要求高灵敏度的应用中 电 子倍增 CCD EMCCD 优于增强 CCD ICCD 与电 子轰击 CCD EBCCD 初步的研究表明 前者比 后者对微光有较好的信噪比 电子倍增 CCD EMCCD 与增强 CCD ICCD 一样可以探测单个 光电子 但是因为它是 CCD 它比增强成像系统 具有更高的量子效率 更高的空间分辨率和更好 的响应均匀性 作为固体摄像器件 它提供了更 可靠的系统 在未来的 5年中 即 2008年 EM CCD将成为微光成像的标准 据 http www andor tech com 报道 andor technology公司研发出了 128 128 512 512 576 288 726 902 1815 2256 1024 128 2048 2048像素的电子倍增 CCD E lectronMulti plying CCD简称 E M CCD 这种帧转移 EMCCD 的结构包括先进的增益移位寄存器 成像区 存储 区 移位寄存器和输出放大器 据称这是该公司 首次研制成功的当今世界上最灵敏的成像探测 器 其特点有 高量子效率 高灵敏度 高信噪比 高的空间分辨率 高的读出速率 高帧速工作 可 用来做单光子检测的科学级 CCD照相机 可变的 增益控制 可比拟的信噪比 免维护操作 5年真 空质量保证 用先进的热电致冷技术使 EMCCD 芯片工作温度达 90 在国内 北京东方科泰 科技发展公司采用 EMCCD芯片开发成功了二维 微光光谱和成像测量系统 二维瞬态光谱以及成 像测量系统等 这些成像测量系统主要用于弱光 检测 生命科学中的 DNA标记 药物的发明 X射 线成像与光谱检测 生物和医学成像等 EMCCD 实际上是一种新颖的增强型 CCD 表 1列出了 已报道的部分 EMCCD的性能参数 表 1 已报道的部分 EMCCD的性能参数 型 号像 素 数像素尺寸 m2 最大帧速 fps 读出速率 MH z DV860 B1128 12824 24 40010 DV860 F1128 12824 24 40010 DV865512 51220 30 4010 5 1 DV887 B1512 51216 16 3010 5 1 DV887 F1512 51216 16 3010 5 1 DW4K21024 12813 5 13 5 DW4362048 204826 26 DV465 C 576 28820 30 1 3 2 超级 Super CCD 传统 CCD中由于光电二极管是矩形的 其尺 寸受到限制 制造商们尽管不断地增加像素以提 高图像质量 同时缩小了像素和光电二极管的面 积 但光吸收的低效率成为提高感光度 信噪比和 动态范围的另一个障碍 科学工作者们为了寻求更好的解决方法 对 人类视觉进行了全面的研究 他们得到一个结论 像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴 上 最低的功率在 45 对角线上 根据这一理论 研究结果 Super CCD的像素都按 45 角排列从而 形成了一个蜂窝状结构 控制信号通道被取消 了 为光电二极管留出更多的空间 光电二极管 是八角形的 非常接近于微透镜的圆形 因此 可 以更有效地吸收光 Super CCD把无助于图像记 录的空间减少到最低限度 感光效率 感光度和信 噪比得到了提高 动态范围得以扩大 Super CCD的读出采用了水平跳跃读出方 式 虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量 但由于竖直线条读出速度太慢 传统 CCD还必须 31 第 24卷第 3期 集成电路通讯 在图像输出时采用跳跃读出方式 而且传统 CCD水平方向的像素中只有两种颜色 必须读出 两行数据才能形成彩色 Super CCD每行像素中 则包含 R G B三种颜色 除了以 1 2或其他比率 进行垂直跳跃读出外 还可以进行水平 1 3跳跃 读出 可以获得高质量的视频输出 与传统 CCD 不同的是 Super CCD的电荷通道更加宽阔 能够 高速传输数据 因此所有像素的数据可以一次读 出 只要简单的电子快门控制就够了 这使得它具 有进行快速精确连续拍摄的潜能 基于 60余年 的照相行业经验积淀 富士充分感悟到了分辨率 感光度和动态范围对于照片成像质量的重要影 响 2000年 富士的第一代商业化超级 CCD很 好地平衡了这些要素 全面提高这些要素的指标 2001年 第二代超级 CCD进一步提高了数码相 机的分辨率 2002年 第三代超级 CCD大大提高 了感光度 2003年 1月推出的第四代超级 CCD HR飞跃地提高了分辨率 同时 超级 CCD SR大 大拓宽了数码相机输出照片的动态范围 3 2 1 第四代 Super CCD SR技术简介 全新的 Super CCD SR技术的 SR含义在于 Super Dyna m ic Range 这种技术可以在现有的传 统 CCD技术上提升两倍甚至更高的动态延伸效 果 Super CCD SR的概念是在 CCD传感器的表面 每个微透镜上都带有两个光敏二极管 其中一个 负责捕捉较为敏感的黑色以及正常光线标准下的 信号 而另一个则负责捕捉亮度更高的区域部分 信号 两个光敏二极管分别捕捉的光信号再通过 相机合成为一张完整的照片 从而提供了超越普 通 CCD多达二档光圈的惊人动态响应 Super CCD SR技术将 CCD的动态范围扩展 到了接近普通传统负片胶卷的水平 意味着装备 富士 Super CCD SR技术的数码相机按光线极弱 或极强的环境下都可以拍摄到清晰的画面 富士 认为现有的负片技术是由多层不同标准感光实现 的 并且还能够提供非常广的动态延伸范围 而 Super CCD SR技术也正是针对这样的效果进行 设计的 并且效仿负片的感光方式通过两个光敏 二极管提供不同的感光标准 富士的 Super CCD技术从诞生到现在一直都 是褒贬不一的 实际一点地说 Super CCD能够实 现成像像素的有效提高 但是在细节表现和成像 效果上一直遭到专业眼光的怀疑和贬低 富士全 新的 Super CCD SR技术在很大一方面就是针对 现有的 SuperCCD技术进行的修正和补充 有效 提高成像像素的同时在细节和成像质量上加以优 化 这样才能真正满足消费者日以挑剔的需求 3 2 2 应用产品发展计划 到目前为止 围绕数码影像技术的争论一直 没有停止 而目前争论的主要重点还是简单的放 在数码相机自身具备的实际拍摄像素标准上 富 士认为目前争论的主要问题应该属于数码相机所 捕捉的影像在各个细部级别标准的体现上 而 Super CCD SR技术也正是针对这个问题所设计 的 相对于过去的 CCD技术而言 新的 SuperCCD SR技术将能够提供真实度很高的表现效果 包括 显著的细节表现和增强型的动态延伸效果 无论 是暗部还是亮部的细节都能够非常好的体现出 来 其次 关于数码相机 CCD像素数的竞争也越 来越激烈 期间 图像感应器芯片的尺寸并没有增 加 这样每个像素的尺寸在不断减小 在富士最 新的超级 CCD中 1 1 7英寸的芯片上总共集成 663万像素 配备这种芯片的数码相机可以产生 1230万的记录像素 类似的 1 2 7英寸的芯片 上总共集成 314万像素 可以产生 600万的记录 像素 除了大幅度提高分辨率 相比第三代超级 CCD 第四代超级 CCD的感光度也得到提升 为 此 富士公司对发展配备第四代超级 CCD数码相 机规格计划如下 作为世界上数码相机制造技术的领跑者 富 士将会推出更多创新性的方案从而开拓数码相机 高品质图像的新时代 通过提高分辨率和感光 度 数码相机的成像品质也在不断提升 正在渐渐 逼近传统胶片的输出效果 但是迄今为止 在重 要的成像质量评价指标面前 特别在连续色调方 32 集成电路通讯 第 24卷第 3期 面 即使是富士的超级 CCD 数码影象的表现力仍然没有追上传统胶片的输出品质 Super CCD HRSuperCCD SR 有效像素635万620万 310万 S像素和 310万 R像素 图象感应器 1 1 7 SuperCCDHR 663万总像素 1 1 7 SuperCCD SR 670万 335 万 S像素和 335万 R 像 素 总像素 记录像素最大 4048 x 3040 1230万 最大 2832 x 2128 603万 感光度 ISO 200 1600 ISO 1600下 只能使 用 1280 x 960像素模式 ISO 200 1600 ISO 1600下 只能使 用 1280 x 960像素模式 A D 转换12 14 bits14 bits 动态范围相当于目前的富士数码相机相当于目前富士数码相机的 4倍 电影30幅每秒 VGA 尺寸30幅每秒 VGA 尺寸 3 3 SuperHAD CCD 据 http www Sony com 报道 日本索尼公 司在空穴积累二极管 HAD 阵列传感器研制的 基础上又开发成功了 DSC 系列超级空穴积累二 极管 SuperHAD CCD数码相机 其型号 总像 素 光学尺寸 有效像素数和售价如下 型 号总像素数 万 光学尺寸 英寸 有效像素数售价 元 DSC F7175021 1 82560 19206400 DSC F773951 1 82722 17043500 DSC S854001 1 82722 17044150 DSC P94001 1 82722 17043700 DSC P73201 1 82048 15363350 DSC P713201 2 72048 15362600 DSC P512001 2 71600 12001970 DSC P312001 2 71600 12001800 DSC P272001 2 71600 12002450 DSC U1202021 2 71632 12242540 DSC U101261 2 71280 9601880 3 4 I TO CCD图像传感器 大多数 CCD图像传感器的电极材料均采用 多晶硅薄膜 而多晶硅对蓝光透射性很差 于是 kodak公司发明了氧化铟锡 Indium T in Oxide简 称 I TO 电极 ITO对蓝光是全透明的 因而大大 提高了 CCD 图像传感器的光能转化效率 ITO 的敏锐度更高 它的透光性比一般 CCD提高了 20 对于一般 CCD感应较弱的蓝光以及抗噪声 干扰方面有突破性的改善 I TO CCD比起传统 CCD的蓝光透过率提高了 2 5倍 同时大幅度降 低了噪声干扰 使图像质量更好 色彩更加准确 为专业数码相机提供了高清晰度 高质量的图像 至今 kodak公司已研制出 200万 1736 1160 像 素 600万 3032 2008 像素和 1600万 4000 4000 像素 ITO CCD 图像传感器 并把 ITO CCD芯片用在自己的专业数码相机上 配合 Ni kon的专业机身 使 kodak在专业数码相机市场占 有重要地位 3 5 原位存储图像传感器 据 I EEE Transaction on Electron Devices 可用来分析材料被 破坏时物质的结构 也可以应用在体育项目上 比 如捕捉棒球及高尔夫球击球时球的状态 与空气 产生的阻力等 在开发产品和验证产品等方面有 很大的应用价值 这种摄像机对被摄物的大小没 有限制 也可用于显微镜摄影 这种新型摄像机预计 2003年投入实用 预计 价格约为 1500万日元 3 6 Foveon X3全色 CCD图像传感器 据 http www foveon com报道 到目前为止 美国加利福尼亚圣卡市福尔文 Foveon 公司已推 出 7 56 504像素 3 1134 756像素 3 2263 1512像素 X3等 FoveonX3多层感色 CCD 其中分辨率数值后的 3 是代表这种传感 器内部每个像素都具有三种色彩 Foveon X3技术 大大提高了常规 CCD图像传感器的性能 3 6 1 FoveonX3CCD工作原理 鉴于传统 CCD在捕捉颜色上有缺陷 Foveon X3技术便针对这个问题 对每颗像素感色物料进 行改造 在像素中同时加入三层感色层 使 X3 CCD图像传感器的每颗像素可同时撷取红 蓝 绿三原色 使用这种设计 以往因只可捕捉一种 色彩而造成的影像合并问题 包括清晰度不足 鬼 34 集成电路通讯 第 24卷第 3期 影等问题均能迎刃而解 X3 CCD在每颗像素硅晶体中均包含了三层 感色物料 而传统 CCD则每颗像素只包含一层感 色物料 当拍摄时 不同的光线会透过不同物料 硅晶拥有非常高的透光度 达至适当的感色层 才被记录 因此 理论上在同一范围下 X3 CCD 可比传统 CCD记录更多影像和色彩资料 使影像 层次 清晰度及细致度大为提高 3 6 2 FoveonX3的技术特色 为了使得每个像素都能够捕捉到三种颜色 FoveonX3 CCD图像传感器在硅基上设置了三层 图像感测器 其原理是硅片对光线的吸收与光谱 和硅片深度有关 其中蓝色光在离硅片表面 0 2 m 开始被吸收 绿色光在离硅片表面 0 6 m 被 吸收 红色光在离硅片表面 2 m 被吸收 这种光 线吸收个性与银盐彩色胶片的感色涂层是相同 的 这就意味着 FoveonX3 CCD图像传感器具有 三种光线感测器 因此能够获得全色效果 FoveonX3技术不仅能够获得更好的图像品 质 而且也能够帮助厂商制造出更好的数码相机 因为 FoveonX3 CCD图像传感器上的每个像素都 可以感应全色光源 而且这些像素又可以组合起 来形成更大的 全色的 超级像素 这个功能被 称为可变像素尺寸 Variable P ixel Sizing 简称 VPS 这也是体现 FoveonX3优势的新技术 3 7 索尼公司推出新型 RGBE CCD 2003年 7月 16日 索尼公司推出了世界上 首块具有实用价值的民用四色 CCD传感器 红 绿 蓝 翡翠色 同时推出的还有一个与 四色传感器相应的影像处理器 通过这项技术 色彩还原的偏差比索尼传统 的三原色滤镜 CCD减少一半 尤其对于蓝绿色以 及红色的色彩再生将得到明显的提高 而且 图 像的色彩表现更加接近人眼在各种光线条件下所 能感受到的视觉真实 传统数码相机主要使用三原色滤镜的 CCD 色彩通过三种颜色 红 绿 蓝 的强度进行记录 这和彩色电视或彩色监视器还原色彩的特性是一 致的 然而 这样的 CCD滤镜原理和人眼的视觉 系统是不同的 因此 和人眼相比所产生的色彩表 现上的差异就造成了色彩还原偏差 四色滤镜 CCD在传统的 RGB三色滤镜基础 上增加了翡翠色滤镜 就是为了减少色彩还原的 偏差 使之对自然光线的记录更加接近人眼 所 达到的效果就是 这种 CCD记录色彩的原理也更 接近人眼的视觉系统 从而惊人地减少了色彩还 原的误差 除了发展 RGBE CCD图像传感器之外 索尼 公司