图像传感器的工作原理五

1、图像传感器的工作原理 图像传感器包括： CCD和CMOS两种 CCD：电荷耦合器件，感光半导体器件。 CMOS:互补金属氧化物半导体。 生产商：SONY、PHILIPS、KODAK、FUJI、SHARP、Panasonic、SANYOCCD的分类 按结构分： 线阵CCD和面阵CCD 线阵CCD： 每次只拍摄图像的一条线，且只能拍摄静态的景物、曝光时间长、拍摄精度高但速度慢。 面阵CCD： 也称为矩阵CCD，拍摄时图像被一次同时曝光、拍摄速度快可以拍摄动态的景物。CCD线性 Linear 扫描Interline 全像 Full-Frame 全传Frame-Transfer 超级 SUPERCCD

2、按工作原理按工作原理分类分类CCD 的三层结构：上：聚光镜片 中：彩色滤镜阵列下：感应电路聚光镜片彩色滤镜阵列感应电路 Linear 线性 CCD 是以一维感光点构成，通过步进马达扫描图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使用2维CCD的数位相机慢。这种CCD 大多用于平台式扫描器之上。 Interline 扫描型扫描型 CCD 快门聚光片彩色滤镜阵列感光区.暂存区暂存器A/D转换光线光线光线光线滤色 光电荷电流信号数字信号特点： 曝光后可将电荷储存于暂存器中，元件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快 暂存区占据了感光点的面积，因此动态范围（系统最亮与最 暗之间差距所能表现的程度）较小 由於其

3、速度快、成本较低，因此市面上超过 86以上的数码相机都以IL型CCD 为感光元件感光区 Full-Frame 全像全像 CCD 快门聚光片彩色滤镜阵列感光区A/D转换光线光线光线滤色 光电流信号数字信号特点：可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。 感光和电荷输出过程分开。因此，使用FF的数位相机在传送电流信号时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，这样就降低了拍摄速度，限制了它的连拍功能。Frame-Transfer 全全傳傳 CCD快门聚光片彩色滤镜阵列感光区暂存器A/D转换光线光线光线滤色 光电荷电流信号数字信号特点： 介于扫描和全像CCD之间

4、，具有分离的大型的感光区和暂存区这个设计可以让它具有较快的拍摄速度和较大的感光面积富士 SUPER CCD 特点：CCD排列为不同于其它矩阵式排列，而是采用“蜂巢”式的八边形排列组合。它的特殊排列方式可最大限度的有效利用CCD面积进行感光。矩阵式排列“蜂巢”式排列 CCD ISO 感光能力 （数码相机 ISO）2、数码相机最大的ISO值主要是取决於最低的可接受的信 噪比（S/N） 噪点：CCD由于受到周边电路和本身像素间的光电磁干扰，而在不 工作时仍可感应到的电流信号，显示出来表现为杂点。 按照胶片对光的化学反应速度可分为： ISO 100、ISO 200、ISO400 传统相机主要通过对胶卷

5、盒上的DX编码来确认其感光度CCD感光存储单元CCD动作示意图CCD的动作分解 1、光电转换（将光转换成电信号） 2、电荷的存储（存储信号电荷） 3、电荷的转移（转移信号电荷） 4、电荷的检测（将信号电荷转换为电信号）CCD 的光电转换 在P 型单晶硅的衬底上生长一层很薄的绝缘氧化物层（二氧化硅），当景物的光线照射到氧化物层表面时，就在氧化物层与P 型硅之间产生电荷，而且电荷的数量与照射的光强度及被照时间成正比。CCD 的电荷存储 当电极加上一个正电压时，它形成的电场穿过氧化层而在对应电极的下方形成一个电荷耗尽区，即在二氧化硅与P 型硅的界面上得到一个存储电荷的势阱，吸收电荷留在阱内，所加电压

6、越大，势阱越深，电荷更多地留在阱内。CCD 的电荷转移 势阱的深度由电极上的电压高低而定，电压越高、势阱越深。势阱内电荷的转移趋势就像水往低处流一样，总是向着深阱处移动。这样，如果有规律地改变电极电压，使阱深发生变化，就可以使电荷向着既定的方向移动。电荷的检测 电荷的检测是：从CCD图像传感器的光电二极管起，到达输出部之前将转移的信号电荷转换成电信号的动作。 就是将转移过来的电荷转换成电容器两端的电压变化FD，电容器两端的电压变化V,可利用转移过来的信号电荷量Q与电容器的电容C之间的关系来表示： VFD=Q/ CFD FD信号再经过放大器放大后作为CCD的信号输出CCD的信号转移方式 1、帧转

7、移方式 进行帧转移方式的CCD，包括摄影区域必须具有同等面积的存储区域，以致于因转移电极导致的感光度下降或帧转移时漏光等缺点。 2、行间转移方式 由于光电转换部与转移部分离，光电二极管可感受入射光，垂直CCD可进行遮光，因此光电转换结束后信号电荷有充足的时间转移，这种方式不需要储存部，可使CCD可以更小型化。 3、帧行间转移 结合了前面两种CCD的优势可以制作高性能的图像传感器。 帧转移方式：在垂直消隐期间内把储存区域的信号电荷逐行转移到水平CCD再经过水平转移到电荷检测部 行间转移方式： 由光电二极管负责 光电转换与储存功能， 在垂直消隐期间把电 荷转移到相邻的垂直 CCD,称为读出转移。

8、在水平消隐期间进行逐行转移到水平CCD 在图像水平期间向 FD放大器水平转移 帧行间转移：在垂直消隐信号期间由光电二极管进行信号电荷的读出转移，并送往垂直CCD,在垂直消隐信号结束前所有的信号电荷利用帧转移高速转移到储存部，进入垂直图像期间后在水平消隐期间利用线转移将信号逐行送到水平CCD.水平CCD送来的单行电荷在水平图像期间内向FD进行水平转移CMOS图像传感器 CCD和CMOS的结构比较信号转移区别CCD的维修 CCD是较易损的元件，尤其是2006年以前生产的数码相机和摄像机，均为采用索尼公司2002年10月至2004年3月期间生产的成像元器件（CCD）的机器。日本各大厂商于2005年10月已经相继公布出现问题的机型，并承诺延长保修期。 CCD故障原因分析故障原因分析 受使用环境影响 ： 如在温差大、湿度高的环境下使用和保养，CCD芯片的引脚出现频繁的热胀冷缩容易出现脱焊现象。 受静电的影响： 在相机使用完后，CCD中存储的电荷并没有完全的释放完，还有部分残留在移位寄存器内。 相机本身也是一个容易产生静电的电器，人体的静电也会通过机内的金属而传到电路上。 故障现象故障现象 CCD损坏的情况多数是芯片引脚脱焊或断裂的现象 ,所引起的故障现象：1. 取景黑屏、回放正常2. 取景花屏、回放正常3. 取景