CCD传感器.ppt

1、CCD 微光摄像器件 一、MOS单元与CCD MOS单元是CCD结构的基本组元。它由金属(M) 电极、氧化物(O)层和半导体(S)三层组成。,通常以单晶硅(p型或n型)作基底，其上 长一 层薄的二氧化硅，再蒸涂一定形状的金 属电极。 假定衬底是p型硅。在金属电极上加电压 U时，p型区内的多数载流子空穴将在电场 的作用下趋向离开电极，于是形成所谓的“耗 尽区“。对于少数载流子电子，电场将它们 引入“耗尽区“。故“耗尽区“成为电子的”陷阱” 称为势阱。,若有光线射入并产生电子空穴对，则空穴 将被排斥出“耗尽区“，而电子将被吸入势阱。 光越强，则势阱收集的电子越多。一个这样 的势阱所收集的电荷总体叫

2、做电荷包。这个 MOS单元就成为一个光敏元，简称为像素。 在半导体硅片上制成大量相互独立的MOS单 元，并由各自电极施加相应的电压，就形成 大量的势阱。若有一幅实际的光学图像呈现 于器件表面，则各MOS单元势阱中电荷的多少 就反映了该像素接受的光的强弱，于是光学 图像就变成了电荷分布图。,这种由大量MOS单元构成的器件就是CCD. 二、信号电荷的存储和传输 对于单个MOS结构，如维持其上的电压并保 持光对它的照射，则它下面的势阱会不断积累 光生电子，同时使势阱逐渐变浅。据估计，它 的电荷包内电子数可达106量级。此为信号电荷 的存储过程。 由于CCD中MOS单元间的间隔很小(3m),故 它们的

3、势阱总有搭连。若在下一单元施加更高 的正电压，则与之相应的耗尽区会进一步向下,扩展，形成更深的陷阱（深度近似于所加电 压成比例）。由于势阱的搭连，信号电荷就 会由前一势阱转移到这个更深的势阱中。若 按一定的时序对相邻电极施加不同的电压 （称为时钟电压），使电极下的势阱按相应的 时序变化 就能实现信号电荷的定向传输。 三、信号的读出 在信号电荷的输出端扩散出一个n型区 作为电荷的收集区。它与p型衬底构成pn结；,在此结上加以反向偏置电压。当信号电荷传 至电极cn之下时，就被收集，在R上形成信号 电流，并转换成相应的电压信号输出，其输 出值一次与原来储存于电极 an,an-1,a2,a1 下势阱中

4、的电荷数成正比。此为信号电荷的 读出过程，属串行输出形式。 显然，时序脉冲电压和势阱的搭连是该 过程的基础。从物理学来看，这又是一个 电荷耦合的过程，故把此器件称为电荷耦合 器件CCD。,四、线阵CCD传感器,线阵CCD传感器包括光敏区和读出寄存器 两部分。前者接受信息光波，完成光电转换和 电荷存储过程；后者是遮光区，完成信号电荷 的传输和读出。 二者都有相似的MOS结构，同时有两点主 要区别： 读出区需要避光，以防外来光形成 干扰。 光敏区的MOS单元被施加存储电压Ua , 它在整个光积累期间均保持高电位，,在将光生电子向寄存区转移的短时间间 隔内处于低电位。读出寄存区被施加时钟 脉冲电压U

5、a ，它要完成信号电荷的依次 传输。 光辐射使光敏区出现光生电子。在光 电转换和信号电荷累计期间，光敏区 Ua 总处于高电位，而转移门 UZ、寄存区 Ua 同为低电位。信号电荷在光敏区势阱下持 续积累，直至时刻 t = t0。,接着，光敏区电压Ua降低，而UZ、 Ua处高 电位，于光敏区积累的电荷通过Z平行转移 至位移寄存区。至时刻t = t1时， UZ降低， 与Ua同处低电位，而Ua仍保持为高电位至 t = t2 。这样，在t = t2 - t1时间内，光敏区 的电荷会彻底向寄存区转移而不会产生逆向 回流。 从时刻t = t2后，才降低Ua ，使UZ、 Ua同处 低电位，而Ua返回高电位，光

6、敏区进入新的 光电转换和电荷积累过程；同时，位移寄存 区开始在三相时钟脉冲电压驱动下实行电荷,的传输和读出。全部信号电荷的读出过程也 使光敏区信号累积的时间间隔。,数码相机中的CCD,一、传感器大小（Sensor Sizes）,典型3、4、5百万象素小型数码相机的感应器大小,典型6百万象素数码单反的感应器大小,上图形象的表示了典型数码相机传感器与35mm胶片大小的比较。数码单反的传感器一般比较大，它们基本能达到胶片的40%的大小，有的甚至达到100%即与胶片等大。小型数码相机虽然象素可能与数码单反相若，甚至比数码单反还要高，可是因为小型dc每个象素所占的空间比数码单反小得多，所以它的画质（特别

7、是噪点控制与动态范围）无法与数码单反相提并论。,传感器类型 当我们谈到传感器类型时，经常会用一些分数表示：例如1/1.8 或 2/3，这些数值比传感器的实际直径大。这种分类是由50年代电视影像管的一套标准演变过来的。当时最常用的影像管大小为1/2, 2/3等。这个大小所指的并不是传感器区域的对角线长度，而是指影像管外玻璃壳的长度。工程师们迅速发现像平面的可用区域为特定大小的三分之二，并没有特别原因。但是这项不成文的约定却被保留了下来。其实图像圈直径、传感器大小之间并无任何关系，“三分之二”只是一种习惯而已。,常见图像传感器大小,二、有效象素（Effective Pixels） 一张数码照片的实

8、际象素值跟感应器的象素值 是有所不同的。以一般的感应器为例，每个象 素带有一个光电二极管，代表着照片中的一个 象素。例如一部拥有500万象素的数码相机， 它的感应器能输出分辨率为 2,560 x 1,920的 图像其实精确来讲，这个数值只相等于490 万有效象素。有效象素周围的其他象素负责另 外的工作，如决定“黑色是什么”。,很多时候，并不是所有感应器上的象素 都能被运用。索尼F505V就是其中的经 典案例。索尼F505V的感应器拥有334万 象素，但它最多智能输出 1,856 x 1,392即260万象素的图像。归 其原因，是索尼当时把比旧款更大的新 型感应器塞进旧款数码相机里面，导致 感应

9、器尺寸过大，原来的镜头不同完全 覆盖感应器中的每个象素。,因此，数码相机正是运用”感应器象素值比 有效象素值大“这一原理输出数码图片。在 当今市场不断追求高象素的环境下，数码 相机生产商常常在广告中以数值更高的感 应器象素为对象，而不是反映实际成像清 晰度的有效象素。 但是我们有时候能看到这样的数码相机： 只拥有300万象素，却能输出600万象素的 照片！,其实这里并没有什么虚假的地方，只是照 相机在感应器300万象素测量的基础上， 进行计算和插值，增加照片象素。 当摄影者拍摄JPEG格式的照片时，这种 “照相机内扩大”的成像质量会比我们在电 脑上扩大优秀，因为“照相机内扩大”是在 图片未被压

10、缩成JPEG格式前完成的。有数 码相片处理经验的摄友都清楚，在电脑里 面扩大JPEG图片会使画面细腻和平滑度迅 速下降。,虽然数码相机插值所得的图片会比感应器 象素正常输出的图片画质好，但是插值所 得的图片文件大小比正常输出的图片大得 多（如300万感应器象素插值为600万象 素，最终输入记忆卡的图片为600万象 素）。因此，插值所得的高象素看来并没 有太多的可取之处，其实运用插值就好像 使用数码变焦并不能创造原象素无法记 录的细节地方。,富士超级CCD感应器 一般来说，数码相机感应器中，象 素的形状是正方形的。然而，富士超级 CCD感应器却用八边形的象素取代了传统 的方形象素。我们由下图可以

11、看出，两 个八边形象素之间的距离“d2”比两个传 统方形象素之间的距离“d1”要短，因此 八边形的象素设计带来了更清晰的照片。,然而，信息是必须通过正方形象素转换成 数码照片的。 从上图我们可以看到，在 一个有16个正方形象素的4 x 4区域中， 超级CCD感应器只用到了8个八边形象素：2个 红色象素，2个蓝色象素和4个绿色象素（1全 部，4个半个，4个四分之一个）。换句话 说，600万象素的超级CCD感应器产生的图片 只是以300万有效象素的测量为基础计算出来 的（像上述插值的例子，但象素更大了），,它实际上的成像质量约相等于400万普通 CCD的成像质量。使用超级CCD感应器 时，还有一个

12、明显的缺点：图片文件大 小比原来大一倍。牺牲照片处理速度来 换取象素只提升33%的画质，你觉得划算 嘛？恐怕是见仁见智了。,三、感应器/传感器 常用的颜色过滤排列感应器 几乎所有的数码相机均使用这种颜色过滤排列感应器来测量每个象素接受光线的明亮程度。在以下的图表中，我们可以看到“颜色过滤排列”被置于感应器上部，吸收投射在上面的由三原色组成的光线。每一个象素只负责测量一种主要颜色（红、绿、蓝）之一，而另外两种颜色是根据附近象素的颜色由软件估算出来的。,这种做法减低了照片的锐利度和色彩还原真实程度这就是颜色过滤排列感应器比Foveon感应器落后的地方。然而，随着当今感应器的象素不断提高，锐利度的不

13、足和颜色的失真已经越来越不明显了，不断进步的图片处理系统已经变得更加聪明，照片画质得到了很大的提升。,新型Foveon感应器 我们眼睛里面的锥形细胞对红、绿、蓝三原色特别敏感，我们识别的其他颜色其实也是通过三原色不同比例的搭配而成的。在传统的胶卷摄影中，彩色胶卷上的化学层就是利用红、绿、蓝三原色的原理工作的。新型的Foveon感应器其实也运用着同样的原理。Foveon感应器有三个感应器层来测量三原色。我们在下图可以看到，把三个颜色的图层结合便能得到一张数码照片，每个象素就像正方形的瓦片一样，铺在传感器上，各个象素颜色不同。作为一种新开发的科技，Foveon感应器现在只应用在Sigma SD9和

14、SD10数码单反上，它仍未能解决对光线敏感度低的缺点。,CMOS感应器与CCD感应器比较 电荷耦合器件CCD图像传感器存储的电荷信息， 需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读 取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制 电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为 复杂，速度较慢。 CMOS互补金属氧化物半导体图像传感器commpl- ementary Metal Oxide Semiconductor） CMOS感应器开始只应用在低端的照相机上，但 随着科技的发展，CMOS已经被越来越多的高端 数码相机使用，例如佳能EOS 5D Mark III,由于CMOS传感器更快、更小、更便宜、兼容性更强

15、的特性，很多生产电脑芯片的工厂都有能力生产CMOS，这将会使CMOS被运用在更广泛的领域。先前提到的Foveon传感器其实也是在CMOS的基础上发展出来的。 尼康公司新型的JFET LBCAST传感器同样属于APS类传感器，但它使用与CMOS不同的晶体管JFET(Junction Field Effect Transistor)。,CMOS (commplementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体图像传感器 1、工作原理 CMOS与CCD的光电转换原理相同，其不同之处是信号的读出方式。CMOS按照信号的读出方法又分为:无源像素传感器（PPS)和有

16、源像素传感器（APS)。PPS的光敏单元驱动能力弱，且固定结构噪声EPN较大。现使用的多是性能优越的APS。,在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一 个放大器及A/D转换电路，用类似内存电 路的方式将数据输出。 与CCD相比， CMOS的优势是集成度高、 功耗小 、生产成本低、易与其它芯片整 合，其功耗仅相当CCD功耗的1/8. CMOS传感器的光谱响应宽于CCD，在红 外波段仍具有较大的输出响应，故它在红 外成像领域有广泛的应用前景。,2、CCD与CMOS的结构特点 两种传感器都利用同样的光电转换原 理，且都支持光敏二极管型和光栅型。 基本不同点是像素里的光生电荷的读 出方式不同。 CCD使

17、用时许电压输入临近电容把电 荷从积累处迁移到放大器里。放大器将大 小不同的电荷包转换为电压信号，缓冲并 输出到芯片外的信号处理电路。,上述过程导致一些根本缺点：必须一次性 的读出正行或整列的像素，不能提供随机 读取；需要复杂的时钟芯片来使时序电压 同步，需要多种非标准化的高压时钟和电 压偏置；CCD的硅处里专用制作工艺与现 今微电子器件的主流制作工艺不同；无法 低成本的把控制处理电路集成在同一图像 芯片上，使CCD图像系统体积庞大和功耗 大。,在CMOS中，每个像素都包含有一放大和模 数转换电路。积累电荷可立即被象素里的放 大电路放大，并经模数转换变为数字信号， 通过直接寻址方式读出。 这种信

18、号转换与读出技术的不同对两种 图像传感器的结构、性能及其性能的限制产 生明显的影响。 CCD相机的大部分信号处理功能在印刷 电路板上实现，如果应用要求改变，设计者,通过改变电路板功能即可实现，无需重新 设计图像传感器。但CMOS传感器的应用 弹性较小。因为在COMS相机中，大部分 功能都集成在图像传感器上。但由于其集 成度高、结构紧密，功耗低，其具有很高 的可靠性。故其可应用于小尺寸摄像，更 适应恶劣环境的应用。,3、CCD与CMOS的特性比较 CMOS APS的主要优点是低成本、速度快。 灵敏度 灵敏度代表传感器的光敏单元收集光生 电荷的能力。CCD较CMOS灵敏度高30- 50。CCD的像

19、元耗尽区深度可达10微米。 而CMOS由于工艺的问题，其耗尽区深度只 有1-2微米。, 电子电压转换效率 该值表示每个信号电子转换为电压信 号的大小。CMOS在像元中采用高增益低 功耗号互补放大器结构，其电压转换效率 优于CCD。CCD要达到同样的程度，必须付 出进一步增大器件功耗的代价。 动态范围 该值表示器件的饱和信号电压和最低阈值 信号电压的比值。CCD动态范围较CMOS高2 倍。其原因主要是CCD与CMOS芯片物理结构,所决定的。CCD通过电荷耦合将电荷转移到共 同输出端几乎无噪声，使得CCD器件的噪声可 控制在极低的水平。而CMOS器件由于其芯片 结构决定它具有较多的片上放大器、寻址

20、电路 和寄生电容等，导致噪声较大。即使采用一些 其它降噪技术，CMOS的噪声也难以降到与 CCD相当的水平。CCD的的噪声特性是由其物 理结构所决定的。 响应均匀性 硅片工艺的微小变化、 硅片及加工工艺引 入的缺陷、放大器变化等都将导致图像传感器,光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光 照两种环境条件。显然，由于结构的原因， CMOS的响应均匀性较CCD有较大的差距。 暗电流 标准CMOS有较高的暗电流，暗电流密度为 1nA/cm2量级，经工艺最佳化后可降至 100pA/cm2。而精心制作的CCD的暗电流密度 为210pA/cm2。, 电子快门 快门代表了任意控制曝光开始和停止的能 力。CC

21、D特别是内线转移结构的像传感器具有 优良的电子快门功能。由于器件可纵向从衬底 排出多余电荷，电子快门功能几乎不受像元尺 寸缩小的限制，不会挤占光敏区面积，从而降 低器件占空比。 CMOS在每个像元中需要一定数量的晶体管 来实现电子快门功能，这将增加像元中晶体管 的数量，压缩感光区的面积，降低器件的占空,比，特别是在像元尺寸进一步缩小时，此矛盾 更加突出。 速度 由于大部分相机电路可与CMOS做在同一 芯片上，信号及驱动传输距离缩短，电感、电 容及寄生延迟降低，信号读出采用XY寻址方 式，CMOS的工作速度优于CCD。CCD的信号读出 速率不超过70Mpixele/s。CMOS的可达 1000M

22、pixele/s。,窗口 CMOS信号读出采用XY寻址方式，具有读出 任意局部画面的能力。这种功能可用于在画面 局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪。CCD在 这方面的能力受到限制。,四、位数（Bits） 假如某幅图像位数为1位，则这二进制中的1位 只可以记录两个信号：黑（0）和白（1）。 假如图像变成2位，这2位便能记录（2*2）4个 色调：00 (黑), 01 (灰), 10 (灰), and 11 (白)。同理，当图像位数为8位时，图像便可记 录从00000000 (0)至11111111 (255)一共 （2*8）256个色调。 JPEG通常是24位图像，因为24位刚好能为3个颜 色通道（

23、RGB）分别储存8位信息。,24位的JPEG图像能记录 2563 = 16.7百万种 颜色。 32位浮点格式（面向高级用户） 我们知道超过半数的色调是用来描述光亮 的环境的。因此，即使一幅16位的图像也只有 16级色调用来描述昏暗的环境，而描述光亮环 境的则有32,768级色调。人类肉眼的非线性特 征与传感器的线性特征恰恰相反，人类视觉对 昏暗部分的细节比光亮部分的细节敏感得多。 一幅32位的整数图像为图像的描述提供了更多 色调，但是它同样受高光部分不成比例色调,级数的限制。然而，32位的浮点图像更有效的 运用了这“32位”，更好地解决了以上问题。传 统的整数图像用32位描述232个整数，而浮

24、点图 像用23位描述分数，8位描述指数，1位作为标 记，详情如下： V = (-1)S * 1.F * 2 (E-127):S = 标记（Sign）,1位，有2个可能值；F = 分数（Fraction）,23位，有8,388,608个可能值； E = 指数（Exponent）,8位，有256个可能值。,实际上，浮点图像让“0”级和“1”级之间几乎拥 有无数个色调级数，“1”级和“2”级之间拥有超 过800万个色调，“65,534”级和“65,535”级之间 也拥有128个色调这比32位整数图像更加符 合我们人类视觉的非线性特征。正是由于能储 存无穷小的数字，32位浮点格式可以记录无限 的动态范

25、围。换句话说，32位浮点格式能记录 无限动态范围，即记录更多昏暗的细节，而它 所占的体积仅为每通道16位图像的一倍，非常 节省空间和减低处理难度。一个更精确的格式 会使动态和色调范围的压缩更加平滑。,这种格式计算机绘图中十分常用，Adobe Photoshop CS2也已支持该格式的图像处理。 五、RAW图像格式 RAW并不是一个英文缩写，RAW就是RAW，中文 解释是“原材料”或“未经处理的东西”。RAW文 件包含了原图片文件在传感器产生后，进入照 相机图像处理器之前的一切照片信息。用户可 以利用PC上的某些特定软件对RAW格式的图片 进行处理。,RAW格式的储存和优势 通过对颜色过滤排列的

26、专题的了解，我们应该 知道传统的传感器中，每个象素只负责获得一 种颜色。每个象素承载的数据通常有10或12位 （12位最常用），而这些数据就能储存到RAW 文件里面。照相机内置图像处理器通过这些 RAW数据进行插值运算，计算出三个颜色通道 的值，输出一个24位的JPEG或TIFF图像。,虽然TIFF文件保持了每颜色通道8位的信息， 但它的文件大小比RAW更大（TIFF：38位颜 色通道；RAW：12位RAW通道）。JPEG通过压缩 照片原文件，减少文件大小，但压缩是以牺牲 画质为代价的。因此，RAW是上述两者的平 衡：既保证了照片的画质和颜色，又节省储存 空间（相对于TIFF）。一些高端的数码

27、相机更 能输出几乎是无损的压缩RAW文件。,RAW的适用性 许多图像处理软件可以对照相机输出的RAW 文件进行处理。这些软件提供了对RAW格式 照片的锐度、白平衡、色阶和颜色的调节。 此外，由于RAW拥有12位数据，你可以通过 软件，从RAW图片的高光或昏暗区域榨取照 片细节，这些细节不可能在每通道8位的 JPEG或TIFF图片中找到。,RAW的弊端 RAW有一个明显的弊端：随着照相机牌子和型号的不同，它们输出的RAW格式也不同。用户在处理RAW格式图片的时候必须使用厂家提供的专门软件。这为图像处理带来了诸多不便。此外，相对于JPEG和TIFF格式的图片，打开和处理RAW文件要耗费更多的时间。

28、为了解决这个问题，有的数码相机可以让用户拍摄照片的时候同时以RAW与JPEG格式储存照片。,随着照相机图像处理速度越来越快，记忆 卡容量越来越大而且越来越便宜，上述的 做法将不再麻烦了。同时记录JPEG和RAW格 式照片，可以让用户使用常规的图像处理 软件组织和编辑照片（JPEG）；当需要获 得处理精细的照片或需要改善照片缺憾 （如白平衡不正确和高光/暗部细节缺 失 ）的时候， 用户可以使用RAW解决问 题。,六、解像度（Resolution） 解像度（Resolution） 传感器解像度 就是传感器上有效的非插值象素 的数目。 图像解像度 一幅数码图像的解像度由组成这副图像的象素数目决定。一

29、张500万象素的图片，通常长2,560象素，高1,920象素，它的解像度即为4,915,200象素。在之前的“象素”专题里面，我们已经知道：用尽照相机的有效象素能拍摄出最高解像度的照片。,然而，用插值的方法获取更高解像度，收效不大，但是却占用了更多的储存卡空间。除非储存卡的容量不足，否则无论什么时候，我们都应该使用照相机的最高解像度拍摄，以获得最佳的照片质量。 解像度测试图表：水平和垂直LPH 我们在许许多多照相机的测评中曾经看到过下面的图表，这个图片到底有什么用呢？其实，这是一个照相机解像度测试图表，它是按照PIMA/ISO 12233标准制定的。,这是一张设计出色的图表，它不仅能测试水平和

30、垂直的解像度，而且能考验传感器对不同角度图形的反应能力。准备购买数码相机的朋友，可以通过这个解像度测试图表，了解各种照相机的解像度，并进行横向比较。 水平LPH指以水平轴（x轴）的方向观察，在整张照片能看得清楚的垂直线条的数目。在上面的放大图A中，我们可以看到9条黑色线和8条白色线相间，在“16”这个位置上，线条仍然清晰。但是到了“17”这个地方，黑线和白线变得越来越难以区分。,放大图A中“16”的位置一共有17条直线（9+8），而这17条直线的宽度正好是26个象素的宽度。由于CP8700的样张高度为2,448象素，每个象素高度涵盖的垂直线条数目就是2,448/26*17或者说样张的水平解像度就是1,600 LPH。因此，解像度测试图表上的“16”表示样张的高度可以涵盖1,600条线条，即1,600LPH（per picture height）。 同理，垂直LPH指以纵轴（y轴）的方向观察，在整张照片能看得清楚的水平线条的数目。放大图B告诉我们，样张的垂直解像度大约是1,500 LPH。,由于解像度对图