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。,三、感应器/传感器（Sensors） 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

7、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SD10数码单反上，它仍未能解决对光线敏感度低的缺点。,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，

8、锐利度的不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。,六、RAW图像格式 在开始这个专题之前，笔者在这里首先说明一点：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

9、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。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