圖像傳感器原理介紹

（CCD和CMOS介紹）

kanry_li

2012-11-5

ImageSensor的分類ImageSensor的分類有兩種：

1.CCD圖像傳感器

2.CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器簡介ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡稱）是攝像系統(tǒng)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常以百萬像素〈megapixel〉為單位CCD發(fā)展史1969年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的SONY公司也開始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個以96個圖素并以線性感知的二次元影像傳感器〝8H*8V(64圖素)FT方式三相CCD〞。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。1976年8月，完成實驗室第一支攝影機的開發(fā)。1980年，SONY發(fā)表全世界第一個商品化的CCD攝影機(編號XC-1)。1981年，發(fā)表了28萬個圖素的CCD(電子式穩(wěn)定攝影機MABIKA)。1983年，19萬個圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點高分辨率的CCD。1987年，1/2inch25萬圖素的CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3inch38萬圖素的CCD，且在市面上銷售。1990年7月，誕生了全世界第一臺V8從信號傳輸方式上分：全幀傳輸CCD、隔行傳輸CCD兩種從濾鏡類型來分：原色CCD和補色CCD；從感光單元形狀和排列方式來分：普通CCD和超級CCDCCD的分類CCD外形尺寸規(guī)格1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。黑白CCD的組成結(jié)構(gòu)圖彩色CCD的組成結(jié)構(gòu)分圖CCD的三層結(jié)構(gòu)：上：增光鏡片、中：色塊網(wǎng)格下：感應(yīng)線路由微型鏡頭、馬賽克分色網(wǎng)格，及墊于最底層的電子線路矩陣所組成

彩色CCD混色（RGB色）原理CCD的第二層是『分色濾色片』，這個部份的作用主要是幫助CCD具備色彩辨識的能力?；氐皆搭^，CCD本身僅是光與電感應(yīng)器，透過分色濾片，CCD可以分開感應(yīng)不同光線的『成分』，從而在最后影響處理器還原回原始色彩。彩色CCD的原色原理目前CCD有兩種分色方式：一是RGB原色分色法，另一個則是CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊，過去原色和補色CCD的產(chǎn)量比例約在2：1左右，2003年后由于影像處理引擎的技術(shù)和效率進步，目前超過80％都是原色CCD的天下。彩色CCD的補色原理補色CCD由多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像分辨率，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設(shè)定在800以上。彩色CCD的感光層這層主要是負(fù)責(zé)將穿透濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子訊號，并將訊號傳送到影像處理芯片，將影像還原。這個部份可以說是CCD真正核心的部份，主要的CCD設(shè)計大致上分成幾個區(qū)塊。被稱為畫素Pixel（Photodiodes）感光二極管，主要是應(yīng)用于光線感應(yīng)部份，Gate區(qū)有一部份被用作電子快門，藍(lán)色區(qū)塊則是布局為電荷通路，用來傳導(dǎo)電荷之用。白色區(qū)塊就是ChargeDrain，也有稱為ShieldedShiftRegisters，中文或可翻為電荷儲存區(qū)，主要功用為收集經(jīng)二極管照射光線后所產(chǎn)生之電荷。

CCD工作方式分解CCD結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，為了幫助CCD能夠組合呈彩色影像，網(wǎng)格被發(fā)展成具有規(guī)則排列的色彩矩陣，這些網(wǎng)格以紅R、綠G和藍(lán)B濾鏡片所組成（三原色CCD），亦有補色CCD（為CMYG..Y黃色）。每一個CCD組件由上百萬個MOS電容所構(gòu)成（光點的多寡端看CCD的畫素而定）。當(dāng)數(shù)字相機的快門開啟，來自影像的光線穿過這些馬賽克色塊會讓感光點的二氧化硅材料釋放出電子〈負(fù)電〉與電洞〈正電〉。經(jīng)由外部加入電壓，這些電子和電洞會被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個硅層暫存起來。電子數(shù)的多寡和曝光過程光點所接收的光量成正比。在一個影像最明亮的部位，可能有超過10萬個電子被積存起來。CCD工作方式曝光之后所有產(chǎn)生的電荷都會被轉(zhuǎn)移到鄰近的移位緩存器中，并且逐次逐行的轉(zhuǎn)換成信號流從矩陣中讀取出來。這些強弱不一的電荷訊號，會先被送入一個QV（Electrontovoltageconverte）之中，將電荷轉(zhuǎn)換成電壓；下一步再將電壓送入放大器中進一步放大，然后才是A/D模擬數(shù)字訊號轉(zhuǎn)換器（ADCAnalogtoDigitalConverter）。ADC轉(zhuǎn)換器能將信號的連續(xù)范圍配合色塊碼賽克的分布，轉(zhuǎn)換成一個2D的平面表示列，它讓每個畫素都有一個色調(diào)值，應(yīng)用這個方法，再由點組成網(wǎng)格，每一個點（畫素）現(xiàn)在都有用以表示它所接受的光量的二進制數(shù)據(jù)，可以顯示強弱大小，最終再整合影像輸出。CCD工作方式圖左：階段一，CCD接受光線的照射產(chǎn)生電荷/圖右：階段二，外加電壓將CCD所『產(chǎn)生』的電荷移往緩沖區(qū)圖左：階段三，電荷轉(zhuǎn)換成電壓，電壓經(jīng)ADC判讀數(shù)字訊號/圖右：階段四，依順序?qū)⒂嵦栆仆彌_區(qū)組合CCD電子產(chǎn)生過程當(dāng)光線照射CCD產(chǎn)生電子和電洞（如2.），并在上層的導(dǎo)電閘施以正電+V后，電子會集中在SiO2和Si之間。施電壓后儲存電子會進行排列，（如3.）

CCD的工作原理

CCD的結(jié)構(gòu)就象一排排輸送帶上并排放滿了小桶，光線就象雨滴撒入各個小桶，每個小桶就是一個像素。按下快門拍照的過程，就是按一定的順序測量一下某一短暫的時間間隔中，小桶中落進了多少“光滴”，并記在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位來記錄，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位甚至12位，10位或12位的CCD在記錄色彩時可以更精確，尤其是在光線比較暗時。早期的CCD是隔行掃描的，同一時刻，每兩行小桶，只有一行被測量，這樣可以提高快門速度，但圖像精度大為降低。隨著技術(shù)的進步，人們已能讓CCD記錄在幾十分之一秒，甚至幾千分之一秒的時間里，落進各個“小桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行掃描的。CCD的ADC轉(zhuǎn)換電壓至數(shù)字訊號示意圖ADC轉(zhuǎn)換電壓至數(shù)字訊號示意圖：此ADC為8位處理器可以將電壓訊號分成256（0～255）個位階判讀

ADC位數(shù)的多寡將決定畫質(zhì)的精細(xì)程度，目前SONY量產(chǎn)14位之ADC，多數(shù)的數(shù)字相機都可達到12位以上CCD類型因應(yīng)不同種類的工作需求，業(yè)界發(fā)展出四種不同類型的CCD：

Linear線性、

Interline掃瞄、全景Full-FrameFrame-Transfer全傳Linear純線性線型CCD是以一維感光點構(gòu)成，透過步進馬達掃瞄圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較使用2維CCD的數(shù)字相機來得慢。這型CCD大多用于平臺式掃描儀之上。InterlineTransfer

掃瞄型CCD的曝光步驟就如同前面所介紹的相同，IL型CCD的優(yōu)點在于曝光后即可將電荷儲存于緩存器中，組件可以繼續(xù)拍攝下一張照片，因此速度較快，目前的反應(yīng)速度以已經(jīng)可達每秒15張以上。相對性的缺點則是暫存區(qū)占據(jù)了部份感光面積，因此動態(tài)范圍（DynamicRange-系統(tǒng)最亮與最暗之間差距所能表現(xiàn)的程度）較小。不過，由于速度快、成本低，市面上超過8成以上的數(shù)字相機都采用IL型CCD為感光組件全景Full-Frame全像CCD則是一種架構(gòu)更簡單的感光設(shè)計。有鑒于IL的缺點，F(xiàn)F改良可以利用整個感光區(qū)域（沒有暫存區(qū)的設(shè)計），有效增大感光范圍，同時也適用長時間曝光。其曝光過程和Interline相同，不過感光和電荷輸出過程是分開。因此，使用FFCCD的數(shù)字相機在傳送電荷信息時必須完全關(guān)閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，防止干擾。這也意味著FF必須使用機械快門（無法使用IL的電子CLOCK快門)，同時也限制了FFCCD的連續(xù)拍攝能力。Full-FrameCCD大多被用在頂級的數(shù)位機背上。Frame-Transfer

全傳全傳CCD的架構(gòu)則是介于IL和FF之間的產(chǎn)品，它分成兩個部分上半部分是感光區(qū)，下半部則是暫時存儲區(qū)。整體來說Frame-TransferCCD非常的類似Full-FrameCCD，它的特點在于直接規(guī)劃了一個大型暫存區(qū)。一旦FTCCD運作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的暫存區(qū)中，本身則可以繼續(xù)曝光拍照。這個設(shè)計，讓FT同IL一樣可以使用電子快門，但同時也可增加感光面積和速度。FTCCD主要是由荷蘭Philips公司開發(fā)，后來技術(shù)移轉(zhuǎn)給SANYO公司發(fā)展成VPMIX技術(shù)。三洋對VPMIX的改良相當(dāng)成功，使它的數(shù)字相機能兼具靜態(tài)和動畫的拍攝能力（可達30fps的拍攝速度-在動畫運用上非常出色）。此外，F(xiàn)T型CMOS也被應(yīng)用于FillfactorCMOS，作為提高高階SLR連拍能力的設(shè)計。

彩色CCD的分色圖彩色CCD的分色原理以GRGB原色色彩數(shù)組來說，R色濾光片其實內(nèi)部包含了『洋紅』與『黃』兩種色調(diào)的濾片，透過補色機制（見下圖），使其底部的感光區(qū)可以感受到『紅』色的光線（上圖左）；相對地，補色CCD（上圖右），同學(xué)們可以發(fā)現(xiàn)，其中只有一層染料色片，例如：Y黃色，就阻擋了藍(lán)光的進入，由紅綠兩光形成紅色色塊，也因此補色CCD可以吸收更多的光線，其感光能力也比原色CCD強得多，但處理起來因為還是要還原成RGB系，對于影像處理引擎的負(fù)擔(dān)較為沉重。彩色CCD的插值彩色CCD在分色計算程序過程中，如果一張數(shù)字圖片的色彩只有25％的紅色和藍(lán)色與50％的綠色，這三個素材迭合起來的完成圖無法成彩色畫面，為了補強色彩不足的部份，CCD取樣完成后，影像處理引擎必須進入『插值Interpolation』工作階段，將不足的75％的紅色與藍(lán)色和另外50％的綠色，透過『數(shù)據(jù)計算』的方式『加』進影像檔案之中，使其構(gòu)成完整各100％的RGB三原色檔案，最終合成為一數(shù)字照片。CCDISO感光能力CCDISO感光能力—提高途徑CCD提高ISO的能力通常分為硬體和軟件處理上的設(shè)計，例如：簡化來自特定區(qū)域CCD上的畫素信號來提高

ISO表現(xiàn)（因為CCD無法在物理上增大感光面積，只好聯(lián)合矩陣在處理上『仿真』大感光面積的方式，所以ISO越高就必須相對的降低分辨率

-見下圖），但這也相對的降低了影像的色調(diào)范圍。而軟件處理則是根據(jù)數(shù)據(jù)運算，取得合理的曝光表現(xiàn)，但通常也會伴隨著噪聲的產(chǎn)生。CCDISO感光能力—對比圖片CCDISO感光能力—決定因素CCD攝像機最大的ISO值主要是取決于最低的可接受的信噪比（S/N）?？朔/N的最大關(guān)鍵乃是位于CCD組件中的『電極暗電流-Blacklevel』電荷。CCDISO感光能力—電極暗電流定義暗電流是指在沒有入射光的情況下CCD所仍具有之電荷量，理想的CCD其暗電流應(yīng)該是零，但部分游離電荷會殘存在電極之間，導(dǎo)致沒有光線下CCD還是『感應(yīng)』到些許的『電荷』存在，形成了『看到了』的雜像！CCDISO感光能力—電極暗電流影響因素一S/N的強度還會隨溫度增高而增加（每增加10℃，S/N可能增加1倍）。因此，在連續(xù)施加電源過久的情況下，機體溫度過熱會導(dǎo)致畫面的噪聲增加。CCDISO感光能力—電極暗電流影響因素二曝光過度也會使景物較為明亮區(qū)域的CCD帶有過量電子。一般來說CCD會忠實的反應(yīng)其結(jié)果，就是曝光過度的白光！。不過，在極端情況下，CCD的電子會滲進鄰近的電極當(dāng)中，導(dǎo)致數(shù)字影像拖出長白光跡或變色光影。CMOS圖像傳感器簡介ＣＭＯＳ英文全名ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補性氧化金屬半導(dǎo)體CMOSImageSensor外形.CMOS圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。和CCD的原理相同CCD與CMOS感光組件之優(yōu)缺點比較彩色CCD和CMOS差異分析-ISO感光度差異CMOS每個畫素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一畫素的感光區(qū)域的表面積，因此在相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。彩色CCD和CMOS差異分析-分辨率差異CMOS每個畫素的結(jié)構(gòu)比CCD復(fù)雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限