一文讀懂三種CCD圖像傳感器
瀏覽次數(shù)：691 發(fā)布于：2023-04-21
CCD的中文全稱(chēng)是電荷耦合元件，是一種半導(dǎo)體成像器件。通過(guò)被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD攝像機(jī)，其中的核心原件就是CCD圖像傳感器。
CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。CCD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼，它革新了攝影術(shù)，光可以被電子化地記錄下來(lái)，取代了膠片。這一數(shù)字形式大大地方便了對(duì)圖像的處理和發(fā)送，&深圳市華聯(lián)歐國(guó)際貿(mào)易有限公司是歐美工業(yè)備品備件一站式服務(wù)商，貨源充足，型號(hào)齊全，質(zhì)量可靠，售后服務(wù)佳。專(zhuān)業(yè)原裝行貨，正品保證，歡迎來(lái)電咨詢(xún)!所有產(chǎn)品售后有質(zhì)保，并且有終身免費(fèi)技術(shù)指導(dǎo)。我們有專(zhuān)業(yè)的客服團(tuán)隊(duì)，24小時(shí)進(jìn)行服務(wù)。下面是深圳華聯(lián)歐小編精心為大家推薦的產(chǎn)品科普一下一文讀懂三種CCD圖像傳感器，如果您喜歡可以繼續(xù)閱讀詳細(xì)瀏覽一下去看看了解一下吧，關(guān)注收藏我們網(wǎng)址，每天為大家推送更多的干貨!
CCD的中文全稱(chēng)是電荷耦合元件，是一種半導(dǎo)體成像器件。通過(guò)被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD攝像機(jī)，其中的核心原件就是CCD圖像傳感器。
CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。
CCD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼，它革新了攝影術(shù)，光可以被電子化地記錄下來(lái)，取代了膠片。這一數(shù)字形式大大地方便了對(duì)圖像的處理和發(fā)送，”諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)稱(chēng)贊說(shuō)，“無(wú)論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠(yuǎn)之處，它都能給我們帶來(lái)水晶般清晰的影像。”
CCD圖像傳感器于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬(wàn)像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬(wàn)像素。CCD又可分為線(xiàn)型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線(xiàn)型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)(DSC)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。
伴隨著數(shù)碼相機(jī)、帶有攝像頭的手機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)靡全球，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)入了全民數(shù)碼影像的時(shí)代，每一個(gè)人都可以隨時(shí)、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領(lǐng)我們進(jìn)入如此五彩斑斕世界的，就是美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器。
百多年來(lái)，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破，以及精密機(jī)械、化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，照相機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，使用越來(lái)越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時(shí)欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯富創(chuàng)意地發(fā)明了一種半導(dǎo)體裝置，可以把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這一裝置，就是CCD圖像傳感器。
CCD圖像傳感器的發(fā)明，實(shí)際上是應(yīng)用愛(ài)因斯坦有關(guān)光電效應(yīng)理論的結(jié)果，即光照射到某些物質(zhì)上，能夠引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。但是從理論到實(shí)踐，道路卻并不平坦。科學(xué)家遇到的大挑戰(zhàn)，在于如何在很短的時(shí)間內(nèi)，將每一個(gè)點(diǎn)上因?yàn)楣庹斩a(chǎn)生改變的大量電信號(hào)采集并且辨別出來(lái)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導(dǎo)體材料，將光線(xiàn)照射導(dǎo)致的電信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使得其高效存儲(chǔ)、編輯、傳輸都成為可能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，CCD圖像傳感器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時(shí)費(fèi)力地去沖洗膠片了。
三種CCD圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器體系可分為全幀(FF)、幀傳輸(FT)和行間傳輸(IT)三種CCD架構(gòu)。
半導(dǎo)體區(qū)域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉(zhuǎn)移器件，這有點(diǎn)違反直覺(jué)，但這正是FF CCD中發(fā)生的事情。在集成過(guò)程中，像素位置響應(yīng)入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過(guò)像素位置向水平移位寄存器移動(dòng)。
一般情況下，我們通過(guò)應(yīng)用精心定時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)獲得CCD像素?cái)?shù)據(jù)，這些時(shí)鐘信號(hào)依次在器件的電荷傳輸結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電位阱和電位屏障。在全幀CCD中，我們需要能夠?qū)⑦@些控制電壓應(yīng)用到同樣起光電探測(cè)器作用的區(qū)域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。
全幀CCD相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單且易于制造，并且它們?cè)试S整個(gè)CCD表面具有光敏性。這使硅的給定區(qū)域中可以包含的像素?cái)?shù)量max化，同時(shí)也使每個(gè)像素中實(shí)際上能夠?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)換為電子的部分max化。
然而，一個(gè)主要的限制是需要一個(gè)機(jī)械快門(mén)(或一個(gè)同步的、短時(shí)間的光源稱(chēng)為頻閃)。CCD的光激活區(qū)并不會(huì)因?yàn)槟阋呀?jīng)決定是時(shí)候執(zhí)行讀出而停止光激活。如果沒(méi)有在曝光周期完成后阻擋入射光的機(jī)械快門(mén)，則在(有意)集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達(dá)的光損壞。
一般來(lái)說(shuō)，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(mén)(像任何其他快速移動(dòng)的高精度機(jī)械設(shè)備一樣)使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，最終產(chǎn)品更加昂貴，整個(gè)系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。在電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)物理物體所需的額外能量也是不可取的。
FT-CCD允許我們保持FF-CCD的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)(幾乎)不需要快門(mén)。這是通過(guò)將FF CCD分成兩個(gè)大小相等的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中一個(gè)部分是普通的光敏成像陣列，另一個(gè)部分是屏蔽入射光的存儲(chǔ)陣列。
在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸?shù)酱鎯?chǔ)陣列，然后在存儲(chǔ)陣列中發(fā)生讀出。當(dāng)讀取存儲(chǔ)位置時(shí)，活動(dòng)像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸CCD能夠獲得比全幀CCD更高的幀速率。
說(shuō)FT架構(gòu)幾乎消除了快門(mén)，因?yàn)闊o(wú)快門(mén)設(shè)計(jì)會(huì)遇到一個(gè)稱(chēng)為垂直涂抹的問(wèn)題。電荷包從活動(dòng)像素到存儲(chǔ)位置的傳輸很快，但不是瞬間發(fā)生的，因此在垂直傳輸期間到達(dá)傳感器的光可以改變圖像信息。
FT架構(gòu)的主要缺點(diǎn)是成本較高，并且相對(duì)于圖像質(zhì)量而言面積增大，因?yàn)榛旧鲜鞘褂肍F傳感器，然后將像素?cái)?shù)減少兩倍。
幀傳輸CCD在全幀架構(gòu)中增加了一個(gè)存儲(chǔ)陣列
線(xiàn)間傳輸(Interline-Transfer)CCD
我們需要的一個(gè)主要的架構(gòu)改進(jìn)是將集成電荷快速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線(xiàn)間傳輸CCD通過(guò)提供與每個(gè)光活動(dòng)位置相鄰的存儲(chǔ)(和傳輸)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。曝光完成后，傳感器中的每個(gè)電荷包同時(shí)傳輸?shù)椒枪饷舸怪币莆患拇嫫髦小?/section>
因此，它的CCD能夠以min的拖影實(shí)現(xiàn)電子快門(mén)，并且像FT-ccd一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過(guò)程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發(fā)生一些涂抹。如果應(yīng)用程序不需要高幀速率，則可以通過(guò)延遲積分直到讀出完成來(lái)消除此問(wèn)題。
線(xiàn)間CCD不需要幀傳輸CCD中使用的大存儲(chǔ)部分，但它們引入了一個(gè)新的缺點(diǎn)：傳感器成為將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率較低的手段，因?yàn)槊總€(gè)像素位置現(xiàn)在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對(duì)光不敏感，因此相對(duì)于落在像素區(qū)域上的光的量產(chǎn)生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過(guò)在傳感器上添加將入射光集中到每個(gè)像素的光活動(dòng)區(qū)域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。
在行間傳輸架構(gòu)中，存儲(chǔ)(和垂直傳輸)區(qū)域位于光活性柱之間。
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