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CCD線性圖像傳感器

請問CCD線性圖像傳感器是什么東西，它的工作原理是什么？謝謝！: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-02-06

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由兩種感光器件的工作原理可以看出，CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。市面上絕大多數(shù)的消費級別以及高端數(shù)碼相機都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝像頭使用CCD感應(yīng)器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機”之名。一時間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機檔次的標準之一。 CCD傳感器-原理編輯本段 CCD傳感器是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它能存儲由光產(chǎn)生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實現(xiàn)自掃描。它主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和延時等功能，而且集成度高、功耗小，已經(jīng)在攝像、信號處理和存貯3大領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在圖像傳感器應(yīng)用方面取得令人矚目的發(fā)展。CCD有面陣和線陣之分，面陣是把CCD像素排成1個平面的器件；而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。由于在軍事領(lǐng)域主要用的是面陣CCD，因此這里主要介紹面陣CCD。 CCD傳感器-種類編輯本段面陣CCD的結(jié)構(gòu)一般有3種。第一種是幀轉(zhuǎn)性CCD。它由上、下兩部分組成，上半部分是集中了像素的光敏區(qū)域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲區(qū)域。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單并容易增加像素數(shù)，缺點是CCD尺寸較大，易產(chǎn)生垂直拖影。第二種是行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是目前CCD的主流產(chǎn)品，它們是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特點是在1個單片上，價格低，并容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是第一種和第二種的復合型，結(jié)構(gòu)復雜，但能大幅度減少垂直拖影并容易實現(xiàn)可變速電子快門等優(yōu)點。面陣CCD：允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體。線陣CCD：用一排像素掃描過圖片，做三次曝光——分別對應(yīng)于紅、綠、藍三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時，受局限于非移動的連續(xù)光照的物體。三線傳感器CCD：在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。交織傳輸CCD：這種傳感器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時在讀取當前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。全幅面CCD：此種CCD具有更多電量處理能力,更好動態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學分辨率，全幅面CCD允許即時拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點寄存器、串行浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收圖像信息并把它分成離散的由數(shù)目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串行寄存器。此過程反復執(zhí)行,直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進行精確的圖像重組。 CCD傳感器-結(jié)構(gòu)編輯本段 CCD是由許多個光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。每個像元就是一個MOS電容器(大多為光敏二極管)，它是在P 型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A～1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓，就構(gòu)成1個MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型Si襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產(chǎn)生的電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的“勢阱”中。 MOS電容器的電荷儲存容量可由下式求得： QS=Ci×VG×A 式中： QS是電荷儲存量； Ci是單位面積氧化層的電容； VG是外加偏置電壓； A是MOS電容柵的面積。由此可見，光敏元面積越大，其光電靈敏度越高。1個3相驅(qū)動工作的CCD中電荷轉(zhuǎn)移的過程。 (a)初始狀態(tài)；(b)電荷由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在①、②電極下均勻分布； (d)電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到②電極；(f)3相交疊脈沖。假設(shè)電荷最初存儲在電極①(加有10V電壓)下面的勢阱中，如圖2(a)所示，加在CCD所有電極上的電壓，通常都要保持在高于某一臨界值電壓Vth，Vth稱為CCD閾值電壓，設(shè)Vth=2V。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯然，電極①下面的勢阱最深，如果逐漸將電極②的電壓由2V增加到10V，這時，①、②兩個電極下面的勢阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲在電極①下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分布，(b)和(c)所示，然后再逐漸將電極下面的電壓降到2V，使其勢阱深度降低，(d)和(e)所示，這時電荷全部轉(zhuǎn)移到電極②下面的勢阱中，此過程就是電荷從電極①到電極②的轉(zhuǎn)移過程。如果電極有許多個，可將其電極按照1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的順序分別連在一起，加上一定時序的驅(qū)動脈沖，即可完成電荷從左向右轉(zhuǎn)移的過程。用3相時鐘驅(qū)動的CCD稱為3相CCD。 CCD傳感器-特性編輯本段 ①調(diào)制傳遞函數(shù)MTF特性：固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識別微小圖像或再現(xiàn)圖像細微部分的主要障礙。 ②輸出飽和特性：當飽和曝光量以上的強光像照射到圖像傳感器上時，傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號電荷所致。 ③暗輸出特性：暗輸出又稱無照輸出，系指無光像信號照射時，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來源于暗〔無照)電流。 ④靈敏度：單位輻射照度產(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。 ⑥彌散：飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號電荷，這時，過飽和電荷便會從一個像素的勢阱經(jīng)過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣，再生圖像上不應(yīng)該呈現(xiàn)某種亮度的地方反而呈現(xiàn)出亮度，這種情況稱為彌散現(xiàn)象。 ⑥殘像：對某像素掃描并讀出其信號電荷之后，下一次掃描后讀出信號仍受上次遺留信號電荷影響的現(xiàn)象叫殘像。 ⑦等效噪聲曝光量:產(chǎn)生與暗輸出(電壓)等值時的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。 CCD傳感器-與CMOS區(qū)別編輯本段 CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機是"" 電老虎""的不良印象。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點。此外，CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，并且只有在最后一個數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個像素基礎(chǔ)上進行信號放大，采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數(shù)據(jù)掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技: 回答者：網(wǎng)友

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