ccd传感器简介

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2007-03-06 21:43
由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握,所以导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常高昂。
在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止,市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上,若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器,厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传,甚至冠以“数码相机”之名。一时间,是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。
CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电,不像由二极管组成的CCD,CMOS 电路几乎没有静态电量消耗,只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大,如果抑制得不好就十分容易出现杂点。
此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如,如果分辨率为300万像素,那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷,扫描的方法非常简单,就好像把水桶从一个人传给另一个人,并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此,CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大,采用这种方法可节省任何无效的传输操作,所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描,同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。
CCD传感器的原理
CCD传感器是一种新型光电转换器件,学名是电荷耦合器件,它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能,而且集成度高、功耗小,已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用,尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分,面阵是把CCD像素排成1个平面的器件;而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。由于在军事领域主要用的是面阵CCD,因此这里主要介绍面阵CCD。
CCD传感器的结构和工作原理
1CCD的种类
面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成,上半部分是集中了像素的光敏区域,下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数,缺点是CCD尺寸较大,易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品,它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上,其特点是在1个单片上,价格低,并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型,结构复杂,但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。
2CCD的工作原理
CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管),如图1(a)所示,它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A~1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅),在衬底和金属电极间加上1个偏置电压,就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时,光子穿过透明电极及氧化层,进入P型Si衬底,衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子-空穴对,电子-空穴对在外加电场的作用下,分别向电极的两端移动,这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。如图1(b)所示。
MOS电容器的电荷储存容量可由下式求得:
QS=Ci×VG×A
式中: QS是电荷储存量;
Ci是单位面积氧化层的电容;
VG是外加偏置电压;
A是MOS电容栅的面积。
由此可见,光敏元面积越大,其光电灵敏度越高。图2示出1个3相驱动工作的CCD中电荷转移的过程。
(a)初始状态;(b)电荷由①电极向②电极转移;(c)电荷在①、②电极下均匀分布;
(d)电荷继续由①电极向②电极转移;(e)电荷完全转移到②电极;(f)3相交叠脉冲。
假设电荷最初存储在电极①(加有10V电压)下面的势阱中,如图2(a)所示,加在CCD所有电极上的电压,通常都要保持在高于某一临界值电压Vth,Vth称为CCD阈值电压,设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然,电极①下面的势阱最深,如果逐渐将电极②的电压由2V增加到10V,这时,①、②两个电极下面的势阱具有同样的深度,并合并在一起,原先存储在电极①下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布,如图2(b)和(c)所示,然后再逐渐将电极下面的电压降到2V,使其势阱深度降低,如图2中(d)和(e)所示,这时电荷全部转移到电极②下面的势阱中,此过程就是电荷从电极①到电极②的转移过程。如果电极有许多个,可将其电极按照1、4、7…,2、5、8…和3、6、9…的顺序分别连在一起,加上一定时序的驱动脉冲,如图2(f)所示,即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。