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一文帶你看懂CCD傳感器

454398 ? 來源:羅姆半導體社區 ? 作者:羅姆半導體社區 ? 2022-12-07 10:23 ? 次閱讀

來源:羅姆半導體社區

CCD是美國貝爾實驗室于1969年發明的,與電腦晶片CMOS技術相似,也可作電腦記憶體及邏輯運作晶片。CCD是一種特殊的半導體材料,它是由大量獨立的感光單元按照矩陣形式排列組成的。CCD的感光能力比PMT低,但近年來CCD技術有了長足的進步。由于CCD的體積小、造價低,所以廣泛應用于掃描儀、數碼相機及數碼攝像機中。目前大多數數碼相機采用的圖像傳感器都是CCD。

電荷藕合器件圖像傳感器CCD(Charge CoupLED DevICe),它使用一種高感光度的半導體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。CCD本身是不能分辨顏色的,所以,在實際應用時需要使用色彩濾鏡,一般情況下就是在CCD器件的濾鏡層涂上不同的顏色,其色塊按G-R-G-B(綠-紅-綠-藍)的順序排列,使每一片濾鏡單元下的感光單元感應不同的顏色。

一、CCD傳感器工作原理

CCD的基本單元是MOS電容器,這種電容器能存貯電荷,以P型硅為例,在P型硅襯底上通過氧化在表面形成SiO2層,然后在SiO2 上淀積一層金屬為柵極,P 型硅里的多數載流子是帶正電荷的空穴,少數載流子是帶負電荷的電子,當金屬電極上施加正電壓時,其電場能夠透過SiO2絕緣層對這些載流子進行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠離電極處,剩下不能移動的帶負電的少數載流子在緊靠SiO2層形成負電荷層(耗盡層),這種現象便形成對電子而言的陷阱,電子一旦進入就不能復出,故又稱為電子勢阱。

當器件受到光照時(光可從各電極的縫隙間經過SiO2層射入,或經襯底的薄P型硅射入),光子的能量被半導體吸收,產生電子-空穴時,這時出現的電子被吸引存貯在勢阱中,這些電子是可以傳導的,光越強,勢阱中收集的電子越多,光弱則反之,這樣就把光的強弱變成電荷的數量,實現了光和電的轉換,而勢阱中收集的電子是被存貯狀態即使停止光照一定時間內也不會損失,這就實現了對光照的記憶。

總之,上述結構實質上是個微小的MOS 電容,用它構成象素,既可“感光”又可留下 “潛影”,感光作用是靠光強產生的電子積累電荷,潛影是各個象素留在各個電容里的電荷不等而形成的,若能設法把各個電容里的電荷依次傳送到他處,再組成行和幀并經過“顯影”就實現了圖象的傳遞。

二、CCD傳感器的種類

面陣CCD

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。

面陣CCD的結構一般有3種。第一種是幀轉性CCD。它由上、下兩部分組成,上半部分是集中了像素的光敏區域,下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲區域。其優點是結構較簡單并容易增加像素數,缺點是CCD尺寸較大,易產生垂直拖影。第二種是行間轉移性CCD。它是目前CCD的主流產品,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。第三種是幀行間轉移性CCD。它是第一種和第二種的復合型,結構復雜,但能大幅度減少垂直拖影并容易實現可變速電子快門等優點。

線陣CCD

線陣CCD:用一排像素掃描過圖片,做三次曝光————分別對應于紅、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。初期應用于廣告界拍攝靜態圖像,線性陣列,處理高分辨率的圖像時,受局限于非移動的連續光照的物體。

三線傳感器CCD

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碼相機,以產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通常用于低端數碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。

三、CCD傳感器的全幅面CCD

全幅面CCD:此種CCD具有更多電量處理能力,更好動態范圍,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它分成離散的由數目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串行寄存器。此過程反復執行,直到所有的信息傳輸完畢。接著,系統進行精確的圖像重組。

四、CCD傳感器的結構

CCD是由許多個光敏像元按一定規律排列組成的。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~15 00A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。

五、CCD傳感器的特性

①調制傳遞函數MTF特性:固態圖像傳感器是由像素矩陣與相應轉移部分組成的。固態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飽和,這種現象稱為輸出飽和特性。產生輸出飽和現象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產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

CCD傳感器信號照射時,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:單位輻射照度產生的輸出光電流表示固態圖象傳感器的靈敏度,它主要與固態圖像傳感器的像元大小有關。

⑥彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內產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過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣,再生圖像上不應該呈現某種亮度的地方反而呈現出亮度,這種情況稱為彌散現象。

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象叫殘像。

⑦等效噪聲曝光量:產生與暗輸出(電壓)等值時的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。


審核編輯黃昊宇

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