图像传感器原理介绍 (史上最详细的CCD和CMOS介绍)

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内容目录:

Image Sensor的分类有两种:

  1. CCD图像传感器
  2. CMOS图像传感器

CCD图像传感器简介

CCD(Charge Coupled Device ,感光耦合组件简称)是摄像系统中可记录光线变化的半导体,通常以百万像素〈megapixel〉 为单位

CCD图像传感器简介

CCD发展史

  • 1969年,由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年,日本的SONY公司也开始研究CCD。
  • 1973年1月,SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次元影像传感器〝8H*8V (64图素) FT方式三相CCD〞。
  • 1974年6月,彩色影像用的FT方式32H*64V CCD研究成功了。
  • 1976年8月,完成实验室第一支摄影机的开发。
  • 1980年,SONY 发表全世界第一个商品化的CCD摄影机 (编号XC-1) 。
  • 1981年,发表了28万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机MABIKA)。
  • 1983年,19万个图素的IT方式CCD量产成功。
  • 1984年,发表了低污点高分辨率的CCD。
  • 1987年,1/2 inch 25万图素的 CCD,在市面上销售。
  • 同年,发表2/3 inch 38万图素的CCD,且在市面上销售。
  • 1990年7月,诞生了全世界第一台 V8

CCD的分类

  • 从信号传输方式上分:全帧传输CCD、隔行传输CCD两种
  • 从滤镜类型来分:原色CCD和补色CCD;
  • 从感光单元形状和排列方式来分:普通CCD和 超级CCD

CCD外形尺寸规格

感光器外形尺寸感光器外形尺寸表

  • 1英寸—— 靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm。   
  • 2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm,对角线11mm。   
  • 1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm,对角线8mm。   
  • 1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm。   
  • 1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm,对角线4mm。

CCD分辨率

指的就是CCD中有多少像素,也就是指这台数字相机的CCD上有多少感光组件。

CCD的组成结构

CCD和传统底片相比,CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过,人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞,分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展,大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。

黑白CCD的组成结构图

黑白CCD的组成结构图

彩色CCD的组成结构分图

•CCD 的三层结构:上:增光镜片、中:色块网格 下:感应线路

彩色CCD的组成结构分图彩色CCD的组成结构分图

•由微型镜头、马赛克分色网格,及垫于最底层的电子线路矩阵所组成

彩色CCD混色(RGB色)原理

CCD的第二层是『分色滤色片』,这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩辨识的能力。回到源头,CCD 本身仅是光与电感应器,透过分色滤片,CCD 可以分开感应不同光线的『成分』,从而在最后影响处理器还原回原始色彩。

彩色CCD混色(RGB色)原理彩色CCD混色(RGB色)原理

彩色CCD的原色原理

目前CCD有两种分色方式:一是 RGB 原色分色法,另一个则是 CMYG补色分色法,这两种方法各有利弊,过去原色和补色CCD的产量比例约在 2:1左右,2003年后由于影像处理引擎的技术和效率进步,目前超过 80%都是原色 CCD 的天下。

彩色CCD的原色原理

彩色CCD的补色原理

补色CCD由多了一个 Y 黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感度,一般都可设定在 800以上。

彩色CCD的补色原理

彩色CCD的感光层

这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子讯号,并将讯号传送到影像处理芯片,将影像还原。 这个部份可以说是 CCD 真正核心的部份,主要的 CCD 设计大致上分成几个区块。被称为画素 Pixel (Photodiodes)感光二极管,主要是应用于光线感应部份,Gate 区有一部份被用作电子快门,蓝色区块则是布局为电荷通路,用来传导电荷之用。白色区块就是 Charge Drain,也有称为 Shielded Shift Registers ,中文或可翻为电荷储存区,主要功用为收集经二极管照射光线后所产生之电荷。

彩色CCD的感光层

CCD工作方式

分解CCD 结构可以发现,为了帮助 CCD 能够组合呈彩色影像,网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵,这些网格以红R、绿G和蓝B滤镜片所组成(三原色CCD),亦有补色CCD (为CMYG .. Y黄色)。每一个CCD组件由上百万个 MOS电容所构成(光点的多寡端看CCD 的画素而定)。当数字相机的快门开启,来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压,这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位,可能有超过10万个电子被积存起来。

曝光之后所有产生的电荷都会被转移到邻近的移位缓存器中,并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些强弱不一的电荷讯号,会先被送入一个 QV(Electron to voltage converte)之中,将电荷转换成电压;下一步再将电压送入放大器中进一步放大,然后才是 A/D 模拟数字讯号转换器(ADC Analog to Digital Converter)。ADC转换器能将信号的连续范围配合色块码赛克的分布,转换成一个2D的平面表示列,它让每个画素都有一个色调值,应用这个方法,再由点组成网格,每一个点(画素)现在都有用以表示它所接受的光量的二进制数据,可以显示强弱大小,最终再整合影像输出。

图左:阶段一,CCD 接受光线的照射产生电荷 / 图右:阶段二,外加电压将CCD 所『产生』的电荷移往缓冲区

图左:阶段三,电荷转换成电压,电压经 ADC 判读数字讯号 / 图右:阶段四,依顺序将讯号移往缓冲区组合

CCD 接受光线的照射产生电荷

阶段二,外加电压将CCD 所『产生』的电荷移往缓冲区阶段四,依顺序将讯号移往缓冲区组合

CCD电子产生过程

•当光线照射CCD产生电子和电洞(如2.),并在上层的导电闸施以正电+V后,电子会集中在SiO2和Si之间。施电压后储存电子会进行排列,(如3.)

CCD电子产生过程

CCD的工作原理

CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶,光线就象雨滴撒入各个小桶,每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程,就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中,小桶中落进了多少“光滴”,并记在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位来记录,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在记录色彩时可以更精确,尤其是在光线比较暗时。早期的CCD是隔行扫描的,同一时刻,每两行小桶,只有一行被测量,这样可以提高快门速度,但图像精度大为降低。 随着技术的进步,人们已能让CCD记录在几十分之一秒,甚至几千分之一秒的时间里,落进各个“小桶”的“光滴”的量,所以,新的CCD一般都是逐行扫描的。

CCD的工作原理

CCD的ADC 转换电压至数字讯号示意图

ADC 转换电压至数字讯号示意图 : 此 ADC 为8位处理器可以将电压讯号分成 256(0~255) 个位阶判读
ADC 位数的多寡将决定画质的精细程度,目前 SONY 量产 14位之ADC,多数的数字相机都可达到 12位以上

CCD的ADC 转换电压至数字讯号示意图

CCD类型

因应不同种类的工作需求,业界发展出四种不同类型的 CCD :

  • Linear 线性
  • Interline扫瞄
  • 全景 Full-Frame
  • Frame-Transfer 全传

Linear 纯线性

线型CCD是以一维感光点构成,透过步进马达扫瞄图像,由于照片是一行行组成,所以速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。

Interline Transfer 扫瞄型

CCD 的曝光步骤就如同前面所介绍的相同,IL 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储存于缓存器中,组件可以继续拍摄下一张照片,因此速度较快,目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。相对性的缺点则是暂存区占据了部份感光面积,因此动态范围(Dynamic Range - 系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度)较小。不过,由于速度快、成本低,市面上超过 8 成以上的数字相机都采用 IL 型 CCD 为感光组件

全景Full-Frame

全像CCD则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点,FF改良可以利用整个感光区域(没有暂存区的设计),有效增大感光范围,同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同,不过感光和电荷输出过程是分开。因此,使用 FF CCD的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门,以隔离镜头入射的光线,防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门(无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门),同时也限制了FF CCD的连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。

全景Full-Frame

Frame-Transfer 全传

全传 CCD 的架构则是介于 IL 和 FF 之间的产品,它分成两个部分上半部分是感光区,下半部则是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD,它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FT CCD 运作,它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中,本身则可以继续曝光拍照。这个设计,让FT 同IL 一样可以使用电子快门,但同时也可增加感光面积和速度。FT CCD 主要是由 荷兰 Philips 公司开发,后来技术移转给 SANYO 公司发展成 VPMIX 技术。三洋对 VPMIX 的改良相当成功,使它的数字相机能兼具静态和动画的拍摄能力(可达 30 fps 的拍摄速度 - 在动画运用上非常出色)。

此外,FT 型 CMOS 也被应用于 Fill factor CMOS,作为提高高阶 SLR 连拍能力的设计。

Frame-Transfer 全传

彩色CCD的分色图

彩色CCD的分色图

彩色CCD的分色原理

以 GRGB 原色色彩数组来说,R 色滤光片其实内部包含了『洋红』与『黄』两种色调的滤片,透过补色机制(见下图),使其底部的感光区可以感受到『红』色的光线(上图左);相对地,补色 CCD(上图右),同学们可以发现,其中只有一层染料色片,例如 :Y 黄色,就阻挡了蓝光的进入,由红绿两光形成红色色块,也因此补色CCD 可以吸收更多的光线,其感光能力也比原色 CCD 强得多,但处理起来因为还是要还原成 RGB 系,对于影像处理引擎的负担较为沉重。

彩色CCD的分色原理

彩色CCD的插值

彩色CCD在分色计算程序过程中,如果一张数字图片的色彩只有 25%的红色和蓝色与 50%的绿色,这三个素材迭合起来的完成图无法成彩色画面,为了补强色彩不足的部份,CCD 取样完成后,影像处理引擎必须进入『插值 Interpolation』工作阶段,将不足的 75%的红色与蓝色和另外50%的绿色,透过『数据计算』的方式『加』进影像档案之中,使其构成完整各 100%的 RGB 三原色档案,最终合成为一数字照片。

彩色CCD的插值

CCD ISO 感光能力

CCD ISO 感光能力—提高途径

CCD 提高 ISO 的能力通常分为硬体和软件处理上的设计,例如:简化来自特定区域 CCD上的画素信号来提高 ISO 表现(因为CCD无法在物理上增大感光面积,只好联合矩阵在处理上『仿真』大感光面积的方式,所以ISO 越高就必须相对的降低分辨率 - 见下图),但这也相对的降低了影像的色调范围。而软件处理则是根据数据运算,取得合理的曝光表现,但通常也会伴随着噪声的产生。

CCD ISO 感光能力CCD ISO 感光能力

CCD ISO 感光能力—对比图片

CCD ISO 感光能力—对比图片

CCD ISO 感光能力—决定因素

CCD摄像机最大的ISO值主要是取决于最低的可接受的信噪比(S/N)。克服 S/N 的最大关键乃是位于 CCD 组件中的『电极暗电流 - Black level』电荷。

CCD ISO 感光能力—电极暗电流定义

暗电流是指在没有入射光的情况下CCD所仍具有之电荷量,理想的CCD其暗电流应该是零,但部分游离电荷会残存在电极之间,导致没有光线下CCD还是『感应』到些许的『电荷』存在,形成了『看到了』的杂像!

CCD ISO 感光能力—决定因素

CCD ISO 感光能力—电极暗电流影响因素一

S/N的强度还会随温度增高而增加(每增加 10℃,S/N可能增加 1倍)。因此,在连续施加电源过久的情况下,机体温度过热会导致画面的噪声增加。

CCD ISO 感光能力—电极暗电流影响因素二

曝光过度也会使景物较为明亮区域的CCD带有过量电子。一般来说 CCD 会忠实的反应其结果,就是曝光过度的白光!。

不过,在极端情况下,CCD的电子会渗进邻近的电极当中,导致数字影像拖出长白光迹或变色光影。

CCD ISO 感光能力—电极暗电流影响因素CCD ISO 感光能力—电极暗电流影响因素

CMOS图像传感器简介

CMOS 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互补性氧化金属半导体

CMOS Image Sensor外形

CMOS 图像传感器外形CMOS Image Sensor外形

CMOS图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器,主要利用了半导体的光电效应。和CCD的原理相同

CCD 与 CMOS 感光组件之优缺点比较

CCD 与 CMOS 感光组件之优缺点比较

彩色CCD和CMOS差异分析-ISO 感光度差异

CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积,因此在 相同画素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD

彩色CCD和CMOS差异分析-ISO 感光度差异彩色CCD和CMOS差异分析-ISO 感光度差异

彩色CCD和CMOS差异分析-分辨率差异

CMOS 每个画素的结构比 CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的分辨率通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在良率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。

彩色CCD和CMOS差异分析-噪声差异

CMOS每个感光二极管旁都搭配一个 ADC 放大器,如果以百万画素计,那么就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪声就比较多

彩色CCD和CMOS差异分析-成本差异

CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部周边设施于单芯片中,节省加工芯片所需负担的成本 和良率的损失;相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出信息,必须另辟传输信道,如果信道中有一个画素故障(Fail),就会导致一整排的 讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加 ADC 等,CCD的制造成本相对高于CMOS。

彩色CCD和CMOS差异分析-耗电量差异

CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS

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