圖像傳感器的工作原理五

1、圖像傳感器的工作原理 圖像傳感器包括： CCD和CMOS兩種 CCD：電荷耦合器件，感光半導(dǎo)體器件。 CMOS:互補金屬氧化物半導(dǎo)體。 生產(chǎn)商：SONY、PHILIPS、KODAK、FUJI、SHARP、Panasonic、SANYOCCD的分類 按結(jié)構(gòu)分： 線陣CCD和面陣CCD 線陣CCD： 每次只拍攝圖像的一條線，且只能拍攝靜態(tài)的景物、曝光時間長、拍攝精度高但速度慢。 面陣CCD： 也稱為矩陣CCD，拍攝時圖像被一次同時曝光、拍攝速度快可以拍攝動態(tài)的景物。CCD線性 Linear 掃描Interline 全像 Full-Frame 全傳Frame-Transfer 超級 SUPERCCD

2、按工作原理按工作原理分類分類CCD 的三層結(jié)構(gòu)：上：聚光鏡片 中：彩色濾鏡陣列下：感應(yīng)電路聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路 Linear 線性 CCD 是以一維感光點構(gòu)成，通過步進馬達掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較使用2維CCD的數(shù)位相機慢。這種CCD 大多用于平臺式掃描器之上。 Interline 掃描型掃描型 CCD 快門聚光片彩色濾鏡陣列感光區(qū).暫存區(qū)暫存器A/D轉(zhuǎn)換光線光線光線光線濾色 光電荷電流信號數(shù)字信號特點： 曝光后可將電荷儲存于暫存器中，元件可以繼續(xù)拍攝下一張照片，因此速度較快 暫存區(qū)占據(jù)了感光點的面積，因此動態(tài)范圍（系統(tǒng)最亮與最 暗之間差距所能表現(xiàn)的程度）較小 由於其

3、速度快、成本較低，因此市面上超過 86以上的數(shù)碼相機都以IL型CCD 為感光元件感光區(qū) Full-Frame 全像全像 CCD 快門聚光片彩色濾鏡陣列感光區(qū)A/D轉(zhuǎn)換光線光線光線濾色 光電流信號數(shù)字信號特點：可以利用整個感光區(qū)域（沒有暫存區(qū)的設(shè)計），有效增大感光范圍，同時也適用長時間曝光。 感光和電荷輸出過程分開。因此，使用FF的數(shù)位相機在傳送電流信號時必須完全關(guān)閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，這樣就降低了拍攝速度，限制了它的連拍功能。Frame-Transfer 全全傳傳 CCD快門聚光片彩色濾鏡陣列感光區(qū)暫存器A/D轉(zhuǎn)換光線光線光線濾色 光電荷電流信號數(shù)字信號特點： 介于掃描和全像CCD之間

4、，具有分離的大型的感光區(qū)和暫存區(qū)這個設(shè)計可以讓它具有較快的拍攝速度和較大的感光面積富士 SUPER CCD 特點：CCD排列為不同于其它矩陣式排列，而是采用“蜂巢”式的八邊形排列組合。它的特殊排列方式可最大限度的有效利用CCD面積進行感光。矩陣式排列“蜂巢”式排列 CCD ISO 感光能力 （數(shù)碼相機 ISO）2、數(shù)碼相機最大的ISO值主要是取決於最低的可接受的信 噪比（S/N） 噪點：CCD由于受到周邊電路和本身像素間的光電磁干擾，而在不 工作時仍可感應(yīng)到的電流信號，顯示出來表現(xiàn)為雜點。 按照膠片對光的化學(xué)反應(yīng)速度可分為： ISO 100、ISO 200、ISO400 傳統(tǒng)相機主要通過對膠卷

5、盒上的DX編碼來確認其感光度CCD感光存儲單元CCD動作示意圖CCD的動作分解 1、光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成電信號） 2、電荷的存儲（存儲信號電荷） 3、電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號電荷） 4、電荷的檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換為電信號）CCD 的光電轉(zhuǎn)換 在P 型單晶硅的襯底上生長一層很薄的絕緣氧化物層（二氧化硅），當(dāng)景物的光線照射到氧化物層表面時，就在氧化物層與P 型硅之間產(chǎn)生電荷，而且電荷的數(shù)量與照射的光強度及被照時間成正比。CCD 的電荷存儲 當(dāng)電極加上一個正電壓時，它形成的電場穿過氧化層而在對應(yīng)電極的下方形成一個電荷耗盡區(qū)，即在二氧化硅與P 型硅的界面上得到一個存儲電荷的勢阱，吸收電荷留在阱內(nèi)，所加電壓

6、越大，勢阱越深，電荷更多地留在阱內(nèi)。CCD 的電荷轉(zhuǎn)移 勢阱的深度由電極上的電壓高低而定，電壓越高、勢阱越深。勢阱內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移趨勢就像水往低處流一樣，總是向著深阱處移動。這樣，如果有規(guī)律地改變電極電壓，使阱深發(fā)生變化，就可以使電荷向著既定的方向移動。電荷的檢測 電荷的檢測是：從CCD圖像傳感器的光電二極管起，到達輸出部之前將轉(zhuǎn)移的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號的動作。 就是將轉(zhuǎn)移過來的電荷轉(zhuǎn)換成電容器兩端的電壓變化FD，電容器兩端的電壓變化V,可利用轉(zhuǎn)移過來的信號電荷量Q與電容器的電容C之間的關(guān)系來表示： VFD=Q/ CFD FD信號再經(jīng)過放大器放大后作為CCD的信號輸出CCD的信號轉(zhuǎn)移方式 1、幀轉(zhuǎn)

7、移方式 進行幀轉(zhuǎn)移方式的CCD，包括攝影區(qū)域必須具有同等面積的存儲區(qū)域，以致于因轉(zhuǎn)移電極導(dǎo)致的感光度下降或幀轉(zhuǎn)移時漏光等缺點。 2、行間轉(zhuǎn)移方式 由于光電轉(zhuǎn)換部與轉(zhuǎn)移部分離，光電二極管可感受入射光，垂直CCD可進行遮光，因此光電轉(zhuǎn)換結(jié)束后信號電荷有充足的時間轉(zhuǎn)移，這種方式不需要儲存部，可使CCD可以更小型化。 3、幀行間轉(zhuǎn)移 結(jié)合了前面兩種CCD的優(yōu)勢可以制作高性能的圖像傳感器。 幀轉(zhuǎn)移方式：在垂直消隱期間內(nèi)把儲存區(qū)域的信號電荷逐行轉(zhuǎn)移到水平CCD再經(jīng)過水平轉(zhuǎn)移到電荷檢測部 行間轉(zhuǎn)移方式： 由光電二極管負責(zé) 光電轉(zhuǎn)換與儲存功能， 在垂直消隱期間把電 荷轉(zhuǎn)移到相鄰的垂直 CCD,稱為讀出轉(zhuǎn)移。

8、在水平消隱期間進行逐行轉(zhuǎn)移到水平CCD 在圖像水平期間向 FD放大器水平轉(zhuǎn)移 幀行間轉(zhuǎn)移：在垂直消隱信號期間由光電二極管進行信號電荷的讀出轉(zhuǎn)移，并送往垂直CCD,在垂直消隱信號結(jié)束前所有的信號電荷利用幀轉(zhuǎn)移高速轉(zhuǎn)移到儲存部，進入垂直圖像期間后在水平消隱期間利用線轉(zhuǎn)移將信號逐行送到水平CCD.水平CCD送來的單行電荷在水平圖像期間內(nèi)向FD進行水平轉(zhuǎn)移CMOS圖像傳感器 CCD和CMOS的結(jié)構(gòu)比較信號轉(zhuǎn)移區(qū)別CCD的維修 CCD是較易損的元件，尤其是2006年以前生產(chǎn)的數(shù)碼相機和攝像機，均為采用索尼公司2002年10月至2004年3月期間生產(chǎn)的成像元器件（CCD）的機器。日本各大廠商于2005年10月已經(jīng)相繼公布出現(xiàn)問題的機型，并承諾延長保修期。 CCD故障原因分析故障原因分析 受使用環(huán)境影響 ： 如在溫差大、濕度高的環(huán)境下使用和保養(yǎng)，CCD芯片的引腳出現(xiàn)頻繁的熱脹冷縮容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。 受靜電的影響： 在相機使用完后，CCD中存儲的電荷并沒有完全的釋放完，還有部分殘留在移位寄存器內(nèi)。 相機本身也是一個容易產(chǎn)生靜電的電器，人體的靜電也會通過機內(nèi)的金屬而傳到電路上。 故障現(xiàn)象故障現(xiàn)象 CCD損壞的情況多數(shù)是芯片引腳脫焊或斷裂的現(xiàn)象 ,所引起的故障現(xiàn)象：1. 取景黑屏、回放正常2. 取景花屏、回放正常3. 取景