图像传感器原理介绍(CCD和CMOS介绍)(V1.2)

Confidential2020/1/21图像传感器原理介绍（CCD和CMOS介绍）Ver.1.2未经许可，不得随意拷贝和转发基础篇未经许可，不得随意拷贝和转发ImageSensor的分类ImageSensor的分类有两种：1.CCD图像传感器2.CMOS图像传感器未经许可，不得随意拷贝和转发CCD图像传感器简介ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合组件简称）未经许可，不得随意拷贝和转发CCDIMAGESENSOR外形未经许可，不得随意拷贝和转发CCD通用外形为摄像系统中可记录光线变化的半导体，通常市面所见外形如下图，通常以百万像素〈megapixel〉为单位。未经许可，不得随意拷贝和转发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*64VCCD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，1/2inch25万图素的CCD，在市面上销售。同年，发表2/3inch38万图素的CCD，且在市面上销售。1990年7月，诞生了全世界第一台V8。未经许可，不得随意拷贝和转发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未经许可，不得随意拷贝和转发CCD生产厂家目前有能力生产CCD的公司分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，泰半是日本厂商。未经许可，不得随意拷贝和转发CMOS图像传感器简介ＣＭＯＳ英文全名ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补性氧化金属半导体未经许可，不得随意拷贝和转发CMOSImageSensor外形未经许可，不得随意拷贝和转发CMOS发展史1989年，CMOS图像传感开始研制出来。1990年，CMOS专用的DSP研发成功2002年，CMOS的C3D（ＣＭＯＳＣｏｌｏｒＣａｐｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ）技术应用未经许可，不得随意拷贝和转发CCD画素多寡与尺寸大小没有绝对关系未经许可，不得随意拷贝和转发CCD外形尺寸规格传统4：3的规格走向16：9/16：10更宽广的界线。然而，大多数DSC消费型数字相机的CCD长宽比，依然沿袭1950年代电视规格标准刚制订时4：3的标准（3：2主要仍为DSLR数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。未经许可，不得随意拷贝和转发CCD外形尺寸信息未经许可，不得随意拷贝和转发原理篇未经许可，不得随意拷贝和转发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全传未经许可，不得随意拷贝和转发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。未经许可，不得随意拷贝和转发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。未经许可，不得随意拷贝和转发黑白CCD的组成结构图未经许可，不得随意拷贝和转发彩色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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未经许可，不得随意拷贝和转发彩色CCD运行图未经许可，不得随意拷贝和转发彩色CCD运行图说明是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的总画素，又要确保单一画素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此，必须扩展单一画素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积，反而使画质变差。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问题SONY率先在每一感光二极管上（单一画素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一画素的大小，又可在规格上提高了开口率，使感光度大幅提升。未经许可，不得随意拷贝和转发彩色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。未经许可，不得随意拷贝和转发彩色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。未经许可，不得随意拷贝和转发彩色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。未经许可，不得随意拷贝和转发彩色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ChargeDrain，也有称为ShieldedShiftRegisters，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。未经许可，不得随意拷贝和转发CCD工作方式一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。未经许可，不得随意拷贝和转发CCD工作方式二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未经许可，不得随意拷贝和转发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。未经许可，不得随意拷贝和转发CCD工作方式三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（Electrontovoltageconverte）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（ADCAnalogtoDigitalConverter）。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。未经许可，不得随意拷贝和转发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位以上未经许可，不得随意拷贝和转发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。未经许可，不得随意拷贝和转发InterlineTransfer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（DynamicRange-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为感光组件未经许可，不得随意拷贝和转发全景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FFCCD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FFCCD的连续拍摄能力。Full-FrameCCD大多被用在顶级的数位机背上。未经许可，不得随意拷贝和转发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-TransferCCD非常的类似Full-FrameCCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FTCCD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。FTCCD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30fps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FillfactorCMOS，作为提高高阶SLR连拍能力的设计。未经许可，不得随意拷贝和转发全帧传输CCD和隔行传输CCD的工作原理在每个像素单元中，有70％的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的光