CCD图像传感器原理及应用

CCD图象传感器CCDCCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，它是由大量独立的感光单元（像素）按照矩阵形式排列组成的。能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般情况下就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色，其色块按G-R-G-B(绿-红-绿-蓝)的顺序排列，使每一片滤镜单元下的感光单元感应不同的颜色。原理CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的时钟时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。结构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)，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SiO2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。上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。CCD与CMOS（互补金属氧化物半导体）区别与联系1、两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据。2、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，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。CMOS和CCD最大的区别是CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的3、CMOS相比CCD非常省电，CMOS传感器的灵敏度会低于CCD传感器，CCD分辨率高自从佳能公司在专业数码单反相机EOSD30中采用了CMOS以来，已经有越来越多的数码单反相机使用它，目前数码单反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感器。CMOSCMOS技术已发展了数十年，CPU和内存便是由CMOS组成。但直到1998年它才被用于制作图像传感器。CMOS的优点是结构比CCD简单，耗电量只有普通CCD的1/3左右，并且它的制造成本比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反相机EOSD30中采用了CMOS以来，已经有越来越多的数码单反相机使用它，目前数码单反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感器。