ccd的类别与应用.docVIP

CCD和CMOS图像传感器的异同剖析 图1 CCD和CMOS芯片的封装 图像传感器（Image Sensor）作为摄像机、数码相机的成像器件，举足轻重地决定着图像的质量和性能指标。图像传感器有CCD和CMOS两种，CCD（Charge Coupled Device）意为“电荷耦合器件”，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）意为“互补金属氧化物半导体”。二者的基本作用是完全一样的：都是将不同强度的光线转换为不同幅度的图像信号。CCD和CMOS图像传感器都属于大规模集成芯片，芯片上集成有几十万到上千万不等的成像单元及电荷转移、移位缓存等电路，其封装相似，如图1所示。 CCD和CMOS图像传感器上的一个光敏单元叫做一个像点（Photosite），像点越多，图像分辨率越高（标清摄像机用CCD的像点数一般为几十万个，而高清机为二百万个左右）。另一方面，成像单元越多，制造成品率越低，成本越高。 下面从工艺和电路结构入手，对两种传感器的工艺结构、基本原理及性能特点等作一简单剖析和对比。 一、CCD图像传感器 1．基本工作原理 CCD图像传感器的工艺结构和基本工作原理如图2所示。右边虚线框内为CCD芯片，左边虚线框内为芯片的外围电路。首先，CCD芯片的成像单元在一定光照下形成电荷积累（光子转电子），然后在一组时序脉冲的控制下，电荷被转移到读出寄存器中，转换为图像信号后传输到CCD芯片的外围电路，经外围电路模拟放大和模数转换后，最后输出到数字信号处理（DSP）电路作进一步处理。 图2 CCD芯片及其外围电路 2．CCD的类别 在工艺结构上，CCD有线阵和面阵两种，线阵CCD的像点只有一行，呈一维线状，只用于特殊的工业领域。面阵CCD的像点呈行、列分布，形成一平面点阵，摄像机、数码相机上用的CCD都属于面阵CCD。根据电荷转移的方式，面阵CCD又分三种：帧转移CCD、行间转移CCD和帧行间转移CCD。 帧转移CCD（Frame Transfer CCD：FT CCD）是最早出现的一种CCD类型，由集成了感光单元的成像区（曝光区）和集成了大容量寄存器并作遮光处理的存储（读出）区构成。场正程期间，曝光区积累电荷，场逆程期间，电荷快速转移到读出区的垂直移位寄存器。在垂直移位寄存器中，像素信号在每一个行逆程期间向前推进一行，然后在行正程期间，由水平移位寄存器逐点读出。FT CCD的优点是结构较简单，容易提高像点总量，缺点是尺寸偏大，成本高，主要用于天文及重要的工业领域，其封装结构如图3所示。 图3 FT CCD的封装 图4 IT CCD的工艺架构 行间转移CCD（Interline Transfer CCD：IT CCD）的曝光区以列为单位和垂直移位寄存器交叉并置于同一区域，如图4所示。场正程期间，像点单元积累电荷，场逆程期间，每一列的电荷横移到垂直移位寄存器，然后在每一个行逆程期间下移一行，在行正程期间由水平移位寄存器逐点读出。IT CCD的工艺特点有利于改善图像的垂直拖尾现象，且制造成本相对较低，在画质、尺寸、成本等方面是最为“均衡”和“标准”的一种类型，绝大多数摄像机和数码相机采用的都是这一类CCD。 帧行间转移CCD（Frame InterlineTransfer CCD：FTT CCD）的成像区和IT CCD相似，成像区与存储区的关系和FT CCD相似。FTT CCD的电荷从成像区向存储区的转移是于场逆程期间在经过光屏蔽的存储列中完成的，基本根除了图像的垂直拖尾现象，并具有易实现可变速电子快门等优异性能，但成本偏高，只应用于高端摄像机及一些特殊的领域。 CCD芯片光敏（成像）单元的核心是MOS电容或光电二极管，属于无源像素（Passive Pixel），它只能将不同的光线照度转换为一定的电荷量，而不能将一定的电荷量转换为对应的电压值。也就是说，其电荷转换为电压以及放大等环节都是从光敏单元转移出来之后完成的。因此，就感光单元而言，CCD的电路结构远比CMOS简单，但是在电荷耦合、转移、输出等环节上，CCD远比CMOS复杂的多。 不管一块CCD芯片上有多少个成像单元，像点电荷都是以行（Line）为单位一步一步地（每个行周期向下移动一步）转移到读出区（水平移位寄存器）的，这一特点制约了CCD的工作频率。另外，这种电荷传递方式只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整的数据不能传送，成品率，。Active Pixel Sensor），其光子转 电子、电子转电压及缓冲放大等作用都是在成像单元内完成的。CMOS成像单元的电路构成如图5所示，图中D为光电二极管，作用是将光子转换为电子，T2是源极跟随器，起电压缓冲和电流放大作用，T3工作于开关状态，在行地址脉冲的控制下将T2源极