新颖CCD图像传感器最新发展及应用

色 CCD 图像传感器等 CCD 图像传感器的最新发展现状 , 同时也介绍了 CCD 图像传感器的原理、 特点、 发展趋势及面临的众多挑战。 关键词 器 图像传感器 CCD EMCCD ITO - CCD RGBE - CCD FoveonX3全色 CCD 图像传感
1 引
言
电 荷 耦合 器 件
属 - 氧化物 - 半导体 ) 结构。 CCD 的基本功能是 电荷的存储和电荷的转移。工作时 , 需要在栅电 极加上一定的偏压, 形成势阱以容纳电荷 , 电荷的 多少基本与光强成线性关系。电荷读出时, 在一 定相位关系的移位脉冲作用下, 从一个势阱移到 下一个势阱, 直 到移出 CCD, 经过电 荷 电压变 换 , 转换为模拟信号。由于 CCD 每个像素的势阱 容纳电荷的能力是有一定限制的, 如果光照太强, 一旦势阱 中被电荷 填满, 电 子将 产生 溢 出 !现 象。另外, CCD 的电荷读出时 , 是从一个 势阱到 下一个势阱的电荷转移过程, 存在电荷的转移损 失问题。 CCD 图像传感器的结构和工作原理, 决定了 这类器件有以下优点 : * CCD 是一种固体化器件, 体积小、 重量轻、 可靠性高、 寿命长 ; * 图像畸变小, 尺寸重现性好; * 具有较高的空间分辨率 ; * 光敏元间距的几何尺寸精度高, 可获得较 高的定位精度和测量精度 ; * 具有较高光电灵敏度和较大动态范围。
第 24 卷第 3 期 2006 年 9 月
集成电路通讯
JICHENGDIANLU TONGXUN
Vo. l 24 N o . 3 Sep . 2006
新颖 CCD 图像传感器最新发展及应用
程开富
(中国电子科技集团公司第 44 研究所 摘 要 重庆 400060)
本文概述了 EMCCD、 Super HAD CCD、ITO - CCD、ISIS- CCD、 RGBE - CCD、 F oveonX3 全
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二极管提供不同的感光标准。
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在图像 输 出 时 采 用 跳 跃读 出 方 式。而 且 传 统 CCD 水平方向的像素中只有两种颜色 , 必须读出 两行数据才能形成彩色。 Super CCD 每行像素中 则包含 R、 G、 B 三种颜色, 除了以 1 / 2 或其他比率 进行垂直跳跃读出外 , 还可以进行水平 1 / 3 跳跃 读出, 可以获得高质量的视频输出。与传统 CCD 不同的是, Super CCD 的电荷通道更加宽阔, 能够 高速传输数据, 因此所有像素的数据可以一次读 出 , 只要简单的电子快门控制就够了 , 这使得它具 有进行快速精确连续拍摄的潜能。基于 60 余年 的照相行业经验积淀 , 富士充分感悟到了分辨率, 感光度和动态范围对于照 片成像质量的 重要影 响。 2000年 , 富 士的第一代 商业化超 级 CCD 很 好地平衡了这些要素 , 全面提高这些要素的指标; 2001年 , 第二代超级 CCD 进一步提高 了数码相 机的分辨率 ; 2002 年 , 第三代超级 CCD 大大提高 了感光度; 2003 年 1 月推出 的第四 代超 级 CCD HR 飞跃地提高了分辨率 , 同时 , 超级 CCD SR 大 大拓宽了数码相机输出照片的动态范围。 3 . 2 . 1 第四代 Super CCD SR 技术简介 全新的 Super CCD SR 技术的 SR 含义在于 " Super Dyna m ic Range", 这种技术可以在现有的传 统 CCD 技术上提升两倍甚至更高的动态延伸效 果 , Super CCD SR 的概念是在 CCD 传感器的表面 每个微透镜上都带有两个光敏二极管 , 其中一个 负责捕捉较为敏感的黑色以及正常光线标准下的 信号, 而另一个则负责捕捉亮度更高的区域部分 信号, 两个光敏二极管分别捕捉的光信号再通过 相机合成为一张完整的照片, 从而提供了超越普 通 CCD 多达二档光圈的惊人动态响应。 Super CCD SR 技术将 CCD 的动态范围扩展 到了接近普通传统负片胶卷的水平 , 意味着装备 富士 Super CCD SR 技术的数码相机按光线极弱 或极强的环境下都可以拍摄到清晰的画面。富士 认为现有的负片技术是由多层不同标准感光实现 的 , 并且 还能够提供非常广的动态延伸范围 , 而 Super CCD SR 技术也正是针对这样的效果进行 设计的 , 并且效仿负片的感光方式通过两个光敏
型 号 像素数 128 ∀ 128 128 ∀ 128 512 ∀ 512 512 ∀ 512 512 ∀ 512 1024 ∀ 128 2048 ∀ 2048 576 ∀ 288
2048 ∀ 2048像素的电子倍增 CCD ( E lectron M u lti plying CCD 简称 E M CCD )。这种帧转移 EMCCD 的结构包括先进的增益移位寄存器、 成像区、 存储 区、 移位寄存器和输出放大器。据称这是该公司 首次研制成功的当今世 界上最灵敏的成 像探测 器。其特点有: 高量子效率 ; 高灵敏度; 高信噪比; 高的空间分辨率; 高的读出速率; 高帧速工作; 可 用来做单光子检测的科学级 CCD 照相机; 可变的 增益控制; 可比拟的信噪比 ; 免维护操作 ; 5 年真 空质量保证。用先进的热电致冷技术使 EMCCD 芯片工作温度达 - 90# 。在国内, 北京东方科泰 科技发展公司采用 EM CCD 芯片开发成功了二维 微光光谱和成像测量系统、 二维瞬态光谱以及成 像测量系统等。这些成像测量系统主要用于弱光 检测、 生命科学中的 DNA 标记; 药物的发明 ; X 射 线成像与光谱检测; 生物和医学成像等。 EMCCD 实际上是一种新颖的增强型 CCD。表 1 列出了 已报道的部分 EM CCD 的性能参数。
2 CCD 工作原理及其特点简述
电荷耦合器 件 ( CCD) 的突出 特点是以 电荷 为信号 , 而不同于其它大多数器件是以电流或者 电压为信号。构成 CCD 的 基本单元是 MOS ( 金
3 CCD 图像传感器最新发展现状
3 . 1 EMCCD 摄像器件 在微光摄像技术领域 , 微光摄像器件不断推
20 世纪 70 年代 初, 随着 MOS 技术的成 熟, 三种 典 型 的 固 体 摄 像 器 件 ( CCD )、 电荷注 入器 件 ( CID )、 光电二 极管 阵列 ( PDA )得到了 迅速发展。在这三 种固体摄 像器 件中, CCD 发展最为迅速。 CCD 及其应用技术的 研究取得了惊人的进展。到 20 世纪 90 年代初, CCD 技术已比较成熟。作 为一种新型光 电转换 器件被广泛应用 , 特别是在图像传感和非接触测 量领域的发展则更为迅猛。随着 CCD 应用范围 的扩大 , 其缺点逐渐暴露出来。为此 , 人们又开发 出了另外几种固体图像传感器技术。即超级 ( Su per) CCD、 SuperHAD CCD、 EXv iew HAD CCD、 ITO - CCD、 EBCCD、 EMCCD 和 ISIS - CCD 等。这里 主要简介 最近 几年发 展起 来的 电子 倍增 CCD、 I TO - CCD、ISIS - CCD、 RGBE - CCD、FoveonX3 全色 CCD 图像传感器等固体图像传感器的最新 发展现状同时也介绍了 CCD 图像传感器发展趋 势及面临的众多挑战。
研究结果, Super CCD 的像素都按 45∃ 角排列从而 形成了一 个蜂窝状结构。控制信号通道 被取消 了 , 为光电二极管留出更多的空间。光电二极管 是八角形的 , 非常接近于微透镜的圆形, 因此, 可 以更有效地吸收光。 Super CCD 把无助于图像记 录的空间减少到最低限度 , 感光效率、 感光度和信 噪比得到了提高 , 动态范围得以扩大。 Super CCD 的 读出 采 用了 水平 跳跃 读出 方 式 , 虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量, 但由于竖直线条读出速度太慢 , 传统 CCD 还必须
富士的 Super CCD 技术从诞生到现在一直都 是褒贬不一的, 实际一点地说 Super CCD 能够实 现成像像素的有效提高, 但是在细节表现和成像 效果上一直遭到专业眼光的怀疑和贬低, 富士全 新的 Super CCD SR 技术在很大一方面就是针对 现有的 SuperCCD 技术 进行的修正 和补充 , 有效 提高成像像素的同时在细节和成像质量上加以优 化 , 这样才能真正满足消费者日以挑剔的需求。 3 . 2 . 2 应用产品发展计划 到目前为止 , 围绕数码影像技术的争论一直 没有停止, 而目前争论的主要重点还是简单的放 在数码相机自身具备的实际拍摄像素标准上, 富 士认为目前争论的主要问题应该属于数码相机所 捕捉 的影像 在各 个细部 级别标 准的体 现上 , 而 Super CCD SR 技术也正是针对这个问题所设计 的 , 相对于过去的 CCD 技术而言 , 新的 SuperCCD SR 技术将能够提供真实度很高的表现效果 , 包括 显著的细节表现和增强型的动态延伸效果, 无论 是暗部还是亮部的细节 都能够非常好的 体现出 来。 其次, 关于数码相机 CCD 像素数的竞争也越 来越激烈, 期间, 图像感应器芯片的尺寸并没有增 加。这样每个像素的尺寸在不断减小。在富士最 新的超级 CCD 中 , 1 /1 . 7 英寸的芯片上总共集成 663万像素 , 配备这种芯片的数 码相机可以产生 1230万的记录像素。类似的 , 1 / 2 . 7 英寸的芯片 上总共集成 314 万像素, 可以产生 600 万的记录 像素。除了大幅度提高分辨率, 相比第三代超级 CCD, 第四代超级 CCD 的感光度也得到提升。为 此 , 富士公司对发展配备第四代超级 CCD 数码相 机规格计划如下 : 作为世界上数码相机制造技术的领跑者, 富 士将会推出更多创新性的方案从而开拓数码相机 高品质图 像的新时代。通过提高分辨率 和感光 度 , 数码相机的成像品质也在不断提升, 正在渐渐 逼近传统胶片的输出效果。但是迄今为止, 在重 要的成像质量评价指标面前, 特别在连续色调方
富士的superccd技术从诞生到现在一直都是褒贬不一的实际一点地说superccd能够实现成像像素的有效提高但是在细节表现和成像效果上一直遭到专业眼光的怀疑和贬低富士全superccdsr技术在很大一方面就是针对现有的superccd技术进行的修正和补充有效提高成像像素的同时在细节和成像质量上加以优2应用产品发展计划到目前为止围绕数码影像技术的争论一直没有停止而目前争论的主要重点还是简单的放在数码相机自身具备的实际拍摄像素标准上士认为目前争论的主要问题应该属于数码相机所捕捉的影像在各个细部级别标准的体现上superccdsr技术也正是针对这个问题所设计相对于过去的ccd技术而言superccdsr技术将能够提供真实度很高的表现效果包括显著的细节表现和增强型的动态延伸效果无论是暗部还是亮部的细节都能够非常好的体现出其次关于数码相机ccd像素数的竞争也越来越激烈期间图像感应器芯片的尺寸并没有增加
最大帧 速 ( fps) > 400 > 400 > 40 > 30 > 30 读出 速率 (MH z) 10 10 10、 5、 1 10、 5、 1 10、 5、 1
表 1 已报道的部分 EM CCD 的性能参数 像素尺寸 ( m 2 ) 24 ∀ 24 24 ∀ 24 20 ∀ 30 16 ∀ 16 16 ∀ 16 13 . 5 ∀ 13. 5 26 ∀ 26 20 ∀ 30
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陈出新。电子倍增 CCD 是在增强型 CCD( ICCD ) 和电子轰击 CCD ( EBCCD ) 的基础上发展起来的 新型微光成像器件 , 该器件配有特殊的读出寄存 器 , 可以放大或倍增来自每个像素的信号。它放 大 CCD 的内禀读出噪声之上的信号 , 确保噪声不 再限制微光读出。在要求高灵敏度的应用中, 电 子倍增 CCD( EM CCD) 优于增强 CCD ( ICCD )与电 子轰击 CCD ( EBCCD) 。初步的研究表明, 前者比 后者对 微 光 有较 好 的 信 噪比。电 子 倍 增 CCD ( EMCCD) 与增强 CCD( ICCD) 一样可以探测单个 光电子 , 但是因为它是 CCD, 它比增强成 像系统 具有更高的量子效率, 更高的空间分辨率和更好 的响应均匀性。作为固体摄像器件 , 它提供了更 可靠的系统。在未来的 5年中 ( 即 2008 年 ) , EM CCD 将成为微光成像的标准。 据 http : / /www. andor- tech . com 报道 : andor - techno logy 公司研发出了 128 ∀ 128 、 512 ∀ 512 、 576 ∀ 288 、726 ∀ 902 、1815 ∀ 2256 、1024 ∀ 128 、
DV860- B1 DV860- F 1 DV865 DV887- B1 DV887- F 1 DW 4K 2 DW 436 DV465( C)
1Hale Waihona Puke 3 . 2 超级 ( Super) CCD 传统 CCD 中由于光电二极管是矩形的 , 其尺 寸受到限制。制造商们尽管不断地增加像素以提 高图像质量 , 同时缩小了像素和光电二极管的面 积 , 但光吸收的低效率成为提高感光度、 信噪比和 动态范围的另一个障碍。 科学工作者们为了寻求更好的解决方法, 对 人类视觉进行了全面的研究, 他们得到一个结论: 像信息的空间频率功率都 聚集在水平和 垂直轴 上 , 最低的功率在 45∃对角线上。根据这 一理论