图像传感器的工作原理五

CCD 的光电转换
在P 型单晶硅的衬底上生长一层很薄的绝缘氧化 物层（二氧化硅），当景物的光线照射到氧化物 层表面时，就在氧化物层与P 型硅之间产生电荷， 而且电荷的数量与照射的光强度及被照时间成正 比。
CCD 的电荷存储
当电极加上一个正电压时，它形成的电场穿过氧化层而 在对应电极的下方形成一个电荷耗尽区，即在二氧化硅 与P 型硅的界面上得到一个存储电荷的势阱，吸收电荷 留在阱内，所加电压越大，势阱越深，电荷更多地留在 阱内。
图像传感器的工作原理
图像传感器包括：

CCD和CMOS两种
CCD：电荷耦合器件，感光半导体器件。
CMOS:互补金属氧化物半导体。
生产商：SONY、PHILIPS、KODAK、FUJI、 SHARP、Panasonic、SANYO
CCD的分类
按结构分：

线阵CCD和面阵CCD
线阵CCD：
帧转移方式： 在垂直消隐期间 内把储存区域 的信号电荷逐行 转移到水平CCD 再经过水平转移 到电荷检测部
行间转移方式： 由光电二极管负责 光电转换与储存功能， 在垂直消隐期间把电 荷转移到相邻的垂直 CCD,称为读出转移。 在水平消隐期间进行 逐行转移到水平CCD 在图像水平期间向 FD放大器水平转移
CMOS图像传感器
CCD和CMOS的结构比较
信号转移区别
CCD的维修
CCD是较易损的元件，尤其是2006年 以前生产的数码相机和摄像机，均为 采用索尼公司2002年10月至2004年3 月期间生产的成像元器件（CCD）的 机器。日本各大厂商于2005年10月已 经相继公布出现问题的机型，并承诺 延长保修期。
就是将转移过来的电荷转换成电容器两端的电 压变化FD，电容器两端的电压变化△V,可利用 转移过来的信号电荷量Q与电容器的电容C之间 的关系来表示： △VFD=Q/ CFD
FD信号再经过放大器放大后作为CCD的信号 输出
CCD的信号转移方式
1、帧转移方式 进行帧转移方式的CCD，包括摄影区域必须具有同
Frame-Transfer 全傳 CCD
①工作原理：
光线
光线
光线
滤色 光
电荷
电流信号
数字信号
Baidu Nhomakorabea
暂存器
A/D转换
快 门
聚光片 彩色滤镜阵列 感光区
②特点：
● 介于扫描和全像CCD之间，具有分离的大型的感光区和暂存区
●这个设计可以让它具有较快的拍摄速度和较大的感光面积
富士 SUPER CCD
矩阵式排列
CCD 的电荷转移
势阱的深度由电极上的电压高低而定，电压越高、 势阱越深。势阱内电荷的转移趋势就像水往低处 流一样，总是向着深阱处移动。这样，如果有规 律地改变电极电压，使阱深发生变化，就可以使 电荷向着既定的方向移动。
电荷的检测
电荷的检测是：从CCD图像传感器的光电二 极管起，到达输出部之前将转移的信号电荷转换 成电信号的动作。
帧行间转移： 在垂直消隐信号期间 由光电二极管进行信 号电荷的读出转移， 并送往垂直CCD,在垂 直消隐信号结束前所 有的信号电荷利用帧 转移高速转移到储存 部，进入垂直图像期 间后在水平消隐期间 利用线转移将信号逐 行送到水平CCD. 水平CCD送来的单行 电荷在水平图像期间 内向FD进行水平转移
超级 SUPER
聚光镜片
彩色滤镜阵列
CCD 的三层结构： 上：聚光镜片 中：彩色滤镜阵列
下：感应电路
感应电路
Linear 线性 CCD
是以一维感光点构成，通过步进马达扫描 图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使 用2维CCD的数位相机慢。这种CCD 大多用于 平台式扫描器之上。
Interline 扫描型 CCD

每次只拍摄图像的一条线，且只能拍摄静
态的景物、曝光时间长、拍摄精度高但速度慢。
面阵CCD：

也称为矩阵CCD，拍摄时图像被一次同时
曝光、拍摄速度快可以拍摄动态的景物。
CCD按工作原理分类
CCD
线性 Linear
扫描 Interline
全像
全传
Full-Frame Frame-Transfer
①工作原理：
光线
光线
光线
滤色 光
电荷
电流信号
数字信号
暂存器
A/D转换
快 门
聚光片 彩色滤镜阵列 感光区.暂存区
②特点：
● 曝光后可将电荷储存于暂存器中，元件可以继续拍摄下一张照片， 因此速度较快
● 暂存区占据了感光点的面积，因此动态范围（系统最亮与最 暗之 间差距所能表现的程度）较小
● 由於其速度快、成本较低，因此市面上超过 86％以上的数码相机 都以IL型CCD 为感光元件
传统相机主要通过对胶卷盒上的DX编码 来确认其感光度
2、数码相机最大的ISO值主要是取决於最低的可接受的信 噪比（S/N）
噪点：CCD由于受到周边电路和本身像素间的光电磁干扰，而在不 工作时仍可感应到的电流信号，显示出来表现为杂点。
CCD感光存储单元
CCD动作示意图
CCD的动作分解
1、光电转换（将光转换成电信号） 2、电荷的存储（存储信号电荷） 3、电荷的转移（转移信号电荷） 4、电荷的检测（将信号电荷转换为电信号）
Full-Frame 全像 CCD
①工作原理：
光线
光线
光线
滤色 光
电流信号
数字信号
A/D转换
快 门
聚光片 彩色滤镜阵列
②特点：
感光区
●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。
●感光和电荷输出过程分开。因此，使用FF的数位相机在传送电流信号 时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，这样就降低了拍摄速 度，限制了它的连拍功能。
等面积的存储区域，以致于因转移电极导致的感光度下 降或帧转移时漏光等缺点。
2、行间转移方式 由于光电转换部与转移部分离，光电二极管可感受入
射光，垂直CCD可进行遮光，因此光电转换结束后信号 电荷有充足的时间转移，这种方式不需要储存部，可使 CCD可以更小型化。 3、帧行间转移 结合了前面两种CCD的优势可以制作高性能的图像 传感器。
特点：
“蜂巢”式排列
●CCD排列为不同于其它矩阵式排列，而是采用“蜂巢”式的八边形 排列组合。
●它的特殊排列方式可最大限度的有效利用CCD面积进行感光。
CCD ISO 感光能力 （数码相机 ISO）
1、胶片的ISO
按照胶片对光的化学反应速度可分为： ISO 100、ISO 200、ISO400