圖像傳感器的工作原理五

圖像傳感器的工作原理圖像傳感器包括：

CCD和CMOS兩種CCD：電荷耦合器件，感光半導(dǎo)體器件。CMOS:互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。生產(chǎn)商：SONY、PHILIPS、KODAK、FUJI、SHARP、Panasonic、SANYOCCD的分類按結(jié)構(gòu)分：線陣CCD和面陣CCD線陣CCD：每次只拍攝圖像的一條線，且只能拍攝靜態(tài)的景物、曝光時(shí)間長(zhǎng)、拍攝精度高但速度慢。面陣CCD：也稱為矩陣CCD，拍攝時(shí)圖像被一次同時(shí)曝光、拍攝速度快可以拍攝動(dòng)態(tài)的景物。

CCD按工作原理分類

CCD的三層結(jié)構(gòu)：

上：聚光鏡片中：彩色濾鏡陣列下：感應(yīng)電路聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路

Linear

線性CCD

是以一維感光點(diǎn)構(gòu)成，通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較使用2維CCD的數(shù)位相機(jī)慢。這種CCD大多用于平臺(tái)式掃描器之上。

Interline

掃描型

CCD

①工作原理：快門聚光片彩色濾鏡陣列感光區(qū).暫存區(qū)暫存器A/D轉(zhuǎn)換光線光線光線濾色光電荷電流信號(hào)數(shù)字信號(hào)②特點(diǎn)：●曝光后可將電荷儲(chǔ)存于暫存器中，元件可以繼續(xù)拍攝下一張照片，因此速度較快●暫存區(qū)占據(jù)了感光點(diǎn)的面積，因此動(dòng)態(tài)范圍（系統(tǒng)最亮與最

暗之間差距所能表現(xiàn)的程度）較小

●由於其速度快、成本較低，因此市面上超過(guò)

86％以上的數(shù)碼相機(jī)都以IL型CCD為感光元件感光區(qū)

Full-Frame

全像CCD

①工作原理：快門聚光片彩色濾鏡陣列感光區(qū)A/D轉(zhuǎn)換光線光線光線濾色光電流信號(hào)數(shù)字信號(hào)②特點(diǎn)：●可以利用整個(gè)感光區(qū)域（沒(méi)有暫存區(qū)的設(shè)計(jì)），有效增大感光范圍，同時(shí)也適用長(zhǎng)時(shí)間曝光。

●感光和電荷輸出過(guò)程分開(kāi)。因此，使用FF的數(shù)位相機(jī)在傳送電流信號(hào)時(shí)必須完全關(guān)閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，這樣就降低了拍攝速度，限制了它的連拍功能。Frame-Transfer

全傳CCD①工作原理：快門聚光片彩色濾鏡陣列感光區(qū)暫存器A/D轉(zhuǎn)換光線光線光線濾色光電荷電流信號(hào)數(shù)字信號(hào)②特點(diǎn)：●介于掃描和全像CCD之間，具有分離的大型的感光區(qū)和暫存區(qū)●這個(gè)設(shè)計(jì)可以讓它具有較快的拍攝速度和較大的感光面積富士SUPERCCD

特點(diǎn)：●CCD排列為不同于其它矩陣式排列，而是采用“蜂巢”式的八邊形排列組合?！袼奶厥馀帕蟹绞娇勺畲笙薅鹊挠行Ю肅CD面積進(jìn)行感光。矩陣式排列“蜂巢”式排列

CCDISO

感光能力

（數(shù)碼相機(jī)ISO）2、數(shù)碼相機(jī)最大的ISO值主要是取決於最低的可接受的信

噪比（S/N）

噪點(diǎn)：CCD由于受到周邊電路和本身像素間的光電磁干擾，而在不工作時(shí)仍可感應(yīng)到的電流信號(hào)，顯示出來(lái)表現(xiàn)為雜點(diǎn)。1、膠片的ISO

按照膠片對(duì)光的化學(xué)反應(yīng)速度可分為：ISO100、ISO200、ISO400

傳統(tǒng)相機(jī)主要通過(guò)對(duì)膠卷盒上的DX編碼來(lái)確認(rèn)其感光度CCD感光存儲(chǔ)單元CCD動(dòng)作示意圖CCD的動(dòng)作分解1、光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）2、電荷的存儲(chǔ)（存儲(chǔ)信號(hào)電荷）3、電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷）4、電荷的檢測(cè)（將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）CCD的光電轉(zhuǎn)換在P型單晶硅的襯底上生長(zhǎng)一層很薄的絕緣氧化物層（二氧化硅），當(dāng)景物的光線照射到氧化物層表面時(shí)，就在氧化物層與P型硅之間產(chǎn)生電荷，而且電荷的數(shù)量與照射的光強(qiáng)度及被照時(shí)間成正比。CCD的電荷存儲(chǔ)當(dāng)電極加上一個(gè)正電壓時(shí)，它形成的電場(chǎng)穿過(guò)氧化層而在對(duì)應(yīng)電極的下方形成一個(gè)電荷耗盡區(qū)，即在二氧化硅與P型硅的界面上得到一個(gè)存儲(chǔ)電荷的勢(shì)阱，吸收電荷留在阱內(nèi)，所加電壓越大，勢(shì)阱越深，電荷更多地留在阱內(nèi)。CCD的電荷轉(zhuǎn)移勢(shì)阱的深度由電極上的電壓高低而定，電壓越高、勢(shì)阱越深。勢(shì)阱內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)就像水往低處流一樣，總是向著深阱處移動(dòng)。這樣，如果有規(guī)律地改變電極電壓，使阱深發(fā)生變化，就可以使電荷向著既定的方向移動(dòng)。電荷的檢測(cè)

電荷的檢測(cè)是：從CCD圖像傳感器的光電二極管起，到達(dá)輸出部之前將轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的動(dòng)作。就是將轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷轉(zhuǎn)換成電容器兩端的電壓變化FD，電容器兩端的電壓變化△V,可利用轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的信號(hào)電荷量Q與電容器的電容C之間的關(guān)系來(lái)表示：△VFD=Q/CFDFD信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大器放大后作為CCD的信號(hào)輸出CCD的信號(hào)轉(zhuǎn)移方式1、幀轉(zhuǎn)移方式進(jìn)行幀轉(zhuǎn)移方式的CCD，包括攝影區(qū)域必須具有同等面積的存儲(chǔ)區(qū)域，以致于因轉(zhuǎn)移電極導(dǎo)致的感光度下降或幀轉(zhuǎn)移時(shí)漏光等缺點(diǎn)。2、行間轉(zhuǎn)移方式由于光電轉(zhuǎn)換部與轉(zhuǎn)移部分離，光電二極管可感受入射光，垂直CCD可進(jìn)行遮光，因此光電轉(zhuǎn)換結(jié)束后信號(hào)電荷有充足的時(shí)間轉(zhuǎn)移，這種方式不需要儲(chǔ)存部，可使CCD可以更小型化。3、幀行間轉(zhuǎn)移結(jié)合了前面兩種CCD的優(yōu)勢(shì)可以制作高性能的圖像傳感器。幀轉(zhuǎn)移方式：在垂直消隱期間內(nèi)把儲(chǔ)存區(qū)域的信號(hào)電荷逐行轉(zhuǎn)移到水平CCD再經(jīng)過(guò)水平轉(zhuǎn)移到電荷檢測(cè)部行間轉(zhuǎn)移方式：由光電二極管負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存功能，在垂直消隱期間把電荷轉(zhuǎn)移到相鄰的垂直CCD,稱為讀出轉(zhuǎn)移。在水平消隱期間進(jìn)行逐行轉(zhuǎn)移到水平CCD在圖像水平期間向FD放大器水平轉(zhuǎn)移幀行間轉(zhuǎn)移：在垂直消隱信號(hào)期間由光電二極管進(jìn)行信號(hào)電荷的讀出轉(zhuǎn)移，并送往垂直CCD,在垂直消隱信號(hào)結(jié)束前所有的信號(hào)電荷利用幀轉(zhuǎn)移高速轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存部，進(jìn)入垂直圖像期間后在水平消隱期間利用線轉(zhuǎn)移將信號(hào)逐行送到水平CCD.水平CCD送來(lái)的單行電荷在水平圖像期間內(nèi)向FD進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移CMOS圖像傳感器CCD和CMOS的結(jié)構(gòu)比較信號(hào)轉(zhuǎn)移區(qū)別CCD的維修CCD是較易損的元件，尤其是2006年以前生產(chǎn)的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)，均為采用索尼公司2002年10月至2004年3月期間生產(chǎn)的成像元器件（CCD）的機(jī)器。日本各大廠商于2005年10月已經(jīng)相繼公布出現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)型，并承諾延長(zhǎng)保修期。

CCD故障原因分析

受使用環(huán)境影響：如在溫差大、濕度高的環(huán)境下使用和保養(yǎng)，CCD芯片的引腳出現(xiàn)頻繁的熱脹冷縮容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。受靜電的影響：在相機(jī)使用完后，CCD中存儲(chǔ)的電荷并沒(méi)有完全的釋放完，還有部分殘留在移位寄存器內(nèi)。相機(jī)本身也是一個(gè)容易產(chǎn)生靜電的電器，人體的靜電也會(huì)通過(guò)機(jī)內(nèi)的金屬而傳到電路上。

故障現(xiàn)象

CCD損壞的情況多數(shù)是芯片引腳脫焊或斷裂的現(xiàn)象,所引起的故障現(xiàn)象：取景黑