CCD图像传感器发展与应用.docx
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CCD图像传感器发展与应用
2008年第32卷第04期(313期)
文章编号:
1002-8692(2008)04-0038-02
CCD图像传感器发展与应用
寇玉民,盛
宏,金
祎,陈辉东
(北京联合大学,北京100101)
【
摘要】主要介绍了线阵CCD、面阵CCD、帧转移CCD、ITO-CCD和电子倍增CCD等图像传感器的发展现状。
以CMOS器件作为比较,探讨和研究CCD图像传感器的应用领域以及未来发展趋势。
【
关键词】电荷耦合器件;电荷转移效率;分辨力;像素尺寸【
中图分类号】TN386.5【
文献标识码】BDevelopmentStatusandApplicationofCCDImageSensors
KOUYu-min,SHENGHong,JINYi,CHENHui-dong(BeijingUnionUniversity,Beijing100101,China)
【Abstract】Thedevelopingstatusofseveralimagesensorsareintroduced,suchasthelineararrayCCD,planararrayCCD,frame
transferCCD,ITO-CCDandEMCCD.Andthen,comparedwiththeCMOSparts,theapplicationfieldandfurtherdevelopingtrendofCCDimagesensorarediscussedandresearched.
【Keywords】CCD;chargetransferefficiency;resolution;pixelsize
・述评・
1
引言
电荷耦合器件(CCD)自20世纪60年代末出现以
来,以其线性良好、
量子效率高、动态范围大以及模拟兼数字化等优点,在信号处理及图像传感领域里发挥了巨大的作用。
如今CCD摄像器件已广泛应用于SDTV摄像机、HDTV摄像机、数字摄像机、数码相机、可视电话以及监控系统等领域[1]。
CCD的高分辨率成像技术已广泛应用于SDTV和HDTV、图像通信、医学和科学成像等领域。
2
CCD图像传感器类型介绍及应用[2]
2.1
线型CCD
线型CCD图像传感器由一列MOS光敏单元和一列
CCD移位寄存器构成,分为单行结构和双行结构,线型CCD图像传感器可直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,必须用扫描的方法得到整个二维图像的视频信号。
线型CCD图像传感器主要用于尺寸测试和定位、传真和光学文字识别技术等方面。
2.2面型CCD
按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排
列成二维阵列,即可以构成面型CCD图像传感器。
面型CCD图像传感器有3种基本类型:
线转移型、帧转移型和行间转移型。
面型CCD图像传感器主要用于摄像、存储、数码相机等感光器件。
3
几种国外CCD图像传感器介绍
3.1
超高分辨力线阵CCD图像传感器
该CCD图像传感器是由美国柯达公司研制,成功用
于高端扫描系统。
该器件可应用于高清晰度尺寸测量定位、传真和光学文字识别技术等方面。
3.2帧转移面型CCD图像传感器
由Philips公司推出用于数码相机的彩色帧转移
CCD(FT-CCD),型号为FXA1013,分辨力为2000×1600,芯片尺寸为9.49mm×8.67mm,像素尺寸为4.1μm×4.1μm。
3.3
低光度CCD图像传感器
低光度图像传感器CCD60采用读出寄存器和输出放大器间的增益寄存器,增殖光电子多达1000倍。
采用背面减薄工艺,分辨力为128×128像素,量子效率大于
90%。
CCD60工作在反转模式以抑制暗电流,工作速度高达1000f/s(帧/秒)。
传感器的光谱范围为400~1060nm,填充系数为100%。
在电荷域的片上增益能通过控制工作电压来调整,像素尺寸为24μm×24μm。
3.4高分辨力大面阵CCD图像传感器
FarchildImaging公司的CCD595型9216×9216像素大面阵全帧转移CCD图像传感器,其像素尺寸为
8.75μm×8.75μm,成像面积为80.64mm×80.64mm。
该CCD图像传感器可应用于摄像和高分辨力数码相机。
3.5CCD485固体全帧传感器
FarchildImaging公司的一种固体全帧转移CCD图像传感器,型号为CCD485,计划用于科学、工业、商业的高清晰度数字成像应用。
其填充系数接近100%,特点是成像区采用埋沟多针相工作模式。
成像区分为4个象限,采用三相时钟结构,每一象限都可单独时钟驱动。
该CCD的像素数为4096×4097,像素尺寸为15μm×15μm,有
VIDEOENGINEERING
No.042008(No.313)表1
CCD与CMOS图像传感器比较
类别
CCDCMOS
生产线专用通用成本高
低
集成状况低,需外接芯片
单片高度集成
系统功耗高低(CCD的1/10 ̄1/100)
电源多电源单电源抗辐射弱强电路结构复杂简单灵敏度优良信噪比优良图像顺次扫描同时读取线外线灵敏度低
灵敏度高
动态范围>70dB>70dB模块体积
大
小
效像素数为4080×4080,读出噪声低,动态范围宽。
3.6松下推出高速CCD图像传感器
松下推出的MN39192FH是一种1330万像素1/4
SXGACCD图像传感器,通过辅助片上的滤色镜和光栅实现了速度高、灵敏度高等特性,推动了小型高质量数码视频摄像机的发展。
该CCD器件具有信噪比高、动态范围宽等特点,像素尺寸为2.8μm×2.8μm。
3.7ITO-CCD图像传感器[3]
大多数CCD图像传感器的电极材料均采用多晶硅薄膜,而多晶硅对蓝光透射性很差,于是Kodak发明了氧化铟锡(ITO)电极。
ITO-CCD对蓝光是全透明的,敏锐度更高,透光性比一般CCD提高了20%,ITO-CCD比传统CCD的蓝光透过率提高了2.5倍,同时大幅度降低了噪声干扰,使图像质量更好,为专业数码相机提供了高清晰度、高质量的图像。
至今Kodak公司已研制出200万(1736×1160)像素、600万(3032×2008)像素和1600万(4000×4000)像素ITO-CCD图像传感器,KAF-1602LE是Kodak公司推出的ITO-CCD型号之一。
3.8电子倍增CCD图像传感器
Andor-technology公司研发出了128×128,512×512,576×288,726×902,1815×2256,1024×128,2048×2048像素的电子倍增CCD(ElectronMultiplyingCCD,EMCCD)。
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,其量子效率高,灵敏度高,信噪比高。
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、X射线成像与光谱检测、生物和医学成像等。
3.9紫外CCD图像传感器
日本滨松公司开发的新型紫外固体摄像器件———薄型背照式电荷耦合器件(BTCCD),采用特殊的制造工艺和锁相技术,具有噪声低,灵敏度高、动态范围大等优点。
BTCCD有很高的紫外光灵敏度,紫外波段的量子效率超过40%,可见光部分超过80%,甚至达到90%左右,不仅可工作于紫外光,也可工作于可见光。
目前Sarnoff研究中心的紫外研究工作有两个方向:
一是研制线阵和隔行转移列阵格式的CMOS/CCD,现已证明,这种方法所产生的探测器随着时间和表面电荷的变化能保持高度的稳定性;二是为海洋研究室研究一种薄型背面照射技术,模拟证明,这种技术可以在深真空紫外波段(10nm)获得30%以上的稳定量子效率。
在真空紫外以下,硅CCD可用来在远紫外(10~100nm)和软X射线(0.1~10nm)波段内成像。
美国COOK公司向市场提供了Dicam-pro型增强式制冷型CCD相机,它的曝光时间仅3ns,其工作波段位于近红外-紫外波段。
这种相机可用于荧光分析、化学荧
光分析、光谱分析、弹道分析、生物荧光分析、高速流体分析、电源现象分析以及PIV成像等系统。
可用光缆传输从相机到PCI接口板的串行数据。
4
CCD图像传感器的发展现状和发展
趋势[3-6]
目前,CCD图像传感器的生产主要集中在日本的索
尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的Dalsa和美国的柯达等公司。
当前各CCD生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争,实质是缩小像素面积的竞争。
自1987年以来,CCD图像传感器的像素面积以每年20%的速度缩小,目前像素面积已经小于3μm×3μm。
从目前CCD技术的发展趋势来看,CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展。
近几年,数码相机和微型摄像机的发展过程中,CCD和CMOS图像传感器相互竞争。
总的来看,在军用领域,
CCD使用的较多;在民用领域,CMOS图像传感器与CCD之间的竞争相当激烈,重点是制作工艺、功耗、集成度和成本。
在竞争的过程中,CCD和CMOS图像传感器的研制和开发厂商不断推出新品。
从CMOS与CCD目前的应用、技术发展以及未来的发展趋势看,CMOS图像传感器可能成为主流。
CMOS固体摄像器件与90%的半导体器件都采用相同标准的芯片制造技术,而CCD则需要一种特殊的制造工艺,故CCD的制造成本高很多,表1是两种器件的比较。
随着CMOS图像传感器技术的进一步研究和发展,过去仅在CCD上采用的技术正在被应用到
CMOS图像传感器上。
5
小结
CCD和CMOS图像传感器已经发展成熟,至今已经
推出了可见光CCD和CMOS图像传感器、紫外CCD、红外CCD、微光CCD、X射线CCD和X射线CMOS图像
(下转第42页)
39
2008年第32卷第04期(313期)
(上接第39页)
传感器等。
近年来,人们对CCD的分辨力、信噪比、灵敏
度、动态范围等特性的要求越来越高。
CCD图像传感器
将在我国航天、遥感、天文、工业、农业、商业、医学、交通、通信等领域得到更加广泛的应用。
参考文献
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2-8.
!
责任编辑:
任健男
收稿日期:
2008-02-26
入__align(32)来实现。
3.3系统应用模块设计
根据系统需求,应用模块主要实现拍照、图片浏览、媒体播放、电影录制、音频录制与播放等功能,并在HW_Media任务中根据消息执行应用模块。
这里以播放一个
MPEG-4+AMR的多媒体文件为例,具体播放流程如图3所示。
从图3可以看出,应用功能模块软件设计的初始步骤是设置相应的工作模式,这里即设置媒体播放功能模式(Media
PlayMode)。
之后,识别文件类型时需要分别判断视频部分是否符合
MPEG-4,音频部分是否符合AMR,对于符合正
确格式的播放文件的预处理包括分配音视频采样率缓存,初始化视频译码等。
循环解码则根据多媒体信息调用相应的库文件进行,并根据Callback函数中得到的播放结束等信息作出相应处理,最后在播放结束后释放内存。
另外,在软件设计中要注意多媒体系统各种模式的切换。
在待机时进入低功耗的Bypass模式。
在其他工作模式下,还需要利用软件关闭不使用的内部模块,从而达到省电的效果。
4
测试与验证
本设计主要应用于移动通信终端,整个测试平台由
CDS6平台与VC0858子板组成。
在该平台上对几个不同
格式的多媒体文件进行播放和录制,测试了视频编解码分辨率、帧率和音频编解码的采样率。
同时也对各种不同模式下的耗电情况进行了测试,结果如表1、表2所示。
结果证明系统设计符合移动通信终端的实际使用要求。
5
小结
本系统在CDMA移动终端开发平台上,利用多媒体
协处理器VC0858扩展了多媒体功能。
该方法简单实用,性价比较高,在目前多媒体移动通信终端的设计领域,具有较好的推广价值。
参考文献
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!
作者简介:
鲍军民(1976-),硕士,工程师,主研嵌入式系统和无线终端。
责任编辑:
许
盈
收稿日期:
2008-02-14
表1
音视频编解码性能比较
格式
文件类型
解码
编码
H.263/MPEG-4*.mp4/*.3gp
30f/s@QVGA
30f/s@QCIF
*.amr
采样率8kHz采样率8kHz
*.m4a
采样率44.1~48kHz-*.aac
采样率44.1kHz-MP3*.mp3采样率8~48kHz-
AMRAAC
表2
各种模式下耗电情况统计
模式耗电/mA
MP4PlayMP4RecordMP3PlayAMRRecordIdleBypass104.00
114.00
75.00
70.00
3.00
0.93
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""