电荷藕合器件CCD图像传感器简介

2009年10月6日,2009年诺贝尔物理学奖揭晓,瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予中国香港科学家高锟(Charles K. Kao)和两名美国科学家Willard S. Boyle和George E. Smith。高锟因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖,Willard S. Boyle和George E. Smith因“发明了成像半导体电路——CCD” 获此殊荣。CCD 是 Charge Coupled Device (电荷藕合器件)的缩写,被广泛应用于图像传感和非接触测量领域。本文对CCD图像传感器工作原理及其最新技术作简单介绍。

CCD发明人Willard S. Boyle和George E. Smith(1974年)
CCD发明人Willard S. Boyle(左)和George E. Smith(右),1974年

CCD 的工作方式和人眼很相似。人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞,分工合作组成视觉感应。而CCD使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号。一个CCD传感器由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

工作原理

如图所示,CCD的结构分为三层:微型镜头层,彩色分色片和感光层。

CCD结构示意图
CCD结构示意图

CCD感光层完成的任务就是将光信号转化为电信号。它是由数百万个感光二极管组成,感光二极管相当于人眼视网膜上负责感应的神经细胞,当有光线照时,感光二极管两极的电势发生改变,再通过A/D转换最终变成数字信号。

感光二极管感光过程
感光二极管感光过程

由于每个感光二极管单位只能记录光线的强弱,要想得到彩色的图像,还需要加上一个有色眼镜:彩色分色片。利用彩色分色片让每个像素感应不同颜色的光,然后通过计算将这些颜色组合成一个有效的像素。下图为典型的RGB分色片(又称Bayer filter,拜尔滤镜),有趣的是单位面积对绿色、红色和蓝色光摄取比例为2:1:1,这是因为人眼对绿色更为敏感。另一种典型的方法是CMYK补色分色法,由四个通道的颜色配合而成,它们分别是青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。

RGB分色滤色片
RGB分色片

为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积,但是这种办法也容易使画质下降。因此,如下图所示,CCD又戴上一副眼镜:微型镜头层。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。

微型镜头层
微型镜头层

新技术

四十年来,CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,这里介绍三个比较成功的技术。

Supper CCD

CCD的感光动态范围还远远不及人眼,即感光元件正常工作范围内能感知的最弱光线到最强光线的范围。传统的胶片技术提供非常广的动态范围,是通过胶片的多层结构对不同标准感光来实现的。富士公司的Supper CCD技术模仿胶片的感光方式,通过两个光敏二极管提供不同的感光标准(分别是高感光度的S像素和R像素),用来感应光线的明暗变化,取得比一般感光元件更广的动态范围。并且将光电二极管的形状制成8角形,倾斜45度排列像素的CCD传感器,这样就改变了彩色滤光片的排列,使同色像素沿倾斜方向邻接。在进行提高感光度的像素混合处理时,使倾斜邻接的同色像素组合,减少了伪色的发生。

普通CCD (左)和Supper CCD(右)感光元件分布比较
普通CCD (左)和Supper CCD(右)感光元件分布比较

Foveon X3

为了使得影像的颜色变得鲜艳和锐利,美国Foveon公司发布了X3技术,又称蜂窝技术或马赛克技术。该技术放弃了不规则分不的彩色滤光片,而采用3个感光层,分别对RGB颜色感光,从而确保光线被100%摄取。

Foveon X3 含有三个感光层
Foveon X3 含有三个感光层

三CCD技术

三CCD技术,顾名思义就是采用三个CCD来成像,首先光线通过一个特殊的分光棱镜,得到红、绿、蓝三束光线,然后用三个CCD感光器分别感光,以得到非常高的图像质量。

RGB三色分光棱镜
RGB三色分光棱镜

Color_Separation_Prism

总结

CCD的成像原理类似人的眼睛,使用电子元件替代人眼视网膜上负责光强度感应的杆细胞和负责色彩感应的锥细胞,最终形成可由人眼识别的图像。虽然其感光方式复杂,但成像质量较高,工艺简单。但是,由于CCD感光元件采用单一的通道,因此采光效率比较低,而且传送电荷信号需要电压支持,因此耗电量大。

CCD技术经过近40年的不断发展,现在已经达到非常成熟的阶段。随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

参考文献

  1. wikipedia: Charged-coupled device http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
  2. 百度百科: CCD http://baike.baidu.com/view/18579.htm
  3. sina科技时代: 数码常识:CCD的原理 http://tech.sina.com.cn/digi/2004-07-14/0039387208.shtml
  4. 李昨承: CCD的工作原理 http://blog.163.com/zuoch_lee/blog/static/58012700200912401552484/
  5. wikipedia: Super CCD http://en.wikipedia.org/wiki/Super_CCD
  6. 雷依里: DSLR数码单反摄影圣经 中国青年出版社
  7. Foveon: Why X3 is better http://www.foveon.com/article.php?a=69
  8. wikipedia: Three-CCD http://en.wikipedia.org/wiki/3CCD
  9. 深圳市翔飞科技有限公司: CCD的特性 http://www.safer.com.cn/html/salesnetwork.php?newsid=74

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