CCD 图像传感器的应用技术与发展趋势


电子测量与仪器学报 2007 年增刊 CCD 图像传感器的应用技术与发展趋势 宋爱群 黄元庆 (厦门大学 物理与机电工程学院 机电工程系, 福建厦门 361005) 摘要:为了提高系统的测试精度,我们对 CCD 的特性参数如灵敏度、光谱响应范围和响应速度等进行了分析和研究,CCD 输出图像的质量随着参数的提高而大大提高,从而将极大地提高系统的测试精度。本文在阐述了 CCD 的基本原理及器件 现状的基础上,介绍了迄今为止 CCD 的典型应用技术。其中高精度 CCD 芯片制作技术和 CCD 细分技术等是属于 CCD 用于精密测量中的新技术;而超级 CCD 技术是 CCD 结构上的根本性变化,是 CCD 摄像机系统中出现的新技术。文章最 后对 CCD 发展趋势做了简单展望。 关键词:CCD;特性参数;应用技术; 发展趋势 中图分类号:TP212.14 文献标识码:A Application Technology and Development trend of CCD Image sensor Song Aiqun Huang Yuanqing (Dept. of Mechanical and Electrical Engineering, Xiamen University, Fujian Xiamen, 361005,China) Abstract: The parameters of CCD are studied, such as sensitivity, spectrum response and response rate, etc.. The performance of CCD can be improved greatly if these parameters are enhanced, then the image quality is higher to enhance the measurement precision accordingly. On the basis of explanation of the basic principles of CCD and its status, we briefly introduced several typical technology in the application of CCD: Super CCD is a new technology and a new invention of CCD camera for its structure is different from common CCD. And manufacture technology of high precision CCD and CCD subdivision technology are introduced in order to improve the measure precision of CCD application system and meet the demand of CCD application on high precision measure field. Last we give an outlook of CCD development trend. Keywords: CCD; image sensor; parameters; application technology; development trend CCD (Charge Coupled Devices ),即电荷耦合 器件,是一种高性能微型图像传感器。CCD 的工 作原理简单地可以用一个比喻说明:“小桶”与“光 滴”。CCD 的结构就像一排排输送带上并列放置 的小桶,光线就像雨滴撒人各个小桶中,每个小 桶代表一个像素。拍摄其实就是按一定的顺序测 量某一短暂的时间中,小桶中落进了多少“光滴”, 并形成相应的数据文件的过程。 CCD 具有灵敏度高、光谱响应宽、集成度高、 维护方便、成本低廉等一系列优点,因此有着广 泛的应用,是现代最重要的图像传感器之一。 以下重点介绍迄今为止 CCD 在应用和发展 过程中的典型技术,这些技术是对 CCD 的特性 参数如灵敏度、光谱响应范围和响应速度等的改 进,从而提高系统的测试精度。文章最后对 CCD 发展趋势做了简要的展望。 1 CCD 器件现状 像元集成度,摄像阵列像元的多少是摄像系 统分辨率性能的关键性因素,目前的 CCD 器件 已可根据系统应用要求同芯片集成或多芯片拼 接,或多器件组合成任意像素数的器件。 对于线阵 CCD,常用单芯片像元集成度为 512、1024、2045、4096、5000、7450 和 8000 等; 多芯片像元集成是用二个或多个单线阵芯片组合 起来形成数万像元的特长线阵列,常用作星载或 机载多光谱传感器。 时间延迟与积分(TDI)阵列:常用的单芯片是 2048×96、2048×144 和 4096×96 的阵列;多芯 片是用多个单芯片拼合或镶嵌起来,常用作星载 或机载扫描传感器,加拿大的 DLSA 公司制作的 这种传感器在全球很有名。 301 电子测量与仪器学报 2007 年增刊 对于面阵列CCD,大格式阵列像元集成度为 1024×1024、2048×2048、4096×4096,少数如 科学研究和天文应用方面阵列达 7000×9000、 8192×8192和9126×9126元,最大的9126×9126 元阵列是美国Farchild Imaging公司研制的[1]。 CCD的像元尺寸不能太小,过小将影响曝光性 能,目前的大格式阵列像元尺寸已小达 7.0µ m× 7.0µ m;灵敏度,通常为几个Lux~Lux-1,加上增 强器处于微光工作模式时为Lux-3;采取冷却时可 达Lux-5~Lux-7;大型阵列通常的电视分辨线>1000 ×1000TV线,根据系统要求可更高,光学尺寸通 常为 2/3 英寸、1/2、1/3、1/4 英寸,最小已做到 1/7 英寸。 2 CCD 典型技术 2.1 高精度 CCD 芯片制作技术 随着半导体技术的发展和生产工艺的不断提 高,CCD芯片的像素密度越来越高,体积越来越 小,结构越来越精良,工艺越来越先进,质量越 来越高。以SONY公司的CCD为例,从早期传统 的CCD到HAD CCD、Hyper HAD CCD、Power HAD CCD、Power HAD 1000 型 CCD,以及与IT 和 FIT不同的 120 万像素的Power HAD EX CCD,使CCD器件在高亮度下的成像能力大大增 强暗电流显著降低,动态范围大大扩展,灵敏度 和信噪比等指标均有了明显的提高[2]。 2.2 CCD 细分技术 微/纳米技术作为当今科技界的一个前沿课 题,越来越受到国内外科技工作者和政府部门的 关注。微/纳米量级的测量技术作为微/纳米技术 的一个重要分支,亟待研究和突破。 与此同时,利用 CCD 进行快速、非接触的 动态检测己成为许多检测检定行业的一个发展方 向,它可以极大地提高产品质量,降低成本,满 足实际生产中所提出的越来越高的有关要求(如 检测的实时性和精确性)。然而,由于 CCD 本身 像元精度的限制和信号处理方法的落后,影响了 CCD 在微/纳米等高精度测量领域的应用,因此 研究 CCD 细分技术,运用相关的光学处理技术、 电路处理技术以及图像处理技术等,来满足 CCD 在高精度微/纳米测量领域中的应用便很有意义。 CCD细分技术,将图像边缘进行细分,将像 点定位进行细分等,针对细分后的对象,分别采 用不同的光学处理和电路处理技术,以及不同的 算法等,来获取CCD检测结果并进行分析,从而 可提高CCD检测精度,满足CCD在高精度微/纳米 测量领域中的应用[3]。 2.3 CCD 集成技术 像元尺寸的减小将导致光电信号减弱,信噪 比特性恶化。这对于低填充系数的图像传感器阵 列更为不利。微透镜阵列技术的发展为这些困难 的解决提供了一条简捷而高效的途径。 微透镜阵列改善像质的应用主要集中在 CCD 的主要生产国或地区,如日本、欧洲和美国, 各生产厂家均在其生产的 CCD 摄像芯片的每一 个像素前制作一个微透镜,通过该微透镜可使更 多的入射光有效地会聚到每一个像素中,从而使 摄像机的灵敏度较先前有了较大幅度的提高。因 为这些国家和地区开展微透镜技术应用于图像传 感器聚光功能的研究较早,现在已经广泛地应用 于其产品中。 微透镜阵列技术在国内已有研究。该技术在 图像传感器芯片上集成微透镜阵列。微透镜的作 用就是使原本落入介电层或非光敏区上的光子由 于微透镜的相位变化作用而偏折落入光敏区,扩 大填充系数(FF),从而提高成像质量[4]。国内已 经制作出可用于红外CCD和可见光CCD的微透 镜阵列,并实现了微透镜与红外CCD图像传感器 的集成。红外CCD集成微透镜后的灵敏度比集成 前提高了 1~2 倍以上,达到了国外同期的水平, 此项技术已经开始服务于生产。 2.4 CCD 噪声处理的新技术 CCD图像传感器的噪声干扰将会降低 CCD 图像传感器的探测灵敏度,减小工作动态范围, 降低图像信号质量,从而限制了系统的应用功能。 为了适应CCD图像传感器高灵敏度、高速率和宽 动态范围的应用需求,必须对噪声进行处理[5]。 常用的 CCD 噪声抑制方法有相关采样法、 微分取样法、反射延迟法以及低通滤波器等方法。 相关双采样法是通过准确地采集各个像元的 复位电平和信号电平来消除各种干扰,完成信号 提取的。其电路采用两级采样/保持电路,一级用 来采集复位电平,即在复位脉冲过去之后到信号 电荷包到来之前的某一时刻的电平;另一级用来 302 电子测量与仪器学报 2007 年增刊 采集像元信号电平,即在水平时钟串扰后到信号 电荷到来前的某一时刻的电平。然后再将两次采 集的电平进行差分比较,就能有效的抑制各种噪 声干扰,得到实际的信号电平,是CCD噪声处理 的主要方法,特别适合于高灵敏、高速和宽动态 范CCD测量以及CCD细分应用中。因为双相关采 样电路为点采样,它本身不具有低通滤波特性, 所以在它之前需加低通滤波器来限制带宽,从而 构成双相关采用系统[6]。 在其它一些噪声抑制方法中,其主要思想同 双相关采样法都比较相似,即利用延时相减原理 来消除 KTC 噪声,利用相关性来抑制低频噪声, 同时,它们还具有低通滤波器功能以减少带宽白 噪声。 2.5 超级 CCD 技术 1999 年,富士推出了Super CCD技术。与传 统CCD相比,在面积与感光单元数目均相同时, 第一代Super CCD的分辨率提高 60%,动态范围 提高 130%,感光度提高 130%,色彩再现能力提 高 40%,而能量消耗却下降了 40%[6],如图 1。 图 1 普通 CCD 与超级 CCD 比较 超级 CCD 采用较大的八角形光电二极管, 像素按 45 度角排列为蜂窝状(图 2),控制信号 通路被取消,节省下的空间使光电二极管得以增 大,而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆 形,从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。 光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像 素的吸收电荷增加,从而提高了 CCD 的感光度 和信噪比。 1 光电二极管 2 像素 3 电荷传输路径 图 2 超级 CCD 的像素几何形状与排列结构 超级CCD中构成每个“像素点”的三个感光 单元恰好是不同的三个原色(图 3),提高了感光 单元的利用率,是一个不小的进步[7]。 图 3 普通 CCD 色彩单元(a) 与超级 CCD 色彩单元(b) 对比 继第一代的 Super CCD 之后,第二代超级 CCD 发展于 2001 年,提升了有效像素,提供了 更高的分辨率。2002 年,第三代超级 CCD 采用 了新的图像处理技术,大大提高了感光度。2003 年初,富士发布了第四代 Super CCD 技术:Super CCD HR(High-Resolution,即超高分辨率)和 Super CCD SR(Super Dynamic Range,即宽动态 范围)。Super CCD HR 在 1/1.7”的芯片上,集成 了 600 万个感光单元,可以输出 1200 万像素超高 分辨率的图像。Super CCD SR 动态范围是第三代 超级 CCD 的四倍,所以高光部分和低光部分很 少会损失细节,从而产生更宽阔的色调范围和更 平滑的色彩过渡。 2.6 多层感色 CCD 技术 2003 年美国 Foveon 公司推出多层感色 CCD 技术,让电子科技成功的模仿“真实底片”的感 色原理,依光线的吸收波长“逐层感色”。X3 CCD 303 电子测量与仪器学报 2007 年增刊 在每颗像素硅晶体中均包含了 3 层感色物质,不 同的光线会透过不同物质,达至适当的感色层才 被记录。这样,X3 的一个像素可以感应 3 种不同 的颜色,大大提高了影像的品质与色彩表现。 X3 CCD 还内建了 VPS 技术(Variable Pixel Size ),将像素进行重组、使四颗像素可变成一颗 独立像素,或是 16 颗像素变成一颗独立像素,如 图 4。 图 4 VPS 像素重组 虽然这种技术会大大减低CCD原本的解像度,但 是提升了拍摄动态影像的效果[8]。 3 发展趋势 3.1 将 CCD 拼接或镶嵌成任何像元数的阵列 由于CCD图像传感器技术极为成熟,可根据 需要拼接或镶嵌成任何像元数的阵列,英国EEV 公司、美国麻省理工学院林肯实验室(MIT/LL)和 劳伦斯伯利克国立实验室(LBNL)等都分别拟定 了 2004 年、2006 年和 2010 年的天文探测和科学 应用CCD图像传感器,其阵列分别达 36K×36K和 109 像元,格式分别是 4×(30×30)×(600×600)、 240×(2000×2000)和 240CCD[1]。 3.2 CCD 与红外焦平面阵列融合,用作全景、多 光谱、超光谱图像传感器 采用此融合技术的传感器在从卫星等空间平 台上对地球表面的海洋形态、地质和大地生态与 环境进行考察和监测,对地球表面目标进行探测 和识别方面,具有极为重要的意义和应用前景。 美国已经有采用可见光和红外图像融合技术 的摄像机应用在军事上。该摄像机在可见光通道 采用 2500 万像素的CCD阵列,而红外通道则采 用 3~5 µ m波段工作的 400 万像素的焦平面阵 列,获得的图像极为清晰[1]。 3.3 超级 CCD 技术的成熟与应用 超级 CCD 在像素的几何形状,像素的排列 结构上都与普通 CCD 有着质的区别,这使得超 级 CCD 在图像质量上比普通 CCD 既显著提高灵 敏度、信噪比,又具有更高动态范围,产生的图 像具有更丰富、更逼真的色彩和清晰度。同时在 视频输出时,超级 CCD 在两个方向上都可以跳 跃读出,这是获得高质量视频输出的关键,且超 级 CCD 在每一水平行上都有 RGB 信号,从而解 决了普通 CCD 无法解决的难题。超级 CCD 可以 仅需一个电子快门,不仅有效提高像素数据传输 速度和精度,而且具有快速准确连续拍摄的功能。 在采用超级CCD芯片的产品中运用自动曝 光技术AE和自动白色平衡技术AWB,可使图像质 量大幅度提高[9]。 一般认为,超级CCD像素利用率较普通CCD 高 33%,随着材料,工艺及电路技术的发展,将 使超级 CCD 的实际输出像素也比传统 CCD 有相 应的提高,这将使 CCD 技术前进很大一步。 参考文献 [1] 孙志君. 2010 年前的固体图像传感器发展趋势与前 景[J]. 电子科学技术评论, 2005,(5):28-34. [2] 杨晓宏. CCD 摄像机的新技术与新功能[J]. 影视技 术, 2004,(1): 45-48. [3] 杨博雄.CCD细分技术及其应用研究. 中国学位论文 全文数据库. [4] 柯才军.微透镜阵列的设计、制作及与CCD 的集成技 术. 中国学位论文全文数据库. [5] 王庆有.CCD 应用技术[M]. 天津大学出版社. 2000 [6] 韩卫华,钱光第. CCD 图像传感器新技术与发展方向 [J]. 网络传播与技术, 2007,(2):70-71. [7] 张亮,谷勇霞.超级 CCD 原理[J]. 传感器技 术,2003,(4):1-2. [8] 黄萍莉,岳军. 图像传感器 CCD 技术[J]. 记录与介 质, 2005,6(1):30-34. [9] 杨博雄,肖莺. 超级 CCD 的原理与关键技术[J]. 传 感器世界, 2005,(2):25-28. 作者简介 宋爱群:硕士研究生,厦门大学机电工程系,主要从事光 电检测技术研究。 304
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