CCD图像传感器发展与应用.docx

CCD图像传感器发展与应用.docx

《CCD图像传感器发展与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CCD图像传感器发展与应用.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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

［１］ＢＯＹＬＥＷＳ，ＳＭＩＴＨＧＥ．Ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．ＢｅｌｌＳｙｓ．Ｔｅｃｈ．Ｊ．，１９７０，４９（２）：

５８７－５８３．

［２］周祖成．电荷耦合器件在信号处理图像传感器中的应用［Ｍ］．北京：

清华大学出版社，１９９１．

［３］ＥＴＯＨＴＧ，ＰＯＧＧＥＭＡＮＮＤ，ＫＲＥＩＤＥＲＧ，ｅｔａｌ．Ａｎｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｐｔｕｒｅｓ１００ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅｆｒａｍｅｓａｔ１００００００ｆｒａｍｅｓ／ｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ．２００３，５０（１）：

１４４－１５１．

［４］ＷＩＬＬＩＡＭＳＭＪ，ＲＥＩＮＨＥＩＭＥＲＡＬ，ＪＯＨＮＳＯＮＣＢ，ｅｔａｌ．

ＢａｃｋｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｂｏｍｂａｒｂｅｄＣＣＤｌｏｗｌｉｇｈｔｌｅｖｅｌｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．［Ｓ．ｌ．］：

ＳＰＩＥＰｒｅｓｓ，１９９５：

２０８－２２３．［５］

ＳＵＹＡＭＡＭ，

ＫＡＧＥＹＡＭＡＡ．

ＡｎｅｌｅｃｔｒｏｎｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔＣＣＤ

ｔｕｂｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．［Ｓ．ｌ．］：

ＳＰＩＥＰｒｅｓｓ，１９９７：

４２２－４２９．

［６］ＭＡＲＵＮＯＴ，ＳＨＩＲＡＩＭ，ＬＷＡＳＥＦ，ｅｔａｌ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｏｍｂａｒｄ－ｍｅｎｔＣＣＤＣａｍｅｒａ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．［Ｓ．ｌ．］：

ＳＰＩＥＰｒｅｓｓ，１９９６：

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

［１］覃真，啜钢．手机芯片发展现况及发展趋势展望［Ｊ］．电子技术应用，２００７，３３（２）：

１－５．

［２］ＶＩＡＴｅｌｅｃｏｍ．ＣＢＰ６．０ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎＶｅｒｓｉｏｎ１２［ＥＢ／ＯＬ］．［２００６－１２－３１］．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｖｉｍｉｃｒｏ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｄ＿ｖｃ０８５８．ｈｔｍ．

［３］王瑛楠，高满屯．基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的视频采集与传输系统的设计［Ｊ］．现代制造工程，２００７（３）：

４８－５０．

［４］ＷｏｌｆｓｏｎＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ＷＭ８９７６ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤａｔａＲｅｖ４．１［ＥＢ／ＯＬ］．［２００７－１２－３１］．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｗｏｌｆｓｏｎｍｉｃｒｏ．ｃｎ／ｕｐｌｏａｄｓ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ／ｃｎ／ＷＭ

８９７６．ｐｄｆ．

［５］朱丽英，蔡家楣，郑健．基于ＮｕｃｌｅｕｓＰＬＵＳ的嵌入式系统的软件设计［Ｊ］．计算机应用与软件，２００５，２２（２）：

３３－３４．

!

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

"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""