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常見CCD技術(shù)及種類簡介

來源:深圳市華偉達(dá)科技有限公司   2011年01月05日 22:08  

HAD感測器(80年代初期)

HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)傳感器是在N型基板,P型,N+2極體的表面上,加上正孔蓄積層,這是SONY*的構(gòu)造。由于設(shè)計(jì)了這層正孔蓄積層,可以使感測器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外,在N型基板上設(shè)計(jì)電子可通過的垂直型隧道,使得開口率提高,換句換說,也提高了感度。在80年代初期,索尼將其使用在INTERLINE方式的可變速電子快門產(chǎn)品中,即使在拍攝移動快速的物體也可獲得清晰的圖像。

ON-CHIP MICRO LENS(80年代后期)

80年代后期,因?yàn)镃CD中每一像素的縮小,將使得受光面積減少,感度也將變低。為改善這個(gè)問題,索尼在每一感光二極管前裝上經(jīng)特別制造的微小鏡片,這種鏡片可增大CCD的感光面積,因此,使用該微小鏡片后,感光面積不再因?yàn)楦袦y器的開口面積而決定,而是以該微小鏡片的表面積來決定。所以在規(guī)格上提高了開口率,也使感亮度因此大幅提升。

SUPER HAD CCD(90年代中期)

進(jìn)入90年代中期后,CCD技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,同時(shí),CCD的單位面積也越來越小,受CCD面積限制,索尼1989年開發(fā)的微小鏡片技術(shù)已經(jīng)無法再提升CCD的感亮度了,而如果將CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升,將會使雜訊同時(shí)提高,成像質(zhì)量就會受到較大的影響。為了解決這一問題,索尼將以前在CCD上使用的微小鏡片的技術(shù)進(jìn)行了改良,提升光利用率,開發(fā)將鏡片的形狀*化技術(shù),即索尼 SUPER HAD CCD技術(shù)。這一技術(shù)的改進(jìn)使索尼CCD在感覺性能方面得到了進(jìn)一步的提升。

HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)傳感器是在N型基板,P型,N+2極體的表面上,加上正孔蓄積層,這是SONY*的構(gòu)造。由于設(shè)計(jì)了這層正孔蓄積層,可以使感測器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外,在N型基板上設(shè)計(jì)電子可通過的垂直型隧道,使得開口率提高,換句換說,也提高了感度。在80年代初期,索尼將其使用在INTERLINE方式的可變速電子快門產(chǎn)品中,即使在拍攝移動快速的物體也可獲得清晰的圖象。

進(jìn)入90年代后期以來,CCD的單位面積也越來越小,1989年開發(fā)的微小鏡片技術(shù),已經(jīng)無法再提升感亮度,如果將CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升,將會使雜訊也被提高,畫質(zhì)會受到明顯的影響。索尼在CCD技術(shù)的研發(fā)上又更進(jìn)一步,將以前使用微小鏡片的技術(shù)改良,提升光利用率,開發(fā)將鏡片的形狀*化技術(shù),即索尼 SUPER HAD CCD技術(shù)。基本上是以提升光利用效率來提升感亮度的設(shè)計(jì),這也為目前的CCD基本技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

NEW STRUCTURE CCD(1998年)

在攝影機(jī)光學(xué)鏡頭的光圈F值不斷的提升下,進(jìn)入到攝影機(jī)內(nèi)的斜光就越來越多,但更多的鈄光并不能地入射到CCD傳感器上,從而使CCD的感光度受到限制。在1998年時(shí),索尼公司就注意到這一問題對成像質(zhì)量所帶來的負(fù)面效果,并進(jìn)行了技術(shù)公關(guān)。為改善這個(gè)問題,他們將彩色濾光片和遮光膜之間再加上一層內(nèi)部的鏡片。加上這層鏡片后可以改善內(nèi)部的光路,使斜光也可以*地被聚焦到CCD感光器上,而且同時(shí)將硅基板和電極間的絕緣層薄膜化,讓會造成垂直CCD畫面雜訊的訊號不會進(jìn)入,使SMEAR特性改善。

EXVIEW HAD CCD(1999年)

比可視光波長更長的紅外線光,會在半導(dǎo)體硅芯片內(nèi)做光電變換。可是至當(dāng)前為止,CCD無法將這些光電變換后的電荷,以有效的方法收集到感測器內(nèi)。為此,索尼在1999年新開發(fā)的“EXVIEW HAD CCD”技術(shù)就可以將以前未能有效利用的近紅外線光,有效轉(zhuǎn)換成為映像資料而用。使得可視光范圍擴(kuò)充到紅外線,讓感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”組件時(shí),在黑暗的環(huán)境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深層中做的光電變換時(shí),會漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分,也可被收集到傳感器內(nèi),所以影響畫質(zhì)的雜訊也會大幅降低。

EX-View的Lux效率比的“Super HAD”可見光和近紅外光波場高出了2倍。 EX-View技術(shù)的缺陷在于,因?yàn)镃CD芯片制造過程的難度本質(zhì)和芯片靈敏的本質(zhì),索尼公司只有有限的傳感器部分供貨。 按照索尼的講法,相比于Super HAD傳感器,EX-View芯片的光電二極管還有一些潛在的不的地方。這些很少的有缺陷的CCD元素可能會有故障,因此會導(dǎo)致“死亡像素”,會在影像留下一些無法去除的得白點(diǎn)或黑點(diǎn)。

從開始生產(chǎn)CCD累積計(jì)算,索尼的生產(chǎn)量已超越了1億個(gè)以上。未來索尼公司將積極降低產(chǎn)品消耗電力,減少驅(qū)動電路復(fù)雜度,減少IC PIN腳數(shù)以及減輕電子產(chǎn)品對地球生態(tài)環(huán)境負(fù)擔(dān)為目標(biāo),研發(fā)設(shè)計(jì)新型的CCD組件。在CCD的應(yīng)用越來越多樣化的趨勢下,加強(qiáng)CCD的小型化及高像素化的基本特性,以提供更有魅力的高附加價(jià)值的產(chǎn)品來滿足用戶的要求。

四色濾光技術(shù)(2003年7月)

我們知道,傳統(tǒng)的感光無非紅綠藍(lán)RGB三色,數(shù)碼相機(jī)所應(yīng)用的CCD/CMOS感光單元是采用彩色濾光片原理,每個(gè)像素各感應(yīng)不同的顏色,然后再將這些顏色重新組合成一個(gè)有效像素。而全新的四色濾光標(biāo)準(zhǔn)則被稱為RGBE,相對RGB而言,全新的E被Sony認(rèn)為是一種亮藍(lán)色標(biāo)準(zhǔn),這里的E就是英文祖母綠單詞Emerald的縮寫(看上去應(yīng)該算是青綠色)。Sony認(rèn)為全新的四色濾光技術(shù)將會更加接近于人眼自然色彩識別標(biāo)準(zhǔn),從而能夠達(dá)到更為真實(shí)的色彩還原標(biāo)準(zhǔn),在RGBE技術(shù)發(fā)布的同時(shí),Sony也同期公布了一種全新的圖像處理模塊以配合全新的四色濾光CCD模塊。配合全新的RGBE技術(shù)和全新的圖像處理模塊,新一代的RGBE CCD模塊可以將數(shù)碼相機(jī)在色彩還原上的錯(cuò)誤降低至少一半,而數(shù)碼相機(jī)在藍(lán)綠、紅色方面的還原生成效果也將同時(shí)得到加強(qiáng)。另外,全新的圖像處理單元也會在能耗方面作相應(yīng)的優(yōu)化,相對從前配合RGB技術(shù)所采用的圖像處理模塊可以節(jié)省至少30%的能耗,當(dāng)然全新的圖像處理單元更會有效提升數(shù)碼相機(jī)的拍攝速度和回放速度,Sony認(rèn)為整個(gè)全新的RGBE模塊設(shè)計(jì)將整體提升現(xiàn)有數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。

四種類型的 CCD

因應(yīng)不同種類的工作需求,業(yè)界發(fā)展出四種不同類型的 CCD :Linear 純線性、Interline 掃瞄、全景 Full-Frame和 Frame-Transfer 全傳。

線型CCD是以一維感光點(diǎn)構(gòu)成,透過步進(jìn)馬達(dá)掃瞄圖像,由於照片是一行行組成,所以速度較使用 2維CCD的數(shù)位相機(jī)來得慢。這型CCD 大多用於平臺式掃描器之上。

Interline Transfer 掃瞄型 CCD 的曝光步驟就如同前面所介紹的相同,IL 型 CCD 的優(yōu)點(diǎn)在於曝光后即可將電荷儲存於暫存器中,元件可以繼續(xù)拍攝下一張照片,因此速度較快,目前的反應(yīng)速度以已經(jīng)可達(dá)每秒 15 張以上。相對性的缺點(diǎn)則是暫存區(qū)占據(jù)了部份感光面積,因此動態(tài)范圍(Dynamic Range - 系統(tǒng)zui亮與zui暗之間差距所能表現(xiàn)的程度)較小。其升級技術(shù)為Double Density Interline Transfer。

Full-Frame 全像 CCD 則是一種架構(gòu)更簡單的感光設(shè)計(jì)。有鑒於 IL 的缺點(diǎn),F(xiàn)F改良可以利用整個(gè)感光區(qū)域(沒有暫存區(qū)的設(shè)計(jì)),有效增大感光范圍,同時(shí)也適用長時(shí)間曝光。其曝光過程和 Interline 相同,不過感光和電荷輸出過程是分開。因此,使用 FF CCD的數(shù)位相機(jī)在傳送電荷資訊時(shí)必須*關(guān)閉快門,以隔離鏡頭入射的光線,防止干擾。這也意味著 FF 必須使用機(jī)械快門(無法使用 IL 的電子 CLOCK 快門),同時(shí)也限制了FF CCD的連續(xù)拍攝能力。

Frame-Transfer 全傳 CCD 的架構(gòu)則是介於 IL 和 FF 之間的產(chǎn)品,它分成兩個(gè)部分上半部分是感光區(qū),下半部則是暫時(shí)存儲區(qū)。整體來說 Frame-Transfer CCD 非常的類似 Full-Frame CCD,它的特點(diǎn)在於直接規(guī)劃了一個(gè)大型暫存區(qū)。一旦FT CCD 運(yùn)作,它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的暫存區(qū)中,本身則可以繼續(xù)曝光拍照。這個(gè)設(shè)計(jì)讓FT 同 IL 一樣可以使用電子快門,但同時(shí)也可增加感光面積和速度。FT CCD 主要是由荷蘭 Philips 公司開發(fā),后來技術(shù)移轉(zhuǎn)給 SANYO 公司發(fā)展成 VPMIX 技術(shù)。三洋對 VPMIX 的改良相當(dāng)成功。

CCD 尺寸

基本上,常用的 CCD 尺寸并不是『單位』而是『比例 』!要了解 CCD尺寸,首先必須先認(rèn)識在工程師眼中『1英吋』的定義是什麼?業(yè)界通用的規(guī)范就是 1英吋 CCD Size = 長 12.8mm × 寬 9.6mm = 對角線為 16mm 之對應(yīng)面積,可得出該三角之三邊比例為 4:3:5。換句話說,無須完整的面積參數(shù),只要給出三角形zui長一邊長度,就可以透過簡單的定理換算回來。有了固定『單位』的 CCD 尺寸就不難了解余下比例定義了,例如:1/2" CCD Size 的對角線就是 1" 的一半為 8mm,面積約為 1/4;1/4" 就是 1" 的1/4,對角線長度即為 4mm。

可能有人會問:1英吋=2.54cm=25.4mm,而一般吋數(shù)表示應(yīng)為對角線 n 吋就是等於 n×2.54 cm。但上面說『1英吋 CCD Size = 長 12.8mm × 寬 9.6mm = 對角線為 16mm』并無法與 1英吋=25.4mm 之既定單位相產(chǎn)生關(guān)聯(lián),理由為何呢?要回答這個(gè)問題必須從1950年代*代電視機(jī)剛從實(shí)驗(yàn)室誕生的時(shí)候開始講起。那個(gè)時(shí)期的電視機(jī)和現(xiàn)在所使用的CRT電視原理上大同小異,但有一個(gè)zui大不同點(diǎn)就是那時(shí)候的螢?zāi)皇恰簣A』的!對於那個(gè)時(shí)候的電視工程師來說,從Tube中發(fā)射出來的電子線本就會繞著圓形軌道散布,因此,將螢?zāi)蛔龀蓤A形是理所當(dāng)然的事。如果回顧二次大戰(zhàn)的電影,那時(shí)候雷達(dá)螢?zāi)唬簿褪荂RT應(yīng)用zui多的地方,*代電視也就是那樣的造型。不過,對於大多數(shù)的消費(fèi)者來說,圓形螢?zāi)粚?shí)在太難適應(yīng)了,zui終還是將螢?zāi)徊贸伞悍健恍停褷幦〈蟊姷恼J(rèn)同。而如何在『圓中取方』得到zui大的面積,后來的工程學(xué)界看法不一定相同,但通常裁切比例維持在1.4~1.6之間,這之中并沒有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式,主要的問題則是在避免圓形投射下,出現(xiàn)暗角的畫面。不過,在描述尺寸大小時(shí),仍繼續(xù)維持50年代的傳統(tǒng),把『圓』形概念套用到『方』型螢?zāi)簧希杂紒肀磉_(dá)。久而久之,已經(jīng)很少人能記得起zui初圓形的概念,而持續(xù)將方形16mm的對角線作為『英吋』的代表單位了。

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