1、CCD 微光攝像器件 一、MOS單元與CCD MOS單元是CCD結(jié)構(gòu)的基本組元。它由金屬(M) 電極、氧化物(O)層和半導(dǎo)體(S)三層組成。,通常以單晶硅(p型或n型)作基底，其上 長(zhǎng)一 層薄的二氧化硅，再蒸涂一定形狀的金 屬電極。 假定襯底是p型硅。在金屬電極上加電壓 U時(shí)，p型區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子空穴將在電場(chǎng) 的作用下趨向離開電極，于是形成所謂的“耗 盡區(qū)“。對(duì)于少數(shù)載流子電子，電場(chǎng)將它們 引入“耗盡區(qū)“。故“耗盡區(qū)“成為電子的”陷阱” 稱為勢(shì)阱。,若有光線射入并產(chǎn)生電子空穴對(duì)，則空穴 將被排斥出“耗盡區(qū)“，而電子將被吸入勢(shì)阱。 光越強(qiáng)，則勢(shì)阱收集的電子越多。一個(gè)這樣 的勢(shì)阱所收集的電荷總體叫

2、做電荷包。這個(gè) MOS單元就成為一個(gè)光敏元，簡(jiǎn)稱為像素。 在半導(dǎo)體硅片上制成大量相互獨(dú)立的MOS單 元，并由各自電極施加相應(yīng)的電壓，就形成 大量的勢(shì)阱。若有一幅實(shí)際的光學(xué)圖像呈現(xiàn) 于器件表面，則各MOS單元?jiǎng)葳逯须姾傻亩嗌?就反映了該像素接受的光的強(qiáng)弱，于是光學(xué) 圖像就變成了電荷分布圖。,這種由大量MOS單元構(gòu)成的器件就是CCD. 二、信號(hào)電荷的存儲(chǔ)和傳輸 對(duì)于單個(gè)MOS結(jié)構(gòu)，如維持其上的電壓并保 持光對(duì)它的照射，則它下面的勢(shì)阱會(huì)不斷積累 光生電子，同時(shí)使勢(shì)阱逐漸變淺。據(jù)估計(jì)，它 的電荷包內(nèi)電子數(shù)可達(dá)106量級(jí)。此為信號(hào)電荷 的存儲(chǔ)過(guò)程。 由于CCD中MOS單元間的間隔很小(3m),故 它們的

3、勢(shì)阱總有搭連。若在下一單元施加更高 的正電壓，則與之相應(yīng)的耗盡區(qū)會(huì)進(jìn)一步向下,擴(kuò)展，形成更深的陷阱（深度近似于所加電 壓成比例）。由于勢(shì)阱的搭連，信號(hào)電荷就 會(huì)由前一勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到這個(gè)更深的勢(shì)阱中。若 按一定的時(shí)序?qū)ο噜忞姌O施加不同的電壓 （稱為時(shí)鐘電壓），使電極下的勢(shì)阱按相應(yīng)的 時(shí)序變化 就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向傳輸。 三、信號(hào)的讀出 在信號(hào)電荷的輸出端擴(kuò)散出一個(gè)n型區(qū) 作為電荷的收集區(qū)。它與p型襯底構(gòu)成pn結(jié)；,在此結(jié)上加以反向偏置電壓。當(dāng)信號(hào)電荷傳 至電極cn之下時(shí)，就被收集，在R上形成信號(hào) 電流，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出，其輸 出值一次與原來(lái)儲(chǔ)存于電極 an,an-1,a2,a1 下勢(shì)阱中

4、的電荷數(shù)成正比。此為信號(hào)電荷的 讀出過(guò)程，屬串行輸出形式。 顯然，時(shí)序脈沖電壓和勢(shì)阱的搭連是該 過(guò)程的基礎(chǔ)。從物理學(xué)來(lái)看，這又是一個(gè) 電荷耦合的過(guò)程，故把此器件稱為電荷耦合 器件CCD。,四、線陣CCD傳感器,線陣CCD傳感器包括光敏區(qū)和讀出寄存器 兩部分。前者接受信息光波，完成光電轉(zhuǎn)換和 電荷存儲(chǔ)過(guò)程；后者是遮光區(qū)，完成信號(hào)電荷 的傳輸和讀出。 二者都有相似的MOS結(jié)構(gòu)，同時(shí)有兩點(diǎn)主 要區(qū)別： 讀出區(qū)需要避光，以防外來(lái)光形成 干擾。 光敏區(qū)的MOS單元被施加存儲(chǔ)電壓Ua , 它在整個(gè)光積累期間均保持高電位，,在將光生電子向寄存區(qū)轉(zhuǎn)移的短時(shí)間間 隔內(nèi)處于低電位。讀出寄存區(qū)被施加時(shí)鐘 脈沖電壓U

5、a ，它要完成信號(hào)電荷的依次 傳輸。 光輻射使光敏區(qū)出現(xiàn)光生電子。在光 電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷累計(jì)期間，光敏區(qū) Ua 總處于高電位，而轉(zhuǎn)移門 UZ、寄存區(qū) Ua 同為低電位。信號(hào)電荷在光敏區(qū)勢(shì)阱下持 續(xù)積累，直至?xí)r刻 t = t0。,接著，光敏區(qū)電壓Ua降低，而UZ、 Ua處高 電位，于光敏區(qū)積累的電荷通過(guò)Z平行轉(zhuǎn)移 至位移寄存區(qū)。至?xí)r刻t = t1時(shí)， UZ降低， 與Ua同處低電位，而Ua仍保持為高電位至 t = t2 。這樣，在t = t2 - t1時(shí)間內(nèi)，光敏區(qū) 的電荷會(huì)徹底向寄存區(qū)轉(zhuǎn)移而不會(huì)產(chǎn)生逆向 回流。 從時(shí)刻t = t2后，才降低Ua ，使UZ、 Ua同處 低電位，而Ua返回高電位，光

6、敏區(qū)進(jìn)入新的 光電轉(zhuǎn)換和電荷積累過(guò)程；同時(shí)，位移寄存 區(qū)開始在三相時(shí)鐘脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下實(shí)行電荷,的傳輸和讀出。全部信號(hào)電荷的讀出過(guò)程也 使光敏區(qū)信號(hào)累積的時(shí)間間隔。,三、感應(yīng)器/傳感器（Sensors） 新型Foveon感應(yīng)器 我們眼睛里面的錐形細(xì)胞對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色特別敏感，我們識(shí)別的其他顏色其實(shí)也是通過(guò)三原色不同比例的搭配而成的。在傳統(tǒng)的膠卷攝影中，彩色膠卷上的化學(xué)層就是利用紅、綠、藍(lán)三原色的原理工作的。新型的Foveon感應(yīng)器其實(shí)也運(yùn)用著同樣的原理。Foveon感應(yīng)器有三個(gè)感應(yīng)器層來(lái)測(cè)量三原色。我們?cè)谙聢D可以看到，把三個(gè)顏色的圖層結(jié)合便能得到一張數(shù)碼照片，每個(gè)象素就像正方形的瓦片一樣，鋪在

7、傳感器上，各個(gè)象素顏色不同。作為一種新開發(fā)的科技，F(xiàn)oveon感應(yīng)器現(xiàn)在只應(yīng)用在Sigma SD9和SD10數(shù)碼單反上，它仍未能解決對(duì)光線敏感度低的缺點(diǎn)。,常用的顏色過(guò)濾排列感應(yīng)器 幾乎所有的數(shù)碼相機(jī)均使用這種顏色過(guò)濾排列感應(yīng)器來(lái)測(cè)量每個(gè)象素接受光線的明亮程度。在以下的圖表中，我們可以看到“顏色過(guò)濾排列”被置于感應(yīng)器上部，吸收投射在上面的由三原色組成的光線。每一個(gè)象素只負(fù)責(zé)測(cè)量一種主要顏色（紅、綠、藍(lán)）之一，而另外兩種顏色是根據(jù)附近象素的顏色由軟件估算出來(lái)的。這種做法減低了照片的銳利度和色彩還原真實(shí)程度這就是顏色過(guò)濾排列感應(yīng)器比Foveon感應(yīng)器落后的地方。然而，隨著當(dāng)今感應(yīng)器的象素不斷提高，

8、銳利度的不足和顏色的失真已經(jīng)越來(lái)越不明顯了，不斷進(jìn)步的圖片處理系統(tǒng)已經(jīng)變得更加聰明，照片畫質(zhì)得到了很大的提升。,六、RAW圖像格式 在開始這個(gè)專題之前，筆者在這里首先說(shuō)明一點(diǎn)：RAW并不是一個(gè)英文縮寫，RAW就是RAW，中文解釋是“原材料”或“未經(jīng)處理的東西”。RAW文件包含了原圖片文件在傳感器產(chǎn)生后，進(jìn)入照相機(jī)圖像處理器之前的一切照片信息。用戶可以利用PC上的某些特定軟件對(duì)RAW格式的圖片進(jìn)行處理。 RAW格式的儲(chǔ)存和優(yōu)勢(shì) 通過(guò)對(duì)顏色過(guò)濾排列的專題的了解，我們應(yīng)該知道傳統(tǒng)的傳感器中，每個(gè)象素只負(fù)責(zé)獲得一種顏色。每個(gè)象素承載的數(shù)據(jù)通常有10或12位（12位最常用），而這些數(shù)據(jù)就能儲(chǔ)存到RAW文

9、件里面。照相機(jī)內(nèi)置圖像處理器通過(guò)這些RAW數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，計(jì)算出三個(gè)顏色通道的值，輸出一個(gè)24位的JPEG或TIFF圖像。,雖然TIFF文件保持了每顏色通道8位的信息，但它的文件大小比RAW更大（TIFF：38位顏色通道；RAW：12位RAW通道）。JPEG通過(guò)壓縮照片原文件，減少文件大小，但壓縮是以犧牲畫質(zhì)為代價(jià)的。因此，RAW是上述兩者的平衡：既保證了照片的畫質(zhì)和顏色，又節(jié)省儲(chǔ)存空間（相對(duì)于TIFF）。一些高端的數(shù)碼相機(jī)更能輸出幾乎是無(wú)損的壓縮RAW文件。 RAW的適用性 許多圖像處理軟件可以對(duì)照相機(jī)輸出的RAW文件進(jìn)行處理。這些軟件提供了對(duì)RAW格式照片的銳度、白平衡、色階和顏色的調(diào)節(jié)。此外，由于RAW擁有12位數(shù)據(jù)，你可以通過(guò)軟件，從RAW圖片的高光或昏暗區(qū)域榨取照片細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)不可能在每通道8位的JPEG或TIFF圖片中找到。,RAW的弊端 RAW有一個(gè)明顯的弊端：隨著照相機(jī)牌子和型號(hào)的不同，它們輸出的RAW格式也不同。用戶在處理RAW格式圖片的時(shí)候必須使用廠家提供的專門軟件。這為圖像處理帶來(lái)了諸多不便。此外，相對(duì)于JPEG和TIFF格式的圖片，打開和處理RAW文件要耗費(fèi)更多的時(shí)間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有的數(shù)碼相機(jī)可以讓用戶拍攝照片的時(shí)候同時(shí)以RAW與JPEG格式儲(chǔ)存照