PDF《超级CCD的构造与原理》

超级CCD的构造与原理 随着数码成像产品的普及,大家对CCD已经不陌生了.

在生活中,数码相机,在生命科学的研 究领域,凝胶成像设备,其核心部件都是CCD.如果把这些成像设备比作人的眼睛,那CCD就是人眼 的视网膜,能感知光信号,并将之转换为可记录的电信号输出.如同人眼不能没有视网膜,CCD也 是数码成像的关键部件,它的好坏直接决定成像的质量. 我们该如何判断CCD的优劣呢?最主要看两个参数: 像素大小和像素数量. 单个像素面积越大, CCD能感知和收集的光信号就越多,导致感光灵敏度升高、信噪比增大、动态范围扩宽.具体到人 眼看物,可以说感光灵敏度升高、信噪比增大,我们在黑夜里就能看到更多真实的物品;

动态范围 扩宽,我们就能分辨更多不同深浅的灰阶,把从白到黑的变化看得更真切.像素数量,也就是我们 常说的几百万像素.它的数值越大,CCD获取图像的分辨率越高,也就是我们看到的物体更细腻, 更少马赛克. 理想状态当然是做像素既大又多的CCD.但是CCD的像素大小与其单位面积上的像素数量却始 终存在着矛盾.一方面,单位面积上CCD像素数不能无x增加,因为单位面积像素数越多,意味着 像素尺寸越小,导致感光灵敏度降低、信噪比下降、动态范围减小;

而另一方面,为了提高分辨率, 又需要增加CCD的像素数.通过增大CCD的面积来解决二者的矛盾行之有效,但是增大CCD的面积又 会导致CCD的制造成本剧增,显然不实用.因此,只有突破传统CCD的设计思路,改变CCD的结构, 才能从根本上提高CCD的工作性能,满足现代摄像摄影对CCD更高的要求.基于这种思路,"超级 CCD"应运而生. 下面我们就来剖析CCD像素的物理结构. 图1和2分别显示了传统CCD和超级CCD的像素内部组成 和像素排列方式. 传统内线转移型CCD各像素由光电二极管、控制信号通道(布线区)、电荷传输通道(V-CCD) 组成.如图1所示,传统的内线转移型CCD 的光电二极管为矩形,呈正方形褡幼磁帕. 超级CCD采用了新型八角形光电二极管, 由于各像素的电荷传输通路呈锯齿状, 已经彼此相联, 不需要控制信号通路,这样多余的空间即可用于增加光电二极管的感光面积.如图2所示八角形光电 二极管呈蜂窝状排列,使像素密度达到最大,极大增加了感光度. 图1 内线转移型CCD的结构 光电二极管 V-CCD 布线区 光电二极管 V-CCD 图2 超级CCD的结构 超级CCD结构上的创新决定了其优越的性能. 信号电荷量:所谓信号电荷量,反映了单个像素获取光信号的能力.信号电荷量越大,则灵敏度越高,信噪比 越大,动态范围越宽.超级CCD取消了控制信号通路,光电二极管的有效感光面积扩充,相当于传统CCD二极管的2 倍,在电荷蓄集方面具有优势.目前,一般通过在CCD表面集成微透镜的方式提高聚光率.如果微透镜的焦点位于 光电二极管上,那么微透镜聚集的光将100%照射到光电二极管上.但是,如果相机的焦点位于微透镜焦点以外, 对于长方形二极管, 透过微透镜形成的圆形光斑边缘的部分光线容易被矩形遮光壁遮盖, 出现CCD输出降低的现象, 这一现象称为"F值相关性灵敏度降低".由于超级CCD的二极管形状是接近圆形的八角形,灵敏度不易受F值的影 响.因此,在F值位于开放侧时的信号电荷量方面,超级CCD同样优于内线转移型CCD. 分辨率:在像素的排列结构上,传统CCD像素排列呈矩形,像素间水平、垂直距离比像素本身对角线长,这种 结构使CCD在像素对角线方向获得好的图像质量.但是根据人眼的工作机理,水平轴、垂直轴方向的分辨率才是影 响CCD分辨率的关键,对角线高频特性损失对图像质量影响极小.显然,普通CCD矩阵排列x制了有效面积中提升 分辨率的能力.通过对数百个自然景色的平均空间频率特性进行分析后可知,地心引力把空间频率的功率都集中在 水平和垂直的方向,而45°对角线上功率最低.超级CCD将光电二极管按45°排列为蜂窝状,上下左右光电二极管 相互之间的间隔为1/2行(或列).这种排列使得像素间水平、垂直距离比像素本身对角线距离短.这种结构不但 有效提高封装密度,而且垂直和水平方向分辨率也会高于对角线,完全符合自然景物和人视觉的空间频率特性.超级CCD这种排列结构,感光时可达到传统CCD两倍分辨率,而相同数量感光单元,则产生相当于传统CCD 1.6倍的影 像.这样,190万像素超级CCD图像质量与300万像素传统CCD相当. 超级CCD八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性,相 对于有同样数量像素的传统CCD而言,它有更高的灵敏度、更高的信号噪声比和更广泛的动态范围,实际输出的图 像分辨率也更高.