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    CCD类型介绍:Linear, Interline, Full-Frame, Frame-Transfer CCD的区别

    发表日期:2015.07.10        发布人:jason    点击量:

    CCD最早是由BELL实验室发明的,到今年已经有33年的历史了。虽说半导体工艺取得了长足的进步,但是CCD还仅仅由少数几家厂商可以生产,它们分别是Sony;Philps;Kodak;Matsushita;Fuji和Sharp,日本厂商占了绝大多数。其中除了Fuji的Super CCD采用了菱形(蜂巢状)的排列方式(这里指的是每个感光二极管的排列方式),其它的CCD都采用了矩形的排列方式。虽然排列方式不一样,但是它们的工作原理都是基于以下四种基本的CCD类型Linear, Interline, Full-Frame, and Frame-Transfer。

    有四种基础的CCD类型,Linear, Interline, Full-Frame, and Frame-Transfer,Linear CCD我称之为线型CCD,它是有单独的一行像素构成,所有的像素都在一行上。如果要显示出一副图像,线型CCD需要从对象表面扫描过去。图像是由一行行构成的,明显的如果用它来捕捉景物是非常慢的。并且它需要使用步进马达,这样就增加了系统的复杂性,如果机械精度未校准的话会影响的成像,并且机械运动还会带来很大的噪声,目前这种线性CCD在平板扫描仪上运用的最多。

    Interline, Full-Frame, and Frame-Transfer被设计成队列形的CCD,它们采用多行构成矩形或正方形。

    Interline CCD
    Interline CCD中的每个像素都具有存储电荷的区域,好象抽行一样,一行用来进行光电耦合,另一行用于存储电荷。这些像素存储区域都被连接在一个垂直的电荷传输通道上,一直到队列顶部的水平位移寄存器(shift register)上。这种类型的CCD的应用范围最广,主要是它们的速度较快。interline的设计方式允许像素存储的电荷快速地位移到它邻近的存储区域中,电荷被一行行的移到顶部的水平位移寄存器。它可以快速的移去存储区域的存储电荷,为接收下一次的曝光做好准备。在数码相机中,这种交错设计CCD可以足够快地捕捉到像素并能进行连续的拍摄,甚至可以拍摄动态的视频。目前市场上的大多数的数码相机都使用了这种CCD光电耦合器件。Interline CCD带电子快门和Progressive scan逐行扫描模式,可用于高速摄影。

    Full-Frame CCD
    所有的像素都用于感光,有效感光面积增大。不过要把感光和电荷输出过程分开,因此速度不会太高。它的感光单元也是它的电荷寄存器,它由CCD感光单元,平行CCD位移寄存器,平行位移寄存器时钟控制器,串行CCD位移寄存器和串行位移寄存器时钟控制器及输出信号放大器构成。

    这种CCD把所有的像素都用于感光区域,因此当有电荷传输发生时,这些像素将被用于处理电荷传输而不能继续捕捉新的影像。在像素传输过程中,如果传感器再接受到光线,将会影响成像,表现为影像上的光点。由于没法在电子上限制这种现像的发生,一般数码相机会采用机械关闭快门的方式,来隔离镜头射入的光线。采用Full-Frame CCD的数码相机是唯一必然安装机械快门的类型,这种CCD的感光方式限制了它的连续拍摄功能。Full-Frame CCD一般被用在顶级的数码相机上,以便获得很高的影像密度(细节),例如数码后背、中幅像机。

    Frame-Transfer CCD
    Frame-Transfer CCD的架构比较特殊,我们看到它的上半部分是光电耦合器件,下半部分由水平CCD存储队列构成,它由水平像素队列时钟控制器,水平存储队列时钟控制器。串行CCD位移寄存器和串行位移寄存器时钟控制器和信号输出放大器构成。

    Frame-Transfer CCD非常的类似于Full-Frame CCD,但是它掩盖了半组队列用于电荷的临时存储区域,称它为"storage array"比较合适,当一个感光像素获得它们的电荷,它就会迅速地把电荷转移到存储队列上。这个操作没有快门延时,它们是非常快的捕捉设备。但是,并发的电荷传输周期和感光周期还是会造成影像的"污点",Interline CCD改进了设计,允许在拍摄时同时进行电荷传输,这是它们之间的微小差别。

    Philips的Frame-Transfer CCD(面扫描)的技术被称为True Frame sensor结构(它是由Philips开发的,便是目前被Sanyo使用,三洋的VPC-SX550就是一个典型的例子,它可以达到每称30帧的拍摄速度),它传感器上的存储区域由一个金属层保护,防止光线进入。我们知道典型的interline CCD每秒的拍摄速率是5-10幅,而Philips声称它们的Frame Transfer CCD可以达到每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。

    由于只有少数几家CCD生产商,其中不乏一些业界的巨头,它们之间的竞争异常激烈。传感器之间的一些微小差别也会吸引不同的买家,因此这些CCD生产商都在改进基础的CCD架构以提高它们的竞争力。Fuji的Super CCD是唯一使用蜂房式结构的CCD,实采用的八边形构造可以最大限度的利用CCD的有效面积(我们知道蜂巢的结构是效率很高的一种几何形状,自然界创造的空间利用率最高的几何结构)。这样在CCD上面每个像素可以获得最大的密度,像素的形状使它有更大的感光面积以获得更好的动态范围。Fuji宣称这种技术具有更好的信噪比和动态范围,我们测试了使用第一代Super CCD的消费类数码相机Fujifilm 4700,不过我们对它的图像品质感到失望。但是下一代的Fuji数码相机优化了Super CCD技术,我们发现它的图像要比竞争的相机要锐利一些(不过译者认为,Super CCD的图像是以柔和著称的),它们图像品质相当不错,测试相机是Fujifilm FinePix S1 Pro,也难怪图像品质不错,这是一款定位专业市场的SLR数码相机。
     




    因不同种类的工作需求,业界发展出不同的类型的CCD:Line(线型),Interline(扫描), Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全传)。

    线型CCD是以一维感光点构成,通过步进马达扫描图像,由于照片是一行行组成,所 以速度较二维的数码相机来得慢,这种CCD大多用在平台式扫描仪上。

    扫描型的CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器,通过垂直传送向下转移到底部,按一定排序输出,它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器,继续拍照速度较快, 缺点是寄存器占用了感光面的面积,相应地牺牲了动态范围,这种CCD成本较低,多用在监视器、拍照手机、或低档数码相机上。

    全景CCD是一种架构更简单的感光设计,鉴于扫描型的缺点,全景型可以利用整个感光区域(没有寄存区的设计),有效增大感光面积,同时也适应长时间曝光,其曝光过程和线型相同, 不过感光和电荷输出过程是分开的。因此全景CCD的数码相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门),同时,也限制了全景CCD的连续拍照的能力。全景型大多用在专业级相机上。

    全传CCD的架构介于扫描和全景之间,有时也叫全扫描型,它分成上、下部分,上半部分是感光区,下半部是暂时存储区。整体来说全传CCD非常类似全景CCD,它的特点在于直接规划一个大型寄存 区。一旦全传CCD工作,它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中,本身可以继续曝光拍照。这种设计,让全传同扫描一样可以使用电子快门, 同时也可以增加感光面积和速度, 兼顾动态和静态的拍摄能力。大多数数码相机采用此类CCD。





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