純干貨分享：CCD圖像傳感器知識全解，超詳細！

今天給大家介紹CCD圖像傳感器，關注我們的朋友會很明顯的知道，鼎易鴻基&萬酷電子在介紹產品掃描槍的時候會有這樣一句話“采用工業級高性能線性CCD影像識別技術”，這是CCD圖像傳感器應用的一方面，今天我們就來細說一下關于CCD圖像傳感器。

CCD（charge coupled devices）即電荷耦合器件，是70年代發展起來的新型半導體光電器件，由于它有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，且集成度高、功耗低，一次隨后得到飛速發展，是圖像采集及數字化處理必不可少的關鍵器件，廣泛應用于科學、教育、醫學、商業、工業、軍事和消費領域。

CCD圖像傳感器是按一定規律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列。在P型或N型硅襯底生長一層很薄（約120NM）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。

【基本結構】

CCD基本結構分為兩部分：

1.MOS（金屬—氧化物—半導體）光敏元陣列

電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規則地排列。MOS電容器是構成CCD的最基本單元。

2.讀出移位寄存器

【電荷耦合器件的工作原理】

【分辨率】

分辨率是指CCD有多少像素，也就是CCD上有多少感光組件，分辨率是圖像傳感器的重要特征。（像素+分辨率長寬數值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）

CCD分辨率主要取決于CCD芯片的像素數。

其次，還受到傳輸效率的影響。高度集成的光敏單元可以獲得高分辨率。但光敏單元的尺寸的減少將導致靈敏度的降低。

【CCD圖像器件結構】

CCD作為圖像敏感器使用時，其基本結構及工作方式有以下三種：

1.線陣CCD

圖像從垂直于器件像元排列的方向掃描以記錄在線陣的CCD上，讀出時，每個成像的CCD像元，將電荷包轉移到移位寄存器的一個單元（一個字，而不是一位），沿水平方式快速讀出。

2.面陣幀轉移CCD

成像單元與移位單元整幀地分開。在成像的積分時間內，CCD像元的一半面積記錄圖像，然后，在回掃時間內快速轉移到擋光的另一半面積的像元（位移寄存單元）上。對后一半像元以常規視頻速率讀出的同時，下一幀圖像的積分開始進行。

3.面陣行轉移CCD

每兩行成像單元之間都夾有一行不透明的移位寄存單元，在成像時間內，傳輸門關閉，電荷包在成像單元上積分，不向寄存單元轉移，已轉移到寄存單元上的前一幀圖像以視頻速率讀出。當傳輸門開啟時，每行成像單元存儲的圖像電荷同時轉移到對應的行間讀出寄存器上。

【信號傳輸原理圖】

線陣CCD信號傳輸：

面陣CCD信號傳輸：

【CCD基本工作原理】

基本功能：電荷的存貯和轉移

特點：以電荷作為信號

1.信號電荷的產生

2.信號電荷的存儲

當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區里空穴被排斥入地成耗盡區。對電子而言，是勢能很低的區域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產生電子——空穴對空穴被電場作用排斥出耗盡區，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內吸的光子數與光強度成正比。

3.電荷轉移原理

CCD電荷耦合器件是以電荷為信號；

讀出位移寄存器也是MOS結構；

有三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元，在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖。

4.電荷耦合信號輸出

CCD信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種，以電壓輸出型為例：有浮置擴散放大器（FDA）、浮置柵放大器（FGA）

【圖像傳感器CCD和CMOS技術性能對比】

固體圖像傳感器(也稱固體光電成像器件)有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡稱，而CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡稱。

1.信息讀取方式的對比

CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時鐘驅動脈沖的控制下，一位一位地實施轉移后逐行順序讀取。

而CMOS光電成像器件的光學圖像信息經光電轉換后產生電流或電壓信號，這個電信號不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開關陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無此功能。

2.速度的對比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時鐘驅動脈沖的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，所以速度較慢。

而CMOS成像器件在采集光電圖像信號的同時就可取出電信號，它并能同時處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅動，再加上在同一芯片上做A/D轉換，圖像信號能快速地取出，因此它可在相當高的幀速下動作。如有些設計用來做機器視覺的CMOS，聲稱可以高達每秒1000個畫面的幀速。

3.電源及耗電量的對比

由于CCD的像素由MOS電容構成，讀取電荷信號時需使用電壓相當大(至少12V)的二相或三相或四相時序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統除了要有多個電源外，其外設電路也會消耗相當大的功率。有的CCD取像系統需消耗2~5W的功率。

而CMOS光電成像器件只需使用一個單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系統只消耗20~50mW的功率。

4.成像質量的對比

CCD成像器件制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質量好。

與CCD相比，CMOS的主要缺點是噪聲高及靈敏度低，因為CMOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，開始很長一段時間無法進入實用。后來，噪聲的問題用有源像素(Active Pixel)設計及噪聲補正線路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷進展，為生產高密度優質的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠商聲稱，所開發出的技術，成像質量已不比CCD差。

CMOS成像器件的靈敏度低，是因為像素部分面積被用來制作放大器等線路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細的制造工藝，否則為了維持相當水準的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過來說，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技術己開發出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的纯干货分享：CCD图像传感器知识全解，超详细！的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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