ccd图像传感器（CCD图像传感器知识全解）

ccd图像传感器（CCD图像传感器知识全解）

今天给大家介绍CCD图像传感器，关注我们的朋友会很明显的知道，鼎易鸿基&万酷电子在介绍产品扫描枪的时候会有这样一句话“采用工业级高性能线性CCD影像识别技术”，这是CCD图像传感器应用的一方面，今天我们就来细说一下关于CCD图像传感器。

CCD（charge coupled devices）即电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体光电器件，由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，且集成度高、功耗低，一次随后得到飞速发展，是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件，广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底生长一层很薄（约120NM）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。

【基本结构】

CCD基本结构分为两部分：

1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列

电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS电容器是构成CCD的最基本单元。

2.读出移位寄存器

【电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上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特征。（像素+分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）

CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。

其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。

【CCD图像器件结构】

CCD作为图像敏感器使用时，其基本结构及工作方式有以下三种：

1.线阵CCD

图像从垂直于器件像元排列的方向扫描以记录在线阵的CCD上，读出时，每个成像的CCD像元，将电荷包转移到移位寄存器的一个单元（一个字，而不是一位），沿水平方式快速读出。

2.面阵帧转移CCD

成像单元与移位单元整帧地分开。在成像的积分时间内，CCD像元的一半面积记录图像，然后，在回扫时间内快速转移到挡光的另一半面积的像元（位移寄存单元）上。对后一半像元以常规视频速率读出的同时，下一帧图像的积分开始进行。

3.面阵行转移CCD

每两行成像单元之间都夹有一行不透明的移位寄存单元，在成像时间内，传输门关闭，电荷包在成像单元上积分，不向寄存单元转移，已转移到寄存单元上的前一帧图像以视频速率读出。当传输门开启时，每行成像单元存储的图像电荷同时转移到对应的行间读出寄存器上。

【信号传输原理图】

线阵CCD信号传输：

面阵CCD信号传输：

【CCD基本工作原理】

基本功能：电荷的存贮和转移

特点：以电荷作为信号

1.信号电荷的产生

2.信号电荷的存储

当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子——空穴对空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。

3.电荷转移原理

CCD电荷耦合器件是以电荷为信号；

读出位移寄存器也是MOS结构；

有三个十分邻近的电极组成一个耦合单元，在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲。

4.电荷耦合信号输出

CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种，以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）

【图像传感器CCD和CMOS技术性能对比】

固体图像传感器(也称固体光电成像器件)有CCD与CMOS两种。CCD是“电荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的简称，而CMOS是“互补金属氧化物半导体”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。

1.信息读取方式的对比

CCD光电成像器件存贮的电荷信息，需要在二相或三相或四相时钟驱动脉冲的控制下，一位一位地实施转移后逐行顺序读取。

而CMOS光电成像器件的光学图像信息经光电转换后产生电流或电压信号，这个电信号不需要像CCD那样逐行读取，而是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的，可增加取像的灵活性。而CCD绝无此功能。

2.速度的对比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相时钟驱动脉冲的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，所以速度较慢。

而CMOS成像器件在采集光电图像信号的同时就可取出电信号，它并能同时处理各单元的图像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列电极可以被高速地驱动，再加上在同一芯片上做A/D转换，图像信号能快速地取出，因此它可在相当高的帧速下动作。如有些设计用来做机器视觉的CMOS，声称可以高达每秒1000个画面的帧速。

3.电源及耗电量的对比

由于CCD的像素由MOS电容构成，读取电荷信号时需使用电压相当大(至少12V)的二相或三相或四相时序脉冲信号，才能有效地传输电荷。因此CCD的取像系统除了要有多个电源外，其外设电路也会消耗相当大的功率。有的CCD取像系统需消耗2~5W的功率。

而CMOS光电成像器件只需使用一个单电源5V或3V，耗电量非常小，仅为CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系统只消耗20~50mW的功率。

4.成像质量的对比

CCD成像器件制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声，所以噪声低，成像质量好。

与CCD相比，CMOS的主要缺点是噪声高及灵敏度低，因为CMOS成像器件集成度高，各光电元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰严重，噪声对图像质量影响很大，开始很长一段时间无法进入实用。后来，噪声的问题用有源像素(Active Pixel)设计及噪声补正线路加以降低。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断进展，为生产高密度优质的CMOS成像器件提供了良好的条件。已有厂商声称，所开发出的技术，成像质量已不比CCD差。

CMOS成像器件的灵敏度低，是因为像素部分面积被用来制作放大器等线路。在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制造工艺，否则为了维持相当水准的灵敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反过来说，固定分辩率的传感器，芯片尺寸无法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技术己开发出了4096×4096超高分辨率的CMOS图像传感器。