CCD图像传感器
ccd图像传感器的工作原理
ccd图像传感器的工作原理
CCD（Charged Coupled Device）图像传感器是一种将光信号
转换为电信号的电子器件。
它具有由一系列电荷耦合转移器件组成的阵列。
其工作原理如下：
1. 光感受：图像传感器的表面涂有光敏材料，例如硅或硒化铟。
当光照射到传感器上时，光子会激发光敏材料中的电子。
2. 电荷耦合：在CCD传感器中，光激发的电子通过电场力被
引导至特定位置。
在传感器的一侧，存在着电荷耦合器件（CCD）的阵列。
这些器件由一系列电容构成，能将移动的
电子推入下一个电容。
3. 移位寄存：一旦电子被推入下一个电容，电荷耦合器件会以逐行或逐列的方式将电子移动到存储区域。
这些存储区域称为移位寄存器，在这里，电荷可以被暂时存储和传输。
4. 电荷读出：当所有行或列的电荷都被移动到相应的移位寄存器时，电子的集合就可以被读出。
通过将电荷转换为电压信号，其可以被进一步处理和转换为数字信号。
总结：CCD图像传感器的工作原理可以分为光感受、电荷耦合、移位寄存和电荷读出四个步骤。
通过光激发、电荷移动和存储，最终将光信号转换为电信号，并进一步处理为数字信号。
CCD图像传感器
CCD用于图像记录
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数码相机的外形
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CCD数码照相机的结构
三基色分离原理
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数码相机的结构解剖
（索尼F828）
CCD
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CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片
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CCD数码摄像机
CCD图像传感器
CCD全称电荷耦合器件，它具备光
电转换、信息存贮和传输等功能，具有
集成度高、功耗小、分辨力高、动态范
围大等优点。 CCD图像传感器被广泛应 用于生活、天文、医疗、电视、传真、 通信以及工业检测和自动控制系统。
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（一）CCD的基本工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、 移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对 光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元 的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转 移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存 器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用 下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号 可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、 处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
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面阵CCD外形（续）
200万和1600万像素的面阵CCD
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面阵CCD外形（续）
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面阵CCD外形（续）
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（三）CCD的基本特性参数
CCD的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、CCD 芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件
典型线阵CCD图像传感器
三、具有积分时间调整功能(电子快门)的线阵CCD-如何实现？
在光照度较低/较强时的情况下，可以通过增长/缩短光积 分时间的方式使输出信号达到所希望的幅度；
积分时间的调整功能对于CCD的应用是非常重要的。 TCD1205D为具有积分时间调整功能的线阵CCD器件。
广泛应用在条码扫描识别等光电输入设备。
2、TCD1205D的基本工作原理 ——方案一
在一个转移脉冲SH周期中，只有在光积分电极ICG为高电平期间光积分栅 才能建立起深势阱，也才能进行光积分。
2、TCD1205D的基本工作原理 ——改变积分时间方案二
一个行周期中两次转移
一个行读出周期中设置两个转移脉冲SH： 第1个转移脉冲的高电平对应于移位寄存器驱动脉冲CR1的
3、TCD1205D的特性参数
动态范围 DR 偏 低 ， 一般只适用 于光电数字 扫描输入， 不适用于分 辨率要求较 高的图像扫 描输入。
四、并行输出的线阵CCD
并行输出的线阵CCD在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得 更高的信号输出速率，这在用线阵CCD检测高速运动物体图像 的应用中具有非常重要的作用。
光电二极管的数量为：2160+(74-12)=2222。 存储栅：存储光生电荷的MOS电容存储阵列。
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2、 TCD1206SUP的工作原理
四路驱动脉冲：SH、CR1、CR2、RS； 驱动电路的产生可仿照TCD1209D实现；
TCD1206SUP与1209D的不同点：
OS端总共输出2236个信号，由于两列并行传输。所以一个 SH周期至少要有2236/2=1118个 驱动脉冲CR1的周期
低电平，使移位寄存器CR1电极不形成深势阱，光积分电极下 积累的信号电荷无法倒入CR1电极，即无法将信号电荷转移到 移位寄存器中，从而之前积累的信号电荷白白地倒掉。
ccd图像传感器原理
ccd图像传感器原理CCD图像传感器原理。
CCD（Charge-Coupled Device）图像传感器是一种能够将光信号转换为电信号的半导体器件，它在数字摄像机、数码相机等成像设备中得到广泛应用。
CCD图像传感器具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点，因此在图像采集和处理领域有着重要的地位。
CCD图像传感器的工作原理主要包括光电转换、信号传输和信号处理三个方面。
首先，当光线照射到CCD芯片上时，光子会被芯片中的感光元件（光电二极管）吸收并产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对会在电场的作用下被分离并储存在感光元件中，形成电荷包。
接下来，通过电荷耦合器件的作用，电荷包会被逐行转移到垂直传输寄存器中，并最终通过输出端口输出为电压信号。
最后，这些电压信号会被模数转换器转换为数字信号，再经过处理器处理成为图像数据。
CCD图像传感器的核心部件是感光元件和电荷耦合器件。
感光元件是将光信号转换为电荷信号的部件，它的工作原理是利用光生电效应。
当光子照射到感光元件上时，会激发出电子-空穴对，产生电荷。
而电荷耦合器件则是将感光元件中的电荷包逐行传输到垂直传输寄存器中的部件，它的作用是保证电荷包的准确传输和储存。
在CCD图像传感器中，信号传输是一个非常关键的环节。
由于CCD芯片上的感光元件非常之多，因此在信号传输过程中会出现信号串扰和噪声干扰的问题。
为了解决这些问题，CCD图像传感器采用了交错传输和并行传输的方式，以减小信号串扰和提高传输速度。
此外，为了降低噪声干扰，CCD图像传感器还采用了暗电流校正、电荷转移效率校正等技术手段。
总的来说，CCD图像传感器的工作原理是一个复杂的过程，需要感光元件、电荷耦合器件、信号传输等多个环节的协同作用。
只有这样，才能保证CCD图像传感器具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点，从而能够更好地满足人们对图像质量的需求。
在数字摄像机、数码相机等成像设备中，CCD图像传感器已经成为了不可或缺的部件。
CCD图像传感器详解
CCD图像传感器CCD(Charge Coupled Device)全称为电荷耦合器件,就是70年代发展起来的新型半导体器件。
它就是在MOS集成电路技术基础上发展起来的,为半导体技术应用开拓了新的领域。
它具有光电转换、信息存贮与传输等功能,具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点,故在固体图像传感器、信息存贮与处理等方面得到了广泛的应用。
CCD图像传感器能实现信息的获取、转换与视觉功能的扩展,能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息,被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测与自动控制系统。
实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器,都用了CCD作图象探测元件。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高。
一.CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元就是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示。
以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层,然后在SiO2上淀积一层金属为栅极,P 型硅里的多数载流子就是带正电荷的空穴,少数载流子就是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于就是带正电的空穴被排斥到远离电极处,剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层(耗尽层),电子一旦进入由于电场作用就不能复出,故又称为电子势阱。
当器件受到光照时(光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入,或经衬底的薄P型硅射入),光子的能量被半导体吸收,产生电子-空穴对,这时出现的电子被吸引存贮在势阱中,这些电子就是可以传导的。
CCD图像传感器
显微镜下的MOS元表面 显微镜下的MOS元表面 MOS
CCD结构示意图 CCD结构示意图
CCD图像传感器的结构及工作原理 CCD图像传感器的结构及工作原理
是由规则排列的金属—氧化物—半导体（ CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体（Metal Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
概述
四、固态图像传感器所用的敏感器件
电荷耦合器件（ 电荷耦合器件（CCD） ） 电荷注入器件（CID） 电荷注入器件（ ） 戽链式器件（ 戽链式器件（BBD） ） 金属氧化物半导体器件（ 金属氧化物半导体器件（MOS） ）
CCD图像传感器 CCD图像传感器
CCD，英文全称：ChargeCCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。 Device，中文பைடு நூலகம்称：电荷耦合元件。也 称CCD图像传感器，是一种大规模金属 CCD图像传感器， 图像传感器 氧化物半导体集成电路光电器件， 氧化物半导体集成电路光电器件，是贝 尔实验室的于1970年发明的。 尔实验室的于1970年发明的。 1970年发明的 它能够把光学影像转化为数字信号。 它能够把光学影像转化为数字信号。
CCD图像传感器的结构及原理 CCD图像传感器的结构及原理
三、信号电荷的传输（读出移位寄存器） 信号电荷的传输（读出移位寄存器） 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半 MOS结构 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于， 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底 MOS光敏元的区别在于 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极 组成一个耦合单元； 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 Φ1Φ2Φ3。 Φ1Φ2Φ3。
CCD传感器介绍
CCD传感器介绍CCD（Charge-coupled device）传感器是一种基于光电效应的半导体器件，广泛应用于数字影像获取和图像处理领域。
它是一种能够将光信号转化为电信号的器件，可以实现对光的灵敏检测和定量测量。
本文将介绍CCD传感器的结构、原理、工作流程以及应用领域。
一、CCD传感器的结构CCD传感器通常由三个主要组件组成：光敏区（photodiode array）、垂直传输区（vertical transfer region）和水平传输区（horizontal transfer region）。
1. 光敏区：光敏区是由大量光敏二极管（photodiode）组成的，负责感受光信号。
每个光敏二极管对应CCD表面上一个像素点。
光敏区的材料一般是硅（Si）或硒化铟（In-Se）。
2. 垂直传输区：垂直传输区通常由垂直移位寄存器（verticalshift register）和充电区（charge region）组成。
它负责将光敏区中产生的电荷信号传输到水平传输区。
3. 水平传输区：水平传输区由水平移位寄存器（horizontal shift register）和输出增益放大器（output amplifier）组成。
它负责将从垂直传输区传输过来的电荷信号进行处理和放大，并输出为模拟电压信号。
二、CCD传感器的工作原理光电效应是指当光照射到光敏区时，光子会激发光敏二极管中的电子，从而产生电荷。
这个电荷的大小与被照射到的光的强度成正比。
当光源的亮度不同，电荷也会有所不同。
电荷耦合效应是指通过垂直传输区和水平传输区中的电荷传输器件将光敏区产生的电荷信号逐个传递到输出端。
水平传输区一般通过周期性的时钟信号来驱动，分别将像素中的电荷逐行、逐列传输并输出。
三、CCD传感器的工作流程1.曝光：在曝光阶段，光线会照射到CCD芯片的光敏区，光敏区中的光敏二极管会将光信号转化为电荷信号，并在每个像素位置上存储下来。
ccd图像传感器的工作原理及应用
CCD图像传感器的工作原理及应用1. CCD图像传感器简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电器件，可以将光信号转换成电信号，并进行捕获和存储图像数据。
CCD图像传感器广泛应用于相机、摄像机、扫描仪和图像处理等领域。
2. CCD图像传感器的工作原理CCD图像传感器的工作原理基于光电效应和电荷耦合技术。
2.1 光电效应当光照射到CCD上时，光子将激发CCD芯片中的光敏元件产生电子-空穴对。
光电效应的强弱与光的强度成正比，光的能量越高，激发的电子-空穴对越多。
2.2 电荷耦合技术CCD图像传感器中对光电效应产生的电子进行耦合和传输的是电荷。
CCD芯片由一系列电荷传输区域组成，其中包括感光区、垂直传输区和水平传输区。
在感光区，电荷被积累，并且与光照的强度成正比。
然后，电荷被垂直传输区逐行传输到水平传输区。
在水平传输区，电荷被逐列传输到输出端，由模数转换器将其转换为数字信号。
3. CCD图像传感器的应用CCD图像传感器在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用领域。
3.1 摄影和摄像CCD图像传感器是数码相机和摄像机的核心部件。
它们能够捕捉细节丰富、高质量的图像和视频，成像效果较好。
3.2 扫描仪CCD图像传感器还被广泛用于扫描仪，用于将纸质文件和照片转换为数字形式。
CCD的高分辨率和色彩还原能力使其成为扫描仪最佳的图像采集技术之一。
3.3 星光相机CCD图像传感器在天文学中也有重要应用。
由于其高灵敏度和低噪声性能，CCD被广泛用于天文图像的采集，尤其是星光相机。
星光相机能够捕捉到微弱的星光，从而探测远离地球的天体。
3.4 医学成像CCD图像传感器也被应用于医学成像领域。
例如，在X射线成像中，CCD传感器能够捕捉到X射线影像，用于医学诊断和治疗。
3.5 工业视觉CCD图像传感器在工业视觉应用中起着关键作用。
它们可以检测和测量产品中的缺陷、尺寸和形状，并用于自动化生产线上的质量控制。
ccd图像传感器的原理和应用
CCD图像传感器的原理和应用1. 引言CCD (Charge-Coupled Device) 图像传感器是一种常用的光电转换器件，具有高灵敏度、低噪音等特点，广泛应用于数字摄像机、摄像监控、光学传感器等领域。
本文将介绍CCD图像传感器的原理和应用。
2. CCD图像传感器的原理CCD图像传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号的器件。
其原理可分为以下几个步骤：2.1 光电转换光通过CCD图像传感器的光敏表面，激发光敏材料中的电子，形成光生载流子对。
光生载流子对的产生与光的能量和波长有关。
2.2 光电荷转移光敏表面形成的光生载流子对被电场作用下转移到表面下方的感光区域。
这一步骤是通过电场的调制将光电荷转移到后续电荷转移阶段。
2.3 电荷积分光电荷在感光区域累积，其数量与光照强度成正比。
该阶段称为电荷积分。
2.4 电荷读出通过移动电荷或光电荷势阱的方式，将电荷沿电荷传输路径传输到输出节点。
最后，电荷通过放大电路放大为电压信号。
3. CCD图像传感器的应用3.1 数字摄像机CCD图像传感器是数字摄像机中的核心部件。
它能够将光信号转换为电信号，并通过后续的编码和压缩处理产生数字图像，实现高质量的图像捕捉和录制。
3.2 摄像监控CCD图像传感器在摄像监控领域广泛应用。
它可以实时拍摄监控区域的图像，并将图像通过监控器或网络传输到监控中心。
CCD图像传感器的高灵敏度和低噪音特性，使得摄像监控系统能够在低光照条件下获取清晰的图像。
3.3 光学传感器光学传感器是利用CCD图像传感器感知环境中的光照强度和光照分布的设备。
光学传感器可以用于测量光线强度、测距、物体识别等应用。
通过对CCD图像传感器输出图像的处理，可以获取物体的形状、颜色和光照分布等信息。
3.4 科学研究CCD图像传感器在科学研究领域也得到广泛应用。
例如，在天文学中，CCD图像传感器可以用于拍摄星系、星云等天体图像。
在生物医学领域，CCD图像传感器可以用于显微镜图像的采集和分析。
CCD图像传感器
CCD图像传感器Biblioteka （2）面型CCD图像传感器。按一定的方式将一维线型光敏单 元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成面型CCD图像传感器， 它主要用于摄像机及测试技术。如图1-13所示，面型CCD图像传感 器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型。
CCD图像传感器
CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信 号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二 值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像 敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在 CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时， 得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度 值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行 测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转换，即可实时 显示待测件的偏转角度。
CCD图像传感器
一、 电荷耦合工作原理 1. CCD原理
MOS电容器CCD是一种固 态检测器，由多个光敏像元组 成，其中每个光敏像元就是一 个MOS 体）电容器。CCD的基本结构 如图1-11所示，但其工作原理 与MOS晶体管不同。
图1-11 CCD的基本结构
CCD图像传感器
CCD中的MOS电容器的形成方法是：在P型 或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚 度为100~150 nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面 按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬 底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即 形成了一个MOS电容器，具有光生电荷、电荷存 储和电荷传移的功能。
CCD图象传感器的应用技术 -尺寸测量
现在，又开发了一种可更换式主轴 系统， 具有一 机两用 的功效 ，用户 根据不 同的加 工对象 选择使 用，即 电主轴 和镗杆 可相互 更换使 用。这 种结构 兼顾了 两种结 构的不 足，还 大大降 低了成 本。是 当今卧 式镗铣 床的一 大创举 。电主 轴的优 点在于 高速切 削和快 速进给 ，大大 提高了 机床的 精度和 效率。
二、CCD传感器应用领域
1．小型化黑白、彩色TV摄像机 2．传真通讯系统 3．光学字符识别 4．工业检测与自动控制 5．医学标本分析与检测（如血细胞分析仪）， 6． 天文观测 7． 军事上应用
三、图像传感器应用技术
----尺寸测量
信号的二值化处理
CCD传感器光敏单元的输出可以看成“0”、“1” 信号,通过对输出为“0”的信号进行计数,即可测出 物体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时, 物像边缘交界处光强是连续变化的,而不是理想的阶 跃跳变,要解决这一问题可用两种方法:比较整形法; 或者 微分法。
程,2002
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高速电主轴在卧式镗铣床上的应用 越来越 多，除 了主轴 速度和 精度大 幅提高 外，还 简化了 主轴箱 内部结 构，缩 短了制 造周期 ，尤其 是能进 行高速 切削， 电主轴 转速最 高可大10000r/min以 上。不 足之处 在于功 率受到 限制， 其制造 成本较 高，尤 其是不 能进行 深孔加 工。而 镗杆伸 缩式结 构其速 度有限 ，精度 虽不如 电主轴 结构， 但可进 行深孔 加工， 且功率 大，可 进行满 负荷加 工，效 率高， 是电主 轴无法 比拟的 。因此 ，两种 结构并 存，工 艺性能 各异， 却给用 户提供 了更多 的选择 。
图像传感器的分类及原理
图像传感器的分类及原理
图像传感器的分类及原理主要有:
1. CCD图像传感器:利用电荷耦合元件的光电转换效应,将光信号转换为电荷,经过传输、放大后输出电压信号。
2. CMOS图像传感器:使用互补式金属氧化物半导体技术,在每个像素进行光电转换,支持列并行AD转换,易于集成。
3. 电荷积聚图像传感器:利用电荷积聚使感光电容上电荷随光强变化,经扫描读取电荷量实现图像采集。
4. 飞行时间图像传感器:测量光子从发射到达感光探测器的飞行时间,重建光强分布图像。
5. 积分传感器:光导导体积分光强变化而导通,读取导通时间得到光强信号。
6. 串行图像传感器:探测器沿一维或二维序列转换光信号为电信号,经数字化处理还原图像。
7. 事件驱动传感器:仅对出现的像素变化产生输出,避免冗余数据传输出高动态范围。
8. 压电传感器:基于压电效应将光信号变为电信号,响应速度快。
9. 薄膜图像传感器:使用非晶硅构建图像检测层,大面积成像和集成。
10. 量子点传感器:使用量子点材料高效吸收光子,进行光电转换。
CCD图像传感器
CCD简介CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。
TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。
CCD广泛用于工业，医疗、民用产品。
CCD功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
CCD工作原理CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。
线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
所需相数由CCD 芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。
线阵CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。
它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。
面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
CCD的应用四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。
随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。
CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。
CCD图像传感器剖析
CCD分辨率
分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣ Ｄ上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重 要特性。 （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。
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵 和面阵两大类。
目前，实用的线型 CCD 图像传感器为双行结构，如 图（ b ）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。
光积分单元 转移栅 不透光的电荷转移结构 (a) 光积分区 转移栅 (b) 输出
线性CCD图像传感器的应用实例
尺寸检测
L
1
光积分单元（感光单元 ） 6 2 4 3 5 7 8
9
10 转移栅
输出
不透光的电荷转移机构
实例
测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加 工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径 与壁厚的测量为例。
由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有：
(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分 布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相 转移脉冲
CCD与CMOS图像传感器特点比较
一、CCD图像传感器
CCD，也被称为电荷耦合器件，是一种特殊的半导体器件，其基本原理是在半 导体上通过一系列的电荷感应和电荷转移过程来生成图像。这种传感器的主要 优点包括高灵敏度、低噪声、出色的色彩再现能力和相对较高的图像质量。
1、高灵敏度和低噪声：CCD的独特设计使其对光线非常敏感，而且能够将入射 的光线转化为电荷，从而在图像传感器中形成明暗对比。同时，其低噪声特性 使得图像的细节和清晰度得以保持。
CMOS与CCD图像传感器的未来发展趋势
随着技术的不断进步，CMOS和CCD图像传感器都在不断发展，以适应不断变化 的应用需求。在未来，这两种传感器的发展趋势可能包括：
1、CMOS传感器的高性能化：随着CMOS制造工艺的不断进步，CMOS传感器的性 能将得到进一步提升。例如，通过改进像素结构、增加读取速度等方式，可以 使得CMOS传感器在高分辨率、高灵敏度和高速读取等方面取得更好的表现。
2、色彩再现能力出色：CCD的Bayer滤波器设计可以提供优秀的色彩再现，从 而在色彩要求高的应用中，如彩色摄影和视频拍摄中表现出色。
3、图像质量较高：由于CCD的电荷转移特性，其可以提供较高的图像分辨率和 对比度，从而在图像的清晰度和细节方面表现出色。
二、CMOS图像传感器
CMOS，全称互补金属氧化物半导体，是一种常见的半导体制造工艺，被广泛应 用于各种电子设备中。在图像传感器领域，CMOS因其低功耗、高集成度和低成 本等优点而得到广泛应用。
3、实时图像处理能力：CMOS传感器通常与处理电路一起使用，可以实时进行 图像处理，这在一些需要即时反应的应用中非常有用，例如在无人驾驶汽车或 无人机中。
参考内容
引言
图像传感器在许多领域都有广泛应用，如摄影、监控、医疗成像和科学仪器等。 在图像传感器市场上，CMOS和CCD是最常见的两种技术，它们各有优缺点，各 有适用的场景。本次演示将对CMOS和CCD图像传感器进行比较研究，并探讨它 们的未来发展趋势。
CCD图像传感器
Байду номын сангаас
目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。
转移栅 转移栅
CCD传感器的基本结构
CCD基本结构分两部分：
1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列；
2.读出移位寄存器。
电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个 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光敏元结构
MOS（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容器 是构成CCD的最基本单元。
CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半 导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧 化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别 。
在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好， 色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产 品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱 ，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因， CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于 低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领 域还是得到了广泛的应用。
光积分单元
不透光的电荷转移结构 (a)
输出
光积分区 输出
(b)
线型CCD图像传感器
面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出 转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所 示。
图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存 器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元 件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的 寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处 理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像 模糊。
CCD图像传感器的特性.
CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。
1、光谱特性CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱可延伸至红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明，也能使CCD图像传感器清晰地成像。
光波的波长范围从几纳米到1 mm，即10-9 ~10-3m，而人眼的感光范围只在0.38~0.78 μm的范围。
CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.2~1.1µm的波长范围内。
特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米，即CCD 的光谱响应范围从远紫外，近紫外，可见光到近红外区，甚至到中红外区。
2、分辨率分辨率是CCD的最重要的特性，一般用器件的MTF（Modulation Transfer Function）即调制转移函数来表示。
需要说明的是，CCD芯片的分辨率与后面提到的CCD摄像机的分辨率的定义是不同的。
3、暗电流暗电流产生的主要原因在于CCD器件本身的缺陷，而且这种器件本身还使得暗电流的产生也不均匀；暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围；暗电流的大小与温度的关系极为密切，温度每降低100C，暗电流约减少一半。
4、灵敏度和动态范围CCD的灵敏度一般用最低照度表示，所谓灵敏度高就是要求在很低的照度下也能输出较为清晰（轮廓）的图像。
动态范围是势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。
CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD电极面积及器件结构，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。
5、弥散现象（Blooming)由于CCD势阱对光信号电荷的收容能力有一定的限度，所以，当高照度光局部地照射CCD单元时，电荷量将从势阱溢出，并流入邻近势阱，光产生的图像就会失真，这就是弥散现象。
6、噪声CCD的噪声源主要有以下几种：电荷注入器件产生的噪声;电荷转移时,电荷量波动产生的噪声;电荷读出时的噪声。
什么是CCD传感器？CCD的原理是什么？
什么是CCD传感器？CCD的原理是什么？[导读]CCD图像传感器是一种新型半导体器件一电荷祸合器件，是一种MOS集成电路。
它作为一种新型的光电转换型传感器，不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其他摄像器件无法比拟的。
目前，CCD图像传感器不论在文件复印、传真、零件尺寸的自动测量和文字识别、交通监控等民用领域，还是在空间遥感遥测、水下扫描摄像、图像跟踪制导等军事系统中都发挥着重要作用。
近年来又向图像识别和在线精密检测方面发展。
CCD图像传感器是一种新型半导体器件一电荷祸合器件，是一种MOS集成电路。
它作为一种新型的光电转换型传感器，不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其他摄像器件无法比拟的。
目前，CCD图像传感器不论在文件复印、传真、零件尺寸的自动测量和文字识别、交通监控等民用领域，还是在空间遥感遥测、水下扫描摄像、图像跟踪制导等军事系统中都发挥着重要作用。
近年来又向图像识别和在线精密检测方面发展。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD(电荷祸合器件)是一种MOS集成器件，是美国贝尔实验室的W.S. Boyle和G.E. Smith在1970年3月的电气电子工程师协会(TEEE)国际会议上首次发表的。
它的基本功能是电荷的转移和电荷的存储。
CCD技术不仅可以制造大容量存储器，还可以使模拟延迟和摄像技术纳入半导体电子轨道。
所以，CCD 一经问世就引起了世界各国的重视。
首先应用在摄像、模拟延迟和大容量存储等三大技术领域。
ccd传感器是数码相机、数码摄像机等器材的核心部件之一，它主要用来将光信号转化为电信号，从而完成数字图像的输入。
ccd传感器是由正负偏压交替分布的大量寄生结场效应管构成的，基本原理就是光子击打ccd芯片时，会产生电荷，ccd控制电路通过对其进行放电，并将其电荷值进行积累，从而产生输出电流，经过数码信号放大电路后，就能将其转换为数码信号，成为数字图像。
CCD固态图像传感器传感器课件
CCD固态图像传感器的性能直接影响到成像的质量。其分辨率、灵敏度、动态范围等参数决定了图像的清晰度、色彩 准确性和细节表现。
在自动化和机器人领域的应用
随着自动化和机器人技术的快速发展，CCD固态图像传感器在定位、识别、导航等方面发挥着越来越重 要的作用，推动了相关行业的进步。
技术发展与市场需求的相互促进
市场发展
技术创新推动CCD固态图像传感器市 场不断扩大，应用领域从传统的摄影 和摄像领域拓展到医疗、安全监控、 无人驾驶等新兴领域。
新型应用领域的拓展
医疗领域
随着医疗设备的高端化和智能化，CCD固态图像传感器在 医疗领域的应用越来越广泛，如内窥镜、显微镜和医学影 像诊断等。
安全监控领域
CCD固态图像传感器的高分辨率、低噪声和快速响应等特 点使其成为安全监控领域的理想选择，广泛应用于视频监 控、人脸识别和交通监控等领域。
光子能量与电子-空穴对数量关系
光子能量越高，产生的电子-空穴对数量越多，从而在像素中形成更多的电荷。
光电转换效率
不同波长的光线具有不同的光电转换效率，因此CCD传感器对不同颜色的敏感度不同。
信号电荷的产生与转移
01
02
03
信号电荷的产生
在光电转换过程中，电子空穴对被半导体材料捕获 并形成信号电荷。
低噪声性能
总结词
CCD固态图像传感器具有低噪声性能，能够降低图像中的随机噪声和干扰，提高 图像的信噪比和稳定性。
详细描述
CCD固态图像传感器采用电荷耦合技术，能够有效地将信号电荷传输到放大器中 ，避免了传统传感器中的热噪声和散粒噪声等问题。此外，其低噪声性能还能够 在高帧频下实现连续稳定的图像采集。
未来挑战
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低输出寄存器的驱动率fCH，必须适当降低fcv2。而fcv1必须与感光区的积分期相适
应（大于N· fcv2)。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。 为了减少图像的闪烁，帧传输型面阵图像传感器一般采用隔行扫描的方式，即在每个
帧周期中显示两场，第一场显示所有的奇数行，第二场显示偶数行。实现这种扫描方
积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，MOS
光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲， 将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此 重复上述过程。
传感器与检测技术
13.1.4 CCD图像传感器
线阵型CCD图像传感器
的2、5势阱中。
t4时刻：Φ1=0，Φ2=l／2，Φ3=1；Φ2电极下2、5势阱中的电子向Φ3电 极下的3、6势阱中转移。 t5时刻：Φ1=0，Φ2=0，Φ3=1，Φ2电极下的电子全部转移至Φ3电极下 的3、6势阱中。
传感器与检测技术
13.1.3 CCD的工作原理
如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边 产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷 包直接输出。 由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器 中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在 时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。
传感器与检测技术
13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
下图给出了P型半导体MOS光敏元的结构图，制备时先在P-Si片上氧化一层 SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。
半导体与SiO2界面的电荷分布
其工作原理为：在栅极上突然加一个 VG正脉冲（ VG>VT阈值电压），金属 电极板上就会充上一些正电荷，电场将P-Si中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少 数电子还未移动到此区时，在SiO2附近出现耗尽层，耗尽区中的电离物质为负离
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
当光照射到 MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子 -空穴对，少 数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子 数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以 反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号 向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为 电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的 增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充 满），所以收集电子的量要调整适当。
式，帧传输图像传感器本身的结构不需改变，只需改变感光区各相电极时序脉冲。帧
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13.1.4 CCD图像传感器
传输图像传感器的主要优点是分辨率高、弥散性低、噪声小。缺点是由于设置暂存区，
器件面积增加了50%。
帧传输驱动结构
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13.1.4 CCD图像传感器
上图 (c)给出了行间传输面阵型CCD图像传感器的结构。它的光敏单元彼此分开，
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13.1.3 CCDபைடு நூலகம்工作原理
t1时刻：Φ1=l，Φ2=Φ3=0；l、4势阱最深，2、5和3、6势阱为0。
t2时刻：Φ1=l/2，Φ2=1，Φ3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、
4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。 t3时刻：Φ1=0，Φ2=1，Φ3=0；Φ1电极下的电子全部转移至Φ2电极下
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13.1.4 CCD图像传感器
CCD图像传感器从结构上可分为线阵型和面阵型两种。
线阵型 CCD 图像传感器是由一列 MOS光敏单元和一列 CCD 移位寄存器构成 的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制 栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光 几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
当光照射到 MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子 -空穴对，少 数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子 数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以 反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号 向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为 电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的 增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充 满），所以收集电子的量要调整适当。
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
此时半导体表面处于非平衡状态，表面区有表面电势 Φs，若衬底电位为 0，则表 面处电子的静电位能为-qΦs。 在半导体空间电荷区，电位的变化可由泊松方程确定。设半导体与SiO2界面 为原点，耗尽层厚度为xd，泊松方程及边界条件为：
d 2V ( x) qN A 2 0 s 0 s dx V ( x) x x d 0 dV ( x) E x xd x xd 0 dx
式中V(x)为距离表面x处的电势；E为x处的电场；NA为P-Si中掺杂物质的浓 度；ε0、εS分别为真空和SiO2的介电常数。可解得：
V ( x) qN A ( x xd ) 2 2 0 s
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13.1.1 MOS光敏元的结构与原理
于是如上图所示，半导体与绝缘体界面x=0处的电位为 ：
线阵型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视 频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型CCD 图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。
面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输 和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输3种。下面分别给以介绍。
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13.1.4 CCD图像传感器
2）帧传输（FT）面阵型CCD 图(b)给出了帧传输CCD面阵型图像传感器的结构图，它可以简称为FT-CCD，由 感光区、暂存区和输出寄存器3部分组成。感光区由并行排列的若干电荷耦合沟道组 成，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极条横贯各沟道。假设有M个转移沟道，每个沟 道有N个感光单元，则整个感光区有M· N个单元。它一般采用三相时钟驱动，如图13-
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13.1.3 CCD的工作原理
由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不 同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二 相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层 厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。 下图为三相三位 N 沟 CCD 器件，其中， Ip （图中未画出）为输入电极， IG （图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，Φ1、Φ2、Φ3 为 3 个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为 Φ1→Φ2→Φ3→Φ1 ，且 3 个脉 冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。Φ1驱动1、4电极，Φ2驱动 2、5电极，Φ3驱动3、6电极。
帧传输结构的工作过程是：感光区在积分期积累起一帧电荷包，积分期结束后，感光 区和暂存区加频率为fcv1的驱动时钟，感光区的信号电荷包向下转移，至暂存区；然 后感光区进人下一个积分期，暂存区内电荷图像在频率为fcv2的时钟驱动下向读出寄 存器转移。读出寄存器以频率为fCH的时钟驱动，使电荷包一个一个输出，（fCH大 于M· fcv2）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖影，频率fcv1需较高，为了降
绍。
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13.1 电荷耦合器件（CCD）
CCD 是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在 MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的，所以有人将其称为“排列起来的
MOS电容阵列”。一个MOS电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，则
若一个图像有多少个像素点，就需要同样多个光敏元，即采集一幅图像需要 含有许多MOS光敏元的大规模集成器件。
6所示，感光区的三相时钟为，IΦ1、IΦ2、IΦ3。暂存区的三相时钟为SΦ1、SΦ2、
SΦ3。读出寄存器的三相时钟为RΦ1、RΦ2、RΦ3。暂存区的结构与感光区相同，用 覆盖金属遮光。设置暂存区是为了消除“拖影”，以提高图像的清晰度并与电视图像
的扫描制式相匹配。
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13.1.4 CCD图像传感器
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13.1.4 CCD图像传感器
（１）行传输（LT）面阵型CCD 下图(a)给出了LT面阵CCD的结构。它由选址电路、感光区、输出寄存器组成。 当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移 到输出端。行传输的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷转移过程中，必须 加脉冲电压，与光积分同时进行，会产生“拖影”，故较少采用。
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第十三章 CCD图像传感器
第 二 种 是 MOS 型 图 像 传 感 器 ， 又 称 自 扫 描 光 电 二 极 管 阵 列 （ Self
Scanned Phohodiode Array，简称SSPA）；第三种是电荷注入器件 （charge Injection Device，简称CID）。目前前两者用得最多，CCD 型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好； MOS 型图 像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介
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13.1.3 CCD的工作原理