光电子器件_第六章 ccd和cmos
ccd cmos成像原理
ccd cmos成像原理宝子们，今天咱们来唠唠CCD和CMOS的成像原理，这可超级有趣呢！咱先来说说CCD，CCD全名叫电荷耦合器件。
想象一下啊，CCD就像是一个超级整齐的小方格阵列，每个小方格就像是一个小房间。
当光线照进来的时候呢，就好像是一群小精灵闯进了这些小房间。
光其实是由光子组成的呀，光子一进来，就会在这些小房间里产生电荷呢。
这个过程就像是小房间里突然来了一群带着魔法的小客人，它们带来了特殊的能量，让每个小房间都有了不一样的变化。
那这些电荷怎么就变成咱们看到的图像了呢？这就像是一场神奇的接力赛。
这些电荷会按照一定的顺序，一个一个地被传递出去，就像小朋友们手拉手传递小物件一样。
它们被传送到一个专门的地方，这个地方可以把这些电荷的信息转化成数字信号。
然后呢，再经过一些处理，就变成了咱们在屏幕上看到的漂亮图像啦。
CCD成像的效果呀，在以前可是超级厉害的呢。
它拍出来的照片色彩特别的纯正，就像是画家精心调配出来的颜色一样，而且画面特别的细腻，就像丝绸一样光滑。
接下来，咱们再聊聊CMOS。
CMOS是互补金属氧化物半导体。
CMOS的工作方式有点像一群小工匠在各自的岗位上忙碌。
CMOS芯片上也有很多小单元，不过和CCD不太一样哦。
当光线照到CMOS上的时候，每个小单元就开始自己的工作啦。
它们会直接把光信号转化成电信号，这个过程就像是小工匠们直接把原材料加工成了小零件。
而且呀，CMOS还有一个很厉害的地方，就是它内部有很多电路，可以对这些电信号进行处理。
这就好比小工匠们不仅会做零件，还会自己组装一部分呢。
CMOS在功耗方面可就比CCD有优势啦。
就像一个很会节约能源的小能手。
因为它的电路设计比较巧妙，不需要像CCD那样进行复杂的电荷传递，所以消耗的能量就比较少。
这对于咱们的数码相机或者手机摄像头来说，可是个大优点呢。
现在的手机都得靠电池供电，要是摄像头像个大电老虎，那手机的电量可就刷刷地掉啦。
而且CMOS 的成像速度也比较快，就像是一个动作敏捷的小超人。
CMOS与CCD与CIS
CMOS与CCD技术自诞生以来，它们的抢位之争自诞生至今就没有停止过。
如今，依托这两大类感光元件，形成了分别应用CMOS和CCD元件的两大阵营，在硬件设备制造领域争相斗法。
在竞争中，它们努力克服各自的天生劣势，并在技术指标不断攀升的基础上，期待更大的技术突破。
一争高下由来已久CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(p hotodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
这种转换的原理与“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。
比较CCD 和CMOS 的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。
简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD 旁的放大器进行放大，再串联ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。
竞争引发进步，CCD和CMOS传感器技术都在各自的劣势中试图补齐短板。
新一代的C CD传感器一直在功耗上作改进，而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。
二者在品质上的差距在不断缩小，比如，OmniVision于2004年就推出了OV5610 CMOS 5百万像素图像传感器，它的重要意义就在于它成为第一个能够输出CCD影像品质的CMOS 图像传感器。
从此，CMOS在成像品质上的追求就显得更为游刃有余了。
CCD（电荷耦合器件）是前辈，自1969年在贝尔试验室研制成功以来，它经历多年发展，从初期的10多万像素发展至今，已经非常成熟，应用于多个领域。
而CMOS（互补金属氧化物半导体）则是后来者，它诞生于1998年，这类新型的图像传感技术被认为是代表未来的技术方向。
第六章电荷耦合器件CCD讲解ppt课件
Vg 1 Vg 2 Vg 3 Vg 4
2V 10V 2V 2V
2V 10V 10V 2V
2V 2V 10V 2V
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
•基于势阱的有无和深度 都取决于栅极的电位， 通过不断地改变各栅极 上的电位值，使栅极下 势阱底抬高或降低，实 现其中电荷包有规则、 可控制地传输，直到输 出端。
Vg 1 Vg 2 Vg 3 Vg 4
2V 10V 2V 2V
2V 10V 10V 2V
2V 2V 10V 2V
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
6.5 电荷耦合器件的特征参数
Vg
①在金属层上施加正电压， 表面势Vs为正。
②空穴耗尽层
③ Vs随耗尽区的形成而升高，耗尽区深度随着 栅极电压的升高而不断变宽。这种状态就是多 数载流子的耗尽状态。在耗尽区，空穴的浓度 几乎为零。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
➢转移效率 ➢电荷存储能力 ➢暗电流 ➢噪声
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
转移效率
• η=Qn+1/Qn Qn+1转移到下一个势阱中的电荷数，Qn原 势阱中的电荷数
CCDCMOS区别
CCD CMOS区别CCDCCD(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。
数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。
CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。
与胶卷的原理相似，光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。
但与胶卷不同的是，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。
所有图形数据都会不停留地送入一个“模-数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备(比如内存芯片或内存卡)。
CCD有各式各样的尺寸和形状，最大的有2×2平方英寸。
CMOSCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金属氧化物半导体”。
它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。
CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一。
白平衡(White Balance)在不同光源下，因色温不同，拍摄出来的相片会偏色。
如色温低时光线中的红，黄色光含量较多，所拍的照片色调会偏红，黄色调，色文高时光线中的蓝、绿色较多，照片会偏蓝、绿色调。
此时便需要利用白平衡功能来作修正，其原理是控制光线中红，绿及蓝三元色的明亮度，使影像中最大光位达到纯白，便能令其它色彩准确。
Interpolation) 插值(在不生成像素的情况下增加图像像素大小的一种方法，在周围像素色彩的基础上用数学公式计算丢失像素的色彩。
有些相机使用插值，人为地增加图像的分辨系。
Bit(位)这是计算机图像中的术语，用来描述生成的图像所能包含的颜色数。
“深度是8位”意味着图像只含有256种颜色。
现在的数码相机，每一种颜色的颜色深度都是8位。
由于每一个像素的颜色都是是由红色、绿色和蓝色三种颜色混合而成的，所以图像包含的颜色可达256×256×256共计1.67亿种，也就是所谓的24位色。
CCD与CMOS感光原件
證你一定裝得回去 ，即使裝回去了，如果沾染上了灰塵造成影像畫質降低，也是一件得不償 失的事。不過，從上面的圖例將一台數位相機由完整到分部，可以瞭解數位相機工業模組化相 當的徹底。我們拆開了 Minolta DiMAGE 7 所使用的 5.2 百萬畫素 CCD 感光元件作近攝特 寫，從大到小，以這種方式同學們可以瞭解對 CCD 的描述，在某方面來說 CCD 是一塊『晶 片』象徵！
整合製程 低
傳統技術較低 新技術擺脫面積限制，可達全片幅
多元放大器，誤差大 高
畫素直接放大 低 快
有
可以使用記憶體或處理器製造機
由於構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD 的特色在於 充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做 統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS 的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須 先行放大再整合各個畫素的資料。
4. 雜訊差異：由於 CMOS 每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬畫素 計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放 大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的 CCD，CMOS 最終計算出的雜訊就比較多。
5. 耗電量差異：CMOS 的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接 由旁邊的電晶體做放大輸出；但 CCD 卻為被動式，必須外加電壓讓每個畫素中的電荷 移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要 12 伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必 須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於 CMOS。
ccd cmos 工作原理
ccd cmos 工作原理
CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）
是图像传感器的两种常见类型。
它们的工作原理略有不同。
CCD工作原理：
1. 光子在CCD表面的感光区域产生电子。
2. 通过CCD的物理结构和潜在势场控制电子的移动。
3. 电子被沿着接受器上的电荷传输通道移动。
4. 电荷传输的顺序使得电子最终进入集成电荷放大器（Integrating Amplifier）。
5. 集成电荷放大器将电子转化为电压信号。
6. 数字转换电路将电压信号转化为数字形式。
CMOS工作原理：
1. 光子在CMOS感光元件上产生电荷。
2. 当电荷进入像素中的感光元件后，CMOS像素电路会将其
转换为电压信号。
3. 通过选择性放大的方式，电压信号被转换为数字形式。
总结：
CCD和CMOS图像传感器都能将光子转化为电荷或电压信号，最终转换为数字形式，但其工作原理略有不同。
CCD使用电
荷传输方式，CMOS使用电压信号转换方式。
CCD和CMOS的技术特点及分类
CCD和CMOS的技术特点及分类CCD和CMOS的技术特点及分类在可以预见的未来，CCD和CMOS两种传感器将在各自的成像领域中扮演重要的角色。
那些成功的高端图像捕捉应用用户将不止考虑基本的技术因素，而且还必须考虑其持续发展性、适应性和技术支持性。
他们将会在CCD和CMOS传感器供货商的保证下在这种动态技术发展环境中作出长远的考虑。
CCD和CMOS图像传感器均以象素化的金属氧化半导体构成。
它们的每个象素通过积累与入射光强成比例的信号电荷完成与空间一一对应的采样功能。
当曝光结束以后，CCD传感器将信号电荷包按照一定的次序转移到一个公共的输出结构中，在这里信号电荷被转换为电压，同时作为一个缓冲区域将其送出。
在CMOS图像传感器中，信号电荷到电压的转换在每个象素内部进行。
这种信号读出结构的不同带来了两种传感器不同的内部结构、适用性以及各自的局限性。
在CCD传感器中，大部分功能在相机的印刷电路板中生成。
如果应用需要变化，设计师只要重新设计这个电路板而不必重新设计图像传感器。
而CMOS图像传感器在象素内部完成电荷－电压的转换，并且大部分功能被集成在了传感器内部。
虽然如此会降低传感器的应用灵活性，但是却增加了其在恶劣环境中的可靠性。
下面是图像传感器的八个主要特性参数：1．灵敏度（RESPONSIVITY）：传感器对单位光照积累信号的能力。
一般来说，由于CMOS 传感器的增益部分可以在内部轻易实现，因此它比CCD要或多或少地占些优势。
两者内部的互补晶体管电路可以允许低功耗、高增益的放大输出，CCD相对要消耗更多的能量。
某些CCD生产商正在通过最新的读出放大技术改善这种状况。
2．动态范围（DYNAMIC RANGE）：传感器象素达到饱和时的电压输出于其能够响应的最低光照的电压输出的比值。
通常CCD的动态范围比CMOS传感器高出约1倍左右。
同时，CCD器件由于芯片内部集成器件少而有着更低的噪声输出。
在外部，通过对CCD芯片的制冷技术、采用更好的光学系统，可以实现比CMOS器件更高的分辨率和适应性。
CCD与CMOS的原理及其应用
CCD与CMOS的原理及其应用1. CCD原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的器件，它能够将光信号转换为电荷信号。
CCD的主要原理是通过在半导体表面形成一系列的电荷传输节点，将光信号转化为在节点之间传递的电荷。
下面是CCD的工作原理的详细说明：1.1 光电效应当光照射到半导体材料上时，光子能量将被半导体吸收并转化为电子能量。
这个过程被称为光电效应。
1.2 光电转换在CCD的表面，有许多由P型和N型材料构成的结构。
当光子进入CCD表面时，它们被吸收并产生电子-空穴对。
在光电效应的作用下，电子会被吸引到P型区域，形成电子井，而空穴则被吸引到N型区域，形成空穴井。
1.3 电荷传输通过在CCD中施加电压，即将电场施加到电荷传输节点上，电子和空穴井中的电荷可以被移动。
电荷从一个节点传输到另一个节点，直到最后由输出节点收集。
1.4 信号放大和读出一旦电荷被传输到输出节点，它们可以通过放大电路进行信号放大和读出。
最后，CCD将光信号转换为电信号，供后续的处理和分析。
2. CMOS原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种光电转换器件，与CCD不同的是，CMOS直接将光信号转换为电信号，并在同一芯片上集成了信号放大和读出电路。
下面是CMOS的工作原理的详细说明：2.1 光电转换CMOS使用特殊的光敏材料来感测光信号，并将其转换为电荷。
光照进入CMOS芯片，光子的能量被光敏材料吸收，并生成电子-空穴对。
2.2 光电转换层CMOS芯片上的光电转换层负责将光信号转化为电荷。
光电转换层通常由氧化锌或硒化物等材料制成。
2.3 信号放大和读出CMOS芯片集成了信号放大和读出电路，可以直接将电荷转换为电压信号。
由于信号放大和读出电路集成在同一芯片上，CMOS具有更高的集成度和更小的尺寸。
3. CCD与CMOS的应用CCD和CMOS这两种光电转换器件在不同领域具有广泛的应用。
ccdcmos
ccdcmosCCD和CMOS是两种常见的数字图像传感器技术。
它们广泛应用于相机、摄像机、手机等设备中。
本文将介绍CCD和CMOS的基本原理、特点以及它们在图像传感器领域的应用。
CCD是英文Charge-Coupled Device的缩写，中文名为电荷耦合器件。
它是一种基于电荷耦合技术的图像传感器。
CCD是由一系列电荷耦合器件阵列组成的。
当光线通过镜头进入CCD，光子会在感光元件上产生电荷。
然后，这些电荷会被传递到一组容量耦合的电极中，最后被转换为电压信号。
相比之下，CMOS是英文Complementary Metal-Oxide-Semiconductor的缩写，中文名为互补金属氧化物半导体。
CMOS 图像传感器是基于互补金属氧化物半导体技术制造的。
与CCD不同，CMOS图像传感器的每个像素都包含了一个光敏元件、一个转换器和一个存储单元。
每个像素都可以单独处理和控制电荷转换，从而实现图像的获取和处理。
CCD和CMOS有各自的特点和优势。
首先，CCD具有较高的图像质量和较低的噪声水平。
它适用于需要高质量图像的应用，如专业摄影和科学测量。
其次，CCD在低光条件下表现出色，具有较高的灵敏度和动态范围。
此外，CCD还具有较低的功耗和较高的稳定性，使其在一些特殊应用中非常受欢迎。
CMOS则更适用于低成本、低功耗和大规模集成的应用。
CMOS图像传感器的制造成本较低，因为它可以与通用半导体工艺一起制造，而不需要专门的工艺。
此外，CMOS图像传感器的功耗较低，适合用于电池供电的设备。
另外，CMOS还具有很好的集成度，可以将图像传感器和其他功能集成到同一芯片上。
CCD和CMOS在图像传感器领域广泛应用。
在相机中，CCD和CMOS都可用于捕捉高质量的静态图像。
然而，随着技术的不断进步，CMOS图像传感器在相机市场中占据着主导地位，因为它具有更高的性能和更低的制造成本。
在摄像机中，CCD与CMOS则各有优势。
CCD适用于需要高质量视频和低噪声水平的应用，如安防监控和高端摄像机。
CCD和CMOS传感器的原理及区别
CCD和CMOS传感器的原理及区别1.原理：CCD传感器是一种电容耦合方式的图像传感器。
它由大量的光电二极管和电荷转移通道构成，每个光电二极管负责转换一个像素的光强度为电荷。
当光照射到光电二极管上时，产生的电子会在电荷转移通道中移动，并最终被放大和读出。
CCD传感器通过将每个像素的电荷转移到电压转换器上，并将其转换为数字信号进行处理。
CMOS传感器采用的是很多个转换器的阵列，每个转换器负责一个像素的光电转换。
它通过在每个像素上放置一个光电转换器（photodiode）来实现光电转换的功能。
当光照射到光电转换器上时，产生的电荷会被转换为电流并放大。
每个像素的电荷转换和信号放大均在该像素内部进行，然后将信号转换为数字信号。
2.区别：2.1结构上的差异：CCD传感器中包含了大量的光电二极管和电荷转移通道，这些元件通过硅片上的电荷转移线连接在一起。
相比之下，CMOS传感器中每个像素都有自己的光电转换器和信号放大器，这些像素之间相对独立。
2.2功耗和集成度：CMOS传感器由于每个像素都有自己的转换器和信号放大器，因此可以实现更高的集成度。
而CCD传感器则需要更多的外部元器件来实现信号放大和处理，因此功耗相对较高。
2.3噪点和灵敏度：CMOS传感器中每个像素的转换器都可以进行个别调整，从而提高噪点和灵敏度的性能。
而CCD传感器在这方面的性能相对较差。
2.4帧率和响应速度：CMOS传感器的帧率和响应速度相对较高，每个像素操作独立，可以在更短的时间内进行读取和处理。
而CCD传感器由于采用电荷传递机制，其帧率和响应速度较慢。
2.5动态范围：CMOS传感器的动态范围相对较窄，在高光和低光强度之间的转换能力较弱。
而CCD传感器具有更宽的动态范围，可以在不同光照条件下提供更好的图像质量。
综上所述，CCD传感器和CMOS传感器在原理、结构和性能方面存在一些区别。
CMOS传感器由于其结构上的特点，具有功耗低、帧率高、响应速度快等优势，适用于需要高速图像采集的应用场景。
CCD与CMOS的对比
一个人听夜雨 制作
二、差异对比：
1.灵敏度差异（感光区域）：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管 与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感 光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS 传感器的灵敏度要低于CCD传感器。 2. 成 本 差 异 （ 制 造 ） ： CMOS 传 感 器 采 用 一 般 半 导 体 电 路 最 常 用 的 CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator 、 或 DSP 等 ) 集 成 到 传 感 器 芯 片 中 ， 因 此 可 以 节 省 外 围 芯 片 的 成 本 ； CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就 会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS 传感器困难许多。因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
一个人听夜雨 制作
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CCD与CMOS的区别及CCD的选购
一、简介 二、CCD与CMOS差异对比 三、CCD的参数选择
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一、简介：
CCD与CMOS传感器（芯片）是当前被普遍采用的两种 图像传感器（数字影像捕捉技术），两者都是利用感光 二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数 据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
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CCD的性能参数：
3、噪声 CCD的噪声包含信号噪声、读出噪声和热噪声。 （1）、信号噪声是指信号的随机噪声。 （2）、读出噪声是电荷转移时产生的噪声，它发生在每次电荷转移过 程中，因此与读取的速度有关，读取速度越快，读出噪声也越高。 （3）、热噪声是温度引起的噪声，温度越低，热噪声越小。 4、分辨率 面阵CCD的分辨率一般是指空间分辨率，它主要取决于CCD芯片的象 元数和像素大小。 当CCD与光谱仪配合使用来进行光谱摄制时，其光谱分辨率则与光谱仪 的光学色散能力以及CCD芯片的像素大小都有关系。
CMOS与CCD的区别
CMOS与CCD的区别CCDCCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。
可以称为CCD图像传感器。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。
一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。
经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
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。
CMOS传感器CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。
CCD与CMOS摄像机的区别
CCD和CMOS的区别一、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。
CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。
而且CCD制造工艺较复杂，采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。
事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。
而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。
成像方面：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。
CCD和CMOS的区别：问：既然ccd与cmos都是感光传感器，为何价格如此悬殊，它们之间到底有何区别，对于一般的数码相机新手来说是否要考虑它们的性能等问题。
答：CCD是目前比较成熟的成像器件，CMOS被看作未来的成像器件。
因为CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低。
从原理上，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。
现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS 工艺还不是十分成熟，普通的SMOS 一般分辨率低而成像较差。
目前的情况是，许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片，成像质量比较差。
普及型、高级型及专业型数码相机使用不同档次的CCD，个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。
代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。
CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论，但一般而言，普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。
ccd和cmos的原理及应用
ccd和cmos的原理及应用1. CCD的原理CCD（Charge-Coupled Device）是电荷耦合器件，是一种将光信号转换成电信号的光电转换器件。
其工作原理基于光电效应和电压驱动。
1.1 光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被物质中的电子吸收，电子获得能量并跃迁到更高能级，形成光电流。
1.2 电压驱动CCD中的光电元件被加上反向偏置电压，当光子照射到光电元件上时，光电子通过电场驱动并累积在晶体的电荷传输区域。
1.3 电荷传输通过时钟信号的作用，电荷传输区域的电荷会从像素区域逐行传输到输出端，形成一个电荷信号线，在输出端产生电压信号。
2. CMOS的原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种集成电路技术，也是一种光电转换器件。
与CCD相比，CMOS具有更多的优势，如功耗低、响应速度快等。
2.1 MOS结构CMOS是由n型和p型MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）组成的。
在CMOS中，n型MOS和p型MOS是互补的，通过开关控制电流的传输。
2.2 自激励放大CMOS传感器通过自激励放大来增强信号。
当光子照射到CMOS传感器上时，光电二极管产生电荷，经过MOSFET的放大作用，将电荷转化为电压信号。
2.3 功耗低与CCD相比，CMOS传感器的功耗更低。
这是因为CMOS传感器只有在需要时才会转换电荷为电压信号，工作时能量损耗较小。
3. CCD和CMOS的应用3.1 CCD的应用•数字相机：CCD传感器是数字相机中常用的光电转换器件，能够将光信号转换为数字图像。
•星空摄影：CCD传感器的高灵敏度和低噪声特性，使其成为拍摄星空的理想选择。
•物体检测：CCD传感器在工业领域中广泛应用于物体检测和视觉系统。
3.2 CMOS的应用•手机摄像头：CMOS传感器的低功耗和小尺寸，使其非常适合应用于手机摄像头，实现高质量的图像捕捉。
CCD与COMS的区别优缺点
像机图像传感器应用现状自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控系统摄像机的核心器件。
CMOS与CCD技术自诞生以来，它们的抢位之争自诞生至今就没有停止过。
正如您所知道的一样，目前安防监控摄像机的图像传感器基础技术，主要也是CCD和CMOS两种技术。
目前市面上的模拟摄像机多是CCD为主，而网络摄像机特别是今年兴起的百万像素级高清网络摄像机，尤以CMOS技术应用居多。
其实CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展，通常用于一些电脑摄像头、手机摄像头等对画质要求不高的电子产品等设备上，以至于CMOS成了低端的代名词。
而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素多等优点一直主宰着图像传感器市场。
由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为近年来研究的热点。
现在CMOS图像传感器不但应用于市场上千万像素级的中高端DSLR单反相机，也成为安防监控行业百万像素高清网络摄像机首选图像传感器件。
CMOS和CCD技术的差异CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
这种转换的原理与“太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。
比较 CCD 和 CMOS 的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。
简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。
ccd与cmos的区别
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是“数字数据传送”的方式不同。
区别之处：CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
综合区别：1、在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2、CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3、相同尺寸的CCD与CMOS传感器，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
4、CMOS传感器的噪点会比CCD多，容易影响图像品质。
5、CCD功耗远高于CMOS传感器。
但在数码单反相机中，也有一些高端的的机型使用了新开发出来的高动态范围CMOS器件（像素内电荷完全转送技术）。
这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。
另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
ccd cmos 原理
ccd cmos 原理
CCD（Charge-Coupled Device）和 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）是两种常见的图像传感器技术，它们用于数字相机、摄像机、手机等设备中，用于捕捉图像或视频。
CCD 的工作原理基于光电效应。
CCD 传感器由一系列光敏像素组成，每个像素都可以将光转换为电荷。
当光线照射到光敏像素上时，光子与光敏材料相互作用，产生电子-空穴对。
这些电荷被存储在像素中，并在控制电路的作用下逐行或逐列地传输到输出放大器，最终转换为数字信号。
CMOS 的工作原理与 CCD 类似，但它使用了不同的电路结构和制造工艺。
CMOS 传感器也由一系列光敏像素组成，但每个像素都包含一个放大器和一个模数转换器（ADC）。
当光线照射到光敏像素上时，产生的电荷被放大并直接转换为数字信号，无需额外的传输和放大步骤。
相比之下，CMOS 传感器具有一些优势，如较低的功耗、更高的集成度和更灵活的设计。
它们通常在消费电子设备中更为常见，因为它们可以在较低的成本下提供较高的性能。
无论是 CCD 还是 CMOS，这两种技术都在不断发展和改进，以满足不同应用的需求。
在选择使用哪种技术时，需要考虑到性能、功耗、成本和应用需求等因素。
光电子器件第六章ccd和cmos
本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作原理和典 型应用问题 。
• 6.2.5转移信道结构 • 体沟道CCD （BCCD)
模拟信号
数字信号
6.2.6 通道的横向限制
如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化， 会使信号电荷漏出，外面的电荷也会漏进来。为了 限制势阱的横向范围，形成一个高势能的位垒，将 沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散 和氧化物台阶法。
•
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了 电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能 够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制 造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进 入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的 实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信 息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研 究成为当今高新技术的主流课题。
f 1 3 g
线型器件，它可以直接将接收到的一维光
信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图 像信号。若想用线阵CCD获得二维图像信号， 必须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描运动， 所线以用线阵CCD对匀速运动物体进行扫描成像 是型图非常方便的。
第6章 CCD和COMS成像器件
Cox
A
d ox
* N A 2 1014 cm3 , dox 180nm, N f U GCox / e,U G 5V
U G ,Vs ; U G ,Vs ;
N A ,Vs ; N A ,Vs ;
d ox ,Vs ; d ox ,Vs ;
n ,Vs . n ,Vs .
6.1 电荷耦合器件的基本原理
6.1.1 MOS结构特征 MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxidation)-半 导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电 容，或MOS结构。
UG
Al SiO2 金属 电介质 P-Si衬底 金属
（a）MOS电容器；（b）一般电容器。 电容的相同特征 注意其区别: 电荷分布不一样.
i i f f v v mf
UG
Al
E SiO2c Ei Ec
Ei Vf Ef Ev
P-Si衬底
Vs
Emf
Ef Ev
d (c)
Emf
(d)
5.强反型层
Ei
f
Ei
f
E E 当电子充满势阱时，达到稳定状态，界面电子浓度等于衬 E E 底受主密度，该时就达到强反型层。在强反型层时， Vs E VS=2VF=2（Ei-EF），如果外界不注入少子（电子）或不 d 引入各种激发，则反型层中的电子的来源只能是耗尽层中热 (b) (a) 激发产生的电子，即热生载流子，这种热激发是很慢的，为 一弛豫过程,约为10-3~10-1s量级。
1．dox=0.1μm, 2．dox=0.6μm, 3．dox=0.1μm, 4．dox=0.1μm,
dN=2μm, dN=2μm, dN=2μm, dN=5μm,
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1. CMOS成像器件的组成
CMOS成像器件的组成原理框图如图8-31所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和 MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是 光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。
图像信号的输出过程可由下图图像传感器阵列原理图更清楚地说明。
2. CMOS成像器件的像敏单元结构
6.2.6. 电荷的注入和检测
（1）光注入
Qin=ηqNeoAtc
式中：η为材料的量子效率；q为 电子电荷量； Neo为入射光的光子 流速率；A为光敏单元的受光面积；
tc为光的注入时间。
（2 ） 电注入 (1) 电流注入法 如图 （a）所示为电流注入法结构 (2) 电压注入法 如图（b）所示为电压注入法结构
并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产
生可见光图像。 本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作 原理和典型应用问题 。
6.2 电荷耦合器件的结构和工作原理
6.2.1mos结构特征
• CCD是一种半导体器件
图9.7.1 MOS电容的结构 1．金属 2．绝缘层SiO2
• 6.1.2 图像传感器的分类 图像传感器按其工作方式可分为扫描型两类和直视型。扫描型图像传感器件 通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输
出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大
和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信 号。
1
W Cox Uin Uig Uth 2 Is Lg 2
W Cox 2 Qs U in U ig U th Lg 2
（3）电荷的检测(输出方式)
输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系
Q s= I dd t
6.4 CCD的特性参数
6.5.2面阵电荷耦合器件成像器件（ACCID)
(a)x-y 选址 (b)行选址 (c)帧场传输式 (d)行间传输式
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(1) 帧转移面阵CCD
图8-28为三相面阵帧转移 摄像器的原理结构图。它由成
像区(像敏区)、暂存区和水平
读出寄存器等三部分构成。
(2)
行间转移型面阵CCD
隔列转移型面阵CCD的结构如图8-29(a)所示。 图8-29（b）是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元 的结构图。
但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。
1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结
构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。
1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩 色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2
荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出
电荷图形。
线型CCD摄像器件的两种基本形式
(1)单沟道线阵CCD
图8-26所示为三相单沟道线阵CCD的结构图。
(2) 双沟道线阵CCD
图8-27为双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分 列在像敏阵列的两边。
英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光
的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。 1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅
靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。
1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像 传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器
第6章 ccd和cmos成像器件
6.1 图像传感器简介
6.1.1 图像传感器发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠 久，种类很多。
早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。 使它的应用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍 要求在2 000lx以上。
线 型 图 像 传 感 器 结 构
1－CCD转移寄存器 2－转移控制栅 3－积蓄控制电极 4—光敏区 SH—转移控制栅输入端 RS—复位控制 VOD—漏极输出 OS—图像信号输出 OG—输出控制栅
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线型CCD图像传感器工作过程
线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个 主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图所示。在每一个光敏元件上都有一
• 5. 阶梯状氧化物结构
光学系统1 被测物
重叠部分 光学系统2 CCD2
6. 四相CCD
• 6.2.5转移信道结构
• 体沟道CCD （BCCD)
模拟信号
数字信号
6.2.6 通道的横向限制
如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化，会使信号电荷漏出， 外面的电荷也会漏进来。为了限制势阱的横向范围，形成一个高势能的 位垒，将沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散和氧化物台 阶法。 １、加屏蔽电场： 在屏蔽极上施以与栅极极性相反的电压，以吸收多子，造成多子在耗 尽层内横向边界上的堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。 ２、氧化物台阶法： 氧化物越厚，表面势越小，势阱越浅。使耗尽层以外的氧化层厚度加 厚，保证它下面不会深耗尽，自动限制了势垒的高度 ３、沟阻扩散法： 利用掺杂浓度越高，表面势越小，势阱越浅，在同一珊压下，局部掺 杂浓度不同。
加上正电压MOS电容的能带
(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。 (b)栅压UG增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。
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有信号电荷的势阱
• 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚 集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
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6.2.3电荷耦合原理
• ６．2.３ 电荷耦合 原理
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6.2.4 CCD的电极结构 • 1.三相单层铝电极结构
• 2. 三相电阻海结构
光学系统
CCD2
3. 三相交叠硅栅结构
4. 二相硅-铝交叠栅结构
个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件
阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光 照强度和光积分时间成正比。
在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同 时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地 转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状 态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电
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，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，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) 输出
光积分区 输出
转移栅
(b ) 线型CCD图像传感器
视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能保证图像信息 不产生失真，这种规则称为制式。
例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传输与处理过程
中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制式。
扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号（或称其为数字 图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、 显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传 感器的应用范围。 直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像 通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，
（1） 电荷转移效率η 和电荷转移损失率ε 电荷转移效率为
Q (0) Q (t ) Q (t ) 1 Q ( 0) Q ( 0)
电荷转移损失率为
Q (t ) Q ( 0)
电荷转移效率与损失率的关系为
1
（2） 驱动频率
① 驱动频率的下限
电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t ，少数载 流子的平均寿命为τ i 则
(3)线转移型面阵CCD
如图8-30所示，它与前面两种转移方式相比，取消了存储区，多了一个线寻址电路。
６. ６
CMOS图像传感器
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器出现于1969年,它 是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处 理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处 理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成 像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%~20%），响 应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人 视觉应用的场合。 1989年以后，出现了“主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开 关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范 围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方 面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。Leabharlann 1 f 3 ii