CCD图像传感器
第七章-CCD光电图像传感器
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
通常在半导体硅片上制有成千上 万个相互独立的MOS光敏单元， 如果在金属电极上加上正电压， 则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如 果此时照射在这些光敏单元上 是一幅明暗起伏的图像，那么 这些光敏元就会产生出一幅与 光照强度相对应的光电荷图像。
获得目标尺寸和像素的变换关系 根据几何光学原理，被测物体尺寸计算公式为D=np/M
式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。
D
被测 物体
成像 透镜
CCD
七、 CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 TCD1209D的像敏单元阵列由2075个光电二极管构成，其中
有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽， 中间的2048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的 尺寸为14µm×14µm，相邻的两个像元的中心距为14µm。像敏单 元阵列的总长度为28.672mm。
特性参数
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （2）灵敏度
特性参数
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量(lx.s)的作用下器
件的输出信号电压，即
R UO
式中的UO为线阵CCD输出的信号H电V 压，HV光敏面上的曝光量。
衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面
上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越
电源 输出
驱动脉冲
控制脉冲
钳位脉冲 复位脉冲TCD1209D原理结构图
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。
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图像传感器简介及应用
二、CCD的工作原理
金属电极加上适当的电 压时，在较短的时间内， 半导体表面就会出现深 耗尽层 。 半导体表面的自由电荷 可以在金属电极所加电 压的作用下，从一个电 极下面向另一个电极下 面转移。
金属电极
绝缘层
P型衬底
二、CCD的工作原理
1、光照 2、光生载流子
金属电极
绝缘层
3、电荷收集
六、CCD与CMOS图像传感器
七、结束语
目前已有报道的像元大小仅为0.5μm，进入了 亚微米时代。CCD将围绕着高分辨率、高读 出速度、低成本、微型化、结构优化、多光谱 应用、3D照相等方面进一步发展。目前， CMOS发展迅速，但随着CCD在功耗、成本 方面的持续改善，在未来几年中，其仍将是 CMOS图像传感器有力的竞争对手，两者的技 术也将进一步相互借鉴，共同前进。
六、CCD与CMOS图像传感器
近几年，数码相机和微型摄像机的发展过程中， CCD和CMOS图像传感器相互竞争。特别是 在民用领域，CMOS图像传感器与CCD之间 竞争相当激烈。
六、CCD与CMOS图像传感器
CMOS固体摄像器件与90%的半导体器件都采 用相同标准的芯片制造技术，而CCD则需要 一种特殊的制造工艺，故CCD的制造成本高 很多 。 随着CMOS图像传感器技术的进一步研究和发 展，过去仅在CCD上采用的技术正在被应用 到CMOS图像传感器上。
三、CCD图像传感器的分类
2、面阵CCD型 面阵CCD主要用于实时摄像
三、CCD图像传感器直转移 寄存器
感光区
二相驱动
光栅报时钟
四、CCD图像传感器需解决的问题
1、分辨率的提高 ① 减小像元 自1987年以来，CCD图像传感器的像素 面积以每年20%的速度缩小，目前像素面积已 经 小于1μm×1μm。 ② 增大CCD成像面积 市场上的相机尺寸最大的CCD有1/1.8英寸。
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。
8.5 CCD图像传感器
7
第8章 光电传感器 这时,硅表面吸收少数载流子（电子）的势也就越大,耗 尽区越深。对于带负电的电子来说,耗尽区是个势能很低的 区域,称为电子“势阱”,如图8.18所示。势阱具有存储电子 （电荷）的功能,每一个加正电压的电极下就是一个势阱。 通常将表面势阱中的自由电荷称为电荷包。势阱的深度取决
16
第8章 光电传感器
图8.22 电荷电流输出
17
压作用下,CCD器件上位于 1 下若干互相独立的MOS
元就会形成众多相互独立的势阱。若照射在这些光敏 元上是一幅明暗不同的图像,那么这些光敏元就会感生
出一幅光照强度相应的光生电荷图像,一幅光图像就转
变成了电图像。
12
第8章 光电传感器 为了读出存放在CCD中的电图像,在顺序排列的电 极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压。在t=t2时,
10
第8章 光电传感器 3. 电荷耦合
CCD器件有二相、三相、
四相等几种时钟脉冲驱动的 结构形式。其中，最方便的
是由三相时钟脉冲驱动的
CCD 器 件 , 如 图 8.20 所 示 。 在 三 相 结 构 CCD 中 , 三个电极组成一个单元 ,形 成一个像素。三个不同的脉 冲驱动电压按图8.20(b)所示 的时序提供,以保证形成空 间电荷区的相对时序。 图8.20 三相时钟脉冲驱动的电荷转移
MOS光敏元阵列；
读出移位寄存器。 电荷耦合器件是在半导体硅片上
显微镜下的MOS元表面
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。 CCD结构示意图
3
第8章 光电传感器 电荷存储原理： 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，是一势能 很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子
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。
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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CCD-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。
2013-8-17
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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。
2013-8-17
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按CCD靶面大小划分
1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。 2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。 1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。
线阵CCD摄像机可用于 彩色印刷中的套色工艺监控
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线阵CCD用于字符识别
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CCD数码照相机
数码相机简称DC，它采用CCD作为光 电转换器件，将被摄物体的图像以数字形 式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、 取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光 灯等，但比传统相机多了液晶显示器 （LCD），内部更有本质的区别，其快门 结构也大不相同。
像也会显示蓝色或红色。个别CCD由于生产车间的灰尘， CCD靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像；
4、在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，
一定要仔细挑选。
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CCD传感器的分类： 1．成像色彩划分：彩色/黑白 2．成像分辨率划分：像素多少， 达到2000万像素 3．按CCD靶面大小划分？ 4．按扫描制式划分：PAL制、NTSC制。
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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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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
目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”
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CCD彩色摄像机的主要技术指标：
尺寸：
原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。
像素：
决定显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。 38万像素以上为高清晰度摄像机。
水平分辨率：
彩色摄像机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、 420线、460线、500线等不同档次。通常规律是1MHz的频带宽度相当于清 晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。
经冷冻的CCD（冷CCD)同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各 种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之 天体照片。 一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零 照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。 CCD对红外线的敏感度造成另 一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很 容易拍到遥控器发出的红外线。 为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下 的物体会有红外线的黑体辐射效应。降低温度可减少电容阵列上的暗电 流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随 之提升。
三原色：红、绿、蓝 R、G、B 三补色：青、品、黄 C、M、Y 所谓一种原色的补色即为除此原色外另外两种原色的 和色。三原色中，红与绿的和色为黄，绿与蓝的和 色为青，红与蓝的和色为品。
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互 为 补 色 对 照 表 红 品红 黄
蓝 青
绿
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3. CCD感光层（第三层）
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英美科学家分享2009年诺贝尔物理学奖 2009年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩 宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔(中 国香港)科学家高锟以及美国科学家威拉德· 博伊尔 和乔治· 史密斯。 瑞典典皇家科学院说: “高锟在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面” 取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的 奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊 尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器 件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一 半奖金。”
NTSC是日本美国采用的； PLA是我国欧洲采用的。 ntsc制每秒钟有29.97帧。 pal制每秒钟 有25帧。 ntsc与pal制都为隔行扫描。因此都含有场。 ntsc为偶数场。pal为奇数场。 可简单 理解为ntsc的第一帧显示为2，4，6，8……行。 pal的第一帧显示为1，3，5，7，9……行 具 体数据非常多，了解基本就行。对于一般而言主要是帧和分辨率的差异
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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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下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的
拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储
能力，因此可提高动态范围及其他指标。
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CCD图像传感器的应用
线阵CCD在 扫描仪中的应用
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线阵CCD在图像扫描中的应用
风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布 进行逐行扫描
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感光原件对光的敏感度。数值越高，对光的敏感度越强，需要 的光越少（曝光时间短，适合在黑暗中拍照），噪点越大。 数值越小，敏感度越弱，需要的光越多，噪点越少。 （快门速度、光圈大小、感光度 的关系？低ISO时要多光照。）
在光学中指两种色光以适当地比例混合而能产生白色 感觉时，则这两种颜色就称为“互为补色”
负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号 传送到影像处理芯片，将影像还原。
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。 目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的 是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯 片，现在韩国三星等也有能力生产，但质量就要稍逊 一筹。 因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同 等原因，造成CCD采集效果也大不相同。
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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。
2013-8-17
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CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是 光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速 摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、 数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像 机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方 向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是 线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由 扫描仪的机械装置来完成。
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CCD工作原理
CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，
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1. 微型镜头（第一层） 微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相 机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的 采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提
高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微
型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。
因此感光面积不再因为传感器的开口面积而定，
而改由微型镜片的表面积来决定。
2013-8-17
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2. 分色滤色片（第二层）
两种方法：一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法 RGB（Red,Green，Blue）三原色分色法，几乎所有人类眼睛可 以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成。用三个通道调色。 优点：画质锐利，色彩真实。 缺点：是噪声问题，采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多 半不会超过400
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三线传感器CCD
三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖 RGB滤镜，当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来 组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分 辨率和光谱色阶。
用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好， 分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD 各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数码摄影机，和 一部份的半专业级数码摄影机采用3CCD技术。目前，超高分辨 率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机， 其价位往往超出许多专业摄影者的预算。
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MOS电容器组成的光敏元 及数据面的显微照片 CCD光敏元显微照片
CCD读出移位寄存器 的数据面显微照片
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彩色CCD光敏元显微照片（放大7000倍）