德国book2net书刊扫描仪矩阵型CCD和线形CCD传感器的比较分析

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CCD与CMOS图像传感器特点比较

收稿日期!!""#$%!$!#&!动态综述!!"与!#$%图像传感器特点比较熊!平"重庆光电技术研究所#重庆&’’’(’$摘!要!!简要介绍了’’(!电荷耦合器件"与’)*+图像传感器的结构#并对二者的性能特点进行了比较#指出二者在未来的发展中不会出现谁消灭谁的结局$关键词!!’’(!’)*+!图像传感器中图分类号!,-#./&0!文献标识码!1!文章编号!%""%$0./."!""2#"%$"""%$"2!)*+,-./)0)1!!",02!#$%3*,45%50/)-/34*-56789"!6)047.04$+8)595:8-)0.:/;5/5,-:630/8.8<85$!6)047.04&’’’(’$!=>#?@/8-,:8%!,:;<=>7?@;78>=A B C ?;D>:;D >=C ?>C =;A E’’("?:<=9;F ?A C G@;BB ;H 7?;#<8B’)*+7I <9;D ;8D A =D $E A @@A J ;BK L ?A I G <=7D A 8A E >:;7=G ;=E A =I <8?;D &48G =;B 7?><K @;E C >C =;$>:;=;D C @>D :A J D >:<>8;7>:;=A E >:;I J 7@@K ;=;G @<?;BJ 7>:;<?:A >:;=&A 5B C)-2/%!’’(!’)*+!7I <9;D ;8D A =%!引言’)*+与’’(图像传感器相比$具有功耗低&摄像系统尺寸小&可将信号处理电路与)*+图像传感器集成在一个芯片上等优点’但其图像质量"特别是低亮度环境下#与系统灵活性与’’(的相比相对较低’由于具有上述特点$它适合大规模批量生产$适用于要求小尺寸&低价格&摄像质量无过高要求的应用$如保安用小型(微型相机&手机&计算机网络视频会议系统&无线手持式视频会议系统&条形码扫描器&传真机&玩具&生物显微计数&某些车用摄像系统等大量商用领域’’’(与’)*+图像传感器相比$具较好的图像质量和灵活性$仍然保持高端的摄像技术应用$如天文观察&卫星成像&高分辨率数字照片&广播电视&高性能工业摄像&大部分科学与医学摄像等应用’’’(器件的灵活性体现为与采用’)*+器件相比$用户可构建更多不同的摄像系统’’’(与’)*+图像传感器相比$在价格方面目前几乎相等’这主要是’’(具有成熟的技术与市场$’)*+器件具有较高的技术与市场开发成本’’)*+与’’(图像传感器的光电转换原理相同$均在硅集成电路工艺线上制作$工艺线的设备亦相似’但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别’表%列出’’(与’)*+图像传感器的特点$从表中可见’)*+与’’(图像传感器各有特点$二者互为补充$不会出现谁消灭谁的结局)%*$在可预见的未来将并存发展$共同繁荣图像传感器市场’表D !!!"与!#$%图像传感器的特点’’(’)*+像元尺寸最小单一内部电压供电噪声最低单一主控时钟暗电流最低低功耗灵敏度最高3F M 寻址可任意开子窗口全帧转移结构占空比近%""N 系统尺寸最小具有自然的电子快门功能相机电路易于全集成"单芯片相机#成熟技术与市场相对低价+%+,半导体光电-!""2年第!0卷第%期熊!平%!’’(与’)*+图像传感器特点比较""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""万方数据!!图像传感器的基本结构图%所示为’’(图像传感器工作原理框图!!"#器件完成曝光后光子通过像元转换为电子电荷包$电荷包顺序转移到共同的输出端$通过输出放大器将大小不同的电荷包%对应不同强弱的光信号&转换为电压信号$缓冲并输出到芯片外的信号处理电路#图%!’’(图像传感器工作原理框图如图%所示$相机的大部分信号处理功能在印刷电路板上实现$如果应用要求改变$设计者可通过改变电路板功能而无须重新设计图像传感器#图!所示为’)*+图像传感器工作原理框图#光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷F电压转换#这种信号转换与读出技术的不同对两种图像传感器的结构’性能及其性能的限制产生明显的影响#相机的大部分功能集成在图像传感器芯片上#这使传感器的功能应用弹性较小$但由于集成度高’结构紧密$’)*+相机可应用于小尺寸摄像$可适应恶劣的环境$具有更高的可靠性#图!!’)*+图像传感器工作原理框图#!特性比较E F D !灵敏度灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力#’’(图像传感器灵敏度较’)*+图像传感器高#"N !0"N #这主要因为’’(像元耗尽区深度可达%"I I $具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力#’)*+图像传感器由于采用"&%.!"&0I I 标准’)*+工艺$由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压$像元耗尽区深度只有%!!I I $其吸收截止波长小于/0"8I !#"$导致像元对红光及近红外光吸收困难#E F G !电子H电压转换率电子F 电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小#由于’)*+图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构$其电压转换率略优于’’(图像传感器#’’(图像传感器要达到同样的电压转换率需要付出进一步增大器件功耗的代价#’’(研制者正进一步研究新的读出放大器结构以提高响应率#E F E !动态范围动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值#在可比较的环境下$’’(动态范围约较’)*+的高!倍#主要由于’’(芯片物理结构决定通过电荷耦合$电荷转移到共同的输出端几乎没有噪声$使得’’(器件噪声可控制在极低的水平#’)*+器件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器’寻址电路’寄生电容等$导致器件噪声相对较大$这些噪声即使通过采用外电路进行信号处理’芯片冷却’采用好的光学系统等手段$’)*+器件的噪声仍不能降到与’’(器件相当的水平#’’(的低噪声特性是由其物理结构决定的#E F &!响应均匀性由于硅圆片工艺的微小变化’硅片及工艺加工引入缺陷’放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀#响应均匀性包括有光照和无光照%暗环境&两种环境条件#’)*+图像传感器由于每个像元中均有开环放大器$器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异$且随着像元尺寸进一步缩小$差异将进一步扩大$使得在有光照和暗环境两种条件下’)*+图像传感器的响应均匀性较’’(有较大差距#’)*+图像传感器研制者研究采用反馈放大器等技术改进有光照条件下的均匀性$使之逐渐接近’’(的均匀性水平#尽管’)*+图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应不均匀性$但’)*+放大器偏置变化导致的暗环境下器件响应均匀性仍较’’(有较大差距#这在高速摄像(!(%I #3!$>"J !K $;$L K $I M I !K ;$>3!%!N )9F G O>)F D P 5@F G ’’&""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""万方数据应用中由于信号弱!暗环境不均匀性将显著降低图像质量"E F O!暗电流标准’)*+图像传感器具有较高的暗电流!暗电流密度为%81#?I!量级!经过工艺最佳化后可降低到%""G1#?I!量级!而精心制作的’’(的暗电流密度为!!%"G1#?I!$2%"E F(!电子快门快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力"’’(像感器特别是内线转移结构像感器具有优良的电子快门功能!由于器件可纵向从衬底排除多余电荷!电子快门功能几乎不受像元尺寸缩小的限制!不会挤占光敏区面积而降低器件占空比"’)*+像感器在每个像元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门功能!增加电子快门功能将增加像元中的晶体管数量!压缩感光区的面积!降低器件的占空比!特别在像元尺寸进一步缩小时此矛盾更为突出"’)*+像感器设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题"这种方式减少了像元中的晶体管数!提高了占空比!但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形!因此只适合某些商业应用"此外可采用较大尺寸的像元以兼顾图像高性能和具有与’’(类似的同时曝光的电子快门功能"E F Q!速度由于大部分相机电路可与’)*+图像传感器在同一芯片上制作!信号及驱动传输距离缩短!电感&电容及寄生延迟降低!信号读出采用3F M寻址方式!’)*+图像传感器工作速度优于’’("通常的’’(像感器由于采用顺序传输电荷!组成相机的电路芯片有#!.片!信号读出速率不超过O" )G7P;@D#D$#%"’)*+像感器设计者采用将模数转换’1(’(作在每个像元中!使’)*+像感器信号读出速率可达%""")G7P;@D#D$0%"E F R!窗口’)*+图像传感器由于信号读出采用3F M寻址方式!具有读出任意局部画面的能力!这使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频"这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪"’’(图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制"E F S!抗晕能力抗晕能力指将过度曝光产生的多余电荷排除像元!不影响画面其他部分的能力"通常的’)*+的像元结构决定它具有自然的抗晕能力"’’(图像传感器需要特殊的结构设计才能具有抗晕能力"大多数商用’’(均具有抗晕能力!但高性能的科学级’’(由于其多用于弱信号探测!通常未设计抗晕结构"E F D’!偏置与功耗’)*+图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作!非标准电压偏置通过芯片内部转换解决"典型的’’(像感器需要几组较高的偏置电压才能工作!近期的’’(器件通过改进!其时钟工作电压降低到与’)*+相近!但其输出放大器偏压仍较高"’)*+图像传感器在像元区功耗明显低于’’(图像传感器’图%&!中浅色部分(!但’)*+相机的其他电路部分可能比采用专门设计的’’(驱动与信号处理1+4’电路功耗要高"从相机系统角度来说!通常情况’)*+相机与’’(相机相比功耗较低!但在高速应用情况下’时钟频率高于!0 )Q R(!二者功耗差别不明显"E F D D!可靠性两种图像传感器在商用及工业应用领域具有等价的可靠性"在极端恶劣的应用环境中!由于’)*+图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上!焊点与接头大大减少!其可靠性优于’’(图像传感器"由于’)*+图像传感器的高集成特性!相机体积可大大小于’’(相机的体积"2!发展趋势在高分辨率&高灵敏度的高端应用领域!’’(占据着领先地位"!""2年成功登陆火星的)勇气*与)机遇*号上的高清晰度全景相机采用加拿大(1S+1公司制作的2"""T2"""像素’’(图像传感器"美国S*’U Q V V()1,4-公司%W W/年制作出像素尺寸.&O0"IT.&O0"I&W"""T W"""像素的’’(!像素尺寸%""I T%""I&像素规模%""""T%""""的’’(已于!"""年进行设计$/%"日本索尼&夏普等公司制作的’’(器件的最小像素尺寸缩小到!&0"IT!&0"I!相应的空间分辨率达!""@G#I I"’)*+图像传感器方面!美国X A H;A8公司!"""年制作出2"W/T2"W/像素的’)*+图像传感器!东芝公司!""2年%月推出#&O0"IT#&O0+#+,半导体光电-!""2年第!0卷第%期熊!平!!’’(与’)*+图像传感器特点比较""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""万方数据"I 像素最小尺寸的’)*+实用相机模块!标准集成电路’)*+工艺线已升级到最小线宽"&%#!"&%."I "日本东芝#松下公司!""#年底已宣布建成/08I ’)*+工艺线!与其对照的是制作’)*+图像传感器的’)*+工艺线最小线宽为"&#0!"&0"I "其最小线宽难以随标准集成电路’)*+工艺线升级减小以缩小像素尺寸"主要的原因是最小线宽"&!0"I 以下时制作的’)*+图像传感器性能大大下降"特别是存在深亚微米$纳米’)*+栅介质决定的高暗电流%导致较高的噪声&及低工作电压使像元电荷容量减小等问题’O (!’’(图像传感器在需要#!%/)甚至更高像素分辨率#低噪声高灵敏度的高画质应用"如摄像机#侦察卫星#光谱仪#生物医学摄影#微光成像等领域具有高性价比!而’)*+图像传感器在%&#)像素以下的低端领域"即价格与易于集成#小型化比高分辨率更重要的应用领域"如商用数码相机#机器视觉#玩具#手机等领域性价比占优!由于’)*+图像传感器制作需在通用集成电路’)*+工艺中增加多种特殊工艺以提高性能"因此高质量’*)+图像传感器制作工艺越来越向专用图像传感器’)*+工艺发展"导致多家通用’)*+集成电路制造商逐渐推出图像传感器领域的角逐!与之对照"世界知名’’(器件制造商凭借其积累的光电探测器制作工艺技术及成熟的图像传感器市场渠道"纷纷建立专用的’)*+图像传感器工艺线!如日本索尼#东芝#夏普#松下#美国柯达#加拿大(1S +1#荷兰菲利普等公司"推出’)*+数码相机#手机相机模块!东芝公司更于!""2年大量推出价格为!"美元的手机相机模块!世界最大’)*+图像传感器制造商*I 87H 7D 7A 8也与图像传感器巨头索尼联手进军玩具图像传感器市场!这些公司的’)*+与’’(图像传感器在市场上形成互补!图#所示为美国U A B <Y 公司’.("全球著名的’’(和’)*+图像传感器生产商提供的图像传感器发展趋势!从图#中可以看出"!"世纪/"年代至!"世纪."年代"图像传感器主要为硅靶摄像管!!"世纪."年代中期至!"世纪W "年代中期’’(图像传感器一统天下!!"世纪W "年代中期以后"’)*+图像传感器异军突起"发展迅速!根据U A B <Y 公司的预测"未来%"年’’(仍将占据高性能图像传感器市场"’)*+随着技术的进一步发展与成熟"也将在高端市场占据一席之地!在低端市场"’)*+将挤占大半’’(图像传感器原占据的市场"成为低端市场的主流产品!图#!图像传感器发展趋势示意图0!结语自!"世纪W "年代中后期’)*+图像传感器性能大幅提高"开始规模进入市场以来"在’)*+图像传感器将完全替代或消灭’’(的论点刺激下"许多4’厂商在’)*+图像传感器投入大量资金和人力"兴起了’)*+图像传感器研发与生产热潮!经过数年的论争与市场检验"许多4’厂商退出了’)*+图像传感器市场竞争!’’(以其结构的物理原理决定的低信号噪声#高分辨率#高灵敏度等高画质性能牢固占据图像传感器高端市场"’)*+图像传感器以其高集成度#高速#小体积#低价格等特点在低端市场占据越来越大的份额!在未来的发展中"二者相互竞争#相互补充!’’(图像传感器向小型化#低功耗方向发展%如!""#年日本+1-M *推出的低功耗手机摄像头&"’)*+向降低噪声#提高灵敏度等方向发展%如!""#年美国U *(1U 推出的20""T#"""像素’)*+专业相机&"二者在性能方面的差异将不像目前这样清晰分明’W (!参考文献!’%(!S7>J 7@@;=(&’’(H D &’)*+)>:;K <>>@;?A A @DA E E ’Z (&6:A >A 87?D+G;?>=<"!""!"%%&)&’!(!S7>J 7@@;=(&’’(H D &’)*+)E <?>D<8BE 7?>7A 8’Z (&6:A >A 87?D+G;?>=<"!""%"%%&)&’#(!Z <8;D 7?YZ &(C ;@789B;>;?>A =D )’’(A =’)*+’Z (&*V )<9R 78;"!""!"%%&)#/&!下转第2!页"*2*万方数据的光隔离器确保光的单向传输!防止光纤端面反射对其性能造成影响!并消除出射光中的泵浦光"每只光隔离器的带宽为%0#0!%0/08I !其隔离度大于0"B \!回波损耗大于/"B \!插入损耗为"&#%B \!带宽大于/"8I"图2!超荧光输出光功率与吸收的泵浦光功率关系曲线采用18=7>D C )+W O %"\光谱分析仪测量该超荧光光纤光源的输出光谱#工作范围为/""!%O 0"8I !分辨率为"&%8I $"泵浦功率为!2.I_时在%&00"I 波段获得的光纤增益介质的超荧光辐射谱如图0所示"图0!超荧光光谱由图0知谱峰值波长为%0#2&W /8I !荧光谱#B \带宽为%&O /8I "且谱宽随输出功率的增加而下降!其改变呈渐变的过程"这是由于增益介质的均匀展宽特性使得超荧光光谱的带宽随着输出功率的增加而减小"考验%:以上!未见波长漂移!1+V 的输出光谱峰值未见漂移!光谱的形状基本不变"实验结果表明!在超荧光输出功率从%""I_到!0"I_的范围内!都存在这样的平坦光谱输出"参考文献!%%&!,A J 8D ;8B Z\!\<=8;D_S !Z ;B =R ;g;J D Y @U6!;><@&M K #b D ;8D 7>7R ;B V =#bB A G ;B D 7@7?<A G>7?<@E 7K ;=J 7>:C @>=<:79:>=<8D E ;=;E E 7?7;8?L <8B 9<78%Z &&V @;?>=A 8&S ;>>&!%W W %!!O #!%$’%W 0.$%W 0W &%!&!’:;8fZ !)78;@@L Z (!5C M&’A I G<?>@A J ?A D >V =#b (M K #b?A F B A G ;BE 7K ;==A 8&S ;>>&!%W W /!#!#%W $’%.%!$%.%#&%#&!5=C K K+5!Q C I ;=_Q !’<88A 8e+!;><@&b !2&/B \I A C >G C >G A J ;=V =(M K ?A B A G ;B A G >7?<@=A 8&S ;>>&!%W W !!!.#%#$’%!O 0$%!O /&%2&!X ;B ;=79:7)!6<D aC <@;X(&,:;;E E ;?>A E G <7=F 78B C ?;B ;8;=9L >=<8DE ;=A 8>:;G ;=E A =I <8?;A E D 7@7?<J <H ;9C 7B ;::79:V =#b (M K #b?A 8?;8>=<>7A 8D %Z &&4V V V6:A >A 8&,;?:8A @&S ;>>&!%W W 0!O ##$’#"#$#"0&%0&!6<D a C <@;X(!X ;B ;=79:7)&4I G=A H ;B 9<78?:<=<?>;=7D >7?D78:79:F ?A 8?;8>=<>7A 8V =#b (M K #b?A F B A G ;B 9@<D D J <H ;9C 7B ;C I V @;?>=A 8&!%W W 2!#"#W $’!%!O $!%#%&作者简介!郭玉彬!%W /!$"#男#山东人#教授#光学专业理学博士$从事光通信领域的教学和科研工作$已发表学术论文!"余篇$I H *,.9%9C A $L K $,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,%/#&?A I !上接第2页"%2&!\@<8Y-!f C =7?:&’’(H ;=D C D ’)*+$:<D ’’(7I <9789?A I ;>A <8;8B ？%Z &&6:A >A 9==7?_;;Y !!""%!%#%$%#O &%0&!U@;78E ;@B ;=+!S 7I+!S 7C3!;><@&1%""""E =<@G 7P ;@D ;8D A =%Z &&4V V V Z &+A @7B +><>;’7=?C 7>D !!""%!#/#%!$’!"2W $!"0W &%/&!Z <8;D 7?YZe&+?7;8>7E 7??:<=9;F ?A C G@;B B ;H 7?;D %Z &&6=A ?&A E +64V !!""%&%O &!,7D C DQ&,:;=79:>’)*+?:;g A K %Z &&6:A >A 87?D+G;?>=<!!""!&%.&!,7D C DQ&4I <9789D ;8D A =D>:<>?<G>C =;L A C<>>;8>7A 8%Z &&+;8D A =D !!""%!%.#!$’&%W &!_7;B ;I <88e&_:<>‘D8;P >E A =’)*+7I <9;D ;8D A =%Z &&6:A >A 87?D+G;?>=<!!""#!#%$’&作者简介!熊!平!%W /0$"#男#高级工程师$%W .0年毕业于西安交通大学#%W W /年毕业于电子科技大学半导体物理与微电子学专业#并获硕士学位$目前主要从事’’(的研制与开发工作#已发表论文O 篇$I H *,.9%P 7A 89G 789W W $%/#&8;>)!2)万方数据CCD与CMOS图像传感器特点比较作者：熊平作者单位：重庆光电技术研究所,重庆,400060刊名：半导体光电英文刊名：SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS年，卷(期)：2004,25(1)被引用次数：28次参考文献(9条)1.Litwiller D CCD vs. CMOS: the battle cools off 2002(01)2.Litwiller D CCD vs. CMOS: facts and fiction 2001(01)3.Janesick J Dueling detectors: CCD or CMOS 2002(01)4.Blank N.Zurich CCD versus CMOS-has CCD imaging come to an end? 20015.Kleinfelder S.Lim S.Liu X A 10000 frames/s CMOS digital pixel sensor 2001(12)6.Janesick J R Scientific charge-coupled devices 20017.Tisus H The right CMOS camera for the job 20028.Tisus H Imaging sensors that capture you attention 2001(02)9.Wiedemann R What's next for CMOS image sensor 2003(01)引证文献(29条)1.刘建青.黄平无线胶囊内窥镜CMOS摄像模块的设计与制作[期刊论文]-现代制造工程 2010(3)2.马功平.方林锋基于CCD图像传感器的液体折射率的研究[期刊论文]-中国现代教育装备 2009(6)3.林凌.解鑫.李刚基于光谱的中医舌色客观化方法初探[期刊论文]-光谱学与光谱分析 2009(3)4.王秀坤.魏燚潍.李宁CMOS网络摄像头标定方法研究[期刊论文]-科技信息 2008(35)5.王玉梅.谢志江.王翊.叶苏茹基于机器视觉的高速重轨表面质量在线监测关键技术[期刊论文]-机械与电子2008(8)6.刘超伟.赵俊淋.易卫东基于nRF24L01的无线图像传感器节点设计实现[期刊论文]-电子测量技术 2008(6)7.柳笛.黎福海.荣宏.韩兵兵.王鑫CMOS图像传感器优势和最新产品[期刊论文]-电视技术 2007(11)8.曹新亮.白泽生两种图像传感器性能特点的对比分析与研究[期刊论文]-延安大学学报（自然科学版） 2007(1)9.黄美玲.张伯珩.边川平.李露瑶.达选福CCD和CMOS图像传感器性能比较[期刊论文]-科学技术与工程 2007(2)10.吴作勇基于FPGA和ARM的图像监视器的设计[学位论文]硕士 200711.郑瑾基于双目视觉的目标定位与运动分析研究[学位论文]硕士 200612.彭海娟基于DSP的汽车视觉辅助导航的研究[学位论文]硕士 200613.李晓艳光学低通滤波器光点测试系统[学位论文]硕士 200614.田志松基于灰度统计判别的粒子图像速度粒度实时同场测量（PIVS）的系统开发[学位论文]硕士 200615.李晓艳.刘玉玲.陈燕平.余飞鸿显微镜/望远镜的数字图像硬件接口与软件接口设计[期刊论文]-光学仪器2005(5)16.胡晓伟.倪旭翔.朱育军.徐进基于CMOS图像传感器的液体折射率计研究[期刊论文]-光学仪器 2005(4)17.王顺义.晏磊.赵红颖.吕书强基于CMOS图像传感器的可见光遥感相机原型系统设计[期刊论文]-光学技术2005(6)18.马卫红基于图像分析的光学传递函数测试技术研究[学位论文]博士 200519.王旭东.叶玉堂CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势[期刊论文]-电子设计工程 2010(11)20.顾晓基于大面阵CMOS图像传感器的成像系统研究[学位论文]硕士 200521.孙旭生基于CMOS图像传感器的高速印刷机图像监控系统[学位论文]硕士 200522.王顺义基于无人机遥感平台的CMOS成像原型实验系统[学位论文]硕士 200523.李明月基于ARM的小波图像压缩技术的研究[学位论文]硕士 200524.李深远基于DSP的无线图像监控系统的研究[学位论文]硕士 200525.王建民基于嵌入式USB主机的图像监控系统应用研究[学位论文]硕士 200526.胡晓伟基于CMOS图像传感器的液体折射率研究[学位论文]硕士 200527.覃斌激光二极管泵浦的自适应固体激光器的研究[学位论文]硕士 200528.佟雨兵.常青.张其善嵌入式CCD视频图像采集系统[期刊论文]-光电工程 2004(z1)29.张荣泉.李国金嵌入式数字视频无线传输系统的设计[期刊论文]-微计算机信息 2010(23)本文链接：/Periodical_bdtgd200401001.aspx。

CCD和CMOS图像传感器的不同之处

CCD和CMOS图像传感器的不同之处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(photod iode)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。

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。

左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：1. 灵敏度差异：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：由于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；除此之外，由于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，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。

矩阵式CCD书刊扫描仪和数码相机拍摄的区别

矩阵式书刊扫描仪比传统线性书刊扫描仪的优势近日德国Book2net书刊扫描仪正式进入中国市场。

德国michobox公司是全球最顶级的书刊扫描仪制造商，他们生产的Book2net系列书刊扫描仪在欧美书刊古籍扫描市场占有率达到80%以上。

英国大英图书馆、俄罗斯国立图书馆、美国国会图书馆等一些全球最著名的图书馆都是Book2net系列书刊扫描仪的忠实用户。

此次北京方圆慧图科技有限公司携手michobox公司共同推进国内古籍图书数字化进程，共引进Book2net系列书刊扫描仪七款分别是：德国Book2net自助型书刊扫描仪德国Book2net生产型书刊扫描仪德国Book2net终极版生产型书刊扫描仪德国Book2net专业古籍扫描仪德国Book2netV型110°书刊专业扫描仪德国Book2net思迅A3幅面自助书刊扫描仪德国Book2net柏耐A1书刊扫描仪以上产品除了传统的线性非接触式书刊扫描仪外，还有michobox公司最新推出的书刊扫描产品，使用工业级矩阵CCD的生产型书刊扫描仪。

此款产品在欧美市场一经推出马上受到各个国家图书馆、档案馆、古籍复制用户的认可和选用。

其中大英图书馆一次性采购了30台使用工业级矩阵CCD的Book2net书刊扫描仪；在俄罗斯创造了6个月销售200台的佳绩；意大利150台；德国300台…….这是书刊扫描仪扫描仪的一个划时代的产品。

为什么使用了工业级矩阵CCD的生产型书刊扫描仪一上市就收到了专业用户的追捧呢？我们就这个问题咨询了michobox公司的工程师Michael Zhang。

Michael Zhang对最新的矩阵式书刊扫描仪做了简单介绍：目前市场上的成像元件大致有两类CCD和CMOS。

CMOS相对制造成本比较廉价，效果也要差于CCD的成像效果，CMOS一般多用在家庭用数码相机上使用。

在专业的书刊古籍扫描仪领域都是使用CCD原件做为书刊扫描成像原件的。

CCD是电荷耦合元件。

相机的感光原件有ccd和coms两种，它们有什么区别吗？

相机的感光原件有ccd和coms两种，它们有什么区别吗？CCD 或CMOS，基本上两者都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换。

这种转换的原理与各位手上具备“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。

(CCD图片)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，按我们在上一讲“CCD 感光元件的工作原理（上）”中所提之内容。

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。

两者优缺点的比较CCD CMOS设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积下高感光开口小，灵敏度低成本线路品质影响程度高，成本高 CMOS整合集成，成本低解析度连接复杂度低，解析度高低，新技术高噪点比单一放大，噪点低百万放大，噪点高（CMOS图片）功耗比需外加电压，功耗高直接放大，功耗低由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。

CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

整体来说，CCD 与CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等，不同类型的差异：ISO 感光度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

线性CCD图像传感器

由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。

一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CCD传感器-原理编辑本段CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。

当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。

它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。

它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。

CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。

由于在军事领域主要用的是面阵CCD，因此这里主要介绍面阵CCD。

CCD传感器-种类编辑本段面阵CCD的结构一般有3种。

第一种是帧转性CCD。

它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。

其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。

第二种是行间转移性CCD。

它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。

第三种是帧行间转移性CCD。

它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。

面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。

线阵CCD与线阵CMOS特性的测量比较

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线阵 CCD 与线阵 CMOS 特性的测量比较
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Measurement and comparison of linear CCD and linear CMOS characteristics
IV
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目录摘要--------------------------------------------------------------------------------- I Abstract---------------------------------------------------------------------------- II 前言------------------------------------------------------------------------------- III 第一章绪论---------------------------------------------------------------------- 1 1．1 课题研究背景-------------------------------------------------------- 1 1.3 课题研究目的及意义--------------------------------------------------6 1.4 课题研究的内容及论文结构-----------------------------------------6 第二章 CCD 与 CMOS 图像传感器------------------------------------------ 8 2.1 CCD 图像传感器介绍-------------------------------------------------8 2.1.1 CCD 基本结构-------------------------------------------------- 8 2.1.2 CCD 基本工作原理------------------------------------------- 10 2.2 CMOS 图像传感器的介绍----------------------------------------- 15 2.2.1 CMOS 的基本结构------------------------------------------- 15 2.2.2 CMOS 的基本工作原理------------------------------------- 19 第三章 CCD 与 CMOS 图像传感器的特性及差异----------------------23 3.1 CCD 与 CMOS 传感器基本特性-----------------------------------23

7激光融覆设备CCD的种类、特点讲解

7激光融覆设备CCD的种类、特点目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。

线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。

这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。

矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。

通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。

一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。

典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。

这两种排列方式成像的原理都是一样的。

在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。

该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。

这就是大多数数码相机CCD的成像原理。

因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。

CMOS互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。

CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

除了CCD和CMOS之外，还有富士公司独家推出的SUPER CCD，SUPER CCD并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。

将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。

CCD与CIS扫描仪如何选

目前，彩色扫描仪已成为市场的主流，它能够很真实地还原原稿图像的品质。

通过彩色扫描仪扫描得到的数字图像，可以看到不论是形状还是色彩，扫描得到的图像都很好地保持了原稿的品质。

一般来讲，扫描仪扫描图像的方式大至有三种，以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描，即我们看到CCD扫描；以接触式图像传感器CIS(或LIDE) 为光电转换元件的的扫描，即CIS扫描；最后一种就是以光电倍增管(PMT)为光电转换元件的扫描。

下面，小编将给大家讲述与我们接触得最多的CCD与CIS扫描的特点与区别。

CCD扫描多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。

其形状像小型化的复印机，在上盖板的下面是放置原稿的稿台玻璃。

扫描时，将扫描原稿朝下放置到稿台玻璃上，然后将上盖盖好，接收到计算机的扫描指令后，即对图像原稿进行扫描，实施对图像信息的输入。

与数字相机类似，在图像扫描仪中，也使用CCD作图像传感器。

但不同的是，数字相机使用的是二维平面传感器，成像时将光图像转换成电信号，而图像扫描仪的CCD是一种线性CCD，即一维图像传感器。

扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10 μm。

光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。

CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电流，经A/D转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。

同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。

如图6所示。

CCD图像传感器是平板式扫描仪的核心，其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号。

将CCD图像传感器放大，可以发现在10μm的间隔上并行排列着数千个CCD图像单元，这些图像单元规则地排成一线，当光线照射到图像传感器的感光面上时，每个CCD 图像单元都接受照射其上的光线，并根据感应到的光线强弱，产生相应的电荷。

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书刊扫描仪矩阵型CCD和线形CCD传感器的比较分析
CCD技术是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的，最早的CCD设计都是线性排列的，成像质量很差。

进入80年代，CCD影像传感器虽然有缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。

到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。

进入2000年，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面积也越来越小，美国柯达制造出了世界第一块矩阵型CCD,但是由于工艺复杂无法制造出大面积的矩阵式CCD。

2008年首次在航空领域使用的真彩色矩阵型CCD技术制造的高清影像采集器。

这也是CCD技术里程碑式的发展，终于制造出了真彩色巨幅真彩色矩阵式CCD。

但当时巨幅真彩色矩阵式CCD制造工艺复杂，价格高昂，主要是应用在航空航天和工业领域。

由于线性CCD价格低廉，目前最高分辨率的线性CCD采集器在1000元/条，所以市场上大部分的扫描仪品牌如：虹光Avision、康泰克斯Contex、Cruse、爱普生Epson、Fujitsu、plustek等都是使用的传统线性CCD技术。

目前使用矩阵型CCD的扫描仪产品多以高端非接触式书刊古籍扫描仪产品。

目前扫描仪市场使用矩阵式CCD主要分为：小面积矩阵式CCD、RGB单色矩阵式CCD、全幅真彩色矩阵式CCD三种。

1、小面积矩阵式CCD：一个画幅需要扫描多次进行软件拼接完成。

出错率高，一般使用在低端书刊扫描仪产品上，比如日本柯尼卡没能达的ps7000、
ps5000系列。

2、RGB单色矩阵式CCD：扫描彩色文件需要扫描多次才能完成。

扫描速度较慢，一般使用在中低端矩阵式书刊扫描仪上，比如法国的i2s书刊扫描仪。

3、全幅真彩色矩阵式CCD：全彩色点对点扫描技术，完美图像还原。

扫描速度快，彩色扫描只需0.3秒，全彩色处理器价格较高，一般应用在高端非接触式扫描设备上。

比如德国book2net书刊案卷扫描仪系列。

随着工业级高端CCD的民用化，使用工业级全幅真彩色矩阵式CCD来制作扫描仪。

这种全新的设计大大提高了扫描仪的扫描速度(A2 400dpi 彩色0.3秒),这比使用传统线性ccd的书刊扫描仪和RGB单色矩阵扫描仪速度快了3倍。

真彩
色矩阵式书刊扫描仪是一次性点对点扫描成像这样使扫描图像整体还原更好，做到图像零失真。

而且真彩色矩阵式扫描一次性点对点的扫描方式不用和线性或者RGB单色矩阵扫描仪一样需要走动逐行（多次）扫描，减少了传动机构，使书刊扫描仪的耐用性大大的增加了，并且减少了线性扫描设备的光线污染，降低数字化过程对珍贵资料的损坏。

矩阵式CCD的使用寿命是3亿页以上，更加适合大量的古籍案卷扫描工作。

传统线形CCD扫描仪
传统扫描仪使白色光线逐行扫描文档，利用线性CCD传感器来捕捉RGB三色，影像通过镜头，然后再呈现到线性CCD传感器上，光源和线形CCD同步移动，图像通过镜片反射到CCD中，最后完成数字成像。

在书刊扫描仪中，通常采用线形CCD、镜头系统和旋转镜组扫描方式来模拟对象的移动，从而采集扫描结果。

在扫描过程中，线性CCD传感器会按照红、绿、蓝线的顺序来捕捉原件中的信息。

当CCD处理器把这些线条转换成正确的顺序后，逐行拼接最后完成整体图像。

虽然目前线性扫描仪的生产工艺已经比较成熟，但线性ccd的扫描设备在扫描过程中ccd和光源需要来回移动，这就对传动系统有很高的润滑要求，一但在移动中出现波动就会出现图像的失真和水波纹现象。

尤其是在扫描年代久远的档案古籍工作中，环境粉尘较大，对ccd轨道润滑影响很大。

逐行光线对珍贵介质表面和加工人员的眼睛也会造成一定的伤害。

矩阵型CCD传感器组件
矩阵型CCD传感器组件使用的是由非常小的像素所组成的面性CCD。

他的采集方式是点对点真彩色一次性采集。

真彩色矩阵式CCD传感器可以将原件表面单一像素光信号转换为电信号，采集速度瞬间完成。

通常高精度下600dpi扫描A2整幅彩色图像只需要0.3秒。

因为图像采集是整体一次性完成，所以图像采集色彩还原更佳。

颜色过滤器为红、绿、蓝三个连续行CCD元素提供了一个非常高的色彩饱和度,图像整体采集。

高质量的真彩色矩阵CCD所拥有的像素尺寸相当大，10μm×10μm大小是一个典型的像素尺寸值。

更大的像素尺寸可以帮助减少噪点和其他一些可能对成像质量所造成的影响。

下面的图表显示了矩阵型CCD传感器是如何生成的。

总结：真彩色矩阵式CCD在数字化扫描领域比传统的线性CCD，不论是在扫描速度，还是扫描效果都有着很大的优势。

随着CCD生产工艺的进一步提高，真彩色矩阵式CCD的制造成本会进一步降低，真彩色矩阵式CCD替代线性CCD全面进入民用级扫描仪的时代将会不远。

更加完美的图像质量、更高效率的扫描设备将推动我们的数字化大潮更进一步。