ccd图像传感器基础知识解析
CCD基础知识
现以A-A截面的电极为例进行分析。很显然，它相似于移位寄存器中 的一个传输单元。如果在电极a1’、Z、a1上分别加上电压Ua’、Uz、 Ua，它们的波形如图。则对应于t0、t1、t2时刻的势阱波形同样可以得 到。如图。
d像素尺寸大能够更多地接收光子不容易饱和e对于高精密测量应尽量使用整个像素面积都感光的芯片f使用多通道传输的芯片能提高传输速度g使用3ccd技术的彩色相机色彩更真实ccdcmos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ccd与cmos比较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功耗比需外加电压功耗高直接放大功耗低90年代初cmos传感器开始被部分市场所采纳一个重要原因就是它可以在同一个芯片上集成各种信号和图象处理模块如运放器adcs彩色处理和数据压缩电路标准tv和计算机io接口形成一个单片集成数字成象系统
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
CCD光敏元显微照片
CCD图像传感器的分类
1. 线阵CCD外形
2.面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。
目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能 生产的产品的单元数也越来越多，已达 1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的 面型CCD图像传感器。
面阵列CCD摄象器件
二维固体摄象器件中，电荷包转移情 况与线阵列器件类似，只是它的形式 较多。有的结构简单，但摄象质量不 好，有的摄象质量好些，但驱动电路 复杂，目前比较常用的形式是帧转移 结构。
光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其 作用是光电变换和在自扫描正程时间 内进行光积分，暂存区是由遮光的 CCD构成的，它的位数和光敏区一一 对应，其作用是在自扫描逆程时间内， 迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移 到它里面暂存起来。
CCD基本原理解析
Si O2
N＋
1
2
62
63
64
P型衬底
CCD芯片的构造
每个光敏元（像 素）对应有三个相 邻的转移栅电极1、 2、3,所有电极彼 此间离得足够近,以 保证使硅表面的耗 尽区和电荷的势阱 耦合及电荷转移。 所有的1电极相连 并施加时钟脉冲 φ1,所有的2、3也 是如此,并施加时钟 脉冲φ2、φ3。这 三个时钟脉冲在时 序上相互交迭。
水平读出寄存器（遮光） 帧转移面阵CCD结构图
帧转移面阵CCD工作过程
优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。 缺点：需要面积较大大暂存区。
光敏区
隔列转移面阵CCD结构图
隔列转移面阵CCD工作过程
优：转移效率大大提高。 缺：结构较为复杂。
面阵CCD同时曝光整个图 像
常用面阵CCD尺寸系列
光学系统
CCD
图像处理
一、CCD传感器的基本原理
CCD的最基本单元
MOS电容器是构成CCD 的最基本单元是，它是 金属—氧化物—半导体 （MOS）器件中结构最 为简单的。
金属电极 氧化物
半导体
MOS电容器
1、信号电荷的产生
CCD 工 作 过 程 的 第 一 步 是 电 荷 的 产 生 。 CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据 的是半导体的内光电效应（也就是光生伏特效 应）。
当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅 衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随
正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）
被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中
Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅 衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流 子为空穴。
Gi 输入
N＋
CCD常用知识总结
CCD 常用知识总结随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为阻碍CCD进一步发展的障碍。
噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N （Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。
随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。
为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态范围与噪声间的联系）。
CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。
噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。
CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。
CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD 动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。
（选自《CCD降噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）CCD的发展现状CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家W.S.Boyle与G.E.Smith提出，1970年在贝尔实验室制造成功。
它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为一种最常见的图像传感器。
自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。
国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。
二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。
目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。
CCD图像传感器
CCD图像传感器激光位移计-CCD的工作原理与应用(初稿)CCD,Charge Coupled Devices,电荷耦合器件～是70年代初发展起来的新型半导体器件。
它由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith于1970年首先提出～在经历了一段时间的研究之后～建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD基本理论。
几十年来～CCD的研究取得了惊人的进展～特别是在像感器应用方面发展迅速～已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃～最富有成果的新兴领域之一。
实验目的1、了解二相线阵CCD的基本工作原理2、了解二相线阵CCD驱动信号时序3、了解线阵CCD在位移测量中的应用方法实验仪器1. CCD激光位移计2. 数字示波器准备好坐标纸、铅笔和直尺～也可用相机。
实验原理1( CCD的基本结构电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号～而不同于其它大多pseudonym Ding Bingcheng), to Jiangsu and Zhejiang in Taihu Lake area opened work, towards armed, carried out guerrilla race. 4 people such as Ding Bingcheng took Zhang Yan, Zhou Fen, from Shanghai, Zhao Anmin troopsstationed at the border of Jiangsu and Zhejiang. Ding Bingcheng reach dual-COR, and "anti-" established contact of Communist Party members, when the Kuomintang military Committee in Jiangsu, Zhejiang and Deputy Commander of the Brigade in Taihu Lake and Qian Kangmin, Director of the Department of the Commission (CPC) accompanied by consultations with Commander Zhao Anmin placement I was personnel related issues. Qian Kangmin efforts, Zhao Anmin also agreed to subordinate Gong Shengxiang Brigade guns to form a band in Taihu Lake. Qian Kangmin hired a boat to bring Gong Shengxiang, together with Zhang Yan start, boats to crossnear the fan, was seized by Cheng Wanjun. After Cheng Buzheng Jin Lu Wang, Director of training helps releasing personnel, but the weapon lost. Is autumn, Ding Bingcheng Wujiang was ordered to open up again,its task is: towards reconstruction guerrillas, Communist-led team.Along with Liu Zirong (Liu), Zhang Yan (Liu), huada busy (Chen Zhengzhi), Yu Zhe (Zhou Fen), Ye Chu Xiao (Lu Qiusheng), Henry (nandeqin), "anti-" players. Flat looking men Shen Yuezhen as a guide. Shen Yuezhen Ding Bingcheng single leader, Shen Yuezhen specializing in intelligence work, in September, through Mao Xiaocen served as the KMT's County Clerk, Shen Yuezhen after entering the County, deftly juggling between elites, was Chang Shen Liqun, who appreciated, has created favorable conditions for gathering intelligence. Meanwhile, Shen Yuezhen introduce jindapeng (Kanewaka Wang), xiaoxin was joined the "resistance", also activelydoing the standing political instructor Yu Qingzhi Shen Wenchao, Secretary of Justice and County Government数器件是以电流或者电压为信号。
CCD参数的基础知识
CCD参数的基础知识CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于图像传感器的技术，被广泛应用于数码相机、摄像机以及其他光学设备中。
CCD参数是指影响图像质量和性能的一系列参数，了解这些参数对于选择和使用CCD设备至关重要。
本文将介绍CCD参数的基础知识，包括感光元件尺寸、像素数量、动态范围、噪声水平等。
1.感光元件尺寸：感光元件尺寸是指CCD芯片上感光元件的物理尺寸，通常以英寸（inch）为单位。
感光元件尺寸越大，可以捕捉到的光线越多，图像质量也越好。
常见的CCD感光元件尺寸有1/2.3英寸、1/1.8英寸、APS-C（1.5英寸）等。
2.像素数量：像素数量是指CCD芯片上感光元件的数量，也就是图像的分辨率。
像素数量越多，图像细节表现越清晰。
常见的CCD像素数量有100万像素、200万像素、1200万像素等。
3.动态范围：动态范围是指CCD芯片能够捕捉到的亮度范围。
动态范围越大，CCD可以同时捕捉到明亮和暗部的细节，图像的对比度和细节丰富度都会更好。
动态范围通常以dB（分贝）为单位表示。
4.噪声水平：噪声是CCD芯片产生的非图像信号，可以分为暗噪声和亮噪声。
暗噪声是指在低光条件下，CCD芯片自身产生的噪声；亮噪声是指在高光条件下，CCD芯片产生的噪声。
噪声水平越低，图像质量越好。
常见的噪声水平有e-（电子）/pixel、dB（分贝）等。
5.曝光时间：曝光时间是指CCD感光元件接收光线的时间长度。
曝光时间越长，CCD可以接收到更多的光线，图像亮度越高。
曝光时间通常以秒为单位。
6.帧率：帧率是指CCD设备每秒处理的图像帧数。
帧率越高，CCD设备可以更快地捕捉连续的图像，适用于快速移动的物体拍摄。
帧率通常以fps（帧/秒）为单位。
7.信噪比：信噪比是指CCD芯片输出信号与噪声之间的比值。
信噪比越高，CCD 输出的图像信号越清晰，噪声干扰越小。
信噪比通常以dB（分贝）为单位。
8.动态响应：动态响应是指CCD芯片对不同亮度的光线变化的反应能力。
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图像传感器的原理
ccd图像传感器的原理
CCD图像传感器是一种基于电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的光学传感技术。
其原理是利用PN结以及电荷耦合
的原理将光信号转换为电荷信号，并通过逐行读取的方式将这些电荷信号转换为数字图像。
当一个光子击中CCD图像传感器上的感光表面时，它会激发
感光表面上的电子，并将它们转换成电荷信号。
这些电荷信号会被储存在电荷耦合器件中的位势阱中，由于耦合电介质介导电耦合效应，使电荷可以在电荷耦合器件中进行传输。
在图像采集过程中，电荷信号会被逐行读取。
首先，所有的电荷信号都会被传输到传感器芯片的顶部电荷传输区域。
然后，通过逐行读取的方式，将每行中的电荷信号传输到图像信号处理电路中进行进一步处理。
在逐行读取的过程中，每行的电荷信号会根据时钟脉冲的控制，被顺序地传输到图像信号处理电路中。
在图像信号处理电路中，电荷信号会被放大、调整和数字化，最终形成完整的数字图像。
CCD图像传感器具有高灵敏度、高动态范围和低噪声等优点，因此广泛应用于数码相机、摄像机、望远镜等领域。
它的原理基于光电效应和电荷耦合效应，为数字图像采集和处理提供了高质量的解决方案。
CCD图像传感器
CCD系统信噪比
信噪比（ Signal to Noise Ratio ）
-衡量信号及噪音的关系
-表征检测的限度（灵敏度）
噪音常常表现在电子元件 传输或接收信号的时候
CCD像素指标-填充因子
填充因子（ Fill Factor ）-CCD实际感光面积占像素 面积的比值
理想值-100% 实际值-30%（隔行传 输式CCD） 通过微型镜头 （Microlenses）改善 （但微型镜头的应用 会影响紫外光的检测） 填充因子是影响灵敏 度的一个因数
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CCD摄像机的数字化
在制造CCD摄像机时，从以往的Analog 模拟系统逐步实现DSP数位化处理，可以借 助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄 像机，特别是对彩色CCD摄像机的各种参数 的量化调整，可以确保CCD摄像机性能指标 的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数 量化修改。
ＣＣＤ传感器有以下优点：
功耗
在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、 +17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合 PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以 +12V和+5V两种工作电压为主。
提高CCD摄像机的制造效率
为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动 化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄 像机的小型化，即由Dip On Board（DOB）过锡板 工艺改进为Chip On Board（COB）板上连接IC芯 片的贴片方式。到目前为止，已实现多层板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模组化制造技术。
CCD传感器是一种特殊的半导体材料，由大量独 立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当
于传统相机的胶卷。
目前，CCD的种类有很多，其中面阵型CCD是主要 应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成 的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光 二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的 CCD传感器。
CCD传感器技术 发展的五个趋势
CCD传感器的像面尺寸向集
成化各轻量化方向的发展:
由于制造CCD传感器的硅片和加工成 本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上 光刻出更多的CCD传感器芯片；以由于光刻 机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的 特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3 英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展在1993 年，1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4 英寸的CCD传感器占总产量的10%;1/3英寸 的CCD传感器占总产量的85%。。
CCD传感器的成像原理是使用感光二极 管将光线转换为电荷，当拍摄者对焦完毕按 下快门的时候，光线通过打开的快门（目前 消费级数码相机基本都是采用电子快门）透 过马赛克色块射入在CCD图像传感器上，感 光二极管在接受光子的撞击后释放电子，所 产生电子的数目与该感光二极管感应到的光 成正比。
当本次曝光结束之后，每个感光二极管上含 有不同数量的电子，而我们在显示器上面看 到的数码图像就是通过电子数量的多与少来 进行表示和储存，然后控制电路从CCD中读 取图像，进行红R、绿G和蓝B三原色合成， 并且放大和将其数字化，这些数字信号被存 入数码相机的缓存内，最后写入相机的移动 存储介质完成数码相片的拍摄 。
CCD传感器向高素数、多制式发展
各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但 其像素数在增加，已由早期的512（H） ×596(V)向795（H）×596（V）发展,甚至 出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水 平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的 隔行扫描向逐行扫描格式发展。
降低CCD传感器的工作电压、减少
ＣＣＤ图ห้องสมุดไป่ตู้传感器
---------------------------------Charged Coupled Device (电荷藕合器件图像传感器)
CCD传感器概论
电子耦合组件即charged
coupled device，它 就像传统相机的底片一样的感光系统，是感 应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗 颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方， 当光线与图像从镜头透过、投射到ccd表面时， ccd就会产生电流，将感应到的内容转换成数 码资料储存在相机内部的闪速存储器或内置 硬盘卡内。ccd像素数目越多、单一像素尺寸 越大，收集到的图像就会越清晰。
3. 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦 测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围， 不因亮度差异大而造成信号反差现象。
4. 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源 强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯 不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效 率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光 照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器， 即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；
CCD图像传感器的组成
第一层，微镜头； 第二层，滤色片； 第三层，感光元件. CCD图像传感器的每一个感光元件由一个光电 二极管和控制相邻电荷的存储单元组成光电管当然 是捕捉光子用的，它将光子转化成电子，收集到的 光线越强产生的电子数量就越多，电子信号强了当 然就越容易被记录而越不容易丢失，图像细节就更 丰富了。
在1997年，在总产量比1993年增200% 以上的情况下，1/2英寸的CCD传感器仍有很 大发展，已占总产量的15%（1/2英寸由于靶 面较大仍有许多场合需要，尤其在科研领域 中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机）； 1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是 说，1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很 大增长。
CCD传感器有两种
第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平 面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、 EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、 4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫 外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→814um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商 业化产品,并广泛应用于各个领域。 第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较 大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。
1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为 μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从 早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸， 像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万 像素； 2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很 低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比 （SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光 也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用 较不受天候拘束；