ccd和cmos是什么，ccdcmos 图像传感器基础与应用

ccd和cmos是什么

CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器是用于获取数字图像的两种不同器件。

两者都有独特的优点和缺点，在不同的应用中具有各自的优势。

CCD和CMOS成像均依靠光电效应从光产生电信号，两种类型的成像元件原理都是将光转换成电荷并将其处理成电子信号。

在CCD传感器中，每个像素的电荷都通过数量非常有限的输出节点（通常只有一个）传输，然后转换为电压，进行缓冲并作为模拟信号在芯片外发送。

所有像素均可用于光捕获，并且输出的均匀性（图像质量的关键因素）很高。

在CMOS传感器中，每个像素都有其自己的电荷到电压的转换，并且该传感器通常还包括放大器，噪声校正和数字化电路，以便芯片输出数字信号。

这些其他功能（较CCD而言）增加了设计复杂度，并减少了可用于捕获光的面积。

每个像素进行转换时，均匀度会降低。

CCD和CMOS成像器都是在1960年代末和1970年代发明的。

CCD在一开始占主导地位，主要是因为它们可以利用已有的制造技术提供出色的图像。

CMOS图像传感器需要更高的一致性和更小制造工艺，而当时的晶圆代工厂无法提供。

ccdcmos 图像传感器基础与应用

CCD和CMOS是两种常见的图像传感器，它们都是用于将光线转换为电信号的设备。CCD（Charge-coupleddevice）是一种使用光电效应将光转换为电信号的器件，它将电荷传输到输出端，而CMOS（Complementarymetal-oxide-semiconductor）则是一种使用PN结构将光转换为电信号的器件，其输出信号是由多个晶体管组成的。

CCD和CMOS的优缺点

CCD的优缺点

CCD传感器的优点是它能够提供高质量的图像，因为它可以在图像传感器上捕捉到更多的光线。此外，CCD传感器的噪声水平很低，因为它们不需要放大信号。这意味着CCD传感器可以提供更高的信噪比，从而产生更清晰的图像。CCD传感器的缺点是它们需要更多的功率来运行，因为它们需要更多的电荷传输。此外，CCD传感器的价格相对较高。

CMOS的优缺点

CMOS传感器的优点是它们消耗的功率比CCD传感器少得多，因为它们使用的是晶体管，而不是电荷传输。此外，CMOS传感器的价格相对较低，因为它们可以使用标准CMOS工艺制造。CMOS传感器的缺点是它们的图像质量较差，因为它们不能捕捉到像CCD传感器那样多的光线。此外，CMOS传感器的噪声水平较高，因为它们需要放大信号。

CCD和CMOS的应用场景

CCD的应用场景

CCD传感器通常用于需要高质量图像的应用，例如高端数码相机、天文望远镜和显微镜。此外，CCD传感器还用于机器视觉应用，例如自动化检测和机器人视觉。

CMOS的应用场景

CMOS传感器通常用于需要低功耗和低成本的应用，例如手机摄像头、网络摄像头和安防摄像头。此外，CMOS传感器还用于医疗成像和工业检测等应用。

显微镜上的ccd

CCD技术与CMOS技术的概念与区别

CCD（The Charged Coupled Device即电荷耦合器件)是最常用的感光器件，被广泛应用于扫描仪、数码相机、数码摄像机等产品。CCD器件通过光电效应收集电荷，每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟移位寄存器上，然后串行转换为电压。大多数硅片面积用于光线的收集，光线收集得越多释放的电荷越多。在设计中，CCD器件要有极高的信噪比、感光灵敏度和良好的动态范围。要实现这一目标，需要专门处理器、高电压、多重电源和偏置以及像素点的紧密排列，以构成高分辨率的阵列。CCD生产过程复杂、产量低、成品率底，导致了高成本，因此CCD器件十分昂贵。

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体)器件是一种可大规模生产的集成电路，具有成品率高、价格低等特点，相对于CCD而言，CMOS器件技术有一些明显的特点：

1、集成度高

CMOS器件几乎可以将相机所需的全部捕获功能集成到一块芯片上， 因为CMOS器件成像元件尺寸更小，可以有更多地方放置电路，它甚至可以将模数转换控制芯片集成在一起，图像数据不必在迷宫般的电路中被传来送去，因此极大地提高了捕获速度。而且CMOS器件更加省电，其功耗仅相当于CCD的1/8。

2、有价格优廉

CMOS器件结构简单，从而成品率高，制造成本低。这样CMOS器件价格上就比CCD有了优势。当前只有索尼、富士等五家大公司能生产CCD。但是，对于CMOS器件，任何有0.35微米技术的企业都可生产，竞争将使价格下降。目前30万像素的CMOS传感器已降到20美元左右,比CCD便宜，而在百万级像素市场上，价格也将很快会降下来。

3、相对的缺点

相对于CCD器件来说，CMOS器件也有它的缺点，对光线的灵敏度不好，信噪比也很低，这导致了其在成像质量上难以与CCD抗衡。但新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CMOS器件已经出现，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，还有的技术在每一像素上放一个ADC，降低了噪声。主动像素传感器(APS)技术提高了信噪比和影像效率，并接近了CCD的成像质量。当然，CMOS器件目前还不能在高端数码相机上与CCD竞争。但是在消费级数码相机市场上，CMOS器件已经开始成熟，并且将在未来数年内成为数码相机低端市场的主导技术。

CCD技术：保证影像杰出

CCD（Charge Coupled Device）--电荷耦合器件，是由美国贝尔实验室于1969年发明的。和PMT（Photo Multiplier Tube）--光学倍增管一样,它们都是很成功的电子影像感应器，又称为光学感应器。CCD与PMT现已广泛应用在诸多科学产品上，如传真机、 扫描仪、天文望远镜等。而CCD则更多地应用于数码相机、摄像机等一些小型化的产品上。传统CCD的工作原理就像一台复印机，利用高亮度的光源，将稿件依次经过反射镜、投射镜和分光镜，反射在CCD元件上。CCD的结构可以形象比喻为一个正在旋转的巨大的走马灯，灯上并排排列着许多窗口，按照一定的顺序，测量某一时间段内从每个窗口进入的光。早期的CCD基本上是隔行扫描的，所以图像精度不高。现在一般都是逐行扫描，从而保证了较高的分辨率。CCD体积虽只有硬币大小，却非常耐用。

采用CCD技术的传感器总体分为两大类，分别是通用型CCD传感器和特殊型CCD传感器。

硅片与专业大尺寸CCD传感器组件 通用型CCD传感器，在CCD摄像机方面有了较大的发展。最初CCD摄像机的工作电压，有+24V、+22V、+12V和+5V等多种。随着计算机和网络技术的高速发展，为与PC摄像机和网络图形传输相配合，现在一般分为+12V与+5V两种工作电压，其中通用工作电压为+12V。为了降低CCD摄像机的成本，并且提高质量，现在许多生产厂家都在致力于CCD摄像机的小型化和数字化。多层板多芯片集成模块化的制造技术，实现了CCD摄像机的小型化。而DSP数字化处理替代模拟系统的实现，也使CCD摄像机的数字化成为现实。同时CCD摄像机的产品也日趋多样化，如家庭摄录一体机、电视电话、扫描仪、PDA、数码单反相机(DSC)等都在逐渐为人们所熟知。特殊型CCD传感器的主要产品有电子轰击式CCD和EBCD等。

CCD应用：保证性能稳定

伴随着计算机的广泛普及，PC摄像头作为计算机的图像输入系统，也在飞速进入各个家庭。而且借助网络，也能实现视频及音频的同步通讯。

扫描仪技术的迅猛发展，使得扫描仪的性能日趋优化，但价格却越来越低，使扫描仪真正进入了寻常百姓的家庭。越来越多的用户在购买计算机的时候，将扫描仪作为标准配置。扫描仪的广泛使用，提高了各种资料和图表的输入速度，通过互联网也实现了资料的共享。

数码单反相机作为近年来发展起来的新产品, 是一种新型图像捕捉设备。数码相机使用CCD光敏器件代替胶卷感光成像，其原理就是CCD元件的光电效应。在数码相机中，当光线透过镜头传送到CCD后，CCD会将其转换为电子信号，再由A/D转换器变为数字信号，传到DSP上，最后存储于记录媒体中。这其中，CCD起了非常重要的作用。CCD是数码相机的核心部件，也是其中最昂贵的部件，因为CCD的成本决定了数码相机的价格。而光敏器件中CCD元件的数量，决定了数码相机的关键性能--分辨率。不同品牌的数码相机在技术上存在许多差异，如索尼、富士、奥林巴斯等均有不同的表现。

高清晰的数码相机，不断需要CCD有更多并且更小的像素点。鉴于此，索尼已开发1/2英寸光学系统的隔行CCD，以期达到业界最高水准的性能。同时用户也对CCD的分辨率、感光度（ISO）、信噪比等提出了更高的要求。正是在这种环境下，富士胶片公司推出了其独自研发的新型CCD--"超级"CCD。

从70年代发明了CCD到现今，随着技术的发展，CCD已经由最初的隔行扫描，分辨率低，图像精度不高，发展到现在的逐行扫描，分辨率达到1200dpi，甚至可以达到3000 dpi。而且，色彩还原日渐丰富，图像精度不断提高。应用CCD技术的相关产品也在快速发展。现在，大部分影像产品都采用CCD技术，这也从侧面反映它在日渐完善和成熟。

CCD技术的新发展——超级CCD技术

原则上，CCD精度越高，拍摄精度越高。同时它也是划分数码相机档次的核心标准。传统的CCD技术采用矩形光敏器件横竖规则排列的方式，在保持一定灵敏度和信噪比的前提下，如果要提高分辨率只能再增加CCD的面积，将造成数码相机制造成本的急剧上升。于是富士公司便开始在CCD的技术上下功夫。

富士的工程师发现，在我们的眼睛里，光线通过角膜和晶状体在视网膜上形成影像，影像被转化为神经信号后，经视神经传送到大脑。当大脑识别了这些信息，我们就称之为视觉。数码相机的光学系统与人眼的结构十分相似，镜头的作用就像眼球，CCD就像视网膜，而LSI信号处理器起着大脑的作用。受此启发，研究人员对人眼视网膜的空间解像力特性进行了反复研究，最终产生了超级CCD技术。我们来看看超级CCD技术的特点。

提高了感光度、信噪比和动态范围 传统CCD里的每个像素都是由一个光电二极管、一个控制信号通路和一个电荷传输通路组成。由于光电二极管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商们尽管不断地增加像素以提高影像质量，同时缩小了像素和光电二极管面积，但光吸收的低效率成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一个障碍，每个光电二极管都是矩形，而其上面的微透镜则是圆形的———不同的形状必然会降低光吸收效率。

超级CCD采用了一个较好的解决方法：它的像素都按45°角排列以形成一个蜂窝的图形。控制信号通路被取消了，为光电二极管留出更多的空间。光电二极管是八角形的，非常接近微透镜的圆形，因此可以更有效地吸收光。超级CCD把无助于影像记录的空间减少到最低限度，集光效率大大提高，感光度和信噪比也得到提高，动态范围得以扩大。

水平和垂直分辨率得到提高 对人类视觉的全面研究表明，图像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴上，最低的功率在45°对角线上，这个效应是由地心引力以及其他因素造成的。这与影像传感器的最终效果有着明确的关系———水平轴和垂直轴上是提高分辨率的关键，而对角线上高频特性的损失对影像质量几乎没有影响。

这就是超级CCD的设计思想——把处于45°角的像素以蜂窝形式排列。除提高封装密度外，还提高了水平及垂直分辨率，因此它更符合人类视觉的特点。另一个重要因素是有一个专为蜂窝形结构开发的LSI信号处理器。超级CCD和新的信号处理器一起工作，把有效分辨率在原先的水平上提高60％。这就是说只有190万像素的超级CCD，其性能就相当于有300万像素的普通CCD。

水平跳跃读出 虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量，但由于竖直线条读出速度太慢，传统CCD还必须在视频输出时采用跳跃读出方式。而且传统CCD水平方向的像素中只有两种颜色，必须读出两行数据才能形成彩色。超级CCD每行像素中则包含RGB三种颜色，除了以1/2或其他比率进行垂直跳跃读出外，还可以进行水平1／3跳跃读出，可以获得高质量的30帧／秒视频输出。

简单的电子快门 传统CCD中，为了防止相邻像素间的电荷混淆，需要三层聚合物涂层来分隔每个像素单元，这种复杂的结构制造起来会很困难。因此，通常都是用机械快门来代替分隔结构，分两次读出像素的数据。而超级CCD的电荷通道更加宽阔，能够高速传输数据，因此所有像素的数据可以一次读出，只要简单的电子快门就够了。它具有进行快速精确连续拍摄的潜能。

我们可以通过下面列举的数据来证明超级CCD技术在数字影像技术方面的发展：分辨率，与新的LSI信号处理器一起工作，超级CCD的有效分辨率比普通CCD高60％；感光度、信噪比、动态范围，加大的光电二极管和效率更高的光吸收性能，使这些指标在300万像素时提高了130％，而且高光部分层次更加丰富；彩色还原，由于信噪比提高，并且有了专为蜂窝结构设计的LSI信号处理器，彩色还原能力提高了50％。

超级CCD给数码影响的发展和普及带来了新的挑战和机遇。首推这项技术的富士公司更是不遗余力将超级CCD技术应用最新的产品上。目前，富士公司已经推出了第二代超级CCD传感器，在最新推出的FinePix 6800 zoom上就应用了这块芯片。它具有330万像素传感器，最高可以获得2832×2128像素的图像文件。FP6800拥有3倍光学变焦的超级EBC非球面镜头。它同时具有摄像头、视频录像功能，能捕获长达160秒的AVI视频画面，还可以作为数码录音机录制60分钟的音频。

CCD技术：面临众多挑战

随着CCD技术的不断提高，近年来提出了一种超级CCD技术。超级CCD技术与普通CCD技术的关键区别是，普通CCD技术采用的是普通的矩型光电二极管，而超级CCD技术使用的是八角形光电二极管，且采用了像素的45°蜂窝式排列。八角形光电二极管因其更接近微透的圆形，从而具有更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高，使CCD的感光度有了大幅的提高，所以超级CCD技术比普通CCD技术更具有优势。

PMT（Photo Multiplier Tube）——光学倍增管是最早出现的电子感应器。它内置多个电极，将进入的光线转化为强大的电子讯号。PMT经常应用于出版行业的扫描仪和其他行业的分析仪上。

CMOS技术于1998年后开始应用在电子感应器及数码相机领域。第一代的CMOS原理相对简单，品质也较低。2000年5月，美国Omnivision公司推出了最新的CMOS芯片。新一代的CMOS芯片灵敏度、信噪比、动态范围等主要性能指标，均比第一代芯片有显著提高。CMOS价格低廉，外围电路简单，因此许多业内人士推测，CMOS取代CCD的时代不远了。

CIS接触式图像传感器则是另外一种光电转换器件。它采用发光二极管作为光源和感光元件，直接接触在稿件表面读取图像数据。CIS结构简单，通常只用于扫描仪。

PMT、CCD、CMOS、CIS是目前最流行的电子感光元件。随着其他三种技术的日臻完善，CCD会在图像成像领域受到更大的挑战。

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