ccd图像传感器原理 CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

发布时间：2024-10-06 16:10:55

CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

维纳德 • 波利（左）和乔治 • 史密斯（右）在1969年发明了CCD技术

来源：文献[1]

2009年，维纳德 • 波利（Willard S. Boyle）和乔治 • 史密斯（George E. Smith）因为发明CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件，或称为CCD图像传感器）而获得当年的诺贝尔物理学奖。

诺贝尔奖委员会主席约瑟夫·诺德格伦（Joseph Nordgren）在宣布该奖项的新闻发布会上说：“当今社会的记录影像的方式完全基于CCD的研究。” “这项研究的实际意义是巨大的……它改变了我们的生活，不仅在科学领域，而且在整个社会领域。”

胶片时代

在1975年数码相机发明以前，人们记录影像的方式是使用胶片。它的工作过程可以概述为：光线经过照相机镜头，然后由快门的速度来决定曝光量的多少。光线使胶片上的银盐产生化学反应，最后在胶片上生成影像的潜影。经过暗房里的冲洗形成影像并制成底片。利用调配将底片显影最终印出。

胶片摄影需要经过复杂的处理才能得到影像

[图片来源自网络]

CCD的发明

1969年10月，史密斯和波利在贝尔实验室吃午餐时，讨论产生了灵感。午餐后继续探讨，当天就构想出了CCD这个无处不在的成像发明。不过，从造出样机到研制出科学家和摄影师都可以使用的实用技术，这条路漫长而艰难。尽管CCD后来主宰了天文学领域，但它在刚发明时分辨率非常低，根本派不上实际用场。当时CCD的信噪比很差，不大容易看得出它是否会有远大的前程。

第一个CCD器件

来源：文献[4]

第一个CCD集成器件

来源：文献[4]

早期的线性成像CCD

来源：文献[4]

在接下来的时间里，成百上千的科学家和工程师努力奋斗，逐步将CCD推向实用化，包括美国的仙童(Fairchild)、柯达泰克(Tektronix)和德州仪器(Texas Instruments，TI)，以及日本的夏普(Sharp)、索尼(SONY)、东芝(Toshiba)和日本电气(NEC)等公司都作出了许多贡献。航天、科学和消费等方面的应用，都得益于为解决CCD问题而从不同渠道投入的经费，但是问题还是很棘手，那是一条非常艰苦的发展之路。

CCD的原理

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)。像素数越高,面积越大,成像质量就越高越清晰。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号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相邻的图像处理器来形成图像。

MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

MOS电容器

来源：文献[4]

CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测：

（1）信号电荷的注入（产生）：在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。

背照式光注入

来源：文献[8]

所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入常用的有电流注入和电压注入两种方式。

电注入方式

来源：文献[8]

（2）信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

当向SiO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，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。

电荷存储

来源：文献[8]

（3）信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

电荷转移

来源：文献[7]

三相CCD中电荷的转移方式

(a）初始状态；(b) 电荷由①电极向②电极转移；(c) 电荷在①、②电极下均匀分布；(d) 电荷继续由①电极向②电极转移；(e) 电荷完全转移到②电极；(f) 三相交叠脉冲

来源：文献[8]

（4）信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

其中电荷输出类型，主要有三种：1）电流输出；2）浮置栅放大器输出；3）浮置扩散放大器输出。

电荷检测电路

来源：文献[8]

CCD工作过程示意图

来源：文献[6]

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。 在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。

按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。

线阵CCD每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。线阵CCD又分为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD。

单沟道线阵CCD：转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。

双沟道线阵CCD：转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。

线阵CCD

来源：文献[6]

面阵CCD：按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。面阵CCD同时曝光整个图像。

帧转移面阵CCD——优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大暂存区。

帧转移面阵CCD结构及工作过程

来源：文献[6]

隔列转移面阵CCD——优点：转移效率大大提高。缺点：结构较为复杂。

隔列转移面阵CCD结构及工作过程

来源：文献[6]

CCD功能示意图

来源：文献[7]

CCD芯片结构

图片来源自网络

CCD的发展

CCD的发明具有划时代的意义，它的出现使得人类捕捉信息达85%的眼睛这个重要器官得到了极大扩展与延申。

促进CCD快速发展主要有三个因素：首先，CCD的尺寸小，重量轻，消耗功率少，超低噪声，动态范围较大，线性良好，可靠，耐用。第二，这种器件在形状、快速、外形质量和成本方面能与真空管抗衡。第三，空间成像应用需要新的探测器。

20世纪70年代，美国贝尔实验室成功研制了世界上第一只CCD，它的诞生使成像、摄像等技术呈现一次飞跃。1973年，仙童公司把CCD技术应用于商业领域，制造出第一只商用CCD成像器件，这开辟了CCD在工业领域的道路。80年代后期，CCD在大多数视频应用中取代了电子管。进入90年代后，CCD应用于分辨成像，广泛应用于专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域。

两种CCD产品

图片来源自网络

市场应用的结果证明CCD是科学领域的一项重大技术变革。它在被忽视数十年之后，能获得2009年的诺贝尔奖可谓实至名归。

变革不停

但是，科学技术的进步一刻也不曾停止。1998年，CMOS图像传感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor，CIS）诞生了。CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上。从此，CMOS图像传感器迅速发展。

CMOS取代CCD

图片来源自网络

科技不断发展，相信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器出现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代，一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。

参考文献

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/summary/

张汝京. 半导体产业背后的故事[M]. 清华大学出版社, 2013.

董艺婷. 摄影技术的发展及对当代社会的作用研究[D].哈尔滨师范大学,2016.

Smith, G. E. (2009). "The invention and early history of the CCD." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 607(1): 1-6.

https://www.microscopyu.com/digital-imaging/introduction-to-charge-coupled-devices-ccds

https://www.mega-9.com/tech/tech-45.html

https://specinstcameras.com/what-is-a-ccd/

王庆有. 图像传感器应用技术[M]. 电子工业出版社, 2019.

https://www.docin.com/p-505990925.html

http://dc.yesky.com/88/31913588all.shtml

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不代表中科院物理所立场

来源：中科院半导体所

编辑：荔枝果冻

数码相机CCD的成像原理

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。它是美国贝尔实验室的维拉·波义耳和乔治·史密斯于1969年发明的。

CCD可直接将光学信号转换为模拟电流信号，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。它具有体积小重量轻、功耗小、灵敏度高和响应速度快等特点。CCD被广泛应用于数码摄影、天文学，光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术等领域。

1、用DC拍摄景物时，景物反射的光线通过DC的镜头透射到CCD上。

2、当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。

4、经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。

5、不过单依靠第4步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理（视用户在DC中的设定而定）等后期处理，编码为DC所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。

6、最后，图像文件就被写入到存储器上（内置或外置存储器）。

由于DC的采集原理只能是亮或暗两种情况 ，在较暗或较亮的光线下会丢失部分细节（这种现象叫做“限幅”），并且有时很难纠正。因此，DC在使用单调光、闪光灯等光源拍照时，效果较好，但在色彩较多且光线复杂的情况下，效果与传统相机相比差距较大。

所以，非专业DC一般都不能用于大画幅图像的制作。但由于拍摄的图像是以数字形式存储的，可以与多种设备进行信息传输，而且在传输过程中，图像质量并不会受到损失。

第一层“微型镜头”

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决定，而改由微型镜片的表面积来决定。

第二层是“分色滤色片”

CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法 ，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。

原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。 因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上

第三层：感光层

CCD的第三层是“感光片”，这层主要是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。

传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为对角长度，35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机，对角长度约接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。

现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。

CCD/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。

1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。

有鉴于许多网友询问 CCD 与 CMOS 的主要差别。我们暂时撇开复杂的技术文字，透过简单的比较来看这两种不同类型，作用相同的影像感光元件。不管，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。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。成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万像素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由于数码影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合，藉由后续的影像处理修正噪点以及画质表现，特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足见高速影像处理晶片已经可以胜任高像素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的缩短；另外，大尺寸全片幅则以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列的数码机身为号召，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。

ccd图像传感器原理 CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

CCD图像传感器——颠覆人类记录影像的方式

数码相机CCD的成像原理

第一层“微型镜头”

第二层是“分色滤色片”

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