第一章CCD器件概述

1、2021-11-241CCD器件及应用器件及应用理学院理学院-20142021-11-242课程简介：课程简介：学时数：学时数：3232学时。学时。上课周：上课周：10-1710-17周。周。共共8 8章，作业共章，作业共7 7章。章。作业要求：作业要求：两章交一次作业。两章交一次作业。2021-11-243纪律：纪律：上课：不定期点名，点名不到者在期末成绩上扣上课：不定期点名，点名不到者在期末成绩上扣分，分，3次以上（包括次以上（包括3次）点名不到者，期末成绩次）点名不到者，期末成绩不及格。不及格。作业：作业：缺交作业缺交作业3次以上（包括次以上（包括3次）者，期末成绩不及次）者，期末成绩不

2、及格。格。2021-11-2442021-11-245第一章 CCD器件概述CCD简介CCD的发展史CCD和CMOS2021-11-246 在人的眼睛里，当光线穿过角膜和晶状体在视网膜上形成影像后，影像会被转化为神经信号经视神经传送到大脑，大脑最终会识别这些信息，这就是视觉成像的过程。 数码相机的光学系统与人眼的结构十分相似，镜头镜头相当于眼球眼球，CCD就像视网膜视网膜，而LSI(信号信号处理器处理器)起着大脑大脑的作用。这其中，视网膜视网膜是决定接收到的图像的质量好坏与否的关键部件，相对应地，数码相机中的CCD也是数码相机的核心组成部分。2021-11-2472021-11-248实物图像

3、?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上2021-11-249如何准确地描述一幅图像2021-11-2410感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。2021-11-2411光电成像器件真空成像器件固态成像器件像管摄像管电荷耦合器件光电二极管阵列图像传感器图像传感器2021-11-2412n固态：器件为固态器件,采用半导体工艺制成。（对比：真空成像器件采用真空玻璃壳中的靶进行图像转换）n成像：利用半导体材料的光电效应，实现光电转换，通过驱动电信号实现光学图像的转换、信息存贮及按顺序输出，形成电子图像。（对比：真空成像器件采用电子束扫描方式）12图像

4、传感器图像传感器2021-11-2413固态图像传感器的优点固态图像传感器的优点n体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长；n扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、定位和图像传感等方面；n光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；n空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获得很高的定位与测量精度；n与微机接口容易实现。2021-11-2414固态图像传感器 固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元光敏单元和和移位寄存器移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。构成的集成化、功能化的光电器件。固态图像传感器将光强的空间分布转换为与

5、光强成比例的固态图像传感器将光强的空间分布转换为与光强成比例的大小不等的大小不等的空间分布，然后通过移位寄存器将这些空间分布，然后通过移位寄存器将这些电荷包形成一系列幅值不等的电荷包形成一系列幅值不等的输出。固态图输出。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成上的光学图像转换成“图像图像”电荷信号。电荷信号。2021-11-2415固态图像传感器具有体积小、重量轻、像素高、功耗固态图像传感器具有体积小、重量轻、像素高、功耗低和低电压驱动等优点。目前已广泛应用于图像处理、低和低电压驱动等优点。目前已广泛应用于图像

6、处理、电视、自动控制、测量和机器人等领域。电视、自动控制、测量和机器人等领域。固态图像传感器主要有两大类：固态图像传感器主要有两大类：电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）2021-11-2416CCD英文全称：Charge-coupled Device。中文全称：电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器。CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治史密斯（George E. Smith）所发明的。202

7、1-11-24171970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了CCD。1969年，贝尔实验室George E Smith和Willard S Boyle将可视电话和半导体泡存储技术结合发明了CCD原型。现代CCD芯片外观CCD发明者维拉博伊尔和乔治史密斯荣获2009年诺贝尔物理学奖！2021-11-2418“CCD是数码相机的电子眼,它革新了摄影术。现在光可以被电子化记录,取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送。无论是我们大海中深邃之地,还是宇宙中的遥远之处,它都能给我们带来水晶般清晰的影像”。CC

8、D的发明者获得的发明者获得2009年诺贝尔奖年诺贝尔奖2021-11-2419 CCD最早是被尝试拿来当内存用的，随后发现它能利用光电效应产生电荷，开启了 CCD 在数字影像方面的应用。1969年，当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷气泡元件”(Charge “Bubble” Devices)。这种装置的特点就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，于是他们便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，组成数位影像。 到了70年代，贝尔实验室的研究员

9、已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续了这一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100*100像素的平面装置。 2021-11-24201973年，仙童公司的产品，第一块商用年，仙童公司的产品，第一块商用CCD 2021-11-2421柯达的塞尚先生被尊为数码相机之父，而1975年，他的第一台电子相机使用的核心成像元件正是一块5万像素的仙童产CCD。 数码相机之父亲数码相机之

10、父亲 2021-11-242270年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造。2021-11-2423天文摄影中，使用的大型CCD阵列，由多块不同尺寸，不同特性的CCD成像元件组成 天文摄影用CCD成像设备拍摄的遥远的深空天体 2021-11-2424 20年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。数码相机无需胶卷和像处理行业推进到一个全新领域。数码相机无需胶卷和冲洗、可重复拍摄和即时调整；影像可无限次复制且不冲洗、可重复拍摄和即时调整

11、；影像可无限次复制且不会降低质量，方便永久保存，并可用于电子传送和处理。会降低质量，方便永久保存，并可用于电子传送和处理。它的诞生给影像处理业带来了一场革命。它的诞生给影像处理业带来了一场革命。2021-11-24251981，索尼Mavica电子相机，数码单反的先驱。2021-11-2426各国的发展各国的发展1.国外的发展(1) 美国是世界上最早开展CCD研究的国家, 也是目前投入人力、物力、财力最多的国家, 在此应用研究领域一直保持领先的地位。贝尔实验室是CCD研究的发源地, 并在CCD像感器及电荷域信号处理方面的研究保持优势。麻省理工学院林肯实验室, 宇航局喷气推进研究室, 罗姆空间发

12、展中心以及SRI David Sarnoff 研究中心在CCD及其应用等方面的研究保持着雄厚的实力, 并形成了具有较大规模的实验研究中心。此外，还有无线电公司、通用电气公司、仙童公司、福特航空公司及EG&G 公司等。在CCD传感器和应用电视技术方面, 美国以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD 摄像机占有绝对优势。2021-11-2427(2) 日本是目前世界上CCD的生产大国, 在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位，尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备基本上包揽了全世界的大部分市场。日本的CCD技术起步较晚, 但发展极快, 特别是

13、日本的彩色CCD摄像机具有极强的竞争力。索尼公司在1979年用三片242(H)242 (V)像元高密度隔列转移CCD像感器首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。1980年，日立公司首先推出单片彩色CCD摄像机。1998年日本采用拼接技术开发成功了1638412288像元即(40963072) 4像元的CCD图像传感器。由于日本本国的新产品更新换代速度很快, 所以无论产品的产量还是质量都占据世界首位。2021-11-2428(3) 法国也是开展CCD技术研究较早的国家之一，汤姆逊无线电公司(CSF)和EEV英国电子阀门公司(English Electric Valve Company,简称EEV)

14、公司是世界上生产和开发CCD产品的著名厂家。(4) 此外，英国通用电气公司(GEC)和荷兰的菲利普公司在CCD技术的研究开发上也很著名。2021-11-24292.我国的发展我国的CCD研制工作起步比较晚，目前落后日欧美等先进国家10年以上。我国自行研制的第一代普通线型CCD(光敏元为MOS结构) 和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD已形成系列产品；面阵CCD也基本上形成了系列化产品。2021-11-2430除可见光CCD外, 国内目前还研制出了硅化铂肖特基势垒红外CCD。目前国内正在研制和开发的CCD有：512512像元X射线CCD、512512像元光纤面板耦合CCD

15、像敏器件、512512像元帧转移可见光CCD、10241024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。但目前国内CCD器件的研究进展尚不够迅速, 与国际先进水平相比差距很大。2021-11-2431CCD 的应用领域的应用领域依靠业已成熟的MOS集成电路工艺, CCD技术得以迅速发展。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其体积小、重量轻、功耗小、性能稳定、灵敏度高、动态范围大、响应速度快、生产成本低等优点，使得CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。2

16、021-11-24322021-11-24332021-11-2434应用分类用途现有领域民用摄录一体机，视频摄像机，数字摄像机产业用CCD监视用办公大楼，停车场，金融机构，商店，工厂，医院，交通要道医疗内窥镜，X射线拍照，显微镜生产自动化检查，定位，分类，机器人，图像处理科学医学，生物学，天文学，化学研究军事遥感，侦查，制导，预警，微光夜视新闻广播节目制作，电视新闻现场采访其他车辆后视，TV电话，传真机，扫描仪，数字照相机新兴领域多媒体个人电脑，工作站图像输入，数字化静止相机，便携式终端扫描仪办公自动化，计算机输入设备即图文输入（正片、负片、投影片、X光片）传真机计算机产生的文件，彩色传真，

17、高速传真数字化摄录一体机（记录动画）计算机输入设备，多媒体电视制作系统，广播新闻制作系统，数字化影片记录器，家电，旅游2021-11-2435科研领域：10241024像元以上大面阵CCD图像传感器大量用于太空探测、地质、医学、生物科学以及遥感、遥测、低空侦察等。泰克公司和喷气推进实验室的20482048像元面阵CCD最早用于新一代哈勃太空望远镜摄谱仪和固定天文观测站。美国Recon侦察光学公司开发的50405040像元CCD摄像机能在一万米高空进行拍摄试验, 空间分辨率达1.57英寸。2021-11-2436军事领域：CCD传感器在军事领域也发挥了很大的作用。目前主要用于导航、自动跟踪、侦察

18、等。例如航空遥感技术，把高密度线阵CCD扫描系统安装在飞机、卫星上，由飞机、卫星完成对地面的一维扫描，由CCD在飞行的垂直方向上自扫描，即可实现高分辨率的高空摄影。2021-11-2437民用领域：CCD在民用领域的应用是十分广泛的。例如，可视电话，移动电话公司正在研究开发可带视频图像摄入和显示的手机，这个应用领域将会随无线通信需求同步扩展；电脑摄像机，在21世纪初叶，随着电脑网络系统的发展，电脑摄像机作为电脑前端和图像输入系统，CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭，借助电脑网络，实现音、视频同步远程通信；医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像

19、传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦等等。2021-11-24381. 小型化黑白、彩色TV摄像机 这是面阵CCD应用最广泛的领域。 日本松下CDT型超小型CCD彩色摄像机，直径17mm，长48 mm，使用超小型镜头，重量54g，深受欢迎。典型TV用IS尺寸：79 mm2，480380像元。 2. 传真通讯系统 用10242048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。3. 光学字符识别 IS代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 重庆大学1985年的CD-1型OCR机，识别率达99.9。 4

20、. 广播TV 用SSIS(Solid State Imaging Sensor固态图像传感器)代替光导摄像管。 1986年柯达公司已推出140万素的IS，尺寸79 mm2，比电视图像信号多4倍以上。 2021-11-24395.工业检测与自动控制这是IS应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 还可作机器人视觉传感器。6. 可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。7. 天文观测 天文摄像观测从卫

21、星遥感地面如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。航空遥感、卫星侦察如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。还在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图像通信等2021-11-2440用于测量用于测量计数器计数为光敏元大小光敏元数，细丝直径NmNNND13)(1300CCD图像传感器的应用图像传感器的应用2021-11-2441线阵线阵CCDCCD在扫描仪中在扫描仪中的应用的应用 CCD图像传感器的应用图像传感器的应用2021-11-2442线阵线阵CCD摄像机可用摄像机可用于彩色

22、印刷中的套色于彩色印刷中的套色工艺监控工艺监控 风云一号卫星可以风云一号卫星可以对地球上空的云层对地球上空的云层分布进行逐行扫描分布进行逐行扫描CCD图像传感器的应用图像传感器的应用2021-11-2443线阵线阵CCD用于字符识别用于字符识别CCD图像传感器的应用图像传感器的应用2021-11-2444CCD图像传感器的应用图像传感器的应用2021-11-2445CCD图像传感器的应用图像传感器的应用CCD数码显微镜数码显微镜拍摄的金属表面显微照片拍摄的金属表面显微照片2021-11-2446 CCD图像传感器的应用图像传感器的应用CCD数码摄像机数码摄像机2021-11-2447 CCD是

23、一种半导体集成器件，在N型或P 型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。相邻两光敏元的中心距在13-16um范围内。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置。2021-11-2448CCD光敏元移位寄存器2021-11-2449 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就

24、越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。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面阵CCD，即包括x、y两个方向以用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线阵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。2021-11-2450是是CCDCCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。分辨率越高，图像细节的表现越好。 像素像素 - CCD- CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰每一个元素，像素越多，图像越清晰 4444万（万（768768* *57657

25、6）、）、100100万（万（10241024* *10241024） 200200万（万（16001600* *12001200）、）、600600万（万（28322832* *21282128）电视线电视线 - - 简称线简称线(TV LINES)(TV LINES)，彩色摄像头一般，彩色摄像头一般330330500500线，线， 黑白可以达到黑白可以达到600600线。电视线与线。电视线与CCDCCD和镜头有关，和镜头有关， 还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通 常规律是常规律是1MHz1MHz的频带宽度相当于清晰度为的频带宽度相当于清晰度为8

26、080线。线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。 灰度级灰度级 - - 灰度分辨率、色彩分辨率，灰度分辨率、色彩分辨率， 1/21/2n 位数：位数：8 8位（位（bitbit）、）、1010位、位、1111位、位、1212位、位、 位数越多，图像越清晰。位数越多，图像越清晰。 CCD分辨率分辨率2021-11-2451n数码镜头分辨率概念：数码镜头分辨率概念： 数码镜头的分辨率定义为在像面处镜头在单位毫米上可鉴别的黑白线对数。00d2d毫米）分辨率（线对/12dCCD分辨率分辨率2021-11-2452nCCD的分辨率： CCD的分辨率是用像素总数

27、表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果像素（最小感光单元称之为像素）的尺寸是m2 * n2，那么在水平方向上的像素总数=M/m2，在垂直方向上的像素总数=N/n222MnNmCCD像素总数 CCD 的整个感光面上的像素总数：CCD分辨率分辨率2021-11-2453n数码镜头的分辨率与CCD的分辨率的匹配： 在水平方向上数码镜头对线状分辨率图案的成像，其每个线宽恰好占用一个像素，我们就称在水平方向上选用的CCD与数码镜头在分辨率上是相配的; 在垂直方向上也可同样理解。这样定义保证了CCD 在最少像素总数下，恰好能分辨清像的细节。CC

28、D分辨率分辨率2021-11-2454CCD 像素总数=4.8/(0.003333)*3.6/(0.003333)= 1920000 像素。u设CCD 的 M=1mm， N=1mm。镜头像方分辨力=15 线对/毫米，现计算其像素总数如下：)/(03333. 0301/21线对毫米毫米）分辨率（线对d与该镜头相配的CCD 最小感光单元像素尺寸 m2*n2=0.03333*0.03333 uCCD 像素总数=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900 像素u如果镜头鉴别率是150 线对/毫米，CCD 感光面M=4.8mm，N=3.6mm。 d=1/(2*镜头像方分辨力)=1/300=0

29、.003333(毫米/线对)CCD分辨率分辨率2021-11-2455CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。 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。因此感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型镜片的表面积来决定。 2021-11-2456第二层：“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。RGB分色法是通过R

30、ed, Green和Blue这三个通道的颜色调节而成。CMYK是由四个通道的颜色配合而成，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，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(类似于胶卷软片对光的敏感度 ) ，一般都可设定在800以上。2021-11-2457第三层：“感光层 ” 。这层主要是负责将穿过滤

31、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。 2021-11-2458CCD的工作性能与其单位面积上的感光像素始终存在着一种固有的矛盾：一方面，要确保CCD的工作性能，单位面积上CCD像素数就不能无限增加。因为单位面积像素数越多，意味着像素尺寸越小，导致感光度降低、信噪比下降、动态范围减小，影响其性能。另一方面，为了提高CCD的工作性能，如提高CCD的分辨率、动态范围等，又需要增加CCD的像素数，因此只能通过增大CCD的面积来提高CCD的性能。但是增大CCD的面积虽然可以增加像素数，却会导致CCD的制造成本剧增，显然也不是一个有效的解决办法。因此只有突出传统CCD的思路，

32、改变CCD的设计结构，才能从根本上提高CCD的工作性能，满足现代摄影摄像对CCD更高的要求。2021-11-2459普通CCD中采用的是矩形光电元件，以八角形光电元件来代替，可以改变普通CCD的性能。（超级超级CCD）超级CCD的像素排列结构：像素之间采用蜂窝状的排列方式（如图1所示）。 八角形的光电元件和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电元件的空间有效性，相对于有同样数量像素的传统CCD而言，它有更高的灵敏度、更高的信噪比和更广泛的动态范围。 2021-11-24601.像素的几何形状普通CCD像素由光电元件、控制信号通道、电荷传输通道组成，要提高图像质量就需增加像素数，但光电元

33、件矩形外形限制了像素数的增加。尽管减小像素尺寸能增加像素数，但像素尺寸和光电元件面积的缩小必然降低光吸收效率，不利于提高感光度、信噪比、动态范围。而且，矩形光电元件采用圆形微透镜，这种不同形状的组合也会降低光吸收效率。超级CCD取消了控制信号通路，并利用多余空间增加光电元件感光面积，扩充的面积相当于传统CCD感光元件的2倍。同时，用新型大八角形光电元件取代传统CCD矩形元件，使像素空间效率显著提高，密度达到最大，极大增加了感光度。超级CCD八角形光电元件非常接近微透镜的圆形，有效面积的增加大大提高了光吸收效率。经过上述处理，超级CCD会把无助于图像记录的空间减少到最低限度，并显著提高光吸收效率

34、，使感光度、信噪比、色彩再现性都得到改善、动态范围亦会扩大，图像质量大为提高。2021-11-24612.像素的排列结构在像素的排列结构上，普通CCD像素排列呈矩形，像素间水平、垂直距离比像素本身对角线长，这种结构使CCD像素在对角线方向获得好的图像质量。但是根据人眼的工作机理，水平轴、垂直轴方向的分辨率才是影响CCD分辨率的关键，对角线高频特性损失对图像质量影响极小。显然，普通CCD矩阵排列限制了有效面积中提升分辨率的能力。人眼视网膜由一亿二千六百万个左右的视觉细胞组成，其中一亿二千万个左右视杆细胞在黑暗时工作，而其它六百万个视锥细胞在明亮时工作，并能对颜色做出反应。尽管这些细胞以镶嵌的方式

35、均匀分布在视网膜表面，但是在水平轴和垂直轴上的高频信息感光度要比在450对角线上高得多，通过对数百个自然景色的平均空间频率特性进行分析后可知。这是因为地心引力把空间频率的功率都集中在水平和垂直的方向，而450对角线上功率最低的缘故。因此，为了更有效地捕获视觉信息，我们的眼睛在水平和垂直方向上就较为灵敏。 2021-11-2462超级CCD不仅改变了CCD像素的形状，而且改变了CCD像素的排列结构。如图2所示，超级CCD将CCD像素（八角形光电元件）按45排列为蜂窝状，使像素间水平、垂直距离比像素本身对角线距离短。这种更符合人类视觉特点的结构，不但有效提高封装密度，同时，由于垂直轴上间隙较大，其

36、垂直、水平方向分辨率也会高于对角线分辨率。超级CCD这种排列结构，感光时可达到传统CCD两倍分辨率，而相同数量感光单元，则产生相当于传统CCD 1.6倍的影像。这样，190万像素超级CCD图像质量与300万像素普通CCD相当。体现在图像质量上就是超级CCD这种结构既显著提高灵敏度、信噪比，又具有更大动态范围，产生的图像具有更丰富、更逼真的色彩和清晰度。2021-11-24633.视频输出读取方式在视频输出和使用液晶监视器显示时，普通CCD只能使用固定速率跳跃读出垂直轴，因为读出所有垂直行要花太长的时间并减慢视频率，但这造成了影像质量的不可避免的降低。同时，因为所有的像素都必须水平读出，其视频率

37、就会很慢。还有一个问题，即每一水平行只有G、B像素或R、G像素，为了产生每个像素必需的RGB彩色信号，必须读出相邻两行，这也会造成视频输出的延时。超级CCD进行视频输出时，其跳跃读出不再局限于垂直轴，在两个方向上都可以，这是获得高质量视频输出的关键。另外，超级CCD在每一水平行上都有RGB信号，从而解决了普通CCD所无法解决的难题。超级CCD的垂直跳跃读出可以按1/2、1/3或者任何其它比率进行，也可以进行水平1/3跳跃读出，使获得高质量的、每秒30帧的全动视图像成为可能。 2021-11-24644.单一电子快门普通CCD单元结构复杂，单位面积上的光电元件数量相对较少，集光效率不高。为避免一

38、个光电元件的电荷与下一个光电元件的电荷相混，普通CCD在一步里需要三个信息包来传输电荷，这就意味着需要制造三个聚合物层做为信息包。但是这种结构生产难度很大，普通CCD一般通过增加一个机械遮光器，分两步来读出像素。超级CCD各像素的光电元件有四个包，构造相对简单且电荷传输通道足够宽，每个像素都可以一步读出，能实现电荷的高速传输。这种结构使所有像素的数据能一次读出，因此，只需一个电子快门。这样，不但有效提高像素数据传输速度和精度，而且具有快速准确连续拍摄功能的潜在能力。2021-11-24655.其它关键技术普通CCD提高感光度的同时，噪声随之增加，影响器件性能指标。超级CCD用硬件控制取代普通C

39、CD的软件控制方式以提高感光度，能有效降低感光噪声，信噪比得到显著提高，图像质量也得到明显改善。超级CCD还通过像素加算信号处理技术（CCD处理信号得到像素数的基础上加算4像素），提高感光度，降低颜色和光亮度的干扰，使图像更清晰。同时，在采用超级CCD芯片的产品中运用自动曝光技术和自动白平衡技术，对色彩再现和明亮度进行最佳控制，对目标进行平衡再现，使图像质量大幅度提高。2021-11-2466上述技术的运用，使超级CCD性能指标有质的飞跃。主要表现为： （1）分辨率显著提高。独特的像素45蜂窝状排列，配合大规模集成电路LSI作为信号处理器，使超级CCD分辨率比传统CCD高60； （2）感光度、

40、信噪比、动态范围明显改善。二极管光吸收效率的提高使这些指标明显改善。在300万像素时，这些指标会提升130，且高光部分层次更丰富； （3）彩色还原能力提高。由于信噪比提高，采用专门LSI信号处理器，彩色还原能力提高50。2021-11-2467按成像器件分类：线阵按成像器件分类：线阵CCD、面阵、面阵CCD按颜色分类：黑白、彩色按颜色分类：黑白、彩色按输出信号分类：模拟式、数字式按输出信号分类：模拟式、数字式 黑白：信息量小，时间、空间少黑白：信息量小，时间、空间少彩色：信息量大，时间、空间彩色：信息量大，时间、空间多多线阵线阵CCD：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；

41、面面阵阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描 逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊 数字摄像机数字摄像机 - 电子快门电子快门 曝光时间曝光时间: 1/50s1/50s、1/125s1/125s、1/250s1/250s、1/500s1/500s、1/1000s1/1000s、1/2000s1/2000s、1/4000s1/4000s、1/8000s1/8000s、1/16000s1/16000s、1/32000s1/32000s 按形状分类：长形、短形、方块形

42、、半球形、单板形按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形 CCD种类种类2021-11-2468 后来有人发现，将计算机系统里的一种芯片进行加后来有人发现，将计算机系统里的一种芯片进行加工也可以作为数字相机中的感光传感器，即工也可以作为数字相机中的感光传感器，即CMOS，其，其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。业内人士分析，它在不久的将来可能取代业内人士分析，它在不久的将来可能取代CCD，如今两，如今两者依然共存。者依然共存。CMOS2021-11-2469Complementary Metal-Oxide-Semicon

43、ductor(CMOS，简称互补式金氧半互补式金氧半)指互补金属氧化物指互补金属氧化物(PMOS管和管和NMOS管管)共同构成的共同构成的互补型互补型MOS集成电路制造工艺，它的特点是集成电路制造工艺，它的特点是低功耗低功耗。由于由于CMOS中一对中一对MOS组成的门电路在瞬间看，要组成的门电路在瞬间看，要么么PMOS导通，要么导通，要么NMOS导通，因此功耗很低。导通，因此功耗很低。 2021-11-2470在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的

44、硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS RAM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。 2021-11-2471现在，现在，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件。虽然在用途上与过去的感光元件。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作电路主要作为计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取为计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是

45、的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能将纯粹逻辑运算的功能转变成转变成接接收外界光线后电能的转化收外界光线后电能的转化，再透过芯片上的，再透过芯片上的模模-数转换数转换器（器（ADC）将获得的影像信号转变为数码信号输出。将获得的影像信号转变为数码信号输出。 2021-11-2472CMOS相对于相对于CCD的最主要优势在于它的最主要优势在于它非常省电非常省电。它。它几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才耗电。几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才耗电。CMOS的耗电量只有普通的耗电量只有普通CCD的的1/3左右。左右。CMOS结构结构简单，成品率高，制造成本低，简单，成品率高，制造成本低，CMO

46、S价格比价格比CCD更更具有优势。具有优势。与与CCD技术相比，技术相比，CMOS是标准工艺，可利用现有的是标准工艺，可利用现有的半导体设备生产，不需要额外的投资设备，且品质可随半导体设备生产，不需要额外的投资设备，且品质可随着半导体技术的提升而进步。着半导体技术的提升而进步。2021-11-2473CCD sensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图：由上面两图可看出由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的2021-11-2474CMOS传感器的最大优势，具有高

47、度系统整合能力。它传感器的最大优势，具有高度系统整合能力。它拥有所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平拥有所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移寄存器、时序控制、存贮器、位移寄存器、时序控制、存贮器、ADC等都可集成在一等都可集成在一片芯片上，使片芯片上，使CMOS传感器成为移动、多功能数字产品传感器成为移动、多功能数字产品的理想选择。的理想选择。但但CMOS技术也存在弱点，如对光线的灵敏度稍低，信技术也存在弱点，如对光线的灵敏度稍低，信噪比也很低，这导致了其在成像质量上难以与噪比也很低，这导致了其在成像质量上难以与CCD抗衡。抗衡。2021-11-2475CCD 和和 CMO

48、S 的比较的比较 因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此大量工业及广播级摄像机都使用CCD传感器，CMOS传感器一般用于低端产品。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，曝光也不太好。 由于自身物理特性的原因，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和的成像质量和CCD还是有还是有一定距离的。一定距离的。 CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用头则会采用CMOS芯片。芯片。2021-11-2476CCD和和CMOS的不同之处的不同

49、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 (photodiode)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。 CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，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，每个像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。 2021-11-2477CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像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，再整合各个像素的数据。 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：由于灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成成(含放大器与含