CCD和CMOS区别原理

1、CCD和和CMOS西安工业大学光电工程学院西安工业大学光电工程学院田田 会会 (副教授副教授)E-mail:1. 1. 机器视觉系统的组成机器视觉系统的组成2. CCD2. CCD在工业中的应用在工业中的应用3. CCD3. CCD在工业领域的典型应用案例在工业领域的典型应用案例4. 4. 图像转换过程图像转换过程5. CCD5. CCD成像器件成像器件6. CCD6. CCD的特征参数的特征参数1.机器视觉系统的基本组成机器视觉系统的基本组成机器视觉（Machine Vision)机 器（Machine)视 觉（Vision)+机械运动控制觉(软件)视(硬件)包括光源、镜头、CCD相机、图像

2、采集卡等。机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控制技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电的结合。系统构成：系统构成：1.11.1光源光源光源是基准，打光是艺术光源是基准，打光是艺术 种类：种类：LEDLED、萤光灯、卤素灯（光纤光源、萤光灯、卤素灯（光纤光源) )、特殊光源、特殊光源 Garbage In, Garbage Out特点：特点：LED:LED:寿命长寿命长, ,可以有各种颜色可以有各种颜色, ,便于做成各种复杂形状便于做成各种复杂形状, ,光均光均匀稳定匀稳定, ,可以闪光；可以闪光；萤光灯萤光灯: :光场均匀光场均匀, ,价格便宜价格便宜, ,亮度较亮度较LEDLED高；

3、高；卤素灯卤素灯: :亮度特别高亮度特别高, ,通过光纤传输后可做成各种形状。通过光纤传输后可做成各种形状。1.2 1.2 镜头镜头低通滤波器，完成信号传递低通滤波器，完成信号传递接口形式：接口形式：C-Mount/CS-Mount/F-Mount/OthersC-Mount/CS-Mount/F-Mount/Others镜头类型：标准、远心、广角、镜头类型：标准、远心、广角、zoom(zoom(变焦放大）、远摄变焦放大）、远摄/ /近近摄等摄等选择依据：相机接口、物距、拍摄范围、选择依据：相机接口、物距、拍摄范围、CCDCCD尺寸、畸变的尺寸、畸变的允许范围、放大率、焦距、变焦范围、光圈等允

4、许范围、放大率、焦距、变焦范围、光圈等1.3 CCD1.3 CCD相机相机光电转换器，完成信号转换光电转换器，完成信号转换 种类：线种类：线/ /面、隔面、隔/ /逐、黑逐、黑/ /彩、数彩、数/ /模、低模、低/ /高高指标：像元尺寸、分辨率、感应曲线、动态范围、灵敏度、指标：像元尺寸、分辨率、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度、噪声、填充因子、体积、质量等速度、噪声、填充因子、体积、质量等工作模式：工作模式：Free runFree run、TriggerTrigger（多种）、长时间曝光等（多种）、长时间曝光等A/DCCD1.4 1.4 采集卡采集卡完成信号的采集与格式转换完成信号的采集与

5、格式转换分类：模拟分类：模拟( (标准和非标准）标准和非标准）/ /数字、单通道数字、单通道/ /多通道多通道主要指标：采集频率（速度）、接口、主要指标：采集频率（速度）、接口、BufferBuffer大小、预处理大小、预处理功能、支持相机的种类、控制功能、功能、支持相机的种类、控制功能、I/OI/O点数点数数字采集卡接口分类：数字采集卡接口分类：RS422/LVDSRS422/LVDS、CameraLinkCameraLink、 IEEE1394IEEE1394、USBUSB、GIGEGIGE1.5 1.5 软件软件完成图像的预处理及其他运算，输出结果完成图像的预处理及其他运算，输出结果选择

6、：性价比、易维护性、现在条件约束、选择：性价比、易维护性、现在条件约束、OEMOEM商的长远发商的长远发展；展；评估：速度、精度、可靠性（光照、旋转、遮盖、图像质量评估：速度、精度、可靠性（光照、旋转、遮盖、图像质量差、重复测量误差等）差、重复测量误差等）二、二、CCD在工业的应用简介在工业的应用简介GIGI(GaugeGIGI(Gauge、InspectionInspection、GuideGuide、Identification)Identification)1 1、Gauge (Measurement)Gauge (Measurement)，测量，测量2 2、Inspection(Ins

7、pection(应用范围最广），检测应用范围最广），检测3、Guide，导引，导引4 4、IdentificationIdentification，识别，识别三、三、CCDCCD在工业领域的典型应用案例在工业领域的典型应用案例印刷包装行业印刷包装行业半导体行业半导体行业PCB电子产品行业电子产品行业LCD行业行业烟草行业烟草行业ITS行业行业1、印刷包装行业、印刷包装行业人民币印刷检测、食品包装印刷、标签印刷等人民币印刷检测、食品包装印刷、标签印刷等检测内容：孔洞、异物、套印不准、偏色等检测内容：孔洞、异物、套印不准、偏色等编码器行触发信号帧触发传感器1、印刷包装行业、印刷包装行业系统设计举例

8、：系统精度为系统设计举例：系统精度为0.2mm0.2mm，被检物体，被检物体200mm200mm宽，运动宽，运动速度为速度为4m/s4m/sCCDCCD相机选择：相机选择：1.1.分辨率：系统精度为分辨率：系统精度为0.2mm0.2mm，如果是缺陷检测，最少用，如果是缺陷检测，最少用2 2个个像素表征缺陷特征，所以每个像素当量为像素表征缺陷特征，所以每个像素当量为0.20.22 20.1mm0.1mm，所以相机分辨率最小为所以相机分辨率最小为2002000.10.120002000，可以选择分辨率，可以选择分辨率为为20482048的相机的相机2.2.行频：行频：400040000.10.14

9、0K40K 所以可以选择分辨率为所以可以选择分辨率为20482048，行频为，行频为40K40K的相机的相机1、印刷包装行业、印刷包装行业算法设计算法设计预处理图像训练特征点定位图像位置调整图像对比Blob定位Blob缺陷分析2、半导体行业、半导体行业全自动划片机全自动划片机Die bonderDie bonder（粘片机）（粘片机）Wire bonderWire bonder（键合机）（键合机）AOIAOI检测设备检测设备全自动全自动ICIC编带机编带机Flip-Chip bonderFlip-Chip bonder（倒装焊）（倒装焊）CogCog设备设备液晶玻璃检测（液晶玻璃检测（FPDF

10、PD）丝网印刷机丝网印刷机半导体光刻机半导体光刻机2 2、半导体行业、半导体行业Die Bonder2、半导体行业、半导体行业算法设计算法设计区域匹配：以图像灰度信息为基础，用归一化相关系数为相似性度量指区域匹配：以图像灰度信息为基础，用归一化相关系数为相似性度量指标，在实时图像中搜索和参考图像（包含特定特征）相一致特征的位标，在实时图像中搜索和参考图像（包含特定特征）相一致特征的位置。区域匹配对灰度线性变化有很好的适应性，但对灰度非线性变化置。区域匹配对灰度线性变化有很好的适应性，但对灰度非线性变化适应性较差，并且本质上不支持尺度和角度变化。适应性较差，并且本质上不支持尺度和角度变化。2、半

11、导体行业、半导体行业算法设计算法设计边缘匹配：以图像边缘信息为基础，用边缘相关分数为相似性度量指标，在边缘匹配：以图像边缘信息为基础，用边缘相关分数为相似性度量指标，在实时图像中搜索和参考图像（包含特定特征）相一致特征的位置。边缘匹实时图像中搜索和参考图像（包含特定特征）相一致特征的位置。边缘匹配对灰度线性和非线性变化都有很好的适应性，但在线性变化条件下，精配对灰度线性和非线性变化都有很好的适应性，但在线性变化条件下，精度、鲁棒性、效率逊于区域匹配，并且不支持尺度和角度变化。度、鲁棒性、效率逊于区域匹配，并且不支持尺度和角度变化。2、半导体行业、半导体行业算法设计算法设计几何匹配：以图像的几何

12、特征为基础，用最小均方误差为度量指标，在实几何匹配：以图像的几何特征为基础，用最小均方误差为度量指标，在实时图像中搜索和参考模式相一致的位置及其间几何变换关系。几何匹时图像中搜索和参考模式相一致的位置及其间几何变换关系。几何匹配对平移、尺度、角度提供全方位支持，精度、效率显著高于区域和配对平移、尺度、角度提供全方位支持，精度、效率显著高于区域和边缘匹配。几何定位一般适用于模式可几何描述的应用。边缘匹配。几何定位一般适用于模式可几何描述的应用。3、PCB电子产品行业电子产品行业底片检查底片检查PCB AOIPCB AOI（蚀刻工序后进行检查）（蚀刻工序后进行检查）SMT AOISMT AOI（回

13、流焊后检查）（回流焊后检查）贴片机贴片机电子接插件检测电子接插件检测3、PCB电子行业电子行业SMT AOI，自动焊接，自动焊接 光源由红、绿、蓝三种光组成，为环形光源由红、绿、蓝三种光组成，为环形塔状直射高亮频闪光源。焊点（锡膏）处于塔状直射高亮频闪光源。焊点（锡膏）处于斜面：大部分黄色光通过斜面反射出去，而斜面：大部分黄色光通过斜面反射出去，而蓝光则通过斜面反射到摄像头，所以焊点在蓝光则通过斜面反射到摄像头，所以焊点在电脑里显示为蓝色；元件本体表面粗糙：黄电脑里显示为蓝色；元件本体表面粗糙：黄色光与蓝色光照射在其表面都产生漫反射，色光与蓝色光照射在其表面都产生漫反射，根据调色原理：蓝色与黄

14、色组合成白色，相根据调色原理：蓝色与黄色组合成白色，相当于白光照射元件在电脑中显示为元件本色；当于白光照射元件在电脑中显示为元件本色；焊盘表面光滑：黄色照射在其表面产生镜面焊盘表面光滑：黄色照射在其表面产生镜面反射进入摄像头，而大部分蓝色光则反射出，反射进入摄像头，而大部分蓝色光则反射出，所以焊盘显示为黄白色。所以焊盘显示为黄白色。 4、LCD行业行业字段检测字段检测点阵屏幕检测点阵屏幕检测5、烟草行业、烟草行业异物剔除异物剔除5、烟草行业、烟草行业条包检测条包检测5、烟草行业、烟草行业小包检测小包检测5 5、烟草行业、烟草行业机器人机器人6、ITS行业，行业，智能交通系统智能交通系统 (In

15、telligent Transport System(Intelligent Transport System）治安卡口，重点路段监控治安卡口，重点路段监控6、ITS行业行业超速，闯红灯抓拍超速，闯红灯抓拍6、ITS行业行业公路路面检测公路路面检测6、ITS行业行业货、客车运行故障检测货、客车运行故障检测7、其他应用、其他应用-键盘检测键盘检测9.光电传感器光电传感器8.NG品储存架品储存架7.NG品导流片品导流片6.拨片装置拨片装置5.龙门架龙门架4.彩色工业相机彩色工业相机3.白色穹顶光源白色穹顶光源2.导流槽导流槽1.产品传送带产品传送带7、其他应用、其他应用-键盘检测键盘检测7、其他应

16、用紧固件检测、其他应用紧固件检测应用描述：高速高精度螺栓螺母尺寸测量，包括螺纹参数测量7、其他应用、其他应用-紧固件检测紧固件检测 在机器视觉系统中主要采用两类光电传感芯片：在机器视觉系统中主要采用两类光电传感芯片：CCD (Charge CCD (Charge Coupled DeviceCoupled Device，电荷耦合器件，电荷耦合器件) )和和CMOS (Complementary CMOS (Complementary Metal-Oxide-SemiconductorMetal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化半导体，互补金属氧化半导体) )。这两。这两种芯

17、片的作用都是通过光电效应将光信号转换为电信号种芯片的作用都是通过光电效应将光信号转换为电信号( (电电压压/ /电流电流) )，进行存储以获得图像。，进行存储以获得图像。CCDCCD和和CMOSCMOS在基本成像过程中都按照以下步骤：在基本成像过程中都按照以下步骤：电荷产生电荷产生( (电荷的产生和收集电荷的产生和收集) )；电荷量化电荷量化( (将电荷转换为电压或电流信号进行存储将电荷转换为电压或电流信号进行存储) )；信号输出。信号输出。两类芯片的区别在于采用不同的方式和机制来实现以上功能。两类芯片的区别在于采用不同的方式和机制来实现以上功能。 实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要

18、把实物尽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量真实地反映到虚拟的图像上4. 4. 图像的获取过程图像的获取过程如何准确地描述一幅图像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。实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换CCD sensor后端电路实物图像光子模拟量（电压）电荷日光 监视器CCD sensor相机后端电路模拟相机 + 监视器实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源 PC 模拟采集卡CCD sensor相机后

19、端电路模拟相机 + 模拟采集卡实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换CCD sensor相机后端电路 PC数字采集卡数字相机 + 数字采集卡 由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。 我们常用的是我们常用的是 CCD 和和 CMOSCCD 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与与CMOS的光电转换示意图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

20、是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCDCCD芯片的工作原理芯片的工作原理1 1 光电荷的产生光电荷的产生CeoIPATnqQ式中：为材料的量子效率；q为电子电荷量；neo为入射光的光子流速率：A为光敏单元的受光面积；T C为光注人时间。 2 2 电荷储存电荷储存 因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为 QCoxUG3 3 电荷包的转移电荷包的转移 为了量化收集到的电荷信号，成像器件需要将电荷转化为电

21、压，为了量化收集到的电荷信号，成像器件需要将电荷转化为电压，CCDCCD芯片采用芯片采用1 1个个( (或少数几个或少数几个) )读出节点将电荷转换为电压，因此需要将阵列中读出节点将电荷转换为电压，因此需要将阵列中电荷依次转移到读出节点处，这个过程也就是电荷的转移。电荷依次转移到读出节点处，这个过程也就是电荷的转移。CCDCCD中电荷包的中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。 CCD CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称引起的。中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称引起的。电压高的地方，就会产生相对的势阱，电荷会聚

22、集在势阱里。电压高的地方，就会产生相对的势阱，电荷会聚集在势阱里。当高电压的位置按照一定方向转移时，势阱的位置也会随之当高电压的位置按照一定方向转移时，势阱的位置也会随之转移，如此，电荷就会随着移动。转移，如此，电荷就会随着移动。为了将为了将CCD芯片中的电荷转移到输出节点处，需要在各个像元的电极间施加不芯片中的电荷转移到输出节点处，需要在各个像元的电极间施加不同的偏压，通过电平信号的变换实现电荷的转移。通常电荷转移又分为单相驱同的偏压，通过电平信号的变换实现电荷的转移。通常电荷转移又分为单相驱动、双相驱动、三相驱动和四相驱动等多种方式。这几种驱动方式除了电极构动、双相驱动、三相驱动和四相驱动

23、等多种方式。这几种驱动方式除了电极构造和电压波形不同外，其转移方式都是一样的。造和电压波形不同外，其转移方式都是一样的。 而4相CCD ，其势阱与势垒各占据2个电极的宽度阻隔相临像素间电荷的溢出能力更强。适用于高速时钟P1 P2 P3 P4 P1 P2CCD电荷转移方式原理演示BucketSiphon pumpRain gaugeDifferent bucketshold differentamounts of rainCCD工作原理演示Contents of all bucketsmove to leftRain gaugeis emptiedRain gaugeis emptiedRain

24、 gaugeis emptied当一个当一个CCDCCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出按照一行的方向转移出CCDCCD感光区域。为下一次感光放空间。感光区域。为下一次感光放空间。 当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出。当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出。溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电荷的电量溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电荷的电量就不能如实反映原物。也就是常说的就不能如实反映原物。也就是常说的bloomingblooming。要避免这。要避免这种情况发生的方法：种情况发生的方法：A

25、 A 把桶做大些把桶做大些 B B 让雨早点停让雨早点停C C 间歇地，把装满水的桶到出一些间歇地，把装满水的桶到出一些D D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里。桶里。对应的方法：对应的方法：A A 增大单位像素尺寸增大单位像素尺寸B B 缩短曝光时间缩短曝光时间 缺点：对于暗的部分曝光不足缺点：对于暗的部分曝光不足C C 间歇开关时钟电压间歇开关时钟电压 缺点：会降低速度缺点：会降低速度D D 溢出沟道和溢出门溢出沟道和溢出门 缺点：制作复杂，且还有缺陷缺点：制作复杂，且还有缺陷 所以，增大像素尺寸是最完善的做法。所以，增大像素

26、尺寸是最完善的做法。CCDCCD的电荷转移途径的电荷转移途径 光电荷的转移途径有光电荷的转移途径有CCDCCD表面沟道表面沟道(SCCD)(SCCD)和体沟道和体沟道(BCCD(BCCD，也称埋沟，也称埋沟道道) )两种方式。其中表面沟道两种方式。其中表面沟道CCDCCD的电荷转移途径距离半导体的电荷转移途径距离半导体- -绝缘体分界绝缘体分界面较近，工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，面较近，工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率较低，工作频率一般在转移速度和转移效率较低，工作频率一般在10MHz10MHz以下。为了消除这些缺以下。为了消除

27、这些缺点，提高点，提高CCDCCD的工作速度，用离子注入的方法改变转移沟道的结构，从而的工作速度，用离子注入的方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免表使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免表面态的影响，这就是体沟道面态的影响，这就是体沟道CCDCCD，其转移效率大大提高，工作频率达到，其转移效率大大提高，工作频率达到100MHz100MHz，且能做成大规模集成器件。，且能做成大规模集成器件。 电荷的输出电荷的输出 当完成对光敏元阵列的扫描后，当完成对光敏元阵列的扫描后，CCDCCD将光电荷从光敏区域转移至将光电荷从光敏区域

28、转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。CCDCCD芯片芯片中常用的输出方式包括电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大中常用的输出方式包括电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。器输出。 CMOSCMOS芯片的工作原理芯片的工作原理电荷的产生电荷的产生CMOSCMOS光电传感器工作时，光电传感器工作时，p p型硅衬底和源极接电源负极，漏极接电型硅衬底和源极接电源负极，漏极接电源正极。当没有光线照射时，源极和漏极之间无电流通路，输出节点无源正极。当没有光线照射时，源极和漏极之间无电流通路，输出节点无电压输出。当光线照

29、射到金属铝上方放置的光敏元件上时，由于光子的电压输出。当光线照射到金属铝上方放置的光敏元件上时，由于光子的激发，在源极和漏极之间的激发，在源极和漏极之间的p p型硅衬底上表面积累电荷，从而形成电流通型硅衬底上表面积累电荷，从而形成电流通路，在输出节点上产生电压。由于光生电荷的数量与光强度成正比，在路，在输出节点上产生电压。由于光生电荷的数量与光强度成正比，在输出节点产生的电压也与光强成正比。输出节点产生的电压也与光强成正比。CMOSCMOS的像元结构相比的像元结构相比CCDCCD更为复杂，其相对较小的光敏区域降低了更为复杂，其相对较小的光敏区域降低了整体的光敏特性，同时也降低了芯片的满阱容量。

30、整体的光敏特性，同时也降低了芯片的满阱容量。 CMOS CMOS的像元结构相比的像元结构相比CCDCCD更为复杂，更为复杂，尽管没有单晶硅，尽管没有单晶硅，不会减少对蓝光的灵敏度，但不会减少对蓝光的灵敏度，但其相对较小的光敏区域降低了其相对较小的光敏区域降低了整体的光敏特性，同时也降低了芯片的满阱容量。整体的光敏特性，同时也降低了芯片的满阱容量。 信号的输出信号的输出 CMOSCMOS像元中产生的电荷信号在像元内部被直接转化为电压信号，当选像元中产生的电荷信号在像元内部被直接转化为电压信号，当选通开关开启时直接输出，这也是通开关开启时直接输出，这也是CCDCCD和和CMOSCMOS之间最大的差

31、别。目前大多数的之间最大的差别。目前大多数的CMOSCMOS都采用有源像元，每个像元中都有三个晶体管，分别用以放大信号、地都采用有源像元，每个像元中都有三个晶体管，分别用以放大信号、地址选通和复位，因此也被称为址选通和复位，因此也被称为3T CMOS3T CMOS。为了实现更多功能，如增加电子开。为了实现更多功能，如增加电子开关、全局快门互阻抗放大器以降低固定图像噪声的相关双采样保持电路等，关、全局快门互阻抗放大器以降低固定图像噪声的相关双采样保持电路等，已相继出现了已相继出现了4T4T，5T5T和和6T6T的的CMOSCMOS（T T前数字代表每个像元中晶体管的数目）。前数字代表每个像元中晶

32、体管的数目）。增加像元中晶体管的数目，帮助芯片实现更多的功能并弥补某些缺点，如噪增加像元中晶体管的数目，帮助芯片实现更多的功能并弥补某些缺点，如噪声高、快门一致性差等缺点。但由于这些晶体管是遮光的，同时也进一步降声高、快门一致性差等缺点。但由于这些晶体管是遮光的，同时也进一步降低了芯片的填充因子，降低了芯片的灵敏度。低了芯片的填充因子，降低了芯片的灵敏度。 早期的早期的CMOSCMOS芯片无法将放大器放在像素位置以内，称为无源光敏机构，芯片无法将放大器放在像素位置以内，称为无源光敏机构，CMOSCMOS像元主要由光电二极管和地址选通开关构成，填充因子较高，但像元主要由光电二极管和地址选通开关构

33、成，填充因子较高，但噪声也较大。噪声也较大。CCD与与CMOS芯片的异同点芯片的异同点(1) (1) 成像过程：两者的光电转换原理相同，主要差别在于信成像过程：两者的光电转换原理相同，主要差别在于信号的读出过程不同。号的读出过程不同。CCDCCD仅有一个仅有一个( (或少数几个或少数几个) )输出节点统输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOSCMOS中每个像素都中每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷有各自的信号放大器，各自进行电荷- -电压转换，信号输出电压转换，信号输出的一致性较差。的一致性较差。CCDCCD为了读出整幅图像信号，要求输

34、出放大为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在器的信号带宽较宽，而在CMOSCMOS中，每个像元中的放大器的带中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，但数以百万的放大器宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，但数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声。的不一致性却带来了更高的固定噪声。(2) (2) 集成性：集成性：CCDCCD中的电路和器件是集成在半导体单晶材料中的电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂。其仅能输出模拟电信号，需要后续的地址上，工艺较复杂。其仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提译码

35、器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路，集成度非常低。供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路，集成度非常低。而而CMOSCMOS能将图像信号放大器、信号读取电路、能将图像信号放大器、信号读取电路、A/DA/D转换电路、转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，集成度高，图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，集成度高，芯片级相机的概念也是从这里产生的。芯片级相机的概念也是从这里产生的。 (3) (3) 速度：速度：CCDCCD采用这个光敏元输出，只能按规定的程序输采用这个光敏元输出，只能按规定的程序输出，速度较慢。出，速度较慢。CMO

36、SCMOS有多个电荷有多个电荷- -电压转换器和行列开关控电压转换器和行列开关控制，读出速度较快。此外，制，读出速度较快。此外，CMOSCMOS的地址选通开关可随机采样，的地址选通开关可随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可获得更高的速度。实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可获得更高的速度。(4) (4) 噪声：噪声：CCDCCD采用采用PNPN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量相对质量相对CMOSCMOS有一定的优势。而有一定的优势。而CMOSCMOS的集成度较高，各元件、的集成度较高，各元件、电路之间距离很近，干扰较为严重，噪声对图片质量影响很

37、电路之间距离很近，干扰较为严重，噪声对图片质量影响很大。大。(5) (5) 功耗：功耗：CCDCCD需要需要3 3路电源来满足特殊时钟的需求，功耗较路电源来满足特殊时钟的需求，功耗较大；大；CMOSCMOS只需一个电源供电，功耗仅为只需一个电源供电，功耗仅为CCDCCD的的1/101/10。 特点特点CCDCMOS性能性能CCDCMOS输出的像素信号输出的像素信号电荷包电压响应度响应度中较高芯片输出的信号芯片输出的信号电压（模拟）数据位（数字）动态范围动态范围高中相机输出的信号相机输出的信号数据位（数字）数据位（数字）一致性一致性高中填充因子填充因子高中快门一致性快门一致性快速，一致较差放大器

38、适配性放大器适配性不涉及中速度速度中到高更高系统噪声系统噪声低中到高图像开窗功能图像开窗功能有限非常好系统复杂度系统复杂度高低抗拖影性能抗拖影性能高（可达到无拖影）高芯片复杂度芯片复杂度低高时钟控制时钟控制多时钟单时钟相机组件相机组件PCB + 多芯片+镜头单芯片 + 镜头工作电压工作电压较高较低类别CCDCMOS原理相关填充因子高中感光量体现电荷电压信号输出形式（电压）模拟位（数字）灵敏度优良动态范围优良一致性高低，中窗口选择受限可扩展抗光晕高-无高信号匹配程度高低快门一致性快（FF除外）差速度中-高较高类别CCDCMOS生产相关生产线专用，技术复杂通用，在存储器生产线基础上集成情况低，需要

39、外部多片芯片配合实现高，单片高度集成应用相关相机开发难度高低系统功耗高（1）低（1/101/100）体积大-中小成本高低抗辐射能力弱强 从以上的对比可以看出：从以上的对比可以看出：CCDCCD在图像的质量上更有优势。在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用而常见的高速摄像头则会采用CMOSCMOS芯片。芯片。5. CCD5. CCD成像器件成像器件 通常实用通常实用CCDCCD成像器件都是在一块硅片上同时制作出成像器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和光电二极管阵列和CCDCCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，专门

40、用来完成光电变换和光积分， CCDCCD移位寄存器专门用移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。来完成光生电荷转移。根据光敏像素的排列方式，根据光敏像素的排列方式，CCDCCD成像成像器件分为线阵列和面阵列两大类。其中线阵芯片中的像元器件分为线阵列和面阵列两大类。其中线阵芯片中的像元呈一维线型排列，面阵芯片中的像元呈二维阵列。呈一维线型排列，面阵芯片中的像元呈二维阵列。线阵列线阵列CCD成像器件成像器件单通道线型单通道线型CCD 单沟道线阵CCD具有一行移位寄存器，且与像敏元阵列并排，电荷转移到移位寄存器后，在时钟的作用下一位一位地读出。其性能受转移效率的影响，但输出信号性能比较均衡。线阵列线阵列

41、CCD成像器件成像器件多通道线阵多通道线阵CCD 双沟道线阵CCD具有两行移位寄存器，且分列在像敏元阵列的两边。光电荷按照预定的方向转移到对应的移位寄存器内，然后在时钟的作用下分别读出。其转移时间较快，对于像素比较多的CCD器件经常会出现多通道输出。线阵列线阵列CCD成像器件成像器件TDI CCDTDI（Time Delay and Integration）是一种扫描方式，）是一种扫描方式，是基于对同一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。是基于对同一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。TDI CCD比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。 TDI CCD

42、成像器件成像器件当当TDI CCD TDI CCD 以以N N级级TDITDI模式工作时，信号电荷从成像阵列的顶端转模式工作时，信号电荷从成像阵列的顶端转移到串行寄存器之前，图像被成像阵列曝光了移到串行寄存器之前，图像被成像阵列曝光了N N次。因此，次。因此，N N级级TDI CCDTDI CCD的曝光时间是单级的曝光时间是单级CCDCCD的的N N倍。从而，倍。从而，CCDCCD的响应度也相应的增加的响应度也相应的增加N N倍。倍。TDI CCDTDI CCD是基于对同一目标多次曝光，通过延迟积分的方法，大是基于对同一目标多次曝光，通过延迟积分的方法，大大增加了光能的收集，其输出的信号是多级

43、电荷累加的结果，因此对大增加了光能的收集，其输出的信号是多级电荷累加的结果，因此对器件的光响应不均匀性不敏感，从而提高了信号的信噪比。与一般线器件的光响应不均匀性不敏感，从而提高了信号的信噪比。与一般线阵阵CCDCCD相比，具有响应度高、动态范围宽等优点。在光线较暗的场所也相比，具有响应度高、动态范围宽等优点。在光线较暗的场所也能输出一定信噪比的信号，可大大改善环境条件恶劣引起信噪比太低能输出一定信噪比的信号，可大大改善环境条件恶劣引起信噪比太低这一不利因素。在空间对地面的遥感中，采用这一不利因素。在空间对地面的遥感中，采用TDI-CCDTDI-CCD器件作为焦平面器件作为焦平面探测器可以减小

44、相对孔径，从而可减小探测器重量和体积。探测器可以减小相对孔径，从而可减小探测器重量和体积。 TDI-CCDTDI-CCD的工作原理与普通线阵的工作原理与普通线阵CCDCCD的工作原理有所不同，的工作原理有所不同，它要求行扫速率与目标的运动速率严格同步，否则就不能正它要求行扫速率与目标的运动速率严格同步，否则就不能正确的提取目标的图像信息。当应用确的提取目标的图像信息。当应用TDI-CCDTDI-CCD对运动目标成像对运动目标成像时，视频扫描方法相比具有一系列优点，其中包括灵敏度高、时，视频扫描方法相比具有一系列优点，其中包括灵敏度高、动态范围大等。它允许在限定光强时提高扫描速度，或在常动态范围

45、大等。它允许在限定光强时提高扫描速度，或在常速扫描时减小照明光源的亮度，减小了功耗，降低了成本。速扫描时减小照明光源的亮度，减小了功耗，降低了成本。此外还有一个突出的优点就是在推扫方式成像时，可以在很此外还有一个突出的优点就是在推扫方式成像时，可以在很大程度上消除像移。大程度上消除像移。 TDI CCD成像器件在成像中的特点成像器件在成像中的特点（1 1） 在不牺牲高速运动景像分辨率的前提下提高光电灵在不牺牲高速运动景像分辨率的前提下提高光电灵敏度；敏度；（2 2） 增加了信噪比，增加了信噪比， 这一特点使得这一特点使得TDITDI工作模式能够胜工作模式能够胜任非常低对比的成像工作；任非常低对

46、比的成像工作；（3 3） 由于由于TDITDI模式工作时，沿着列有多个像元的响应平模式工作时，沿着列有多个像元的响应平均，因此，像元的响应均匀性有很大提高；均，因此，像元的响应均匀性有很大提高；2、面阵、面阵CCD 按一定的方式将一维线型按一定的方式将一维线型CCDCCD的光敏单元及移位寄存的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵CCDCCD。根据电荷读出方式的不同，面阵根据电荷读出方式的不同，面阵CCDCCD芯片根据自身结芯片根据自身结构的差别又可分为全帧转移构的差别又可分为全帧转移(Full-frame Transfer)CCD(Full

47、-frame Transfer)CCD、帧转移帧转移(Frame Transfer)CCD(Frame Transfer)CCD和行间和行间(Interline Transfer)(Interline Transfer)转移转移CCDCCD。 全帧转移全帧转移CCD 利用CCD进行光电转换，同时将光电荷转移至水平移位寄存器内的CCD光敏面积占总面积的比例很大。但需要外接机械快门或配合频闪光源使用，光敏面积占总面积的比例很大。但需要外接机械快门或配合频闪光源使用，以保证相机在转移过程中不会因继续曝光而产生以保证相机在转移过程中不会因继续曝光而产生smearsmear现象。现象。 全帧转移全帧转移

48、CCDCCD结构相对简单，它提供了大量的填充因子，结构相对简单，它提供了大量的填充因子，每个像元既可收集光电荷，又能实现电荷转移。在电荷输出每个像元既可收集光电荷，又能实现电荷转移。在电荷输出的过程中，电荷逐行向下一行移动，依次输出。因此在电荷的过程中，电荷逐行向下一行移动，依次输出。因此在电荷输出时需要机械快门进行遮光。全帧输出时需要机械快门进行遮光。全帧CCDCCD提供了大量的满阱提供了大量的满阱容量，但由于顺序输出使帧频收到限制，同时在电荷垂直下容量，但由于顺序输出使帧频收到限制，同时在电荷垂直下移过程中要考虑抗光晕移过程中要考虑抗光晕(Antiblooming)(Antibloomin

49、g)问题。问题。 全帧转移全帧转移CCD转移示意图转移示意图 帧转移面阵帧转移面阵CCD帧转移面阵帧转移面阵CCDCCD的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数MTFMTF较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。 帧转移帧转移CCDCCD在感光区下方放置面积等大的遮光存储区，在感光区下方放置面积等大的遮光存储区，曝光结束后所有感光区内的电荷被迅速转移存储区中，在存曝光结束后所有感光区内的电荷被迅速转移存储区中，在存储区的电荷进行读出的同时，感光区可以进行下一帧的曝光。储区的电荷进行读

50、出的同时，感光区可以进行下一帧的曝光。这种设计能够有效地解决拖影的问题，但芯片的尺寸增加了这种设计能够有效地解决拖影的问题，但芯片的尺寸增加了一倍，同时功耗较高。其优点：高填充因子、高满阱容量、一倍，同时功耗较高。其优点：高填充因子、高满阱容量、高动态范围及有限高的帧频。为了提高帧频，可以利用多抽高动态范围及有限高的帧频。为了提高帧频，可以利用多抽头读出来提高。头读出来提高。 帧转移面阵帧转移面阵CCD转移示意图转移示意图 行间转移型行间转移型CCD 它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄

51、存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应于二个开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。 行间转移行间转移CCDCCD采用的感光源是光电二极管，其灵敏度较好，采用的感光源是光电二极管，其灵敏度较好，尤其是蓝光谱段灵敏度不受影响，但缺点是填充因子较低。尤其是蓝光谱段灵敏度不受影响，但缺点是填充因子较低。行间转移行间转移CCDCCD的每个像元都由感光区和遮光存储区构成，曝的每个像元都由感光区和遮光存储区构成，曝光结束后电荷被迅速的从感光区转移到各自的存

52、储区。在下光结束后电荷被迅速的从感光区转移到各自的存储区。在下一次曝光开始前，存储区的电荷被逐行下移，从统一的读出一次曝光开始前，存储区的电荷被逐行下移，从统一的读出寄存器读出。为解决填充因子低寄存器读出。为解决填充因子低(30%50%(30%50%左右左右) )的问题，可的问题，可以在每个感光区的表面增加微透镜，将更多的光线汇聚到感以在每个感光区的表面增加微透镜，将更多的光线汇聚到感光区上，采用微透镜的方式可以将填充因子提高到光区上，采用微透镜的方式可以将填充因子提高到70%70%左右。左右。 行间转移型行间转移型CCD芯片的主要性能参数芯片的主要性能参数（1 1） 分辨率和像元尺寸分辨率和

53、像元尺寸（2 2） 速度速度（3 3） 灵敏度灵敏度（4 4） 噪声、信噪比噪声、信噪比（5 5） 坏点数坏点数（6 6） 光谱响应光谱响应（7 7） 动态范围动态范围（8 8） 转移效率和损耗率转移效率和损耗率（9 9） 暗电流暗电流（1 1） 分辨率分辨率(image resolution)(image resolution)和像元尺寸：分辨率是指和像元尺寸：分辨率是指能区分图像上两个像元的最小距离。在采集图像时，图像中能区分图像上两个像元的最小距离。在采集图像时，图像中的像素对图像质量有很大的影响。对同样大的视场成像时，的像素对图像质量有很大的影响。对同样大的视场成像时，像素数量越多，对

54、细节的展示越明显。在相同的芯片尺寸下，像素数量越多，对细节的展示越明显。在相同的芯片尺寸下，像元尺寸越小，像素越多像元尺寸越小，像素越多( (分辨率越高分辨率越高) )，能获得更多的图像，能获得更多的图像细节。但随之而来的是每个像元的感光面积也越小，芯片的细节。但随之而来的是每个像元的感光面积也越小，芯片的灵敏度会随之下降。在保持像元尺寸的情况下，增大芯片面灵敏度会随之下降。在保持像元尺寸的情况下，增大芯片面积，也可使像素数目增多，这种方法的问题是芯片成本随之积，也可使像素数目增多，这种方法的问题是芯片成本随之增加。因此，在选择芯片时，要权衡各种因素，在像元尺寸、增加。因此，在选择芯片时，要权

55、衡各种因素，在像元尺寸、芯片的分辨率和成本之间平衡。芯片的分辨率和成本之间平衡。 (2) (2) 速度：指芯片设计的最高速度，主要由芯片所能承受的最高时钟决速度：指芯片设计的最高速度，主要由芯片所能承受的最高时钟决定。面阵相机称为帧频，单位定。面阵相机称为帧频，单位fps(frame per second)fps(frame per second)，即每秒钟最多，即每秒钟最多采集的帧数。线阵相机称为行频，单位采集的帧数。线阵相机称为行频，单位KHzKHz，即每秒钟最多采集的行数。，即每秒钟最多采集的行数。对运动物体成像时，相机的速度需要满足一定要求，才能清晰准确的对对运动物体成像时，相机的速度

56、需要满足一定要求，才能清晰准确的对物体成像。物体成像。(3) (3) 灵敏度：灵敏度：CCDCCD芯片的灵敏度具有两种物理意义。一种指光电器件的光芯片的灵敏度具有两种物理意义。一种指光电器件的光电转换能力，与响应率的意义相同，即芯片的灵敏度指在一定光谱范围电转换能力，与响应率的意义相同，即芯片的灵敏度指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压内，单位曝光量的输出信号电压( (或电流或电流) )，单位可以为纳安，单位可以为纳安/ /勒克斯勒克斯nA/LuxnA/Lux、伏、伏/ /瓦（瓦（V/WV/W）、伏）、伏/ /勒克斯勒克斯(V/Lux)(V/Lux)、伏、伏/ /流明流明(V/lm)(

57、V/lm)。另一种。另一种定义为器件所能传感的最低辐射功率定义为器件所能传感的最低辐射功率( (或照度或照度) )，与探测率的意义相同，与探测率的意义相同，单位可用瓦（单位可用瓦（W W）或勒克斯（）或勒克斯（LuxLux）表示。）表示。(4) (4) 噪声、信噪比：芯片噪声主要噪声、信噪比：芯片噪声主要3 3种噪声源：电荷注入种噪声源：电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声；电荷转移过程中，电器件时由电荷量的起伏引起的噪声；电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声荷量的变化引起的噪声( (仅限仅限CCD)CCD)；检测电荷时，对检测；检测电荷时，对检测的二极管进行复位时所产生的检测噪声。信噪比

58、定义为：放的二极管进行复位时所产生的检测噪声。信噪比定义为：放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常用分大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常用分贝数表示。贝数表示。(5) (5) 坏点数：芯片中的坏点坏点数：芯片中的坏点( (不能有效成像的像元或响应不不能有效成像的像元或响应不一致性大于参数允许范围的像元一致性大于参数允许范围的像元) )的数量。的数量。 (6) (6) 光谱响应：芯片对不同波长光线的响应能力，通常由光光谱响应：芯片对不同波长光线的响应能力，通常由光谱响应曲线给出。曲线的横轴是波长范围，纵轴是芯片对对谱响应曲线给出。曲线的横轴是波长范围，纵轴是芯片对对应波

59、长单位辐射功率照射下的响应度或量子效率。通过光谱应波长单位辐射功率照射下的响应度或量子效率。通过光谱响应曲线能够直观看出芯片对不同波长光纤的响应能力。响应曲线能够直观看出芯片对不同波长光纤的响应能力。CCDCCD的光谱响应是指的光谱响应是指CCDCCD对于不同波长光线的响应能力。现在对于不同波长光线的响应能力。现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为以灵敏范围为0.40.41.15m1.15m左右，但光谱特性曲线不象单个左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.

60、650.650.9m0.9m左右。左右。 (7) (7) 动态范围：动态范围动态范围：动态范围= =光敏元的满阱容量光敏元的满阱容量/ /等效噪声信号，该参数反等效噪声信号，该参数反映了器件的工作范围。满阱容量指像元势阱中能够存储的最大信号的电映了器件的工作范围。满阱容量指像元势阱中能够存储的最大信号的电荷量，主要由芯片中光敏元的感光面积、结构、时钟驱动方式及驱动脉荷量，主要由芯片中光敏元的感光面积、结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度决定。在冲电压的幅度决定。在CCDCCD中有以下几种噪声源：中有以下几种噪声源： 由于电荷注入器件由于电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声；电荷转移过程中，