电子071 吕振远 陈荣光 武盛伟 2019/4/17 0755-83376489

光电传感器 ———图像传感器 2019/4/17 0755-83376489

主要分类 CCD Charge Coupled Device 电荷耦合器件 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补性氧化金属半导体 2019/4/17 0755-83376489

CCD CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 2019/4/17 0755-83376489

CCD结构 CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等项目，将分别叙述如下； 1. 感光二极管（Photodiode） 2. 并行信号寄存器（Shift Register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。 3. 并行信号寄存器（Transfer Register）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。 4. 信号放大器：用于放大微弱电信号。 5. 数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。 2019/4/17 0755-83376489

CCD的工作原理 CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，将分别叙述如下； 微型镜头 分色滤色片 感光层 2019/4/17 0755-83376489

1. 微型镜头 微型镜头为CCD的第一层，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。 2019/4/17 0755-83376489

2. 分色滤色片 分色滤色片为CCD的第二层，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，几乎所有人类眼睛可以识别的颜色，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。 2019/4/17 0755-83376489

3. 感光层 感光层为CCD的第三层，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。 2019/4/17 0755-83376489

CMOS CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。 2019/4/17 0755-83376489

CMCMOS图像传感器基本工作原理OS 首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。 2019/4/17 0755-83376489

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CCD与CMOS传感器的性能比较 ISO感光度 分辨率 噪点 耗电量 成本 2019/4/17 0755-83376489

ISO感光度 由于CMOS每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成，还包含了放大器与数模转换电路，过多的额外设备缩小了单一像素感光区域的表面积，因此相同像素下，同样的尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。 2019/4/17 0755-83376489

分辨率 由于CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器。 2019/4/17 0755-83376489

噪点 由于CMOS每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪点就会增加很多，影响图像品质。 2019/4/17 0755-83376489

耗电量 CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；而CCD传感器为被动式采集，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12~18V，因此CCD还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。 2019/4/17 0755-83376489

成本 由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的制造成本会高于CMOS传感器。 2019/4/17 0755-83376489

CCD与CMOS传感器的前景 CCD在影像品质等方面均优于CMOS，而CMOS则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异将逐渐减小，新一代的CCD传感器一直在功耗上作改进，而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。相信不断改进的CCD与CMOS传感器将为我们带来更加美好的数码影像世界。 2019/4/17 0755-83376489

THE END 2019/4/17 0755-83376489