CCD图像传感器详解汇总
CCD图像传感器
CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD 作图象探测元件。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。
一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理
CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。
当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
总之，上述结构实质上是个微小的MOS 电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。
二．电荷的转移与传输
CCD 的移位寄存器是一列排列紧密的MOS 电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。由上面讨论可知，MOS 电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS 电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。制造时将MOS 电容紧密排列，使相邻的MOS 电容势阱相互“沟通”。认为相邻MOS 电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm ），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS 电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。下面我们分别介绍三相和二相CCD 结构及工作原理。
1.三相CCD 传输原理
简单的三相CCD 结构如图2所示。每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极（如1、4、7……，2、5、8……，3、6、9……）都接在一起，由3个相
位相差1200 的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD ，图2（a ）为断面图；图（b ）
为俯视图；图（d ）给出了三相时钟之间的变化。在时刻t 1,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图（c ）所示。在t 2时刻φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（2、5、8……）电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t 3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一个像元），依次类推，信号电荷一直由电极1、2、3……N 向右移，直到输出。 金属
氧化物
少数载流子耗尽区
PSi （a ）
电
子
静电位能 表面势 信号电荷 势阱
（b ） 图1 CCD 结构和工作原理图
(a)用作少数载流子贮存单元的MOS 电容器剖面图 (b)有信号电荷的势阱，图上用阱底的液体代表
2．二相CCD 传输原理
CCD 中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD 中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD 中多采用二相结构.实现二相驱动的方案有:
阶梯氧化层电极
阶梯氧化层电极结构参见图3。由图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用.
设置势垒注入区(图4)
对于给定的栅压, 位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。
（a ）结构示意； (b)驱动脉冲
图3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构 图4采用势垒注入区形成二相结构
三．电荷读出方法
CCD 的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS 放大器电压法.
图2 三相CCD 传输原理图 (a)
(b) t 1
t 2
t 3
(c) (d)
t 1 t 2 t 3 t 4
图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN 结区产生耗尽层。当信号电荷通过输出栅OG 转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出。输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻R L 变为信号电压U 0输出.
图5(b)是一种浮置栅MOS 放大器读取信息电荷的方法.MOS 放大器实际是一个源极跟随器,其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS 输出管栅极上加一个MOS 复位管。在复位管栅极上加复位脉冲φR ,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位.
图5(c)为输出级原理电路,由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C 很小。如果电荷包的电荷为Q,A 点等效电容为C,输出电压为U 0，A 点的电位变化△U=－C
Q ,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS 放大器电压法。 实验仪器简介:
一、CCD 多功能实验仪
CCD 多功能实验仪外形如图6所示。它的核心是一块TCD 1206UD CCD 芯片，配以外围电路，以产生使 CCD 正常工作所需的各路驱动脉冲。仪器内部已连接好，仪器面板的右部是各路脉冲的外接线柱，方便学生对这些脉冲进行测试。面板上的积分时间设置有1—16档，显示窗显示数字大于16的设置无效。频率设置为0—3档。为减少因误操作而引起的CCD 器件损坏，仪器左前方有一个CCD 上电接钮，打开实验仪开关时CCD 上电按钮是不亮的，此时CCD 没有接通电源，可以通过CCD 实验仪上面的接线柱测量CCD 的各路驱动脉冲。按动CCD 上电按钮使之变亮，则CCD 电源接通，可观测CCD 的输出信号。实验仪后部有一个DB9数据接口，可将CCD 的输出信号与同步脉冲与其它数据处理设备连接。
（a ）输出二极管电流法 (b)浮置栅MOS 放大器电压法 (c)输出级原理电路
图6 CCD 多功能实验仪外形图
图7为TCD 1206UD 的结构示意图，它为一双通道二相驱动的线阵CCD 器件，共有2160个光敏元。奇数光敏元与其中一列移位寄存器相连，偶数光敏元与另一列移位寄存器相连。移位寄存器的像元数量与光敏光相同，相邻像元中的一个与光敏元相连，并接1φ脉冲，另一个不直接与光敏元连接，接2φ脉冲，如图4所示。
图8为各路脉冲的波形图。
SH 信号加在转移栅上。当SH 为高电平时，正值φ1为高电平。移位寄存器中的所有φ1电极下均形成深势阱，同时SH 的高电平使光敏元MOS 电容存储势阱与φ1电极下的深势阱沟通，光敏MOS 电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与φ1连接的MOS 电容转移。SH 为低电平时，光敏元与移位寄存器的连接中断，此时光敏元在外界光照作用下产生与光照对应的电荷，而移位寄存器中的信号电荷在φ1φ2时钟脉冲作用下由右向左转移，在输出端将上下两列信号按原光敏元采集的顺序合为一列后，由输出端输出。
由于结构上的安排，输出电路首先输出13个虚设单元的暗信号，再输出51个暗信号，接着输出2160个有效信号，之后再输出10个暗电流信号，接下去输出两个奇偶检
测信号，然后可输出多余的暗电流信号。由于该器件为双列并行传输的器件，所以在一个
光敏元
图7 TCD1206UD 结构示意
（补偿输出）
电源
SH 周期中至少要有1117个φ1 脉冲，即T SH ＞1117T 1。
φ2脉冲与φ1脉冲互为反相，即φ1高电平时φ2为低电平，φ1为低电平时φ2为高电平。 φR 为复位信号，对于双通道器件而言，它的周期是φ1φ2的一半，即在一个φ1φ2脉冲周期内有两个φR 脉冲，且φR 的下降沿稍超前φ1φ2的变化前沿。
S P 为像元同步脉冲，φC 为行同步脉冲，用作CCD 与其它信号存储、处理设备连接时作同步信号。U 0为输出信号。
图8 各路脉冲波形图
二、TDS210数字示波器的使用
1.数字示波器的面板图如图9（液晶显示屏位于面板的左边未画）
2.数字示波器TDS210的特点
（1）操作简单
对于一般周期性的波形，通过按“自动设置”便可以看到波形。“自动设置”的作用在于合理地设置触发电平（“释抑电平”）、电压衰减系数（“V/格”）和时基信号（“秒/格”）。
（2）可以测量波形的多种参数
可以测量周期、频率、电压平均值、电压峰-峰值、电压均方根值、波形上升时间、波形下降时间、正频宽和负频宽。
（3）具有自动计算功能
作为数字式的仪表，它具有计算的功能，能够将结果显示出来，对待测量不需要作进一步的计算，比如测量频率，只需要设置为测量频率，然后从数字示波器的屏幕上读出频率的数字即可。
（4）具有存储功能
数字示波器通过将模拟信号数字化，然后存储在示波器的存储单元中。数字示波器不断地采集外部输入的模拟信号，然后不断地更新存储器中的数据，按“运行/停止”键可以“重新/暂停”数据的采集。
通过单次触发，可以采集外部的脉冲信号，比如开关的闭合所引起的电路脉冲。利用
存储在示波器中的数据，显示的静止图象，有利于测量不太稳定的信号。
因为示波器的两路输入的黑表笔在示波器内部是公共接地的，如不注意可能会导致短路而损坏CCD实验仪器。
（3）按MEASURE按键，设置待测物理量
此时在面板左边出现五个菜单。按“测量内容选择”使之处于“信源”位置，然后通过“测量内容1——测量内容4”按键分别设置测量那路输入（ch1或ch2）；按“测量内容选择”使之处于“类型”位置，然后可以通过“测量内容1——测量内容4”按键分别设置测量那些物理量，这些物理量包括周期、频率、电压平均值、电压峰-峰值、电压均方根值、波形上升时间、波形下降时间、正频宽和负频宽等，在CCD实验中一般设置为测量周期（或频率）和电压。然后按一下“自动设置”，则相应的测量数值便显示在对应的“测量内容”位置。一次可以同时测量4个物理量。
（4）测量波型竖直方向的电压差或水平方向波的时间差，可以使用光标“CURSOR”键。按“CURSOR”，通过“测量内容选择”按键选择测量电压或时间（频率），然后将“光标1”和“光标2”分别移动到待测的两位置，此时“测量内容3”显示“光标1”的坐标数值，“测量内容4”显示“光标2”的坐标数值，“测量内容2”显示两坐标的差值，竖直方向的差值为电压，水平方向的差值为时间（系统将它认为是周期，因而同时将它转化为频率）。
（5）如果测量时波形发生变化，以至于屏幕上显示波形不够一个周期时，则此时频率和周期无法测量；如果在屏幕上不能显示波形的上下峰位置，则电压测量是错误的。在这种情况下，如果频率比较高，按一下“自动设置”便可以。对于按一下“自动设置”还是不出现周期波形的，只能根据波形的大致电压和周期通过调节“伏/格”和“秒/格”使波形稳定显示。
（6）希望当前的波形静止下来观察，请按“运行/停止”键。
注意事项:
1．CCD实验仪及示波器均属易损贵重仪器，同学们一定要在搞清原理的基础上使用。切忌乱扳乱动，切忌粗暴操作，一旦发生意外事故或出现异常现象时，应立即切断电源，并向指导老师报告，故障排除后才可继续实验。
2．作测量内容1时，CCD左边电源不要打开，CCD上电接钮指示灯应不亮。
3．关闭CCD实验仪电源后，要隔3分钟才能再开机，否则工作状态不正常。
4．CCD有一定的线性工作范围，光照太强或积分时间过长，超过了CCD的正常工作范围，CCD光敏元产生的信号电荷过多，会产生“溢出”，此时即使转移栅没打开，信号电荷也会向移位寄存器转移，使输出不正常，使用中应避免这一情况。
附录半导体的基本知识
一、什么是半导体？
在日常生活和生产实践中，大家都知道，银、铜、铝、铁等金属材料是很容易导电的，叫做导体；而塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等却很不容易导电，尽管加很高的电压，仍然基本上没有电流，通常称为电的绝缘体。
半导体的导电性能则介于导体和绝缘体之间。
为什么会出现有的物质容易导电，有的物质不容易导电这种现象呢？根本原因在于事
物内部的特性，在于物质内部原子与原子结合的方式以及原子本身的结构，看其内部运载电荷的粒子（叫做载流子）的多少和运动速度的快慢。
我们知道原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，电子分几层围绕原子核作不停的运动。比较起来，金属材料的外层电子受原子核的束缚力最小，因此有大量电子能够挣脱原子核的束缚而成为自由电子。这些自由电子就成为运载电荷的载流子，它们在外电场的作用下作定向运动而形成电流。所以金属的导电性能良好。
绝缘材料中，原子的外层电子受原子核的束缚力很大，很不容易挣脱出来，因此形成自由电子的机会非常小。绝缘材料原子结构的这一特点决定了它的导电性能很差。
半导体材料的原子结构比较特殊，其外层电子既不象导体那样容易挣脱，也不象绝缘体那样束缚很紧，这就决定了它的导电特性介于导体和绝缘体之间。
二、半导体中的另一种载流子——空穴
在半导体中不仅有电子这样的载流子，而且还有另一种载流子——空穴。那么什么叫空穴呢？
首先让我们来看半导体材料硅和锗的原子结构，如图1所示。它们的特点是最外层的电子都是四个。通常，原子的外层电子叫做价电子，有几个价电子就叫几价元素，所以硅和锗都是四价元素。
图1
当硅、锗等半导体材料制成单晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态。其中，原子之间的距离都是相等的，约为2.35×104微米。每个原子最外层的四个电子，不仅受自身原子核的束缚，而且还与周围相邻的四个原子发生联系。这时，每两个相邻的原子之间都共有一对电子。电子对中的任何一个电子，一方面围绕自身原子核运动，另一方面也时常出现在相邻的原子所属的轨道上，这样的组合叫做共价键结构，如图2(a)中所示。
（a）硅单晶共价键结构(b)热运动产生的电子—空穴对
图1
由原子理论和实践可以知道，每个原子的外层有八个电子属于比较稳定的状态，但是硅、锗的共价键结构的特点是它们的外层共有电子所受到的束缚力并不象在绝缘体里那样紧，在一定的温度下，由于热运动，其中少数电子还是可能挣脱束缚而成为自由电子，形成为电子载流子。
值得注意的是，共有电子在挣脱束缚成为自由电子后，同时留下了一个空位，见图2（b）。有了这样一个空位，附近的共有电子就很容易来进行填补，从而形成共有电子的运动。这种运动，无论是效果上还是现象上，都好象一个带正电荷的空位子在移动。为了区别于自由电子的运动，就把这种运动叫做“空穴”运动，空位子叫做“空穴”。打个通俗的比方，好比大家坐在一起看节目，如果前面走了人出现一个空位，后面的人递补空位向前坐，看起来就好象是空位子在向后运动一样。显然，这种空位的移动同没有座位的人到处走动不一样，后者好比是自由电子的运动，而有座位的人依次递补空位的走动则好比是空穴运动。
由此可见，空穴也是一种载流子。当半导体处于外加电压作用之下，通过它的电流可以看作是由两部分组成：一部分是自由电子进行定向运动所形成的电子电流，另一部分是共有电子递补空穴所形成的空穴电流。它们的区别是，电子电流是带负电的电子的定向运动，而空穴（由于它的运动方向和电子相反）电流是带正电的空穴的定向运动。所以，在半导体中，不仅有电子载流子，而且还有空穴载流子，这是半导体导电的一个重要特性。
由于物质总是在不停地运动着，这就使得半导体里因为热运动而不断产生自由电子，同时则出现相应数量的空穴。因此，电子和空穴总是相伴而生、成对出现的，我们称之为电子-空穴对。另一方面，自由电子在运动中又会与空穴重新结合而消失，这是一种相反的过程，我们叫做复合。电子-空穴对又产生，又复合，这就是半导体里不断进行着的一对矛盾。在一定温度条件下，这对矛盾可以实现相对的平衡，这时，产生和复合的过程虽然仍在继续不断地进行，但电子-空穴对却始终维持一定的数目。
三、P型和N型半导体
上面分析的是纯单晶半导体，在这种半导体里，虽然多了一种空穴载流子，但是，载流子的总数离开实际应用的要求，也就是从具有良好导电能力的要求来看，还相差很远，所以其本身用处不大。半导体技术之所以能够这样迅速地发展，主要是由于人们能够精确地控制半导体的电学特性，而所用的方法就是在纯单晶半导体中掺入有用的杂质，使其导
电特性得到很大的改善，因而获得了重要的用途。例如，硅单晶中掺入少量的硼，就使半导体中空穴载流子的数目剧增，导电特性大为加强。这是什么道理呢？
让我们来观察图3（a ），它是掺入的硼原子与硅原子组成共价键结构的示意图。由于硼原子数目比硅原子要少得多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替了。我们知道，硼是三价元素，即外层只有三个电子，所以当它与硅原子组成共价键时，就自然形成了一个空穴。这样，掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。这种半导体内几乎没有自由电子，主要靠空穴导电，所以叫做空穴半导体，简称P 型半导体。
如果硅单晶中掺入的是磷、锑等五价元素，那么情况就又不一样了。硅原子和磷原子组成共价键之后，磷外层的五个电子中，四个电子组成共价键，多出的一个电子受原子核束缚很小，因此很容易成为自由电子。所以，这种半导体，电子载流子的数目很多，主要靠电子导电，叫做电子半导体，简称N 型半导体，如图3（b ）所示。
实际上，半导体中经常是既有P 型杂质，又有N 型杂质，那种杂质的浓度大，就由那种杂质决定其导电类型。比如，在硅中先掺入磷，成为N 型硅，然后再掺入硼，那么当硼的浓度大大超过磷时，N 型硅就转化成了P 型硅，使原子的自由电子绝大部分与空穴复合，剩下的自由电子数目就变得很少了。
总结这一节可以得出结论：决定半导体导电特性的，不仅有电子导电，而且还有空穴导电。在纯单晶中，掺入有用的杂质，可使半导体的导电特性大增强，由此获得所需要的P 型半导体和N 型半导体，作为各种半导体器件的基本组成部分。 (a)硅中掺硼形成空穴（P 型） (b) 硅中掺磷形成电子（N ）型 图3
CCD图像传感器详解汇总
CCD图像传感器 CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD 作图象探测元件。 一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。 一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理 CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。 当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
CCD图像传感器的10大优点
ＣＣＤ（Charged Coupled Device）于１９６９年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近３０多年，从初期的１０多万像素已经发展至目前主流应用的５００万像素。ＣＣＤ又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。 一般认为，ＣＣＤ图像传感器有以下优点： 1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素； 2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用较不受天候拘束； 3. 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 4. 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本； 高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到； 5. 大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的ＣＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件； 光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域； 6. 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来； 7. 体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上； 8. 低秏电力，不受强电磁场影响；
CCD图像传感器的特性.
CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。 1、光谱特性 CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱可延伸至红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明，也能使CCD图像传感器清晰地成像。光波的波长范围从几纳米到1 mm，即10-9 ~10-3m，而人眼的感光范围只在0.38~0.78 μm的范围。CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.2~1.1μm的波长范围内。特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米，即CCD 的光谱响应范围从远紫外，近紫外，可见光到近红外区，甚至到中红外区。2、分辨率 分辨率是CCD的最重要的特性，一般用器件的MTF（Modulation Transfer Function）即调制转移函数来表示。需要说明的是，CCD芯片的分辨率与后面提到的CCD摄像机的分辨率的定义是不同的。3、暗电流 暗电流产生的主要原因在于CCD器件本身的缺陷，而且这种器件本身还使得暗电流的产生也不均匀；暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围；暗电流的大小与温度的关系极为密切，温度每降低100C，暗电流约减少一半。 4、灵敏度和动态范围 CCD的灵敏度一般用最低照度表示，所谓灵敏度高就是要求在很低的照度下也能输出较为清晰（轮廓）的图像。动态范围是势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD电极面积及器件结构，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。
5、弥散现象（Blooming) 由于CCD势阱对光信号电荷的收容能力有一定的限度，所以，当高照度光局部地照射CCD单元时，电荷量将从势阱溢出，并流入邻近势阱，光产生的图像就会失真，这就是弥散现象。 6、噪声 CCD的噪声源主要有以下几种：电荷注入器件产生的噪声;电荷转移时,电荷量波动产生的噪声;电荷读出时的噪声。
CMOS-CCD图像传感器的区别
CMOS/CCD图像传感器的工作原理 虽是老声常谈，不过对于我这样的非专业人士来讲，还是要时常温习下一些基本概念的，虽然早先系统比较过 coms 和ccd ，但时间久了某些细节问题还是不能及时脱口而出。特zz一篇，写的不错。具体构造方面的细节比较，还得自己查书了。因最近正在用sony的HDV-Hc1，用的是cmos感光元件，现在的cmos产品越来越多了，前景大好。 无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积—换一种说法就是，CCD 感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD （开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS 传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而