CCD的誕生與工作原理

CCD（charge coupled device，電荷耦合器件）是貝爾實驗室W.S. Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明，由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，且集成度高，功耗低，因此得到飛速發(fā)展。CCD是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件，廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)和消費領(lǐng)域。

CCD 由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng) CCD 表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。

｜CCD 的比較顯著特點

①技術(shù)成熟；②成像質(zhì)量高；③靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；④響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；⑤應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確。

CCD工作過程有四個，原理示意圖如下

信號電荷產(chǎn)生；信號電荷存儲；信號電荷傳輸；信號電荷檢測與輸出。

｜CCD的分類

CCD分類有很多種，線陣CCD、面陣CCD、全幀CCD、三線傳感器CCD等。全幀CCD具有更多的功率處理能力、更好的動態(tài)范圍、低噪聲和傳輸光學(xué)分辨率，可以實時拍攝全色圖像。CCD曝光通過機械快門或快門進行控制來保存圖像，并行寄存器用于測光和測光值的讀取。圖像被投影到屏幕上的并列陣列上。這個元件接收圖像信息，將其分成由離散數(shù)量決定的量化要素。這些信息流從并行寄存器流向串行寄存器。此過程將重復(fù)進行，直到所有信息都被傳輸。

EMCCD在傳統(tǒng)的CCD相機里面增加了增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增電極，用于加速載流子，高速的電荷會激發(fā)更多的載流子，實現(xiàn)信號放大。電荷經(jīng)過增益寄存器，可實現(xiàn)定量倍增（通常1-1000倍可調(diào)），原理如下圖所示：

EMCCD通常使用背照式芯片，在弱光成像時盡可能收集所有的入射光，并且不管其他有的沒的，直接將信號放大個兩百倍，這樣，即使是最高速的讀出端口，EMCCD的等效讀出噪聲也可以小于1e-。而CCD只能通過增加曝光時間提高信噪比；但在觀測較亮目標時，EMCCD在信號放大過程中會引入其它噪聲，在相同曝光時間下，CCD或許是更好的選擇。

EMCCD的典型工作模式為感光區(qū)按照指定曝光時間積分，待曝光結(jié)束后感光區(qū)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)，感光區(qū)可立刻進入下一次曝光；與此同時，存儲區(qū)的電荷從上到下逐行進行轉(zhuǎn)移；在讀出過程中電荷轉(zhuǎn)移至增益寄存器進行放大并讀出。這種工作模式讀出速度快，可以無需機械快門，通?？梢悦棵氆@取十幾張圖像，能夠滿足一些科學(xué)目標對短曝光、快讀出的需求。

隨著上世紀 70 年代和 80 年代固態(tài)成像應(yīng)用的飛速發(fā)展， CCD 技術(shù)和制造加工在光學(xué)特性和成像質(zhì)量方面得到了最優(yōu)化。在上世紀末的 25年里， CCD 技術(shù)一直統(tǒng)領(lǐng)著圖像傳感器件的潮流，它是能集成在一塊很小的芯片上的高分辨率和高質(zhì)量圖像傳感器。

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CMOS和sCMOS

CMOS(Compementary Metal Oxide Semiconductor互補金屬氧化物半導(dǎo)體)，CMOS圖像生成機理同樣是光電效應(yīng)，它的工作過程也包括電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測量。與CCD不同的是CMOS每個像素都集成了模擬電路，四個過程在一個像素里完成，即每個像素輸出的是轉(zhuǎn)換完的電壓信號。

CMOS應(yīng)用電子快門，如卷簾快門和全局快門。

?卷簾快門：圖像是逐行讀出的，這與機械快門很像，在拍攝快速移動的物體時會出現(xiàn)斜坡圖像、晃動等現(xiàn)象。

?全局快門：像素在曝光時間積累電荷，曝光結(jié)束后所有像素同時重置、同時傳輸?shù)酱鎯^(qū)域并讀出，所以拍攝快速移動物體沒有變形。

相比全局快門像素，卷簾快門像素讀出噪聲低、讀出速度快，適合拍攝與相機相對靜止或者一些要求低噪聲和高幀頻的目標圖像；全局快門像素則更適合拍攝與相機之間具有相對高速運動的目標圖像。電子快門相較機械快門，無需考慮快門效應(yīng)和快門壽命，在實際使用中可以實現(xiàn)短曝光，同時維護、維修方便。

｜CMOS傳感器高光時刻

電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動，電源消耗量比CCD低。

與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號處理器整合在一起，使體積大幅縮小。

在板級版本，非常適合用于嵌入式視覺系統(tǒng)。速度、大小、重量、可替換性和其他因素也有助于創(chuàng)建強大的移動多攝像頭設(shè)置。

價格戰(zhàn)完勝，在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。

2009年出現(xiàn)了科學(xué)級CMOS（scientific CMOS, sCMOS）技術(shù)，該技術(shù)基于CMOS的架構(gòu)，通過片上相關(guān)多采樣來降低噪聲、調(diào)整半導(dǎo)體摻雜比例等提高像素滿阱容量、大小增益雙路讀出合成高動態(tài)范圍圖像技術(shù)提高動態(tài)范圍、二維無縫拼接技術(shù)實現(xiàn)大靶面等，克服了CMOS的一些缺點，實現(xiàn)了低噪聲、高幀頻、高動態(tài)范圍、高分辨率、大靶面等。sCMOS作為CMOS一種類型，主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域。

2015 年后，隨著 CMOS 芯片技術(shù)革新，原 CMOS 的性能短板（如暗噪聲抑制，量子效率等）不斷改善， CMOS 成像質(zhì)量逐漸接近甚至超過 CCD。同時 CMOS 的低功耗，高幀速，低成本，易開發(fā)等原有優(yōu)勢更加明顯，工業(yè)視覺的全 CMOS 時代條件逐漸成熟，國內(nèi)成像器件資源開始豐富，涌現(xiàn)了多個具有國際水平的國產(chǎn) CMOS 芯片和 FPGA 芯片廠商，在成像 CMOS 芯片方面，出現(xiàn)眾多國產(chǎn)高分辨率芯片，高速芯片和高靈敏芯片，極大助力了國產(chǎn)工業(yè)相機的發(fā)展。

｜CMOSVS CCD、sCOMS

功能參數(shù)對比圖

總結(jié)

1、現(xiàn)代的CMOS芯片從趨勢上已逐步替代標準CCD芯片。將來的視覺相機市場的主要發(fā)展方向仍然是以 CMOS 作為基礎(chǔ)元件核心，這不僅僅在于價格方面，而且還因為明確的技術(shù)優(yōu)勢，包括更快的速度、更高的分辨率、更少的圖像干涉或極低的發(fā)熱。

2、CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS作為半導(dǎo)體感光器件，因其結(jié)構(gòu)不同，特點不同。在實際檢測中，選擇適合的才是最好的。

3、為滿足部分高端機器視覺的應(yīng)用需求，國內(nèi)外知名廠家不斷努力，研發(fā)出了多種新型芯片技術(shù)。例如， TOF 芯片技術(shù)、多光譜芯片技術(shù)、事件類芯片、智慧芯片等，用于解決復(fù)雜場景、更多維度的圖像信息采集處理。

審核編輯：郭婷