光电子器件_第六章ccd和cmos.pptx

CMOS与CCD技术自诞生以来，它们的抢位之争自诞生至今就没有停止过。

如今，依托这两大类感光元件，形成了分别应用CMOS和CCD元件的两大阵营，在硬件设备制造领域争相斗法。

在竞争中，它们努力克服各自的天生劣势，并在技术指标不断攀升的基础上，期待更大的技术突破。

一争高下由来已久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(p hotodiode)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。

这种转换的原理与“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。

比较CCD 和CMOS 的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。

简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD 旁的放大器进行放大，再串联ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。

竞争引发进步，CCD和CMOS传感器技术都在各自的劣势中试图补齐短板。

新一代的C CD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。

二者在品质上的差距在不断缩小，比如，OmniVision于2004年就推出了OV5610 CMOS 5百万像素图像传感器，它的重要意义就在于它成为第一个能够输出CCD影像品质的CMOS 图像传感器。

从此，CMOS在成像品质上的追求就显得更为游刃有余了。

CCD（电荷耦合器件）是前辈，自1969年在贝尔试验室研制成功以来，它经历多年发展，从初期的10多万像素发展至今，已经非常成熟，应用于多个领域。

而CMOS（互补金属氧化物半导体）则是后来者，它诞生于1998年，这类新型的图像传感技术被认为是代表未来的技术方向。

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。

如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，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，每个象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。

左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象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，再整合各个象素的数据。

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CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2. 成本差异：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；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，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传感器的成本会高于CMOS传感器。

3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。

CCD与CMOS的区别从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同：1.信息读取方式CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。

CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

2.速度CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。

3.电源及耗电量CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

4.成像质量CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。

由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。

近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的：1.内部结构（传感器本身的结构）CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。

光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。

在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。

每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。

这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。

但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本。

ccd cmos 工作原理
CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）
是图像传感器的两种常见类型。

它们的工作原理略有不同。

CCD工作原理：
1. 光子在CCD表面的感光区域产生电子。

2. 通过CCD的物理结构和潜在势场控制电子的移动。

3. 电子被沿着接受器上的电荷传输通道移动。

4. 电荷传输的顺序使得电子最终进入集成电荷放大器（Integrating Amplifier）。

5. 集成电荷放大器将电子转化为电压信号。

6. 数字转换电路将电压信号转化为数字形式。

CMOS工作原理：
1. 光子在CMOS感光元件上产生电荷。

2. 当电荷进入像素中的感光元件后，CMOS像素电路会将其
转换为电压信号。

3. 通过选择性放大的方式，电压信号被转换为数字形式。

总结：
CCD和CMOS图像传感器都能将光子转化为电荷或电压信号，最终转换为数字形式，但其工作原理略有不同。

CCD使用电
荷传输方式，CMOS使用电压信号转换方式。

CCD与CMOS的原理及其应用1. CCD原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的器件，它能够将光信号转换为电荷信号。

CCD的主要原理是通过在半导体表面形成一系列的电荷传输节点，将光信号转化为在节点之间传递的电荷。

下面是CCD的工作原理的详细说明：1.1 光电效应当光照射到半导体材料上时，光子能量将被半导体吸收并转化为电子能量。

这个过程被称为光电效应。

1.2 光电转换在CCD的表面，有许多由P型和N型材料构成的结构。

当光子进入CCD表面时，它们被吸收并产生电子-空穴对。

在光电效应的作用下，电子会被吸引到P型区域，形成电子井，而空穴则被吸引到N型区域，形成空穴井。

1.3 电荷传输通过在CCD中施加电压，即将电场施加到电荷传输节点上，电子和空穴井中的电荷可以被移动。

电荷从一个节点传输到另一个节点，直到最后由输出节点收集。

1.4 信号放大和读出一旦电荷被传输到输出节点，它们可以通过放大电路进行信号放大和读出。

最后，CCD将光信号转换为电信号，供后续的处理和分析。

2. CMOS原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种光电转换器件，与CCD不同的是，CMOS直接将光信号转换为电信号，并在同一芯片上集成了信号放大和读出电路。

下面是CMOS的工作原理的详细说明：2.1 光电转换CMOS使用特殊的光敏材料来感测光信号，并将其转换为电荷。

光照进入CMOS芯片，光子的能量被光敏材料吸收，并生成电子-空穴对。

2.2 光电转换层CMOS芯片上的光电转换层负责将光信号转化为电荷。

光电转换层通常由氧化锌或硒化物等材料制成。

2.3 信号放大和读出CMOS芯片集成了信号放大和读出电路，可以直接将电荷转换为电压信号。

由于信号放大和读出电路集成在同一芯片上，CMOS具有更高的集成度和更小的尺寸。

3. CCD与CMOS的应用CCD和CMOS这两种光电转换器件在不同领域具有广泛的应用。

CMOS与CCD的区别CCDCCD，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是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

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上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。

因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。

线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。

所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。

线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。

它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD 如右图所示）。

面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。

CMOS传感器CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。

ccd和cmos的原理及应用1. CCD的原理CCD（Charge-Coupled Device）是电荷耦合器件，是一种将光信号转换成电信号的光电转换器件。

其工作原理基于光电效应和电压驱动。

1.1 光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被物质中的电子吸收，电子获得能量并跃迁到更高能级，形成光电流。

1.2 电压驱动CCD中的光电元件被加上反向偏置电压，当光子照射到光电元件上时，光电子通过电场驱动并累积在晶体的电荷传输区域。

1.3 电荷传输通过时钟信号的作用，电荷传输区域的电荷会从像素区域逐行传输到输出端，形成一个电荷信号线，在输出端产生电压信号。

2. CMOS的原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种集成电路技术，也是一种光电转换器件。

与CCD相比，CMOS具有更多的优势，如功耗低、响应速度快等。

2.1 MOS结构CMOS是由n型和p型MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）组成的。

在CMOS中，n型MOS和p型MOS是互补的，通过开关控制电流的传输。

2.2 自激励放大CMOS传感器通过自激励放大来增强信号。

当光子照射到CMOS传感器上时，光电二极管产生电荷，经过MOSFET的放大作用，将电荷转化为电压信号。

2.3 功耗低与CCD相比，CMOS传感器的功耗更低。

这是因为CMOS传感器只有在需要时才会转换电荷为电压信号，工作时能量损耗较小。

3. CCD和CMOS的应用3.1 CCD的应用•数字相机：CCD传感器是数字相机中常用的光电转换器件，能够将光信号转换为数字图像。

•星空摄影：CCD传感器的高灵敏度和低噪声特性，使其成为拍摄星空的理想选择。

•物体检测：CCD传感器在工业领域中广泛应用于物体检测和视觉系统。

3.2 CMOS的应用•手机摄像头：CMOS传感器的低功耗和小尺寸，使其非常适合应用于手机摄像头，实现高质量的图像捕捉。