原创 ccd图像传感器介绍

以前用过CMOS图像传感器，除此之外还有CCD，简而言之：CMOS是数字输出，成本低、功耗小、电路处理简单，在移动终端应用较多（手机、平板、低端相机）；CCD是模拟量输出，成本较高、成像质量好、电路需进后端处理在成像和画质要求高的地方应用。

       下面就是小T收集的一些CCD方面的资料，供设计时参考。

Image Sensor

Image Sensor的分类有两种：CCD、CMOS

CCD图像传感器，Charge Coupled Device ，感光耦合组件简称。

CCD的分类：

（1）从信号传输方式上分：全帧传输CCD、隔行传输CCD两种；

（2）从滤镜类型来分：原色CCD和补色CCD；

（3）从感光单元形状和排列方式来分：普通CCD和 超级CCD。

传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数字相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4：3的标准（3：2主要仍为 DSLR 数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。  

CCD的工作原理

CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶，每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位来记录，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位甚至12位，10位或12位的CCD在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量，这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。 随着技术的进步，人们已能让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行扫描的。

Linear 纯线性

线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。

Interline Transfer 扫瞄型

CCD 的曝光步骤就如同前面所介绍的相同，IL 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快，目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。相对性的缺点则是暂存区占据了部份感光面积，因此动态范围（Dynamic Range - 系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度）较小。不过，由于速度快、成本低，市面上超过 8 成以上的数字相机都采用 IL 型 CCD 为感光组件

全景Full-Frame

全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。FF 必须使用机械快门（无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了FF CCD的连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。

Frame-Transfer 全传

帧转移CCD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至存储区中，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。这种设计能有效地解决拖影问题，但芯片尺寸增加了两倍。同时更复杂的电路设计业带来了更高功耗的问题。帧转移和全帧CCD有很多共同点，如 高填充因子，高满阱容量，高动态范围及有限的帧频。关于帧频，可以利用多抽头读出来提高。

彩色CCD和CMOS差异分析

ISO 感光度差异

CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

噪声差异

CMOS每个感光二极管旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万画素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪声就比较多。

成本差异

CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单芯片中，节省加工芯片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出信息，必须另辟传输信道，如果信道中有一个画素故障（Fail），就会导致一整排的 讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。

耗电量差异

CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出；但CCD却为被动式， 必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。

其它差异

IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在数字变焦放大之中，CMOS 必须仰赖 x,y 画面定位放大处理，否则由于个别画素放大器之误差，容易产生画面不平整的问题。制造机具上，CCD 必须特别订制的机台才能制造，也因此生产高画素的 CCD 组件产生不出日本和美国，CMOS 的生产一般内存/处理器机台即可担负。

       CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的。

     说白了CMOS使用时，需通过SCCB对内部寄存器进行配置，后续可以输出高速图像；CCD的相比较CMOS来说更底层些分为光积分、电荷存储、转移电荷、变成电压输出，周而复始如此循环。