天天動態:ccd圖像傳感器原理及應用 CCD的中文全稱是電荷耦合元件嗎

哈嘍小伙伴們 ，今天給大家科普一個小知識。在日常生活中我們或多或少的都會接觸到ccd圖像傳感器原理及應用（三種CCD圖像傳感器最全介紹來了）方面的一些說法，有的小伙伴還不是很了解，今天就給大家詳細的介紹一下關于ccd圖像傳感器原理及應用（三種CCD圖像傳感器最全介紹來了）的相關內容。

CCD的中文全稱是電荷耦合元件，是一種半導體成像器件。通過被攝物體的圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD攝像機，其中的核心原件就是CCD圖像傳感器。

(資料圖片僅供參考)

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉換器現已被廣泛應用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業測量等領域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優點。

CCD是數碼相機的電子眼，它革新了攝影術，光可以被電子化地記錄下來，取代了膠片。這一數字形式極大地方便了對圖像的處理和發送，”諾貝爾獎評選委員會稱贊說，“無論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠之處，它都能給我們帶來水晶般清晰的影像。”

CCD圖像傳感器發展歷程

CCD圖像傳感器于1969年在貝爾試驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產，其發展歷程已經將近30多年，從初期的10多萬像素已經發展至目前主流應用的500萬像素。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數碼相機(DSC)、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上。

發明：

伴隨著數碼相機、帶有攝像頭的手機等電子設備風靡全球，人類已經進入了全民數碼影像的時代，每一個人都可以隨時、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領我們進入如此五彩斑斕世界的，就是美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發明的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器。

百多年來，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破，以及精密機械、化學技術的發展，照相機的功能越來越強大，使用越來越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯極富創意地發明了一種半導體裝置，可以把光學影像轉化為數字信號，這一裝置，就是CCD圖像傳感器。

發展歷程：

CCD圖像傳感器的發明，實際上是應用愛因斯坦有關光電效應理論的結果，即光照射到某些物質上，能夠引起物質的電性質發生變化。但是從理論到實踐，道路卻并不平坦。科學家遇到的最大挑戰，在于如何在很短的時間內，將每一個點上因為光照而產生改變的大量電信號采集并且辨別出來。經過多次試驗，博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導體材料，將光線照射導致的電信號變化轉換成數字信號，使得其高效存儲、編輯、傳輸都成為可能。簡單地說，CCD圖像傳感器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時費力地去沖洗膠片了。

三種CCD圖像傳感器的優缺點

CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器體系可分為全幀(FF)、幀傳輸(FT)和行間傳輸(IT)三種CCD架構。

全幀(Full-Frame)CCD

半導體區域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉移器件，這有點違反直覺，但這正是FF CCD中發生的事情。在集成過程中，像素位置響應入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過像素位置向水平移位寄存器移動。

一般情況下，我們通過應用精心定時的時鐘信號來獲得CCD像素數據，這些時鐘信號依次在器件的電荷傳輸結構中產生電位阱和電位屏障。在全幀CCD中，我們需要能夠將這些控制電壓應用到同樣起光電探測器作用的區域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。

全幀CCD相對而言比較簡單且易于制造，并且它們允許整個CCD表面具有光敏性。這使硅的給定區域中可以包含的像素數量最大化，同時也使每個像素中實際上能夠將光子轉換為電子的部分最大化。

然而，一個主要的限制是需要一個機械快門(或一個同步的、短時間的光源稱為頻閃)。CCD的光激活區并不會因為你已經決定是時候執行讀出而停止光激活。如果沒有在曝光周期完成后阻擋入射光的機械快門，則在(有意)集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達的光損壞。

這是全幀CCD的基本架構

幀傳輸(Frame-Transfer)CCD

一般來說，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(像任何其他快速移動的高精度機械設備一樣)使設計更加復雜，最終產品更加昂貴，整個系統更容易出現故障。在電池供電的應用中，驅動物理物體所需的額外能量也是不可取的。

FT-CCD允許我們保持FF-CCD的一些優點，同時(幾乎)不需要快門。這是通過將FF CCD分成兩個大小相等的部分來實現的。其中一個部分是普通的光敏成像陣列，另一個部分是屏蔽入射光的存儲陣列。

在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸到存儲陣列，然后在存儲陣列中發生讀出。當讀取存儲位置時，活動像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸CCD能夠獲得比全幀CCD更高的幀速率。

說FT架構幾乎消除了快門，因為無快門設計會遇到一個稱為垂直涂抹的問題。電荷包從活動像素到存儲位置的傳輸很快，但不是瞬間發生的，因此在垂直傳輸期間到達傳感器的光可以改變圖像信息。

FT架構的主要缺點是成本較高，并且相對于圖像質量而言面積增大，因為基本上是使用FF傳感器，然后將像素數減少兩倍。

幀傳輸CCD在全幀架構中增加了一個存儲陣列

線間傳輸(Interline-Transfer)CCD

我們需要的最后一個主要的架構改進是將集成電荷快速轉移到存儲區域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線間傳輸CCD通過提供與每個光活動位置相鄰的存儲(和傳輸)區域的網絡來實現這一點。曝光完成后，傳感器中的每個電荷包同時傳輸到非光敏垂直移位寄存器中。

因此，它的CCD能夠以最小的拖影實現電子快門，并且像FT-ccd一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發生一些涂抹。如果應用程序不需要高幀速率，則可以通過延遲積分直到讀出完成來消除此問題。

線間CCD不需要幀傳輸CCD中使用的大存儲部分，但它們引入了一個新的缺點：傳感器成為將光子轉換為電子的效率較低的手段，因為每個像素位置現在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對光不敏感，因此相對于落在像素區域上的光的量產生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過在傳感器上添加將入射光集中到每個像素的光活動區域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。

在行間傳輸架構中，存儲(和垂直傳輸)區域位于光活性柱之間。

結語：

希望這篇文章能幫助廣大讀者理解CCD圖像傳感器，以及能在設計CCD圖像傳感器時做好權衡。全幀CCD可能看起來是最“原始”的類型，但它們仍然是不需要高幀速率的系統中的首選，并且可以容忍閃光燈或機械快門的使用。幀傳輸CCD和線間傳輸CCD具有更多的用途，在某些應用中具有關鍵的優勢。

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