CCD图像传感器

CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。

CCD图像传感器已成为摄录一体机、打印机、传真机、摄像机、数码相机、扫描仪、数字摄像机和多媒体系统的核心部件。

在世界已进入信息时代的今天，以数字化、计算机、通讯、电视和多媒体为主要特征的信息革命正在兴起。作为视觉传感器的CCD摄像器件，在光电图像信息获取与处理中起着极其重要的作用。CCD图像传感器的市场十分广阔，前景十分看好。

CCD图像传感器经过近30年的发展，已经成熟并实现了商品化。CCD图像传感器从最初简单的8像元移位寄存器发展至今，已具有数百万至上千万像元。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景，因此，国际上在这方面的研究工作进行得相当活跃，美国、日本、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯、南韩等国家均投入了大量的人力、物力和财力，并在CCD图像传感器的研究和应用方面取得了令人瞩目的成果。美国和日本的器件和整机系统已进入了商品化阶段。

伴随着数码相机、带有摄像头的手机等电子设备风靡全球，人类已经进入了全民数码影像的时代，每一个人都可以随时、随地、随意地用影像记录每一瞬间。带领我们进入如此五彩斑斓世界的，就是美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明的CCD(电荷耦合器件)图像传感器。

百多年来，伴随着暗箱、镜头和感光材料制作不断取得突破，以及精密机械、化学技术的发展，照相机的功能越来越强大，使用越来越方便。 但是，直到几十年前，人们依然只能将影像记录在胶片上。拍摄影像慢慢普及，但即时欣赏、分享、传递影像还非常困难。1969年，博伊尔和史密斯极富创意地发明了一种半导体装置，可以把光学影像转化为数字信号，这一装置，就是CCD图像传感器。

CCD图像传感器的发明，实际上是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果，即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变化。但是从理论到实践，道路却并不平坦。科学家遇到的最大挑战，在于如何在很短的时间内，将每一个点上因为光照而产生改变的大量电信号采集并且辨别出来。 经过多次试验，博伊尔和史密斯终于解决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料，将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号，使得其高效存储、编辑、传输都成为可能。简单地说，CCD图像传感器就像是胶片一样，有了它，人们就再不用耗时费力地去冲洗胶片了。

中国CCD图像传感器的研制工作也在稳步地进行。第一代普通线阵CCD图像传感器(光敏元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列产品，在实验室已做出了3456、4096像元的CCPD样品;面阵CCD图像传感器已研制出32×32、75×100、108×108、150×150、320×230、256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×581、800×800像元器件。在实验室已研制出了1024×1024，2048×2048像元的器件，基本上形成了系列化产品。随着器件性能的改进，CCD摄像机也将得到迅速发展。

除可见光CCD图像传感器外，中国还研制出了线阵64、128、256、1024像元和面阵32×64、128×128、256×256像元硅化铂肖特基势垒红外CCD(Ptsi桽BIR CCD)。中国正在研制和开发的CCD有:512×512像元X射线CCD、512×512像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、 512×512像元PtSi桽BIR CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。但由于受经费、设备等因素影响，中国CCD图像传感器的研究进展尚不够迅速，还没有生产能力，与国际先进水平相比差距很大。就CCD的应用潜力而言，也最多不过发挥了1%左右。据悉，信息产业部下属研究所已从美国和俄罗斯引进可见光和红外CCD芯片生产线并开展试验工作，这将大大促进中国CCD芯片的产业化进程。

CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但该问题已经基本得到解决。CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。图像传感器又叫感光元件。

图 像传感器 ，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管(video camera tube)。随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件--图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。

感光器件是工业摄像机最为核心的部件，图像传感器有CMOS和CCD两种。CCD特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势，在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间。

CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，相信在安防行业高清摄像机未来的发展中，CMOS将占据越来越重要的地位。

C CD(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。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传感器有以下优点:

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1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素数目从10多万增加到400~500万像素;

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;

动态范围广

(High Dynamic Range):同时侦测及分辨强光和弱光，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。

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;

大面积感光

(Large Field of View):利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片，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;

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;

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;

低秏电力

不受强电磁场影响;

9. 电荷传输效率佳:该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊;

10. 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。

根据In-Stat在2001时对全球图像传感器的研究报告中指出，CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5%的市场份额，在技术发展方面，较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。