CCD的构成和原理

CCD的构成和原理

CCD（电荷耦合器件Charge Coupled Device ） CMOS（互补金属氧化半导体Complementary Metal Oxide Semiconductor） 无轮是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为捕获影像的基本手段。(a) CCD传感器： 1. CCD感光元件的核心是感光二极管(photodiode)，该二极管在接受光线照射后产生输出电流，电流强度与光照强度相对应。 2. CCD感光元件除包括感光二极管之外，在其周边还包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，但感光二极管占据了绝大数面积，也就是说CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电流也较强，表现在输出结果上即捕捉的图像内容丰富、清晰； 3. 工作原理：在接受光照后，感光元件产生相对应的电流，电流大小与光强相对应，因此感光元件输出的电信号是模拟的。在CCD中，每个感光元件并不对此做进一步处理，而是将电信号直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后在输出给第三个感光元件，依次类推，知道结合最后一个感光元件的信号最终形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号很微弱，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理，这项任务由传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获的同样幅度的增大，但由于CCD本身无法进行AD转换，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。(b) CMOS传感器： 1. CMOS感光元件的核心也是感光二极管。 2. 除感光二极管外，周边还包括放大器与模数转换器，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，因此有效感光面积较小，捕捉的光信号明显小于CCD元件，表现在输出结果上，就是图像细节丢失严重且噪声明显。 3 工作原理：CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。 简单来讲，CCD中的每个感光元件的输出是模拟电信号，但并不直接对每个电信号进行放大和AD转换，而是把所有的电信号都叠加在一起形成统一的模拟输出，然后再利用CCD中的传感器统一进行放大，最后利用专用的AD转换芯片转换成数字信号。而CMOS呢，本身带有放大器和AD转换器，即每个感光元件输出模拟电信号后，直接被该感光元件中的放大器（本身是模拟器件）放大，然后进行AD转换，等价于每个感光元件直接产生一个数字输出。