CCD的工作原理及应用现状

CCD的工作原理及应用现状

□许学勇

一、CCD的简介

CCD（ChargedCoupledDevice）于1969年在

贝尔试验室研制成功，后由日、美等国公司开始量产，

期间从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用

的500万像素。CCD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（DC）、摄录影机、监视摄影机

等影像产品上。对于面型CCD，根据其工作方式又分

为：帧转移型(FT：FrameTransfer)，行间转移型(IT：

InterlineTransfer)和行帧转移型(FIT：FrameInterline

Transfer)三种，根据其扫描方式又分为全帧(full

全帧型多用于专业级,隔frame)和隔行(interlline)两种，

行多用于民用级。

3、动态范围广（HighDynamicRange）：通过

数字处理的CCD信号,其动态范围可达到400%,专业

级可达到600%,可同时适用于强光和弱光，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；

4、良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强

度和输出信号大小成良好的正比关系，能很好地反映

被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本；

5、光子转换效率高（HighQuantumEfficiency）：

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，即使在黑夜远处的景物仍然还可以拍

摄到；

6、大面积感光（LargeFieldofView）：利用

半导体技术已可制造大面积的CCD晶片，目前与传

二、CCD的特点

1、高解析度（HighResolution）：像点的大小为

μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早

1/2寸、2/3寸、1/4寸到现在的1/9寸，像素数期1寸、

目已从初期的10多万增加到千万像素，以后还有继续

增加的趋势。

2、低躁声（LowNoise）高敏感度：CCD具有很低

的读出噪声和暗电流噪声，因此有比较高的信噪比

（SNR），同时具有高敏感度0.0003～0.0005LUX甚至

0LUX低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声

掩盖，所以CCD的应用基本不受气候的限制；

统胶片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在

数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件；

7、光谱响应广（BroadSpectralResponse）：从

0.4～1.1μm,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；当然根据不同的应用场

合和要求，需用滤色片或复合滤色片；

8、低影像失真（LowImageDistortion）：使用

CCD感测器，其图处理不会有失真的情形，使原物体

表面信息忠实地反应出来；

9、体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的

特性,应用广泛.

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10、低耗能，不受强电磁场影响；

11、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；

12、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使

经过一段用方便及保养容易。有些烧坏的CCD像素，

时间的带电工作后，能自我恢复。

3、CCD的物理结构，CCD有表面（沟道）CCD

（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。

首先将一块半导体基板通过光刻划分成行×列的

矩阵状,示意如下图示(4×8=32个像素单元):

三、CCD主要生产厂商：

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，主要厂商应为

索尼、飞利普，NEC和柯达公司。

四、CCD的工作原理

1、CCD(ChargeCoupledDevice)意即电荷耦合

器件，是一种特殊的半导体。现在都习惯用CCD当作

图像传感器的代名词。现在的CCD图像传感器由三层

组成：第一层：微透镜头；第二层：分色镜片；第三层：

感光、储存、转移电荷(CCD)层。如下图：

每个单元为一个像素单元,在每个像素单元里,制

电荷储存区、电荷转移作出一个光感区(光感二极管)、

区和益漏沟槽、电极等。如下图简示：

2、CCD工作的基本原理：CCD的感光面是若干

个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生

的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储

的信号电荷便能在CCD内作定向传输,并输出电信

号。下图为行间转移CCD(IT:Interline

作原理图：

Transfer)的工

一个像素单元的结构示意

从上面的示意图(正面图)可以看出，每一个单元

对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作

的开关场效应管，转移储存器，像素之间还有益流沟

和转移珊等，因此感光面约占每个像素面积的1/2左

右的面积，增大感光面积很重要，因为感光面积越大，

光感二极管采集的光就越多，成像质量就越高，但是，

感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部份，

真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部

份面的60%-90%，这就是所谓的开口率。但每个像素

点的面积有限，目前解决的的办法是在每个感光区前

面加一个光学透镜(索尼最先想出的解决办法)，以增

加受光面积，这就是CCD上的第一层微镜头，这样感

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光面积就由微镜片来决定了,效果非常好。

4、三种典型图像CCD的电荷转移方式结构示意

图。

5、下面以行间转移型(IT:Interline

的工作流程,说明CCD的工作原理。

Transfer)CCD

CCD结构如图下所示，包含感光二极管（Photo-

diode）、垂直寄存器、行信号输出寄存器、控制栅、电

荷检测、数摸转换器放大器等单元，其工作流程敘述

如下：

帧转移型(FT:FrameTransfer)

行场间转移型(IT:InterlineTransfer)CCD的工作流程图

下面是一个面CCD图像传感器,现在说明其从时

间顺序上的工作过程：

1、在场信号的正扫描期间,感光区的感光二极管

将其所受光的强度转换成电子并储存在感光区进行积

累；

2、在场扫描的逆扫描期(场消隐期),转移控制栅

从低电位转成高电位，开通感光区与垂直储存区

(CCD)，使感光区储存的电荷转移到垂直储存区,转移

完成后,转移控制栅电位变成低电位，结束电荷转移，

这个过程在逆扫描期(场消隐期)内完成；

3、在场的正扫描期间,储存在垂直存储单元中的

Vф2、Vф3、Vф4脉冲时序电压作用电荷，在Vф1、

行间转移CCD(IT:InterlineTransfer)

下，依次将其储存的电荷向下转移到水平存储单元

中，每个转移过程仅在每个行扫描的逆扫描期间内完

成，且每个垂直储存单元在行逆程扫描期只转移一个

像素的电荷，这样就保证每次转移后，水平输出CCD

内仅存有一行像素；

4、在行扫描的正扫期间，在Hф1、Hф2时序脉

冲电压的作用下，将已转移到水平存储单元的电荷依

完成次向左转移，并检测输出(一行图像的扫描信号)，

一行输出后，水平存储单元内的储存电荷全部转移出

去，水平存储单元清空，等待下次从垂直存储单元转

行帧转移型(FIT:FrameInterlineTransfer)

移电荷；在场正扫描期内，完成一幅图像的转移输出。

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CCD坏了，也要三块CCD同时更换；光路设计要求

高，在光通路上，要设有三基色分光镜，将全色图像分

离出R，G，B三基色图像分别对应三块CCD，且要求

三块CCD的图像必须在物理视觉上重合，生产厂家必

须将三块CCD和分色镜做在一起，所以生产成本较

高。

2、彩色单CCD的工作原理

不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的

做法是覆盖RGB（红绿蓝）三色滤光片，以1：2：1的

构成（如图示）

CCD工作时段示意图

五、彩色CCD的工作原理

CCD的像素感光特性只对光的强弱有较好的正

比关系，并且感光范围超过可见光范围，但CCD不能

识别光的颜色，只能识别光的强弱，所以CCD是色

盲，只能反映出图像的黑白图像（灰度级），如何识别

彩色图像？

单片彩色CCD结构图示

1、三基色方案的工作原理

根据三基色原理，将一幅图像分离出组成该图像

的三基色图像红（R），绿（G），蓝（B）的三幅单色图像

（当然也可以分离成其图像的三补色的单色图像），用

三块CCD

分别对其三基色图像进行独立感光，根据需要，

再将其三基色图像信号合成为全彩色图像信息信号进

行处理或输出，这就是三CCD成像原理，如下图所

示：

即由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片

分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光

片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而

索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换

为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由

此组成新的R、G、B、E四色方案。上面方案处理彩色

图像时，其清晰度只有单色CCD的1/4，为了弥补这

三基色结构图

种损失，在CCD输出后，通过计算，来恢复这一组（四

个像素）像素每个像素的RGB信号，从而提高图像的

清晰度。

计算方法和恢复方法，每家公司的算法也不相

同，同一幅图像，通过不同的恢复方法（算法）得出的

这种工作方式的优点是：清晰度高，色彩还原好，

后续处理方便。缺点是：代价高，三块CCD同时工作

并调试好才出厂；维修代价高，因为一般维修，不能对

三块CCD进行进行光学重合调整，即使其中一块

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恢复图像，也有差别，比如有的图像会偏黄，有的会偏

红，甚至对某种特定的颜色会产生错误，比如分红色

被恢复成紫色，总之不管其算法如何，都不可能完全

恢复原始图像信息，另外由于三基色的色域小于自然

其恢复后的图像色域，所以,即使通过最完美的算法，

也要产生色彩失真，只是尽量接近原始图像而已，另

外，为何有的算法(也称彩色矩阵)比较好，而其它公司

为何不采用？这是因为每家开发的算法都申请了版

权，别的公司必须付费后，才能使用，当然每家开发的

算法，也会具有自己的特点，同时也能表现自己公司

的开发能力吧。

是完成高像素数的提取，还有通过CCD的错位，即将

三块CCD中的一块CCD，在物理上向下和向右移动

1/2个像素的位置,再通过算法来提高像素,如JVC的

一些高清三CCD摄象机。

还有一点要明确,就是目前大家在选购数码产品

时，都很注意某个产品的像素个数,如300万、1000万

等，但都不太注意CCD的大小，比如，2/3英寸400万

像素的CCD，其每个像素的感光面积比2/3英寸500

万像素的CCD大，因此每个光二极管的感光面积就较

大，成像质量就会高于500万像素的2/3英寸CCD。

所以要在同样大小CCD的情况下比较像素才有意义。

比如单反数码照相机大都使用较大面积尺寸的单片彩

六、关于一些概念的解释

关于像素的概念，一些关于CCD像素的表述中

会提到像素和有效像素，像素就是CCD的感光点（感

光二极管）的个数，有效像素是通过计算后恢复的像

素个数，有效像素一般远大于CCD的实际像素，而单

片彩色CCD的彩色像素个数是其像素的1/4，通过计

算恢复后,输出的彩色像素个数基本恢复到CCD的原

有像素的个数,但恢复图像会产生失真，而三CCD的

彩色像素没有进行恢复计算，所以失真很少，其像素

的多少就是单片CCD物理像素的多少，在其说明书中

只表述像素的多少，而通过计算后得出的像素个数(不

一般都称为有效像素。管是单片CCD还是3CCD)，

由于大规模处理电路（DSP）的迅速发展，现在16

比特量化的高速计算集成电路已经开始普遍使用，比

较复杂的算法方法都可以实时计算实现，减少了硬件

的使用数量,这样,不仅减少了成本,也减少了功耗,所

以现在基本上都通过计算（算法）来提高图像的像素

可以不数量（清晰度），包括高清。这样做的好处还有：

通过提高CCD的物理像素，而是通过计算处理,来提

高输出图像的像素个数，既有效像素的数量，提高输

出图像的质量，降低成本。

提高像素数量的具体方法很多，比如，通过单片

CCD上使用两组电路并行处理一幅图像方法，目的也

色CCD，专业和广播级摄像机基本都使用大面积的

CCD。

既然大面积CCD的成像优势这么明显，为何不

都做成大的图象CCD？原因很多：一、制造成本比小面

积CCD高几倍；二、功耗大；三、使用限制多等，除特

别要求外，都不会使用大面积CCD。

目前，CMOS图像传感器有了较大的发展,许多大

松下,JVC等都在其民用产品和的生产厂商,如SONY，

准专业产品上大量使用，但目前其图像质量还比不上

CCD输出的图像质量，由于其使用灵活、生产成本低

等优势，使得CMOS图像传感器的使用越来越广泛，

随着CMOS技术的不断提高，CMOS图象传感器在大

多情况下很可能会取代CCD。

参考书目：

/CMOS图象传感器基础与应用［日］米本

和也著.科学出版社

2.光电子技术(第二版)主编:梅遂生,副主编:王戎

瑞.国防工业出版社

3.2007年JVC专业摄象机培训资料

（作者单位：江苏省徐州市广播电视台）

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