CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS传感介绍

CCD的诞生和工作原理

电荷耦合器件(CCD)是贝尔实验室的W.S .博伊尔和G.E .史密斯于1970年发明的。由于它具有光电转换、信息存储、时间延迟和电信号顺序传输等功能，因此在高集成度、低功耗方面发展迅速。CCD是图像采集和数字处理必不可少的关键器件，广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业和消费领域。

CCD由许多感光单元组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面被光照射时，每个光敏单元都会反射模块上的电荷，所有光敏单元产生的信号叠加在一起形成一幅完整的画面。

|CCD的更显著的特征

技术成熟；成像质量高；高灵敏度、低噪声、大动态范围；响应速度快，具有自扫描功能，图像失真小，无残像；采用VLSI工艺制作，像素集成度高，尺寸精确。

CCD工作过程有四种，示意图如下。

信号电荷产生；信号电荷存储；信号电荷传输；信号电荷检测和输出。

CCD的分类

CCD的分类有很多种，线阵CCD、面阵CCD、全帧CCD、三线阵传感器CCD等等。全帧CCD具有更强的功率处理能力、更好的动态范围、低噪声和透射光学分辨率，可以实时拍摄全彩色图像。CCD曝光由机械快门或快门控制保存图像，并行寄存器用于读取测光和光度值。图像被投影到屏幕上的并排阵列上。该元件接收图像信息，并将其分成由离散量确定的量化元素。这些信息从并行寄存器流向串行寄存器。这个过程将被重复，直到所有信息都被传输。

EMCCD在传统CCD相机的基础上增加了一个增益寄存器，倍增电极分布在增益寄存器中加速载流子。高速充电会激发更多的载流子，实现信号放大。电荷可以通过增益寄存器定量倍增(通常1-1000倍可调)。原理如下图所示：

EMCCD通常采用背照式芯片，在弱光成像时尽可能收集所有入射光，不考虑其他因素，直接将信号放大200倍。这样即使是最高速度的读出端口，EMCCD的等效读出噪声也可以小于1e-。但CCD只能通过增加曝光时间来提高信噪比；但在观测亮目标时，EMCCD在信号放大过程中会引入其他噪声。在相同曝光时间下，CCD可能是更好的选择。

EMCCD典型的工作模式是感光区按照规定的曝光时间进行积分，曝光后感光区的电荷迅速转移到存储区，感光区可以立即进入下一次曝光；同时，存储区的电荷自上而下逐行转移；在读取过程中，电荷被转移到增益寄存器进行放大和读取。这种工作模式读取速度快，不需要机械快门就可以获得每秒十几张的图像，可以满足一些科学目标短曝光、快速读取的需要。

随着20世纪70年代和80年代固态成像应用的快速发展，CCD技术和制造工艺在光学特性和成像质量方面得到了优化。在上个世纪末的25年里，CCD技术一直引领着图像传感器件的潮流。它是一种高分辨率和高质量的图像传感器，可以集成在一个非常小的芯片上。

CMOS和sCMOS

CMOS(互补金属氧化物半导体)，CMOS图像产生机理也是光电效应，其工作过程还包括电荷产生、电荷收集、电荷包传输和电荷包测量。与CCD不同的是，CMOS在每个像素中都集成了模拟电路，一个像素完成四个工艺，即每个像素输出一个转换后的电压信号。

CMOS使用电子快门，如卷帘快门和全局快门。

卷帘快门：逐行读取图像，类似于机械快门。拍摄快速移动的物体时，会出现斜坡影像、抖动等现象。

全局快门：曝光时间内像素积累电荷，曝光后所有像素同时复位，传输到存储区，同时读出，因此拍摄快速移动物体时不会出现变形。

相比全局快门像素，卷帘式快门像素读取噪点低，读取速度快，适用于拍摄与相机相对静止或要求低噪点高帧率的目标图像。全局快门像素更适合用相机拍摄相对高速运动的目标图像。与机械快门相比，电子快门不需要考虑快门效果和快门寿命。在实际使用中可以实现短曝光，便于维护和维修。

| |CMOS传感器高光时刻

功耗比CCD低。为了提供出色的图像质量，CCD付出了较高的功耗。为了使电荷传输顺畅，降低噪声，需要通过高压差来提高传输效果。而CMOS传感器是将每个像素的电荷转换成电压，放大后再读取，可以用3.3V电源驱动，比CCD耗电更少。

与外围电路集成度高，可以将ADC和信号处理器集成在一起，从而大大减小体积。

在板卡版本中，非常适合嵌入式视觉系统。速度、尺寸、重量、可替换性和其他因素也有助于创建强大的移动多相机设置。

价格战大获全胜。同样分辨率下，CMOS比CCD便宜，但CMOS器件产生的图像质量比CCD低。

2009年，科学CMOS (S CMOS)技术出现。它基于CMOS的架构，通过片内相关多采样降低噪声，通过调整半导体的掺杂比例提高像素的全阱容量，通过大小增益合成高动态范围图像提高动态范围，通过二维无缝拼接技术实现大目标面，克服了CMOS的一些缺点，实现了低噪声、高帧率、高动态范围、高分辨率、大目标面。作为CMOS的一种，sCMOS主要用于科学研究。

2015年后，随着CMOS芯片工艺的革新，原有CMOS的性能缺点(如暗噪声抑制、量子效率等。)得到了不断的提高，CMOS的成像质量已经逐渐接近甚至超过CCD。同时，CMOS原有的低功耗、高帧率、低成本、易开发等优势更加明显。工业视觉全CMOS时代的条件逐渐成熟，国内成像器件资源开始丰富，涌现出众多具有国际水准的国产CMOS芯片和FPGA芯片厂商。在成像CMOS芯片方面，出现了很多国产高分辨率芯片、高速芯片、高感光度芯片，对国产工业相机的发展有很大的帮助。

CMOSVS CCD、sCOMS

功能参数对比图

敲黑板总结

1、现代CMOS芯片已经逐渐取代了标准CCD芯片。未来，视觉相机市场的主要发展方向仍然是基于CMOS，这不仅是在价格上，还因为有明显的技术优势，包括更快的速度，更高的分辨率，更少的图像干扰或极低的发热量。

2、CCD、EMCCD、CMOS、sCMOS作为半导体光敏器件，由于结构不同，特性也不同。在实际检测中，最好选择合适的。

3、为了满足一些高端机器视觉的应用需求，国内外知名厂商不断努力开发各种新型芯片技术。比如TOF芯片技术、多光谱芯片技术、事件芯片、智能芯片等。用于解决复杂场景和多维图像信息的获取和处理。

黄飞