CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS的工作原理与应用

CCD的诞生与工作原理

CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）是贝尔实验室W.S. Boyle和G.E.Smith于1970年发明，由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，且集成度高，功耗低，因此得到飞速发展。CCD是图像采集及数字化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 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当 CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

｜CCD 的比较显著特点

①技术成熟；②成像质量高；③灵敏度高，噪声低，动态范围大；④响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；⑤应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确。

CCD工作过程有四个，原理示意图如下

信号电荷产生；信号电荷存储；信号电荷传输；信号电荷检测与输出。

｜CCD的分类

CCD分类有很多种，线阵CCD、面阵CCD、全帧CCD、三线传感器CCD等。全帧CCD具有更多的功率处理能力、更好的动态范围、低噪声和传输光学分辨率，可以实时拍摄全色图像。CCD曝光通过机械快门或快门进行控制来保存图像，并行寄存器用于测光和测光值的读取。图像被投影到屏幕上的并列阵列上。这个元件接收图像信息，将其分成由离散数量决定的量化要素。这些信息流从并行寄存器流向串行寄存器。此过程将重复进行，直到所有信息都被传输。

EMCCD在传统的CCD相机里面增加了增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增电极，用于加速载流子，高速的电荷会激发更多的载流子，实现信号放大。电荷经过增益寄存器，可实现定量倍增（通常1-1000倍可调），原理如下图所示：

EMCCD通常使用背照式芯片，在弱光成像时尽可能收集所有的入射光，并且不管其他有的没的，直接将信号放大个两百倍，这样，即使是最高速的读出端口，EMCCD的等效读出噪声也可以小于1e-。而CCD只能通过增加曝光时间提高信噪比；但在观测较亮目标时，EMCCD在信号放大过程中会引入其它噪声，在相同曝光时间下，CCD或许是更好的选择。

EMCCD的典型工作模式为感光区按照指定曝光时间积分，待曝光结束后感光区电荷迅速转移到存储区，感光区可立刻进入下一次曝光；与此同时，存储区的电荷从上到下逐行进行转移；在读出过程中电荷转移至增益寄存器进行放大并读出。这种工作模式读出速度快，可以无需机械快门，通常可以每秒获取十几张图像，能够满足一些科学目标对短曝光、快读出的需求。

随着上世纪 70 年代和 80 年代固态成像应用的飞速发展， CCD 技术和制造加工在光学特性和成像质量方面得到了最优化。在上世纪末的 25年里， CCD 技术一直统领着图像传感器件的潮流，它是能集成在一块很小的芯片上的高分辨率和高质量图像传感器。

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CMOS和sCMOS

CMOS(Compementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体)，CMOS图像生成机理同样是光电效应，它的工作过程也包括电荷产生、电荷收集、电荷包转移和电荷包测量。与CCD不同的是CMOS每个像素都集成了模拟电路，四个过程在一个像素里完成，即每个像素输出的是转换完的电压信号。

CMOS应用电子快门，如卷帘快门和全局快门。

✦卷帘快门：图像是逐行读出的，这与机械快门很像，在拍摄快速移动的物体时会出现斜坡图像、晃动等现象。

✦全局快门：像素在曝光时间积累电荷，曝光结束后所有像素同时重置、同时传输到存储区域并读出，所以拍摄快速移动物体没有变形。

相比全局快门像素，卷帘快门像素读出噪声低、读出速度快，适合拍摄与相机相对静止或者一些要求低噪声和高帧频的目标图像；全局快门像素则更适合拍摄与相机之间具有相对高速运动的目标图像。电子快门相较机械快门，无需考虑快门效应和快门寿命，在实际使用中可以实现短曝光，同时维护、维修方便。

｜CMOS传感器高光时刻

电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。

与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小。

在板级版本，非常适合用于嵌入式视觉系统。速度、大小、重量、可替换性和其他因素也有助于创建强大的移动多摄像头设置。

价格战完胜，在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

2009年出现了科学级CMOS（scientific CMOS, sCMOS）技术，该技术基于CMOS的架构，通过片上相关多采样来降低噪声、调整半导体掺杂比例等提高像素满阱容量、大小增益双路读出合成高动态范围图像技术提高动态范围、二维无缝拼接技术实现大靶面等，克服了CMOS的一些缺点，实现了低噪声、高帧频、高动态范围、高分辨率、大靶面等。sCMOS作为CMOS一种类型，主要应用于科研领域。

2015 年后，随着 CMOS 芯片技术革新，原 CMOS 的性能短板（如暗噪声抑制，量子效率等）不断改善， CMOS 成像质量逐渐接近甚至超过 CCD。同时 CMOS 的低功耗，高帧速，低成本，易开发等原有优势更加明显，工业视觉的全 CMOS 时代条件逐渐成熟，国内成像器件资源开始丰富，涌现了多个具有国际水平的国产 CMOS 芯片和 FPGA 芯片厂商，在成像 CMOS 芯片方面，出现众多国产高分辨率芯片，高速芯片和高灵敏芯片，极大助力了国产工业相机的发展。

｜CMOS VS CCD、sCOMS

功能参数对比图

总结

1、现代的CMOS芯片从趋势上已逐步替代标准CCD芯片。将来的视觉相机市场的主要发展方向仍然是以 CMOS 作为基础元件核心，这不仅仅在于价格方面，而且还因为明确的技术优势，包括更快的速度、更高的分辨率、更少的图像干涉或极低的发热。

2、CCD、EMCCD、CMOS和sCMOS作为半导体感光器件，因其结构不同，特点不同。在实际检测中，选择适合的才是最好的。

3、为满足部分高端机器视觉的应用需求，国内外知名厂家不断努力，研发出了多种新型芯片技术。例如， TOF 芯片技术、多光谱芯片技术、事件类芯片、智慧芯片等，用于解决复杂场景、更多维度的图像信息采集处理。

审核编辑：郭婷