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【摘 要】本文介绍了CCD图像传感器的基本原理及其分类与结构，阐述了CCD传感器的最新技术及发展方向
【关键词】CCD；图像传感器；发展；技术
1.引言
自1970年美国贝尔实验室研制成功的第一只电荷耦合器件（CCD）以来，依靠已成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得以迅速发展。CCD图像传感器作为一种新型的光电转换器，现在已被广泛的应用于摄像、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图像传感器具有体积小、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的一系列优点。它的应用领域也极其广泛，涉及到航天、航空、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、钢铁、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、电影、电视、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域。
目前，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。当今世界正处于“信息革命”时代，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。
2.CCD图像传感器的概述
2.1 CCD的概念、分类及结构
电荷耦合器件[1]（CCD）是一种新型的光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加待定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要是由光敏转换、输入结构和输出结构等部分组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且其集成度高、功耗小，已在摄像、信号处理和存贮3大领域得到广泛的应用，尤其是在图像传感器的应用方面，取得了令人瞩目的发展。
按CCD的工作特性分，可分为线性CCD和矩阵式CCD；按工艺特性分，又可分为单CCD、3CCD及Super CCD三种；按光谱分，可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。
CCD从结构上分为线阵（Linear）CCD和面阵（Area）CCD，从受光方式分为正面光照和背面光照两种。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号读出方式，其中双沟道信号读出方式的信号转移效率高。面阵CCD的结构复杂，常见的有帧转移（FT）CCD、全帧转移（FFT）CCD、隔列内线转移（IIT）CCD、帧内线转移（FIT）CCD、累进扫描内线转移（PSIT）CCD等。
CCD的工作原理：被摄物体反射光线，传到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。这个标准的视频信号同家用的录像机、VCD机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心，目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。 因为芯片生产时产生不同等级，造成CCD采集效果也大不相同。
当前CCD在成像质量暂时优于CMOS，所以在数码相机、医疗影像、卫星拍摄等对分辨率要求较高的领域CCD是主流，而另一方面由于CMOS采用标准的半导体生产工艺，生产成本低，耗电少，普遍用在手机和电脑摄像头。
3. CCD发展的新技术
随着时代的发展，技术成熟与研究深入， CCD技术水平在不断的提高，图像质量也有很大的改善，色彩更加丰富、更加逼真。近年来，出现了几种比较有代表性的新CCD技术。
3.1超级CCD技术（Super CCD）
超级CCD是富士于1999年推出，如今已经历了从第一代到第五代的快速发展。与传统的CCD相比，超级CCD在面积与感光单元数目均相同时，但不再采用普通的矩形光电二极管，而是用独特的八角形光电二极管，像素则按45度角排列为蜂窝状，控制信号通路被取消，节省下来的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光[5]，其受光效率比传统CCD的矩形二极管高。光电二极管的加大与光吸收效率的提高使每个像素吸收的电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比。普通CCD由于在互相垂直的轴上间隔较大，从而使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而 “超级”CCD互相垂直的轴上间隔则变的较窄，像素在垂直方向上的距离更紧，所以纵轴和横轴方向上的分辨率比对角线方向更高，这也就意味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。所以，在面积与感光单元数目均相同的情况下，超级CCD不管是在分辨率、动态范围上，还是在感光度、色彩再现上均有大幅度提高，而能耗却有了大幅度的下降。
3.2美国Foveon公司X3 CCD（多层感色CCD）技术
一般CCD的结构是类似蜂窝状的滤色版，下面垫上感光器，判定入射的光线是RGB三原色的哪一种，CCD的每颗像素只能从中撷取一种原色 （红、蓝、绿），然后三原色再经过讯号转换、处理，最后综合成为影像。由于像素之间的颜色需要达到平衡，所以由传统CCD拍摄的影像在放大后，则会出现朦胧和色彩失真的现象。2003年美国Foveon公司推出的X3 CCD技术的原理，是让电子科技模仿“真实底片”的感色原理，对每颗像素感色物料进行改造，在像素中同时加入三层感色层，使X3 CCD的每颗像素可同时撷取红、蓝、绿三原色[4]，依照光线的吸收波长“逐层感色”。X3 CCD在每颗像素硅晶体中均包含了3层感色物质，不同的光线会透过不同物质，达至适当的感色层才被记录。通过使用这种设计，弥补了以往因只可捕捉一种色彩而造成的影像合并问题，其中包括清晰度不足、鬼影等问题均能得到很好的解决，很大程度上提高了影像的品质和色彩表现，同时还可以减少因余光反射所产生的噪点现象，再加上内建的VPS技术（Variable Pixel Size，可变像素尺寸），将像素进行重组、使四颗像素可变成一颗独立像素，或是16颗像素变成一颗独立像素。虽然这种技术会大大减低CCD原本的解像度，但是大大提升了拍摄动态影像的效果。 3.3四色滤光CCD技术
2003年，索尼推出了新的4色CCD技术。新的四色CCD传感器，是在原来的RGB三原色的基础上又添加了一个E（Ememld），也就是说在红R、绿G、蓝（B）的基础上又添加了“祖母绿”。它通过添加E（Emerald，祖母绿）滤色镜，达到增加蓝绿色系还原来抵消黄红色系的目的，E滤镜的作用不同于单纯的绿色滤镜，它对色彩搭配的作用远远超出传统彩色滤镜中所拥有的两倍绿色滤镜[5]。它所表现的颜色特性非常接近人眼的视觉特性，能够比以往的CCD更加接近自然的颜色，特别是青绿色和红色系的颜色表现力都得到大幅度提升[6]。Sony公司将四色滤光CCD和全新处理器相接合，使色彩还原的准确度提高了一倍，得到的颜色特性非常接近人眼，特别是大大提高了对青绿色和红色系的颜色表现力，虽然增加了运算量，但是电能消耗量却减低了30%。
除此之外，还有一些如微透镜技术、空间偏执技术、VPmixCCD（垂直混合CCD）技术、HAD CCD技术、电子快门技术、电子色温校正、清晰扫描技术等新技术的接连出现及应用，都加速了CCD图像传感器技术的发展。
4. CCD的发展方向
由于CCD图像传感器应用的广泛性及性能的优良性，所以从发明至今，其发展速度惊人。尤其是近10年来， CCD图像传感器的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品，它的用量以每年超过20%的速度递增。但同时它的主要竞争对手CMOS图像传感器也在急速发展，甚至有些业界人士认为它可以取代CCD。在这样的环境形势下， CCD图像传感器不得不继续发挥自己的优势，而同时也必须克服它本身同CMOS相比存在的缺点。总之，作为高端图像传感器的CCD，仍有巨大的发展潜力。一直以来，它都把图像质量放在第一位，同时，它也在高灵敏度、高信噪比、高分辨率以及高速度这些其本身所具有的优势上继续得以发展。由于同CMOS图像传感器相比，CCD功耗过大，所以各大CCD制造厂家也都在尽力降低它的工作电压，以使其功耗有所下降。此外，采用更新的制作工艺来追求高的成品率，以降低它的生产成本，也是CCD图像传感器发展的一个重要方向。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。而作为视觉传感器的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。
5.结束语
CCD传感器具有巨大发展前景。随着科技的日益更新，CCD图像传感器逐步的向小型化、低功耗的方向发展。CCD作为传感器的主力军大有发展前途。
近年来，图像传感器中涌现出不少后起之秀，如CMOS、CIS、LBCAST等。其中CMOS的发展最为活跃，许多业界认为将会取代CCD的地位。但就目前发展而言，虽然CMOS相较CCD具有成本低、低功耗、整合度高等特点，然而在灵敏度、分辨率和噪声控制等方面与CCD相比还有很大的差距。因此，在短期内CCD仍会占领图像传感器的主导地位。
参考文献：
[1]蔡文贵.CCD技术及应用.《电子工业出版社》.1992/11/01.
[2]Charge-coupled devices and CCD sys-tems Karasev，Vladimir I《SPIE--the Inter-national Society for Optical Engine》1996.
[3]Solid state sensor arrays and CCD cam-eras，Anagnostopoulos，Constantine N《SPIE--the International Society for Optical Engine》1996.
[4]杨晓宏.CCD摄像机的新技术与新功能.《影视技术》.No.1/2004.
[5]杨博雄，肖莺.超级CCD的原理与关键技术.《技术与应用》.2005.2.
[6]黄萍莉，岳军.图像传感器CCD技术.《记录与介质》.2005 Vol6.No.1.
[7]王庆有，孙学珠.CCD应用技术.《天津大学出版社》.1993.
[8]王忠立，刘佳音，贾云得.基于CCD与CM感技术[J].光学技术，2003，（3）：1-2.
作者简介：
金婷婷，浙江温州人，1987年3月生，武警工程大学在读研究生，地址：陕西省西安市未央区三桥武警路武警工程大学研究生管理大队学员14队。
【关键词】CCD；图像传感器；发展；技术
1.引言
自1970年美国贝尔实验室研制成功的第一只电荷耦合器件（CCD）以来，依靠已成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得以迅速发展。CCD图像传感器作为一种新型的光电转换器，现在已被广泛的应用于摄像、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图像传感器具有体积小、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的一系列优点。它的应用领域也极其广泛，涉及到航天、航空、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、钢铁、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、电影、电视、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域。
目前，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。当今世界正处于“信息革命”时代，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。
2.CCD图像传感器的概述
2.1 CCD的概念、分类及结构
电荷耦合器件[1]（CCD）是一种新型的光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加待定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要是由光敏转换、输入结构和输出结构等部分组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且其集成度高、功耗小，已在摄像、信号处理和存贮3大领域得到广泛的应用，尤其是在图像传感器的应用方面，取得了令人瞩目的发展。
按CCD的工作特性分，可分为线性CCD和矩阵式CCD；按工艺特性分，又可分为单CCD、3CCD及Super CCD三种；按光谱分，可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。
CCD从结构上分为线阵（Linear）CCD和面阵（Area）CCD，从受光方式分为正面光照和背面光照两种。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号读出方式，其中双沟道信号读出方式的信号转移效率高。面阵CCD的结构复杂，常见的有帧转移（FT）CCD、全帧转移（FFT）CCD、隔列内线转移（IIT）CCD、帧内线转移（FIT）CCD、累进扫描内线转移（PSIT）CCD等。
CCD的工作原理：被摄物体反射光线，传到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。这个标准的视频信号同家用的录像机、VCD机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心，目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。 因为芯片生产时产生不同等级，造成CCD采集效果也大不相同。
当前CCD在成像质量暂时优于CMOS，所以在数码相机、医疗影像、卫星拍摄等对分辨率要求较高的领域CCD是主流，而另一方面由于CMOS采用标准的半导体生产工艺，生产成本低，耗电少，普遍用在手机和电脑摄像头。
3. CCD发展的新技术
随着时代的发展，技术成熟与研究深入， CCD技术水平在不断的提高，图像质量也有很大的改善，色彩更加丰富、更加逼真。近年来，出现了几种比较有代表性的新CCD技术。
3.1超级CCD技术（Super CCD）
超级CCD是富士于1999年推出，如今已经历了从第一代到第五代的快速发展。与传统的CCD相比，超级CCD在面积与感光单元数目均相同时，但不再采用普通的矩形光电二极管，而是用独特的八角形光电二极管，像素则按45度角排列为蜂窝状，控制信号通路被取消，节省下来的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光[5]，其受光效率比传统CCD的矩形二极管高。光电二极管的加大与光吸收效率的提高使每个像素吸收的电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比。普通CCD由于在互相垂直的轴上间隔较大，从而使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而 “超级”CCD互相垂直的轴上间隔则变的较窄，像素在垂直方向上的距离更紧，所以纵轴和横轴方向上的分辨率比对角线方向更高，这也就意味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。所以，在面积与感光单元数目均相同的情况下，超级CCD不管是在分辨率、动态范围上，还是在感光度、色彩再现上均有大幅度提高，而能耗却有了大幅度的下降。
3.2美国Foveon公司X3 CCD（多层感色CCD）技术
一般CCD的结构是类似蜂窝状的滤色版，下面垫上感光器，判定入射的光线是RGB三原色的哪一种，CCD的每颗像素只能从中撷取一种原色 （红、蓝、绿），然后三原色再经过讯号转换、处理，最后综合成为影像。由于像素之间的颜色需要达到平衡，所以由传统CCD拍摄的影像在放大后，则会出现朦胧和色彩失真的现象。2003年美国Foveon公司推出的X3 CCD技术的原理，是让电子科技模仿“真实底片”的感色原理，对每颗像素感色物料进行改造，在像素中同时加入三层感色层，使X3 CCD的每颗像素可同时撷取红、蓝、绿三原色[4]，依照光线的吸收波长“逐层感色”。X3 CCD在每颗像素硅晶体中均包含了3层感色物质，不同的光线会透过不同物质，达至适当的感色层才被记录。通过使用这种设计，弥补了以往因只可捕捉一种色彩而造成的影像合并问题，其中包括清晰度不足、鬼影等问题均能得到很好的解决，很大程度上提高了影像的品质和色彩表现，同时还可以减少因余光反射所产生的噪点现象，再加上内建的VPS技术（Variable Pixel Size，可变像素尺寸），将像素进行重组、使四颗像素可变成一颗独立像素，或是16颗像素变成一颗独立像素。虽然这种技术会大大减低CCD原本的解像度，但是大大提升了拍摄动态影像的效果。 3.3四色滤光CCD技术
2003年，索尼推出了新的4色CCD技术。新的四色CCD传感器，是在原来的RGB三原色的基础上又添加了一个E（Ememld），也就是说在红R、绿G、蓝（B）的基础上又添加了“祖母绿”。它通过添加E（Emerald，祖母绿）滤色镜，达到增加蓝绿色系还原来抵消黄红色系的目的，E滤镜的作用不同于单纯的绿色滤镜，它对色彩搭配的作用远远超出传统彩色滤镜中所拥有的两倍绿色滤镜[5]。它所表现的颜色特性非常接近人眼的视觉特性，能够比以往的CCD更加接近自然的颜色，特别是青绿色和红色系的颜色表现力都得到大幅度提升[6]。Sony公司将四色滤光CCD和全新处理器相接合，使色彩还原的准确度提高了一倍，得到的颜色特性非常接近人眼，特别是大大提高了对青绿色和红色系的颜色表现力，虽然增加了运算量，但是电能消耗量却减低了30%。
除此之外，还有一些如微透镜技术、空间偏执技术、VPmixCCD（垂直混合CCD）技术、HAD CCD技术、电子快门技术、电子色温校正、清晰扫描技术等新技术的接连出现及应用，都加速了CCD图像传感器技术的发展。
4. CCD的发展方向
由于CCD图像传感器应用的广泛性及性能的优良性，所以从发明至今，其发展速度惊人。尤其是近10年来， CCD图像传感器的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品，它的用量以每年超过20%的速度递增。但同时它的主要竞争对手CMOS图像传感器也在急速发展，甚至有些业界人士认为它可以取代CCD。在这样的环境形势下， CCD图像传感器不得不继续发挥自己的优势，而同时也必须克服它本身同CMOS相比存在的缺点。总之，作为高端图像传感器的CCD，仍有巨大的发展潜力。一直以来，它都把图像质量放在第一位，同时，它也在高灵敏度、高信噪比、高分辨率以及高速度这些其本身所具有的优势上继续得以发展。由于同CMOS图像传感器相比，CCD功耗过大，所以各大CCD制造厂家也都在尽力降低它的工作电压，以使其功耗有所下降。此外，采用更新的制作工艺来追求高的成品率，以降低它的生产成本，也是CCD图像传感器发展的一个重要方向。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。而作为视觉传感器的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。
5.结束语
CCD传感器具有巨大发展前景。随着科技的日益更新，CCD图像传感器逐步的向小型化、低功耗的方向发展。CCD作为传感器的主力军大有发展前途。
近年来，图像传感器中涌现出不少后起之秀，如CMOS、CIS、LBCAST等。其中CMOS的发展最为活跃，许多业界认为将会取代CCD的地位。但就目前发展而言，虽然CMOS相较CCD具有成本低、低功耗、整合度高等特点，然而在灵敏度、分辨率和噪声控制等方面与CCD相比还有很大的差距。因此，在短期内CCD仍会占领图像传感器的主导地位。
参考文献：
[1]蔡文贵.CCD技术及应用.《电子工业出版社》.1992/11/01.
[2]Charge-coupled devices and CCD sys-tems Karasev，Vladimir I《SPIE--the Inter-national Society for Optical Engine》1996.
[3]Solid state sensor arrays and CCD cam-eras，Anagnostopoulos，Constantine N《SPIE--the International Society for Optical Engine》1996.
[4]杨晓宏.CCD摄像机的新技术与新功能.《影视技术》.No.1/2004.
[5]杨博雄，肖莺.超级CCD的原理与关键技术.《技术与应用》.2005.2.
[6]黄萍莉，岳军.图像传感器CCD技术.《记录与介质》.2005 Vol6.No.1.
[7]王庆有，孙学珠.CCD应用技术.《天津大学出版社》.1993.
[8]王忠立，刘佳音，贾云得.基于CCD与CM感技术[J].光学技术，2003，（3）：1-2.
作者简介：
金婷婷，浙江温州人，1987年3月生，武警工程大学在读研究生，地址：陕西省西安市未央区三桥武警路武警工程大学研究生管理大队学员14队。