引言：图像传感器 模拟人眼的原理
人眼：光线落在视网膜上，视网膜链接光感受器，将光线转化为电信号，传输到大脑，大脑解码信号并产生图像感官
图像感受器：捕捉光线，光线转化为电信号，传输到处理器，产生图像

一、CCD：电耦合元件

定义补充：

像素：

图像传感器的最小感光单元，也叫感光点，由以下关键部件构成（以CMOS为例）：光电二极管、势阱、读出电路
像素尺寸 = 感光区宽度 × 高度

噪声：

图像信号中非理想、不可预测的随机波动（比如光、电、磁相互干扰，画面产生白点、阴影、拖尾、白竖条、高光溢出等）

（一）基本结构

光敏元件（捕光单元）

CCD图像传感器的核心部分是光敏元件，它是由许多光敏单元组成的阵列，这些光敏单元通常是基于半导体材料（比如硅）的光电二极管结构

传输通道

传输通道的作用是将光敏单元产生的电荷信号传输到输出端，由一系列的电极构成的，这些电极在时钟信号的控制下，形成电势势阱和势垒，使电荷能够像在传送带上一样逐行或逐列地移动

输出放大器

输出放大器位于CCD图像传感器的输出端，主要功能是将微弱电荷信号转换为电压信号，并进行放大（光敏单元产生的电荷信号通常非常小，直接输出难以进行后续的处理和传输）

控制电路

控制电路类似于CCD图像传感器的大脑，负责产生各种时钟信号来控制光敏单元的曝光、电荷的转移以及输出放大器的工作

（二）工作原理

人话：
CCD快门按键按下时，感光元件暴露在光线下，像素（感光元件）把捕捉到的光线转换成电荷，转换器把电荷转换成电压或电流，并被放大器放大，发送到模数转换器，转换成数字信号，再发送到处理器进行图像分析

原理分析
CCD的核心是通过光电效应和电荷耦合实现光信号到电信号的转换，主要步骤为以下四部分：

1. 电荷产生(光电转换）：
   光子入射至硅衬底，激发电子-空穴对：
   

   半导体材料中，光子能量大于半导体禁带宽度时，光子被吸收，其能量激发价带电子跃迁至导带，价带留下带正电的空穴。
   于是，这两种载流子的产生使材料中产生可移动导电的电荷。

2. 电荷存储：
   在P型硅衬底的MOS电容器上施加正栅压，形成电势阱（耗尽层），电子被捕获并存储于势阱中

   电势阱：电势能较低的区域对电子的束缚作用（就是绑架载流子的地方）。
   通过在半导体材料中制造电势阱，将电子和空穴被限制在特定薄层中；被限制在薄层中的电子和空穴更容易符合从而发出光子，可提高发光效率。

3. 电荷转移：
   定义：通过时序时钟电压控制相邻栅极的势阱深度变化，电荷包沿电极阵列定向移动
   特点：单一输出

   说人话：
   CCD的电荷转移分为垂直方向（列方向）和水平方向（行方向）
   像素上的电荷按照两种移动方式移动到寄存器被储存

4. 电荷输出：
   电荷包转移至输出端，经浮置扩散节点（FD）转换为电压信号，再通过放大器输出为图像数据

   被储存的电荷被（电压或电流）转换器转换为电压或电流这种电信号（电子储存在电势阱中形成点荷包，电荷注入特定电容中，根据公式，转换为电压或电流）
   

（三）分类

1. 按像素排列方式

类型	特点	适用场景
线阵CCD	像素单行排列，扫描式成像；分辨率高（16k像素），行频快（>100kHz）	工业检测、高速扫描仪、光谱分析
面阵CCD	像素二维矩阵排列，一次性成像；支持全局曝光	天文观测、医疗成像、安防监控

线阵CCD
光敏单元排列成一行，电荷转移时，电荷包转移到移位寄存器的一个单元，水平移位；电势阱会依次移动，推动电荷从一个势阱移动到下一个势阱，这个过程类似于传送带，将光敏单元产生的电荷逐个像素地传输到输出端

面阵CCD
面阵CCD的光敏单元排列成二维阵列，其电荷传输过程相对复杂，分为行传输和列传输两个阶段：

图中蓝色代表像素（感光点），黄色是行传输通道，橘色为列传输通道

行传输：首先，每一行的光敏单元产生的电荷信号在行传输通道中移动，行传输通道的电极由时钟信号控制，将电荷从一行光敏单元依次传输到下一行

列传输：当所有行的电荷信号都传输到最后一行后，这些电荷信号再通过列传输通道逐列传输到输出端。列传输通道同样由时钟信号控制，将电荷逐列移动到输出放大器。

2. 按电荷转移架构

类型	特点	适用场景
全帧转移CCD（FFT）	光敏区兼存储区，量子效率>90%；需机械快门，帧率低	天文望远镜、高分辨率显微成像
帧间转移CCD（IT）	光敏区与存储区分离，无拖影；支持电子快门，帧率高	高速摄影、内窥镜动态影像
电子倍增CCD（EMCCD）	集成增益寄存器，信号放大1000倍；单光子探测能力	微光生物成像、量子通信

3. 按光入射方式

类型	特点	适用场景
前照式（FI）	光经金属层入射，量子效率低（≈40%）；成本低	工业监控、消费级设备
背照式（BI）	光从硅衬底背面入射，量子效率>90%（紫外-近红外）；工艺复杂	深空观测、荧光显微镜

（四）使用领域

1. 天文观测
哈勃太空望远镜搭载CCD捕捉深空星系，研究暗物质分布

2. 工业自动化检测
印刷电路板缺陷检测，通过线性扫描识别微短路/断路

3. 医学影像
电子内窥镜使用EMCCD拍摄组织荧光图像，辅助早期癌症诊断

4. 专业摄影与遥感

高分辨率遥感卫星采用背照式CCD监测地表资源

二、CMOS：互补金属氧化物半导体

CMOS是CCD的创新模式，也是现代电子技术的核心。
其优势在于低功耗、高集成度、低成本、高速读取能力，涵盖了手机摄像头、数码相机等日常生活中的图像捕捉需求

（一）基本结构

和CCD图像传感器一样，CMOS图像传感器由数百万甚至上亿个像素在硅晶片上规则排列而成，构成像素阵列；每个像素的基本结构一般包含以下部分（以最常见的有源像素传感器为例）：

像素（每个像素都关联一个额外电路，CCS的电荷长距离移动过程被简化在像素内就能完成）：

每个像素包含光电二极管（PD）、传输晶体管（TX）、复位晶体管（RST）、源极跟随器（SF）放大器、行选择晶体管
每列像素共享一条总线，用于传输模拟信号

• 光电二极管（像素的核心感光元件）：
  • PIN二极管或PN结二极管

  和CCD光电转化原理一样
  光–电荷
  光电转化：将入射的光子转换成电子-空穴对（光子能量激发硅原子中的电子，使其从价带跃迁到导带，产生自由电子和空穴）
  电荷存储：光电二极管工作在反偏压状态，产生的光生电子会被收集并存储在光电二极管的耗尽区形成的势阱中，存储的电子数量与入射光的强度（光子数量）和曝光时间成正比

2. 传输晶体管：
   连接在光电二极管和浮动扩散节点之间
   其栅极由传输信号控制
   当传输信号开启时，它将光电二极管中积累的电荷包转移到浮动扩散节点

3. 浮动扩散节点(FD结点)：

电荷–电压

本质：悬浮的、高阻抗电容性节点，起到电荷向电压的转换作用
当传输晶体管打开，电荷包从光电二极管转移到FD节点时，FD节点的电压会发生变化，电压变化的幅度与转移过来的电荷量（由光强决定）成正比

4. 复位晶体管：
   在每次读取信号之前，复位信号开启，将FD节点的电压复位到一个已知的参考电平

5. 源极跟随器放大器：
   一个晶体管放大器（通常为NMOS）
   其栅极连接到FD节点
   作用：将FD节点上微弱的电压变化缓冲放大，并驱动连接在列总线上的信号线，减少信号在长距离传输中的衰减和干扰

6. 行选择晶体管（相比于CCD的创新点）：

消去CCD式的水平竖直移位，且不单独处理每个信号，通过行选择与列读取电路，每次激活一整行（列）的选通管

连接在源极跟随器的输出端和垂直的列总线之间
其栅极由行选择信号控制
当该像素所在的行被选中时，行选择晶体管开启，将该像素放大后的电压信号输出到对应的列总线上

（二）使用领域

三、CCD与CMOS的区别

（一）构造差异

CCD：
光电转化：硅衬底
传输转化：像素之外的MOS电容阵列（相比于MOS管少一些内容）
CMOS:
光电转化：光电二极管
传输转化：像素内部的集成MOS管电路（减少传输损耗）

（二）优势差异

CCD

优势：
1.噪声低：所有像素电荷经同一放大器转换，像素响应均一性极佳，同时有PV结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量好
而CMOS器件集成度高，各光电元件电路之间距离近，光、电、磁的相互干扰严重，噪声高，影响质量
2.捕捉极端光线：CCD的单光子灵敏度高，适应极端强弱光的捕捉，为活体细胞成像必备
3.分辨率高：线阵CCD单行分辨率突破16k像素，适用于宽幅扫描
4.输出信号线性度高：所有像素电荷经同一路径转换，光子-电子转换比例严格，适合精密测量

劣势：
1.成本高：须外置ADC、驱动芯片等，封装困难，逐个电信号严格处理，造价昂贵
2.消耗高：流程较复杂所需时间长、增加电池消耗

CMOS（主流）

优势：
1.集成度高：单芯片就能集成各种所需模块（ADC、时序控制、ISP等），封装简便
2.低功耗：传输时仅激活当前行，静态功耗很低
3.帧率高：行列并行增大读取速率，可同时处理整行数据，帧率达每秒千帧以上

劣势：
1.灵敏度低：CMOS在像素内完成了CCD需要靠像素和传输系统共同完成的任务，像素部分面积被放大器、金属布线层遮挡，大量入射光子无法到达感光区，导致灵敏度低
2.画质低：逐行曝光导致拍摄高速运动物体时产生"果冻效应"，牺牲画质