CCD图像【CCD 与CMOS 的图像传感技术】

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【关键词】CCD CMOS 图像传感技术拜耳阵列

插值算法

1 CCD传感技术工作原理

CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的

转移。它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。CCD 工作过

程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输，

和检测。

1.1 光电转换与存储

光电转换就是将光信号转换成信号电荷。

线阵CCD 是由许多光敏像元组成的，每个像

元就是一个MOS 电容器，如图1 当光照射到

CCD 上时，在栅极附近的半导体体内产生电

子- 空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，

少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。

CCD 摄象器件的光敏单元为光注入方式。

光注入电荷 QIP =ηq △ neoATC

1.2 电注入CCD

通过输入结构对信号电压或电流进行电

压流进行采样，然后将信号电压或电流转换为

信号电荷。

1.3 电荷存储

构成CCD 基本单位是MOS 电容器，当

金属电极( 称为栅) 加正压时( 衬底接地)，在

电压的作用下，就会产生—个垂直于衬底表面

的电场。在此电场的作用下，P 型硅中的多子

空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势

能较底，可以形象化地说，形成了电子的势阱，

势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深

浅”，栅电压越大，势阱越深。

1.4 CCD主要参数

CCD主要参数有总像素、有效像素、尺寸、

灵敏度、量子效率、光谱响应特性、转移效率、

不均匀度、动态范围、采样精度、线性度、噪

声等。

2 CMOS传感技术的改进

CMOS 传感技术在使用上与CCD 传感技

术的使用相比，一个最大的优势就是此种传感

技术的使用能够避免远距离以为来让图像到达

文/万璞王丽莎

在现代高新技术的迅速发展

下，CCD 与CMOS 两项传感技术不

断的进步。本文对这两项技术的

原理、拜耳阵列新方法进行探讨

和一个比较性分析。

摘要

强大的放大和缓冲功能，因此它能有效的避免

所有与电荷转移有关的CCD 器件的缺陷。主

要有以下改进：

（1）CMOS 传感技术使用的是驱动脉冲

电路，此种电路的使用能够大大简化了硬件设

计，而且硬件设计的简单性在很大程度上又能

够降低系统的能耗。因此，此种传感技术使用

单一的电源即可，耗电量小，节能环保。

（2）CCD 图像传感技术的信号读取的速

度非常的慢，花费的时间比较长，而CMOS

图像传感技术的使用大大改变了这一发展现

状，此种技术等的使用能够在收集信号的同时

读取信号，而且能够及时的处理图像信号，其

总体的使用速度比CCD图像传感技术快的多。

（3）CCD 传感技术的使用与CMOS 图

像传感技术的使用相比，其市场价格比较高，

这也是限制其应用扩展的主要的原因。CMOS

图像传感技术等的使用从其功能、系统的设计

方面具有很大的优越性。

3 传感器像素排列及插值算法

3.1 拜耳阵列

拜耳阵列是实现CCD 或CMOS 传感器拍

摄彩色图像的主要技术之一如图2。Bayer 方

式滤色器，R-G,B-G 四个单元为一组，G 是R

和B 的两倍，因为人眼的视锥细胞对绿色更

敏感。现在数码相机普遍采用的方式：R—G、

B—G 混合色亮度等于R、G、B 各分量亮度

之和，根据R、G、B 三分量比例来还原色彩。

它是一个4×4 阵列，由8 个绿色、4 个蓝色和

4 个红色像素组成，在将灰度图形转换为彩色

图片时会以2×2 矩阵进行9 次运算，最后生成

一幅彩色图形。

3.2 阵列的插值算法

ccd 或coms 都可以采用拜耳阵列的传感

方式，当光通过bayer 型阵列，经过传感器表

层绿色层将单色光照射在ccd 或coms 传感器

上，每个像素被分为了四个通道的单色光，插

值过程是通过对临近像素的信息得到本身像素

缺乏的信息，从而得到最终图像。

3.2.1 临近插值法

将bayer 型阵列中i，j 像素中缺少的基色

信息用m、n 对应此基色的像素信息值代替从

而达到插值效果，计算方法如下：

fk(i,j)=fk(m,n) （1）

这种方法称为临近算法，只考虑到各个

像素之间的相关性，是一种固定的插值处理过

程中，计算的结果会使图片出现块状化现象，

特别是图像中有色度、亮度渐变区域，会出现

很大问题。

3.2.2 双线型插值法

（bilinear）插值算法就是双线型差值，

是将RGB 不同通道单独进行插值运算，原理

为i、j 像素的某一个色彩通道而言，其采用周

边同通道的平均值，公式如下：

（2）

其中N为滤波窗口中所求通道像素个数，

ƒK（m,n）为滤波窗口中不同与ƒK（i,j）的同

通道像素。

3.3 微镜阵列

在实际的物理实现的过程中，传感器之

间是有一定空隙的，不可能做到理论上的紧密，

因此在传感器之间加上微镜，通过反射可以最

大限度获取更多的光照信息，减少噪音，从而

获取更高质量的图片。

4 小结

综上所述，CCD 图像传感技术与CMOS

图像传感技术的使用成为现今市场上广受欢迎

的传感器件，这两种传感技术的使用各有其优

点，但是也存在不足，所以，在选择使用的时

候要根据具体的情况而定。

参考文献

[1] 周红平.CCD 图像传感器原理[J]. 中国新

技术新产品,2009(20).

[2] 雷蕾. 基于CCD 与CMOS 图像传感新技术

的研究[J]. 科技创新导报,2014(14).

[3] 石东新.CMOS 与CCD 性能及其高清应用比

较[J]. 通信技术,2010(12).

作者单位

昭通学院云南省昭通市 657000

图1