CCD器件概述..

2020/2/151CCD器件概述一、CCD概念二、CCD结构及其原理三、CCD的发展史2020/2/152在人的眼睛里，当光线穿过角膜和晶状体在视网膜上形成影像后，影像会被转化为神经信号经视神经传送到大脑，大脑最终会识别这些信息，这就是视觉成像的过程。数码相机的光学系统与人眼的结构十分相似，镜头相当于眼球，CCD就像视网膜，而LSI(信号处理器)起着大脑的作用。这其中，视网膜是决定接收到的图像的质量好坏与否的关键部件，相对应地，数码相机中的CCD也是数码相机的核心组成部分。2020/2/153固态图像传感器主要有两大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）2020/2/154CCD的概念英文全称：Charge-coupledDevice。中文全称：电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器。CCD是于1969年由美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治·史密斯（GeorgeE.Smith）所发明的。2020/2/155CCD是一种半导体集成器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。相邻两光敏元的中心距在13-16um范围内。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置。2020/2/156CCD光敏元移位寄存器CCD的结构2020/2/157CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。第一层：“微型镜头”。我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型镜片的表面积来决定。2020/2/158第二层：“分色滤色片”。目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法。这两种方法各有优缺点。RGB分色法是通过Red,Green和Blue这三个通道的颜色调节而成。CMYK是由四个通道的颜色配合而成，青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度(类似于胶卷软片对光的敏感度)，一般都可设定在800以上。2020/2/159第三层：“感光层”。这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。2020/2/1510CCD的工作性能与其单位面积上的感光像素始终存在着一种固有的矛盾：一方面，要确保CCD的工作性能，单位面积上CCD像素数就不能无限增加。因为单位面积像素数越多，意味着像素尺寸越小，导致感光度降低、信噪比下降、动态范围减小，影响其性能。另一方面，为了提高CCD的工作性能，如提高CCD的分辨率、动态范围等，又需要增加CCD的像素数，因此只能通过增大CCD的面积来提高CCD的性能。但是增大CCD的面积虽然可以增加像素数，却会导致CCD的制造成本剧增，显然也不是一个有效的解决办法。因此只有突出传统CCD的思路，改变CCD的设计结构，才能从根本上提高CCD的工作性能，满足现代摄影摄像对CCD更高的要求。2020/2/1511普通CCD中采用的是矩形光电元件，以八角形光电元件来代替，可以改变普通CCD的性能。（超级CCD）超级CCD的像素排列结构：像素之间采用蜂窝状的排列方式（如图1所示）。八角形的光电元件和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电元件的空间有效性，相对于有同样数量像素的传统CCD而言，它有更高的灵敏度、更高的信噪比和更广泛的动态范围。2020/2/1512上述技术的运用，使超级CCD性能指标有质的飞跃。主要表现为：（1）分辨率显著提高。独特的像素45°蜂窝状排列，配合大规模集成电路LSI作为信号处理器，使超级CCD分辨率比传统CCD高60％；（2）感光度、信噪比、动态范围明显改善。二极管光吸收效率的提高使这些指标明显改善。在300万像素时，这些指标会提升130％，且高光部分层次更丰富；（3）彩色还原能力提高。由于信噪比提高，采用专门LSI信号处理器，彩色还原能力提高50％。2020/2/15131970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了CCD。1969年，贝尔实验室GeorgeESmith和WillardSBoyle将可视电话和半导体泡存储技术结合发明了CCD原型。现代CCD芯片外观CCD发明者维拉·博伊尔和乔治·史密斯荣获2009年诺贝尔物理学奖！CCD的发展2020/2/1514CCD最早是被尝试拿来当内存用的，随后发现它能利用光电效应产生电荷，开启了CCD在数字影像方面的应用。1969年，当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge“Bubble”Devices)。这种装置的特点就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，于是他们便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续了这一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（FairchildSemiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（TexasInstruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100*100像素的平面装置。2020/2/151520年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。数码相机无需胶卷和冲洗、可重复拍摄和即时调整；影像可无限次复制且不会降低质量，方便永久保存，并可用于电子传送和处理。它的诞生给影像处理业带来了一场革命。2020/2/1516各国的发展1.国外的发展(1)美国是世界上最早开展CCD研究的国家,也是目前投入人力、物力、财力最多的国家,在此应用研究领域一直保持领先的地位。贝尔实验室是CCD研究的发源地,并在CCD像感器及电荷域信号处理方面的研究保持优势。麻省理工学院林肯实验室,宇航局喷气推进研究室,罗姆空间发展中心以及SRIDavidSarnoff研究中心在CCD及其应用等方面的研究保持着雄厚的实力,并形成了具有较大规模的实验研究中心。此外，还有无线电公司、通用电气公司、仙童公司、福特航空公司及EG&G公司等。在CCD传感器和应用电视技术方面,美国以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD摄像机占有绝对优势。2020/2/1517(2)日本是目前世界上CCD的生产大国,在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位，尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备基本上包揽了全世界的大部分市场。日本的CCD技术起步较晚,但发展极快,特别是日本的彩色CCD摄像机具有极强的竞争力。索尼公司在1979年用三片242(H)×242(V)像元高密度隔列转移CCD像感器首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。1980年，日立公司首先推出单片彩色CCD摄像机。1998年日本采用拼接技术开发成功了16384×12288像元即(4096×3072)×4像元的CCD图像传感器。由于日本本国的新产品更新换代速度很快,所以无论产品的产量还是质量都占据世界首位。2020/2/1518(3)法国也是开展CCD技术研究较早的国家之一，汤姆逊无线电公司(CSF)和EEV英国电子阀门公司(EnglishElectricValveCompany,简称EEV)公司是世界上生产和开发CCD产品的著名厂家。(4)此外，英国通用电气公司(GEC)和荷兰的菲利普公司在CCD技术的研究开发上也很著名。2020/2/15192.我国的发展我国的CCD研制工作起步比较晚，目前落后日欧美等先进国家10年以上。我国自行研制的第一代普通线型CCD(光敏元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD已形成系列产品；面阵CCD也基本上形成了系列化产品。2020/2/1520除可见光CCD外,国内目前还研制出了硅化铂肖特基势垒红外CCD。目前国内正在研制和开发的CCD有：512×512像元X射线CCD、512×512像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。但目前国内CCD器件的研究进展尚不够迅速,与国际先进水平相比差距很大。2020/2/1521CCD的应用领域依靠业已成熟的MOS集成电路工艺,CCD技术得以迅速发展。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其体积小、重量轻、功耗小、性能稳定、灵敏度高、动态范围大、响应速度快、生产成本低等优点，使得CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。2020/2/15222020/2/15232020/2/1524应用分类用途现有领域民用摄录一体机，视频摄像机，数字摄像机产业用CCD监视用办公大楼，停车场，金融机构，商店，工厂，医院，交通要道医疗内窥镜，X射线拍照，显微镜生产自动化检查，定位，分类，机器人，图像处理科学医学，生物学，天文学，化学研究军事遥感，侦查，制导，预警，微光夜视新闻广播节目制作，电视新闻现场采访其他车辆后视，TV电话，传真机，扫描仪，数字照相机新兴领域多媒体个人电脑，工作站图像输入，数字化静止相机，便携式终端扫描仪办公自动化，计算机输入设备即图文输入（正片、负片、投影片、X光片）传真机计算机产生的文件，彩色传真，高速传真数字化摄录一体机（记录动画）计算机输入设备，多媒体电视制作系统，广播新闻制作系统，数字化影片记录器，家电，旅游2020/2/1525科研领域：1024×1024像元以上大面阵CCD图像传感器大量用于太空探测、地质、医学、生物科学以及遥感、遥测、低空侦察等。泰克公司和喷气推进实验室的2048×2048像元面阵CCD最早用于新一代哈勃太空望远镜摄谱仪和固定天文观测站。美国Recon侦察光学公司开发的5040×5040像元CCD摄像机能在一万米高空进行拍摄试验,空间分辨率达1.57英寸。2020/2/1526军事领域：CCD传感器在军事领域也发挥了很大的作用。目前主要用于导航、自动跟踪、侦察等。例如航空遥感技术，把高密度线阵CCD扫描系统安装在飞机、卫星上，由飞机、卫星完成对地面的一维扫描，由CCD在飞行的垂直方向上自扫描，即可实现高分辨率的高空摄影。2020/2/1527民用领域：CCD在民用领域的应用是十分广泛的。例如，可视电话，移动电话公司正在研究开发可带视频图像摄入和显示的手机，这个应用领域将会随无线通信需求同步扩展；电脑摄像机，在21世纪初叶，随着电脑网络系统的发展，电脑摄像机作为电脑前端和图像输入系统，CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭，借助电脑网络，实现音、视频同步远程通信；医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，