CCD器件概述最新

1、2022-3-81CCD器件概述器件概述一、一、CCDCCD概念概念二、二、CCDCCD結(jié)構(gòu)及其原理結(jié)構(gòu)及其原理三、三、CCDCCD的發(fā)展史的發(fā)展史2022-3-82 在人的眼睛里，當(dāng)光線穿過角膜和晶狀體在視網(wǎng)膜上形成影像后，影像會(huì)被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)經(jīng)視神經(jīng)傳送到大腦，大腦最終會(huì)識(shí)別這些信息，這就是視覺成像的過程。 數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)與人眼的結(jié)構(gòu)十分相似，鏡頭鏡頭相當(dāng)于眼球眼球，CCD就像視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜，而LSI(信號(hào)信號(hào)處理器處理器)起著大腦大腦的作用。這其中，視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜是決定接收到的圖像的質(zhì)量好壞與否的關(guān)鍵部件，相對(duì)應(yīng)地，數(shù)碼相機(jī)中的CCD也是數(shù)碼相機(jī)的核心組成部分。2022-3-83固態(tài)圖

2、像傳感器主要有兩大類：固態(tài)圖像傳感器主要有兩大類：電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）2022-3-84CCD的概念的概念英文全稱：Charge-coupled Device。中文全稱：電荷耦合元件，可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是于1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）所發(fā)明的。2022-3-85 CCD是一種半導(dǎo)體集成器件，在N型或P 型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄的

3、SiO2，再在SiO2薄層上依次沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容陣列再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。CCD由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉(zhuǎn)移柵等部分組成。相鄰兩光敏元的中心距在13-16um范圍內(nèi)。CCD可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置。2022-3-86CCD光敏元光敏元移位寄存器CCD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2022-3-87CCD的結(jié)構(gòu)為三層，第一層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。 第一層：“微型鏡頭” 。我們知道，數(shù)碼相機(jī)成像的關(guān)鍵是在于其

4、感光層，為了擴(kuò)展CCD的采光率，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而由微型鏡片的表面積來決定。 2022-3-88第二層：“分色濾色片” 。目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYK補(bǔ)色分色法。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。RGB分色法是通過Red, Green和Blue這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。CMYK是由四個(gè)通道的顏色配合而成，青(C)、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)節(jié)出來的顏色不及RGB的多。 原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫質(zhì)銳

5、利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問題。因此，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，在ISO感光度上多半不會(huì)超過400。相對(duì)的，補(bǔ)色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感光度(類似于膠卷軟片對(duì)光的敏感度 ) ，一般都可設(shè)定在800以上。2022-3-89第三層：“感光層 ” 。這層主要是負(fù)責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。 2022-3-810CCD的工作性能與其單位面積上的感光像素始終存在著一種固有的矛盾：一方面，要確保CCD的工作性能，單位面積上CCD像素?cái)?shù)就不能無限增加。因?yàn)閱?/p>

6、位面積像素?cái)?shù)越多，意味著像素尺寸越小，導(dǎo)致感光度降低、信噪比下降、動(dòng)態(tài)范圍減小，影響其性能。另一方面，為了提高CCD的工作性能，如提高CCD的分辨率、動(dòng)態(tài)范圍等，又需要增加CCD的像素?cái)?shù)，因此只能通過增大CCD的面積來提高CCD的性能。但是增大CCD的面積雖然可以增加像素?cái)?shù)，卻會(huì)導(dǎo)致CCD的制造成本劇增，顯然也不是一個(gè)有效的解決辦法。因此只有突出傳統(tǒng)CCD的思路，改變CCD的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，才能從根本上提高CCD的工作性能，滿足現(xiàn)代攝影攝像對(duì)CCD更高的要求。2022-3-811普通CCD中采用的是矩形光電元件，以八角形光電元件來代替，可以改變普通CCD的性能。（超級(jí)超級(jí)CCD）超級(jí)CCD的像素排列

7、結(jié)構(gòu)：像素之間采用蜂窩狀的排列方式（如圖1所示）。 八角形的光電元件和蜂窩狀的像素排列大大改善了每個(gè)像素單元中的光電元件的空間有效性，相對(duì)于有同樣數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信噪比和更廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。 2022-3-812上述技術(shù)的運(yùn)用，使超級(jí)CCD性能指標(biāo)有質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)為： （1）分辨率顯著提高。獨(dú)特的像素45蜂窩狀排列，配合大規(guī)模集成電路LSI作為信號(hào)處理器，使超級(jí)CCD分辨率比傳統(tǒng)CCD高60； （2）感光度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍明顯改善。二極管光吸收效率的提高使這些指標(biāo)明顯改善。在300萬像素時(shí)，這些指標(biāo)會(huì)提升130，且高光部分層次更豐富； （3）彩色還原能力提

8、高。由于信噪比提高，采用專門LSI信號(hào)處理器，彩色還原能力提高50。2022-3-8131970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了CCD。1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室George E Smith和Willard S Boyle將可視電話和半導(dǎo)體泡存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型?，F(xiàn)代CCD芯片外觀CCD發(fā)明者維拉博伊爾和喬治史密斯榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！CCD的發(fā)展的發(fā)展2022-3-814 CCD最早是被嘗試拿來當(dāng)內(nèi)存用的，隨后發(fā)現(xiàn)它能利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，開啟了 CCD 在數(shù)字影像方面的應(yīng)用。1969年，當(dāng)時(shí)貝爾

9、實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)起來后，博伊爾和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷氣泡元件”(Charge “Bubble” Devices)。這種裝置的特點(diǎn)就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，于是他們便嘗試用來做為記憶裝置，當(dāng)時(shí)只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，組成數(shù)位影像。 到了70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員已能用簡(jiǎn)單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)了這一發(fā)明，著手進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括快捷半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）、美國(guó)無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas

10、 Instruments）。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品率先上市，于1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100*100像素的平面裝置。 2022-3-815 20年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機(jī)，將影年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機(jī)，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。數(shù)碼相機(jī)無需膠卷和像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。數(shù)碼相機(jī)無需膠卷和沖洗、可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整；影像可無限次復(fù)制且不沖洗、可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整；影像可無限次復(fù)制且不會(huì)降低質(zhì)量，方便永久保存，并可用于電子傳送和處理。會(huì)降低質(zhì)量，方便永久保存，并可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業(yè)帶來了一場(chǎng)革命。它的誕生給影像處理業(yè)帶來了一場(chǎng)革命

11、。2022-3-816各國(guó)的發(fā)展各國(guó)的發(fā)展1.國(guó)外的發(fā)展(1) 美國(guó)是世界上最早開展CCD研究的國(guó)家, 也是目前投入人力、物力、財(cái)力最多的國(guó)家, 在此應(yīng)用研究領(lǐng)域一直保持領(lǐng)先的地位。貝爾實(shí)驗(yàn)室是CCD研究的發(fā)源地, 并在CCD像感器及電荷域信號(hào)處理方面的研究保持優(yōu)勢(shì)。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室, 宇航局噴氣推進(jìn)研究室, 羅姆空間發(fā)展中心以及SRI David Sarnoff 研究中心在CCD及其應(yīng)用等方面的研究保持著雄厚的實(shí)力, 并形成了具有較大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究中心。此外，還有無線電公司、通用電氣公司、仙童公司、福特航空公司及EG&G 公司等。在CCD傳感器和應(yīng)用電視技術(shù)方面, 美國(guó)以高清晰

12、度、特大靶面、低照度、超高動(dòng)態(tài)范圍、紅外波段等的CCD 攝像機(jī)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。2022-3-817(2) 日本是目前世界上CCD的生產(chǎn)大國(guó), 在民用消費(fèi)型光電產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)上堪稱世界第一位，尤其是CCD攝像機(jī)、攝錄一體化和廣播數(shù)字化電視攝錄設(shè)備基本上包攬了全世界的大部分市場(chǎng)。日本的CCD技術(shù)起步較晚, 但發(fā)展極快, 特別是日本的彩色CCD攝像機(jī)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。索尼公司在1979年用三片242(H)242 (V)像元高密度隔列轉(zhuǎn)移CCD像感器首先實(shí)現(xiàn)了R、G、B分路彩色攝像機(jī)。1980年，日立公司首先推出單片彩色CCD攝像機(jī)。1998年日本采用拼接技術(shù)開發(fā)成功了1638412288像元即(40

13、963072) 4像元的CCD圖像傳感器。由于日本本國(guó)的新產(chǎn)品更新?lián)Q代速度很快, 所以無論產(chǎn)品的產(chǎn)量還是質(zhì)量都占據(jù)世界首位。2022-3-818(3) 法國(guó)也是開展CCD技術(shù)研究較早的國(guó)家之一，湯姆遜無線電公司(CSF)和EEV英國(guó)電子閥門公司(English Electric Valve Company,簡(jiǎn)稱EEV)公司是世界上生產(chǎn)和開發(fā)CCD產(chǎn)品的著名廠家。(4) 此外，英國(guó)通用電氣公司(GEC)和荷蘭的菲利普公司在CCD技術(shù)的研究開發(fā)上也很著名。2022-3-8192.我國(guó)的發(fā)展我國(guó)的CCD研制工作起步比較晚，目前落后日歐美等先進(jìn)國(guó)家10年以上。我國(guó)自行研制的第一代普通線型CCD(光敏元

14、為MOS結(jié)構(gòu)) 和第二代對(duì)藍(lán)光響應(yīng)特性好的(光敏元為光電二極管陣列)CCPD已形成系列產(chǎn)品；面陣CCD也基本上形成了系列化產(chǎn)品。2022-3-820除可見光CCD外, 國(guó)內(nèi)目前還研制出了硅化鉑肖特基勢(shì)壘紅外CCD。目前國(guó)內(nèi)正在研制和開發(fā)的CCD有：512512像元X射線CCD、512512像元光纖面板耦合CCD像敏器件、512512像元幀轉(zhuǎn)移可見光CCD、10241024像元紫外CCD、1024像元X射線CCD、微光CCD和多光譜紅外CCD等。但目前國(guó)內(nèi)CCD器件的研究進(jìn)展尚不夠迅速, 與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距很大。2022-3-821CCD 的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域依靠業(yè)已成熟的MOS集成電路工藝

15、, CCD技術(shù)得以迅速發(fā)展。CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其體積小、重量輕、功耗小、性能穩(wěn)定、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。2022-3-8222022-3-8232022-3-8242022-3-825科研領(lǐng)域：10241024像元以上大面陣CCD圖像傳感器大量用于太空探測(cè)、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)以及遙感、遙測(cè)、低空偵察等。泰克公司和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的20482048像元面陣CCD最早用于新一代哈勃太空望遠(yuǎn)鏡攝譜儀和

16、固定天文觀測(cè)站。美國(guó)Recon偵察光學(xué)公司開發(fā)的50405040像元CCD攝像機(jī)能在一萬米高空進(jìn)行拍攝試驗(yàn), 空間分辨率達(dá)1.57英寸。2022-3-826軍事領(lǐng)域：CCD傳感器在軍事領(lǐng)域也發(fā)揮了很大的作用。目前主要用于導(dǎo)航、自動(dòng)跟蹤、偵察等。例如航空遙感技術(shù)，把高密度線陣CCD掃描系統(tǒng)安裝在飛機(jī)、衛(wèi)星上，由飛機(jī)、衛(wèi)星完成對(duì)地面的一維掃描，由CCD在飛行的垂直方向上自掃描，即可實(shí)現(xiàn)高分辨率的高空攝影。2022-3-827民用領(lǐng)域：CCD在民用領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。例如，可視電話，移動(dòng)電話公司正在研究開發(fā)可帶視頻圖像攝入和顯示的手機(jī)，這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)隨無線通信需求同步擴(kuò)展；電腦攝像機(jī)，在21世

17、紀(jì)初葉，隨著電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，電腦攝像機(jī)作為電腦前端和圖像輸入系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)將以不可阻擋的發(fā)展勢(shì)頭深入到電腦應(yīng)用的方方面面，也會(huì)很快進(jìn)入家庭，借助電腦網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音、視頻同步遠(yuǎn)程通信；醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦等等。2022-3-8281. 小型化黑白、彩色TV攝像機(jī) 這是面陣CCD應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。 日本松下CDT型超小型CCD彩色攝像機(jī)，直徑17mm，長(zhǎng)48 mm，使用超小型鏡頭，重量54g，深受歡迎。典型TV用IS尺寸：79 mm2，480380像元。 2. 傳真通訊系統(tǒng) 用10242048像元的線陣CCD作傳真機(jī)，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開稿件的掃描。3. 光學(xué)字符識(shí)別 IS代替人眼，把字符變成電信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化，然后用計(jì)算機(jī)識(shí)別。 重慶大學(xué)1985年的CD-1型OCR機(jī)，識(shí)別率達(dá)99.9。 4. 廣播TV 用SSIS(Solid State Imaging Sensor固態(tài)圖象傳感器)代替光導(dǎo)攝像管。 1986年柯達(dá)公司已推出140萬素的IS，尺寸79 mm2，比電視圖象信號(hào)多4倍以上。 2022-3-8295.工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制這是IS應(yīng)用量很大的一個(gè)領(lǐng)域，統(tǒng)稱機(jī)器視覺應(yīng)用。在鋼鐵、木材、紡