西电《光电检测》之9-CCD.docx

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1、CCD/CMOS•CCD•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•当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。•将这两种新技术结合起来后，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge“Bubble”Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，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，而组成数位影像。•70年代，贝尔实验室的研究员已能

2、用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生•CCD简介•CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。•CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的TTL和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。•TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。•CCD功能特性•CCD图像传感器可直接将光学信号

3、转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。•其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。•CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类•线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。•线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵

4、列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。•面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。•CCD的应用•CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。•方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。•CCD彩色数码相机•一般是将拜尔滤镜（Bayerfi

5、lter）加装在CCD上。•每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。•用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。•所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。•有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。•衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，

6、CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及ＣＣＤ尺寸是重要的指标。•像素数是指ＣＣＤ上感光元件的数量。显然，像素数越多，画面就会越清晰，理论上ＣＣＤ的像素数量应该越多越好。•但ＣＣＤ像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。•四色CCD是索尼公司在2003年推出的一种CCD新技术。四色即红绿蓝品红（RGBE）相对与传统的三色（红绿蓝），四色CCD的色彩还原错误率进一步降低。因而使色彩还原更逼真。•首

7、款采用四色CCD的数码相机是SONYDSC—F828•“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度•一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸•在像素数一样的情况下，CCD尺寸越大单位像素就越大。这样，单位像素可以收集更多的光线，因此，理论上可以说有利于提高画质•数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。镜头以及通过CCD输出的电信号形成图像的电路的性能等也能够影响到相机的画质。所谓的“大尺寸CCD＝高画质”是不正确的。•1/2.7英寸为6.6mm，1/1.8英寸约为9mm•CCD数码摄像机•CCD结构

8、包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等；•1.感光二极管（Photodiode）•2.并行信号积存器（ShiftRegister）：用于暂时储存感光后产生的电