电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用

电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用摘要：电荷耦合器件图像传感器ccd（chargecoupleddevice），是由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。本文通过对ccd的简介、工作原理和应用的阐述，一起对其做进一步说明。关键词：ccd原理应用功能特性电荷耦合器件(ccd)是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品。作为一种新型图象传感器，ccd器件具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。由于ccd的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图象传感和无接触工件尺寸的在线检测。由于ccd是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强，ccd的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。1、ccd简介1.1ccd发展史ccd在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。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，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。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。有几家公司接续此项发明，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100x100像素的平面装置。1.2ccd简介ccd，英文全称：charge-coupleddevice，中文全称：电荷藕合元件。可以称为ccd图像传感器。ccd是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。ccd上植入的微小光敏物质称作像素（pixel）。一块ccd上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。ccd的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。ccd上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。ccd广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如luckyimaging。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。1.3ccd功能特性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，有自动扫描功能，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。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把ccd器件作为光电接收器。ccd从功能上可分为线阵和面阵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，并施加同样时钟脉冲。所需相数由ccd芯片内部结构决定，结构相异ccd可满足不同场合的使用要求。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(线阵ccd)。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。2、ccd工作原理ccd是电荷耦合器件(chargecoupleddevice）的缩写。它具有进行光-电转换、信息存贮、扫描读取3大功能。2.1ccd的光-电转换功能在p型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜,通过活化置换技术，再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极，当光线通过时，氧化膜与p型单晶硅之间产生电荷，其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比,这就是ccd的光电转换功能。2.2ccd的电荷存贮功能若在电极加上一个适当的正电压,则在电极和衬底之间产生一个电场，这个电场在p型硅中将载流子带正电的空穴排斥到衬底电极一边,在电极下硅衬底表面形成一个没有可动空穴的带负电的区域，这个区域称作电荷耗尽区，这就是能够吸引电子的势阱，电极上所加的电压越高,势阱越深，电荷留在阱内量越多，只要电压存在,电子就能储存在势阱里，当景物的光照射到ccd时，具有光敏特性的p型硅在光量子的激发下产生电子空穴对，空穴移向衬底而消失，电子进入势阱并存储在那里，由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。2.3ccd的电荷转移功能势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。这就是ccd的电荷转移原理。电荷转移又分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式，除了电极构造及所加电压波形不同以外，其转移原理是一样的。四相驱动方式的驱动电路比较复杂，但相邻势阱的深度差较大，电荷的存贮量也大，容易实现隔行扫描，在专业级摄像机中应用较为广泛。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组，形成一个象素单元，每组电极分别加上不同的偏置电压,则在电极下绝缘膜与p型硅之间就产生不同深度的势阱，如果有规律地改变电极上的电压值,使势阱产生变化，就可以使电子定向移动，这也就是ccd的扫描读出原理。ccd根据转移电极结构及转移方式的不同又分成帧转移(ft)方式；行间转移(it)方式；帧行间转移(fit)方式。3、ccd应用四十年来，ccd器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。在数码相机领域，ccd的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（bayerfilter）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。目前，超高分辨率的ccd芯片仍相当昂贵，配备3ccd的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此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。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。一般的ccd大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用ccd常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体幅射效应。ccd对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备ccd的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进ccd在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。温度噪声、暗电流（darkcurrent）和宇宙辐射都会影响ccd表面的像素。天文学家利用快门的开阖，让ccd多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为”暗框”(darkframe)。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声(暗点和亮点等等)，得到更清晰的细节。天文摄影所用的冷却ccd照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用”自动导星”技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴ccd监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之ccd相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗ccd导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。4、结论随着ccd技术不断改进、提高，电荷耦合器件(ccd)作为一种高新技术产品和新型图象传感器，具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。由于ccd的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图象传感和无接触工件尺寸的在线检测。由于ccd是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强，ccd的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。在像素相等的情况下获得了更多的信息量。各ccd生产厂家也在不断发展，技术将更加成熟，现代摄影将在高新技术领域更快地发展。参考文献：[1]金龙旭,吕增明,熊经武.《ccd摄像机全自动调光系统》[j].光学精密工程,2002.10(6):5882591.[2](日)米本和也.《ccd与cmos图像传感器基础与应用》[m].译.北京:北京科学出版社,2006.[3]王庆有.《图像传感器应用技术》[m].北京:电子工业出版社,2006:3432414.[4]王婉丽,江孝国,吴廷烈等.《台阶法测量ccd成像系统mtf的数据处理方法》[j].光电子激光,2002,13.[5]闵剑.《ccd输出信号模拟系统的研究》[d].西安:中国科学院西安光学精密机械研究所,2007.[6]李勇,李郁.《数码相机》[m].北京：北京邮电大学出版社,2002.[7]徐友仁,王淑云,胡铁力.《垂线投影坐标的信息处理及光学ct反演算法》[j].河海大学学报,1998,26(1):8213.[8]朝雪涛,吴瑛.《图解数码相机/摄录一体机原理与应用》[m].北京:人民邮电出版社,2004.[9]李国宁,刘妍妍,金龙旭.《动态目标跟踪的面阵ccd成像系统》[j].学精密工程,2008,16(3):5582563.[10]蔡文贵,李永远,许振华.《ccd技术及应用》[m].北京:电子工业出版社,1992.[11]王庆有,孙学珠.《ccd应用技术》[m].天津:天津大学出版社,1993.