CCD器件及应用第一章.doc

第一章 CCD的简介，发展和应用第一节 CCD的简介CCDCharge-Coupled Devices（电荷耦合器件）一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，1969年秋由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith发明的。电荷耦合器件(CCD) 是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素，由若干像素整齐紧密排列组成阵列, 总约有几十万甚至上千万个。它们的作用就相当于人的视网膜上的感光细胞, 用以感受照射在它们上面的光的强弱与色彩。CCD是一种半导体装置，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它使用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，数字信号经过压缩以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。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 1.CCD的特点(1) 具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠性高、寿命长等一系列优点。(2) 具有理想的“扫描”线性, 可以进行像素寻址,可以变化“扫描”速度, 畸变小、尺寸重现性好, 特别适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。(3) 有很高的空间分辨率。(4) 数字扫描能力。像元的位置可以由数字代码确定, 便于和计算机结合。(5) 光敏元间距的几何尺寸精确, 可以获得很高的定位精度和测量精度。(6) 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。2.CCD的组成部分：(1) 主体部分，信号电荷转移部分，一串紧密排布的MOS电容器，作用是存贮和转移信号电荷；(2) 输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中；(3) 输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，作用是将CCD最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引出，并检出电荷所输运的信息。势阱就是电子的势能图像类似一个波的形状，那么当电子处于波谷，就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来。所以称为势井或势阱。不单单是量子力学里有这个势井，任何形式的势只要具有这种样子，我们都可以称它有势井/势阱，比如重力势井。量子力学与经典物理的在这里有一个小小的差别，就是量子力学里，电子具有某些概率穿过势井跑出来，称之为隧道效应。隧道电子显微镜就是利用这个原理。3.CCD的工作过程： 信号输入，电荷存贮，电荷转移，信号输出。第二节 CCD的发展电荷存贮和转移信息原理1969年秋CCD最早，电子束扫描成像的电视摄像管，将并行的光图像信息转变成串行的视频电信号过程中，靶面就是一个电荷存贮器。由电荷直接运载信号作转移的例子如下图：可变模拟延迟线磁泡器件的启示CCD的概念提出来。磁泡器件，1969年贝尔实验室Bobeck发明，一种磁表面器件，三层结构， GGG(钆镓石榴石)衬底上外延生长一层YIG(钇铁石榴石)膜，膜上沉积金属电极，磁畴在磁场作用下变成磁泡。通过电极上的多相电流脉冲在YIG膜中产生磁场梯度，使磁泡运动，从而完成记忆(存贮)和逻辑运算功能。Boyle和Smith将这种思想移植到半导体上，便发明了CCD。60年代末，半导体技术的发展，为CCD的诞生提供了基础。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SR I David Sarnoff 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。这些产品不仅价格昂贵、而且又受到国家的严格管制。(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1638412288像元即(40963072) 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。(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。2.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阵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。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：512512像元X射线CCD、512512像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512512像元帧转移可见光CCD、10241024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。第三节 CCD的应用经过几十年的不断更新与发展，到目前为止，其应用范围己非常广泛，涉及到航空航天、广播摄像、工业视觉、尺寸测量等众多领域。它可以分为线型和面型两种传感器。线阵CCD获取的信息少，不能处理复杂的图形。但其