CCD相机的应用.pdf

CCD 相机的应用 引言 CCD(Charge Couple Device)中文名为“电荷耦合器件”，是一种以电荷包 的形式存储和传递信息的半导体表面器件。1969年，美国贝尔电话实验室的 w．S．Boyle和G．E．Smith在探索磁泡器件的电模拟过程中，产生了电荷耦合器 件原理的设想，并在实验中得到验证。最初，CCD只是作为存储器件使用，但后 来依靠已经成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得到迅速的发展。 CCD的工作原理 CCD是一种大规模集成电路工艺制作的半导体光电元件，它在半导体硅片上 制有成千上万个光敏元，产生与照在它上面的光强成正比的电荷。CCD基本构成 单元是MOS电容器，它以电荷为信号，通过对金属电极施加时钟脉冲信号，在半 导体内部形成储存载流子的势阱。当光或电注入时，将代表信号的载流子引入势 阱，再利用时钟脉冲的规律变化，使电极下的势阱作相应变化，就可以使代表输 入信号的载流子在半导体表面作定向运动，再通过对电荷的收集、放大，把信号 取出。 CCD的发展与应用 世界各科技强国在CCD研制、开发及应用领域都投入了大量的人力、物力和 财力，展开了广泛而深入的工作。美国是研究CCD技术最早的国家，在该领域一 直处于领先地位。Bell实验室是CCD研究的发源地，并在CCD传感器和电荷信号处 理研究方面保持优势。通用电器(GEC)、无线电(RCA)和柯达fKODAK)等著名公司 的研究机构在面向军、民用及工艺研究居于领先地位。日本是CCD生产大国，产 量居世界之首。索尼(SONY)、NEC等公司的CCD研发很快，已成为美国强大的竞争 对手。[1] 1974年，美国RCA公司的512×320像元面阵CCD摄像机首先问世。近年来， 随着大规模、超大规模集成电路工艺的发展，CCD研制水平不断提高，阵列元素 不断增加，CCD摄像机的性能也越来越好，并且CCD芯片的成品率不断提高，器件 尺寸不断缩小。CCD图像传感器的像素高密度集成化己有了显著的突破，线阵CCD 的像元数己从128个发展到15，000个，而且面阵CCD的像元数也高达9000×9000 个，像元尺寸己做到79m以下。为满足医学应用，己出现了像元面积为7mm2、内 含4～8万像素的阵列、用于胃镜和肠镜中的小面积成像器件。美国LOCKHEED MATIN公司1996年制作出像素尺寸8．75 ¨m ×8．759m、9000×9000像素的CCD； 而像素尺寸10pm×10pm、像素规模10000×10000的CCD已于2000年完成设计。日 本索尼、夏普等公司制作的CCD器件的最小像素尺寸缩小到2．5 ／．tm×2。50m。 CCD相机 CCD相机在信号处理、影像传感和数字存储等三大领域中应用广泛。 CCD相机的优点 它具有以下优点： (1)体积小，集成度高，结实耐用及功耗低。 (2)在一个较宽的波长范围内有着近乎完美的灵敏度。 (3)工作条件是从低照度到非常高照度都能使用。 (4)有很好的稳定度和线性度。 (5)由于硅阵列结构的固定及紧凑，生成的图像不会变形。[2] 像增强型CCD相机 （ICCD） ICCD的组成 日前国际上火多数ICCD相机产品都是由像增强器，光纤耦合元件和CCD阵列 三个部件构成。 像增强器由光电阴极，微通道板和荧光屏组成． 在ICCD相机中，光子入射到像增强器的光电阴极，发射出的电子经微通道板倍增 后，经荧光屏转换成光子。输出的增亮图像经光纤面板或光锥耦合CCD阵列上。 CCD阵列探测并将图像读出。 ICCD的优点 像增强型相机有以下优点： 选通：像增强器光电阴极可在5ns的时间间隔内，完成开关动作，因而可起到电 子开关的作用。 增益：像增强器的电子增益可高达10000：1．这可使微弱光电信号被放大至超过 CCD的读出噪声。 光纤耦合元件可实现从一发光平面表面到CCD阵列表面，高效的光学耦合．光纤 耦合形式的耦合效率一般为：50～60％(透镜系统约为10％)．光纤耦合不限于l： 1的传像