CCD_的工作原理及应用现状.doc

《CCD 的工作原理及应用现状》 一、CCD 的简介 CCD 分为线型（Linear）与面型（Area）两种，对于面型CCD，根据其工作方式又分为：帧转移型(FT：Frame Transfer)，行间转移型(IT：Interline Transfer) 和行帧转移型(FIT：Frame Interline Transfer) 三种， 根据其扫描方式又分为全帧(full frame ) 和隔行(interlline )两种，全帧型多用于专业级, 隔行多用于民用级。 二、CCD 的特点 1、高解析度（High Resolution）： 像点的大小为μm 级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。 2、低躁声（Low Noise）高敏感度： CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声， 因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度。低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD 的应用基本不受气候的限制。 3、动态范围广（High Dynamic Range）： 可同时适用于强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 4、良好的线性特性曲线（Linearity）： 入射光源强度和输出信号大小成良好的正比关系。 5、光子转换效率高（High Quantum Efficiency）。 6、大面积感光（Large Field of View）。 7、光谱响应广（Broad Spectral Response）： 能检测很宽波长范围的光。 8、低影像失真（Low Image Distortion）。 9、体积小、重量轻。 10、低耗能，不受强电磁场影响。 11、电荷传输效率佳： 该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊。 12、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。 三、CCD 的工作原理 1、CCD(Charge Coupled Device ) 意即电荷耦合器件，是一种特殊的半导体。现在的CCD 图像传感器由三层组成：第一层：微透镜头；第二层：分色镜片；第三层：感光、储存、转移电荷(CCD)层。 2、CCD 工作的基本原理：CCD 的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD 内作定向传输, 并输出电信号。下图为行间转移CCD(IT:Interline Transfer) 的工作原理图： 3、CCD 的物理结构，CCD 有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。 每个单元为一个像素单元, 在每个像素单元里, 制作出一个光感区(光感二极管)、电荷储存区、电荷转移区和益漏沟槽、电极等。如下图简示： 从上面的示意图(正面图) 可以看出，每一个单元对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作的开关场效应管，转移储存器，像素之间还有益流沟和转移珊等，因此感光面约占每个像素面积的1/2 左右的面积，增大感光面积很重要，因为感光面积越大，光感二极管采集的光就越多，成像质量就越高，但是，感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部份，真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部份面的60%- 90%，这就是所谓的开口率。但每个像素点的面积有限，目前解决的的办法是在每个感光区前面加一个光学透镜(索尼最先想出的解决办法)，以增加受光面积，这就是CCD 上的第一层微镜头，这样感光面积就由微镜片来决定了, 效果非常好。 4、三种典型图像CCD 的电荷转移方式结构示意图。 帧转移 行间转移 行帧转移 5、下面以行间转移型(IT:Interline Transfer)CCD的工作流程, 说明CCD 的工作原理。 CCD 结构如图下所示，包含感光二极管（Photodiode）、垂直寄存器、行信号输出寄存器、控制栅、电荷检测、数摸转换器放大器等单元，其工作流程敘述如下： 下面是一个面CCD 图像传感器, 现在说明其从时间顺序上的工作过程： 1、在场信号的正扫描期间, 感光区的感光二极管将其所受光的强度转换成电子并储存在感光区进行积累； 2、在场扫描的逆扫描期( 场消隐期), 转移控制栅从低电位转成高电位， 开通感光区与垂直储存区(CCD)，使感光区储存的电荷转移到垂直储存区, 转移完成后, 转移控制栅电位变成低电位，结束电荷转移，这个过程在逆扫描期(场消隐期)内完成； 3、在场的正扫描期间, 储存在垂直存储单元中的电荷， 在Vф1、Vф2、Vф3、Vф4 脉冲时序电压作用下， 依次将其储存的电荷向下转移到水平存储单元中，每个转移过程仅在每个行扫描的逆扫描期间内完成，且每个垂直储存单元在行逆程扫描期只转移一个像素的电荷，这样就保证每次转移后，水平输出CCD内仅存有一行像素； 4