CCD

CCD

什么是CCD？CCD是一种半导体器件，CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE. Smith）所发明的。能够把光学影像转化为数字信号。

CCD中文全称：电荷耦合元件英文，全称：Charge-coupled Device。可以称为CCD图像传感器。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功能特性

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，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。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。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的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如右图所示）。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。

主要性能参数

1.光谱灵敏度

CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱相应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱相应曲线上存在若干个峰和谷。

2.CCD的暗电流与噪声

CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非暗电流已使势阱中的电子达到饱和。

晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。由于电荷在移出芯片的途中要穿过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性模糊。

3.转移效率和转移损失率

电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。

引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。采用“胖零”技术可减少这种损耗。

4.时钟频率的上、下限

下限取决于非平衡载流子的平均寿命，上限取决于电荷包转移的损失率，即电荷包的转移要有足够的时间。

5.动态范围

表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。

6.非均匀性

表征CCD芯片全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。

7.非线性度

表征CCD芯片对于同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。

8.时间常数

表征探测器响应速度，也表示探测器响应的调制辐射能力。时间常数与光导和光伏探测器中的自由载流子寿命有关。

9.CCD芯片像素缺陷

a.像素缺陷：对于在50%线性范围的照明，若像素响应与其相邻像素偏差查过30%，则为像素缺陷。

b.簇缺陷：在3*3像素的范围内，缺陷数超过5个像素。

c.列缺陷：在1*12的范围内，列的缺陷超过8个像素。

d.行缺陷：在一组水平像素内，行的缺陷超过8个像素。

CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是图像传感和非接触测量领域，相信将来会使用的更加宽广。