电荷耦合器件(CCD)应用概述

CCD电荷耦合元件

CCD图像传感器/电荷耦合元件 【摘要】分析一种多功能图像传感器——电荷耦合元件（CCD）的基本结构和工作原理，较为详细的介绍了CCD的彩色成像原理。 【关键词】CCD 阵元原理拜尔滤镜3CCD 【正文】 1.引言电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是70年代初期最先由Bell实验室发明的。 CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。30年来有关CCD的研究取得惊人的进展,特别是在图像传感器的应用方面。本文着重介绍CCD器件的工作原理、性能指标和彩色图像成像原理。 讲到CCD的诞生，要提到一位大名鼎鼎的科学家，也就是20世纪最伟大的科学家爱因斯坦。他成功的解释了光电效应并获得了1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦提出了光量子假说，即光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值，才能从金属表面打出电子来。这解释了光电效应，同时给CCD 提供了理论上的铺垫。爱因斯坦构建了光与电的桥梁，而后来CCD的发明，正是应用了光电效应理论的结果。 https://www.360docs.net/doc/908444196.html,D的简介 CCD,英文全称:Charge-coupled Device，中文全称:电荷耦合元件。可以 称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。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，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号 3.半导体的相关知识 半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。在热力学温度零度和没有外界能量激发时，价电子受共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不能导电的。但是，当半导体的温度升高（例如室温300K）或受到光照等外界因素的影响，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空穴。空穴是半导体中特有的一种粒子。 https://www.360docs.net/doc/908444196.html,D光敏元的结构 CCD是由几十至几百万个光敏像元按一定规律排列组成的，每个像元就是一个MOS 电容器(大多为光敏二极管)。MOS单元是CCD结构的基本单元。它由金属(M)电极、氧化物(O)层和半导体(S)层组成，如图10-9所示。通常是以单品硅(P型或n型)作基底，其上生长一层薄的二氧化硅，再蒸涂一定形状的金属电极。 https://www.360docs.net/doc/908444196.html,D的工作原理 假定衬底是p型硅。在金属电极上施加电压U时，p型区内的多数载流子—空穴将在电场力作用下趋向离开电极，于是形成图中虚线所示的“耗尽区”。而对少数载流子—电子，电场将把它们引入至“耗尽区”。因此“耗尽区”成为电子的“陷阱”，称为势阱。若有光线射入并产生电子--空穴对，则光生空穴将被推斥出“耗尽区”，而光生电子将被吸入势阱。光能越强.则势阱收集的电子越多。这个MOS就成为一个光敏元，简称为像素。

电荷耦合器件CCD

电荷耦合器件CCD 什么是CCD？ ＣＣＤ，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它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。ＣＣＤ在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。 衡量ＣＣＤ好坏的指标很多，有像素数量，ＣＣＤ尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及ＣＣＤ尺寸是重要的指标。像素数是指ＣＣＤ上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果ＣＣＤ没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上ＣＣＤ的像素数量应该越多越好。但ＣＣＤ像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。 单CCD和3CCD有何区别？ 单ＣＣＤ摄像机是指摄像机里只有一片ＣＣＤ并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换，其中色度信号是用ＣＣＤ上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片ＣＣＤ同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在

彩色还原上达不到专业水平很的要求。为了解决这个问题，便出现了３ＣＣＤ摄像机。 ３ＣＣＤ，顾名思义，就是一台摄像机使用了３片ＣＣＤ。我们知道，光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片ＣＣＤ接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个３ＣＣＤ系统。 和单ＣＣＤ相比，由于３ＣＣＤ分别用３个ＣＣＤ转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单ＣＣＤ来的自然，亮度以及清晰度也比单ＣＣＤ好。但由于使用了三片ＣＣＤ，３ＣＣＤ摄像机的价格要比单ＣＣＤ贵很多。 数码相机的CCD 问：数码相机的CCD尺寸有1/1.8英寸、1/2.7英寸，它们有什么不同？这一尺寸会影响到数码相机的什么功能？ 答：数码相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/2.7英寸CCD”等。这里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸，实际上就是CCD对角线的长度。 现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合体，接收透过镜头的光并将其转换为电信号。在像素数一样的情况下，CCD尺寸越大