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1、武汉理工大学CCD 图像传感器 技术报告说明书ICCD 图 像 传 感 器摘 要 ： 作 为 从 70 年 代 发 展 起 来 的 一 种 以 电 荷 包 形 式 存 储 和 传 输 信 息 的 新 型 半 导 体 器 件 ， CCD 传感 器 已 从 实 验 室 研 究 走 向 实 际 应 用 阶 段 。 在 航 空 航 天 、 卫 星 侦 察 、 天 文 测 量 、 非 接 触 工 业 测 量 、 光 学 图像 处 理 等 领 域 都 得 到 广 泛 的 应 用 。 本 文 从 介 绍 CCD 图 像 传 感 器 发 展 历 程 出 发 ， 依 次 对 CCD 的 工作 原 理 、 应 用
2、 现 状 以 及 发 展 前 景 展 望 展 开 了 详 细 的 介 绍 。 在 发 展 历 程 部 分 ， 本 文 介 绍 了 CCD 的概 念 、 简 要 分 类 及 国 内 外 发 展 情 况 ； 在 应 用 现 状 部 分 ， 本 文 介 绍 了 一 种 典 型 应 用 ： 工 件 长 度 测 量 ， 并 做了 深 入 分 析 ； 在 前 景 展 望 部 分 ， 本 文 根 据 CCD 现 有 的 特 性 ， 给 出 了 其 性 能 进 化 的 四 个 方 向 。关 键 词 ： 电 荷 耦 合 器 ； 发 展 历 程 ； 工 作 原 理 ； 工 件 长 度 测 量 ； 发 展 前 景
3、展 望CCD IMAGE SENSORAbstract： As a kind of electric pouch invented in the 1970s information from storage and transmission of the new type semiconductor devices, CCD sensor already from laboratory research to move towards the actual application stage. In aerospace, satellite reconnaissance, astronomic
4、al, non-contact industrial measurement, optical image processing areas have been widely used. This paper introduces CCD image sensor development based on CCD, ordinal the working principle, application status and prospect of launch were introduced in detail. In the development course section, this a
5、rticle introduces briefly the concept, CCD classification and the domestic and foreign development situation, The application status part, this paper introduces a kind of typical application: the length measurement, and makes a further analysis, In prospect part, according to the characteristics of
6、CCD existing, gives its performance evolutionary four directions.Keywords: Charge Couplers Device, Development history, Principle of work, Workpiece length measurement and prospect武汉理工大学CCD 图像传感器 技术报告说明书11 CCD 图像传感器的发展现状1.1 CCD 图像传感器的概念及分类CCD 全 称 为 Charge Coupled Device,译 名 为 电 荷 耦 合 器 件 。 最 早 在 197
7、0 年 由 美国 贝 尔 实 验 室 研 制 成 功 ， 是 一 种 新 型 的 半 导 体 器 件 。 以 CCD 为 核 心 器 件 产 生 直 接 将 光学 图 像 转 化 为 电 荷 信 号 以 实 现 图 像 的 存 储 、 处 理 和 显 示 的 传 感 器 即 为 CCD 图 像 传 感器 。 其 特 点 体 现 在 四 个 方 面 ： 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 功 耗 小 ， 工 作 所 需 电 压 低 ， 抗 冲 击 与 震 动 ， 寿 命 长 。 灵 敏 度 高 ， 噪 声 较 低 ， 动 态 扫 描 范 围 大 。 响 应 速 度 快 ， 刷 新 时 无 残 留 痕
8、 迹 ， 摄 像 启 动 快 。 利 用 VLSI 技 术 生 产 ， 像 素 密 度 高 ， 尺 寸 精 确 ， 可 以 批 量 生 产 ， 并 且 生 产 成 本 低 。凭 借 着 诸 多 优 点 ， CCD 图 像 传 感 器 在 许 多 领 域 都 有 着 重 要 的 地 位 ， 详 细 运 用 介 绍 请 参 考第 四 章 。下 面 简 要 介 绍 CCD 图 像 传 感 器 的 分 类 ： 从 CCD 的 工 作 特 性 的 角 度 上 分 为 线 性 CCD 和 矩 阵 式 CCD。 从 CCD 的 工 艺 特 性 的 角 度 上 分 为 单 CCD、 3CCD 和 SuperC
9、CD 三 种 。 从 光 谱 的 角 度 上 分 可 见 光 CCD、 红 外 CCD、 X 光 CCD 和 紫 外 CCD 四 种 。 从 CCD 的 结 构 上 分 为 线 阵 CCD 和 面 阵 CCD。 从 CCD 受 光 方 式 上 分 为 正 面 光 照 CCD 和 背 面 光 照 CCD。其 中 线 阵 CCD 有 单 沟 道 和 双 沟 道 两 种 信 号 读 出 方 式 。 面 阵 CCD 的 结 构 比 较 复 杂 ， 常 见的 有 帧 转 移 CCD、 全 帧 转 移 CCD、 隔 列 内 线 转 移 CCD、 帧 内 线 转 移 CCD 等 。1.2 国外发展现状作 为
10、 CCD 的 发 源 地 ， 贝 尔 实 验 室 在 CCD 图 像 传 感 器 研 究 领 域 始 终 保 持 着 优 势 。 此 外 ，就 是 麻 省 理 工 学 院 林 肯 实 验 室 、 美 国 宇 航 局 喷 气 推 进 实 验 室 和 罗 姆 空 间 发 展 中 心 亦 在 CCD研 究 及 其 应 用 方 面 拥 有 较 为 雄 厚 的 实 力 ， 并 形 成 了 具 有 较 大 规 模 的 实 验 研 究 中 心 。 因 此 ，在 CCD 传 感 器 研 制 以 及 应 用 电 视 技 术 方 面 ， 美 国 凭 借 高 清 晰 度 、 低 照 度 、 超 高 动 态 范 围
11、等特 点 ， 在 CCD 摄 像 机 上 占 有 绝 对 优 势 。而 日 本 则 是 目 前 世 界 上 CCD 的 生 产 大 国 ， 虽 然 日 本 的 CCD 技 术 起 步 较 晚 ， 但 是 发展 极 快 ， 尤 其 是 日 本 的 彩 色 CCD 技 术 极 具 强 大 的 市 场 竞 争 力 ， 比 如 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 官 首 先 实 现 了 R、 G、 B武汉理工大学CCD 图像传感器 技术报告说明书2分 路 彩 色 摄 像 机 。 另 外 ， 在 1998 年 ，
12、 日 本 还 采 用 拼 接 技 术 成 功 开 发 了1638412288 像 元 的 CCD 图 像 传 感 器 。此 外 ， 法 国 的 汤 姆 逊 无 线 电 公 司 （ CSF） 和 EEV 公 司 、 英 国 的 通 用 电 气 公 司 和 荷 兰的 菲 利 普 公 司 都 是 世 界 上 著 名 的 CCD 技 术 开 发 和 CCD 产 品 生 产 的 厂 家 。1.3 国内发展现状相 比 于 欧 日 美 国 家 ， 我 们 国 家 的 CCD 研 制 技 术 起 步 比 较 晚 ， 至 少 落 后 10 年 。我 国 研 制 的 第 一 代 普 通 线 阵 CCD（ 光 敏
13、元 为 MOS 结 构 ） 和 第 二 代 对 蓝 光 响 应 好 的CCPD（ 光 敏 元 为 光 电 二 极 管 阵 列 ） 已 经 形 成 系 列 化 产 品 。 除 了 可 见 光 CCD 外 ， 国 内还 研 制 出 了 硅 化 铂 肖 特 基 势 垒 红 外 CCD。 据 统 计 ， 国 内 正 在 研 制 和 开 发 的 CCD 有 ：512512 像 元 X 射 线 CCD、 512512 像 元 光 线 面 板 耦 合 CCD 像 敏 器 件 、 10241024像 元 紫 外 CCD、 微 光 CCD 和 多 光 谱 红 外 CCD。尽 管 ， 我 国 的 CCD 图 像
14、传 感 研 究 技 术 尚 不 完 善 ， 与 国 际 先 进 水 平 有 一 定 的 差 距 ， 但是 CCD 图 像 传 感 技 术 是 在 我 国 的 研 发 进 程 很 快 ， 尤 其 在 航 空 航 天 应 用 方 面 ， 成 果 显 著 。 比如 在 2007 年 11 月 份 发 射 的 “嫦 娥 一 号 ”探 月 卫 星 在 200 公 里 圆 轨 道 上 利 用 CCD 成像 拍 摄 月 球 表 面 图 像 分 辨 率 为 120 米 ， 而 在 今 年 10 月 份 发 射 的 “嫦 娥 二 号 ”探 月 卫星 在 100 公 里 圆 轨 道 运 行 时 利 用 CCD 成
15、 像 拍 摄 月 球 表 面 图 像 分 辨 率 优 于 10 米 ， 进 入100 公 里 15 公 里 的 椭 圆 轨 道 时 ， 其 分 辨 率 能 达 到 1 米 。 短 短 三 年 时 间 ， 我 国 在CCD 图 像 传 感 研 发 技 术 上 取 得 了 如 此 大 的 突 破 ， 充 分 说 明 我 国 在 CCD 图 像 传 感 技 术 上具 有 强 大 的 潜 在 实 力 。武汉理工大学CCD 图像传感器 技术报告说明书32 CCD 图像传感器的成像原理2.1 CCD 图像传感器工作原理CCD 由 大 量 独 立 的 光 敏 元 件 组 成 ， 每 个 光 敏 元 件 也
16、称 一 像 素 。 这 些 光 敏 元 件 通 常 按 照矩 阵 排 列 ， 光 线 通 过 镜 头 照 射 到 光 电 二 极 管 上 ， 并 被 转 化 为 电 荷 ， 从 而 使 图 像 光 信 号 转 化为 电 信 号 ， 每 个 元 件 上 的 电 荷 量 取 决 于 所 受 到 的 光 照 强 度 。 当 CCD 工 作 时 ， 将 各 个像 素 信 号 经 A/D 转 换 器 转 换 成 数 字 信 号 ， 再 将 其 以 一 定 格 式 压 缩 后 存 入 缓 存 ， 之 后 再 根据 不 同 需 求 将 其 以 数 字 信 号 或 者 视 频 信 号 输 出 。CCD 的 突 出 特 点 是 以 电 荷 为 信 号 ， 基 本 功 能 是 电 荷 的 存 储 和 电 荷 的 转 移 ， 故 ，CCD 的 工 作 过 程 主 要 是 信 号 电 荷 的 存 储 、 转 移 、 检 测 以 及 图 像 信 息 还 原 四 个 阶 段 。2.1.1 电荷存储CCD 由 排 列 规
