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1、CCD 图像传感器名称： CCD 传感器概述 姓名： 赵 小 龙 学校： 成都 XXX 大学 专业： 测控技术与仪器 教师： - 1 -摘要百多年来，伴随着暗箱、镜头和感光材料制作不断取得突破，以及精密机械、化学技 术的发展，照相机的功能越来越强大，使用越来越方便。但是，直到几十年前，人们依然 只能将影像记录在胶片上。拍摄影像慢慢普及，但即时欣赏、分享、传递影像还非常困难。 1969 年，威拉德博伊尔和乔治史密斯极富创意地发明了一种半导体装置，可以把光学影 像转化为数字信号，这一装置，就是 CCD 图像传感器。 随着数码相机、带有摄像头的手机等电子设备风靡全球，人类已经进入了全民数码影 像的时
2、代，每一个人都可以随时、随地、随意地用影像记录每一瞬间，记录这五彩斑斓的 世界。不得不说是 CCD 传感器将人们带入数码影像时代。深入了解 CCD 传感器，更有利 于以后对专业前景的把望。关键词：CCD 光信号 数字信号 目录一、发展历程 2二、工作原理及结构原理 2三、CCD 图像传感器的信号传输原理 3四、CCD 图像器件特性 4五、常见 CCD 器件 4六、应用领域 5- 2 -一、发展历程电耦合器件 CCD 是由美国贝尔实验室的 W.S.博伊尔和 G.E.史密斯于 1969 年发明的。CCD 是在 MOS 集成电路技术上发展起来的，为半导体技术的应用开 拓了新的领域。它具有光电转换、信
3、息存贮和传输等功能，具有功耗小、集成 度高、结构简单、性能稳定、寿命长等优点，所以在图像传感器、信息存贮和 处理等方面得到了广泛的应用。下面为 CCD 的发展历程： 1969 年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的 SONY 公司也 开始研究 CCD。 1973 年 1 月，SONY 中研所发表第一个以 96 个图素并以线性感知的二次元 影像传感器8H*8V FT 方式三相 CCD。 1974 年 6 月，彩色影像用的 FT 方式 32H*64V CCD 研究成功了。 1976 年 8 月，完成实验室第一支摄影机的开发。 1980 年，SONY 发表全世界第一个商品化的 CCD 摄影
4、机 。 1981 年，发表了 28 万个图素的 CCD(电子式稳定摄影机 MABIKA)。 1983 年，19 万个图素的 IT 方式 CCD 量产成功。 1984 年，发表了低污点高分辨率的 CCD。 1987 年，1/2 inch 25 万图素的 CCD，在市面上销售。同年，发表 2/3 inch 38 万图素的 CCD，且在市面上销售。 1990 年 7 月，诞生了全世界第一台 V8。 其发展历程已经将近 30 多年，从初期的 10 多万像素已经发展至目前主流 应用的 500 万像素。二、工作原理及结构原理工作原理： CCD 图像传感器的发明，实际上是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果，
5、 即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变化。但是从理论到实践， 道路却并不平坦。简单的说，光注入用于图像传感器，像元受光照后产生电子 空穴对，光电荷在电极脉冲作用下聚集于势阱中与入射光成正比。每个像元 收集的电荷为 Q=qnAT - 3 -其中，:量子效率，q:电子电荷，n：电子流速率，A：面积，T：时间 CCD 图像器件结构： CCD 作为图像敏感器使用时，其基本结构及工作方式有以下 3 种： （1）线阵 CCD 图像从垂直于器件像元排列 的方向扫描以记录在线阵 CCD 上。 读出时，每个成像的 CCD 像元， 将电荷包转移到移位寄存器的一 个单元（一个字，而不是一位） ， 沿水平
6、方式快速读出。 （2）面阵帧转移 CCD 成像单元与移位单元整帧地分开。 在成像的积分时间内，CCD 像元的一 半面积记录图像。然后，在回扫时间内快速转移到挡光的另一半面积的像元（移位寄存单元）上。对后一半像元以常规视频速率读出的同时，下一帧图像的积分开始进行。 （3）面阵行转移 CCD 每两行成像单元之间都夹有一行不透明的移位寄存单元。在成像时间内， 传输门关闭，电荷包在成像单元上积分，不向寄存单元转移，已转移到寄存单 元上的前一帧图像以视频速率读出。当 传输门开启时，每行成像单元上存贮的 图像电荷同时转移到对应的行间读出积存器上。三、CCD 图像传感器的信号传输原理图- 4 -（1）线性
7、CCD 信号传输：（2）面阵 CCD 信号传输：4、CCD 图像器件特性转移效率=Q(0)-Q(t)=1-Q(t)/Q(0)=1-（：转移损失率 ） 转移 N 个电极后电荷量为 Qn 时总效率 =1n （1：每极转移效率） 要求总转移效率达到 90%以上，1 必须达到 0.9999 以上。工作频率下限必须 使工作时间（注入电荷转移时间）小于少数载流子寿命 工作频率上限必须使 工作时间大于电荷转移时间。 此外，CCD 器件的特点有： 体积小，功耗低； 高分辨率，高灵敏度，低噪声。五、常见 CCD 器件- 5 -1、线性 CCD 及应用电路：2、面阵 CCD 及应用电路： - 6 -六、应用领域图
8、像传感器作为一种基础器件，因能实现信息的获取、转换和视觉功能的 扩展，并能给出直观、真实、层次多、内容丰富的可视图像信息，而在现代社 会中得到了越来越广泛的应用，如汽车应用、监督系统、玩具、视频会议、指 纹识别系统、冲突避免系统、增强型自适应巡航控制、带相机的移动电话和医 学图像识别等等。 在诸多应用中，CCD 图像传感器在数码相机中的应用为最典型。日本的富士 公司早不久前发布了第四代的 CCD 技术，该项技术使得 CCD 及具有了更高的分 辨率和更宽动态范围，CCD 图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛 应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。此外，在医学中为诊断疾病或进行 显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了 CCD 图像传感器及相关 设备。CCD 是数码相机的电子眼，它革新了摄影术，光可以被电子化地记录下 来，取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送，”诺贝尔 奖评选委员会称赞说，“无论是我们大海中深邃之地，还是宇宙中的遥远之处， 它都能给我们带来水晶般清晰的影像。”- 7 -
