電荷耦合器件圖像傳感器CCD原理與應用

摘要：電荷耦合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），是由一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。本文通過對CCD的簡介、工作原理和應用的闡述，一起對其做進一步說明。

關鍵詞：CCD原理應用功能特性

電荷耦合器件(CCD)是一種新型的固體成像器件，是近代光學成像領域中非常重要的一種高新技術產品。作為一種新型圖象傳感器，CCD器件具有靈敏度高、光譜響應寬、動態范圍大、操作簡便、易于維護、成本低、應用廣等諸多優點。由于CCD的像元尺寸小、幾何精度高，配置適當的光學系統，即可獲得很高的空間分辨率，特別適用于各種精密圖象傳感和無接觸工件尺寸的在線檢測。由于CCD是以時間積分方式工作的，光積分時間可在很寬的范圍內調節，因此使用方便靈活，適應性強，CCD的輸出信號易于數字化處理，易于與計算機連接組成實時自動測量控制系統，可以廣泛用于光譜測量及光譜分析，文字與圖象識別，光電圖象處理，傳真、復印、條形碼識別及空間遙感等眾多領域。

1、CCD簡介

1.1CCD發展史

CCD在1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉#8226;博伊爾 (Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）所發明的。當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式內存。將這兩種新技術結合起來后，博伊爾和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷‘氣泡’元件”（Charge \"Bubble\" Devices）。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面傳遞電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發現光電效應能使此種元件表面產生電荷，而組成數位影像。

到了70年代，貝爾實驗室的研究員已能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續此項發明，包括快捷半導體（Fairchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導體的產品率先上市，于1974年發表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。

1.2CCD簡介

CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷藕合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。

CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數位攝影、天文學，尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如Lucky imaging。CCD在攝像機、數碼相機和掃描儀中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣CCD，即包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。

1.3CCD功能特性

CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為數字電信號，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態范圍大；4.響應速度快，有自動掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。因此，許多采用光學方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。

CCD從功能上可分為線陣和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內部電極分成數組，每組稱為一相，并施加同樣時鐘脈沖。所需相數由CCD芯片內部結構決定，結構相異CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區是MOS電容或光敏二極管結構，生產工藝相對較簡單。它由光敏區陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像(線陣CCD)。面陣CCD的結構要復雜得多，它由很多光敏區排列成一個方陣，并以一定的形式連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。

2、CCD工作原理

CCD是電荷耦合器件(ChargeCoupled Device）的縮寫。它具有進行光-電轉換、信息存貯、掃描讀取3大功能。

2.1CCD的光-電轉換功能

在P型單晶硅的襯底上做一層絕緣氧化膜，通過活化置換技術，再在氧化膜表面做出許多排列整齊的可透光的電極，當光線通過時，氧化膜與P型單晶硅之間產生電荷，其電荷的數量與光照強度及照射時間成正比，這就是CCD的光電轉換功能。

2.2CCD的電荷存貯功能

若在電極加上一個適當的正電壓，則在電極和襯底之間產生一個電場，這個電場在P型硅中將載流子帶正電的空穴排斥到襯底電極一邊，在電極下硅襯底表面形成一個沒有可動空穴的帶負電的區域，這個區域稱作電荷耗盡區，這就是能夠吸引電子的勢阱，電極上所加的電壓越高，勢阱越深，電荷留在阱內量越多，只要電壓存在，電子就能儲存在勢阱里，當景物的光照射到CCD時，具有光敏特性的P型硅在光量子的激發下產生電子空穴對，空穴移向襯底而消失，電子進入勢阱并存儲在那里，由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達電極，因此存貯在勢阱里的電子形成了電荷包，其電荷量的多少與光照強度成正比，于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對應的電荷像。

2.3CCD的電荷轉移功能

勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢阱內可以流動，它總是從相鄰淺阱里流進深阱中，這種電荷流動稱為電荷轉移。若有規律改變電極電壓，則勢阱的深度就會隨之變化，勢阱內電荷就可以按人為確定的方向轉移，直到最終由輸出端輸出。這就是CCD的電荷轉移原理。

電荷轉移又分單相驅動、雙相驅動、三相驅動及四相驅動等多種方式，除了電極構造及所加電壓波形不同以外，其轉移原理是一樣的。四相驅動方式的驅動電路比較復雜，但相鄰勢阱的深度差較大，電荷的存貯量也大，容易實現隔行掃描，在專業級攝像機中應用較為廣泛。四相驅動方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個分為一組，形成一個象素單元，每組電極分別加上不同的偏置電壓，則在電極下絕緣膜與P型硅之間就產生不同深度的勢阱，如果有規律地改變電極上的電壓值，使勢阱產生變化，就可以使電子定向移動，這也就是CCD的掃描讀出原理。CCD根據轉移電極結構及轉移方式的不同又分成幀轉移(FT)方式；行間轉移(IT)方式；幀行間轉移(FIT)方式。

3、CCD應用

四十年來，CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發展更為迅速。

在數碼相機領域，CCD的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩分辨率不如感光分辨率。

用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機，和一部份的半專業級數位攝影機采用3CCD技術。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態照相機，其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照像機只能用于拍攝靜態物品。

在天文學方面有一種奇妙的應用方式，能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。

一般的CCD大多能感應紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體幅射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數碼相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，增進CCD在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。

溫度噪聲、暗電流（dark current）和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲，要先在快門關閉時取影像訊號的平均值，即為\"暗框\"(dark frame)。然后打開快門，取得影像后減去暗框的值，再濾除系統噪聲(暗點和亮點等等)，得到更清晰的細節。

天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環固定在成像位置，防止外來光線或震動影響；同時亦因為大多數影像平臺生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學家利用\"自動導星\"技術。大多數的自動導星系統使用額外的不同軸CCD監測任何影像的偏移，然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。

4、結論

隨著CCD 技術不斷改進、提高，電荷耦合器件(CCD)作為一種高新技術產品和新型圖象傳感器，具有靈敏度高、光譜響應寬、動態范圍大、操作簡便、易于維護、成本低、應用廣等諸多優點。由于CCD的像元尺寸小、幾何精度高，配置適當的光學系統，即可獲得很高的空間分辨率，特別適用于各種精密圖象傳感和無接觸工件尺寸的在線檢測。由于CCD是以時間積分方式工作的，光積分時間可在很寬的范圍內調節，因此使用方便靈活，適應性強，CCD的輸出信號易于數字化處理，易于與計算機連接組成實時自動測量控制系統，可以廣泛用于光譜測量及光譜分析，文字與圖象識別，光電圖象處理，傳真、復印、條形碼識別及空間遙感等眾多領域。在像素相等的情況下獲得了更多的信息量。各CCD 生產廠家也在不斷發展，技術將更加成熟，現代攝影將在高新技術領域更快地發展。

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