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CCD影像仪的重要组成部分
时间:2013-02-03 点击次数:938

 

                                  CCD影像仪的重要组成部分
CCD是于1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉·波义耳)和乔治·史密斯(George(Willard S. Boyle
E. Smith)所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后,波义耳和史密斯得出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge "Bubble" Devices)。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。 到了70年代,贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明,着手进行进一步的研究,包括快捷半导体(Fairchild Semiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(Texas Instruments)。其中快捷半导体的产品上市,于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。
以上为CCD发展历程
1、HAD感测器
HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器是在N型基板,P型,N+2极体的表面上,加上正孔蓄积层,这是SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层,可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外,在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道,使得开口率提高,换句换说,也提高了感度。在80年代初期,索尼将其ling先使用在可变速电子快门产品中,在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。[2]
2、ON-CHIP MICRO LENS
80年代后期,因为CCD中每一像素的缩小,将使得受光面积减少,感度也将变低。为改善这个问题,索尼在每一感光二极管前装上微小镜片,使用微小镜片后,感光面积不再因为感测器的开口面积而决定,而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率,也使感亮度因此大幅提升。
3、SUPER HAD CCD
进入90年代后期以来,CCD的单位面积也越来越小,1989年开发的微小镜片技术,已经无法再提升感亮度,如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升,将会使杂讯也被提高,画质会受到明显的影响。索尼在CCD技术的研发上又更进一步,将以前使用微小镜片的技术改良,提升光利用率,开发将镜片的形状zui优化技术,即索尼 SUPER技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计,这也为日前的CCD基本技术奠定了基础。 HAD CCD
4、NEW STRUCTURE CCD
在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下,进入到摄影机内的斜光就越来越多,使得入射到CCD组件的光无法的被聚焦到感测器上,而CCD感测器的感度将会降低。1998年索尼公司为改善这个问题,将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路,使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化,让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入,使SMEAR特性改善。
 
5、EXVIEW HAD CCD
比可视光波长更长的红外线光,也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止,CCD无法将这些光电变换后的电荷,以有效的方法收集到感测器内。为此,索尼在1998年新开发的“EXVIEW HAD CCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光,有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线,让感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”组件时,在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时,会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分,也可被收集到传感器内,所以影响画质的杂讯也会大幅降低[3]
荣誉
2006年元月,波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会(IEEE)颁发的Charles Stark Draper奖章,以表彰他们对CCD发展的贡献。
北京时间2009年10月6日,2009年诺贝尔物理学奖揭晓,瑞典*科学院委员会宣布将该奖项授予一名中国科学家高锟)和两名科学家维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯(George E. Smith)。科学家Charles K. Kao 因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖,科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器获此殊荣。CCD” (Charles K. Kao香港诺贝尔奖
编辑本段功能特性
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,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。
 工作原理CCD
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。
 
CCD的内部结构
 *层微型镜头
    我们知道,数码相机成像的关键是在于其感光层,为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决 定,而改由微型镜片的表面积来决定。
   第二层是分色滤色片
    CCD的第二层是“分色滤色片”,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先,我们先了解一下两种分色法的概念,RGB即三原色分色法,几乎所有人类眼镜可以识别的颜色,都可以通过红、绿和蓝来组成,而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue,这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK,这是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中,CMYK更为适用,但其调节出来的颜色不及RGB的多。
    原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题。因此,大家可以注意,一般采用原色CCD的数码相机,在ISO感光度上多半不会超过400。相对的,补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像的分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感光度,一般都可设定在800以上
    第三层:感光层
    CCD的第三层是“感光片”,这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。
 
 
 

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