CCD

电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。

1.光谱灵敏度

CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应曲线上存在若干个峰和谷。

2.CCD的暗电流与噪声

CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非暗电流已使势阱中的电子达到饱和。

晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。由于电荷在移出芯片的途中要穿过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性模糊。

3.转移效率和转移损失率

电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。

引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。采用“胖零”技术可减少这种损耗。

4.时钟频率的上、下限

下限取决于非平衡载流子的平均寿命，上限取决于电荷包转移的损失率，即电荷包的转移要有足够的时间。

5.动态范围

表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。

6.非均匀性

表征CCD芯片全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。

7.非线性度

表征CCD芯片对于同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。

8.时间常数

表征探测器响应速度，也表示探测器响应的调制辐射能力。时间常数与光导和光伏探测器中的自由载流子寿命有关。

9.CCD芯片像素缺陷

a.像素缺陷：对于在50%线性范围的照明，若像素响应与其相邻像素偏差超过30%，则为像素缺陷。

b.簇缺陷：在3*3像素的范围内，缺陷数超过5个像素。

c.列缺陷：在1*12的范围内，列的缺陷超过8个像素。

d.行缺陷：在一组水平像素内，行的缺陷超过8个像素  。

一、CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器等项目

1. 感光二极管（Photodiode）

2. 并行信号寄存器（Shift Register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。

3. 并行信号寄存器（Transfer Register）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大。

4. 信号放大器：用于放大微弱电信号。

5. 数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号。

二、CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层

1. 微型镜头

微型镜头为CCD的第一层，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。

2. 分色滤色片

分色滤色片为CCD的第二层，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

3. 感光层

感光层为CCD的第三层，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。

CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，二后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。

光电荷的转移途径有CCD表面沟道（SCCD)和体沟道（BCCD,也称为埋沟道CCD)两种方式。表面沟道CCD的电荷转移途径距离半导体-绝缘体分界面较近，工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率低，工作频率一般在10MHz以下。为了消除这种现象，以提高CCD的工作速度，用离子注入方法转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，这就是体沟道CCD.体沟道CCD的转移效率大大提高，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。

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，尺寸精确，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。

CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫描仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周而复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。

超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜。

经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像素CCD以拍摄极高解像之天体照片。

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。

温度噪声、暗电流（dark current）和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。天文学家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为"暗框"(dark frame）。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声（暗点和亮点等等），得到更清晰的细节。

天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用"自动导星"技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。

其实在CCD中，本来就对红外光有感应，能看到红外线，例如：使用黑白摄像机，在关掉明亮电灯的情况下，开启红外灯，马上可以看到影像。这是由于黑白摄像机本来就没颜色，但在现实使用的彩色CCD多数看不到红外线。其实，彩色CCD也能识别和感应到红外线，但会干扰到D.S.P （影像处理主芯片）的运算以导致”偏色”，因此，在彩色CCD中为了让其不“偏色”，在彩色CCD上头黏的那片滤光片，让它不能接收红外线。

从380nm-645nm 穿透率是约93%，刚好就是可见光的范围（紫-靛-蓝-绿-黄-橙-红），就是彩虹的颜色。600多nm是红色光，在它往右以”外”，就叫”红外线”，是”红色以外的光” 不是红色的光，因为眼睛已经看不到了，再来，380nm左右我们眼睛看到的是紫色，在380nm往左以”外”，就叫”紫外线”.

常用ccd尺寸对比表

CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话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，包括仙童半导体（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领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

以下为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，换句话说，也提高了感度。在80年代初期，索尼将其领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、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，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼SUPERHAD CCD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。

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组件的光无法百分之百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“EXVIEWHAD 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。

发明者荣誉

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，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charles K. Kao）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CCD” 获此殊荣。