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CCD感光元件 发布于:

CCD感光元件,英文全称:Charge-coupled Device,中文全称:电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

CCD传感器又叫电荷耦合器,它是一种特殊的半导体材料,由大量独立的感光二极管组成,一般按照矩阵形式排列。目前,CCD的种类有很多,其中面阵型CCD是主要应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成的阵列,整体呈正方形,然后像砌砖一样将这些感光二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的CCD传感器。从功能上来说,CCD感光元件在某种程度的相当于传统相机的胶卷。从消费者选择的角度来说,CCD感光元件当然是越大越好。相信很多消费者在国货品牌中看到过CMOS这个名词的,其实它也是一种感光元件,只不过在成本上要明显低于CCD,在功耗方面也小于CCD,但在噪点的

控制和成像质量方面不如CCD(这里只是指尺寸比较小的CMOS感光元件),所以只在低端数码相机以及摄像头设计上普遍使用。 另外,关于SuperCCD,它是富士独创的一项CCD技术,它与普通型CCD最大的不同在于,它改变了矩阵CCD四个原色点合成一个象素点的原理,八边形几何构造和间断排列,使蜂窝状的感光单元能更好的利用了CCD表面空间,在象素相等的情况下获得了更多的信息量。目前几乎全线富士产品都采用了这一感光元件,而且反映明显比以前要好,特别是高达1600的ISO感光度设计,博得消费者一致好评。

1969年

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(George E. 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。

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率先上市,于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

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。

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CCD” 获此殊荣。

CCD广泛应用在数码摄影、天文学,尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜,和高速摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛,只不过摄像机中使用的是点阵CCD,即包括x、y两个方向用于摄取平面图像,而扫描仪中使用的是线性CCD,它只有x一个方向,y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

CCD的加工工艺有两种,一种是TTL工艺,一种是CMOS工艺,前者是毫安级的耗电量,而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,医疗、民用产品。

四十年来,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。

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。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。

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。传真机或扫瞄仪用的线性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。如此周著复始,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。

在数码相机领域,CCD的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜( Bayer filter )加装在CCD上。每四个像素形成一个单元,一个负责过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素都接收到感光讯号,但色彩分辨率不如感光分辨率。

用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好,分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光,由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机,和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。目前,超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵,配备3CCD的高解析静态照相机,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,兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。

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数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。

第一层微型镜头

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。

传统的照相机胶卷尺寸为35mm,35mm为对角长度,35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机,对角长度约接近35mm的,CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中,很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸,例如尼康的D100,CCD/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6,比起消费级数码相机要大很多,而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm,达到了35mm的面积,所以成像也相对较好。


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