CCD影像儀的重要組成部分

CCD是于1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的維拉·波義耳）和喬治·史密斯（George（Willard S. Boyle

E. Smith）所發(fā)明的。當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)后，波義耳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(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來(lái)做為記憶裝置，當(dāng)時(shí)只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像?！〉搅?0年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員已經(jīng)能用簡(jiǎn)單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此一發(fā)明，著手進(jìn)行進(jìn)一步的研究，包括快捷半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）、美國(guó)無(wú)線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導(dǎo)體的產(chǎn)品上市，于1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。

以上為CCD發(fā)展歷程

1、HAD感測(cè)器

HAD（HOLE-ACCUMULATION DIODE）傳感器是在N型基板，P型，N+2極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是SONY*的構(gòu)造。由于設(shè)計(jì)了這層正孔蓄積層，可以使感測(cè)器表面常有的暗電流問(wèn)題獲得解決。另外，在N型基板上設(shè)計(jì)電子可通過(guò)的垂直型隧道，使得開(kāi)口率提高，換句換說(shuō)，也提高了感度。在80年代初期，索尼將其使用在可變速電子快門產(chǎn)品中，在拍攝移動(dòng)快速的物體也可獲得清晰的圖象。^[2]

2、ON-CHIP MICRO LENS

80年代后期，因?yàn)镃CD中每一像素的縮小，將使得受光面積減少，感度也將變低。為改善這個(gè)問(wèn)題，索尼在每一感光二極管前裝上微小鏡片，使用微小鏡片后，感光面積不再因?yàn)楦袦y(cè)器的開(kāi)口面積而決定，而是以微小鏡片的表面積來(lái)決定。所以在規(guī)格上提高了開(kāi)口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、SUPER HAD CCD

進(jìn)入90年代后期以來(lái)，CCD的單位面積也越來(lái)越小，1989年開(kāi)發(fā)的微小鏡片技術(shù)，已經(jīng)無(wú)法再提升感亮度，如果將CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升，將會(huì)使雜訊也被提高，畫(huà)質(zhì)會(huì)受到明顯的影響。索尼在CCD技術(shù)的研發(fā)上又更進(jìn)一步，將以前使用微小鏡片的技術(shù)改良，提升光利用率，開(kāi)發(fā)將鏡片的形狀*化技術(shù)，即索尼 SUPER技術(shù)?；旧鲜且蕴嵘饫眯蕘?lái)提升感亮度的設(shè)計(jì)，這也為日前的CCD基本技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 HAD CCD

4、NEW STRUCTURE CCD

在攝影機(jī)的光學(xué)鏡頭的光圈F值不斷的提升下，進(jìn)入到攝影機(jī)內(nèi)的斜光就越來(lái)越多，使得入射到CCD組件的光無(wú)法的被聚焦到感測(cè)器上，而CCD感測(cè)器的感度將會(huì)降低。1998年索尼公司為改善這個(gè)問(wèn)題，將彩色濾光片和遮光膜之間再加上一層內(nèi)部的鏡片。加上這層鏡片后可以改善內(nèi)部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同時(shí)將硅基板和電極間的絕緣層薄膜化，讓會(huì)造成垂直CCD畫(huà)面雜訊的訊號(hào)不會(huì)進(jìn)入，使SMEAR特性改善。

 

5、EXVIEW HAD CCD

比可視光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線光，也可以在半導(dǎo)體硅芯片內(nèi)做光電變換?？墒侵廉?dāng)前為止，CCD無(wú)法將這些光電變換后的電荷，以有效的方法收集到感測(cè)器內(nèi)。為此，索尼在1998年新開(kāi)發(fā)的“EXVIEW HAD CCD”技術(shù)就可以將以前未能有效利用的近紅外線光，有效轉(zhuǎn)換成為映像資料而用。使得可視光范圍擴(kuò)充到紅外線，讓感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”組件時(shí)，在黑暗的環(huán)境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深層中做的光電變換時(shí)，會(huì)漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到傳感器內(nèi)，所以影響畫(huà)質(zhì)的雜訊也會(huì)大幅降低^[3]。

2006年元月，波義耳和史密斯獲頒電機(jī)電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）頒發(fā)的Charles Stark Draper獎(jiǎng)?wù)拢员碚盟麄儗?duì)CCD發(fā)展的貢獻(xiàn)。

北京時(shí)間2009年10月6日，2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，瑞典*科學(xué)院委員會(huì)宣布將該獎(jiǎng)項(xiàng)授予一名中國(guó)科學(xué)家高錕）和兩名科學(xué)家維拉·博伊爾（Willard S. Boyle）和喬治·史密斯（George E. Smith）?？茖W(xué)家Charles K. Kao 因?yàn)?ldquo;在光學(xué)通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_(kāi)創(chuàng)性成就” 而獲獎(jiǎng)，科學(xué)家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路——電荷藕合器件圖像傳感器獲此殊榮。CCD” （Charles K. Kao香港諾貝爾獎(jiǎng)

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。

 工作原理CCD

CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的CCD可滿足不同場(chǎng)合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是MOS電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像（線陣CCD如右圖所示）。面陣CCD的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。

 *層“微型鏡頭”

    我們知道，數(shù)碼相機(jī)成像的關(guān)鍵是在于其感光層，為了擴(kuò)展CCD的采光率，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫(huà)質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_(kāi)口面積而決 定，而改由微型鏡片的表面積來(lái)決定。

    CCD的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYK補(bǔ)色分色法這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識(shí)別的顏色，都可以通過(guò)紅、綠和藍(lán)來(lái)組成，而RGB三個(gè)字母分別就是Red, Green和Blue，這說(shuō)明RGB分色法是通過(guò)這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。再說(shuō)CMYK，這是由四個(gè)通道的顏色配合而成，他們分別是青（C）、洋紅（M）、黃（Y）、黑（K）。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)節(jié)出來(lái)的顏色不及RGB的多。

    原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫(huà)質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問(wèn)題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，在ISO感光度上多半不會(huì)超過(guò)400。相對(duì)的，補(bǔ)色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設(shè)定在800以上

    CCD的第三層是“感光片”，這層主要是負(fù)責(zé)將穿過(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。