CCD的发展现状及展望

CCD的发展现状及展望
胡　渝　荣　健　胡　渝
(成都电子科技大学　成都　610054)
摘要　阐述了电荷耦合器件CCD的发展历程,综述了现阶段各国的发展现状,分析展望了CCD器件在未来的发展趋势。

关键词　CCD　像元
The D evelopm en t and Expecta tion of CCD
H u　Yu　Rong　J ian　H u　Yu
(U niversity of E lectronic S cience and T echnology of Ch ina,Cheng d u610054,Ch ina)
Abstract　T he h igh quantum efficiency,low no ise,and linear response of current CCD(charge coup led device) are attractive characteristics w hen compared w ith traditi onal pho ton2counting speck le i m aging system s.N ow, CCD is used w idely in so m any fields and w ill becom e mo re and mo re i m po rtant in the future.
Key words　CCD　P ixel
1　引 言
电荷耦合器件(CCD)是由整齐紧密排列的若干个小的光敏元(通常称为像素)组成的阵列,总约有几十万甚至上千万个。

它们的作用就相当于人的视网膜上的感光细胞,用以感受照射在它们上面的光的强弱与色彩。

CCD器件具有以下的特点:
(1)具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠性高、寿命长等一系列优点。

(2)具有理想的“扫描”线性,可以进行像素寻址,可以变化“扫描”速度,畸变小、尺寸重现性好,特别适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。

(3)有很高的空间分辨率。

(4)数字扫描能力。

像元的位置可以由数字代码确定,便于和计算机结合。

(5)光敏元间距的几何尺寸精确,可以获得很高的定位精度和测量精度。

(6)具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。

2　CCD的发展现状
自1970年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器件(CCD)以来,依靠业已成熟的M O S集成电路工艺,CCD技术得以迅速发展。

其应用领域涉及到航天、航空、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域。

211　传统CCD的发展[1～3]
美国是世界上最早开展CCD研究的国家,也是目前投入人力、物力、财力最多的国家,在此应用研究领域一直保持领先的地位。

贝尔实验室是CCD研究的发源地,并在CCD像感器及电荷域信号处理方面的研究保持优势。

麻省理工学院林肯实验室,宇航局喷气推进研究室,罗姆空间发展中心以及SR I D avid Sarnoff研究中心在CCD及其应用等方面的研究保持着雄厚的实力,并形成了具有较大规模的实验研究中心。

此外,还有无线电公司、通用电气公司、仙童公司、福特航空公司及EG&G公司等。

在CCD传感器和应用电视技术方面,美国以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD摄像机占有绝对优势。

这些产品不仅价格昂贵、而且又受到国家的严格管制。

日本是目前世界上CCD的生产大国,在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位,尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备
第26卷第8期增刊 仪　器　仪　表　学　报 2005年8月
基本上包揽了全世界的大部分市场。

日本的CCD技术起步较晚,但发展极快,特别是日本的彩色CCD摄像机具有极强的竞争力。

索尼公司在1979年用三片242 (H)×242(V)像元高密度隔列转移CCD像感器首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。

1980年,日立公司首先推出单片彩色CCD摄像机。

1998年日本采用拼接技术开发成功了16384×12288像元即(4096×3072)×4像元的CCD图像传感器。

由于日本本国的新产品更新换代速度很快,所以无论产品的产量还是质量都占据世界首位。

法国也是开展CCD技术研究较早的国家之一,汤姆逊无线电公司(CSF)和EEV公司是世界上生产和开发CCD产品的著名厂家。

此外,英国通用电气公司(GEC)和荷兰的菲利普公司在CCD技术的研究开发上也很著名。

我国的CCD研制工作起步比较晚,目前落后日欧美等先进国家10年以上。

我国自行研制的第一代普通线阵CCD(光敏元为M O S结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD已形成系列产品;面阵CCD也基本上形成了系列化产品。

除可见光CCD外,国内目前还研制出了硅化铂肖特基势垒红外CCD。

目前国内正在研制和开发的CCD有:512×512像元X射线CCD、512×512像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。

但目前国内CCD器件的研究进展尚不够迅速,与国际先进水平相比差距很大。

212　特殊CCD的发展
传统CCD由于光电二极管是矩形的,其尺寸受到限制。

制造商们尽管不断增加像素以提高图像质量,同时缩小像素和光电二极管面积,但光吸收的低效率已成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一障碍。

21211　超级CCD(Super CCD)[4～5]
日本富士公司为寻求更好的解决方法,对人类视觉进行了全面的研究,他们得到一个结论:像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴上,最低的功率在45°对角线上。

根据这一理论研究结果,超级(Super) CCD16的像素按45°角排列从而形成了一个蜂窝状结构。

取消控制信号通道,为光电二极管留出更多空间。

光电二极管呈八角形,非常接近于微透镜的圆形,因此,可以更有效地吸收光。

超级CCD把无助于影像记录的空间减少到最低限度,感光效率、感光度和信噪比得到了提高,动态范围得以扩大(图1)。

图1　传统CCD与超级CCD的像素比较
超级CCD采用水平跳跃读出方式。

传统CCD水平方向的像素中只有两种颜色,必须读出两行数据才能形成彩色。

超级CCD每行像素中包含R、G、B三种彩色,除以1 2或其他比率进行垂直跳跃读出外,还可进行水平1 3跳跃读出,以获得高质量的视频输出。

与传统CCD不同,其电荷通道更宽阔,能够高速传输数据,因此所有像素的数据可一次读出,只要更加简单的电子快门控制,这使它具有进行快速精确连续拍摄的潜能。

自1999年第一代超级CCD问世,到2003年初已发展到第四代Super CCD,用该器件开发的数码相机的摄像效果已达到人眼视觉效果。

21212　多层感色CCD[6]
在美国的Foven公司发表多层感色CCD(X3)技术之前,一般CCD结构是类似蜂窝状的滤色版(图2),下面垫上感光器,借以判定入射的光线是R GB三原色的
哪一种。

图2　一般CCD
的结构
图3　X3技术感色原理
然而,蜂窝技术(美国辨又称为马赛克技术)的缺点在于:分辨率无法提高,辩色能力差以及制作成本高昂。

也因此,这些年来高端CCD的生产一直被日本所垄断。

新的X3技术,让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理(图3),依照光线的吸收波长“逐层感色”。

对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点,X3技术的同样一个像素可以感应3种不同的颜色,大大提高了影像的品质与色彩表现,支持更强悍的CCD运算技术V PS(V ariable P ixel Size);此外,X3还有一项特性,非常类似我们先前介绍的Super CCD III
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　第8期增刊CCD的发展现状及展望
水平垂直运算整合的方式,同样通过“群组像素”的搭配。

X3也可以达到超高ISO值(必须消减分辨率),高速V GA录画速率。

比超级CCD更强悍的在于X3每一个P ixel(像素)都可以感应三个色彩值,在理论上来说,X3的动画拍摄在相同速度条件下,可能比Super CCD III还来得更精致。

为了应对激烈的市场竞争和由以CM O S为代表的其他光敏器件的快速发展,其他的CCD厂商也纷纷加快步伐进行新技术开发。

因篇幅有限,在此不再详述。

3　CCD的发展趋势
(1)像面尺寸向集成化、轻量化方向发展
由于光刻机的进步,在仍保持具有很高灵敏度的特性下,CCD传感器的尺寸向1 2英寸、1 3英寸、1 4英寸、1 5英寸的方向发展。

(2)向高像素数、多制式发展
各种CCD传感器的像面尺寸在减少,但其像素数在增加,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。

为提高水平和垂直方向的分辨能力,已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。

(3)降低CCD传感器的工作电压、减少功耗
初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V 和+5V等,目前通用的为+12V。

为配合PC摄像机和网络图像传输的应用,逐步以+12V和+5V为主。

(4)提高CCD摄像机的制造效率
为了降低CCD摄像机的制造成本,实现高速自动化生产,制造厂家追求紧密性结构,致力于CCD摄像机的小型化。

到目前为止,已实现多层板的M ulti Ch i p M odule(M CM)多芯片集成模组化制造技术。

(5)CCD摄像机的数字化
在制造CCD摄像机时,从以往的A nalog模拟系统逐步实现D SP数位化处理,可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机,特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整,可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。

4　结束语
目前,CCD器件虽然在研究论文发表方面数量在逐渐减少,但在生产量上却不断增加。

回顾CCD的前期发展历史,除了着意提高像素外,在技术开发层面上并没有太大突破。

但是,进入2000年后,CCD技术的发展一下子加快起来,新型结构的CCD不断进入市场, CCD的缺点也在改善,例如,低耗电、多功能化、低价格化和多层感色等。

CCD器件并没有退出市场,在数码相机和摄像机市场中,仍为主要的成像器件。

参考文献
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(上接第717页)
参考文献
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027仪　器　仪　表　学　报 第26卷　。